碳化钨悬浮堆焊方法及其装置
技术领域
[0001] 本
发明涉及一种碳化钨悬浮堆焊方法，以及该悬浮堆焊方法所使用的装置。
背景技术
[0002] 碳化钨（WC）是一种由钨和碳组成的化合物，硬度极高，摩氏硬度为8.5～9，熔点达到2870℃；且碳化钨的
电阻低，常被用作
切削刀具材料、一些需要高硬度、高耐磨的器材零件，以及用来制造高硬度装甲等。另外，碳化钨还是耐磨行业解决局部恶劣磨损的有效物质。例如，铲运车的铲头或装载机的抓斗等，在工作时，需要与所运物体频繁摩擦，铲头或抓斗若完全由碳化钨制造，则成本过于高昂，并且也是没有必要的，实际工作中只需要增加局部磨损部位的耐磨强度就能解决问题。
[0003] 堆焊具有恢复焊件尺寸和表面强化两大功能，使用
焊接的方法，由火焰、
电弧、等离子弧等热源将堆焊材料
熔化，靠自身重
力在
工件表面堆积成耐磨、耐蚀、耐热的堆焊层。
[0004] 目前将碳化钨用于堆焊工艺时，先将碳化钨与其他辅助材料制备成碳化钨堆焊材料，也就是制成碳化钨堆焊
焊条和碳化钨堆焊
焊丝。其中，碳化钨堆焊焊条的制备方法有两种，一种是采用普通低碳
钢丝做芯材，通过在药皮中添加碳化钨颗粒而过渡；另一种是预先把碳化钨颗粒填充到低
碳钢钢带或钢管中，再在低碳钢钢带或钢管的外部涂敷普通结构钢焊条类型的药皮。
[0005] 对于上述含碳化钨的堆焊材料进行堆焊的方法有手工电弧堆焊、
氧-乙炔堆焊和钨极氩弧堆焊三种。由于堆焊材料中碳化钨颗粒是事先加入堆焊材料中，而不是在堆焊过程中重新形成的，所以堆焊方法的不同，导致对碳化钨颗粒本身的如烧损和
脱碳的影响不同，因此
耐磨性也会有不同的表现。
[0006] 对于手工电弧堆焊方法来说，一般堆焊工艺参数与正常手工
电弧焊接一样，比如，直径4.0毫米的焊条，堆焊
电流一般为170A左右。由于电弧
温度达到4000摄氏度以上，对碳化钨颗粒本身有一定的烧损作用，小的颗粒由于
比表面积较大，很多被烧损，然后再重新形成碳化钨晶粒和其他组织。大的颗粒烧损相对较轻，但表面会出现一定程度的脱碳层，导致耐磨性能等下降。因此一般不建议使用此方法堆焊碳化钨。但是由于使用和操作方便，目前仍有一部分场合在使用此方法。
[0007] 对于氧-乙炔堆焊方法来说，由于火焰可分为中性焰、碳化焰和氧化焰三种，为了避免碳化钨颗粒的烧损和脱碳，尽量用最高温度为2700～3500℃的碳化焰，碳化焰能提高堆焊层中的碳含量，但由于其最热火焰的温度也相对较低，而影响堆焊效率。
[0008] 钨极氩弧堆焊的温度高达4000℃以上，在堆焊时控制焊丝的热输入很重要，一般是用电弧把
母材加热到镜面状态，然后稍微加热焊丝，立即将焊丝端部送入电弧区。关键是尽量避免电弧
对焊丝的过度熔化和烧损。
[0009] 目前市场上有很多种碳化钨焊条或焊丝，结合上述堆焊方法使用时，由于碳化钨焊条或焊丝的熔敷的机理问题，堆焊后的效果并不理想；因此希望有一种工艺能使得碳化钨颗粒不烧损并附着在堆焊层中。但是由于碳化钨的比重大于普通
钢水的比重，在堆焊过程中碳化钨颗粒会沉入焊接熔池底部，形成碳化钨和堆焊材分层，无法使得碳化钨颗粒悬浮在堆焊层中，也就无法形成有效的耐磨堆焊层。
发明内容
[0010] 本发明的目的也即所要解决的技术问题是提供一种使得碳化钨颗粒能均匀分散在堆焊层中的碳化钨悬浮堆焊方法及其装置。
[0011] 实现本发明第一目的的技术方案是一种碳化钨悬浮堆焊方法，包括以下步骤：
