專利名稱：一種自動堆焊方法及其設備的制作方法
技術領域：
本發明屬于一種自動焊接方法及其設備，具體涉及地說是一種用于硬質合金在修復螺桿磨損表面自動堆焊的方法和機構。
背景技術：
塑料由于性能優越深受世人喜愛，所以它的發展速度極快，就我國而言預計2005年全國塑料消耗總量高達2500萬噸，以后每年以8-10％的速度遞增。要把合成樹脂轉變成實用的塑料制品，埔必須經過塑化成型過程，而塑化成型的方法雖然很多，但其中85％以上的合成樹脂是靠擠出機和注塑機塑化成型的，可見擠出機和注塑機用量之多。在上述二種加工設備中，最易損壞的部件為螺桿，究其原因有三1、擠出機或注塑機在開車時，由于料筒內沒有樹脂，螺桿外徑在轉動時和螺筒相摩擦所致；2、塑料增強改性時礦物填料，特別是玻纖對螺桿磨損嚴重；3、PVC中有氯化氨產生，加工阻燃塑料時有氧化氫產生，這些物質對螺桿也有腐蝕作用。
眾所周知，螺桿在擠出機和注塑機中是最重要的部件，合成樹脂的塑化依靠螺桿，物料推進依靠螺桿，一般情況下擠出機和注塑機的生產能力是由螺桿直徑、螺紋深度、螺紋外徑和螺筒的間隙來決定的。螺桿在輸送物料時產生的三個方向的力，即使物料向前形成正流，由于擠出機頭“花”或注塑機口摸板反作用，使物料向后產生逆流，由于螺紋外徑和螺筒存在著間隙，便產生漏流。一旦螺桿螺紋的外徑磨損，外徑和料筒的間隙增大，到一定程度后，便不能繼續肩負塑化和輸送物料的任務，這時只能將螺桿報廢，而重新加工一根螺桿，其成本可想而知，少則幾千，多則幾十萬元。
為了降低螺桿再生成本，目前大致有二種，一種是采用“羅紋塊”，即將螺桿分成幾段，然后用反螺紋組裝，發現其中一段磨損后，把新的一段組裝上去，以求得再生。，這種方法成本較高；另一種辦法是對螺桿表面進行修補，由于修補時使用的焊條為合金焊條硬度很高，不可能卷曲，只好切成段，這樣就無法進行自動焊接，只能用手工焊接，結果存在不少缺陷一、由于手工操作，堆敷上去的硬質合金非常不平整，加工余量大，下道工序工作增加，浪費1公斤硬質合金焊條，價值達400-500元。
二、由于堆焊硬質合金前需要準確的預熱和緩冷，而手工操作不能正確控制預熱和緩冷的溫度，而影響堆焊層的硬度和耐磨性。
三、市購的硬質合金焊條仍存在合金成份的缺陷。
四、手工操作難以保證被焊工作在單位長度上能量輸入的均勻性，易產生裂紋、氣孔等敏感性問題，致密性也差。
五、手工操作勞動強度大，效率低，對操作者技能要求高，對操作者的健康也有不利影響。
綜上所述，提供一種擠出機、注塑機螺桿修復自動堆焊技術和設備非常必要，而且有很大的經濟效益。
發明內容
本發明的目的在于將用于擠出機、注塑機螺桿修復的硬質合金堆焊由手工操作變為自動操作，以克服手工操作無法避免的缺陷，使硬質合金堆焊均勻平整，加工工藝參數衡定，達到降低勞動強度，提高工作效率，改善勞動環境之目的。
本發明的目的是由以下技術方案來實現的自動堆焊裝置由下面幾個部件所組成(如圖1所示)一、螺桿支撐和轉動部件，這部分用一臺和車床基座相似的裝置。裝置的一端有一個車頭箱2，內有齒輪箱，齒輪箱由電動機17驅動，車頭箱的背面外掛掛齒1和由夾頭10夾住的頂針16，該頂針旋轉時為被動狀態，基座中車頭箱2和尾座11之間有導桿8和動力絲桿9。當電動機17啟動后裝在二個頂針16之間的待修復螺桿便會轉動，其轉動狀態由掛齒來調節，電動機17啟動后同時帶動動力絲桿9轉動。
