CN106624307B - 一种装有易燃易爆药剂金属容腔的高压充气焊接装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种装有易燃易爆药剂金属容腔的高压充气焊接装置，夹紧机构采用防扭转气缸，通过焊接负极连接定位夹具；金属容腔固定在定位夹具中；焊接负极与循环冷却水连接；充气腔体采用一个T型三通件，三通件的两个直通端分别连接金属容腔进气口和焊接移动正极，侧通端连通高压充气系统；将钢球放在金属容腔进气口的台阶孔上，高压充气系统通过钢球与台阶孔的空隙向金属容腔内充气，达到要求压力；然后焊接移动正极与焊接负极共同作用，将钢球与金属容腔进气口进行焊接密封。本发明能够满足小金属容腔的充气、堵焊要求。

Description

一种装有易燃易爆药剂金属容腔的高压充气焊接装置

技术领域

本发明属火工品装配技术领域，涉及一种金属容腔的焊接装置。

背景技术

目前，国内对装有易燃易爆药剂金属容腔的高压充气，大多采用机械结构的方法，即给此类容腔上装上如单向阀之类的组件进行充气，充完后该组件作为产品上的结构件，随产品一同使用，结构如图1所示。

该结构使产品结构复杂，体积、质量增大，成本增加。国外大多采用非标设备，先向容腔内充气，达到要求压力后再放封堵充气孔的钢球，再焊接，将高压气体封堵在金属容腔内，结构如图2所示。

这种方法需要将充气焊接的产品、夹具、放钢球装置、焊接电极等放入一个较大的密封腔体中，在此密封腔体上开一个门，用于取产品。此密封腔体空间较大，且要耐高压。钢球输送机构结构较复杂。在取产品时将大量的气体排放在工房内，若要回收需再增加气体回收设备。总体成本较高。故这种方法不适宜小金属容腔的高压充气焊接。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种高压充气焊接装置，满足小金属容腔的充气、堵焊要求。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：包括焊接移动正极、充气腔体、定位模具、焊接负极、夹紧机构和高压充气系统。

所述的夹紧机构采用防扭转气缸，通过焊接负极连接定位夹具；金属容腔固定在定位夹具中；所述的焊接负极与循环冷却水连接；所述的充气腔体采用一个T型三通件，三通件的两个直通端分别连接金属容腔进气口和焊接移动正极，侧通端连通高压充气系统；将钢球放在金属容腔进气口的台阶孔上，高压充气系统通过钢球与台阶孔的空隙向金属容腔内充气，达到要求压力；然后焊接移动正极与焊接负极共同作用，将钢球与金属容腔进气口进行焊接密封。

本发明还包括防护罩，采用角钢骨架覆盖聚碳酸脂塑料板，将所述的焊接移动正极、充气腔体、找正机构、定位模具、焊接负极和夹紧机构封闭在内。

所述的焊接移动正极采用铜银合金TAg0.1制成，为台阶圆柱体，轴向中部的直径大于充气腔体连通焊接移动正极一端的内径。

所述的充气腔体采用40Cr锻件作为外壳体，与高压气路及产品进气口连通的端口采取聚四氟乙烯进行端面密封，与焊接移动正极连通的一端采用O型密封圈进行密封。

所述的焊接负极采用铜银合金TAg0.1制成。

所述的定位夹具上增加了防转径向弹性夹紧机构。

本发明的有益效果是：能够在如图3所示的装有易燃易爆的金属容腔中充入7.5—15MPa的氩/氦混合气体，然后用钢球将充气孔堵焊，充气孔为金属容腔上的一个偏心孔。整个焊接过程中被焊接件温升不大于160℃，不将焊接火花等高温物体进入容腔内。本发明还能够在此基础上扩展到装有易燃易爆药剂的较大金属容腔的高压(20—25MPa)充气焊接产品上。

