大型抽水蓄能球阀机器人窄间隙焊接技术的研究与应用抽水蓄能是以新能源为主体的新型电力系统的重要组成部分，对于推动建设清洁低碳、安全高效的能源体系，更好地服务于二氧化碳排放高峰和碳中和具有重要意义。球阀作为抽水蓄能机组的重要保护设备，在各种工况下都要承受水压和振动。为了保证其足够的刚度和强度，球阀被设计成具有大的厚度和质量。随着抽水蓄能机组向高水头、大容量方向发展，球阀的刚度和强度要求越来越高，设计厚度也进一步增加。球阀通常焊接在铸锻件上，传统的焊接工艺存在焊接量大、焊接效率低、资源消耗高的缺点。在“双碳”背景下，如何高效率、高质量、低能耗地焊接球阀，是球阀制造中非常重要的环节。随着机器人焊接技术和窄间隙GMAW技术的发展，其在球阀制造中的应用成为可能。一方面，窄间隙GMAW技术通过大幅度减小坡口截面[]，可以大大减少焊接工作量和资源消耗；另一方面，充分利用机器人连续、稳定的优势，代替人工做大量重复性的焊接工作，实现稳定、高效的焊接，大大降低焊工的劳动强度，提高生产效率。
以某抽水蓄能电站球阀为例。球阀的阀门为铸造结构，阀体为对称分体铸造焊接结构。阀门安装后，两个阀体焊接成一个整体。结构如图1所示。阀体最大焊接尺寸为5 160 mm3 928 mm2 920 mm，质量约103 t，阀体母材为ZG20Mn，焊丝为AWS A5.18 ER70S-6，直径1.2 mm，采用GMAW。阀体拼接处的最小壁厚为150 mm，单个焊缝的长度为3 000 mm。
根据球阀阀体的传统工艺结构，为了控制焊接变形，设置了内外厚度比为4 6的近似对称的X形坡口。在球阀阀体的内部被焊接之后，球阀阀体的根部在外部被清洁，并且交替地进行焊接。焊缝中包覆金属的量达到700 kg。由于球阀质量大，难以通过位移装置改变焊接位置，且安装在活动阀的阀轴内后内部空间狭小，焊接量大，采用机器人常规坡口焊接方法难以实现球阀阀体的高效焊接。因此，开发了机器人窄间隙GMAW焊接技术，使高效率、高质量焊接球阀成为可能。机器人窄间隙GMAW焊接技术具有以下优点：(1)阀体焊缝坡口设计为单面I型坡口，减少了65%以上的覆层金属量，减少了焊接量(见图2)；(2)机器人焊接在球阀阀体外侧，有开放空间，内侧无清根或有少量清根罩；(3)横向焊接位置：采用附加外轴的机器人适应工件的焊接位置，工件不需要移位；(4)机器人焊接连续稳定，可24小时连续焊接，焊缝一致性好，质量稳定可靠。
但采用机器人窄间隙GMAW焊接技术存在一些难点：(1)焊缝轨迹为弧形，机器人关节变化较大，需要使用仿真软件保证机器人的可达性；(2)窄间隙GMAW横焊，对焊缝成形要求高[3-8]；(3)大型球阀单面坡口焊接，焊接变形难以控制；(4)深窄坡口的焊接稳定性要求高。
2.1球阀阀体机器人焊接工艺结构的设计与仿真仿线球阀阀体机器人焊接工艺结构的设计球阀阀体的结构类似于球壳和圆柱体相交形成的复杂结构
以某抽水蓄能机组球阀为例，球阀阀体圆弧段角度约90，焊缝弧长约3 m，机器人关节变化较大。为了分析机器人焊枪的焊接可达性，确保机器人的作业范围满足焊接工艺要求，基于带外轴的机器人、窄间隙GMAW焊枪和球阀阀体的三维数学模型，利用KUKA Sim Pro仿真软件进行离线仿真示教，模拟焊接过程的最佳姿态，确定机器人与工件的最佳位置关系，从而确定工件和机器人的实际位置，如图4所示。
