专利名称：微脉冲旋转熔化极的气体保护焊模具修补机及其使用方法
技术领域：
本发明涉及一种针对已经热处理的精密机械另件的表面缺陷进行修补的维修设备及其使用方法，确切地说，涉及一种微脉冲旋转熔化极的惰性气体保护焊的模具修补机及其操作使用方法，属于用融熔的金属复层材料进行电弧堆焊的设备及其操作使用方法技术领域。
金属工模具，作为一种已经热处理的精密机械零件，通常要求其表面有很高的硬度和粗糙度，对几何形状、尺寸的精度要求也很高，而且成品模具的工作表面有针眼大小的缺陷也是绝不允许的。但在生产、使用过程中，不可避免地会出现因自然磨损或其他原因而造成的各种各样面积小而浅的表面缺陷，这种缺陷如不能很好解决之就会使造价昂贵的模具报废，经济损失相当可观。
目前通常采用堆焊进行工模具的表面修补，现在的堆焊技术主要问题是对模具局部修补要输入很大热量，造成热应力大，容易产生裂纹，或者造成堆焊后的工件整体有退火现象，使之硬度下降，缩短使用寿命。此外，现在对模具类精密机械零件的表面缺陷在修补后通常还要再经磨床磨削加工和重新热处理，以恢复其原有尺寸、形状、表面的精度和硬度，才能重新使用。整个修补工艺非常费工费时，经济效益很低。
本发明的目的是提供一种对精密机械零件表面缺陷进行修补的新型设备—微脉冲旋转熔化极的惰性气体保护焊模具修补机，该装置可直接用于修补工模具的表面局部缺陷，且一般不需磨削和热处理等后续工艺，提高工效，缩短加工时间，经济效益好。
本发明的另一种目的是提供一种上述新型设备的使用方法，也就是微脉冲旋转熔化极的惰性气体保护焊模具修补机的操作使用方法。
本发明的设备是这样实现的包括有电源装置、供气装置和旋转电极式焊枪，其中供气装置是由惰性气体钢瓶、一次压仪表、调压阀、二次压仪表、流量计和输气管路所组成；其特征在于其中电源装置为矩形箱体，机壳内的控制电路是由调压装置、整流滤波电路、充电输入控制电路、储能升压电路、放电输出控制电路、脉冲输出电路以及分别用于控制充电输入、放电输出的触发脉冲的工作频率设置及逻辑控制电路所组成；旋转电极式焊枪则由枪式外壳以及安装在壳体内的调速电机、惰性气体的气室、小型卡盘和夹在卡盘中间的可熔性电极以及位于外壳上的脉冲电源正极输入接点、惰性气体输入塞孔和电机启动开关所组成。
其中储能升压电路的电容可以是三个，其容量分别为33μF、60μF及100μF。
其中工作频率设置电路由时基电路构成，其工作频率范围为10-1000HZ。
其中旋转电极式焊枪前端非金属材料的气室壳壁通过螺纹与焊枪外壳连接，该壳壁中央通孔的直径应大于可熔性电极的直径；焊枪外壳上的脉冲电源正极输入接点经弹簧、碳刷、导电环、卡盘与可熔性电极构成电气通路，使可熔性电极与电源装置输出的脉冲电压正极相连通。
其中电源装置还设有旋转电极式焊枪的调速电机的转速调整控制电路。
本发明的设备使用方法是这样的一、首先正确连接气路、电路并认真检查之，其中电路装置的输出电压接线柱正极与焊枪相连接，其负极与待修补工件相连接，焊枪与电源装置也由电缆插头与插座相连接；各处接线连接牢靠，管道、螺钉拧紧到位；二、接着进行待修补工件的表面处理用锉刀、钢刷或砂布将待修补部位的毛刺、凸点、氧化层、疲劳层打磨干净，再用汽油、清洗剂及丙酮擦洗清除油污，露出表面新鲜金属面；三、按待修补工件的技术要求选择可熔化电极(补材)的材料，按待修件表面形状准备相应直径的电极(补材)，对选定的电极(补材)也进行表面处理去除锈斑及清除表面油污；开将清洗干净的可熔性电极夹固在焊枪夹盘内，其伸出部分不可过长或过短；四、进行堆焊修补操作(1)打开电源开关，并选择合适的储能电容量；此时电源指示灯亮，电压表等各部分显示正常；(2)选择工作频率；顺时针转动频率旋钮，并从数字频率计上读数，常用工作频率在100～280HZ之间；(3)调节惰性气体流量；先打开