CN1626306A - 一种自动堆焊方法及其设备 - Google Patents

Abstract

本发明是一种挤出机、注塑机螺杆修复自动堆焊技术及设备。主要部件由一台和车床座相似的装置构成，一个车头箱和尾座，各有一根顶针，用来顶住待修复的螺杆，车头箱内部为齿轮变速箱，由步进电机驱动，车头厢外侧有一排齿，车头箱和尾座之间有导杆和丝杆，导杆是用来固定堆焊设备和电加热圈，堆焊设备和加热和装置和丝杆相联，能随丝杆而动，其动作可用挂齿调节，堆焊设备和氩弧焊机及氩气瓶相接，待修复螺杆转动，运送焊枪，加热，保温，焊条送进，焊条连接，焊缝深度和宽度控制，全部由PLC设置的参数自动完成。是一种高质量、高效率、省时省料的全自动螺杆修复技术和装置。

Description

一种自动堆焊方法及其设备

技术领域

本发明属于一种自动焊接方法及其设备，具体涉及地说是一种用于硬质合金在修复螺杆磨损表面自动堆焊的方法和机构。

背景技术

塑料由于性能优越深受世人喜爱，所以它的发展速度极快，就我国而言预计2005年全国塑料消耗总量高达2500万吨，以后每年以8-10％的速度递增。要把合成树脂转变成实用的塑料制品，埔必须经过塑化成型过程，而塑化成型的方法虽然很多，但其中85％以上的合成树脂是靠挤出机和注塑机塑化成型的，可见挤出机和注塑机用量之多。在上述二种加工设备中，最易损坏的部件为螺杆，究其原因有三：1、挤出机或注塑机在开车时，由于料筒内没有树脂，螺杆外径在转动时和螺筒相摩擦所致；2、塑料增强改性时矿物填料，特别是玻纤对螺杆磨损严重；3、PVC中有氯化氨产生，加工阻燃塑料时有氧化氢产生，这些物质对螺杆也有腐蚀作用。

众所周知，螺杆在挤出机和注塑机中是最重要的部件，合成树脂的塑化依靠螺杆，物料推进依靠螺杆，一般情况下挤出机和注塑机的生产能力是由螺杆直径、螺纹深度、螺纹外径和螺筒的间隙来决定的。螺杆在输送物料时产生的三个方向的力，即使物料向前形成正流，由于挤出机头“花”或注塑机口摸板反作用，使物料向后产生逆流，由于螺纹外径和螺筒存在着间隙，便产生漏流。一旦螺杆螺纹的外径磨损，外径和料筒的间隙增大，到一定程度后，便不能继续肩负塑化和输送物料的任务，这时只能将螺杆报废，而重新加工一根螺杆，其成本可想而知，少则几千，多则几十万元。

为了降低螺杆再生成本，目前大致有二种，一种是采用“罗纹块”，即将螺杆分成几段，然后用反螺纹组装，发现其中一段磨损后，把新的一段组装上去，以求得再生。，这种方法成本较高；另一种办法是对螺杆表面进行修补，由于修补时使用的焊条为合金焊条硬度很高，不可能卷曲，只好切成段，这样就无法进行自动焊接，只能用手工焊接，结果存在不少缺陷：

一、由于手工操作，堆敷上去的硬质合金非常不平整，加工余量大，下道工序工作增加，浪费1公斤硬质合金焊条，价值达400-500元。

二、由于堆焊硬质合金前需要准确的预热和缓冷，而手工操作不能正确控制预热和缓冷的温度，而影响堆焊层的硬度和耐磨性。

三、市购的硬质合金焊条仍存在合金成份的缺陷。

四、手工操作难以保证被焊工作在单位长度上能量输入的均匀性，易产生裂纹、气孔等敏感性问题，致密性也差。

五、手工操作劳动强度大，效率低，对操作者技能要求高，对操作者的健康也有不利影响。

综上所述，提供一种挤出机、注塑机螺杆修复自动堆焊技术和设备非常必要，而且有很大的经济效益。

发明内容

本发明的目的在于将用于挤出机、注塑机螺杆修复的硬质合金堆焊由手工操作变为自动操作，以克服手工操作无法避免的缺陷，使硬质合金堆焊均匀平整，加工工艺参数衡定，达到降低劳动强度，提高工作效率，改善劳动环境之目的。

本发明的目的是由以下技术方案来实现的：

自动堆焊装置由下面几个部件所组成：(如图1所示)

