韓峰

（東方電氣〈廣州〉重型機器有限公司，廣州511455）

火焰加熱封頭裝置的探討及實施

韓峰

（東方電氣〈廣州〉重型機器有限公司，廣州511455）

以某產(chǎn)品封頭的內(nèi)壁堆焊進行說明，介紹了一種適用于多種尺寸封頭堆焊時的火焰加熱器的設計方案，為進一步的工裝設計提供了思路。

封頭內(nèi)壁堆焊；可調(diào)節(jié)火焰加熱器；設計方案；實施

1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和工藝要求

核電產(chǎn)品中的容器都有圓形或橢圓形封頭，需要對內(nèi)壁進行不銹鋼或鎳基堆焊，工藝要求在堆焊時需要對堆焊面進行預熱及堆焊完成后進行后熱等熱處理。由于要對整個封頭的球形內(nèi)壁進行堆焊，而焊機機頭只能實現(xiàn)上下、左右二維運動，因此，需要封頭作旋轉(zhuǎn)運動，從而形成球形分布的焊道。所以，在堆焊工位的布置時，（如圖1）需要將封頭固定在焊接變位器上，使其隨著變位器的工作臺旋轉(zhuǎn)和前后轉(zhuǎn)動。

圖1 內(nèi)壁堆焊工藝方案

由于焊接變位器工作臺旋轉(zhuǎn)使得封頭繞著軸線轉(zhuǎn)動，而對封頭加熱的火炬卻不能隨著變位器的平臺轉(zhuǎn)動，而且要對封頭進行均勻加熱。

為了滿足工藝要求，需要設計和制造相應的工藝裝備，下面僅以某產(chǎn)品封頭內(nèi)壁堆焊預熱、后熱的工藝裝備設計方案為例進行說明：

該工件內(nèi)徑為φ2 076 mm，最小壁厚115 mm，高度為1 417 mm，質(zhì)量為5 100 kg，內(nèi)壁需要堆焊不銹鋼。根據(jù)工件重量選擇使用20 t·m的焊接變位器。堆焊時的工件表面溫度分布盡可能均勻，要求火炬離工件外壁的距離應保持一致，同時根據(jù)火炬加熱時的覆蓋范圍，可增減火炬的數(shù)量。

2 工裝方案確定

從擬定的工藝方案，我們可以看到封頭與裙座、加熱火炬固定在支撐架上，雖然隨著工作臺翻轉(zhuǎn)，但不隨著轉(zhuǎn)動，以達到工件旋轉(zhuǎn)、對工件外壁進行均勻加熱的目的。

2.1 工裝設計方案中需要解決的問題

1）加熱器的固定方式。加熱器不隨工作臺旋轉(zhuǎn)。

2）連接燃氣的方式。工作臺旋轉(zhuǎn)時，進入變位器的燃氣管道不會隨著工作臺旋轉(zhuǎn)，否則燃氣管道將會纏繞在一起，最終將管道損壞。

3）根據(jù)加熱工件尺寸變化，可調(diào)整范圍。

2.2 解決方案

在進行工裝方案設計時，將以上問題劃分成每一個小的模塊，通過分別解決每個模塊，從而實現(xiàn)每個模塊的功能，最終使整體方案得以實現(xiàn)。

1）加熱火炬支撐架的固定裝置要承受加熱器支架和加熱器的重量，不能隨著工作臺旋轉(zhuǎn)，但要隨著變位器翻轉(zhuǎn)（如圖2），能夠翻轉(zhuǎn)的極限位置為0°～90°。

2）燃氣管道相對于地面是靜止的，雖然隨著加熱火炬的支撐架作擺動，但自身不隨著工作臺轉(zhuǎn)動，并將燃氣送到工作臺表面上的燃燒器。

設計方案為：外接管道與截止閥相連接，燃氣通過管道進入緩沖器，最后經(jīng)過分配器將其輸送到各個燃燒器。為了防止管道在變位器翻轉(zhuǎn)時變形，在管道與主軸內(nèi)孔之間安裝了一塊固定板，支撐著燃氣管道。

