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

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(lái)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(yáng)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(shí)減小體積成為研究氙氣閃光燈的新課題。隨著人們對(duì)于拍照質(zhì)量要求越來(lái)越高,作為氙氣閃光燈的核心部件——電極的生產(chǎn)越來(lái)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?qū)阜绞?該電阻焊方法利用電阻熱使對(duì)接的焊件在整個(gè)接觸面上形成焊接結(jié)子[4]。但橫向?qū)冈谳^細(xì)的鎢桿與鎳絲焊接過(guò)程中,難以保證焊接后的尺寸和結(jié)子質(zhì)量。因此在不斷提高氙氣閃光燈的壽命和質(zhì)量的同時(shí),對(duì)電極焊接工藝也提出了更高的要求。

對(duì)焊是利用電阻熱使對(duì)接的焊件在整個(gè)接觸面上形成焊接結(jié)子的一種電阻焊方法,適用于形狀簡(jiǎn)單、小端面的金屬型材的對(duì)接[5]。豎向焊接焊件在熔化時(shí)受重力自然下垂,焊接結(jié)子更趨圓形,焊接件軸線殘余應(yīng)力降低[6]。焊接件端面的平整度可降低焊接時(shí)的飛濺,接觸電流更穩(wěn)定,能保證焊接結(jié)子的質(zhì)量[7]。焊接過(guò)程中利用氫氣可增加電弧功率;氮?dú)饪善饛?qiáng)化作用,提高焊縫力學(xué)性能[8]。因此實(shí)驗(yàn)采用豎向?qū)?改善鎳絲熔化時(shí)受重力影響產(chǎn)生的結(jié)子不圓、單邊等缺陷,并對(duì)原有的切斷刀具進(jìn)行改進(jìn),提高鎳絲切斷面質(zhì)量。由于焊接時(shí)用酒精做保護(hù)易引起焊接后結(jié)子發(fā)脆,所以為防止焊接氧化需采用新的保護(hù)方式。通過(guò)實(shí)驗(yàn)探索氙氣閃光燈電極的對(duì)焊工藝,滿足細(xì)小電極的質(zhì)量要求。

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

1 實(shí)驗(yàn)條件

采用豎向焊接設(shè)備,鎢桿用震蕩盤(pán)上料[9],鎳絲采用盤(pán)料滾輪拔直后切斷,再與鎢桿焊接。通過(guò)研究豎向?qū)腹に?掌握其焊接技術(shù),并與傳統(tǒng)的橫向?qū)腹に嚤容^,驗(yàn)證新工藝的可行性。

1.1 實(shí)驗(yàn)豎向焊接設(shè)備及材料

實(shí)驗(yàn)使用的高精度豎向焊接設(shè)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(duì)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(zhǔn)上料到位,機(jī)械夾鉗夾住鎢桿后送入固定位置,故鎢桿采用特制震蕩盤(pán)上料,鎳絲采用圈料經(jīng)滾輪拔直切斷后進(jìn)入固定送料導(dǎo)軌。

圖2 豎向?qū)冈O(shè)備Fig.2 Vertical welding equipment

實(shí)驗(yàn)材料為鎢桿Φ0.5 mm和鎳絲Φ0.7 mm。鎢的熔點(diǎn)為3 410℃,是僅次于碳(熔點(diǎn)為3 500℃)的難熔元素[11],而鎳的熔點(diǎn)只有1 453℃。兩種材料熔點(diǎn)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(cè)設(shè)備

利用焊接牢度檢測(cè)設(shè)備如圖3所示檢測(cè)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?qū)副容^。

圖3 牢度檢測(cè)設(shè)備Fig.3 Weld strength testing equipment

2 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

2.1 豎向?qū)?/h3>

將鎢桿夾牢在對(duì)焊機(jī)的夾具上,然后將可移動(dòng)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(guò)相當(dāng)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(kuò)散,包住鎢桿[12]。在鎳絲呈塑性狀態(tài)時(shí),傳統(tǒng)的橫向?qū)冈谥亓τ绊懴?易引起焊接結(jié)子不圓、單邊、尖角等缺陷,因此實(shí)驗(yàn)將傳統(tǒng)的焊接方向轉(zhuǎn)換成豎向?qū)溉鐖D4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(yùn)用導(dǎo)軌使兩者的定位更精準(zhǔn),保證了焊接的同軸度。

2.2 切刀設(shè)計(jì)

為了獲得優(yōu)質(zhì)的焊接結(jié)子,必須使焊件端面均勻接觸。如果焊件對(duì)口端面的平面度過(guò)小,接觸面加熱不均易引起局部溫度過(guò)高而降低焊接牢度[12]。鎢桿經(jīng)砂輪切割球磨處理,端面平整,因此在鎢桿端面質(zhì)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(shí)要求直線度偏差在0.05 mm之內(nèi),鎳絲切口的質(zhì)量對(duì)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(shí)驗(yàn)借鑒圓管剪切原理[13],將切斷刀根據(jù)鎳絲絲徑設(shè)計(jì)成如圖5所示的雙圓口切刀,使鎳絲切斷過(guò)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(hù)氣氛

焊接時(shí)惰性氣體可以充當(dāng)保護(hù)層,將空氣有效隔離開(kāi)來(lái)[14],防止發(fā)生氧化,起到保護(hù)焊縫金屬熔池、焊絲以及熱影響區(qū)的作用。焊接時(shí)引入氮?dú)饽芴岣吆附訌?qiáng)度,引入氫氣能增加電弧功率,增大焊接熔深[15]。傳統(tǒng)對(duì)焊往往使用酒精來(lái)保護(hù),焊接后結(jié)子表面光亮,但焊接時(shí)瞬時(shí)溫度較高,酒精滴在焊接處使焊接結(jié)子脆性變大,影響焊接牢度。故本實(shí)驗(yàn)改用氫氮混合氣體為保護(hù)氣氛,防止氧化的同時(shí),還可以防止焊接處發(fā)脆。

2.4 結(jié)果分析

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

將氙氣閃光燈電極對(duì)焊新工藝與傳統(tǒng)對(duì)焊工藝作比較,新對(duì)焊工藝焊接后結(jié)子的橫向金相組織與母材組織沒(méi)有明顯的變化,基本保持了原有的組織結(jié)構(gòu);傳統(tǒng)焊接后結(jié)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(hù)時(shí)急速冷卻所致。

圖6 金相組織Fig.6 Metallographic organization

焊接牢度是實(shí)驗(yàn)的關(guān)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(shí)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(jié)論

隨著人們對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量要求不斷提高,在延長(zhǎng)氙氣閃光燈壽命的同時(shí),又要求減小其體積,來(lái)滿足市場(chǎng)的需求。傳統(tǒng)對(duì)焊工藝已難以滿足新的要求,故通過(guò)實(shí)驗(yàn),探索了氙氣閃光燈電極對(duì)焊新工藝,并與傳統(tǒng)對(duì)焊工藝比較,結(jié)果表明:

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

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

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