一种堆焊机及其使用方法与流程

本发明涉及焊接领域，尤其是涉及一种堆焊机及其使用方法。

背景技术：

随着制造业的不断发展，各行业对复杂机加工产品的需求越来越高，锻造、3d打印等金属设备制造方式不断完善。为了满足制造业日益变化的需求，研究设置一种高柔性、能够生产小批量复杂产品的堆焊装置，通过堆焊的方式进行金属制品生产，将金属粉末烧结到复杂金属本体表面上，得到该复杂机加工产品、或起到修复产品和提高产品耐磨作用。

技术实现要素：

为克服现有技术的不足，本发明采用的技术方案是：

一种堆焊机，包括有机座、均设置在机座上的移位机构及装夹机构；还包括设置在移位机构上的焊枪，所述焊枪连接有焊机、送粉器、供气系统、供水系统，移位机构用于带动焊枪横向移动和竖向移动；所述装夹机构包括有用于装夹工件的旋转卡盘以及用于带动旋转卡盘在一竖直面内俯仰摆动的调位机构。

根据本发明的另一具体实施方式，进一步的有，所述送粉器包括储粉筒、设置在储粉筒下方的出粉筒，储粉筒的下端设置有用于连通出粉筒的漏嘴；出粉筒中设置有转盘、刮板及接粉漏斗，转盘的旋转轴沿竖向，储粉筒的漏嘴偏离粉盘的转轴，刮板同样设置在转盘的上方，接粉漏斗设置在转盘下方，出粉筒连通有进气管，接粉漏斗下端的出粉嘴连通焊枪的喷嘴。

根据本发明的另一具体实施方式，进一步的有，所述旋转卡盘连接有主轴电机，主轴电机用于带动旋转卡盘转动。

根据本发明的另一具体实施方式，进一步的有，所述旋转卡盘通过第一转轴连接在安装件上，调位机构包括连接安装件的蜗轮以及与蜗轮传动连接的蜗杆。

根据本发明的另一具体实施方式，进一步的有，所述第一转轴为空心轴；旋转卡盘装夹工件时，工件的一端可容置在第一转轴中。

根据本发明的另一具体实施方式，进一步的有，所述移位机构包括有横向丝杠、连接在横向丝杠上的横向滑块、连接在横向滑块上的竖向丝杠、连接在竖向丝杠上的竖向滑块，焊枪连接在竖向滑块上。

一种堆焊机的使用方法，其特征在于，包括有以下步骤：

步骤a，旋转卡盘上装夹工件；

步骤b，如果工件上所需加工的曲面的中心轴相对水平面倾斜，通过调位机构调节旋转卡盘的俯仰角度；

步骤c，设定加工参数；

步骤d，移位机构带动焊枪横向和/或竖向移动，焊枪往工件喷射金属粉末及离子气，金属粉末熔覆在工件上，如果工件上所需加工的面包括有曲面，曲面堆焊过程中旋转卡盘带动工件旋转、且焊枪在曲面上横向和/或竖向移动。

本发明采用的一种堆焊机，用金属粉末作填充料，等离子弧作热源，堆焊钴基或镍基合金等金属粉末，具有以下有益效果：双轴方向的移位、旋转卡盘及调位机构，复杂工件上的多个曲面均能得到较好加工。