2.2窄间隙GMAW横焊技术与窄间隙GMAW平焊相比，窄间隙GMAW横焊的应用相对较少[4]。本文在窄间隙GMAW横焊工艺中，采用了一层两道次。如图5所示，凹槽根部设有3~5 mm厚的钝边，凹槽背面未加垫。焊接后，手工去除钝边并密封。上下焊接时触头偏转一定角度，先焊下焊道，再焊上焊道，焊接过程中焊丝指向坡口侧壁，形成侧壁全熔合，如图6所示。这种方法的优点是充分利用了熔池向下流动的趋势，使下一条焊缝因熔池向下流动而对上一条焊缝起到支撑作用[6-9]。
横向焊接时，熔池中的金属在重力作用下流动或下落，并积聚在焊缝的下侧。熔池越大，流动趋势越明显，容易导致焊缝成形不良、夹渣和未熔合缺陷。同时，由于熔池向下滴落，如果熔池太小，容易出现下侧壁熔合不良，上侧壁未焊透，造成夹渣。因此，为了获得良好的焊缝成形效果和焊缝质量，必须严格控制热输入。通过横向焊接工艺试验，比较了焊缝成形效果、焊接稳定性和熔覆效率，形成了一套适用于窄间隙横向焊接的工艺参数。见表1。试验中使用的焊接电源型号为SAF-Frodigi Pulse520，保护气体为
(Ar)80%(CO2)20%，母材为接近ZG20Mn的钢板Q345C，焊丝为1.2 mm AWS A5.18 ER70S-6。经超声波探伤和焊缝截面试验解剖检查，焊接试样无缺陷，见图7。同时，参数的合理匹配可以保证焊缝与坡口侧壁之间没有锐角，避免未熔合缺陷的形成。同时量化每层(5~6 mm)的焊接厚度，实现机器人焊接轨迹的连续自动偏差。
2.3大型球阀阀体厚断面单面坡口的焊接变形控制球阀阀体焊接单面窄间隙坡口，会导致Z方向(高度方向)的变形和槽宽方向的明显收缩变形。由于窄间隙GMAW焊枪的结构，其对熔池的气体保护作用是通过气罩和坡口两侧壁共同限制气体流动来实现的，因此焊接坡口宽度必须控制在合理的范围内。过多会影响气体保护效果，形成气孔缺陷，且不得小于12 mm(东方电气股份有限公司窄间隙GMAW焊枪的适应值)，否则无法实现窄间隙焊接。因此，在机器人焊接过程中，除了保证球阀的整体结构尺寸外，还需要同时控制坡口宽度尺寸。为了控制焊接变形，结合大型球阀阀体传统X形焊接结构的变形数据和单面坡口焊接结构的变形趋势分析，认为坡口结构由X形近似对称坡口改为单面坡口，在两侧对称焊接的情况下，球阀的径向变形趋势不会发生明显变化。采用窄间隙单边槽，Z向变形小于传统结构
当机器人本身具有良好的精度时，其运动过程具有极佳的一致性和稳定性[10]，但焊接是一个复杂的冶金过程，其系统涉及电源、气体保护、焊枪、水冷保护、送丝系统等。机器人焊接，尤其是窄间隙坡口机器人焊接，还受到来料、装配精度等诸多因素的影响。如果工艺控制不当，很容易出现长条状连续性缺陷(如气孔、未熔合)。然而，由于槽空间的限制，在不破坏窄间隙槽尺寸的情况下进行修复是极其困难的。焊接过程中的缺陷会严重影响整个焊接过程的连续性，机器人很难实现高效焊接。对于高效率、高质量的球阀阀体焊接，焊接过程的质量控制尤为重要。