一种核燃料棒束的端板焊接设备的制作方法

本发明涉及一种核燃料棒束的半自动端板焊接设备，主要应用于重水堆核燃料棒束制造技术领域，能够实现37根核燃料元件与2块端板在端板焊机下焊接成成品棒束。

背景技术：

端板焊机是CANDU-6型燃料元件生产线上的关键设备，中核北方核燃料元件有限公司仅有1台且是2001年从加拿大Cameco公司进口的，该设备已连续满负荷运转多年。为满足今后的生产需要，避免单台设备造成的生产风险，急需增加1台端板焊机。由于进口设备费用高、到货时间长且供货状态不稳定，同时技术人员已经掌握了设备的各项工艺，因此公司决定自主研制国产端板焊机。希望通过焊接设备的国产化，使端板焊机的备件实现国产化供应，摆脱长期依赖进口的局面。

技术实现要素：

为了实现37根元件与2块端板焊接成成品棒束，同时保证焊接后棒束的扭矩强度及外形尺寸符合生产要求，本发明采用了下列技术方案：

一种核燃料棒束的端板焊接设备，根据功能的不同，端板焊设备分为元件焊接装置、环规定位装置、转动平台装置、元件定位夹具和焊机整体框架5大部分；元件焊接装置、环规定位装置、转动平台装置通过螺钉固定于焊机机身的上、中、下部，元件定位夹具通过定位块固定在转动平台装置上；

(1)元件焊接装置利用压力电阻焊实现端板的焊接及焊接质量的监控与保护；

(2)环规定位装置实现元件定位夹具的上端部固定，间接保证焊接过程中各元件与电极的同轴度；

(3)转动平台装置实现元件定位夹具下端部的定位、元件定位夹具顺序的旋转、纵向及横向的移动与定位、手动圆周方向分度与定位；

(4)元件定位夹具实现37根不同组别的元件和两块端板的精确定位；

(5)焊机整体框架由立柱支撑板焊接组合、焊机机身、元件定位夹具翻转装置、焊接变压器、人机交互显示屏组成。

进一步的，如上所述的一种核燃料棒束的端板焊接设备，元件焊接装置包括升降气缸、连接螺栓、弹簧、焊接装置支架、地极分度组件、分度定位盘、地极气缸、中心电极、地极、限位开关、焊接监控传感器；

升降气缸安装在焊接装置支架上，通过连接螺栓部件与中心电极相连接，提供中心电极对端板施加作用力、焊头部分的升降；

弹簧安装在连接螺栓杆上，避免升降气缸运动时的刚性冲击、起缓冲作用；

地极气缸安装在支架的下侧，提供地极对元件施加作用力；

地极分度组件与分度定位盘安装在地极气缸的上侧，实现地极支腿位置的调整；

中心电极与地极均位于地极气缸的下侧，二者同轴安装，使得端板焊接时中心电极压到端板、地极压到元件上；

限位开关安装在地极气缸上，避免地极支腿压到端板时造成的短路；

焊接监控传感器安装在焊接装置支架的一侧，实时监测每根元件焊接的鐓粗值。

进一步的，如上所述的一种核燃料棒束的端板焊接设备，环规定位装置包括：环规、插销一、定位块一和定位环装置支架；

环规通过螺钉固定于环规定位装置的上部，其下侧安装有横向与纵向导轨，并配有横向与纵向的定位销和定位块；

环规内环套在元件定位夹具的上端部，在横、纵导轨上配合转动平台装置一起挪动，并由插销一、定位块一和定位环装置支架实现两个方向的位置调整与精确定位。

进一步的，如上所述的一种核燃料棒束的端板焊接设备，转动平台装置包括：该装置包括：旋转分度台、传感器、手动分度装置、定位块二和插销二；

旋转分度台安装与该装置的上部，实现圆周方向的自动转动；

分度台的上端面装有定位块与锁紧弹簧，用于元件定位夹具的固定；

传感器安装于该装置的纵前方，判断旋转分度台纵向方向的位置，避免误操作；

手动分度装置安装在分度台的下面，手动实现圆周方向的位置调整；

旋转分度台的下侧安装有横向与纵向导轨，并各配一套定位块二和插销二，实现分度台的精确定位。

进一步的，如上所述的一种核燃料棒束的端板焊接设备，元件定位夹具由夹具壳体、定位隔架、端板夹持器、导向环和垫板组成；

定位隔架、导向环通过螺钉固定于夹具壳体，人工根据各组别的位置插入夹具内，实现元件元件的定位；

端板夹持器通过螺钉固定于夹具壳体的两端，用于端板的定位；

垫板扣在焊接第一端后的夹持器中，用于第二端焊接时支撑棒束，避免因焊接压力过大导致夹持器的损坏。

进一步的，如上所述的一种核燃料棒束的端板焊接设备，焊机整体框架中，由在框架左侧的元件定位夹具翻转装置用于元件定位夹具的固定，由人工将37根元件插入到夹具中，右侧翻转装置实现夹具翻转；