此外，(1)采用具有数模转换的特殊功能型plc(可编程控制器)控制系统，配置专门用于粉末等离子堆焊的编程软件，实现全数字化控制，使工艺参数的设定和控制更精细、更精确、更便捷。(2)通过触摸屏式人机界面来设定工艺参数。(3)采用先进的具有恒流输出特性的igbt逆变式弧焊机作等离子弧堆焊专用电源并采用数字化的电流调节系统，使焊接系统的功能更全面，调节更精细。(4)旋转卡盘采用步进电机驱动，能精确计数，采用角度计数的工艺控制方式，用这种方式能精确控制工件的位置和工艺参数，为消除工件接头部位的质量缺陷创造了条件。(5)具有“智能”工艺参数设定功能和储存功能，实现工艺参数设定，使操作更便捷，为多种规格产品堆焊时的参数变动提供了方便。(6)采用新型结构的粉末等离子弧堆焊专枪，新型结构焊枪具有密封性、绝缘性和对中性好，及电弧稳定、送粉通畅、材料利用率高、保护效果好的特点。(7)送粉器的转盘、旋转卡盘均采用步进电机数码控制，具有启动转矩高、运转速度稳定、调节精细、重现性好的特点，因而堆焊过程的工艺参数稳定。(8)配置制冷循环供水系统。可以设定和维持较低的冷却水温，大大改善了焊枪的冷却效果，提高了焊枪的使用性能，有利于工艺稳定。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明移位机构的结构示意图；

图3为本发明卡盘组件的结构示意图；

图4为本发明送粉器的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。

如图1所示，隐藏机座、立柱、焊机、水箱、水泵、水管、气泵、气管、阀体、送粉器等零部件。一种堆焊机，包括有机座、均设置在机座上的移位机构2及装夹机构3；还包括设置在移位机构2上的焊枪4，焊枪4连接有焊机、送粉器、供气系统、供水系统，移位机构2用于带动焊枪4横向移动和竖向移动；装夹机构3包括有用于装夹工件的旋转卡盘31以及用于带动旋转卡盘31在一竖直面内俯仰摆动的调位机构32，旋转卡盘31用于带动工件旋转。

移位机构2中，焊枪的横向移动方向如图1和图2所示x方向，焊枪的竖向移动方向如图1和图2所示z方向；装夹机构3中，旋转卡盘31的摆动方向如图3所示v方向。从四个自由度上加工工件，该四个自由度包括有x方向、z方向、v方向、卡盘的旋转方向，复杂工件上的平面及曲面均能够得到加工，如复杂工件上的两个发散轴、该两个轴上的壁面能够得到加工。

堆焊机的使用方法，其特征在于，包括有以下步骤：

步骤a，旋转卡盘上装夹工件；

步骤b，如果工件上所需加工的曲面的中心轴相对水平面倾斜，通过调位机构32调节旋转卡盘的俯仰角度；

步骤c，设定加工参数；

步骤d，移位机构带动焊枪移动，焊枪往工件喷射金属粉末及离子气，金属粉末熔覆在工件上，如果工件上所需加工的面包括有曲面，曲面堆焊过程中旋转卡盘带动工件旋转。

还包括有电气系统，电气系统包括有plc控制器、与plc控制器连接的触摸屏，配置专门用于粉末等离子堆焊的编程软件，plc全数字化控制系统、触摸屏人机交互界面；电弧电流大小、送粉量、出水量及气流量等参数均得到控制，使工艺参数的设定和控制更精细、更精确、更便捷。焊枪4的枪体结构为上下枪体式，中间为绝缘体，绝缘体联接上下枪体并将上下枪体绝缘；上枪体、绝缘体及下枪体均设置有水路，通过绝缘体联接上下枪体水路，为内走水式；通过气管引入离子气。焊机为igbt逆变式弧焊机，采用先进的具有恒流输出特性的igbt逆变式弧焊机，本焊接机为等离子弧堆焊机。焊枪4包括有弹性钨极夹头，通过钨极夹头装夹钨电极针。

