焊（割）炬抗回火性能測試臺的研制及應(yīng)用

趙松柏，王智新，姜英龍

哈爾濱焊接研究院有限公司 黑龍江哈爾濱 150001

1 序言

火焰焊接、切割和加熱等相關(guān)工藝用槍（以下簡稱“焊（割）炬”），因其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)耐用、能耗低等特點(diǎn)，是全社會廣泛使用的手工焊接與切割加工工具之一。在鋼結(jié)構(gòu)、船舶、建筑、機(jī)械制造等行業(yè)，以及個(gè)體工商戶、手工勞動者、零散的個(gè)人修理加工、報(bào)廢拆解、食品加工等日常生活的各方面都有應(yīng)用，使用場景十分廣泛。由于其安全性能直接關(guān)系到制造業(yè)生產(chǎn)安全和操作人員的生命財(cái)產(chǎn)安全，因此為保證焊（割）炬使用時(shí)的安全可靠性，檢測焊（割）炬的抗回火性能尤為關(guān)鍵。

國際相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)ISO 5172—2015《氣焊設(shè)備-氣體焊接，加熱和切割用吹管-規(guī)格和試驗(yàn)》以及國內(nèi)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JB/T 7947—2017《氣焊設(shè)備 焊接、切割及相關(guān)工藝用炬》，對焊（割）炬抗回火性能的檢測做了詳細(xì)規(guī)定，即：調(diào)節(jié)焊（割）炬的火焰為中性焰，此時(shí)焊（割）炬應(yīng)該關(guān)閉切割氧氣閥，當(dāng)焊（割）炬穩(wěn)定燃燒超過1min后，將噴嘴前端與試驗(yàn)轉(zhuǎn)盤滑動接觸，模擬噴嘴孔道（部分或全部）堵塞[1]狀態(tài)來檢測焊（割）炬的抗回火性能。

焊（割）炬抗回火性能測試臺是根據(jù)相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)及檢測條件設(shè)計(jì)制造的檢測焊（割）炬抗回火性能的設(shè)備，它的研制和應(yīng)用可以模擬工況來檢測焊（割）炬是否發(fā)生回火或持續(xù)回火現(xiàn)象。

2 焊（割）炬回火原理

在氣焊、氣割作業(yè)時(shí)，燃?xì)馀c氧氣在管道或噴嘴內(nèi)竄流燃燒的現(xiàn)象稱為回火?；鼗鹩心婊鸷突?zé)齼煞N：火焰向噴嘴孔逆行，并瞬時(shí)自行熄滅，同時(shí)伴有爆鳴聲的現(xiàn)象稱為逆火；火焰向噴嘴孔逆行，并繼續(xù)向混合室和氣體管路燃燒的現(xiàn)象稱為回?zé)??；責(zé)F(xiàn)象可能燒毀焊（割）炬、管路，并引起氣體儲罐的爆炸[2]。

產(chǎn)生回火的原因是噴嘴孔道堵塞和噴嘴溫度過高，造成氣流不暢，由于混合氣體的噴射速度小于燃燒速度所致[3]。在實(shí)際應(yīng)用中，經(jīng)常使用通針清除噴嘴孔道內(nèi)的污物，以及噴嘴過熱時(shí)使其暫時(shí)冷卻，可有效防止回火發(fā)生。

3 焊（割）炬抗回火性能測試臺的研制

3.1 測試臺主要設(shè)計(jì)參數(shù)與機(jī)械結(jié)構(gòu)

本試驗(yàn)采購G01-30型射吸式手工焊（割）炬，來分析焊（割）炬抗回火性能測試臺所需的主要設(shè)計(jì)參數(shù)、工作原理等。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)以及試驗(yàn)，確定了通過焊（割）炬割嘴與試驗(yàn)轉(zhuǎn)盤作滑動接觸、模擬噴嘴孔道堵塞的方法來驗(yàn)證焊（割）炬的抗回火性能。而在整個(gè)試驗(yàn)過程中，影響試驗(yàn)數(shù)據(jù)的主要設(shè)計(jì)參數(shù)有轉(zhuǎn)盤形狀、試驗(yàn)半徑、試驗(yàn)轉(zhuǎn)盤與噴嘴間的垂直載荷及轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)盤截面形狀如圖1所示。噴嘴出口直徑與轉(zhuǎn)盤滑動接觸的試驗(yàn)半徑如圖2、圖3所示。

圖1 轉(zhuǎn)盤截面形狀

圖2 噴嘴出口直徑示意

圖3 試驗(yàn)半徑示意

轉(zhuǎn)盤的理想形狀是根據(jù)噴嘴大小而變化的，經(jīng)計(jì)算該測試臺至少需要3塊轉(zhuǎn)盤來滿足所有型號的手持射吸式割炬。焊（割）炬抗回火性能測試臺的主要參數(shù)見表1。焊（割）炬抗回火性能測試臺三維示意如圖4所示。焊（割）炬通過夾具夾持在三軸移動設(shè)備（移動滑臺）上，采用伺服驅(qū)動，可實(shí)現(xiàn)在X、Y、Z三軸上的移動，移動范圍滿足試驗(yàn)半徑范圍要求。轉(zhuǎn)盤由伺服驅(qū)動同步帶傳動來控制旋轉(zhuǎn)速度，在焊（割）炬下方安裝波紋管稱重模塊，用來反饋焊（割）炬噴嘴與轉(zhuǎn)盤垂直載荷的力值信號。轉(zhuǎn)盤可手動調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)半徑、靈活更換，以滿足不同型號焊（割）炬高效地完成抗回火性能測試。