惰性气体钢瓶，可从一次压仪表显示出钢瓶气压，再调节二次压仪表开关，由二次压仪表指示其输出气压值应在0.15-0.2Mpa之间；(4)调节输出电压；顺时针转动电压调节钮，使输出电压在35～40V之间；(5)调节焊枪电极转速，根据工件和电极的不同材料调节其转速(6)在工件施焊表面放置用非金属材料制成的集气罩，该集气罩中间设有与工件表面缺陷大小相当孔洞；(7)进行堆焊修补操作先打开气体流量阀，使惰性气体流量在0.4～0.6m3/小时之间，将旋转着的电极以与工件倾角为15～45°的方式靠近工件待修补部位，使之与工件处于似接触非接触状态，通过电弧放电，将电极材料熔融并过渡沉积到待修补表面，进行逐层堆焊；每修补堆焊一层都应及时检查和用钢刷平锉清理平整，然后继续堆焊，如此反复进行，直到将缺陷部补好，并应适当留有加工余量；(8)施焊操作完成，顺序关机先关惰性气体流量阀，再将电压钮逆时针退到底，待放电完毕，再关电源开关，最后关闭惰性气体钢瓶总阀。
上述使用方法中的对待修补工件的表面处理主要适用于碳钢、合金钢及铝合金类材料；对于铸铁类待修补工件应在待修表面清洗后，再进行电净、活化或烘烤处理，以清除渗入到铸件内的油污及表面上的碳黑，保证修补层与基体的结合强度。
该设备用于金属陶瓷材料的涂层强化时，不需惰性气体保护。
该设备使用可熔性电极作为施焊电极，可采用镍基或钴基合金丝状焊条，在用作沉积强化工艺时，可使用碳化钨WC、碳化钛TiC金属陶瓷电极丝状材料，其直径大小应在1.2～2.5毫米之间。
上述集气罩是用1～2毫米厚的非金属板材制成，其中间开设有与待修表面缺陷大小相当的孔洞。
本发明是一种针对已经热处理的精密机械零件的表面缺损进行修补而研制的维修设备，该装置由电源部分、惰性气体供气部分和可调速旋转电极式焊枪所组成。本发明利用其电源装置提供的中低频脉冲电流在旋转着的可熔化电极和工件之间产生的电弧以及该旋转电极与工件瞬间接触时的电火花共同供给施焊过程中所需要的热源，将可熔性电极的下表层熔融，连续不断地堆焊到工件表面形成冶金结合的接头而进行修补加工。本发明作为一种电弧堆焊设备，在施焊过程中配有惰性气体保护(简称MIG)，再辅以集气罩，可有效防止焊区金属氧化和火花飞溅；而且，与利用恒定的直流进行普通MIG弧焊法不同，其工作的电流是一种占空比非常小(约1/15-1/50)的微脉冲电压序列，使得输出端的工作电流呈断续状态，即在每个脉冲期间都存在“引弧、燃弧、熄弧”三个过程，从而使工件基材在每次受热后有足够的冷却时间，也即平均焊接能量相当低，对工件基体的热输入量很少，使受焊工件基本不产生热变形，所以修补后，工件毋需再进行热处理，可以简单、快速、经济地修复工件。
本发明设备的使用方法比较简单，容易操作，且与普通脉冲电弧焊操作工艺相近，便于掌握应用。
本发明可用于修补成型模具、热锻压模具、压铸模具、冷作模具和各种塑料模具以及某些刀具、工具、用具等，对上述器具的小面积均匀磨损、剥落损伤、棱角崩损、划沟、冶金缺陷等都可用本发明进行修补。该装置还可兼作脉冲电火花表面强化设备，可将金属陶瓷材料均匀沉积到机械零件的表面，强化工件表面，对于处在磨损、高温和腐蚀状态下工作的机器零部件、锻模、铸模和工具，在表面沉积一层金属陶瓷，可延长其使用寿命。本发明采用旋转电极的强化涂层均匀性及涂层速度均优于传统设备。总之，本发明作为电弧堆焊设备，结构简单，操作方便；其可消耗性电极为旋转式，沉积效率高；采用氩气保护，涂层质量好，其修补层与母材结合牢固；且采用微脉冲电流引弧，对母材基本不产生热变形，不需热处理的后续加工，是一项颇具推广应用前景的精密零件表面缺陷的维修设备。
下面结合附图，具体介绍本发明的设备结构组成及其使用方法。
图1是本发明的电源装置操作面板的示意图。
图2是本发明的电源装置电路原理方框图。