二、堆焊和加熱部分，這一部分固定在基座間的導軌8上面，并和動力絲桿9相關聯，只要動力絲桿9轉動，固定在導軌8上面的堆焊設備和加熱卷便會與絲桿9同步移動，加熱卷實際是一種由電熱絲繞成的加熱裝置。
堆焊的焊槍4和硬質合金自動連接裝置都固定在掛板5上面。堆焊用的焊槍是與氬弧焊機13相接，有氬氣瓶12供應氬氣。硬質合金自動連接裝置由焊條夾盒14、雌推力器、氬氣室、焊槍、信號控制器、氬弧焊機組成。三、控制部分，本發明采用PLC自動程序控制。用電腦預先編好的PLC程序箱15，控制硬質合金焊條的送入，控制焊槍與堆焊條同步搖擺，控制主軸的轉速，控制預熱、保溫加熱的溫度，以及硬質合金焊條的對接動作等。四、修復螺桿在堆焊開始前的預處理一方面在螺桿需要堆焊修復部分涂上合金粉末和水玻璃的糊狀混合物，然后用預熱器預熱烘干，并預熱到300℃，螺桿才開始轉動，并引燃電弧堆焊。
本發明所述的擠出機、注塑機螺桿修復自動堆焊的工藝過程第一步先將堆焊加工的注塑機、擠出機螺桿7表面堆焊的部分涂上自行研制的合金粉末與水玻璃的混合液，然后由夾頭10上的頂針16將注塑機螺桿7前后頂住，并穿過預熱器3和保溫器6。
第二步預熱器3開始預熱注塑機、擠出機螺桿7，當溫度測試儀測到螺桿溫度為300℃時，PLC程序控制器接到信號，立即啟動砑弧焊機13，打開冷卻水，接通氬氣瓶12，把氬氣送出，電動機17開始轉動，使頂針16帶動注塑機、擠出機螺桿7按一定的角度開始旋轉。同時焊槍4起弧，焊條盒14中的硬質合金焊條也已送到電弧之下，并開始熔入到熔池中去。
另外由于掛齒的作用，使注塑機、擠出機螺桿7每旋轉一周，焊槍4、預熱器3、保溫器6都直線行走注塑機、擠出機7上的一個螺距的長度。如果注塑機、擠出機螺桿的螺距不同，則可以調換掛齒1來協調。
焊好的部分由跟進的保溫器6進行保溫一段時間在堆焊過程中掛板5可以擺動，以滿足焊道要加寬的需要。
第三步當一根堆焊焊條將用完前，即尾部到達一個特定位置時，會發出信號，焊條盒14接到信號后，立即將第二根堆焊焊條送出，并頂住前一根焊條的尾部，同時發出信號啟動另外一臺氬弧焊機13，使產生一短時間的電弧。并加上一定壓力，使前后兩根堆焊焊條焊成一根堆焊焊條。這樣周而復始，一直可以連續不斷地進行堆焊。
圖1為本發明設備的機構簡2主機示意3送絲擺動機構示意圖其中1掛齒；101主軸箱，3預熱器，4焊槍，5掛板，6保溫器，7螺桿(被加工件)，8導桿，10夾頭，12氬氣瓶，13氬弧焊機，14焊條夾盒，15控制箱，16頂針，17電動機，102底座，106尾座，105卡盤，103光桿，104動力絲桿，200送絲擺動機構，108擺動機構，109送絲機，110調節支撐機構，111焊條聯結機構。
實施例本發明各重要組成部分的詳細內容描述如下參照如圖1和圖2所示主機部分的任務主要是完成對注塑機螺桿的夾持，對中轉動。運送焊槍，加熱和保溫加熱器的功能，如圖2中可見，它由主軸箱101、尾座106、卡盤105、光桿103、動力絲桿104與底座102組成。
