專利名稱：焊接修補方法和金屬部件的堆焊裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及金屬部件的焊接修補方法和采用該方法的堆焊裝置。本發明可以用于對金屬部件的尺寸進行局部修正，以及對這樣的金屬部件的相對微小的裂痕部分進行修補，所述金屬部件例如是橡膠或合成樹脂產品等的金屬模具。
金屬模具在制造過程中或以后付諸使用時常常會產生裂痕或出現尺寸變形。人們經常希望通過修正或修補裂痕部分或尺寸變形來經濟地恢復這些模具。為了進行修補和糾正這些問題，氬堆焊在目前用得相當普遍。根據這種焊接方法，在氬氣氛中利用電弧使焊條熔化，在金屬部件的熔合區進行堆焊，固化以后將任何多余的焊接部分去除，并通過磨光完成修補。由于這一氬堆焊法需要持續產生高達6,000至8,000℃的電弧熱使焊條熔化，所以可能產生與加熱有關的各種問題，如金屬部件的形狀的縮凹和顏色的改變。因此氬堆焊對相對小的修正或修補而言可能是不合適的。
已經提出了其它修正和修補方法，包括(a)銀釬焊，(b)堆焊變形涂覆(build-up metabolizing plating)，(c)敲打，和(d)嵌入插入物。這些方法有其優點，但也有許多不足之處，限制了對金屬模具進行修正和修補的能力。例如，方法(a)、(b)和(c)的耐久性差。修補方法(b)和(d)需要長時間的操作，而修補方法(c)需要一定的技能。此外，所有這些方法(a)至(d)對糾正細小問題都是不適用的。
日本未審查專利公開第5-261585號和第5-261586號(二者對應于美國專利第5,378,867號)揭示了一種焊接修補方法和堆焊裝置，可用來修補金屬部件的相對微小的斷裂或裂痕部分，或者修正金屬部件的尺寸，所述金屬部件例如是形成合成樹脂的金屬模具。根據所引述的出版物，一個輔助電極與金屬部件相連，并將適量的細粉狀焊劑堆放在待修補的金屬部件部分，或者另外在上面提供薄片型焊接材料。焊粉或焊接材料局部地壓在金屬部件上，并且在導電點施加大約300-1500安培的大脈沖電流，持續時間很短，大約是1/1000-4/1000秒，以便在金屬部件上形成熔核。于是，熔化的金屬以點或線的形式或者作為一層堆在被修補的部分上。固化以后，將堆焊多余的填充部分去除，并研磨或拋光。這一焊接修補法和堆焊裝置可實現形成單一體的熔合焊接，熔化金屬的焊接強度(熔合系數)和焊接的耐久性都很好，并且很難將焊接部分與金屬部件分開。
然而，通過對放大的顯微照片等進行仔細觀察后發現，堆焊部分(被焊接金屬)的焊接系數或熔合系數大約是95％，而不是100％。焊接系數取決于工人的技術水平，因為在用主電極進行操作期間，由于微小的運動誤差被焊接金屬(熔核)不可能連續被焊接。這是因為通過來自堆焊裝置的主電極的單個脈沖，形成的每個熔核是直徑大約為0.6-1mm的小點。對堆焊而言，這些點形熔核相互連在一起或堆積成為層。焊接系數差導致堆焊部分分離和修補失敗。
因此本發明的一個目的是提供一種修補和修正方法以及堆焊裝置，適合于進行微小的修補和修正，而不會由于過熱對金屬部件產生不利影響。
本發明的另一目的是提供一種修補/修正方法和采用該方法的堆焊裝置，其中堆焊部分(被焊接金屬)具有極好的耐久性和質量，修補和修正操作可在短時內進行，并且不需要高級的技能。
根據本發明的焊接修補方法采用上述堆焊裝置，該裝置(以后稱為焊機)在日本未審查專利公開第5-261585號和第5-261586號(二者對應于美國專利第5,378,867號)中予以揭示，用于進行堆焊，通過用焊接金屬填充待修補的金屬部件的一部分，使堆焊具有所要求的深度。然后根據本發明，為了實現上述目的，形成額外的堆焊。用新開發的電弧熔化機包圍在非活動性氣體的氣氛中固定在金屬部件的被修補部分上的被焊接金屬，并施加短時的電弧，再次熔化被焊接金屬，形成熔合區。焊機對待修補的金屬部件部分進行堆焊，但是焊接系數不是100％(例如小于95％)。然而，本發明利用電弧熔化機發出的電弧熱可以完全(100％)熔化焊接區。100％熔合的熔核(堆焊部分)固化以后，去除多余部分并進行磨光，以便實現高質量的焊接修補。