[0012] ①将钢制工件装夹在安装平台上，并且需要堆焊的部位表面朝上，装夹完成后对钢制工件进行预热。
[0013] ②调整碳化钨供给管的
下管段与铅垂面的夹
角为30°～45°，并且碳化钨供给管的碳化钨供给管口距离钢制工件需要堆焊的部位表面20mm～35mm。
[0014] ③调整焊接装置的水冷
焊枪位于钢制工件的堆焊区域的上方以及堆焊区域的前后向的一侧；焊丝由
送丝机送入水冷焊枪中，使用前启动焊枪的冷却
水循环装置。
[0015] ④向水冷焊枪的下端两侧的抗磁偏吹装置的第一螺旋线圈和第二螺旋线圈通过交流电流。
[0016] ⑤在控制箱的控制下，送丝机输送焊丝至水冷焊枪下方的焊接处；焊接大电流依次通过水冷焊枪的枪柄、焊丝以及引弧板，在引弧板上起弧。
[0017] 起弧后碳化钨供给管的下管段随着水冷焊枪行进至钢制工件的堆焊区域上方，焊丝在钢制工件的堆焊区域的相应部位熔化并使得该相应部位形成熔池，控制碳化钨供料装置的碳化钨供给调速
电机，使得碳化钨颗粒从碳化钨供料装置的碳化钨供给管的管口落入熔池中，在第一螺旋线圈和第二螺旋线圈的磁力搅拌作用下，熔池中的钢水搅动，使得熔池中的碳化钨颗粒在钢水中翻滚，到钢水
凝固时，碳化钨颗粒以悬浮的形态固结在原熔池中。
[0018] 水冷焊枪在自前向后行走的同时还在摆动
控制器的控制下左右摆动，从而焊枪从前向后运动完毕后，在钢制工件的堆焊区域的前后向的摆动区域内堆焊了一层包裹碳化钨颗粒的堆焊层。
[0019] 当需要增加堆焊层厚度时，重复上述步骤。
[0020] 上述步骤④中抗磁偏吹装置的第一螺旋线圈和第二螺旋线圈中通过1A～5A的交流电流，第一螺旋线圈和第二螺旋线圈通过的电流的
相位相反。
[0021] 上述步骤⑤堆焊过程中，当碳化钨供料装置的碳化钨供给调速电机的转速加快时，进入熔池的碳化钨颗粒增多，当碳化钨供给调速电机的转速减慢时，进入熔池的碳化钨颗粒减少。
[0022] 所述水冷焊枪的行走速度为100～200mm/min，摆动宽度为20～30mm，焊枪从前向后运动完毕后，在钢制工件的堆焊区域的前后向的20～30mm宽的区域内堆焊了一层包裹碳化钨颗粒的堆焊层。
[0023] 实现本发明第二目的的技术方案是一种碳化钨悬浮堆焊装置，包括安装平台、焊接装置、
焊接电源、
机架，还包括碳化钨供料装置和抗磁偏吹装置、控制箱和连接架。
[0024] 焊接装置包括横向小车、提升装置、送丝机、摆动器
支架、摆动器和水冷焊枪，水冷焊枪铅垂设置安装在摆动器的焊枪座上，且水冷焊枪位于安装平台上方，水冷焊枪与焊接电源相连。
[0025] 碳化钨供料装置安装在机架上，包括碳化钨存料斗、碳化钨供给调速电机、带式
输送机，送料斗和碳化钨供给管；碳化钨存料斗位于送料斗上方，带式输送机位于送料斗内部；送料斗的顶盖上设有进料口，所述进料口与碳化钨存料斗的出料口相连；碳化钨存料斗中存有碳化钨颗粒，碳化钨存料斗的出料口位于送料斗内的带式输送机的送料皮带上方；送料斗的出料口与碳化钨供给管的进料端口相连，所述碳化钨供给管由铅垂设置的
上管段和倾斜设置的下管段组成，下管段与铅垂面的夹角为30°～45°；下管段的下端管口为碳化钨供给管的碳化钨供给管口，所述碳化钨供给管口位于安装平台的上方。
[0026] 连接架固定在水冷焊枪的枪杆的下端，所述连接架上开设两个通孔，水冷焊枪的枪杆与连接架的其中一个通孔固定连接，碳化钨供给管的下管段与连接架的另一个通孔固定连接。