焊接变压器固定与焊机机身，提供元件焊接装置电源；

人机交互显示屏安装与焊机机身右侧，提供给操作人员焊接墩粗、焊接点数信息、设置焊接热量。

进一步的，如上所述的一种核燃料棒束的端板焊接设备，元件焊接装置包括升降气缸、连接螺栓、弹簧、焊接装置支架、地极分度组件、分度定位盘、地极气缸、中心电极、地极、限位开关、焊接监控传感器；

升降气缸安装在焊接装置支架上，通过连接螺栓部件与中心电极相连接，提供中心电极对端板施加作用力、焊头部分的升降；

弹簧安装在连接螺栓杆上，避免升降气缸运动时的刚性冲击、起缓冲作用；

地极气缸安装在支架的下侧，提供地极对元件施加作用力；

地极分度组件与分度定位盘安装在地极气缸的上侧，实现地极支腿位置的调整；

中心电极与地极均位于地极气缸的下侧，二者同轴安装，使得端板焊接时中心电极压到端板、地极压到元件上；

限位开关安装在地极气缸上，避免地极支腿压到端板时造成的短路；

焊接监控传感器安装在焊接装置支架的一侧，实时监测每根元件焊接的鐓粗值；

环规定位装置包括：环规、插销一、定位块一和定位环装置支架；

环规通过螺钉固定于环规定位装置的上部，其下侧安装有横向与纵向导轨，并配有横向与纵向的定位销和定位块；

环规内环套在元件定位夹具的上端部，在横、纵导轨上配合转动平台装置一起挪动，并由插销一、定位块一和定位环装置支架实现两个方向的位置调整与精确定位；

转动平台装置包括：该装置包括：旋转分度台、传感器、手动分度装置、定位块二和插销二；

旋转分度台安装与该装置的上部，实现圆周方向的自动转动；

分度台的上端面装有定位块与锁紧弹簧，用于元件定位夹具的固定；

传感器安装于该装置的纵前方，判断旋转分度台纵向方向的位置，避免误操作；

手动分度装置安装在分度台的下面，手动实现圆周方向的位置调整；

旋转分度台的下侧安装有横向与纵向导轨，并各配一套定位块二和插销二，实现分度台的精确定位；

元件定位夹具由夹具壳体、定位隔架、端板夹持器、导向环和垫板组成；

定位隔架、导向环通过螺钉固定于夹具壳体，人工根据各组别的位置插入夹具内，实现元件元件的定位；

端板夹持器通过螺钉固定于夹具壳体的两端，用于端板的定位；

垫板扣在焊接第一端后的夹持器中，用于第二端焊接时支撑棒束，避免因焊接压力过大导致夹持器的损坏；

焊机整体框架中，由在框架左侧的元件定位夹具翻转装置用于元件定位夹具的固定，由人工将37根元件插入到夹具中，右侧翻转装置实现夹具翻转；

焊接变压器固定与焊机机身，提供元件焊接装置电源；

人机交互显示屏安装与焊机机身右侧，提供给操作人员焊接墩粗、焊接点数信息、设置焊接热量。

设备安装、调试完成后，进行了大量的焊接试验，对焊接棒束抽样检测，结果表明成品棒束各项技术指标均合格。目前，已应用于中核北方核燃料元件厂CANDU-6核燃料元件生产线，生产棒束约2万余只，合格率可达99.9％。

