核用小直径传热管衬管焊接TIG焊枪的设计及优化

doi:10.12141/j.issn.1000-565X.220754

华南理工大学学报(自然科学版) ›› 2023, Vol. 51 ›› Issue (7): 1-11.doi: 10.12141/j.issn.1000-565X.220754

所属专题： 2023年机械工程

核用小直径传热管衬管焊接TIG焊枪的设计及优化

王振民¹ 谢惠民¹ 李栩延¹ 吴镐东¹ 张梦金² 王雪竹² 张芩¹ 田济语¹

^1.华南理工大学机械与汽车工程学院，广东广州 510640
^2.中广核研究院有限公司，广东深圳 518000

收稿日期:2022-11-17 出版日期:2023-07-25 发布日期:2023-03-07
通信作者: 田济语（1991-），男，博士，助理研究员，主要从事核级焊接装备研究。 E-mail:tianjiyu@scut.edu.cn
作者简介:王振民（1974-），男，博士，教授，博士生导师，主要从事新型焊接电源、水下机器人制造等研究。E-mail:wangzhm@scut.edu.cn
基金资助:
国家自然科学基金资助项目(U2141216);广东省科技计划项目(2021B1515420006);深圳市科技攻关项目(JSGG20201201100400001)

Design and Optimization of Liner TIG Welding Gun for Nuclear Heat Transfer Tube with Small Diameter

WANG Zhenmin¹ XIE Huimin¹ LI Xuyan¹ WU Haodong¹ ZHANG Mengjin² WANG Xuezhu² ZHANG Qin¹TIAN Jiyu¹

^1.School of Mechanical and Automotive Engineering，South China University of Technology，Guangzhou 510640，Guangdong，China
^2.China Nuclear Power Technology Research Institute Co. ，Ltd. ，Shenzhen 518000，Guangdong，China

Received:2022-11-17 Online:2023-07-25 Published:2023-03-07
Contact: 田济语（1991-），男，博士，助理研究员，主要从事核级焊接装备研究。 E-mail:tianjiyu@scut.edu.cn
About author:王振民（1974-），男，博士，教授，博士生导师，主要从事新型焊接电源、水下机器人制造等研究。E-mail:wangzhm@scut.edu.cn
Supported by:
the National Natural Science Foundation of China(U2141216);the Science and Technology Planning Project of Guangdong Province(2021B1515420006)

摘要/Abstract

摘要：

随着我国核工业进入第3个30年发展阶段，核用设备的维修需求日益迫切。核用蒸汽发生器内部结构复杂，关键传热管结构管径小、管道长、拆卸安装难度大，传统修复方法难度极高。针对核用小直径传热管因长期处于高温高压工况而出现的腐蚀破坏问题，文中设计了一种全位置自动化TIG衬管焊接修复焊枪，并进行了焊枪可靠性验证和焊接修复试验。首先，提出了焊枪的总体结构设计方案，并阐述了所设计焊枪相对传统钨极TIG焊枪的优势；接着，完成了焊枪传动系统的设计与验证，所设计的传动系统体积小、空间利用率高；随后，对焊枪关键部位——导电轴进行了刚度理论建模、分析和实例计算，并通过有限元求解验证了理论模型的可靠性，在此基础上提出了焊枪结构的优化方法；最后，进行了现场挠度检测和焊接试验，验证了导电轴的刚度满足现场焊接工况，并用线性回归方程和挠度修正公式定量预测焊枪挠度变形，验证了所设计结构的合理性；焊接试验表明焊枪工作时传动系统的转速稳定可控，焊缝成形良好。文中所研制的焊枪能够满足核用蒸汽发生器不锈钢传热管的衬管焊接修复工艺要求。

关键词: 小直径传热管, 焊枪, 刚度建模, 有限元, 衬管焊接

Abstract:

