CN101301697A - 熔化带极自动压缩电弧熔敷焊方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种熔化带极自动压缩电弧熔敷焊方法及装置。该方法将金属带作为熔化带极，金属带穿过送带器直达工件表面待焊部位，焊枪设置在金属带上方，该金属带和焊枪中的钨电极之间产生压缩电弧；随着工件转动或直线运动并通过已凝固的熔敷金属提供送进动力，金属带自动随着向前移动，形成被动式自动送带方式持续至待焊部位；焊枪产生的压缩电弧将热量传给金属带表层，依靠热传导将热量传给金属带内部使之熔化，工件作步进式旋转或直线运动，金属带局部不断熔化形成连续的焊接熔池并不断凝固形成连续焊缝。该装置的送带器由陶瓷头、送粉器、铜导电头、矩形送带管和导电结构体组成。本发明无熔深、无稀释率问题、无需过渡层、工艺简单，成本低。

Description

熔化带极自动压缩电弧熔敷焊方法及其装置

技术领域

本发明属于在钢基体上熔化带极自动熔敷焊铜、铝、不锈钢、纯铁等金属的特种焊接技术，特别是一种熔化带极自动压缩电弧熔敷焊方法及其装置。

背景技术

在钢基体与铜、铝、不锈钢等金属的焊接中，如容器表面焊接耐蚀层、工程机械表面焊接耐磨层、兵器表面焊接铜合金层，通常采用送丝堆焊、激光熔覆、等离子堆焊、模中熔铸焊((Mold Soldification Welding，MSW)、摩擦焊等技术。如钢基体表面堆焊铜技术是在基体金属表面焊上一层铜及铜合金以使基体金属具有所需要的性能如硬度、导电性等，再如钢基体表面堆焊不锈材料技术是在基体金属表面焊上一层奥氏体不锈钢以使基体金属具有所需要的性能如耐腐蚀性等。堆焊技术如熔化极气体保护堆焊、TIG堆焊等，熔化电极与基体金属间产生电弧，基体金属作为阴极或阳极在电弧热的作用下熔化，熔敷金属和熔化的基体金属混合形成冶金结合，基体金属的熔化难以避免。堆焊工艺基体金属有很大的熔深，熔敷金属被基体熔化的金属所稀释，稀释率一般大于10％，熔敷层金属的性能因此而发生变化。对于耐蚀层基体金属的熔化使耐腐蚀功能大幅下降，对于兵器某类产品钢基体上堆焊铜，基体金属熔化和稀释使铜带层内部含有大量的铁，从而导致性能变化、焊接失败。

模中熔铸焊(MSW)是在圆柱形工件表面焊接铜合金层，即在钢质圆柱体表面焊接一定厚度的纯铜层。该方法采用钢质(冲压件)成形模，模与基体焊接，清理基体与模之间的氧化物、铁锈等，将工件浸入液态保护剂中，基体与模之间充满保护剂，该过程也具有预热功效，再将工件浸入液态铜中，液态铜重而液态保护剂轻，铜液取代保护剂进入模中，待冷却后铜与钢基体实现冶金结合，焊后车削去除钢质保护模。该工艺方法易产生缩孔、缩松、气孔和夹渣物等缺陷，钢质保护模的焊接和去除影响效率和质量。

管形工件与铜环的摩擦焊技术是将铜质圆环与管形钢基体实现连接，如在30mm直径的管形工件上焊接约1mm厚的纯铜层。该工艺将轴向力转化为径向力，将圆环开缺口，夹具夹紧，弹体高速旋转，再将铜圈压向管形工件，利用惯性能量实现焊接。加热时间几秒钟，有一定的焊合面积，但不能保证焊合率达到100％，结合界面有夹渣等缺陷，结合强度和性能不稳定。

“钢基体上熔敷焊金属工艺”专利号为01142701.9，是采用感应热源加热预先放置在钢基体上的铜环或铜板，依靠高频感应加热并熔化铜环或铜板形成铜熔池，实现铜钢的冶金结合。“钢基体等离子熔敷金属工艺”专利号为01142702.7，是采用等离子弧加热预置在钢基体表面的铜环并使之熔化，实现铜钢冶金结合。