[0027] 所述抗磁偏吹装置由两组螺旋线圈组成，分别为第一螺旋线圈和第二螺旋线圈，第一螺旋线圈和第二螺旋线圈分别与交流电源连接，第一螺旋线圈和第二螺旋线圈固定在水冷焊枪的下端两侧，且位于安装平台的
基座上方。
[0028] 所述碳化钨存料斗中存有碳化钨颗粒，所述碳化钨颗粒的粒径为1.1～1.7mm。
[0029] 所述碳化钨供给管的下管段采用软管，其伸缩性能使得下管段可以随着焊枪在工件上进行移动。
[0030] 所述控制箱内安装有控制
电路和相应的控制器；所述的各控制器均包括电源输入端、电源输出端和控制端；所述的控制器有行走控制器、摆动控制器、碳化钨供给调速电机控制器、送丝控制器、焊接电源控制器、抗磁偏吹装置的交流电源控制器；控制电路设有行走
信号输出端、摆动信号输出端、碳化钨供给调速电机信号输出端、送丝信号输出端、焊接电源信号输出端、交流电源信号输出端；
[0031] 控制电路的行走信号输出端与行走控制器的控制端电连接，控制电路的摆动信号输出端与摆动控制器的控制端电连接，控制电路的碳化钨供给调速电机信号输出端与碳化钨供给调速电机控制器的控制端电连接，控制电路的送丝信号输出端与送丝控制器的控制端电连接，控制电路的焊接电源信号输出端与焊接电源控制器的控制端电连接，控制电路的交流电源信号输出端与交流电源控制器的控制端电连接。
[0032] 本发明具有积极的效果：
[0033] （1）本发明的碳化钨悬浮堆焊方法不需要预先将碳化钨颗粒与辅材制成碳化钨焊条或焊丝后再堆焊，而是直接将碳化钨颗粒堆焊在工件需要增加耐磨性的部位上，并且碳化钨颗粒在堆焊过程中没有沉淀在堆焊层底部，而是从上至下均匀分散在堆焊层中，即悬浮在堆焊层中，冷却后堆焊部位的耐磨效果较强。
[0034] （2）本发明的碳化钨悬浮堆焊方法根据实际使用需要，可以多层堆焊形成高寿命抗磨层，也可以基于成本考虑适当降低耐磨层厚度。
[0035] （3）由于碳化钨颗粒以独立形式存在，因此本发明的堆焊方法只需要提供
能量将不含碳化钨的相应的焊丝熔化，焊丝熔化形成熔池后，再投放碳化钨颗粒进入熔池，整个堆焊过程对碳化钨颗粒没有烧损影响。
[0036] （4）本发明的碳化钨悬浮堆焊装置的碳化钨供料装置的电机的转速可调，因此可以实现碳化钨颗粒送料量的控制。
[0037] （5）本发明的碳化钨悬浮堆焊装置优选在水冷焊枪的下端外周设有抗磁偏吹装置，该装置能够保证实现稳定连续的焊接电弧，同时在堆焊过程中给熔池钢水一定的磁力搅拌，进一步使得碳化钨颗粒分布均匀。
附图说明
[0038] 图1为本发明的碳化钨悬浮堆焊装置的示意图；
[0039] 图2为本发明的堆焊方法制备的工件的示意图。
[0040] 上述中的附图标记如下：
[0041] 安装平台1，基座11，夹紧装置12，前侧夹紧装置12-1，后侧夹紧装置12-2，引弧板13；
[0042] 焊接装置2，摆动器21，水冷焊枪22，枪杆22-1，导电嘴22-2；
[0043] 碳化钨供料装置3，碳化钨存料斗31，碳化钨供给调速电机32，带式输送机33，驱动滚筒33-1，从动滚筒33-2，输送带33-3，送料斗34，碳化钨供给管35，上管段35-1，下管段35-2，碳化钨供给管口35-3，
[0044] 抗磁偏吹装置4，第一螺旋线圈41，第二螺旋线圈42；
[0045] 控制箱5，焊接电源6；
[0046] 碳化钨堆焊耐磨工件7，钢制工件71，堆焊层72，碳化钨颗粒73；
[0047] 连接架8，机架9。
具体实施方式