图3是本发明的电源装置电路线路图。
图4是本发明的电源装置主控电路主要波形示意图。
图5是本发明供气装置连接示意图。
图6是本发明旋转电极式焊枪的结构示意图。
参见图1-图5，本发明包括有电源装置1、供气装置4和旋转电极式焊枪5，其中供气装置4是由顺序串接的惰性气体钢瓶41、一次压仪表42、调压阀43、二次压仪表44、流量计45和输气管路46所组成，其中电源装置1为矩形箱体，机壳10内的控制电路是由调压装置、整流滤波电路、充电输入控制电路、储能升压电路、放电输出控制电路、脉冲输出电路以及分别用于控制充电输入、放电输出的触发脉冲的工作频率设置及逻辑控制电路所组成(参见图2)；电源装置里还设有旋转电极式焊枪5的调速电机52的转速调整控制电路。
参见图3，本发明控制电路中的自耦变压器T1为调压装置用于控制输出能量大小。整流桥BD和C1为整流滤波电路。可控硅晶闸管SCR1是为电容C2充电储能进行输入控制。电感L1、电容C2、C1构成谐振式储能升压电路，该电路节能效果好，储能升压电路的电容C2设有3个，其容量分别为33μF、60μF及100μF，可视修补工艺要求而分别选用之。其中L1、C1构成振荡电路，具有自动关断SCR1的作用。SCR2为电容C2放电输出控制电路，与SCR1同样，皆由主控电路频率输出的逻辑控制电路来控制其工作。本发明应该在输入控制脉冲触发SCR1的a极，完成升压储能及SCR1自行关断后，在允许的间隔时间(大于20倍充电时间)之后，逻辑控制电路才开启放电控制脉冲而触发SCR2的b极，从而完成输出一个脉冲电流用于引弧焊接。变压器T2及二极管D1、D2、D3构成脉冲输出回路，主控电路采用555时基电路构成可调式频率发生器，用D触发器(型号为4013)构成频率整形电路，再经微分电路、放大电路、隔离输出电路而分别接至SCR1和SCR2的a、b极。其中整形电路的输出Q、Q的相位差为180°，可保证SCR1和SCR2不会同时导通。微分电路的作用是用整形电路输出脉冲的上升沿作为触发SCR1和SCR2的信号。
主控电路上的各电路波形参见图4所示。从图4可知，本发明的电极工作脉冲是占空比相当小(约1/15-1/50)的微脉冲序列。
图1所示的操作面板上安设有电压表11、可熔化电极转速表12、数字频率表13、流量表14、接焊枪的插座15、氩气出气孔16、输出电压接线柱17、储能电容调节柱18、频率调节钮19、电极转速调节钮20、电压调节钮21、电源开关22和电源指示灯23。机壳10后板还安设有氩气进气口、保险丝及电源插座等。
本发明的操作使用方法是首先正确连接气路、电路，并认真检查之；参见图5，先将惰性气体(氩气)依序从钢瓶41经一次压仪表42、调压阀43、二次压仪表44、流量计45和输气管路46接到旋转电极式焊枪5的气路进气口57。其中(参见图6)，本发明的旋转电极式焊枪5是由枪式外壳51、安装在壳体51内的调速电机52、惰性气体气室53、小型卡盘54和夹在卡盘54中间的可熔性电极55，以及位于外壳51上的脉冲电源正极输入接线柱56、惰性气体输入进孔57和电机启动开关58所组成。图中59是非金属材料制成的枪体气室壳壁、60是碳刷与弹簧，61是导电环。其中焊枪5前端非金属材料的气室壳壁59通过螺纹与焊枪外壳51相连接，该壳壁59中央通孔的直径要略大于可熔性电极55的直径，从输入塞孔57进入气室53的惰性气体就从两者之间的间隙喷出而形成焊接时的气体保护。
气路连接好后，还需连接好电路。即将电源装置1上的电源输入线接220伏工频电源，机壳10接地，机壳10右侧三芯插座15是与旋转电极式焊枪5的连接座，电源装置1上的输出脉冲电压接线柱17的正极(+)与焊枪外壳59上的脉冲电源正极输入接点56相连接，再经弹簧和碳刷60、导电环61、卡盘54与可熔性电极55相连通，使可熔性电极55与电源装置1输出的脉冲电压正极相连通。而电源装置的输出电压接线柱17的负极(-)与待焊工件相连接。各处接线应连接可靠，管道、螺钉应拧紧到位。