粉末等离子弧堆焊，是采用氩气等离子弧作高温热源，采用合金粉末作填充金属的一种表面堆焊合金的工艺方法。在采用联合型等离子弧堆焊时，一般采用两台独立的直流弧焊机作电源，分别供给非转移弧和转移弧。两个电源的负极并联在一起，通过水电缆接至焊枪4的钨电级阴极。非弧电源的正极通过水电缆接至焊枪4的喷嘴。转弧电源的正极接至工件。循环冷却水通过水电缆引至焊枪4，冷却喷嘴和电极。氩气通过电磁气阀和转子流量计进入焊枪4。非弧电源接通后，借助在电极和喷嘴之间产生的高频火花引燃非转移弧。转弧电源接通后，借助非转移弧在钨极和工件间造成的导电通道，引燃转移弧。转移弧引燃后，可保留或切断非转移弧。在等离子焊枪4的阴极(钨电极)和阳极工件间建立起转移型等离子弧后，电能转化成热能，弧柱有很高的温度。等离子弧的热量流向，一是通过等离子弧流把热量过渡到阳极工件，用于加热工件；二是传给堆焊的填充料，加热熔化合金粉末；三是传给了周围的冷气流，其中一部分被近壁面的冷气流带走，一部分传给了喷嘴，一部分以热和光辐射的形式散失。传递到工件的热量，在工件表面产生熔池，该熔池主要是熔化了填充料(合金)，也熔进了一部分基材。熔池受到电弧加热，促成局部的冶金过程，熔池中的金属合金化，产生的气体和低熔点的熔渣浮在熔池表面。随着填充料的连续加入和工件的移动，产生连续熔池，离开电弧的熔池逐渐冷凝后形成堆焊层。利用等离子弧焊枪4，在阴极和水冷紫铜喷嘴之间，或阴极和工件之间，使气体电离形成电弧，此电弧通过孔径较小的喷嘴孔道，弧柱的直径受到限制，使弧柱受到强行压缩，这种电弧通常叫作“压缩电弧”。电弧被压缩后，和自由电弧相比会产生很大的变化，突出的是弧柱直径变细，促使弧柱电流密度显著提高。流经喷嘴孔道的气体，受到剧烈的碰撞和热作用，使气体能充分电离，产生正负离子相等的等离子体弧柱，因此把这种压缩电弧称作等离子弧。电弧通过喷嘴压缩孔道，受到强行压缩，产生稳定的等离子弧，主要是水冷紫铜喷嘴和气流这两个外因条件，促使电弧内部热电离过程的变化而实现的。外因对电弧的作用有热收缩效应、机械压缩效应、自磁压缩效应，三个效应对电弧作用的结果，使电弧受到强行压缩而产生等离子弧。

机座连接有立柱，移位机构2连接在立柱上；送粉器设置在立柱的上端。如图1和图2所示，移位机构2包括有横向丝杠21、连接在横向丝杠21上的横向滑块22、连接在横向滑块22上的竖向丝杠23、连接在竖向丝杠23上的竖向滑块24，焊枪4连接在竖向滑块24上；移位机构2还包括连接横向丝杠21的横向电机、连接竖向丝杠23的竖向电机，横向电机及竖向电机为步进电机、并连接plc控制器。焊枪4及工件分别电连接焊机的第一电极和第二电极；送粉器、供气系统及供水系统均与焊枪4连通，焊枪4上设置有电极针、喷嘴、出水孔及出气孔；堆焊工艺中，送粉器通过喷嘴往工件送粉，第一电极及第二电极将金属粉末加热熔覆在工件上。横向电机及竖向电机为步进电机，横向电机及竖向电机电连接plc控制器。

焊枪4连接有安装座，安装座通过连杆与竖向滑块24连接，连杆上设置有齿条、竖向滑块上连接有调位螺杆，连杆用于调节焊枪4与竖向滑块24之间的距离。供气系统包括连通焊枪4的气管、与气管连通阀体、与阀体连通的气泵，阀体可以为开关阀、换向阀等；供水系统包括连通焊枪4的水管、与水管连通的阀体、与阀体连通的水泵，供水系统还包括有水箱、与水箱连通的循环冷却组件。焊枪4通过送粉管连通送粉器。