[0048] 本发明在进行具体方位描述时，图1的上下方位为描述中的上下方位，图1的右方为描述中的前方，图1的左方为描述中的后方。
[0050] 见图1，本实施例的碳化钨悬浮堆焊装置包括安装平台1、焊接装置2、碳化钨供料装置3、抗磁偏吹装置4、控制箱5、焊接电源6、连接架8和机架9。
[0051] 安装平台1主要包括基座11、夹紧装置12和引弧板13。基座11坐落在地面上。夹紧装置12包括前侧夹紧装置12-1和后侧夹紧装置12-2。前侧夹紧装置12-1和后侧夹紧装置12-2分别从上方固定设置在基座11的上表面的前端部位和后端部位上。所述引弧板13从上方固定设置在基座11的上表面上，位于前侧夹紧装置12-1和后侧夹紧装置12-2之间，且位于基座11的上表面的工作区域之外（工作区域是指放置待堆焊工件71的部位）。
由于焊接起弧时常会出现弧坑等
缺陷，因此在引弧板13上起弧可以避免工件上的焊接缺陷。
[0052] 机架9固定在建筑结构上，焊接装置2安装在机架9上（图中未画出）。
[0053] 焊接装置2包括横向小车、提升装置、送丝机、摆动器支架、摆动器21和水冷焊枪22，摆动器21是由伺服系统控制的机械摆动器，用来承载和控制水冷焊枪22。横向小车、提升装置、送丝机、摆动器支架的结构可参考中国
专利文献CN102107315A
说明书第12页第34段至36段。横向小车可以带动摆动器21相对于机架9进行前后向的移动。送丝机设置在横向小车上，并由相应电机驱动。提升装置设置在横向小车的车架上，摆动器支架安装在提升装置上，摆动器21由其固定座固定在摆动器支架的下部。
[0054] 摆动器21包括
驱动器及其传动机构，驱动器为
伺服电机，所述伺服电机与控制箱5电连接。本实施例的伺服电机采用交流伺服电机；传动机构为一个线性运动模组，设置在直线
导轨上，所述
直线导轨为进给导轨。传动机构包括顺序连接的滚珠
丝杠、丝杠
螺母及拖板。其中，滚珠丝杠与直线导轨平行设置，且滚珠丝杠通过
联轴器与交流伺服电机的
主轴固定连接；丝杠螺母与滚珠丝杠
螺纹配合，且丝杠螺母与直线导轨滑动连接。拖板固定连接在丝杠螺母上，且拖板上固定连接有焊枪座。水冷焊枪22铅垂设置并固定安装在摆动器的焊枪座上，且水冷焊枪22位于安装平台1的基座11的上方。使用时，交流伺服电机正反旋转而带动滚珠丝杠正反旋转，从而带动丝杠螺母沿直线导轨移动，使得固定连接在丝杠螺母上的拖板移动，从而使得水冷焊枪22沿直线导轨来回行走而实现沿左右向设置的铅垂面的摆动。水冷焊枪22的摆动速度、在左右边部的停顿时间以及摆动宽度均可以通过伺服电机的控制实现。
[0055] 水冷焊枪22的材质为
青铜，水冷焊枪22与焊接电源6电连接。所述焊接电源6为气体保护焊的焊接电源，最大电流为500A，焊接电源6的控制端与控制箱5的
控制信号输出端电连接。
[0056] 水冷焊枪22包括枪杆22-1、导电嘴22-2和
冷却水循环装置。在进行堆焊时，冷却水循环装置可以对枪杆22-1和导电嘴22-2进行冷却，因此使用水冷焊枪22可以避免因长时间的连续堆焊所产生的热量造成焊枪22-1和导电嘴22-2失效的情况的出现。
[0057] 枪杆22-1的下端固定连接架8，所述连接架8为长方形板，连接架上开设两个通孔，枪杆22-1与连接架8的其中一个通孔固定连接。