采用上述方法的本發明的堆焊裝置包括焊機和電弧熔化機的組合，焊機用于將熔化金屬堆焊到金屬部件上，電弧熔化機用于通過電弧熱再次使堆焊金屬熔化。焊機的主電極利用一個脈沖形成點形被焊接金屬熔核，大小為0.6-1mm。電弧熔化機立即用單個放電電弧熔化5-10個被焊接金屬部分或熔核，即直徑為3-5mm和深0.5-1mm的立方體積。最好通過向堆焊部分均勻施加電弧而使被焊接金屬完全熔化和熔合。電弧熔化機可以利用電弧將熔核再次熔化成單一體，新的熔化物的大小是由焊機形成的原始熔核的5-10倍。
焊機包括輔助電極、主電極和電源設備，輔助電極與金屬部件電連接，主電極具有足夠的強度和形狀，以便將細粉狀焊劑或薄片型焊接材料壓入待修補的金屬部件，電源設備用于在主電極和輔助電極之間產生一個300-1500安培的大脈沖電流，持續時間很短，例如是1/1000-4/1000秒。在主電極中可以安裝一塊磁體，以便將細粉狀焊劑吸到主電極的適當位置。這種主電極在日本經審查UM公開第7-19667號中予以揭示。
電弧熔化機包括主電極、輔助電極和電源設備，主電極將電弧施加到附近的金屬部件的被焊接金屬(堆焊部分)上，輔助電極與金屬部件電連接，電源設備通過使電流在金屬部件的堆焊金屬和與焊接金屬相鄰的主電極中流動，產生從主電極到被焊接金屬(熔核)的預定電流范圍的電弧。當電流值在0和100安培之間、持續時間在0.01至1.0秒、最佳范圍在0.1至0.2秒的情況下，在修補處產生電弧。主電極越到端部越細，或呈錐形。電弧熔化機的主電極由諸如硬橡膠那樣的絕緣材料制成的電極套包裹，或由機械手支撐。電弧熔化機的主電極可以是鎢或類似材料做的，其本身不熔化，并應具有錐形，以便更好地控制電弧的方向。主電極和被焊接金屬之間的距離最好大約是0.5mm。最佳電流范圍是0-70安培，特別是0-65安培。電弧熔化機具有惰性氣體輸送機構，用于將被焊接金屬包圍在非活動性氣體中，以防止被焊接金屬受到氧化。
有兩種類型的焊機和電弧熔化機。一種是組合型，兩種機器具有共同的電源電路和控制印刷電路板。另一種類型是將兩種機器分離，每臺機器具有其本身的電路。
應用本發明的焊接修補方法的金屬部件可以是模制合成樹脂和橡膠的金屬模具、壓鑄模具、玻璃模具等。金屬模具可以由鈹、銅合金、鋁合金、鋼、不銹鋼等制成。
應用本發明的待修補的金屬部件部分可以是接合線、三棱線的尖或磨損的棱、剪切的斜面、破裂部分等。待修正的部分也可以是要修改成弧形的角、二次縮凹部分、咬邊、砂眼、氬焊后出現的凹點或針孔。
本發明的焊接材料可以是粉末合金(粉狀焊劑)、薄片材料、細線條、球形材料、膏或其它材料。結合待修補部分的尺寸、形狀和其它條件來選擇這些材料。如果選擇粉末合金(粉狀焊劑)作為焊接材料，那么修補三角形部分、棱和類似部分就很容易了。
由非活動性氣體輸送機構輸送的非活動性氣體可以是氬氣、氦氣或通常用來防止金屬部件和焊接材料氧化的其它氣體。
根據本發明，焊機將焊接材料堆焊在金屬部件的修補部分之后，電弧熔化機的主電極放在堆焊部分(被焊接金屬)上方，通過啟動電源設備在一段很短時間將預定電流值的電弧施加到被焊接金屬上，于是被焊接金屬立即熔化，形成熔化區，并固化。這樣，被焊接和被熔化的部分完全(100％)熔合，可以形成穩定的堆焊部分。通過用焊機反復進行焊接材料的堆焊和用電弧熔化機反復進行電弧再焊接，在待修補的所有部分可以形成高質量、高穩定性的堆焊部分。這之后，去除多余的堆焊部分并進行磨光，以便得到高質量、高穩定性的修補或修正。
由于對焊接材料進行堆焊和施加電弧的時間非常短，所以金屬部件不會受到熱的不利影響，產生縮凹、變形、變化、彎曲、顏色改變等。