表1 焊割槍抗回火性能測試臺的主要參數(shù)

圖4 焊（割）炬抗回火性能測試臺三維示意

3.2 測試臺工作原理

測試臺通過PLC控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)半自動功能，原理如圖5所示。由圖5可知，將待測焊（割）炬固定在移動滑臺上，以便調(diào)整焊（割）炬噴嘴與轉(zhuǎn)盤接觸的位置。當(dāng)噴嘴與轉(zhuǎn)盤之間的垂直載荷為5N時(shí)，移動滑臺停止工作，轉(zhuǎn)盤勻速轉(zhuǎn)動，旋轉(zhuǎn)半圈后停止，打開B氣路調(diào)節(jié)閥，通過點(diǎn)火器點(diǎn)燃焊（割）炬，再打開A調(diào)節(jié)閥，調(diào)整氧氣與燃?xì)獾膲毫εc流量參數(shù)直至焊（割）炬火焰到中性焰，待燃燒穩(wěn)定超過1min后再次轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)盤，轉(zhuǎn)速為10r/min，共旋轉(zhuǎn)5周， 期間應(yīng)無持續(xù)回火現(xiàn)象發(fā)生。試驗(yàn)期如發(fā)生回火，火焰應(yīng)能自動復(fù)燃或通過引導(dǎo)復(fù)燃。如有持續(xù)回火現(xiàn)象發(fā)生，應(yīng)馬上停止試驗(yàn)，并認(rèn)定試驗(yàn)不合格。

圖5 測試臺工作原理

4 焊（割）炬抗回火性能測試臺的應(yīng)用

根據(jù)JB/T 7947—2017相關(guān)要求，焊（割）炬在出廠前應(yīng)該進(jìn)行一系列的性能試驗(yàn)來檢測其是否安全、合格，其中測試抗回火性能試驗(yàn)是尤為重要的檢測項(xiàng)目。該設(shè)備與國內(nèi)類似檢測設(shè)備相比，從設(shè)計(jì)原理以及操作上均有較大改進(jìn)。

4.1 檢測多樣性

該測試臺功能滿足JB/T 7947—2017的要求，試驗(yàn)半徑可調(diào)，轉(zhuǎn)盤模塊化，可根據(jù)被檢焊（割）炬型號來調(diào)整轉(zhuǎn)盤型號，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的所有型號的手持焊炬、手持割炬、焊割兩用炬以及切割能力≤300mm的機(jī)用割炬，共計(jì)14個(gè)型號，均可用該設(shè)備完成抗回火性能試驗(yàn)。

4.2 設(shè)備的穩(wěn)定性與準(zhǔn)確度

測試臺能源介質(zhì)部分采用高精度的電子流量計(jì)、電子壓力表以及電子調(diào)節(jié)閥，能夠?qū)艿纼?nèi)的氣體壓力、流量進(jìn)行監(jiān)控與調(diào)節(jié)，保障被測焊（割）炬的穩(wěn)定燃燒。測試臺上還安裝有高精度等級的承重模塊傳感器，可即時(shí)顯示數(shù)據(jù)并反饋電信號給傳動機(jī)構(gòu)上的伺服電動機(jī)，保障了設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。

5 結(jié)束語

1）焊（割）炬抗回火性能測試臺檢測范圍廣，對于手持焊炬、手持割炬、焊割兩用炬及切割能力≤300mm的機(jī)用割炬，均可以進(jìn)行有效地抗回火性能檢測。

2）測試臺通過PLC控制，可實(shí)現(xiàn)手動、半自動控制，并通過面板顯示各氣路相關(guān)參數(shù)及轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)周數(shù)等重要試驗(yàn)信息參數(shù)；配備的承重模塊傳感器可實(shí)時(shí)監(jiān)控并反饋信號，從而保障在試驗(yàn)過程中被測焊（割）炬噴嘴與轉(zhuǎn)盤滑動接觸模擬噴嘴孔道堵塞狀態(tài)時(shí)的重復(fù)精度，滿足國內(nèi)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)及國外ISO標(biāo)準(zhǔn)中對焊（割）炬抗回火性能檢測的要求。不僅保證了每把被測焊（割）炬的氣體壓力、流量、噴嘴與轉(zhuǎn)盤垂直載荷、轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速等參數(shù)的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性，而且保證了在不同試驗(yàn)人員操作下數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性。

3）焊（割）炬的安全性能直接關(guān)系到制造業(yè)生產(chǎn)安全和操作人員的生命財(cái)產(chǎn)安全。通過本測試臺可檢測出抗回火性能不達(dá)標(biāo)的焊（割）炬，從而有效防止不合格產(chǎn)品流入市場。