主軸箱的作用是主功力的來源，它可以調節速度，調節速度又分粗調和細調，粗調是通過二套齒輪組，蝸輪及一套變速齒輪組成。它的驅動電機是400瓦的支流伺服電機。主軸最高轉速可達33轉/分鐘，支流伺服電機是通過場效應管組成的逆變式調速器調速，可使主軸從0-33轉/分鐘連續平穩地調速，主軸箱的主軸上裝有卡盤。
動力絲桿104是通過主軸箱上的大外齒帶動小外齒，小外齒帶動聯軸，聯軸與動力絲桿由鍵相聯。而大外齒與主軸箱上的主軸相聯。所以主軸的轉速通過大小外齒的速變，具有一定的對應的轉速關系。而大小外齒可以通過調換而改變，動力絲桿的轉速，可以使動力絲桿上的橫向線速度與被堆焊的螺桿在橫向上的線速度保持一致。被堆焊的螺桿的螺距與動力絲桿的螺距之比等于小外齒與大外齒數之比。即其中L1——表示動力絲桿的螺距(mm)L2——表示被堆焊的螺桿的螺距(mm)Z1——表示小外齒的齒數Z2——表示大外齒的齒數動力絲桿可以帶動送絲機構，預熱器、保溫器同步行走。
底座的長度為2.6M、目前在2M以下的注塑機螺桿都可以在此專用機上進行自動堆焊加工。
尾箱的中心軸必須與主軸箱中的主軸同心。
光導桿是起到導向作用、保持運行的精度，同時增加剛度的部件。本發明所述的送絲擺動裝置如圖3所示送絲擺動部分的主要任務是將已選好的堆焊焊條，按一定的速度送出；使焊槍與光焊條按一定的角度在規定幅度內擺動；并完成兩根光焊條的聯結。(圖3)是它的間圖，從圖中可見它是由送絲機、擺動機構、焊條聯接機構、調節支撐及平板組成。
送絲擺動機構200的組成為平板(掛板)5，擺動機構108，送絲機109，調節支撐機構110，焊條聯結機構111所組成。
送絲機109的重要功能是按堆焊的工藝要求進行送絲。它可以調節送絲速度，送絲方向，蝸輪，聯軸器等組成。步進電機的轉速，停止，正反轉均由PLC(可編程序控制器)預先設置，在使用過程中隨機設置。在堆焊光焊條的合適送絲速度上下相當一個寬的范圍都可以通過PLC進行調節，這給堆焊加工過程提供了極大的方便。
擺動機構200的功能是使焊槍與焊條按需要左右擺動，使堆焊的焊縫寬度和注塑機螺桿上的螺紋寬度一致。它是由步進電機，聯軸器與聯桿所組成。步進電機通過特殊的聯軸器和聯桿由轉動變為前后平移，再由前后平移使大平板上安裝的焊槍和送絲機構一齊擺動，擺動的弧長可以好似聯桿平移長度的一倍，而擺動的幅度也是由步進電機通過PLC事先設置好的。
焊條聯接機構111的功能是將兩根硬質合金堆焊光焊條連接起來，以保持硬質合金自動堆焊能連續平穩地進行。它是由焊條儲裝盒、信號傳感器、磁推力器及夾緊焊條裝置所組成。除此之外，它還必須外接一臺TIG焊機，該機構的工作過程是這樣的首先當一根硬質合金的堆焊光焊條即將熔化完的時候，也就是剩下一小段未熔化時，信號傳感器及時發出信號，此信號將使磁推力器第一次將一根新的硬質合金光焊條推至前面未熔化完的光焊條的尾部，直至碰到后停止推動。與此同時二個夾緊焊條裝置分別將未熔化完的光焊條和后送上的光焊條緊緊夾住，并輸入高頻脈沖引弧信號。此時由于后送上的光焊條已停止送進，所以在前后兩根光焊條間拉開一條間隙，此間隙可以幫助高頻引弧，把電弧在兩根光焊的尾部與頭部間引燃。引燃的電弧工作1-2秒后，即發出信號，使磁推力器第二次將新光焊條推撞上未熔化完的光焊條尾部，使處在熔化狀態下的兩根光焊條連接在一起，同時由于焊接電弧短路而發出電路的切斷信號，使二個夾緊光焊條裝置松開，整個過程在2秒內完成。而整個過程的進行不影響硬質合金的堆焊，堆焊中的任何一個過程不需停頓。