然后进行待修补工件的表面处理，用锉刀、钢刷或砂布将待修补部位的毛刺、凸点、氧化层及疲劳层打磨去除干净，再用汽油、清洗剂、及丙酮擦洗清除油污，露出表面新鲜金属面。
上述这种表面处理方法主要适用于碳钢、合金钢及铝合金类待修补另件，对于铸铁类待修补工件则应在待修补表面清洗后，再进行电净、活化或烘烤处理，以清除渗入到铸件内的油污及表面上的碳黑，保证修补层与基体结合强度。之后，按待修补工件的技术要求，选择不同的可熔化电极作为补材并按待修件表面形状准备相应直径的电极，对选定的电极补材也要进行表面处理，去除锈斑和清除油污。
本发明用可熔化性电极进行修补时，可采用镍基和钴基合金丝状焊条，在用作沉积强化工艺时，则可使用碳化钨WC、碳化钛TiC金属陶瓷电极丝状焊条，这些焊条的直径应视所补缺陷大小而定，通常在1.2～2.5毫米之间。这时就可以进行修补操作了，首先打开电源开关并选择合适的电容储能；此时电源指示灯亮，各部分仪表应显示正常。选择工作频率，使数字频率计读数在100～280HZ之间，分别调节惰性气体流量、输出电压和焊枪电极转速，使氩气二次压为0.15-0.2Mpa，流量在0.4～0.6M3/H之间，输出电压则应在35～40伏之间。修补时，可在工件的施焊表面放置一个用1～2毫米厚的非金属板材制成的集气罩，该集气罩中间设有与工件表面缺陷大小相当的孔洞，焊接在该孔中进行。该集气罩既可以增加惰性气体的保护作用，还可以减少焊接时对工件其他非加工表面的金属飞溅污染和便于焊接操作。
焊接时，应先打开氩气流量阀，将旋转着的电极以与工件成15～45°倾斜角度方式靠近待修补部位，使之与工件处于似接触非接触状态通过电弧放电，将电极材料熔融沉积到待修补表面进行逐层堆焊；每修补堆焊一层，应及时检查和用钢刷或平锉清理平整后继续堆焊，如此反复进行，直至将缺陷部位补好，并应适当留有钳工或机加工的加工余量。
焊补操作完成后顺序关机；先关惰性气体流量阀，将电压钮、工作频率调节钮退到底，待放电完毕，再关电源开关，最后关闭惰性气体钢瓶总阀。
本发明设备用于将硬质合金等金属陶瓷材料均匀沉积到机械零件表面，进行涂层强化时，不需惰性气体保护，上述气路部分的操作就全部省略了。
本发明已经试制出样机，经采用不同补材和多种工艺参数，对不同的机械零件和模具进行补焊作业，都达到了预期的发明目的。
权利要求
1.一种微脉冲旋转熔化极的惰性气体保护焊模具修补机，包括有电源装置、供气装置和旋转电极式焊枪，其中供气装置是由惰性气体钢瓶、一次压仪表、调压阀、二次压仪表、流量计和输气管路所组成；其特征在于其中电源装置为矩形箱体，机壳内的控制电路是由调压装置、整流滤波电路、充电输入控制电路、储能升压电路、放电输出控制电路、脉冲输出电路以及分别用于控制充电输入、放电输出的触发脉冲的工作频率设置及逻辑控制电路所组成；旋转电极式焊枪则由枪式外壳以及安装在壳体内的调速电机、惰性气体的气室、小型卡盘和夹在卡盘中间的可熔性电极以及位于外壳上的脉冲电源正极输入接点、惰性气体输入塞孔和电机启动开关所组成。
2.如权利要求1所述的微脉冲旋转熔化极的惰性气体保护焊模具修补机，其特征在于其中储能升压电路的电容可以是三个，其容量分别为33μF、60μF及100μF。
3.如权利要求1所述的微脉冲旋转熔化极的惰性气体保护焊模具修补机，其特征在于其中工作频率设置电路由时基电路构成，其工作频率范围为10-1000HZ。
4.如权利要求1所述的微脉冲旋转熔化极的惰性气体保护焊模具修补机，其特征在于其中旋转电极式焊枪前端非金属材料的气室壳壁通过螺纹与焊枪外壳连接，该壳壁中央通孔的直径应大于可熔性电极的直径；焊枪外壳上的脉冲电源正极输入接点经弹簧、碳刷、导电环、卡盘与可熔性电极构成电气通路，使可熔性电极与电源装置输出的脉冲电压正极相连通。