一、螺杆支撑和转动部件，这部分用一台和车床基座相似的装置。装置的一端有一个车头箱2，内有齿轮箱，齿轮箱由电动机17驱动，车头箱的背面外挂挂齿1和由夹头10夹住的顶针16，该顶针旋转时为被动状态，基座中车头箱2和尾座11之间有导杆8和动力丝杆9。当电动机17启动后装在二个顶针16之间的待修复螺杆便会转动，其转动状态由挂齿来调节，电动机17启动后同时带动动力丝杆9转动。

二、堆焊和加热部分，这一部分固定在基座间的导轨8上面，并和动力丝杆9相关联，只要动力丝杆9转动，固定在导轨8上面的堆焊设备和加热卷便会与丝杆9同步移动，加热卷实际是一种由电热丝绕成的加热装置。

堆焊的焊枪4和硬质合金自动连接装置都固定在挂板5上面。堆焊用的焊枪是与氩弧焊机13相接，有氩气瓶12供应氩气。硬质合金自动连接装置由焊条夹盒14、雌推力器、氩气室、焊枪、信号控制器、氩弧焊机组成。三、控制部分，本发明采用PLC自动程序控制。用电脑预先编好的PLC程序箱15，控制硬质合金焊条的送入，控制焊枪与堆焊条同步摇摆，控制主轴的转速，控制预热、保温加热的温度，以及硬质合金焊条的对接动作等。四、修复螺杆在堆焊开始前的预处理：一方面在螺杆需要堆焊修复部分涂上合金粉末和水玻璃的糊状混合物，然后用预热器预热烘干，并预热到300℃，螺杆才开始转动，并引燃电弧堆焊。

本发明所述的挤出机、注塑机螺杆修复自动堆焊的工艺过程

第一步：先将堆焊加工的注塑机、挤出机螺杆7表面堆焊的部分涂上自行研制的合金粉末与水玻璃的混合液，然后由夹头10上的顶针16将注塑机螺杆7前后顶住，并穿过预热器3和保温器6。

第二步：预热器3开始预热注塑机、挤出机螺杆7，当温度测试仪测到螺杆温度为300℃时，PLC程序控制器接到信号，立即启动砑弧焊机13，打开冷却水，接通氩气瓶12，把氩气送出，电动机17开始转动，使顶针16带动注塑机、挤出机螺杆7按一定的角度开始旋转。同时焊枪4起弧，焊条盒14中的硬质合金焊条也已送到电弧之下，并开始熔入到熔池中去。

另外由于挂齿的作用，使注塑机、挤出机螺杆7每旋转一周，焊枪4、预热器3、保温器6都直线行走注塑机、挤出机7上的一个螺距的长度。如果注塑机、挤出机螺杆的螺距不同，则可以调换挂齿1来协调。

焊好的部分由跟进的保温器6进行保温一段时间

在堆焊过程中挂板5可以摆动，以满足焊道要加宽的需要。

第三步：当一根堆焊焊条将用完前，即尾部到达一个特定位置时，会发出信号，焊条盒14接到信号后，立即将第二根堆焊焊条送出，并顶住前一根焊条的尾部，同时发出信号启动另外一台氩弧焊机13，使产生一短时间的电弧。并加上一定压力，使前后两根堆焊焊条焊成一根堆焊焊条。这样周而复始，一直可以连续不断地进行堆焊。

附图说明

图1为本发明设备的机构简图

图2主机示意图

图3送丝摆动机构示意图

其中：1挂齿；101主轴箱，3预热器，4焊枪，5挂板，6保温器，7螺杆(被加工件)，8导杆，10夹头，12氩气瓶，13氩弧焊机，14焊条夹盒，15控制箱，16顶针，17电动机，102底座，106尾座，105卡盘，103光杆，104动力丝杆，200送丝摆动机构，108摆动机构，109送丝机，110调节支撑机构，111焊条联结机构。

实施例

本发明各重要组成部分的详细内容描述如下

参照如图1和图2所示：

主机部分的任务主要是完成对注塑机螺杆的夹持，对中转动。运送焊枪，加热和保温加热器的功能，如图2中可见，它由主轴箱101、尾座106、卡盘105、光杆103、动力丝杆104与底座102组成。

主轴箱的作用是主功力的来源，它可以调节速度，调节速度又分粗调和细调，粗调是通过二套齿轮组，蜗轮及一套变速齿轮组成。它的驱动电机是400瓦的支流伺服电机。主轴最高转速可达33转/分钟，支流伺服电机是通过场效应管组成的逆变式调速器调速，可使主轴从0-33转/分钟连续平稳地调速，主轴箱的主轴上装有卡盘。