如图4所示，送粉器包括储粉筒51、设置在储粉筒51下方的出粉筒52，储粉筒51的下端设置有用于连通出粉筒52的漏嘴；出粉筒52中设置有转盘53、刮板54及接粉漏斗55，转盘53的旋转轴沿竖向，储粉筒51的漏嘴偏离粉盘的转轴，刮板54同样设置在转盘53的上方，接粉漏斗55设置在转盘53下方，出粉筒52连通有进气管，接粉漏斗55的下端设置有出粉嘴；转盘53连接有刮粉电机，粉盘能够绕竖向转轴转动、且粉斗的漏嘴偏离粉盘的转轴。转盘53旋转方向如图4所示w方向，出粉筒52的气流方向如图4所示u方向，通过气流往焊枪送粉。刮粉电机为步进电机，并电性连接plc控制器。

当合金粉末从漏嘴流到粉盘上时，会在粉盘上自然堆积成圆锥状，形成的自然堆积角α，α角的大小与合金粉末的固态流动性有关；同时有粉盘绕轴转动，则在粉盘上就会堆积成一圈粉末。粉盘绕轴转动，刮板54将粉盘上堆积的粉末连续地刮下掉进接粉漏斗55，粉末借助自重和送粉气流从出粉嘴送进送粉管，通过送粉管送进堆焊枪4。当粉斗漏嘴的孔径和漏嘴端面距粉盘的高度确定后，对每一种材质和规格的合金粉末，送粉量只取决于粉盘的转速。通过调速装置，使转速在很宽的范围内连续精确的调节，于是送粉量就可以在很宽的范围内连续精确的调节。为了使送粉器根据送粉量的要求运行在最佳状态，可通过调整漏嘴的孔径或漏嘴端面距粉盘的高度，改变送粉量和粉盘转速的关系，这样使送粉量的调节范围更宽。气流从进气管进入出粉筒52，由接粉漏斗55进入出粉嘴，推带粉末进入送粉管。进气管还连通储粉筒51，使储粉筒51和出粉筒52气压平衡。储粉筒51和出粉筒52均为加厚有机玻璃，可以观察到粉筒储粉量及转盘53运转情况。粉盘的转轴是减速箱的输出轴；由步进电机驱动，通过plc输出的脉冲改变电机的转速，从而调节送粉量。由驱动器和步进电机组成的动力系统，具有速度调节范围宽、速度稳定、启动转矩高等显著的优点，从而送粉量调节灵敏度高，送粉均匀。送粉量的设定和调节借助触摸屏的操作系统，可以便捷地预先设定送粉量这一参数，在试焊后可予以修正。

如图1所示，旋转卡盘31连接有主轴电机，主轴电机用于带动旋转卡盘31转动。装夹机构3包括卡盘组件和尾座装夹组件，旋转卡盘31及尾座装夹组件用于分别装夹工件的两端。主轴电机为步进电机，并电性连接plc控制器。如图3所示，旋转卡盘31通过第一转轴连接在安装件33上，调位机构32包括连接安装件33的蜗轮32a以及与蜗轮32a传动连接的蜗杆32b；安装件33的两端通过第二转轴连接在支架上，安装件33的一端连接蜗轮32a，支架安装在机座上。蜗轮32a与安装件33连接、两者同轴转动，蜗杆32b与支架活动连接，蜗杆32b转动时，蜗杆32b通过蜗轮32a带动旋转卡盘31俯仰摆动；蜗轮32a蜗杆32b结构也可以替换为齿轮副结构。尾座装夹组件包括与机座连接的滑座以及连接在滑座上的顶尖，滑座还通过压块或螺栓与机座连接。

旋转卡盘31为多爪卡盘，旋转卡盘31的转轴为空心轴；旋转卡盘31包括卡盘体以及连接在卡盘体上的多个卡爪，卡盘体设置有用于容置卡爪滑移的滑槽(旋转卡盘31还包括有转块，转块的一个端面上设置有用于连接该多个卡爪的平面螺纹，转块转动时该多个卡爪同步沿滑槽向心移动或背心移动，实现工件装夹或松开)。旋转卡盘31装夹工件时，工件可容置在转轴的空腔中。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而并非对其进行限制，凡未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明技术方案的范围内。