发明内容

本发明的发明目的在于提供一种熔化带极自动压缩电弧熔敷焊装置。

本发明的发明目的还在于提供一种利用上述装置使界面焊合率高、结合强度大于特种功能熔敷层自身强度的熔化带极自动压缩电弧熔敷焊方法，该方法在钢表面无熔深自动熔敷焊铜、不锈钢、纯铁、铝等难蚀、有色等金属，以形成低硬度层、耐蚀层、导电层、隔磁层、高硬耐磨层等特种功能熔敷层，以实现钢基体与特种功能熔敷层的无熔深冶金结合。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种熔化带极自动压缩电弧熔敷焊装置，包括由机器人操作机控制的焊枪和作旋转或直线运动的工件，将金属带输送到工件表面待焊部位的送带器由陶瓷头、送粉器、铜导电头、矩形送带管和导电结构体组成，该陶瓷头设置在矩形送带管的前端，该陶瓷头靠近焊接区域；实现保护剂自动填充的送粉器为漏斗式结构，并设置在矩形送带管上方靠近陶瓷头；所述的铜导电头和导电结构体设置成一体紧靠送粉器，依靠弹簧压力将铜导电头压向金属带，实现金属带的导电功能；所述的金属带穿过矩形送带管内部，该矩形送带管内部为矩形孔，该矩形孔与金属带上表面之间的空腔填充保护剂。

一种熔化带极自动压缩电弧熔敷焊方法，首先采用金属带作为熔化带极，即金属带作为压缩电弧的阳极，该金属带穿过送带器的矩形送带管直达工件表面待焊部位，焊枪设置在处于待焊部位的金属带上方，该金属带和焊枪中的钨电极之间产生压缩电弧以加热并熔化金属带；

其次，工件作旋转或直线运动，压缩电弧的轴线位于未熔化和已凝固金属带的结合部偏未熔化金属带一侧，即偏向工件运动的反方向，焊枪在金属带宽度范围内水平运动，当焊枪运动至金属带一端时，另一端熔化的金属带已经凝固，使金属带与工件连接在一起，随着工件转动或直线运动并通过已凝固的熔敷金属提供送进动力，金属带自动随着向前移动，形成被动式自动送带方式持续至待焊部位；所述的矩形送带管的矩形孔与金属带的厚度差为保护剂的数量，随着金属带的自动送进，保护剂依靠自身重量均匀自动的铺撒于金属带表面，保证焊接接头质量；

最后，焊枪产生的压缩电弧将热量传给金属带表层，依靠热传导将热量传给金属带内部使之熔化，工件的金属接受传导热量，但低于其自身熔点，金属带局部沿长度方向熔化形成连续的焊接熔池，工件接受熔池的传导热量温度上升至熔敷焊接所需温度，并与已熔化的金属带形成冶金结合，所述的压缩电弧继续沿带宽运动，工件作步进式旋转或直线运动，金属带局部不断熔化形成连续的焊接熔池并不断凝固形成连续焊缝。

本发明与现有技术相比，其显著优点：(1)无熔深，熔深为0；(2)距界面10---50μm后熔敷金属中铁含量已低于1％，无稀释率问题，熔敷层成分与性能不受基体金属的影响，对于兵器弹带焊接中无“泛铁”现象，质量稳定、无废品；(3)对于耐腐蚀熔敷，耐蚀层性能稳定，无需过渡层；(4)加热成型无需成形模，因而工艺简单，成本低，焊合率达到100％，明显优于径向摩擦焊；(5)熔敷焊接强度高于铜-钢管型摩擦焊弹带，焊接质量稳定，弹带界面无夹渣、未焊合等缺陷；(6)相对于预置环(板)钢基体上等离子熔敷金属方法，金属带和基体之间无需预置保护剂，也无需“金属环或板”的安装严格工序。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

附图说明

图1是本发明的熔化带极自动压缩电弧熔敷焊装置的示意图。

图2是本发明熔化带极自动压缩电弧熔敷焊装置的送带器结构示意图。

图3是本发明的熔化带极自动压缩电弧熔敷焊方法的流程图。

具体实施方式

结合图1和图2，本发明熔化带极自动压缩电弧熔敷焊装置，包括由机器人操作机控制的焊枪1和作旋转或直线运动的工件4，将金属带5穿过专门设计的送带器3直达工件4表面待焊部位，该送带器3由陶瓷头6、送粉器7、铜导电头8、矩形送带管9和导电结构体10组成，该陶瓷头6设置在矩形送带管9的前端，即采用矩形送带管9***陶瓷头6方式连接，该陶瓷头6靠近焊接区域；实现保护剂自动填充的送粉器7为漏斗式结构，并设置在矩形送带管9上方靠近陶瓷头6；所述的铜导电头8和导电结构体10设置成一体紧靠送粉器7，依靠弹簧压力将铜导电头8压向金属带5，实现金属带5的导电功能；所述的金属带5穿过矩形送带管9内部，该矩形送带管9内部为矩形孔，该矩形孔与金属带5上表面之间的空腔填充保护剂。