动力丝杆104是通过主轴箱上的大外齿带动小外齿，小外齿带动联轴，联轴与动力丝杆由键相联。而大外齿与主轴箱上的主轴相联。所以主轴的转速通过大小外齿的速变，具有一定的对应的转速关系。而大小外齿可以通过调换而改变，动力丝杆的转速，可以使动力丝杆上的横向线速度与被堆焊的螺杆在横向上的线速度保持一致。被堆焊的螺杆的螺距与动力丝杆的螺距之比等于小外齿与大外齿数之比。即：

              其中

                  L₁——表示动力丝杆的螺距(mm)

                  L₂——表示被堆焊的螺杆的螺距(mm)

                  Z₁——表示小外齿的齿数

                  Z₂——表示大外齿的齿数

动力丝杆可以带动送丝机构，预热器、保温器同步行走。

底座的长度为2.6M、目前在2M以下的注塑机螺杆都可以在此专用机上进行自动堆焊加工。

尾箱的中心轴必须与主轴箱中的主轴同心。

光导杆是起到导向作用、保持运行的精度，同时增加刚度的部件。本发明所述的送丝摆动装置如图3所示：

送丝摆动部分的主要任务是将已选好的堆焊焊条，按一定的速度送出；使焊枪与光焊条按一定的角度在规定幅度内摆动；并完成两根光焊条的联结。(图3)是它的间图，从图中可见它是由送丝机、摆动机构、焊条联接机构、调节支撑及平板组成。

送丝摆动机构200的组成为平板(挂板)5，摆动机构108，送丝机109，调节支撑机构110，焊条联结机构111所组成。

送丝机109的重要功能是按堆焊的工艺要求进行送丝。它可以调节送丝速度，送丝方向，蜗轮，联轴器等组成。步进电机的转速，停止，正反转均由PLC(可编程序控制器)预先设置，在使用过程中随机设置。在堆焊光焊条的合适送丝速度上下相当一个宽的范围都可以通过PLC进行调节，这给堆焊加工过程提供了极大的方便。

摆动机构200的功能是使焊枪与焊条按需要左右摆动，使堆焊的焊缝宽度和注塑机螺杆上的螺纹宽度一致。它是由步进电机，联轴器与联杆所组成。步进电机通过特殊的联轴器和联杆由转动变为前后平移，再由前后平移使大平板上安装的焊枪和送丝机构一齐摆动，摆动的弧长可以好似联杆平移长度的一倍，而摆动的幅度也是由步进电机通过PLC事先设置好的。

焊条联接机构111的功能是将两根硬质合金堆焊光焊条连接起来，以保持硬质合金自动堆焊能连续平稳地进行。它是由焊条储装盒、信号传感器、磁推力器及夹紧焊条装置所组成。除此之外，它还必须外接一台TIG焊机，该机构的工作过程是这样的：首先当一根硬质合金的堆焊光焊条即将熔化完的时候，也就是剩下一小段未熔化时，信号传感器及时发出信号，此信号将使磁推力器第一次将一根新的硬质合金光焊条推至前面未熔化完的光焊条的尾部，直至碰到后停止推动。与此同时二个夹紧焊条装置分别将未熔化完的光焊条和后送上的光焊条紧紧夹住，并输入高频脉冲引弧信号。此时由于后送上的光焊条已停止送进，所以在前后两根光焊条间拉开一条间隙，此间隙可以帮助高频引弧，把电弧在两根光焊的尾部与头部间引燃。引燃的电弧工作1-2秒后，即发出信号，使磁推力器第二次将新光焊条推撞上未熔化完的光焊条尾部，使处在熔化状态下的两根光焊条连接在一起，同时由于焊接电弧短路而发出电路的切断信号，使二个夹紧光焊条装置松开，整个过程在2秒内完成。而整个过程的进行不影响硬质合金的堆焊，堆焊中的任何一个过程不需停顿。

另外，要说明的是二个夹紧光焊条装置的功能可以夹紧光焊条而又是一把特殊的焊枪，传统的TIG焊枪中的钨极由堆焊的硬质合金光焊条来替代。本发明所述的调节支撑机构为：

调节支撑机构110可以调节焊条送入到螺杆上的夹角与高度，在设备安装时增加方便。

加热即指注塑机螺杆在堆焊前必须进行预热，由于螺杆的材料大部分是中碳调质钢。焊前必须通过预热可以降低对冷裂纹的敏感性，但是预热温度必须较准确地把握。在堆焊自动专用机上的设置有预热器30，它的功率达到3千瓦，并具有自动控制功能。功率设计如此大的原因是希望在焊前的预热时间减少。并使堆焊过程中预热速度与堆焊速度同步。同时一旦预热过高，又有控制反馈系统，使预热温度在一个合适的温度区域内波动。