附图说明

图1是装有单向阀的金属容腔结构示意图；

图2是现有焊接装置结构示意图；

图3是装有钢球的金属容腔结构示意图；

图4是本发明的焊接装置结构示意图；

图5是本发明的电极结构示意图；

图6是本发明的充气腔体结构示意图，其中(a)是主视图，(b)是俯视图，(c)是剖视图；

图7是本发明的找正结构示意图，其中(a)是主视图，(b)是俯视图；

图8是本发明的定位模具结构示意图；

图9是本发明的焊接负极结构示意图；

图10是自由充气测试工装；

图11是焊接样件金相分析图，其中(a)是4#50×-1腐蚀后，(b)是6#50×-1腐蚀后，(c)是×50×-1腐蚀后，(d)是×1 50×-2腐蚀后；

图中，1-管壳，2-药剂，3-击发装置，4-单向阀，5-焊机正极，6-密封腔体，7-钢球运送机构，8-充气孔，9-钢球，10-产品，11-焊机负极，12-找正机构，13-门，14-钢球，15-需要焊接的部位，16-高压气体充入口钢球封堵口，17-焊机机头，18-焊机移动正极，19-出气口，20-找正机构，21-产品，22-定位模具，23-焊机负极，24-焊机负极连接线，25-夹紧气缸，26-负极连接件，27-高压气体进气孔，28-电极腔体，29-O型密封圈，30-O型密封圈，31-高压进气口，32-充气腔体，33-立柱，34-套，35-找正杆，36-弹簧，37-顶柱，38-产品固定套，39-找正板，40-产品，41-产品固定套，42-弹簧，43-顶珠，44-冷却水接口，45-泄爆口，46-产品接触面，47-钢球，48-充气口，49-连接管，50-手动滑阀，51-气压表，52-样件。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，本发明包括但不仅限于下述实施例。

本发明提供一种如图4所示的装置，包括焊接移动正极、充气腔体、找正机构、定位模具、焊接负极、夹紧机构、防护罩、工作台、高压充气系统、焊接单元、控制系统等零件、组件和机构，采用电阻焊接技术实现了对装有易燃易爆小金属腔体的高压充气焊接。

此装置的主要特征是：

1)先放钢球，再充气焊接

先将钢球放在产品充气入口的台阶孔上，充气时气体经过钢球与台阶孔的空隙进入产品腔体，达到要求压力。

该火工品放钢球的台阶孔系钻削加工，几何精度和表面粗糙度较低。钻削加工孔径的精度一般为1T12-13级，表面粗糙度Ra12.5um。从产品结构上看台阶孔过渡处无过渡斜面。而要满足金属钢球硬密封的条件应是：(1)对孔的要求是：密封孔的孔径精度应在1T7级以上；孔口应有450倒角与钢球形成密封环带；密封环带的表面粗糙度Ra0.1-0.4之间；材质硬度应低于钢球的硬度。(2)对钢球的要求是：钢球应有一定的硬度，一般为HRC38-45；钢球的尺寸精度应在1T7级以上；表面粗糙度应在Ra0.1-0.4范围内；钢球和通孔的直径之比为1:0.6-0.8。

由此可见本产品密闭腔体封口处和钢球连接处不可能硬封闭。所以放在台阶孔上的钢球和台阶孔之间存在缝隙，这一缝隙粗略计算肯定大于0.01mm宽，而气体的分子的直径大概是0.3nm，不是一个数量级的缝隙给气体分子提供了进出的通道。又根据同一个容器中的气体压力平衡原理和文丘里原理可知，高压气体会通过此缝隙迅速进入产品中直至产品内外压力平衡为止，同时在腔内气体平衡过程中压差越大，达到平衡的速度越快。为封闭腔内气体充气争取了时间。以上两点充分证明了这种充气方法的可行性。