结合图3，一种利用上述装置的熔化带极自动压缩电弧熔敷焊方法，首先采用金属带5作为熔化带极，金属带5作为压缩电弧2的阳极，该金属带5穿过送带器3的矩形送带管9直达工件4表面待焊部位，焊枪1设置于处于待焊部位的金属带上方，该金属带5和焊枪1中的钨电极之间产生压缩电弧2以加热并熔化金属带5。金属带5可以为不锈钢、纯铜、铜合金、纯铁、铝或铝合金。

其次，工件4作旋转或直线运动，压缩电弧2的轴线位于未熔化和已凝固金属带的结合部偏未熔化金属带5的一侧，即偏向工件4运动的反方向，焊枪1在金属带5宽度范围内水平运动，当焊枪1运动至金属带5一端时，另一端熔化的金属已经凝固，使金属带5与工件4连接在一起，随着工件4转动或直线运动并通过已凝固的熔敷金属提供送进动力，金属带5自动随着向前移动，形成被动式自动送带方式持续至待焊部位；保护剂由送粉器7通过矩形送带管9由金属带5作载体自动输送保护剂，所述的矩形送带管9的矩形孔与金属带5的厚度差决定了保护剂的数量，随着金属带5的自动送进，保护剂依靠自身重量均匀自动的铺撒于金属带表面，保证了焊接接头的质量。

最后，焊枪1产生的压缩电弧2将热量传给金属带5表层，依靠热传导将热量传给金属带5内部使之熔化，工件4接受传导热量，但低于其自身熔点，金属带局部不断熔化并先随压缩电弧2横向运动、再随工件4的步进式转动形成连续的焊接熔池，并不断凝固形成连续焊缝，工件4接受熔池的传导热量温度上升至熔敷焊接所需温度，并与已熔化的金属带形成冶金结合。其中，由送粉器7输送随金属带5一起送出的保护剂和焊枪1喷出的保护气体联合保护熔池过程免受氧化，保护剂颗粒度为30-200目。工件4可以为钢基体，这些钢基体为低碳钢基体、普低钢基体、中碳钢基体、中碳调质钢基体、高合金钢基体、高碳钢基体等。

下面以实施例来详细描述本发明的熔化带极自动压缩电弧熔敷焊工艺方法及其装置。

实施例1：结合图1至3，以155mm直径58SiMn筒形体(圆柱体)表面熔敷焊黄铜层为例。将5cm×5mm96黄铜金属带穿过专门设计的送带器3的矩形送带管9直达管形(155mm外径)钢基体表面待焊部位，矩形送带管9内孔宽55mm、高6mm，矩形送带管9上方有保护剂自动填充装置送粉器7(填充漏斗)，漏斗底部漏孔尺寸为20-35mm×20-30mm，保护剂目数为60-120目，矩形送带管9内矩形孔厚度与黄铜金属带厚度差1mm决定了保护剂的输送数量，随黄铜金属带的自动送进，保护剂均匀自动的铺展于黄铜金属带表面，焊枪1设置于黄铜金属带的上方，焊枪1产生的压缩电弧2弧长为3-6mm，位于未熔化和已凝固黄铜金属带的结合线偏未熔化黄铜金属带一侧3-4mm处，焊枪1在黄铜金属带宽度范围内运动，并在长度方向即钢基体运动的切线方向上摆动，摆幅1mm，焊枪1运动至黄铜金属带左端时，右端熔化的黄铜金属带已经凝固，焊枪1运动至金属带右端时，左端熔化的黄铜金属带已经凝固，且将黄铜金属带与钢基体连在一起，当钢基体转动，黄铜金属带自动随着向前运动，形成被动式自动送带，压缩电弧2将热量传给金属带表层，电弧电流170A，弧压29V，运动速度20cm/min，钢基体转速90秒/转。压缩电弧2下方的黄铜金属带局部熔化形成熔池，热量也随之传给钢基体，钢基体温度升高但不超过液态黄铜金属的温度，熔化的黄铜金属在钢基体表面凝固并形成冶金结合。随着压缩电弧2和钢基体的运动，不断形成熔池、凝固形成连续的焊缝。