保温器6的结构与预热器3一样，但保温器可以接长，根据堆焊后需要保温时间的长短而增加或减少保温器的长度。

预热器3与保温器6都由动力丝杆4拖动，它们与焊枪同步运行。本发明中电气控制特点是：

本发明采用的是TIG自动堆焊，但由于TIG堆焊控制参数多，不仅一般TIG焊接所要求的电气控制如电弧电流、电压、冷却水、保护气体等外，要考虑堆焊材料即硬质合金光焊条的自动连接、送进和焊枪机构的摆动以及螺杆堆焊前后的热处理条件的控制等，要控制的参数较多，抗干扰要求高。控制方案制定

就堆焊本身来说，人工原本完全可以操作。如上所述，由于需要控制的工艺参数多，人工堆焊质量难免不高，工作效率低。如果采用自动控制技术，则可排除认为因素。适合堆焊自动控制有两种形式，继电器程序和PLC程序，继电器程序编程简单，价格便宜，但灵活性不高，可靠性出差，一般用于简单化控制场合。在提高堆焊效率和质量的前提下，本课题使用工业控制上常用的PLC程序自动控制技术，用预先编好PLC程序段来代替操作工进行螺杆表面的TIG堆焊，实现螺杆堆焊过程的自动化。

PLC作为专业工业生产过程控制的计算机与通常的微机相比，在设计上有了许多明显的特征：可靠性高，适应性好；体积小；操作方便，编程直观简单，除了基本的指令表编程方式外，还可以采用梯形图编程方式，流程进行须控制设计的SFC(顺序功能图)方式；功能完备，结构模块化，高速处理传输数据；备有封袋化的方便指令，简化操作；链接简便，接口功能强。PLC是当今机电科技进步和生产发展的产物。结合课题螺杆表面堆焊工艺要求，选用PLC作为控制核心比较合适。课题选用了日本三菱公司生产的FX_1N-60MTPLC。日本三菱FX系列可编程控制器，为一种运用PLC语言控制的可编程控制器。它提供了大量实用的软元件，支持多种编程指令，以及其梯形图编程方法，为编程人员提供了一个相当高的工作平台。

例如，加工直径为80mm的螺杆堆焊工艺规范参数如下：

1.焊接电流；  90～120(A)

2.焊接电压；  10～15(V)

3.螺杆转速；  2.5～3(转/分)

4.送丝速度；  150～200(mm/分)

5.保护气流量；10～15(升/分)

6.预热温度；  280～320(度)

7.保温温度；  200～250(度)

8.保温时间；  30～50(分)

本发明的优点在于：

优点之一：是原来手工操作变成全自动操作。效率、成本、操作人员的健康得到根本改变。

优点之二：硬质合金焊条能自动连接，连续均匀地送入到熔池中去。

优点之三：自动堆焊比手工堆焊的螺杆表面平整规则，切削余量可大大减少，并且价格昂贵的堆焊焊条可节约约25-40％。

优点之四：由于预热保温加热器自动控制，温度保持十分精确，使手工操作时常出现的气孔裂纹基本消除。

优点之五：改进后的堆焊焊条使堆焊后的螺杆的硬度、耐磨性更趋合理。

Claims (7)

1、一种自动焊接设备，尤其是挤出机、注塑机螺杆修复用硬质合金自动堆焊机构，其特征在于：

1)主机部分有一个车头箱2和尾座11，它们同固定在一个基座上，车头箱内有齿轮变速器，齿轮由电动机17驱动，车头箱外侧有一个挂齿1，车头箱和尾座各有一个顶针16，以用来托住待修复的螺杆7，车头箱和尾座间有导轨8和动力杆9；

2)自动焊接枪4固定在挂板上面，硬质合金焊条夹盒14和相关的硬质合金送进和自动连接机构也固定在挂板5上面，只是用同一块绝缘板将两者隔开；

3)挂板5和预热器3，保温器6，都坐落在导轨上，并和动力杆9相联，动力杆转动时导轨8上的挂板5和预热器3，保温器6会同步移动，然固定在挂板5上面的自动堆焊机构也随之移动；