As China’s nuclear industry enters the third 30 years of development, the maintenance need for nuclear equipment is becoming increasingly urgent. The internal structure of the nuclear steam generator is complex, and the key structure, namely the heat transfer tube, has the restrictions like small diameter, long pipeline and difficult disassembly and installation, which make traditional repair methods extremely difficult in implementation. In order to solve the problem of corrosion damage of small-diameter nuclear heat transfer tube due to long-term high temperature and high pressure condition, an all-position automatic TIG welding gun for liner repair was designed in this paper, and the gun reliability verification and welding repair test were carried out. Firstly, the overall structure design of the welding gun was presented, and the advantages of the designed welding gun comparing with the traditional tungsten electrode TIG welding gun were described. Next, the design and verification of the welding gun transmission system with small size and high space utilization were completed. Then, the stiffness of the key part of the welding gun, namely the conductive shaft, was modelled, analyzed and calculated, and the reliability of the theoretical model was verified by finite element solution. On this basis, an optimization method of the welding gun structure was proposed. Moreover, the field test of deflection and the welding test were carried out, finding that the stiffness of the conductive shaft satisfies the field welding conditions. Finally, linear regression equations and deflection correction formulas were used to quantitatively predict the deflection of the welding gun, and the results verify the rationality of the designed structure. Welding tests results show that the rotation speed of the transmission system is stable and controllable in working condition of welding gun, and the welding seam is well formed. The developed liner welding gun can satisfy the requirements of liner welding repair of the stainless-steel heat transfer tube inside the nuclear steam generator.

Key words: small-diameter heat transfer tube, welding gun, stiffness modelling, finite element, liner welding

中图分类号:

TH122

王振民, 谢惠民, 李栩延, 等. 核用小直径传热管衬管焊接TIG焊枪的设计及优化[J]. 华南理工大学学报(自然科学版), 2023, 51(7): 1-11.

WANG Zhenmin, XIE Huimin, LI Xuyan, et al.. Design and Optimization of Liner TIG Welding Gun for Nuclear Heat Transfer Tube with Small Diameter[J]. Journal of South China University of Technology(Natural Science Edition), 2023, 51(7): 1-11.

图/表 20

图1

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参考文献 16

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参数	取值		取值
输入电压/V	24（DC）	额定转矩/（N·m）	6
空载转速/（r·min^-1）	17.4	瞬间允许扭矩/（N·m）	9
空载电流/A	0.5	减速比	721∶1
额定转速/（r·min^-1）	14.5	工作效率/%	85
额定电流/A	1.7

参数	符号	取值
齿间载荷分配系数	K_F	1.3
电机输出转矩/（N·m）	T₁	14
齿宽系数	φ_d	1
总传动比	u	2.9
区域系数	Z_H	2.5
材料弹性系数/MPa	Z_E	189.8
接触疲劳强度重合度系数	Z_ε	0.873
接触疲劳强度许用应力/MPa	σ_H	523

参数	符号	取值		符号	取值
齿间载荷分配系数	K_F	1.3	重合度系数	Y_ε	0.629
电机输出转矩/（N·m）	T₁	14.5	应力修正系数	Y_Sα	1.58
齿宽系数	φ_d	1	齿轮齿数	z	18
齿形系数	Y_Fα	2.65	模数	m	1

构件	材料	密度ρ/（kg·m^-3）	弹性模量E/GPa	泊松比	屈服强度σ/MPa	外径R/mm	内径r/mm
导电轴	黄铜	8 500	106	0.324	240	11	3
钨极导电杆	铜	8 900	119	0.326	68.6	12.5	2.5

挠度	取值		取值
w_B /mm	9.002	θ_B /rad	1.47×10^-2
w_C₀/mm	1.326	θ_CB /rad	9.74×10^-5
w_CB /mm	5.0×10^-4	θ_C /rad	1.48×10^-2
w_C /mm	10.328

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Design and Optimization of Liner TIG Welding Gun for Nuclear Heat Transfer Tube with Small Diameter

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组数	质量/g	垂向挠度/mm
组数	质量/g	检测值	理论计算值	有限元求解值
1	85.0	14.031	10.339	12.100
2	120.0	15.503	11.776	13.340
3	161.7	17.256	13.475	14.820
4	212.5	19.392	15.435	16.540

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