由于金屬部件被熔合并進行堆焊成為單一體，所以通過磨光去除的部分不到大約1/100mm，完成的部件耐久性好，而且修補操作不困難。因此，本發明不需要長時間操作或技能，并且質量和完成水平與工人的技術無關。由于不產生有毒氣體，所以焊接操作是安全的。堆焊部分的去除量可以最大限度地減小，簡化了加工工藝。因此，金屬模具等的金屬部件可以方便和可靠地恢復。
通過參照以下對實施例的描述和附圖，將全面理解本發明。然而，這些附圖僅用作說明的目的，而不是對本發明的限制。
圖1是根據本發明的堆焊裝置的電源的電路圖，其中焊機和電弧熔化機組合在一起；圖2是焊機的用手操作型主電極的主視圖；圖3A、3B和3C是表示采用主電極和薄片型焊接材料的堆焊過程的正面圖4是表示對三角形區域的尖進行堆焊的透視圖；圖5是表示對金屬部件的棱或邊緣進行堆焊的透視圖；圖6是包括吸引粉狀焊劑的磁體的主電極的側視圖，其主要部分切除了；圖7是表示利用主電極對金屬部件的棱進行堆焊的透視圖；圖8是表示利用電弧熔化機的主電極對堆焊部分進行再熔化的透視圖；圖9A、9B和9C是表示對三角形區域金屬部件的尖進行焊接修正的透視圖；以及圖10是僅用于電弧熔化機的分離型電源的電路圖。
以下參照附圖討論本發明的實施例。
圖1是根據本發明的用于焊機和電弧熔化機的電源電路。在該圖中，參考號P代表焊機的電源電路，而參考號Q代表電弧熔化機的電源電路。堆焊裝置的電源電路與AC100伏電源線相連，并且作為控制電路41的印刷電路板(PCB)控制整個裝置。
首先討論焊機的電源P。電源P向錐形主電極8和輔助電極20提供一個電壓(為焊機和電弧熔化機共用)，輔助電極20通過連接裝置與金屬部件電連接。當接通電源開關5時，電源P起作用，允許用焊接材料進行焊接操作。工人每次接通腳踏開關50便產生一個脈沖，用該脈沖進行一次焊接。通過電壓調節電路14在大約AC0-10伏的范圍內調整焊接電壓，電壓調節電路14是一個單線圈的變壓器，其兩端通過開關5與AC電源線相連。當腳踏開關50被踏下或接通時，控制器41使固體繼電器(SSR)15接通，對電容器C1、C2、C3和C4進行充電。然后，可控硅(SCR)16被控制電路14觸發，從而對這些電容器放電。放電電流流經變壓器17的原邊繞組，所以低壓大電流(300-1500安培)流經變壓器17的副邊繞組。這一大電流立即從主電極8流向輔助電極20，以便進行焊接。流經主電極8的脈沖電流波形示于圖1，其中流動的時間(1/1000-4/1000秒)與電流值(300-1500安培)成反比。如果連續踏下腳踏開關或腳踏開關連續接通，那么周期性重復進行充放電操作，因此焊接連續進行。利用調節控制繼電器控制周期的控制電路41的數字定時器，可以在0.3-0.5秒的范圍內調節充放電的周期。圖1的電源設備可以做成緊湊的便攜式裝置，重量輕。
如果用手操作對金屬部件的修補部分進行堆焊，那么主電極8被絕緣電極套19包裹，如圖2所示。然后在待修補的金屬部件1的部分3上提供薄片型焊接材料4，如圖3所示。工人手握電極套，將主電極8的尖端壓向焊接材料4。主電極8如圖3A至3C所示那樣運動，因此薄片型焊接材料嵌入修補部分3的槽中。電源設備的腳踏開關50接通，產生300-1000安培的大脈沖電流，在被修補部分上形成被焊接金屬(熔核)。在這種情況下，被電流熔化的焊接材料的熔核與金屬部件的熔點部分熔合。當主電極8一個步距一個步距(步距對應主電極8的直徑)地前進時，焊接材料的多個熔化部分連續不斷地連在一起，或以多層的形式堆焊。于是，通過在修補處形成具有足夠厚度的熔核、線或層，完成了堆焊。如果需要用機器自動進行焊接操作，那么主電極8將被安裝在機械手或類似裝置上，啟動電源電路中的自動開關51，控制整個系統。