通过结合球阀阀体机器人窄间隙横向焊接工艺，从以下几个方面保证焊接质量。2.4.1焊接飞溅的控制如果焊接过程中焊接飞溅大，会影响焊接过程的连续性和焊缝内部质量。导电嘴附着的大量飞溅会阻碍焊丝的进给，造成电弧明显跳动。如果不及时停止焊接，就会产生未熔合缺陷。坡口表面附着大量飞溅物，可能出现一些未熔合缺陷。每层每道都需要及时清理，增加了辅助焊接时间，影响了焊接连续性，降低了机器人的焊接效率。焊接飞溅发生在熔滴过渡期间。采用(Ar)80% (CO2)20%二元保护气体和数字化脉冲焊接电源，可在小电流条件下实现射流过渡，合理匹配电流和电压参数可实现几乎零飞溅焊接。由于焊接飞溅对焊接参数比较敏感，当电流和电压出现明显波动时，飞溅会明显增加。受设备条件的限制，本文没有电弧参数的自反馈调节系统来保证参数的一致性。而是通过精确计算和控制焊缝高度和机器人多层多通道偏移量(每层高度为5.5 mm)，使整个焊接过程中焊丝干伸长波动不超过1 mm，在给定的参数设置下，电流和电压参数不会发生明显变化，从而保证整个焊接过程的低飞溅。
在送丝轮的驱动下，焊丝通过送丝导管到达焊枪接触嘴的末端。在实际使用过程中，由于管道阻力过大，送丝不畅，电弧被拉长，导致焊缝根部出现咬边、未熔合等缺陷。为保持送丝系统的稳定性，减少送丝阻力，采取以下措施：(1)缩短送丝管长度，降低管道阻力，送丝)优化焊接姿态，避免管道出现死弯，管道弯曲角度不应小于90；(3)及时清洗或更换接触喷嘴。
窄间隙GMAW焊接最重要的是保证坡口侧壁的熔合，焊丝方向性不足会导致未熔合的缺陷。焊丝定向控制措施主要包括：引入机器人焊接跟踪系统，保证机器人轨迹准确，焊丝指向侧壁；(2)引入熔池观察系统实时观察母材的熔化情况，并适当调整焊丝的指向角度；(3)调整优化焊接姿势，保证焊丝与坡口侧壁的距离。
窄间隙焊接坡口若有孔洞缺陷，只能用碳弧气刨去除，容易损伤坡口，难以修复。但球阀阀体装配焊缝长3 m，坡口距地面2 m左右，容易受外界风源影响产生氮气孔。主要预防措施有：在机器人阀体焊接工位周围设置挡风板；(2)弧形挡板点焊固定在坡口外侧，延长坡口深度，提高浅表层气体保护效果；(3)在b上增加二级保护气路
经过前期大量的试验和严谨的工艺规划，机器人窄间隙GMAW焊接技术已经应用到东方电气股份有限公司某抽水蓄能产品球阀上，如图9所示，实现了高效率、高质量的机器人焊接。采用窄间隙坡口，球阀阀体焊接量从700 kg减少到240 kg，焊接量减少66%，大大降低了资源消耗和劳动强度。阀体焊接周期从25天以上缩短到7天；焊接变形得到很好的控制，焊接收缩与预设的抗变形一致，整体尺寸符合设计要求。焊后焊缝经TOFD检测，整体合格率99%，其中机器人焊接一次合格率100%。
(1)将窄间隙技术与机器人的特点相结合，在同行业中首次实现了大型抽水蓄能球阀机器人窄间隙焊接制造新技术。(2)该技术在某抽水蓄能机组的实际应用结果表明，与传统技术相比，焊接质量稳定性提高，焊接工作量和资源消耗大幅降低，焊接工人的工作环境得到改善。(3)抽水蓄能电站将在“十四五”期间快速发展。随着该技术的推广应用，可以缓解抽水蓄能球阀生产周期的瓶颈，提高球阀的出力能力。
