控制棒驱动机构钩爪及连杆自动氩弧堆焊关键技术及装置研发学习体会

文献概况与战略意义

本文发表于《制造业自动化》2017年第39卷第1期，作者王德斌、刘刚、王丰、史骁辰来自上海核工程研究设计院，周文来自北京雷蒙赛博机电技术有限公司。研究由国家科技重大专项资助（2011ZX06002-002），聚焦核电厂控制棒驱动机构（CRDM）钩爪及连杆的自动氩弧堆焊技术。控制棒驱动机构是核反应堆堆芯控制系统的核心部件，负责控制棒组件的插入和抽出操作，直接关系到反应堆的安全运行。钩爪和连杆作为CRDM的关键运动部件，其耐磨性能和可靠性至关重要。

该研究通过研制专用自动氩弧堆焊装置和配套制造工艺，实现了钩爪及连杆的自动化堆焊，样件通过了1000万次耐磨性能试验，验证了堆焊产品的性能满足要求。这一成果对于提升我国核电关键设备的自主制造能力具有重要的战略意义。

钩爪及连杆的功能与性能要求

功能分析

控制棒驱动机构的钩爪和连杆在反应堆运行中承担以下关键功能：

1. 控制棒组件定位：钩爪负责在驱动机构各档位上锁定控制棒组件的位置，确保控制棒在预期位置精确停留。
2. 运动传递：连杆将驱动电机的旋转运动转换为控制棒组件的直线运动，实现控制棒的插入和抽出。
3. 载荷传递：在控制棒组件自重、流体力和振动载荷作用下，钩爪和连杆需要承受持续的机械载荷。

性能要求

自动氩弧堆焊关键技术

小孔堆焊技术

钩爪和连杆的结构复杂，包含大量小孔、凹槽和弧形表面。在这些复杂几何特征上进行堆焊，是自动氩弧堆焊面临的主要技术挑战。小孔堆焊技术的关键在于：

1. 熔池控制：在小孔区域，熔池体积有限，需要精确控制热输入，防止熔池溢出或烧穿。
2. 气体保护：小孔区域的气体保护效果较差，需要通过优化喷嘴设计和气体流量来确保保护效果。
3. 电弧稳定性：小孔区域的电弧行为复杂，需要通过优化焊接参数来维持电弧稳定。
4. 多层堆焊：小孔区域通常需要多层堆焊以达到设计厚度，每层的堆焊都需要精确控制。

齿面弧形多层堆焊

钩爪的齿面是弧形表面，且齿面之间存在复杂的几何关系。齿面弧形多层堆焊的关键技术包括：

1. 路径规划：需要精确规划焊枪的堆焊路径，确保堆焊层覆盖整个齿面且厚度均匀。
2. 多层堆焊参数匹配：不同层的堆焊参数需要根据前层的堆焊状态进行调整，确保层间结合良好。
3. 变形控制：多层堆焊产生的热变形可能导致齿面几何精度超差，需要通过反变形设计和实时监测来控制。
4. 表面质量控制：齿面的表面质量直接影响控制棒组件的定位精度，需要通过优化焊接参数和后处理来保证。

专用自动堆焊装置

文献中提到的专用自动氩弧堆焊装置是针对钩爪及连杆的复杂几何特征专门设计的，其核心组成包括：

• 多轴机器人系统：提供焊枪的精确空间定位和运动轨迹控制。
• 送丝系统：精确控制焊丝送进速度和焊接电流。
• 气体保护系统：提供高质量的氩气保护，确保熔池纯净。
• 视觉跟踪系统：实时监测堆焊层的几何形状，实现路径自适应调整。
• 过程监控系统：实时监测焊接电流、电压、温度等参数，实现过程质量控制。
• 数控系统：集成所有子系统，实现自动化堆焊的全程控制。

耐磨性能试验与结果分析

试验设计

耐磨性能试验模拟了钩爪及连杆在实际运行中的磨损工况。试验装置通过模拟控制棒组件的插入和抽出动作，对堆焊钩爪进行反复的摩擦和冲击载荷作用。试验参数包括：

• 循环次数：1000万次
• 载荷大小：模拟实际运行载荷
• 摩擦速度：模拟控制棒运动速度
• 润滑条件：模拟实际运行环境

试验结果

样件通过1000万次耐磨性能试验，表明堆焊钩爪及连杆的耐磨性能满足设计要求。试验结果还显示：

1. 堆焊层与基体的结合强度良好，无层间剥离现象。
2. 堆焊层的磨损均匀，无局部过度磨损。
3. 堆焊层的表面粗糙度在磨损过程中保持稳定。
4. 堆焊层的硬度在磨损过程中略有下降，但仍满足设计要求。

工程应用与质量控制

焊接质量控制

自动氩弧堆焊的质量控制体系包括以下几个层面：

1. 来料检验：对焊丝、基体材料和气体进行严格的来料检验，确保材料质量合格。
2. 过程监控：通过过程监控系统实时监测焊接参数，确保焊接过程稳定可控。
3. 在线检测：利用视觉跟踪系统实时监测堆焊层的几何形状和表面质量。
4. 离线检测：堆焊完成后进行全面的无损检测（UT、MT、PT）和尺寸检测。
5. 性能验证：对关键批次产品进行力学性能试验和耐磨性能试验。

与手工堆焊的对比

学习心得与战略启示

该研究是核电关键设备国产化进程中的重要成果。控制棒驱动机构作为核反应堆安全系统的关键部件，其制造技术长期被国外垄断。通过自主研发自动氩弧堆焊技术和专用装置，我国在核电关键设备制造领域取得了重要突破，为核电装备的自主化和国产化奠定了技术基础。

从技术发展的角度看，该研究展示了自动化焊接技术在核电设备制造中的巨大潜力。核电设备对焊接质量的要求极为严格，而自动焊接技术通过精确的参数控制和过程监控，能够有效保证焊接质量的一致性和可追溯性。随着机器人技术、传感器技术和技术资料技术的不断发展，自动焊接技术在核电设备制造中的应用将更加广泛。

从工程管理的角度看，该研究还体现了PDCA循环在工艺开发中的重要作用。从工艺设计、装置研发、试制验证到批量生产，每个环节都需要进行严格的检查和改进，确保最终产品的质量满足核安全要求。这种系统化的质量管理方法，对于核电等高风险领域的制造工艺开发具有重要的指导意义。

对于焊接技术人员而言，该文献还提醒我们关注焊接技术与自动化技术的深度融合。未来的焊接技术将不再是孤立的焊接过程，而是与机器人技术、传感器技术、数据分析和技术资料技术深度融合的智能制造系统。掌握自动焊接技术，将成为焊接技术人员必备的核心能力。

以上五篇文献学习体会涵盖了堆焊材料研究、现场修复工艺、核电焊接辅助技术、大面积堆焊工艺和核电关键设备自动堆焊等多个方向，共同展示了堆焊技术在工程实践中的广泛应用和持续创新。从Q345E钢基体上的焊材选型，到辊压机辊子的在线修复；从电磁感应加热的创新应用，到大面积耐磨合金复层板的工艺优化；再到核电控制棒驱动机构钩爪的自动堆焊，这些研究共同构成了堆焊技术从基础研究到工程应用的完整知识体系。对于从事钢管、管件和焊接技术的工程技术人员而言，这些文献不仅提供了具体的技术参考，更重要的是展示了技术研究的系统思维和创新方法，值得深入学习和借鉴。