圖9A-9C表示由磨損、鈍角或斷裂引起的待修補的金屬部件1的三角形尖角3(圖9A)。圖9B表示在修補處有足夠量的堆焊部分6的狀態。對于在三角形尖角進行堆焊，最好利用具有如圖4所示的方棒(或扁棒)形狀的主電極8。焊接材料4可以是厚度為0.2mm和5mm的薄片，跨放在修補部分上。將主電極8的尖端壓向焊接材料，進行臨時點焊，將焊接材料定位。主電極8沿垂直方向和水平方向運動，以便一點一點地焊接焊接材料，然后形成多個連續的被焊接金屬熔核，完成堆焊部分6。如果堆焊部分6的厚度不夠，那么通過主電極8使焊接材料彎曲并壓焊接材料，以便形成多層熔核。然后利用電弧熔化機使堆焊部分6再次熔化。當熔化部分固化以后，用工具如刮刀去除多余的堆焊部分，并用研磨機或銼刀進行磨光，以便恢復三角形尖角13(圖9C)。
假如修補金屬部件1的棱(邊緣線)，則沿待修補的棱將薄片型焊接材料附在金屬部件1上。為了進行焊接，滾動主電極8的圓棒(圖5)。
圖6和7表示采用細粉狀焊劑4’作為焊接材料和主電極8包括永久磁鐵2 4的情況。粉狀焊劑被吸到用于進行堆焊的電極的外表面上。永久磁鐵24(或電磁鐵)被安裝在主電極8的吸引粉狀焊劑4’的那部分上。主電極8的另一側用非磁性材料，那里不吸引粉狀焊劑4’。由于在吸引粉狀焊劑4’的焊接部分提供了永久磁鐵24，所以當電極靠近磁粉4’時，通過磁作用適量的粉狀焊劑被吸到電極的外表面上。通過將主電極8移動到金屬部件1的修補部分3，就能很容易地進行焊接操作。由于主電極8在吸引粉狀焊劑4’的地方具有永久磁鐵24，在其它部分具有非磁性材料25，因此所需量的粉狀焊劑4’僅被吸到進行焊接的電極區。于是，與焊接無關的電極部分不吸引粉末，并且焊接工作可以可靠和迅速地進行。如圖7所示，為了進行堆焊，使主電極8在移動的同時滾動，用粉末4’進行焊接，并以多層的形式連續形成許多點狀被焊接金屬部分(熔核)。如果堆焊的厚度不夠，則加入額外量的粉狀焊劑4’。
再看圖1，下面討論電弧熔化機Q。電弧熔化機的主電極10和輔助電極20通過電纜12和21可活動地連接到電源設備的輸出端(參見圖8)。為了引導電弧的方向，主電極10具有錐狀針形，并且通過一個套筒安裝到把手11上(圖8)。
為了通過電弧熔化機Q對由焊機P在金屬部件1的堆焊部分3堆焊的被焊接金屬6進行再熔化操作，輔助電極20與金屬部件1的適當位置相接觸，以實現電連接。當圖1中的電源開關5接通啟動電源電路以后，通過電流調節設備42，例如兩端接收AC線電壓的單繞組變壓器，在0至65安培之間調節電弧電流值。然后主電極10靠近金屬部件1的修補部分3，電極和堆焊金屬6之間的距離是0.5mm，并踏下腳踏開關52。對腳踏開關的動作作出響應，印刷電路板41中的控制器指示自動閥門31打開。閥門31安裝在與氣罐相連的非活動性氣體輸送管30上。于是氬氣流出，在被修補部分3附近造成一個氬氣氣氛。氬氣輸送管30與主電極10的把手11成為一個單一體。控制器41驅動作為開關設備的固體繼電器(SSR)43，因此在一個預定的短時間內(0.01-1.0秒)，電流流經主變壓器44的輸入繞組44’。由于電磁感應，在主變壓器44的輸出繞組44’產生電流，該電流經整流器45整流變為DC電流，并由電容器C5和C6濾波。在控制器41的控制下，高頻振蕩器47產生一個高頻信號，通過高頻耦合變壓器48該高頻信號的幅度增加，并被迭加DC電流。這樣，在主電極10和金屬部件1之間施加了一個高頻信號(大約0.1-2MHz)。換句話說，踏下腳踏開關(接通)大約0.8秒后，主電極10和焊接材料3之間形成了傳導通路，因此在沒有任何附加操作的情況下，主電極10開始產生電弧。產生電弧大約2.5秒后，閥門31打開，釋放氬氣，以便將堆焊部分6的電弧熔化部分包裹在非活動性氣體的氣氛中。這一操作由控制器41控制。在圖1中，參考號49代表由電容器C5、C6組成的高頻旁路。如果一直踏下開關51(接通)，那么上述操作在預定間隔內重復，因此連續對堆焊部分進行電弧再熔化操作。控制器41通過開關5、保險絲F和變壓器T1從AC電源線接收驅動電壓。
