小口徑炮彈銅彈帶自動(dòng)焊接技術(shù)

舒澤勝，余海勇

(中國(guó)兵器工業(yè)第五八研究所，四川 綿陽(yáng) 621000)

目前國(guó)內(nèi)生產(chǎn)小口徑炮彈的軍工企業(yè)在裝配銅彈帶時(shí)，大多采用在彈體上開(kāi)鑿齒狀溝槽，將預(yù)先制成的銅彈帶套在溝槽內(nèi)，然后靠緊口壓合機(jī)構(gòu)將銅彈帶和彈體結(jié)合在一起。這種傳統(tǒng)的結(jié)合成型方式主要有2 種弊端:①是銅彈帶與彈體結(jié)合效果不好，在射擊時(shí)銅彈帶容易脫落，影響炮彈的射程和精度;②是這種生產(chǎn)方式工序復(fù)雜，生產(chǎn)效率較低。故采用氬弧焊自動(dòng)焊接的方式實(shí)現(xiàn)小口徑炮彈銅彈帶的裝配在生產(chǎn)中具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 焊接工藝的確定

1.1 焊接材料的準(zhǔn)備

由于紫銅導(dǎo)熱性好，焊接時(shí)熱量可能迅速?gòu)募訜釁^(qū)傳導(dǎo)出去，使彈體與銅帶難以融合，因此選取合適的紫銅焊絲尤其重要。S201 紫銅焊絲，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn):HSCu;美國(guó)焊接協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn):ERCu;德國(guó)標(biāo)準(zhǔn):SG -CuSn 。產(chǎn)品說(shuō)明:紫銅焊料一般用于脫氧銅和紫銅的焊接，可適用于MIG 和TIG 共2 種焊接方式。由于具有良好的流動(dòng)性，是純銅理想的焊接材料，同時(shí)，可保證焊點(diǎn)牢固，S201 紫銅焊絲相當(dāng)AWS RCu 主要成份(%)Cu Rem。特性和用途:機(jī)械性能好，抗裂性好。紫銅適合氬弧焊用。

因此銅彈帶材料選擇S201 紫銅焊絲。

1.2 焊接工件的要求

把彈體需要焊接的表面通過(guò)去油污清洗干凈，晾干以方便達(dá)到焊接要求。

1.3 焊接方式的確定

由于在氬氣保護(hù)下熔融狀態(tài)的銅不會(huì)被氧化，同時(shí)氬氣又不與銅發(fā)生反應(yīng)也不溶于銅，形成的銅焊縫質(zhì)量高，焊縫表面光滑，均勻，無(wú)氣孔，無(wú)飛濺;這種焊接方式產(chǎn)生的熱量集中，熱影響區(qū)很窄，焊接變形和應(yīng)力小，因而對(duì)彈體的戰(zhàn)斗性能影響較小?？紤]到彈體的工藝結(jié)構(gòu)與焊接熱影響區(qū)大小等因素，決定選擇全自動(dòng)環(huán)焊縫TIG 焊的焊接方式。另外為了更進(jìn)一步減少焊接產(chǎn)生的熱影響對(duì)彈體戰(zhàn)斗性能的影響，在焊接過(guò)程中對(duì)彈體進(jìn)行液體循環(huán)冷卻。

2 焊接專機(jī)的組成及主要指標(biāo)和功能

2.1 組成

2.1.1 機(jī)械本體的組成

主要由床身、氣動(dòng)三爪夾緊機(jī)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)動(dòng)力頭(步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng))、焊槍驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、焊槍水平移動(dòng)(擺動(dòng))機(jī)構(gòu)(步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng))、冷卻液泵循環(huán)系統(tǒng)以及控制器(含手控盒)和一臺(tái)氬弧焊焊機(jī)等組成。如圖1 所示。

圖1 銅彈帶自動(dòng)焊接專機(jī)

2.1.2 控制系統(tǒng)的組成

主要由控制柜、西門子PLC、觸摸屏、手控盒、伺服電機(jī)系統(tǒng)等組成?？刂齐娎|的安裝采用金屬軟管防護(hù)飛濺。操作面板如圖2 所示。

圖2 銅彈帶自動(dòng)焊接專機(jī)面板

2.1.3 氣路系統(tǒng)

采用臺(tái)灣AIRTAC 公司氣動(dòng)元件，采用快換式管接頭，以方便更換氣管和更加合理的布置氣路，以便于維護(hù)。

2.2 主要指標(biāo)和功能

1)人工放置工件后能自動(dòng)齊邊夾緊、定位和旋轉(zhuǎn)。

2)焊接彈帶后不允許彈體直徑變形。

3)焊接完全，焊接面積大于95%。

4)彈體熱影響區(qū)不大于1 mm。

5)人工將彈頭放置在定位夾緊機(jī)構(gòu)上后，啟動(dòng)夾緊按鈕。

6)焊接后確保彈帶環(huán)環(huán)焊縫均勻美觀，無(wú)咬邊等焊接缺陷。

7)能人工調(diào)整焊槍位置和角度

位置微調(diào)整范圍:X 方向?yàn)椤?5 mm，Y 方向?yàn)椤?5 mm，Z 方向?yàn)椤?5 mm。

角度調(diào)節(jié)范圍:±15° 。

8)在“設(shè)定”狀態(tài)下，能通過(guò)西門子觸摸屏TP170A 5.7″分別檢查和(在正確輸入口令后)設(shè)定焊接電源的焊接工藝參數(shù)及工件相關(guān)尺寸:焊件半徑R 為10 ～50 mm;搭接量為0 ～50 mm;后退量為0 ～10 mm;焊接電流為10 ～300 A;焊接電壓為12 ～35.5 V;焊接速度為100 ～650 mm/分。

