核设备环形端接焊缝切割装置研制

李潮伟　何静　杨彪　王建　袁军

摘 要：该文针对核设备环形端接焊缝的结构形式和焊缝切割需求，研制了适用于现场切割的专用切割装置，对装置的设计过程、结构特点、切削试验情况和结果进行了说明。切削试验的结果表明：切割装置的设计和使用满足核设备环形端接焊缝切割以及后续坡口加工的要求。焊缝切割和坡口加工的尺寸精度和形位公差满足技术指标要求。

关键词：环形端接焊缝 切割装置 切割试验 核设备

中图分类号：TH123 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）11（a）-0082-02

某核设备存在环形端接结构焊缝，在该设备维修时，需要对环形端接焊缝进行切断加工，同时，为满足新零件的安装要求，还需对原焊缝坡口进行加工。由于该整体结构尺寸较大，必须在现场进行切割和坡口加工工作。通过调研，现有的内涨式管道坡口机、外卡式管道坡口机和法兰加工机等切割设备无法直接满足该核设备环形端接焊缝的加工要求，需设计专用的焊缝切割装置，实现环形端接焊缝的切割以及后续的坡口加工工作。

1 设计要求

（1）可实现环形端接焊缝的切断加工，切割的材料为镍基合金，切割直径约为Φ350 mm，切割深度约为30 mm。

（2）可实现环形端接焊缝的坡口加工，坡口形式为待钝边的V型坡口，钝边宽度约为3 mm，坡口角度约为20°。

（3）环型端接焊缝周围在约Ф450 mm的圆周上均匀布置了若干个可利用的法兰式安装螺纹孔。

（4）切割装置的运行稳定可靠，切割进刀方式为自动进刀。

2 设计方案和设计原理

2.1 总体思路

根据待切割焊缝和待加工坡口的结构形式，总体上确定采用车削原理设计切割装置。刀具绕焊缝中心做圆周旋转，实现焊缝切割。首先将环形端接焊缝切断，拆除更换的零件，然后进行坡口加工。

焊缝切割装置包括：动力源、传动部分、连接部分、刀架和刀具5个部分。采用电动机为动力源，配套设计传动头，在旋转的同时实现轴向机械走刀进给。传动头的输出轴处设计安装刀架，实现刀具的周向旋转和轴向进给。同时为了满足端面和V型坡口的加工需求，再设计两套刀架，将传动头输出的轴向进给转变为径向进给和沿指定角度进给。设计连接支撑，用于安装固定传动头，支座通过焊缝周围可利用的安装螺纹孔进行定位夹紧。

2.2 设计原理

环形端接焊缝切割装置总体分为5个部分：减速电机、传动头、支座、刀架、刀具。

传动头的设计需满足刀具的转速和扭矩要求，同时还能实现机械走刀进给。传动头采用主轴旋转，副轴减速、差速进给原理实现机械走刀。传动头可实现机械走刀的通与断、手动走刀以及进刀量显示。传动头应实现刀具切割扭矩增大时的自动断开，避免损坏切割系统。

支座的设计同时考虑与带切设备和切割装置的定位安装。

焊缝切割用刀架设计为平面卡盘结构，安装在传动头的输出轴上，刀具安装在平面卡盘上，传动头输出轴带动刀架和车刀的旋转和进给即可实现焊缝切割。焊缝端面加工用刀架需实现把输出轴的轴向进给转换为沿焊缝端面的径向进给。V型坡口加工用刀架需实现把传动头输出轴的轴向进给转换为沿坡口表面的轴向和径向同时进给。

刀具的设计考虑待切割焊缝和待加工表面的形状及材料性能，确定刀具切割焊缝所需的线转速和扭矩。为了方便实现坡口和沟槽异型表面的加工，考虑设计成型刀来满足加工要求。

3 结构说明和工作原理

该套装置主要分为5个部分：减速电机、传动头、支座、刀架和车刀。

（1）电机选型。

根据待切割材料的特点、拟定的切割线速度和切割厚度，计算切削力矩，在考虑一定的安全系数的基础上，进行电机的选型，确定的减速电机功率为1 500 W，输出转速为200 r/min，输出扭矩为70 N·m。减速电机以法兰连接的方式与传动头相连，电机的空心轴与蜗杆采用键连接。

（2）传动头结构说明。

传动头部分用作切割焊缝、加工端面、加工坡口工作的传动部分，将减速电机的旋转转换为周向旋转和轴向向进给。传动头内安装有主传动回路—— 用来旋转传动轴，以及辅助传动回路—— 用来使传动轴做轴向的机械移动和手动移动。

①主传动回路—— 从电机的转矩开始通过蜗杆传动蜗轮，通过套筒传递给传动轴，蜗轮与套筒以及套筒与传动轴之间采用键连接。蜗杆在轴承内旋转，并由止推轴承、端盖对其进行轴向限位。套筒在轴承内旋转，并由止推轴承、端盖对其进行轴向限位。在套筒上安装有齿轮，它将主传动回路的转矩传递给辅助传动回路。在套筒上安装了一个螺杆，并带有螺母，螺母安装并固定在传动轴的上端，用来使传动轴做轴向移动。螺杆的轴向移动由止推轴承、螺母和螺钉来进行限位。