[0058] 碳化钨供料装置3安装在机架9上，碳化钨供料装置3包括碳化钨存料斗31、碳化钨供给调速电机32、带式输送机33，送料斗34和碳化钨供给管35。碳化钨存料斗31位于送料斗34上方，带式输送机33的驱动滚筒33-1、从动滚筒33-2和输送带33-3均位于送料斗34内部，且驱动滚筒33-1和从动滚筒33-2由各自的
心轴通过相应的
轴承与送料斗34转动连接，输送带33-3围绕驱动滚筒33-1和从动滚筒33-2设置。
[0059] 碳化钨存料斗31中存有碳化钨颗粒，所述碳化钨颗粒的粒径为1.1～1.7mm，碳化钨存料斗31的出料口位于送料斗34内的带式输送机33的输送带33-3的上方。
[0060] 碳化钨供给调速电机（以下简称调速电机）32的转速可调，该调速电机32的控制端和电源端与控制箱5的相应的端口分别电连接。调速电机32的
转轴通过联轴器与带式输送机33的驱动滚筒33-1的心轴的伸出送料斗34的端头固定连接。
[0061] 送料斗34的顶盖上设有进料口，所述进料口与碳化钨存料斗31的出料口相连。送料斗34的出料口与碳化钨供给管35的进料端口相连。所述碳化钨供给管35由铅垂设置的上管段35-1和倾斜设置的下管段35-2组成，下管段35-2与上管段35-1的夹角为135°～150°。上管段35-1的上端管口即为碳化钨供给管35的进料端口；下管段35-2的下端管口即为碳化钨供给管35的碳化钨供给管口35-3，所述碳化钨供给管口35-3位于安装平台
1的基座11的工作区域的上方。下管段35-2固定在连接架8内，从而下管段35-2随着水冷焊枪22的枪杆22-1移动。
[0062] 下管段35-2采用软管，其伸缩性能可以满足下管段35-2随着焊枪22在工件71上进行移动的范围。下管段35-2也可以采用
波纹管。
[0063] 堆焊时，碳化钨存料斗31中的碳化钨颗粒在重力作用下落到带式输送机33的输送带33-3上，驱动滚筒33-1在碳化钨供给调速电机32的驱动下，带动输送带33-3上装载的碳化钨颗粒从左向右移动，直至碳化钨颗粒从输送带33-3上落下，从送料斗34的下端出料口进入碳化钨供给管35中，最后从碳化钨供给管口35-3流出而落到钢制工件71的已形成熔池的部位。
[0064] 由于碳化钨供给调速电机32的转速可调，因此根据工件焊后分布
密度要求，可以通过调节调速电机32的转速而控制输送的碳化钨颗粒的送料量；当工件焊后碳化钨颗粒分布密度较高时，增加调速电机32的转速，而工件焊后碳化钨颗粒分布密度较低时，就可以降低调速电机32的转速。
[0065] 所述抗磁偏吹装置4由两组螺旋线圈组成，分别为第一螺旋线圈41和第二螺旋线圈42。第一螺旋线圈41和第二螺旋线圈42与控制箱5电连接（图1中只画出第一螺旋线圈41与控制箱5电连接），第一螺旋线圈41和第二螺旋线圈42分别与交流电源连接（图中未画出）。第一螺旋线圈41和第二螺旋线圈42固定在水冷焊枪22的下端的前后两侧，且位于安装平台1的基座11的工作区域的上方。工作时，抗磁偏吹装置4跟随焊枪22移动，通过在第一螺旋线圈41和第二螺旋线圈42中流过交流电流而产生
磁场，保证焊接电弧稳定连续，同时给熔池钢水带来适当的磁力搅拌，使得熔池中的碳化钨颗粒分布均匀。
[0066] 所述控制箱5内安装有控制电路和相应的控制器。所述的各控制器均包括电源输入端、电源输出端和控制端。所述的控制器有行走控制器、摆动控制器、调速电机控制器、送丝控制器、焊接电源控制器、抗磁偏吹装置4的交流电源控制器。行走控制器控制横向小车的行进，摆动控制器控制摆动器21的摆动，调速电机控制器控制碳化钨供给调速电机32的转速，送丝控制器控制送丝机，焊接电源控制器控制焊接电源6。控制电路设有行走信号输出端、摆动信号输出端、碳化钨供给调速电机信号输出端、送丝信号输出端、焊接电源信号输出端、交流电源信号输出端。