2)移动正极

采用TAg0.1(铜银合金)材料，即满足了良好的导电性，又具有一定的硬度。提高了使用寿命。电极的轴向有一段精度和光洁度较高的圆柱面实现密封，结构如图5所示。

3)充气腔体

将高压充气和焊接集合在同一较小的密封腔体中进行，且使高压充气及夹紧机构的金属管路与焊接回路有效分离，结构如图6所示。

首先要将移动焊极、高压气路、产品进气口这三者的通路要集合在一个组件上。本发明设计了一个三通件作为充气腔。该充气腔要满足：(1)要有足够的强度(能承受15—20MPa的高压)。本发明选取了40Cr锻件作为外壳体。(2)充气腔的各接口和相对运动口应密封。(高压气进口应牢固连接并密封；与产品进气口的接触面应密封，本发明采取了聚四氟乙烯进行端面密封；移动电极应在三通管的一通中移动且密封，本发明采用了O型密封圈进行密封)。(3)移动电极应与除负极的其他连接件间绝缘。(本发明采用在钢件中镶嵌聚四氟乙烯件，形成组合件的方法对移动电极进行绝缘)。

4)找正机构

由于产品上的充气孔是一个偏心孔，所以充气、焊接前必须将其在夹具中找正，以便于移动电极压紧钢球并焊接，结构如图7所示。

本发明利用固定充气腔的导柱作为导杆，在导杆上连接可上下移动的定尺，定尺上有一固定找正头。放产品时，将移动找正头插入于产品偏心孔，产品即找正。找正后将定尺向上移并旋转到离开产品的位置。

5)定位模具

为防止产品在夹紧过程中转位，本发明在定位夹具上增加了防转径向弹性夹紧机构。产品在夹紧运动中相对夹具不会产生运动，结构如图8所示。

6)焊接负极

焊接负极设计在定位夹具的下端夹紧机构的上端，与定位夹具、夹紧机构相连接，结构如图9所示。

焊接负极采用TAg0.1(铜银合金)材料，既满足了良好的导电性，又具有一定的硬度。提高了使用寿命。

在结构上采用了圆环面定位。与产品上强度较高的圆弧面相吻合，便于承受焊接时的压力。

在电极上设计以两端带螺纹的通孔与循环冷却水连接，以降低电极在连续工作时的温升。确保焊接质量。

7)夹紧机构

采用防扭转气缸夹紧，保证了夹紧过程中产品的正确位置。

8)防护罩

采用角钢骨架，聚碳酸脂塑料板(防弹玻璃)作为防护罩。既满足了防护强度要求，又满足了可视需求。

9)工作台

采用钢结构件，顶面连接一经加工的钢板作为安装定位基准。

10)高压充气系统

采用电磁控制阀控制充气和关闭。在接近产品的地方连接一电子压力表。便于观察和控制充气时间。

11)焊接单元

采用米亚基(日本公司)公司生产的电阻焊接单元(含电源、变压器、检测仪、机头等)，保证了焊接所需的各种参数，并可实时检测、储存各种参数，便于质量追溯。

12)控制系统

采用PLC控制和触摸屏，实现了从开门—放产品—找正—夹紧—充气—焊接—开门，全过程的自动化。增加触摸屏实现了人机对话。

本发明的效果如下：

1)自由充气实验证明这种充气方法的可行性：

把如图10所示测试工装放入0.4MPa气体的容器中，2秒时间气压表压力显示0.4MPa，气压表的显示说明高压气体通过钢球周边已经进入产品腔体中。

这一充气测试装置充分说明了先放钢球再充气的可行性。

2)焊接方法的气密性、安全性和焊接强度的研究和测试：

2.1)气密性测试：取如图10中的产品两发，进行自由充气、焊接后，在正常大气压下放置48小时后，充气测试装置中的气压表几乎没有变化，说明这种焊接几乎不漏气，气密性可靠。同时这种火工品5发，我们对通过此焊接机焊接的产品样件充气7.5MPa，并进行氦质谱检漏密封试验。结果如表1。