附图说明

图1为CANDU-6核燃料成品棒束的三维示意图

图2为本发明所述CANDU-6核燃料棒束端板焊接设备的侧视图；

图3为本发明所述CANDU-6核燃料棒束端板焊接设备的主视图；

图4为元件焊接装置的侧视图；

图5为元件焊接装置的主视图；

图6为端板焊接原理图；

图7为环规定位装置的侧视图；

图8为环规定位装置的主视图；

图9为环规定位装置的俯视图；

图10为转动平台装置的侧视图；

图11为转动平台装置的主视图；

图12为元件定位夹具的主视图；

图13为元件定位夹具的M-M截面剖视图；

图14为焊机整体框架。

图中:01：核燃料元件，02：端板，03：支承垫(属于元件)，04：隔离块(属于元件)，1:元件焊接装置，2：环规定位装置，3：转动平台装置，4：元件定位夹具，5：焊机整体框架，101：升降气缸，102：焊接装置支架，103：地极气缸，104：中心电极，105：地极，106：地极分度组件，107：限位开关，108：焊接监控传感器，109：连接螺栓，，110：弹簧，111：分度定位盘，04：中心电极，05：地极，201：环规，，202：插销，，203：定位块，204：定位环装置支架，301：旋转分度台302：传感器303：手动分度装置，304：定位块，305：插销，401：夹具垫板，402：导向环，403：夹具壳体404：定位隔架，405：端板夹持器，501：立柱支撑板焊接组合，502：焊机机身，503：焊接变压器，504：人机交互装置，505：电气柜，506：夹具翻转装置。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施对本发明进一步说明。

本发明一种核燃料棒束的端板焊接设备，根据功能的不同，端板焊设备分为元件焊接装置、环规定位装置、转动平台装置、元件定位夹具和焊机整体框架5大部分；元件焊接装置、环规定位装置、转动平台装置通过螺钉固定于焊机机身的上、中、下部，元件定位夹具通过定位块固定在转动平台装置上；

(1)元件焊接装置利用压力电阻焊实现端板的焊接及焊接质量的监控与保护；元件焊接装置包括升降气缸、连接螺栓、弹簧、焊接装置支架、地极分度组件、分度定位盘、地极气缸、中心电极、地极、限位开关、焊接监控传感器；

升降气缸安装在焊接装置支架上，通过连接螺栓部件与中心电极相连接，提供中心电极对端板施加作用力、焊头部分的升降；

弹簧安装在连接螺栓杆上，避免升降气缸运动时的刚性冲击、起缓冲作用；

地极气缸安装在支架的下侧，提供地极对元件施加作用力；

地极分度组件与分度定位盘安装在地极气缸的上侧，实现地极支腿位置的调整；

中心电极与地极均位于地极气缸的下侧，二者同轴安装，使得端板焊接时中心电极压到端板、地极压到元件上；

限位开关安装在地极气缸上，避免地极支腿压到端板时造成的短路；

焊接监控传感器安装在焊接装置支架的一侧，实时监测每根元件焊接的鐓粗值。

(2)环规定位装置实现元件定位夹具的上端部固定，间接保证焊接过程中各元件与电极的同轴度；

环规定位装置包括：环规、插销一、定位块一和定位环装置支架；

环规通过螺钉固定于环规定位装置的上部，其下侧安装有横向与纵向导轨，并配有横向与纵向的定位销和定位块；

环规内环套在元件定位夹具的上端部，在横、纵导轨上配合转动平台装置一起挪动，并由插销一、定位块一和定位环装置支架实现两个方向的位置调整与精确定位。

(3)转动平台装置实现元件定位夹具下端部的定位、元件定位夹具顺序的旋转、纵向及横向的移动与定位、手动圆周方向分度与定位；

转动平台装置包括：该装置包括：旋转分度台、传感器、手动分度装置、定位块二和插销二；

旋转分度台安装与该装置的上部，实现圆周方向的自动转动；

分度台的上端面装有定位块与锁紧弹簧，用于元件定位夹具的固定；

传感器安装于该装置的纵前方，判断旋转分度台纵向方向的位置，避免误操作；

手动分度装置安装在分度台的下面，手动实现圆周方向的位置调整；

旋转分度台的下侧安装有横向与纵向导轨，并各配一套定位块二和插销二，实现分度台的精确定位。

(4)元件定位夹具实现37根不同组别的元件和两块端板的精确定位；

元件定位夹具由夹具壳体、定位隔架、端板夹持器、导向环和垫板组成；

定位隔架、导向环通过螺钉固定于夹具壳体，人工根据各组别的位置插入夹具内，实现元件元件的定位；

端板夹持器通过螺钉固定于夹具壳体的两端，用于端板的定位；

垫板扣在焊接第一端后的夹持器中，用于第二端焊接时支撑棒束，避免因焊接压力过大导致夹持器的损坏。

(5)焊机整体框架由立柱支撑板焊接组合、焊机机身、元件定位夹具翻转装置、焊接变压器、人机交互显示屏组成。

焊机整体框架中，由在框架左侧的元件定位夹具翻转装置用于元件定位夹具的固定，由人工将37根元件插入到夹具中，右侧翻转装置实现夹具翻转；

焊接变压器固定与焊机机身，提供元件焊接装置电源；

人机交互显示屏安装与焊机机身右侧，提供给操作人员焊接墩粗、焊接点数信息、设置焊接热量。

如图2、3所示为棒束端板焊接设备，可以完成图1中37根核燃料元件01与两块端板02焊接成成品棒束的所有工位。

该设备由元件焊接装置1、环规定位装置2、转动平台装置3、元件定位夹具4和焊机整体框架5五大部分组成。元件焊接装置1、环规定位装置2、转动平台装置3通过螺钉固定于焊机机身的上、中、下部，元件定位夹具4通过定位块固定在转动平台装置3上。

