嚴劍剛,高 鳴,羅 俊

(1.上海第二工業(yè)大學 工程訓練中心,上海201209;2.上海亞爾光源有限公司,上海201801)

0 引言

閃光燈作為最常用的人工攝影光源,其主要的目的是為低光拍照而生,可以帶來更好的拍照效果[1]。氙氣閃光燈發(fā)出的光接近非常完美的太陽光,其亮度比LED閃光燈更亮,但其體積較LED大[2],在一些要求較小體積的情況下限制了其使用。在提高氙氣閃光燈壽命的同時減小體積成為研究氙氣閃光燈的新課題。隨著人們對于拍照質量要求越來越高,作為氙氣閃光燈的核心部件——電極的生產越來越受到重視。

氙氣閃光燈電極是由鎢桿與鎳絲焊接組成[3],如圖1所示。相互的焊接一直采用傳統(tǒng)的橫向對焊方式,該電阻焊方法利用電阻熱使對接的焊件在整個接觸面上形成焊接結子[4]。但橫向對焊在較細的鎢桿與鎳絲焊接過程中,難以保證焊接后的尺寸和結子質量。因此在不斷提高氙氣閃光燈的壽命和質量的同時,對電極焊接工藝也提出了更高的要求。

對焊是利用電阻熱使對接的焊件在整個接觸面上形成焊接結子的一種電阻焊方法,適用于形狀簡單、小端面的金屬型材的對接[5]。豎向焊接焊件在熔化時受重力自然下垂,焊接結子更趨圓形,焊接件軸線殘余應力降低[6]。焊接件端面的平整度可降低焊接時的飛濺,接觸電流更穩(wěn)定,能保證焊接結子的質量[7]。焊接過程中利用氫氣可增加電弧功率;氮氣可起強化作用,提高焊縫力學性能[8]。因此實驗采用豎向對焊,改善鎳絲熔化時受重力影響產生的結子不圓、單邊等缺陷,并對原有的切斷刀具進行改進,提高鎳絲切斷面質量。由于焊接時用酒精做保護易引起焊接后結子發(fā)脆,所以為防止焊接氧化需采用新的保護方式。通過實驗探索氙氣閃光燈電極的對焊工藝,滿足細小電極的質量要求。

圖1 氙氣閃光燈電極Fig.1 Xenon f l ash electrode

1 實驗條件

采用豎向焊接設備,鎢桿用震蕩盤上料[9],鎳絲采用盤料滾輪拔直后切斷,再與鎢桿焊接。通過研究豎向對焊工藝,掌握其焊接技術,并與傳統(tǒng)的橫向對焊工藝比較,驗證新工藝的可行性。

1.1 實驗豎向焊接設備及材料

實驗使用的高精度豎向焊接設備如圖2所示,數(shù)字化控制的逆變電源靈活方便,具有較高的可靠性和控制精度[10]。鎳絲切斷后與鎢桿對焊,由于焊接速度快,局部能量高,必須保證鎢桿與鎳絲同軸度。這需要鎢桿精準上料到位,機械夾鉗夾住鎢桿后送入固定位置,故鎢桿采用特制震蕩盤上料,鎳絲采用圈料經滾輪拔直切斷后進入固定送料導軌。

圖2 豎向對焊設備Fig.2 Vertical welding equipment

實驗材料為鎢桿Φ0.5 mm和鎳絲Φ0.7 mm。鎢的熔點為3 410℃,是僅次于碳(熔點為3 500℃)的難熔元素[11],而鎳的熔點只有1 453℃。兩種材料熔點相差較大,因此采用鎢桿伸頭不變,鎳絲熔化包住鎢桿的方法。

1.2 焊接牢度檢測設備

利用焊接牢度檢測設備如圖3所示檢測牢度、數(shù)碼顯微鏡觀察焊接處金相組織,并與傳統(tǒng)的橫向對焊比較。

圖3 牢度檢測設備Fig.3 Weld strength testing equipment

2 實驗與結果分析

2.1 豎向對焊

將鎢桿夾牢在對焊機的夾具上,然后將可移動端鎳絲移近固定端,在壓力的作用下,使焊件兩端相接觸,再通過相當大的電流,使接觸區(qū)瞬間加熱到高溫,呈塑性狀態(tài)的鎳絲接觸端部后因擠壓而相互擴散,包住鎢桿[12]。在鎳絲呈塑性狀態(tài)時,傳統(tǒng)的橫向對焊在重力影響下,易引起焊接結子不圓、單邊、尖角等缺陷,因此實驗將傳統(tǒng)的焊接方向轉換成豎向對焊如圖4所示,讓鎳絲在塑性狀態(tài)下自然下垂包住鎢桿。焊接件變成上下接觸后,運用導軌使兩者的定位更精準,保證了焊接的同軸度。