另外，要說明的是二個夾緊光焊條裝置的功能可以夾緊光焊條而又是一把特殊的焊槍，傳統的TIG焊槍中的鎢極由堆焊的硬質合金光焊條來替代。本發明所述的調節支撐機構為調節支撐機構110可以調節焊條送入到螺桿上的夾角與高度，在設備安裝時增加方便。
加熱即指注塑機螺桿在堆焊前必須進行預熱，由于螺桿的材料大部分是中碳調質鋼。焊前必須通過預熱可以降低對冷裂紋的敏感性，但是預熱溫度必須較準確地把握。在堆焊自動專用機上的設置有預熱器30，它的功率達到3千瓦，并具有自動控制功能。功率設計如此大的原因是希望在焊前的預熱時間減少。并使堆焊過程中預熱速度與堆焊速度同步。同時一旦預熱過高，又有控制反饋系統，使預熱溫度在一個合適的溫度區域內波動。
保溫器6的結構與預熱器3一樣，但保溫器可以接長，根據堆焊后需要保溫時間的長短而增加或減少保溫器的長度。
預熱器3與保溫器6都由動力絲桿4拖動，它們與焊槍同步運行。本發明中電氣控制特點是本發明采用的是TIG自動堆焊，但由于TIG堆焊控制參數多，不僅一般TIG焊接所要求的電氣控制如電弧電流、電壓、冷卻水、保護氣體等外，要考慮堆焊材料即硬質合金光焊條的自動連接、送進和焊槍機構的擺動以及螺桿堆焊前后的熱處理條件的控制等，要控制的參數較多，抗干擾要求高。控制方案制定就堆焊本身來說，人工原本完全可以操作。如上所述，由于需要控制的工藝參數多，人工堆焊質量難免不高，工作效率低。如果采用自動控制技術，則可排除認為因素。適合堆焊自動控制有兩種形式，繼電器程序和PLC程序，繼電器程序編程簡單，價格便宜，但靈活性不高，可靠性出差，一般用于簡單化控制場合。在提高堆焊效率和質量的前提下，本課題使用工業控制上常用的PLC程序自動控制技術，用預先編好PLC程序段來代替操作工進行螺桿表面的TIG堆焊，實現螺桿堆焊過程的自動化。
PLC作為專業工業生產過程控制的計算機與通常的微機相比，在設計上有了許多明顯的特征可靠性高，適應性好；體積小；操作方便，編程直觀簡單，除了基本的指令表編程方式外，還可以采用梯形圖編程方式，流程進行須控制設計的SFC(順序功能圖)方式；功能完備，結構模塊化，高速處理傳輸數據；備有封袋化的方便指令，簡化操作；鏈接簡便，接口功能強。PLC是當今機電科技進步和生產發展的產物。結合課題螺桿表面堆焊工藝要求，選用PLC作為控制核心比較合適。課題選用了日本三菱公司生產的FX1N-60MTPLC。日本三菱FX系列可編程控制器，為一種運用PLC語言控制的可編程控制器。它提供了大量實用的軟元件，支持多種編程指令，以及其梯形圖編程方法，為編程人員提供了一個相當高的工作平臺。
例如，加工直徑為80mm的螺桿堆焊工藝規范參數如下1.焊接電流； 90～120(A)2.焊接電壓； 10～15(V)3.螺桿轉速； 2.5～3(轉/分)4.送絲速度； 150～200(mm/分)5.保護氣流量；10～15(升/分)6.預熱溫度； 280～320(度)
