張 玲 徐創(chuàng)文 史志成 景宏斌 張 兵

(蘭州工業(yè)學院 甘肅高校綠色切削加工技術(shù)及其應(yīng)用重點試驗室，蘭州 730050)

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磁力驅(qū)動泵隔離套平焊工藝設(shè)計及焊接參數(shù)分析

張 玲 徐創(chuàng)文 史志成 景宏斌 張 兵

(蘭州工業(yè)學院 甘肅高校綠色切削加工技術(shù)及其應(yīng)用重點試驗室，蘭州 730050)

為降低現(xiàn)有磁力驅(qū)動泵隔離套的加工成本并提高生產(chǎn)效率，設(shè)計了一套便于加工、節(jié)約成本和時間的焊接工藝裝備。利用該裝備研究了不銹鋼鎢極氬弧焊焊接時，焊接電流、氬氣流量及鎢極錐角等工藝參數(shù)對焊縫成型的影響，并得出相關(guān)焊接數(shù)據(jù)。研究結(jié)果表明，通過調(diào)節(jié)各工藝參數(shù)及利用各參數(shù)間的相互配合，焊接電流為110 A，氬氣流量為10 L/min，鎢極錐角取45°時，焊縫成型效果較為理想。

隔離套 氬弧焊 焊接參數(shù) 焊縫成形

0 序 言

磁力驅(qū)動泵以其不泄露、密封性好的特點，在運送高溫、高壓、危險、貴重等流體介質(zhì)時有著廣泛的應(yīng)用，特別是隨著磁力驅(qū)動技術(shù)的日益成熟，各類磁力驅(qū)動泵在石油、化工、軍工、醫(yī)藥等工業(yè)領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。磁力驅(qū)動泵的核心部件隔離套，位于內(nèi)外磁轉(zhuǎn)子之間[1]，介質(zhì)完全密封在隔離套內(nèi)。在具高強腐蝕性的條件下，隔離套大多是采用棒料鍛造后，通過機械加工方法制造而成，雖提升了其耐腐蝕性和強度，但造成了材料的浪費，并延長了加工周期[2]，限制了磁力驅(qū)動泵的使用范圍。為了創(chuàng)造更大的社會和經(jīng)濟效益，提高能源利用率，改進隔離套的加工工藝、降低加工成本及提高生產(chǎn)效率是當務(wù)之急。文中以隔離套的選材、結(jié)構(gòu)設(shè)計、加工工藝設(shè)計等方面為切入點，采用理論分析和試驗測試相結(jié)合的方法，分析不同的氬弧焊工藝參數(shù)對焊縫成型的影響，得出最優(yōu)焊接參數(shù)，以便在最大限度降低生產(chǎn)成本的基礎(chǔ)上，進一步完善和改進現(xiàn)有的生產(chǎn)工藝。

1 總體方案的確定

隔離套的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，由筒體、法蘭和底座三部分組成。

文中所選用的焊接材料為無磁性的304奧氏體不銹鋼，因其具有良好的綜合力學性能和優(yōu)良的焊接性，一般無需焊前預(yù)熱及后熱[3]。隔離套生產(chǎn)方式為氬弧焊焊接[4]，先將厚度為1.2 mm的不銹鋼薄板平焊成隔離套筒壁，再將筒壁與法蘭和底部焊接為一體。焊縫單面焊接雙面成型，選擇鎢極氬弧焊焊機，電流正接，焊機型號為WSM-400IGBT逆變式直流脈沖氬弧焊機(TAYOR上海通用電焊機)，使用水冷、傾斜式、無送絲GTAW焊槍。

圖1 隔離套整體結(jié)構(gòu)示意圖

采用定變量方法進行數(shù)據(jù)采集和整理，以焊接電流、氬氣流量、鎢極錐角等為調(diào)節(jié)變量分別進行焊接，采用超景深顯微鏡(Smartzoom 5)對各組焊縫組織形態(tài)進行觀察，分析不同焊接工藝下的焊縫成型，以探索出最優(yōu)的焊接工藝參數(shù)。

2 氬弧焊平焊隔離套工藝設(shè)計及焊接設(shè)備

一次完整的平焊焊接工藝過程具體分為：裁板、卷半圓弧并壓成D字形、焊前清理、裝夾、焊接、拆卸、卷圓等步驟。

2.1 裁剪1.2 mm厚304不銹鋼

將一定規(guī)格的1.2 mm厚的304不銹鋼板用剪板機裁剪成356 mm×76 mm的試板。

2.2 卷半圓弧并壓D字形

將裁剪好的不銹鋼板用偏三星卷板機將其卷制成一定弧度的半圓弧形(圖2)，將鋼板兩端曲面再卷板機上壓平，壓平后的長度不得小于30 mm，使之成為D字型，形成I形坡口，如圖3所示。

圖2 卷半圓弧

圖3 壓D字形

2.3 焊前清理

用銼刀清除焊接面上的毛刺，然后用異丙醇徹底清洗焊接區(qū)域，去除焊件坡口面及焊接區(qū)上下表面50～100 mm范圍內(nèi)的油脂、油漆、氧化膜及鐵銹等。

2.4 裝夾

依據(jù)浮動式夾具原理[5-6]，設(shè)計制造出如圖4所示的專用平焊夾具，主要由底座、支座、支架、壓板、T形槽壓板、螺栓等組成，采用合金鋼分別加工而成，具有結(jié)構(gòu)簡單，裝夾方便等優(yōu)點，裝夾試件后如圖5所示。