如图4、5所示为元件焊接装置，其具体工作原理如下：当37根元件装夹完成后的定位夹具运动到元件焊接装置下时，将地极分度组件106打到对应分度定位盘111的定位槽内，控制系统驱动升降气缸101、地极气缸103向下运动，使得中心电极104压在端板上，地极105压在元件上，最后通电在端板与元件接触处产生大量电阻热使得两零件焊接在一起，端板焊接原理如图6所示。连接螺栓杆109上装有压缩弹簧110，焊接运动时具有缓冲作用。当发生以外情况地极压到端板时，焊头组件整体向上运动从而触发限位开关107，使得升降气缸迅速升起，从而避免了焊接电路短路、保护了端板。为了检测每个焊点的焊接质量，在本装置中安装焊接监控传感器108，通过监测焊接前后传感器的压缩量并做差值，得到每根元件焊接的墩粗值。焊接装置支架102支撑整个装置，通过螺钉安装到焊机机身503上部。

如图7-9所示为环规定位装置，端板焊接过程中由环规201扣在元件定位夹具的上端，实现其上端部的定位；环规下面安装有横向与纵向的插销202与定位块203，定位块上根据定位需要加工定位孔。当焊接棒束的内外环变更时，人工移动定位环，通过销孔配合实现环规横、纵向的定位。定位环装置支架204支撑环规等部件，通过螺钉连接到焊机机身503中部。

图10、11所示为转动平台装置；该装置横向、纵向及圆周分度定位方式与环规相同，由手动分度装置303、插销305与定位块304上定位孔的配合实现旋转分度台301的平面定位。旋转分度台301为转动气缸，由控制系统根据各组别需要，实现自动转动。传感器302实时检测夹具纵向焊接位置，判断焊接元件的组别，避免人工操作错误。

如图12、13所示元件定位夹具，夹具壳体403为主体外形结构，用于固定夹具垫板401、定位隔架404、导向环402、和端板夹持器405。一个棒束含有5个组别的元件，各组别元件支撑垫和隔离块的顺量不同。人工装夹元件01时，根据元件组别的不同插入对应的孔内。元件的隔离块04、支承垫03与定位隔架、中间导向环的槽相配合实现元件中部的精确定位。两端安装端板夹持器，一方面实现元件端部定位，另一方面实现端板02的固定。

如图14所示为焊机整体框架，立柱支撑板焊接组合501与焊机机身502做为焊机整体支架；焊接变压器503提供元件焊接装置电源；焊接过程中操作人员通过人机交互装置504查看焊接热量、墩粗和焊接点数等信息。电气柜506主要安装电磁阀和调压阀，用于压缩空气、氩气流量等的通断实现气动元件的运动或焊接氧化保护；元件定位夹具翻转装置506实现元件定位夹具的固定与翻转。

该设备具体工作步骤如下：

(1)人工装棒束：将元件定位夹具固定于左侧翻转定位装置，人工将37根元件插入夹具中，并将第一端端板放入端板夹持器后用螺母固定在夹具上。

(2)第一端焊接：首先，将转动平台装置移动到左侧翻转定位装置下，将夹具放到转动平台后进行固定。然后，将夹具移动到焊头下使得夹具中心元件与焊头同轴，并将环规扣在夹具上端部。最后，焊头下降依次有内环向外环进行焊接(在此过程中需要人工移动转动平台和环规实现内环与外环的更换，转动地极分度和转台分度)。

(3)安装第二端端板：首先，转动平台移动到右侧翻转定位装置，将夹具垫板扣到已焊接夹具的第一端；然后，将夹具进行翻转180°；最后，将定位隔架从夹具中抽出，并将非标识端端板放入端板夹持器并固定于夹具。

(4)第二端焊接：与标识端基本相同，由内环依次向外环焊接。由以上操作，实现了CANDU-6棒束的端板焊接。