嚴(yán)劍剛,高 鳴,羅 俊

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

0 引言

高壓鈉燈工作時(shí)發(fā)出金白光,它具有發(fā)光效率高、耗電少、壽命長、透霧能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),廣泛用于道路、高速公路、機(jī)場、碼頭、車站、工礦企業(yè)、公園等場地照明[1]。為使鈉燈結(jié)構(gòu)緊湊,更換方便,一體式鈉燈應(yīng)用而生[2]。其中內(nèi)置式起跳器是一體式鈉燈的關(guān)鍵零部件,因此起跳器的加工質(zhì)量顯得尤為重要。

內(nèi)置式起跳器是由跳泡、電阻、連接絲組裝而成(見圖1)[3]。傳統(tǒng)加工采用手工電阻搭接焊的方式將3個(gè)零部件焊接組裝。勞動(dòng)強(qiáng)度大,生產(chǎn)效率低,而且質(zhì)量難以保證,經(jīng)常出現(xiàn)焊接處假焊、脫落等致命缺陷,導(dǎo)致客戶抱怨較多。因此對(duì)焊接工藝改進(jìn)已迫在眉睫。

圖1 鈉燈起跳器Fig.1 Sodium lamp starter

鎢極氬弧焊(TIG焊),是用鎢棒作為非消耗性電極,用氬氣作為保護(hù)氣體,在電極與工作物之間產(chǎn)生熱量的電弧焊接方法[4]。氬氣能夠?qū)⒖諝夂芎玫馗艚^在焊接區(qū)域之外,避免空氣對(duì)焊接區(qū)域造成氧化,確保焊接質(zhì)量[5]。并且焊接速度快、質(zhì)量好,外表美觀,相比較于其他焊接技術(shù)而言,具有無與倫比的優(yōu)越性[6]。

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)裝夾模具和工位分度轉(zhuǎn)盤快速固定零件,自動(dòng)氬弧焊機(jī)精準(zhǔn)施焊,并在焊接位置加蓋防護(hù),防止強(qiáng)光灼傷操作者。研究起跳器氬弧焊工藝替代手工電阻焊的可行性,為今后的實(shí)際生產(chǎn)提供指導(dǎo)。

1 實(shí)驗(yàn)條件

鈉燈內(nèi)置式起跳器當(dāng)電路接通電源時(shí),電源電壓即時(shí)疊加到電極兩端,使燈觸發(fā)啟動(dòng)[7]。因此起跳器是鈉燈內(nèi)非常關(guān)鍵的零部件,其失靈將會(huì)導(dǎo)致燈不能點(diǎn)燃。

而起跳器裝配一直采用傳統(tǒng)的手工電阻搭接焊的方式,勞動(dòng)強(qiáng)度大,生產(chǎn)效率低,質(zhì)量難以保證。因此如何改進(jìn)焊接裝配工藝,提高質(zhì)量一直困擾著技術(shù)人員。

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)材料由跳泡、電阻、連接絲組成(見圖1),通過焊接將3個(gè)零件組裝在一起。跳泡的引出線是0.5 mm的鎳絲,電阻引出線是1.0 mm的鎳絲,連接絲是0.7 mm的鎳絲。三者材料絲徑細(xì),且又各不相同,同時(shí)裝配需成一定的角度,3個(gè)零件同時(shí)并自動(dòng)一次性焊接組裝有一定的難度。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

氬弧焊是目前焊接中應(yīng)用最廣泛的一種焊接技術(shù)[8]。實(shí)驗(yàn)使用日本三社型號(hào)SANARG200P的氬弧焊機(jī)。該焊機(jī)采用數(shù)字逆變技術(shù),絕緣柵雙極型晶體管(insulated gate bipolar transistor,IGBT)控制,工作頻率高,抗外界干擾能力強(qiáng),全焊接過程可調(diào)節(jié)。運(yùn)用非熔化極氬弧焊方式,引出線焊接時(shí)有氬氣形成保護(hù)氣罩,防止焊點(diǎn)處氧化和吸收有害氣體,形成致密焊接接頭,保證焊接質(zhì)量。

2 氬弧焊實(shí)驗(yàn)

氬弧焊鎢極電弧穩(wěn)定,即使在很小的焊接電流(<10 A)下仍可穩(wěn)定燃燒,特別適用于薄板、細(xì)絲等材料的焊接[9]。熱輸入容易調(diào)節(jié),可進(jìn)行各種位置的焊接,也是實(shí)現(xiàn)單面焊雙面成形的方法[10]。特別適合起跳器引出絲細(xì),雙焊點(diǎn)同時(shí)焊接的要求。

2.1 裝夾模具

在焊接生產(chǎn)過程中,焊接所需的工時(shí)較少,而用于備料、裝夾及其他輔助工作卻占了全部加工工時(shí)的2/3以上,極大地影響了焊接的生產(chǎn)效率。為此,要求實(shí)驗(yàn)對(duì)起跳器3個(gè)零件進(jìn)行準(zhǔn)確、可靠的定位和夾緊,減小產(chǎn)品尺寸偏差,保證焊接結(jié)點(diǎn)質(zhì)量,提高焊接生產(chǎn)效率。