2.5 焊接

文中設(shè)計的焊接設(shè)備主要由控制裝置、驅(qū)動裝置、減速裝置、焊槍移動旋轉(zhuǎn)裝置、工件裝夾裝置、工作臺、導(dǎo)軌及尾座幾部分組成[7]。在整個隔離套的焊接過程中，包括平焊和圓周焊兩部分，設(shè)備原理圖如圖6所示。

圖4 平焊夾具裝配圖

圖5 試件裝夾圖

圖6 設(shè)備原理圖

其中平焊過程采用工件不動而焊槍移動的方式，焊槍裝夾在輔助支架上， 輔助支架固定在電動刀架上，而電動刀架固定于十字工作臺上。焊接時數(shù)控裝置控制工作臺以一定的速度沿著X軸或Y軸移動，從而帶動刀架和焊槍移動進行焊接。在整個系統(tǒng)中由數(shù)控系統(tǒng)綜合試驗臺驅(qū)動程序?qū)崿F(xiàn)自動化焊接，以減小因人為因素對焊接過程及焊縫質(zhì)量造成的影響，最終實現(xiàn)隔離套低成本、高效率、高質(zhì)量的批量化生產(chǎn)。焊接基本參數(shù)見表1。

表1 焊接基本參數(shù)

2.6 拆卸

將焊好的成品從平焊夾具上拆卸下來。

2.7 卷圓

將半成品放至卷板機進行多次卷圓，以達到所規(guī)定的圓度要求即可，這樣便完成了從材料到成品的一次完整的焊接過程。

3 焊接參數(shù)對焊縫成型的影響

采用定變量方法進行數(shù)據(jù)的采集和整理，以焊接電流、氬氣流量、鎢極錐角等為調(diào)節(jié)變量，通過反復(fù)調(diào)節(jié)不同的焊接工藝參數(shù)，獲得較優(yōu)焊接工藝參數(shù)。

文中共進行了15組試驗，結(jié)合試驗數(shù)據(jù)及焊縫形貌，從中挑選出4組數(shù)據(jù)，如表2所示。前兩組所用鎢極錐角為20.70°，瓷嘴型號為5，內(nèi)徑為8.0 mm；后兩組所用鎢極錐角為45°，錐角直徑為1.1 mm，錐面長5.2 mm，瓷嘴型號為6，內(nèi)徑為9.5 mm。采用超景深顯微鏡(Smartzoom 5)對各組焊縫質(zhì)量進行觀察， 圖7為四組不同焊接工藝參數(shù)下的焊縫形貌。可以看出，第一組焊縫表面有氣孔、 夾渣等缺陷，焊接表面粗糙。第二組焊縫呈金黃色，熔寬也在合理范圍內(nèi)，但也存在少量氣孔和夾鎢等缺陷。 第三組焊縫表面呈黑色，焊縫不均勻，第四組焊縫呈金黃色，且平整均勻。

表2 焊接數(shù)據(jù)比對

焊接電流是決定焊縫熔深的最主要參數(shù)[8]，圖7c中，電流較大(I=120 A)，電弧氣氛中的電離程度和熱發(fā)射作用增強，易形成凸瘤、燒穿、焊接成型不好等焊接缺陷；而圖7a中電流較小時(I=50 A)，則難以控制焊縫成型，導(dǎo)致熔池中熔化的雜質(zhì)未浮出熔池而凝固，形成夾渣等缺陷。

圖7 焊縫宏觀形貌

氬氣流量的大小也直接影響著焊縫質(zhì)量。圖7a～圖7c中，Q=6～7 L/min，氬氣流量較小，導(dǎo)致氣體挺度不夠，排除周圍空氣的能力較弱，使得焊縫中的氣體未完全溢出熔池，而熔池已經(jīng)凝固，在焊縫表面形成氣孔，焊接過程中母材與氧氣接觸，被氧化發(fā)黑。

鎢極的端部形狀對電弧的穩(wěn)定性及自身的損耗都有影響，文中使用的鎢極直徑相同，錐角分別為20.70°和45°，前者比后者的弧柱區(qū)小，而在使用較大電流時，前者的前端損耗較快，影響焊接效率。而且鎢極尖端太尖，焊接過程中不小心碰觸熔池，容易導(dǎo)致夾鎢，如圖7b所示。

結(jié)合以上分析，并通過調(diào)節(jié)各工藝參數(shù)及各參數(shù)間的相互配合，得到表2中第4組焊接數(shù)據(jù)，其焊縫形貌(圖7d)、平整度、均勻度、顏色及起弧和收弧、直線度均達到較好的效果，故為焊接較優(yōu)數(shù)據(jù)。

4 結(jié) 論

(1)通過分析現(xiàn)有磁力驅(qū)動泵的優(yōu)缺點及制約其推廣應(yīng)用的主要因素，提出利用薄板組焊等工藝降低其成本并提高生產(chǎn)效率的主體方案。

(2)確定整體焊接工藝路線及相關(guān)設(shè)備，改進平焊夾具及焊槍架夾持機構(gòu)，使其結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠。

(3)采集、分析焊接數(shù)據(jù)，通過調(diào)節(jié)相關(guān)焊接參數(shù)的數(shù)值并利用其相互配合來提高焊接質(zhì)量，得到較優(yōu)焊接數(shù)據(jù)。

[1] 趙克中.磁力驅(qū)動技術(shù)與設(shè)備[M].北京:化學工業(yè)出版社,2004.

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2016-03-21

蘭州市科技發(fā)展計劃項目(2014-1-166)；蘭州市人才創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目(2015-RC-4)

TG444.72

張 玲，1980年出生，碩士，講師。主要從事金屬材料的制備及斷裂機理、焊接工藝、機械設(shè)計及精度控制等方面的科研和教學工作，已發(fā)表論文10余篇。