4)硬质合金焊枪和硬质合金焊条自动连接焊枪和氩弧焊机13及氩气瓶12相连接。

5)上面所述的待修复螺杆运动、丝杆变速、焊枪自动堆焊和摆动，硬质合金条的自动连接和送进，全部由事先设定好的PLC参数来自动控制。

2、如权利要求1所述的自动堆焊设备，其特征在于自动控制采用PLC可编程序控制器，可编程序控制器PLC对TIG堆焊过程中的送气、送水、预热、后加热保温、焊接引弧、螺杆转动、焊枪摆动、焊接的电流电压、对动力丝杆送丝速度等环节进行全方位自动控制，其控制程序的参数是由平时试验所积累。

3、如权利要求1所述的自动堆焊设备，其特征在于车头箱内的齿轮组合可以调节速度，可粗调也可细调，粗调是通过二套齿轮组、窝轮及一套变速齿轮组成。它们由400瓦的直流伺服电机驱动，主轴最高转速可达33转/分，支流伺服电机是通过场效应管组成的逆速式调速器调速，可使主轴从0-33转/分连续平滑地调整待焊螺杆的转速。

4、如权利要求3所述的自动堆焊设备，其特征在于动力丝杆9是通过主轴上的大外齿带动小外齿，小外齿带动与动力丝杆用键相联的联轴，而大外齿与主轴箱上的主轴相联，主轴转速与大小外齿的比速有一定的对应的转速关系，调整大小外齿可以改变动力丝杆似的横向线速度与被堆焊的螺杆在横向上的线速度保持一致，被堆焊的螺杆7的螺距与动力丝杆的螺距之比等于小齿轮数与大齿轮数之比。

5、如权利要求1或2所述的自动堆焊设备，其特征在于摆动机构使焊枪和焊条按需要左右摆动，使堆焊焊缝宽度和螺杆7上螺纹宽度一致，它由进步电机、连轴与连杆组成。进步电机通过一个联轴器和联杆，变转动为前后移动，并带动挂板5上的焊枪4和送硬质合金焊条的机构一起摆动，摆动弧长可达联杆平移长度的一倍，具体摆动幅度、速度由设定好的PLC指令进步电机来实现。

6、如权利要求1或2其所述的自动堆焊设备，其特征在于焊条自动联接器和送进机构它是由焊条储装盒、信号传感器、雌推力器、氩气室、外接TIG焊机及夹紧焊条装置所组成。当第一根焊条熔化至余下一小段时，传感器会发出信号，使磁推力器起动，将夹盒内的硬质合金焊条推出，至前面未熔化完的焊条尾部为止，此时夹紧装置把二根焊条夹住，并送入高频脉冲引弧信号，此时后送上的焊条停止送进，使前后两根焊条尖、间拉开一条间隙，引弧便在此处引燃，时间1-2秒，又发出信号，磁推力器再次起动，把第二根焊条推上去，使处在熔化状态下二根焊条的首尾平整连接在一起，由于焊接电弧短路，发出电路切断信号，使两个夹紧装置松开焊条继续送进，如此往复进行硬质合金焊条连接与送进，保证堆焊不停顿的连续进行。

7、一种如权利要求1所述的自动堆焊方法，其特征在于工作过程为：

第一步，先对待修复的螺杆7的表面涂上一层合金粉末与水玻璃(硅酸钠)的糊状混合物，穿过机座上的预热器3和保温器6，然后由尾座夹头10调整顶针16，并由车头箱和尾座顶针16将待修螺杆7两端顶紧以便转动；

第二步，预热器3开始加热，将螺杆7表面的混合物烘干，当温度测试仪测得螺杆7温度达300℃时，PLC程序控制器接到信号，立即启动氩弧焊机13，打开冷却水，接通氩气瓶12送氩气。此时，电动机17启动，带动顶针16上的螺杆7按设定的角度旋转，同时焊枪4起弧，焊条夹盒14送出硬质合金焊条并到达电弧之下，开始熔化入堆焊熔池中；

通过挂齿1的调节，螺杆7每旋转一周，焊枪4，预热器3，保温器6在动力丝杆作用下，都在螺杆7上行走一个螺距的长度，如果待修螺杆7的螺距不同，可调换挂齿1来协调；

堆焊过程中，挂板5可以摆动，以满足堆焊层的宽度需要，堆焊完成部分由跟进的保温器6保温一段时间；

第三步，当第一根硬质合金焊条用完前，到达稳定位置时，会发出信号，焊条夹盒14上的磁推力器便送出第二根焊条，至顶住第一根的尾部，同时发出又一信号启动氩焊机13接通氩气，使产生短时(1-2秒)的电弧，将硬质合金焊条的尾部与第二根首部之间熔化，磁推力器再次启动把第二条焊条顶上，使二者在熔融状态下实现首尾连接，继续向焊条4送进，周而复始实现硬质合金焊条自动连续送进。

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