②辅助传动回路—— 传动轴的机械走刀传动链由主轴齿轮传动给副轴齿轮，再传回主轴，通过销钉传给拨杆，拨杆通过与螺杆的键连接方式把转动传给螺杆，螺杆与传动轴之间有转速差，实现机械走刀。

③副轴保险离合器—— 离合器由外壳、螺钉、弹簧、钢珠组成，钢珠被弹簧压在轴的锥形凹槽内。当传动轴机械走刀回路里的转矩增大时，钢珠就会从锥形凹槽内滚出来，从而停止进刀。

④机械走刀离合器—— 转动手柄即可实现机械走刀的通与断。转动手柄时，凸轮会使法兰提升或下降，在法兰上安装3个销钉，接通时，3个销钉中的一个与拨杆的销啮合，断开时则脱开。

⑤传动轴手动进刀—— 通过卡锁和拨杆来实现。卡锁由罩、外壳、弹簧和销组成。按下并旋转卡锁，即可实现手动进刀和退刀。

（3）环形端接焊缝切割装置。

环形端接焊缝切割工序用到的切割装置包括传动头、支座部分、刀架、刀具。刀具安装在刀架上，刀架固定在传动头上，传动头通过支座部分固定在焊缝周围的安装螺纹孔上。传动头动刀架和刀具进行周向旋转和轴向进给，实现焊缝切割。

4 切割试验

4.1 切割试验方案

设计环形端接焊缝切割试件，采用环形端接焊缝切割装置，开展焊缝切割以及坡口加工试验。由于环形端接焊缝实际为价格较高的镍基合金材料，所以首先开展碳钢切削试验和不锈钢切削试验，验证环形端接焊缝切割装置的可行性，以及坡口加工后的形状，最后采用镍基合金材料进行切削试验，验证刀具等。

4.2 切割试件设计与准备

根据环形端接焊缝的实际结构，设计平板切割试件，试件厚度为40 mm，外径为Ф510 mm。分别采用碳钢和不锈钢材料加工了切割试件，同时制备了一件镍基合金材料的切割试件。

4.3 碳钢切削试验

4.3.1 试验过程

首先进行焊缝切割试验，采用焊缝切割装置在切割试件上切割外圆为Ф340 mm，宽度为8 mm，深度为30 mm的环形槽；第二步，采用机加工手段去除Ф340 mm环饼，便于后续坡口加工试验；第三步，进行端面加工试验，更换刀架和刀具，去除焊缝余高部分；最后，进行坡口加工试验，更换刀架和刀具，加工外径为Ф366.7 mm、角度为20°、深度为28 mm的坡口。

4.3.2 存在的问题

（1）加工后Ф340 mm尺寸偏大，实测值为Ф341.6 mm；

（2）加工到深度30 mm后无法实现手动退刀；

（3）坡口加工时，颤刀现象严重，表面粗糙度过大。

4.3.3 解决方法

（1）检查刀具尺寸，测量后发现刀具尺寸超差，重新加工刀具；

（2）在检查传动头差速进给部件后，发现铜合金材料的螺母严重磨损，采用强度更高的铜合金重新加工该零件，提高耐磨强度；

（3）调整坡口加工工艺，通过改变刀具角度减少吃刀量。

4.4 镍基合金切削试验

不锈钢切割试件的切削试验已经证明该套焊缝切割装置满足功能使用要求，但由于镍基合金可切削性能差，所以开展镍基合金切削试验的重点在于考验刀具的性能。

在镍基合金试件切削试验中多次出现刀具磨损严重以及崩刀现象。

4.4.1原因分析

刀具磨损严重以及崩刀现象可能由多个因素导致：刀具切削线速度、切削进刀量、刀具材料和刀具切削角度等。通过对比试验，首先排除了由于切削线速度和切削进刀量不合适而导致刀具磨损严重的情况。

在切割装置刀具设计过程中，为了保证刀具的强度，刀具前角设计的较小，并且取消了排削槽，切割试验发现，刀具切削性能较差，并且排削不畅。因此，刀具的材料和刀具的切削角度选用不当是导致刀具磨损严重的主要原因。

4.4.2 解决措施

选用不同牌号的硬质合金刀片加工刀具，开展了切削试验，最终确认选择硬质合金YG8材料加工刀具。同时，增大了刀具的切削前角α，由8°增大到10°，增加了半径为6 mm的排削槽，排削槽距离刀尖0.2 mm。

4.4.3 切割试验结果

采用焊缝切割装置在镍基合金切割试件上进行了切削试验，通过刀具材料的更改以及刀具排削槽的改进，找出了一种适合切削镍基合金材料的途径，结果表明：改进后的刀具满足镍基合金材料的切削要求，该套切割装置满足环形端接焊缝切割和坡口加工要求。

5 结语

研制的专用切割装置运行稳定，满足现场切割操作需求，实现了环形端接焊缝切割以及坡口加工的要求，焊缝切割和坡口加工的尺寸精度和形位公差满足技术指标要求。

参考文献

[1] 闻邦椿.机械设计手册[M].机械工业出版社，2010.

[2] 郭仁生.机械设计基础[M].清华大学出版社，2006.

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