7.保溫溫度； 200～250(度)8.保溫時間； 30～50(分)本發明的優點在于優點之一是原來手工操作變成全自動操作。效率、成本、操作人員的健康得到根本改變。
優點之二硬質合金焊條能自動連接，連續均勻地送入到熔池中去。
優點之三自動堆焊比手工堆焊的螺桿表面平整規則，切削余量可大大減少，并且價格昂貴的堆焊焊條可節約約25-40％。
優點之四由于預熱保溫加熱器自動控制，溫度保持十分精確，使手工操作時常出現的氣孔裂紋基本消除。
優點之五改進后的堆焊焊條使堆焊后的螺桿的硬度、耐磨性更趨合理。
權利要求
1.一種自動焊接設備，尤其是擠出機、注塑機螺桿修復用硬質合金自動堆焊機構，其特征在于1)主機部分有一個車頭箱2和尾座11，它們同固定在一個基座上，車頭箱內有齒輪變速器，齒輪由電動機17驅動，車頭箱外側有一個掛齒1，車頭箱和尾座各有一個頂針16，以用來托住待修復的螺桿7，車頭箱和尾座間有導軌8和動力桿9；2)自動焊接槍4固定在掛板上面，硬質合金焊條夾盒14和相關的硬質合金送進和自動連接機構也固定在掛板5上面，只是用同一塊絕緣板將兩者隔開；3)掛板5和預熱器3，保溫器6，都坐落在導軌上，并和動力桿9相聯，動力桿轉動時導軌8上的掛板5和預熱器3，保溫器6會同步移動，然固定在掛板5上面的自動堆焊機構也隨之移動；4)硬質合金焊槍和硬質合金焊條自動連接焊槍和氬弧焊機13及氬氣瓶12相連接。5)上面所述的待修復螺桿運動、絲桿變速、焊槍自動堆焊和擺動，硬質合金條的自動連接和送進，全部由事先設定好的PLC參數來自動控制。
2.如權利要求1所述的自動堆焊設備，其特征在于自動控制采用PLC可編程序控制器，可編程序控制器PLC對TIG堆焊過程中的送氣、送水、預熱、后加熱保溫、焊接引弧、螺桿轉動、焊槍擺動、焊接的電流電壓、對動力絲桿送絲速度等環節進行全方位自動控制，其控制程序的參數是由平時試驗所積累。
3.如權利要求1所述的自動堆焊設備，其特征在于車頭箱內的齒輪組合可以調節速度，可粗調也可細調，粗調是通過二套齒輪組、窩輪及一套變速齒輪組成。它們由400瓦的直流伺服電機驅動，主軸最高轉速可達33轉/分，支流伺服電機是通過場效應管組成的逆速式調速器調速，可使主軸從0-33轉/分連續平滑地調整待焊螺桿的轉速。
4.如權利要求3所述的自動堆焊設備，其特征在于動力絲桿9是通過主軸上的大外齒帶動小外齒，小外齒帶動與動力絲桿用鍵相聯的聯軸，而大外齒與主軸箱上的主軸相聯，主軸轉速與大小外齒的比速有一定的對應的轉速關系，調整大小外齒可以改變動力絲桿似的橫向線速度與被堆焊的螺桿在橫向上的線速度保持一致，被堆焊的螺桿7的螺距與動力絲桿的螺距之比等于小齒輪數與大齒輪數之比。
5.如權利要求1或2所述的自動堆焊設備，其特征在于擺動機構使焊槍和焊條按需要左右擺動，使堆焊焊縫寬度和螺桿7上螺紋寬度一致，它由進步電機、連軸與連桿組成。進步電機通過一個聯軸器和聯桿，變轉動為前后移動，并帶動掛板5上的焊槍4和送硬質合金焊條的機構一起擺動，擺動弧長可達聯桿平移長度的一倍，具體擺動幅度、速度由設定好的PLC指令進步電機來實現。