9)“手動(dòng)”狀態(tài)下能檢查:焊槍的上升和下降、中心定位夾緊機(jī)構(gòu)的松開(kāi)和夾緊、工件旋轉(zhuǎn)。

10)在“自動(dòng)”狀態(tài)下

具有單步和連續(xù)鎖弧運(yùn)行的調(diào)試功能。在自動(dòng)焊接全過(guò)程和中途停止且停后能從斷弧處繼續(xù)焊接。能實(shí)時(shí)顯示焊接中的焊接電流和電壓。具有斷弧檢測(cè)和自動(dòng)補(bǔ)焊功能。具有焊絲粘檢測(cè)和自動(dòng)停機(jī)功能。

3 焊接熱影響分析

在銅彈帶焊接過(guò)程中，技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn)也是難點(diǎn)在于對(duì)焊接熱影響區(qū)的控制。焊接熔池中的熱量對(duì)彈體合金鋼的材質(zhì)和力學(xué)性能會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重影響，會(huì)降低彈體的殺傷力。因此，在焊接過(guò)程中應(yīng)該盡量降低熱影響區(qū)域的范圍和效果。

焊接傳熱過(guò)程對(duì)焊接接頭堆焊層和界面組織將產(chǎn)生重要影響?；w的傳熱過(guò)程決定著基體的熔化量，也就決定著Fe 向Cu 中的溶解量;焊接熔池中的傳熱過(guò)程，決定著堆敷層金屬的晶體成長(zhǎng)形態(tài)，決定著Fe -Cu 液相分離現(xiàn)象的發(fā)生以及Fe 在堆敷層中的分布形態(tài)，因而也就決定著堆敷層的組織、相組成。因此，定量分析焊接傳熱過(guò)程具有重要的意義。

由于焊接本身的特點(diǎn)，對(duì)焊接過(guò)程發(fā)生的一些現(xiàn)象進(jìn)行實(shí)驗(yàn)存在較大困難。而科學(xué)的數(shù)值模擬方法，為我們定量的描述焊接傳熱過(guò)程，深入理解焊接過(guò)程中所發(fā)生的復(fù)雜現(xiàn)象及本質(zhì)提供了必要而實(shí)用的手段。

圖3 擺動(dòng)焊接電弧示意圖

從溫度分布云圖可以看出，與單道焊相比，擺動(dòng)焊最高溫度較低，這主要是由于擺動(dòng)焊焊接速度快，但是有兩次出現(xiàn)最高溫度，而且由于熱量積累，冷卻速度比單道焊小。

因此，從分析結(jié)果得出如下結(jié)論:采用擺動(dòng)焊接，彈體基體的熱影響區(qū)小。

圖4 單道焊表面瞬時(shí)溫度分布云圖

圖5 擺動(dòng)焊表面瞬時(shí)溫度分布云圖

4 焊接專機(jī)的工作過(guò)程及焊接效果

4.1 工件裝夾

人工將工件裝入氣動(dòng)卡盤，腳踏按鈕，氣動(dòng)卡盤將工件夾緊定位，人工將冷卻水管伸入到工件內(nèi)部。在第一次焊接時(shí)需人工調(diào)整焊槍水平方向和前后的位置，使焊槍與工件焊接的初始位置一致，然后關(guān)閉防護(hù)裝置。

4.2 設(shè)置焊接參數(shù)

電流值(A):× × × ×

電壓值(V):× × × ×

焊接速度(mm/min):× × × ×

搭接量(mm):× × ×

工件直徑(mm):× × ×

擺幅(mm):× × ×

4.3 焊接

啟動(dòng)運(yùn)行按鈕，焊槍下降到位，焊槍引弧焊接，冷卻泵啟動(dòng)對(duì)彈體進(jìn)行冷卻。動(dòng)力頭步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)工件旋轉(zhuǎn)，焊槍移動(dòng)(擺動(dòng))機(jī)構(gòu)的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)焊槍水平移動(dòng)(擺動(dòng))，焊機(jī)完成工件的焊接。

4.4 卸料

人工將焊接完成的工件取下，重新裝夾新的工件。

4.5 工件焊縫效果

如圖6 所示。

圖6 銅彈帶焊接效果

5 結(jié)束語(yǔ)

成功應(yīng)用全自動(dòng)氬弧焊焊接專機(jī)對(duì)傳統(tǒng)的小口徑炮彈彈帶裝配方式進(jìn)行改進(jìn)，堆焊出的銅彈帶與彈體結(jié)合更牢固，也改善了傳統(tǒng)的加工工藝，炮彈經(jīng)過(guò)射擊打靶驗(yàn)證能完全滿足各項(xiàng)技術(shù)性能指標(biāo)的要求，此項(xiàng)研究成果必將對(duì)我國(guó)小口徑炮彈傳統(tǒng)彈帶裝配技術(shù)產(chǎn)生積極的深遠(yuǎn)意義，發(fā)揮歷史性的技術(shù)突破作用。

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