定位模、快速緊固夾可以將若干零件連接起來實(shí)現(xiàn)夾緊被焊零件。在設(shè)計(jì)時(shí)考慮到跳泡是真空的玻璃體,為防止氬弧焊焊接時(shí)產(chǎn)生的大量能量使跳泡開裂漏氣,夾具需對(duì)跳泡進(jìn)行遮擋;并考慮起跳器焊接成形后的形狀和焊接的位置。最終裝夾模塊設(shè)計(jì)如圖2所示,在跳泡固定定位模上安裝快速緊固夾,起到預(yù)夾緊電阻和連接絲的作用。

圖2 起跳器定位模Fig.2 Positioning mould for starter

為提高生產(chǎn)效率,保證連續(xù)生產(chǎn),考慮夾緊模具安裝,采用6工位分度轉(zhuǎn)盤,保證被焊零件準(zhǔn)確達(dá)到焊槍位置實(shí)施焊接。為避免焊接時(shí)的弧光灼傷操作人員,在焊槍處加蓋防護(hù)罩(見圖3)。

圖3 起跳器氬弧焊設(shè)備Fig.3 Argon arc welding equipment

2.2 焊接工藝

非熔化極氬弧焊電極直徑應(yīng)根據(jù)被焊件直徑、電流大小、電源極性等確定,一定的電極直徑具有一定的極限電流。查閱相關(guān)資料及經(jīng)驗(yàn),最終確定使用1.7 mm的鎢桿作為電極。為便于電弧集中,燃燒穩(wěn)定,端部磨成30°圓錐形。鎢電極外伸長度控制在5 mm,保證鎢極處于焊嘴中心,提高焊接精度。

氬弧焊熱影響范圍非常大,易引起變形、硬度降低、開裂等缺陷。氬弧焊熔焊時(shí)焊接能源輸入給單位長度焊縫上的熱量稱為線能量:

式中:I為焊接電流,A;U為電弧電壓,V;υ為焊接速度,cm/s;q為線能量,J/cm。因此在相同條件下,實(shí)驗(yàn)應(yīng)盡量減小弧長(減小電壓)、減小電流、增大焊接速度,減小氬弧焊熱影響區(qū)的影響。

氬氣氣瓶輸出氣壓為0.5 MPa,手工調(diào)整電壓為“2檔”。根據(jù)實(shí)驗(yàn)參數(shù):氬氣流量、焊接電流、點(diǎn)焊時(shí)間,對(duì)各影響因素進(jìn)行水平取值(見表1)。

表1 水平取值表Tab.1 Horizontal table

選用正交表L9(34)進(jìn)行實(shí)驗(yàn),并根據(jù)表1的取值繪制因素水平表(見表2),并以A表示氬氣流量,B表示焊接電流,C表示點(diǎn)焊時(shí)間,進(jìn)行各組實(shí)驗(yàn)。

表2 正交實(shí)驗(yàn)極差分析表Tab.2 Orthogonal test analysis table

3 結(jié)果與分析

3.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

將因素水平按照正交表的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則依次填入,并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。采用專用推力儀在焊點(diǎn)處進(jìn)行推力測試,對(duì)氬弧焊與手工電阻焊焊接后的牢度進(jìn)行對(duì)比測試(見圖4);數(shù)碼顯微鏡觀察焊點(diǎn)外觀質(zhì)量。并對(duì)各組實(shí)驗(yàn)合格率進(jìn)行抽檢(剔除假焊、脫落、焊偏等缺陷產(chǎn)品),得到各組實(shí)驗(yàn)產(chǎn)品的合格率(見圖5)。

圖4 焊接牢度對(duì)比測試Fig.4 Comparative test of welding fastness

圖5 正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.5 Results of orthogonal experiment

3.2 實(shí)驗(yàn)分析

將因素水平按照正交表的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則并進(jìn)行實(shí)驗(yàn),得到最優(yōu)的組合A3B3C2。運(yùn)用最優(yōu)組合工藝參數(shù),實(shí)驗(yàn)跳泡引出絲與電阻、跳泡引出絲與連接絲兩焊接處同時(shí)施焊,焊接后焊點(diǎn)成球狀。氬氣保護(hù)熱影響區(qū),并將空氣隔絕,焊接結(jié)點(diǎn)成金屬光澤。焊接結(jié)點(diǎn)處經(jīng)彎折測試均沒有結(jié)子斷裂的現(xiàn)象,避免了手工電阻焊由于絲材線接觸搭接而引起易脫落、假焊、焊偏等現(xiàn)象。生產(chǎn)效率從原先的單班1 000只提高至單班2 500只。

4 結(jié) 論

通過對(duì)起跳器裝夾模具設(shè)計(jì),氬弧焊工藝參數(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn),得出了以下結(jié)論:

(1)實(shí)驗(yàn)采用定位模和工位分度轉(zhuǎn)盤快速固定零件,焊接后尺寸比手工電阻焊更精準(zhǔn),并提高了生產(chǎn)效率。

(2)氬弧焊焊接后結(jié)點(diǎn)成球狀,并在氬氣保護(hù)下結(jié)點(diǎn)成金屬光澤,較原先的手工電阻焊牢度更好,避免了電阻焊線接觸搭接焊出現(xiàn)假焊、脫焊等缺陷。

(3)焊接處加蓋防護(hù)罩防止強(qiáng)光灼傷操作者,提高了安全性。

經(jīng)正交實(shí)驗(yàn)得到了最優(yōu)的工藝參數(shù)組合,經(jīng)驗(yàn)證起跳器氬弧焊能完全替代原先的手工電阻搭接焊工藝,改善了焊接質(zhì)量,提高了生產(chǎn)效率。