單個電弧使由焊機堆焊形成的金屬部件1的修補部分3上的5至10個熔核熔化。固化以后，形成單個電弧引起的堆焊部分6。圖8表示通過利用三次電弧產生的三個堆焊部分6。每個電弧區與相鄰電弧區在其每側有三分之一處是重疊的，以避免堆焊部分相互分離。重復上述操作，直到待修補部分被堆焊部分6覆蓋。然后去除多余部分，并將部件磨光。
圖10表示當焊機和電弧熔化機每個都具有本身的電源設備時僅用于電弧熔化機的電源電路。圖10的電路對應于用單點劃線圍起來的大框Q。然而，圖10的電源包括插在整流器45和變壓器48之間的電流檢測器46。于是，控制器41可以監視電弧電流，如果它不是所要求的值時便將它糾正。由于其它結構和操作與圖1的有關部分相同，所以不再予以說明。
雖然以上僅對本發明的最佳實施例進行了描述，但是對本領域的一般技術人員來說很顯然在不脫離本發明的范圍和精神的前提下可以做各種修改。在以上說明書中已經采用的術語和表示法只是為了進行描述而不是為了進行限制，采用這樣的術語和表示法并不是為了排除等同的特征表示和描述或其相應部分，應認識到本發明的范圍僅由下面的權利要求書確定和限制。
權利要求
1.一種金屬部件的焊接修補方法，包括以下步驟在一部分所述待修補的金屬部件上提供適量的細粉狀焊劑或薄片型焊接材料，將焊機的主電極壓向一部分所述粉狀焊劑和所述焊接材料，在1/1000-4/1000秒的短持續時間向所述主電極施加300-1500安培的大脈沖電流，在所述金屬部件上形成點狀被焊接金屬熔核，連續連接或重疊多個被焊接金屬熔核，從而在待修補部分的一個所要求的區域形成具有所要求厚度的熔核、熔核線或熔核層，完成堆焊；將待修補的金屬部件的堆焊部分放在非活動性氣體氣氛中，使電弧熔化機的主電極位置靠近堆焊部分，并且在短時間內向堆焊部分施加電弧，以便再次熔化被焊接金屬；以及堆焊部分固化以后，去除多余堆焊部分，并將剩余部分做成形磨光。
2.一種堆焊裝置，包括向金屬部件堆焊焊接材料的焊機；用電弧再次熔化堆焊部分的電弧熔化機；所述焊機包括與所述金屬部件電連接的輔助電極，主電極具有足夠的強度和形狀，以便壓向附著在所述待修補金屬部件的一部分上的細粉狀焊劑或薄片型焊接材料，以及在所述第一和第二電極之間在1/1000-4/1000秒的短持續時間產生300-1500安培的大脈沖電流的電源設備；以及所述電弧熔化機包括位置靠近形成在所述金屬部件上的堆焊部分的主電極，與所述金屬部件電連接的輔助電極，電源設備，用于在所述輔助電極和靠近堆焊部分的所述主電極之間形成一條傳導通路，并且在一個短的持續時間，提供一個預定電流范圍的、從所述主電極到所述堆焊部分的電弧，以及非活動性氣體輸送機構，用于在產生所述電弧之前、期間和之后將堆焊部分包圍在非活動性氣體中。
3.如權利要求2所述的堆焊裝置，其中當所述焊機將細粉狀焊劑堆焊到所述金屬部件的待修補部分上時，所述主電極在其內部包括一塊永久磁鐵，并且磁性細粉狀焊劑被吸到所述電極的外表面。
4.如權利要求2所述的堆焊裝置，其中所述焊機和所述電弧熔化機的電源電路組合成一個單一的電路。
5.如權利要求2所述的堆焊裝置，其中所述焊機和所述電弧熔化機的電源電路是單獨提供的。
全文摘要
本發明涉及一種金屬部件的焊接修補方法和堆焊裝置。在待修補的金屬部件上提供適量的細粉狀焊劑或薄片型焊接材料。焊機的主電極壓向粉狀焊劑或焊接材料。在1/1000-4/1000秒內主電極施加300-1500安培的大脈沖電流，在金屬部件上形成被焊接金屬熔核。將堆焊部分放在非活動性氣體氣氛中，使電弧熔化機的主電極靠近堆焊部分，并且在短時間內向堆焊部分施加電弧，以便使其再次熔化，堆焊部分固化后去除多余堆焊部分，并將剩余部分磨光。
文檔編號B23K9/09GK1145834SQ95109560
公開日1997年3月26日 申請日期1995年9月19日 優先權日1995年9月19日
發明者新沼淳 申請人:新沼淳