实施例2：结合图1至3，以170mm直径45筒形体(圆柱体)表面熔敷不锈钢层为例。将4cm×4mm1Cr18Ni9Ti不锈钢带穿过专门设计的送带器的矩形送带管9直达管形(170mm外径)钢基体表面待焊部位，矩形送带管9槽厚5.0mm，槽宽4.5mm，矩形送带管9上方有保护剂自动填充装置送粉器7(填充漏斗)，漏斗底部漏孔尺寸为20-30mm×20-25mm，保护剂目数为40-80目，矩形送带管9内矩形孔厚度与不锈钢带厚度差1mm决定了保护剂的输送数量，随不锈钢带的自动送进，保护剂均匀自动的铺展于不锈钢带表面，焊枪1设置于不锈钢带的上方，焊枪1产生的压缩电弧2弧长为3-6mm，位于未熔化和已凝固不锈钢带的结合线偏未熔化金属带一端3-4mm处，焊枪1(压缩电弧2)在不锈钢带宽度范围内运动，并在长度方向摆动，摆幅1mm，焊枪1运动至不锈钢带左端时，右段熔化的不锈钢带已经凝固，焊枪1运动至金属带右端时，左端熔化的不锈钢带已经凝固，且将不锈钢带与钢基体连在一起，当钢基体转动，不锈钢带自动随着向前运动，形成被动式自动送带，压缩电弧2将热量传给不锈钢带表层，电弧电流190A，弧压30V，运动速度18cm/min，基体转速90秒/转。压缩电弧2下方的不锈钢金属带局部熔化形成熔池，热量也随之传给钢基体，钢基体温度升高但不超过液态不锈钢金属的温度，熔化的不锈钢金属在钢基体表面凝固并形成冶金结合。随压缩电弧2和钢基体的运动，不断形成熔池、凝固形成连续的焊缝。

Claims (4)

1、一种熔化带极自动压缩电弧熔敷焊装置，包括由机器人操作机控制的焊枪[1]和作旋转或直线运动的工件[4]，其特征在于：将金属带[5]输送到工件[4]表面待焊部位的送带器[3]由陶瓷头[6]、送粉器[7]、铜导电头[8]、矩形送带管[9]和导电结构体[10]组成，该陶瓷头[6]设置在矩形送带管[9]的前端，该陶瓷头[6]靠近焊接区域；实现保护剂自动填充的送粉器[7]为漏斗式结构，并设置在矩形送带管[9]上方靠近陶瓷头[6]；所述的铜导电头[8]和导电结构体[10]设置成一体紧靠送粉器[7]，依靠弹簧压力将铜导电头[8]压向金属带[5]，实现金属带[5]的导电功能；所述的金属带[5]穿过矩形送带管[9]内部，该矩形送带管[9]内部为矩形孔，该矩形孔与金属带[5]上表面之间的空腔填充保护剂。

2、一种熔化带极自动压缩电弧熔敷焊方法，其特征在于：首先采用金属带[5]作为熔化带极，即金属带作为压缩电弧的阳极，该金属带[5]穿过送带器[3]的矩形送带管[9]直达工件[4]表面待焊部位，焊枪[1]设置在处于待焊部位的金属带上方，该金属带[5]和焊枪[1]中的钨电极之间产生压缩电弧[2]以加热并熔化金属带[5]；

其次，工件[4]作旋转或直线运动，压缩电弧[2]的轴线位于未熔化和已凝固金属带的结合部偏未熔化金属带[5]一侧，即偏向工件[4]运动的反方向，焊枪[1]在金属带[5]宽度范围内水平运动，当焊枪[1]运动至金属带[5]一端时，另一端熔化的金属带[5]已经凝固，使金属带[5]与工件[4]连接在一起，随着工件[4]转动或直线运动并通过已凝固的熔敷金属提供送进动力，金属带[5]自动随着向前移动，形成被动式自动送带方式持续至待焊部位；所述的矩形送带管[9]的矩形孔与金属带[5]的厚度差为保护剂的数量，随着金属带[5]的自动送进，保护剂依靠自身重量均匀自动的铺撒于金属带表面，保证焊接接头质量；

最后，焊枪[1]产生的压缩电弧[2]将热量传给金属带[5]表层，依靠热传导将热量传给金属带[5]内部使之熔化，工件[4]的金属接受传导热量，但低于其自身熔点，金属带局部沿长度方向熔化形成连续的焊接熔池，工件[4]接受熔池的传导热量温度上升至熔敷焊接所需温度，并与已熔化的金属带形成冶金结合，所述的压缩电弧[2]继续沿带宽运动，工件[4]作步进式旋转或直线运动，金属带局部不断熔化形成连续的焊接熔池并不断凝固形成连续焊缝。

3、根据权利要求2所述的熔化带极自动压缩电弧熔敷焊方法，其特征在于：采用保护剂和压缩电弧[2]的保护气体联合保护熔池过程免受氧化，保护剂颗粒度为30-200目。

4、根据权利要求2所述的熔化带极自动压缩电弧熔敷焊工艺方法，其特征在于：金属带[5]为不锈钢、纯铜、铜合金、纯铁、铝或铝合金。

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