表1 焊接火工品密封性测试表

通过测试可看出，焊接后的气密性基本没有变化，都在同一数量级内。这些结果说明焊接后的气密性良好。满足产品的要求。

2.2)安全性实验：产品的密闭容腔中装有易燃易爆的药剂，焊接的温升和焊接时产生的火花直接影响到产品的安全。所以，我们进行了火花和焊接区域温度测试实验。取样件4件，每次焊接都用高速摄影仪进行检测，均无飞溅火花。同时进行焊接区域温度测试。因焊接时间只有50ms，在如此短的时间内焊接区域始终测到的都是常温。这进一步说明此种焊接方法适宜此种火工品的焊接。

2.3)焊接强度的测试：密封腔体内密封的是高压气体，所以焊接处的强度必须能够承受高压气体的压力，于是取样件11发，进行如表2中的焊接强度试验，同时进行金相分析，结果如表3，金相分析图片如图11，对比分析结果如下：

表2 焊接强度试验表

表3 金相分析表

编号	裂纹	空洞	组织状态	备注
					4	无	无	良好
6	无	无	良好
					x	无	无	良好
X1	无	无	良好

这些实验结果充分证明了焊接强度牢固，表明这一焊接方法可靠。

3)工件夹持、高压充气、焊接等工艺过程实现自动化，使得产品在加工时安全、可靠，设备操作的人性化方面都有很大程度的改善和提高。

打开防护门，将产品放入夹持模具中找正，充高压气体的孔口放入钢球，按下启动按钮，防护门自动关闭，高压充气阀打开启动充气，气压到达设定的气压值后延时1S；电阻焊机移动焊极下移压紧钢球进行焊接；焊接完成后移动焊极自动上升，夹紧气缸带产品下移；防护门打开，手动将成品取出。整个过程实现了自动控制。

4)焊接时精确的熔深和熔焊温度的控制：采用IS-120B的大容量的点焊及热压焊接装置，同时使用MM-370B多功能检测仪和控制系统形成闭环控制，实时检测和调节焊接质量，确保焊接满足加工产品时所需要的焊接强度及160℃温度和无火花的要求。

Claims (6)

1.一种装有易燃易爆药剂金属容腔的高压充气焊接装置，包括焊接移动正极、充气腔体、找正机构、定位模具、焊接负极、夹紧机构和高压充气系统，其特征在于：所述的夹紧机构采用防扭转气缸，通过焊接负极连接定位夹具；金属容腔固定在定位夹具中；所述的焊接负极与循环冷却水连接；所述的充气腔体采用一个T型三通件，三通件的两个直通端分别连接金属容腔进气口和焊接移动正极，侧通端连通高压充气系统；将钢球放在金属容腔进气口的台阶孔上，高压充气系统通过钢球与台阶孔的空隙向金属容腔内充气，达到要求压力；然后焊接移动正极与焊接负极共同作用，将钢球与金属容腔进气口进行焊接密封。

2.根据权利要求1所述的装有易燃易爆药剂金属容腔的高压充气焊接装置，其特征在于：还包括防护罩，采用角钢骨架覆盖聚碳酸脂塑料板，将所述的焊接移动正极、充气腔体、找正机构、定位模具、焊接负极和夹紧机构封闭在内。

3.根据权利要求1所述的装有易燃易爆药剂金属容腔的高压充气焊接装置，其特征在于：所述的焊接移动正极采用铜银合金TAg0.1制成，为台阶圆柱体，轴向中部的直径大于充气腔体连通焊接移动正极一端的内径。

4.根据权利要求1所述的装有易燃易爆药剂金属容腔的高压充气焊接装置，其特征在于：所述的充气腔体采用40Cr锻件作为外壳体，与高压气路及产品进气口连通的端口采取聚四氟乙烯进行端面密封，与焊接移动正极连通的一端采用O型密封圈进行密封。

5.根据权利要求1所述的装有易燃易爆药剂金属容腔的高压充气焊接装置，其特征在于：所述的焊接负极采用铜银合金TAg0.1制成。

6.根据权利要求1所述的装有易燃易爆药剂金属容腔的高压充气焊接装置，其特征在于：所述的定位夹具上增加了防转径向弹性夹紧机构。