焊（割）炬抗回火性能測試臺的研制及應用

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、切割和加熱等相關工藝用槍（以下簡稱“焊（割）炬”），因其結構穩定、經濟耐用、能耗低等特點，是全社會廣泛使用的手工焊接與切割加工工具之一。在鋼結構、船舶、建筑、機械制造等行業，以及個體工商戶、手工勞動者、零散的個人修理加工、報廢拆解、食品加工等日常生活的各方面都有應用，使用場景十分廣泛。由于其安全性能直接關系到制造業生產安全和操作人員的生命財產安全，因此為保證焊（割）炬使用時的安全可靠性，檢測焊（割）炬的抗回火性能尤為關鍵。

國際相關標準ISO 5172—2015《氣焊設備-氣體焊接，加熱和切割用吹管-規格和試驗》以及國內行業標準JB/T 7947—2017《氣焊設備 焊接、切割及相關工藝用炬》，對焊（割）炬抗回火性能的檢測做了詳細規定，即：調節焊（割）炬的火焰為中性焰，此時焊（割）炬應該關閉切割氧氣閥，當焊（割）炬穩定燃燒超過1min后，將噴嘴前端與試驗轉盤滑動接觸，模擬噴嘴孔道（部分或全部）堵塞[1]狀態來檢測焊（割）炬的抗回火性能。

焊（割）炬抗回火性能測試臺是根據相關行業標準及檢測條件設計制造的檢測焊（割）炬抗回火性能的設備，它的研制和應用可以模擬工況來檢測焊（割）炬是否發生回火或持續回火現象。

2 焊（割）炬回火原理

在氣焊、氣割作業時，燃氣與氧氣在管道或噴嘴內竄流燃燒的現象稱為回火。回火有逆火和回燒兩種：火焰向噴嘴孔逆行，并瞬時自行熄滅，同時伴有爆鳴聲的現象稱為逆火；火焰向噴嘴孔逆行，并繼續向混合室和氣體管路燃燒的現象稱為回燒。回燒現象可能燒毀焊（割）炬、管路，并引起氣體儲罐的爆炸[2]。

產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]。在實際應用中，經常使用通針清除噴嘴孔道內的污物，以及噴嘴過熱時使其暫時冷卻，可有效防止回火發生。

3 焊（割）炬抗回火性能測試臺的研制

3.1 測試臺主要設計參數與機械結構

本試驗采購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計參數、工作原理等。根據標準以及試驗，確定了通過焊（割）炬割嘴與試驗轉盤作滑動接觸、模擬噴嘴孔道堵塞的方法來驗證焊（割）炬的抗回火性能。而在整個試驗過程中，影響試驗數據的主要設計參數有轉盤形狀、試驗半徑、試驗轉盤與噴嘴間的垂直載荷及轉盤轉速，轉盤截面形狀如圖1所示。噴嘴出口直徑與轉盤滑動接觸的試驗半徑如圖2、圖3所示。

圖1 轉盤截面形狀

圖2 噴嘴出口直徑示意

圖3 試驗半徑示意

轉盤的理想形狀是根據噴嘴大小而變化的，經計算該測試臺至少需要3塊轉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備（移動滑臺）上，采用伺服驅動，可實現在X、Y、Z三軸上的移動，移動范圍滿足試驗半徑范圍要求。轉盤由伺服驅動同步帶傳動來控制旋轉速度，在焊（割）炬下方安裝波紋管稱重模塊，用來反饋焊（割）炬噴嘴與轉盤垂直載荷的力值信號。轉盤可手動調節旋轉半徑、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

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控制系統實現半自動功能，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，以便調整焊（割）炬噴嘴與轉盤接觸的位置。當噴嘴與轉盤之間的垂直載荷為5N時，移動滑臺停止工作，轉盤勻速轉動，旋轉半圈后停止，打開B氣路調節閥，通過點火器點燃焊（割）炬，再打開A調節閥，調整氧氣與燃氣的壓力與流量參數直至焊（割）炬火焰到中性焰，待燃燒穩定超過1min后再次轉動轉盤，轉速為10r/min，共旋轉5周， 期間應無持續回火現象發生。試驗期如發生回火，火焰應能自動復燃或通過引導復燃。如有持續回火現象發生，應馬上停止試驗，并認定試驗不合格。

圖5 測試臺工作原理

4 焊（割）炬抗回火性能測試臺的應用

根據JB/T 7947—2017相關要求，焊（割）炬在出廠前應該進行一系列的性能試驗來檢測其是否安全、合格，其中測試抗回火性能試驗是尤為重要的檢測項目。該設備與國內類似檢測設備相比，從設計原理以及操作上均有較大改進。

4.1 檢測多樣性

該測試臺功能滿足JB/T 7947—2017的要求，試驗半徑可調，轉盤模塊化，可根據被檢焊（割）炬型號來調整轉盤型號，標準規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的機用割炬，共計14個型號，均可用該設備完成抗回火性能試驗。

4.2 設備的穩定性與準確度

測試臺能源介質部分采用高精度的電子流量計、電子壓力表以及電子調節閥，能夠對管道內的氣體壓力、流量進行監控與調節，保障被測焊（割）炬的穩定燃燒。測試臺上還安裝有高精度等級的承重模塊傳感器，可即時顯示數據并反饋電信號給傳動機構上的伺服電動機，保障了設備運行的穩定性和準確性。

5 結束語

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的機用割炬，均可以進行有效地抗回火性能檢測。

2）測試臺通過PLC控制，可實現手動、半自動控制，并通過面板顯示各氣路相關參數及轉盤旋轉周數等重要試驗信息參數；配備的承重模塊傳感器可實時監控并反饋信號，從而保障在試驗過程中被測焊（割）炬噴嘴與轉盤滑動接觸模擬噴嘴孔道堵塞狀態時的重復精度，滿足國內行業標準及國外ISO標準中對焊（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、噴嘴與轉盤垂直載荷、轉盤轉速等參數的準確度和穩定性，而且保證了在不同試驗人員操作下數據的準確度和穩定性。

3）焊（割）炬的安全性能直接關系到制造業生產安全和操作人員的生命財產安全。通過本測試臺可檢測出抗回火性能不達標的焊（割）炬，從而有效防止不合格產品流入市場。