6.如權利要求1或2其所述的自動堆焊設備，其特征在于焊條自動聯接器和送進機構它是由焊條儲裝盒、信號傳感器、雌推力器、氬氣室、外接TIG焊機及夾緊焊條裝置所組成。當第一根焊條熔化至余下一小段時，傳感器會發出信號，使磁推力器起動，將夾盒內的硬質合金焊條推出，至前面未熔化完的焊條尾部為止，此時夾緊裝置把二根焊條夾住，并送入高頻脈沖引弧信號，此時后送上的焊條停止送進，使前后兩根焊條尖、間拉開一條間隙，引弧便在此處引燃，時間1-2秒，又發出信號，磁推力器再次起動，把第二根焊條推上去，使處在熔化狀態下二根焊條的首尾平整連接在一起，由于焊接電弧短路，發出電路切斷信號，使兩個夾緊裝置松開焊條繼續送進，如此往復進行硬質合金焊條連接與送進，保證堆焊不停頓的連續進行。
7.一種如權利要求1所述的自動堆焊方法，其特征在于工作過程為第一步，先對待修復的螺桿7的表面涂上一層合金粉末與水玻璃(硅酸鈉)的糊狀混合物，穿過機座上的預熱器3和保溫器6，然后由尾座夾頭10調整頂針16，并由車頭箱和尾座頂針16將待修螺桿7兩端頂緊以便轉動；第二步，預熱器3開始加熱，將螺桿7表面的混合物烘干，當溫度測試儀測得螺桿7溫度達300℃時，PLC程序控制器接到信號，立即啟動氬弧焊機13，打開冷卻水，接通氬氣瓶12送氬氣。此時，電動機17啟動，帶動頂針16上的螺桿7按設定的角度旋轉，同時焊槍4起弧，焊條夾盒14送出硬質合金焊條并到達電弧之下，開始熔化入堆焊熔池中；通過掛齒1的調節，螺桿7每旋轉一周，焊槍4，預熱器3，保溫器6在動力絲桿作用下，都在螺桿7上行走一個螺距的長度，如果待修螺桿7的螺距不同，可調換掛齒1來協調；堆焊過程中，掛板5可以擺動，以滿足堆焊層的寬度需要，堆焊完成部分由跟進的保溫器6保溫一段時間；第三步，當第一根硬質合金焊條用完前，到達穩定位置時，會發出信號，焊條夾盒14上的磁推力器便送出第二根焊條，至頂住第一根的尾部，同時發出又一信號啟動氬焊機13接通氬氣，使產生短時(1-2秒)的電弧，將硬質合金焊條的尾部與第二根首部之間熔化，磁推力器再次啟動把第二條焊條頂上，使二者在熔融狀態下實現首尾連接，繼續向焊條4送進，周而復始實現硬質合金焊條自動連續送進。
全文摘要
本發明是一種擠出機、注塑機螺桿修復自動堆焊技術及設備。主要部件由一臺和車床座相似的裝置構成，一個車頭箱和尾座，各有一根頂針，用來頂住待修復的螺桿，車頭箱內部為齒輪變速箱，由步進電機驅動，車頭廂外側有一排齒，車頭箱和尾座之間有導桿和絲桿，導桿是用來固定堆焊設備和電加熱圈，堆焊設備和加熱和裝置和絲桿相聯，能隨絲桿而動，其動作可用掛齒調節，堆焊設備和氬弧焊機及氬氣瓶相接，待修復螺桿轉動，運送焊槍，加熱，保溫，焊條送進，焊條連接，焊縫深度和寬度控制，全部由PLC設置的參數自動完成。是一種高質量、高效率、省時省料的全自動螺桿修復技術和裝置。
文檔編號B29C47/60GK1626306SQ20031010926
公開日2005年6月15日 申請日期2003年12月10日 優先權日2003年12月10日
發明者茅鵬, 焦馥杰, 徐國祥, 金言宜 申請人:上海工程技術大學