3）燃燒器需要布置在支撐架上，保持與封頭外壁有最佳的距離，使燃氣得以充分燃燒，但由于使用固定的支撐架，不能滿足產(chǎn)品尺寸和結(jié)構(gòu)在一定范圍內(nèi)的變化，所以在支撐架的設計時，考慮可以變化的形式。設計方案為：采用連桿機構(gòu)作為可以變化尺寸和結(jié)構(gòu)的支撐架，通過變化連桿的長度及轉(zhuǎn)動角度，使其連桿與加熱的容器保持最佳的距離（如圖3所示）。

圖2 翻轉(zhuǎn)工位

圖3 連桿機構(gòu)

3 工裝設計

根據(jù)以上的設計方案，進行部件受力分析和詳細設計。

1）工件處于極限位置時，即工作臺面垂直于水平面，主軸處于水平狀態(tài)；當工作臺處于水平位置時，主軸處于垂直狀態(tài)。也就是說，主軸的軸承要適應這兩種狀態(tài)，故軸承選用既能承受徑向力，又能承受軸向力的圓錐滾子軸承。參考機床的系統(tǒng)原理，進行了如下的設計：

在方案中，軸承支撐套通過緊固螺栓副與變位器的工作臺相連接；主軸通過定位件與變位器固定，在主軸與工作臺之間通過軸承，保證了主軸不隨工作臺轉(zhuǎn)動。

2）由于工作臺中心的軸套內(nèi)壁不能承受外力，需要選用軸承座將軸承受到的外力轉(zhuǎn)移到工作臺上，故需要設計特殊的軸承座。

3）主軸除了能夠支撐燃燒器外，還要能夠使燃氣管道從中間通過，故選用厚壁無縫鋼管作為主軸。詳細結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 主軸

4）利用連桿機構(gòu)支撐燃燒器，通過工件的變化，調(diào)整連桿的位置（如圖5）。為了保證連桿機構(gòu)能夠靈活運轉(zhuǎn)，選用支撐燃燒器的桿件為外徑φ48 mm的鋼管，在鋼管上設置了插銷孔，用于調(diào)整燃燒器位置。在支撐管的兩側(cè)設置板件作為連桿件，并通過插銷與鋼管相連。

圖5 連桿機構(gòu)支撐燃燒器

5）利用波紋軟管將燃燒器與分配器連接起來，通過調(diào)整支撐桿件使得整個裝置能夠滿足產(chǎn)品的工藝要求。當工件外表面的直徑變化時，可將調(diào)整位置銷軸抽出，先將支撐管調(diào)整到與工件外表面適宜的位置，然后將調(diào)整位置銷軸插入連接桿中，使得燃燒器的位置保持在最佳狀態(tài)。

6）整體裝配后，由于燃燒器的燃燒，整個區(qū)域內(nèi)溫度較高，輸送天然氣的管道不能受到影響，故采用耐熱的不銹鋼波紋軟管將燃燒器與分配器連接起來（如圖6）。

圖6 燃燒器與分配器連接

4 應用效果及評價

1）該裝置已用于某產(chǎn)品上下封頭的內(nèi)壁不銹鋼材料的堆焊中，并取得了顯著的效果，每堆焊一個封頭可以減少10%天然氣的用量。

2）由于減少了加熱時間，特別是在焊接過程中，能夠保證穩(wěn)定的層間焊接溫度，減少了停歇時間，工作效率比原方案提高了20%。

［1］ 黃錫愷，鄭文緯.機械原理［M］.北京：人民教育出版社，1981.

［2］ 戴曙.金屬切削機床設計［M］.北京：機械工業(yè)出版社，1981.

（編輯：立 明）

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1002－2333（2014）04－0202－02

韓峰（1963—），男，高級工程師，從事機械加工和非標準設備的設計工作。

2013-12-02