2.2 切刀設計

為了獲得優(yōu)質的焊接結子,必須使焊件端面均勻接觸。如果焊件對口端面的平面度過小,接觸面加熱不均易引起局部溫度過高而降低焊接牢度[12]。鎢桿經砂輪切割球磨處理,端面平整,因此在鎢桿端面質量保證的情況下,必須控制好鎳絲的切斷端面。另一方面,氙氣閃光燈電極在電弧管封接時要求直線度偏差在0.05 mm之內,鎳絲切口的質量對焊接后的直線度影響較大,而原有的半圓刀切斷方式易引起鎳絲切斷端面壓彎等缺陷。實驗借鑒圓管剪切原理[13],將切斷刀根據(jù)鎳絲絲徑設計成如圖5所示的雙圓口切刀,使鎳絲切斷過程中既不發(fā)生切斷端面壓彎又使切口端面更為平整,提高焊接的牢度。

圖4 裝夾示意圖Fig.4 Clamping diagram

圖5 圓口切刀Fig.5 Round mouth cutter

2.3 保護氣氛

焊接時惰性氣體可以充當保護層,將空氣有效隔離開來[14],防止發(fā)生氧化,起到保護焊縫金屬熔池、焊絲以及熱影響區(qū)的作用。焊接時引入氮氣能提高焊接強度,引入氫氣能增加電弧功率,增大焊接熔深[15]。傳統(tǒng)對焊往往使用酒精來保護,焊接后結子表面光亮,但焊接時瞬時溫度較高,酒精滴在焊接處使焊接結子脆性變大,影響焊接牢度。故本實驗改用氫氮混合氣體為保護氣氛,防止氧化的同時,還可以防止焊接處發(fā)脆。

2.4 結果分析

氙氣閃光燈電極焊接后要求焊接牢固,在離焊接結子1 mm處應能承受>9.8 N的垂直于軸向的作用力。焊接結子表面應光滑清潔,呈相應金屬光澤,不應有裂縫、尖角和氣泡等缺陷。

將氙氣閃光燈電極對焊新工藝與傳統(tǒng)對焊工藝作比較,新對焊工藝焊接后結子的橫向金相組織與母材組織沒有明顯的變化,基本保持了原有的組織結構;傳統(tǒng)焊接后結子橫向金相組織較母材組織略有變化如圖6所示,纖維狀組織變大,這是酒精保護時急速冷卻所致。

圖6 金相組織Fig.6 Metallographic organization

焊接牢度是實驗的關鍵參數(shù),兩種工藝的焊接牢度如圖7所示。新工藝采用豎向焊接,雙圓口切刀使鎳絲端面的平整度提高,氫氮混合氣體在防止氧化的同時提高了焊接的牢度。由圖7可以看出,新工藝較傳統(tǒng)焊接在牢度與一致性方面更優(yōu)。

圖7 焊接牢度Fig.7 Weld strength

3 結論

隨著人們對產品質量要求不斷提高,在延長氙氣閃光燈壽命的同時,又要求減小其體積,來滿足市場的需求。傳統(tǒng)對焊工藝已難以滿足新的要求,故通過實驗,探索了氙氣閃光燈電極對焊新工藝,并與傳統(tǒng)對焊工藝比較,結果表明:

(1)豎向對焊時鎳絲熔化受重力作用自然下垂包住鎢桿,焊接后結子較傳統(tǒng)橫向焊接的結子更圓滑,并且豎向焊接同軸度好,避免了焊接結子不圓、單邊、尖角等缺陷。

(2)運用雙圓口切刀使鎳絲切口端面更平整,避免了端面壓彎。新工藝焊接后的牢度較傳統(tǒng)工藝的牢度更高、一致性更優(yōu)。

(3)氫氮混合氣體作保護氣氛,焊接后的焊接結子處金相組織基本保持了原有的組織結構;傳統(tǒng)工藝運用酒精作為焊接時的保護,焊接后的焊接結子處纖維狀組織變大。所以,運用氫氮混合氣體可以有效避免了焊接時的急速冷卻,防止焊接結子的發(fā)脆現(xiàn)象。

因此,氙氣閃光燈電極的新焊接工藝,質量更穩(wěn)定,可滿足市場的新要求。