5.如权利要求1所述的微脉冲旋转熔化极的惰性气体保护焊模具修补机，其特征在于其中电源装置还设有旋转电极式焊枪的调速电机的转速调整控制电路。
6.一种微脉冲旋转熔化极的惰性气体保护焊模具修补机的使用方法，其特征在于一、首先正确连接气路、电路并认真检查之，其中电路装置的输出电压接线柱正极与焊枪相连接，其负极与待修补工件相连接，焊枪与电源装置也由电缆插头与插座相连接；各处接线连接牢靠，管道、螺钉拧紧到位；二、接着进行待修补工件的表面处理用锉刀、钢刷或砂布将待修补部位的毛刺、凸点、氧化层、疲劳层打磨干净，再用汽油、清洗剂及丙酮擦洗清除油污，露出表面新鲜金属面；三、按待修补工件的技术要求选择可熔化电极的材料，按待修件表面形状准备相应直径的电极，对选定的电极也进行表面处理去除锈斑及清除表面油污；并将清洗干净的可熔性电极夹固在焊枪夹盘内，其伸出部分不可过长或过短；四、进行堆焊修补操作(1)打开电源开关，并选择合适的储能电容量；(2)选择工作频率；(3)调节惰性气体流量；(4)调节输出电压；(5)根据工件和电极的不同材料调节焊枪电极转速；(6)在工件施焊表面放置用非金属材料制成的集气罩，该集气罩中间设有与工件表面缺陷大小相当孔洞；(7)进行堆焊修补操作；先打开气体流量阀，使惰性气体流量在0.4～0.6m3/小时之间，将旋转着的电极以与工件倾角为15～45°的方式靠近工件待修补部位，使之与工件处于似接触非接触状态，通过电弧放电，将电极材料熔融并过渡沉积到待修补表面，进行逐层堆焊；每修补堆焊一层都应及时检查和用钢刷平锉清理平整，然后继续堆焊，如此反复进行，直到将缺陷部补好，并应适当留有加工余量；(8)施焊操作完成，顺序关机先关惰性气体流量阀，再将电压钮逆时针退到底，待放电完毕，再关电源开关，最后关闭惰性气体钢瓶总阀。
7.如权利要求6所述的微脉冲旋转熔化极的惰性气体保护焊模具修补机的使用方法，其特征在于上述使用方法中的对待修补工件的表面处理主要适用于碳钢、合金钢及铝合金类材料；对于铸铁类待修补工件应在待修补表面清洗后，再进行电净、活化或烘烤处理，以清除渗入到铸件内的油污及表面上的碳黑，保证修补层与基体的结合强度。
8.如权利要求6所述的微脉冲旋转熔化极的惰性气体保护焊模具修补机的使用方法，其特征在于该设备用于金属陶瓷材料的涂层强化时，不需惰性气体保护。
9.如权利要求6所述的微脉冲旋转熔化极的惰性气体保护焊模具修补机的使用方法，其特征在于该设备使用可熔性电极作为施焊电极，可采用镍基或钴基合金丝状焊条；在用作沉积强化工艺时，可使用碳化钨WC、碳化钛TiC金属陶瓷电极丝状材料，其直径大小应在1.2～2.5毫米之间。
10.如权利要求6所述的微脉冲旋转熔化极的惰性气体保护焊模具修补机的使用方法，其特征在于上述集气罩是用1～2毫米厚的非金属板材制成，其中间开设有与待修补表面缺陷大小相当的孔洞。
全文摘要
一种微脉冲旋转熔化极的惰性气体保护焊模具修补机,由电源装置、供气装置和旋转电极式焊枪所组成。其中电源装置的控制电路包括有调压装置、整流滤波电路、充电输入控制电路、储能升压电路、放电输出控制电路、脉冲输出回路以及控制充、放电输入、输出触发脉冲的工作频率设置及逻辑控制电路。该焊机利用微脉冲电流在可熔化电极与工件间产生的电弧及电火花修补工模具的表面局部缺陷,设备构造简单、操作容易、使用方便,工效高,效益好。
文档编号B23K9/173GK1180004SQ9711695
公开日1998年4月29日 申请日期1997年9月30日 优先权日1997年9月30日
发明者胡仲翔, 张甲英, 李庆田, 朱茂坤, 韩文政, 李强, 朱润秀 申请人:中国人民解放军装甲兵工程学院