[0067] 控制电路的行走信号输出端与行走控制器的控制端电连接，控制电路的摆动信号输出端与摆动控制器的控制端电连接，控制电路的碳化钨供给调速电机信号输出端与调速电机控制器的控制端电连接，控制电路的送丝信号输出端与送丝控制器的控制端电连接，控制电路的焊接电源信号输出端与焊接电源控制器的控制端电连接，控制电路的交流电源信号输出端与交流电源控制器的控制端电连接。
[0068] 使用上述装置的碳化钨悬浮堆焊方法，包括以下步骤：
[0069] ①将钢制工件71放置在安装平台1的基座11上，所述钢制工件71由Q235钢板
铸造而成；钢制工件71由夹紧装置12从前、后方向夹持在前侧夹紧装置12-1和后侧夹紧装置12-2之间，使得钢制工件71装夹在安装平台1上，并且需要堆焊的堆焊区域朝上。装夹完成后对工件71进行预热，使得工件71温度上升至200℃～300℃。
[0070] ②调整碳化钨供给管35的下管段35-2与铅垂面的夹角的锐角为30°～45°（本实施例中为30°），并且碳化钨供给管35的碳化钨供给管口35-3距离钢制工件71需要堆焊的部位表面20mm～35mm（本实施例中为28mm）。
[0071] ③调整焊接装置2的水冷焊枪22位于引弧板13的上方以及堆焊区域的前后向的一侧（本实施例中为前侧）；焊丝由送丝机送入水冷焊枪22中，使用前启动冷却水循环装置，调整水冷焊枪22与钢制工件71的堆焊区域的上下向的距离为25mm～35mm（本实施例中为28mm）。
[0072] ④向抗磁偏吹装置4的第一螺旋线圈41和第二螺旋线圈42通过1A～5A的交流电流，第一螺旋线圈41和第二螺旋线圈42通过的电流的相位相反。
[0073] ⑤在控制箱5的控制下，送丝机输送焊丝至水冷焊枪22下方的焊接处，所述焊丝为CHS-50-6气体保护焊用焊丝，直径1.6mm。本实施例中所用的保护气体由80%氩气和20%二氧化碳组成。
[0074] 控制焊接电流为170A～230A（本实施例中为200A），焊接
电压为25V～35V（本实施例中为30V），焊接大电流依次通过水冷焊枪22的枪头、焊丝、工件71以及引弧板13，在引弧板13上起弧而使引弧板13的该部位和焊丝端头处的温度急剧上升，从而使得焊丝熔化。
[0075] 起弧后，水冷焊枪22在行走控制器的控制下行进至钢制工件71的堆焊区域上方，焊丝在工件71的堆焊区域的相应部位熔化并使得该相应部位形成熔池，控制调速电机，使得碳化钨颗粒从碳化钨供给管35的管口35-3落入熔池中，在第一螺旋线圈41和第二螺旋线圈42的磁力搅拌作用下，熔池中的钢水被搅动，使得熔池中的碳化钨颗粒在钢水中翻滚，到钢水凝固时，碳化钨颗粒以悬浮的形态固结在原熔池中。
[0076] 水冷焊枪22在向后行走的同时还在摆动控制器的控制下左右摆动，水冷焊枪22的行走速度为100mm～200mm/min（本实施例为100mm/min），水冷焊枪22的摆动宽度为20～30mm（本实施例为30mm），水冷焊枪22的摆动速度为25～40mm/min（本实施例为
30mm/min）；从而在钢制工件71的堆焊区域的前后向的30mm宽的区域内堆焊了一层包裹碳化钨颗粒73的堆焊层72，而获得碳化钨堆焊耐磨工件7（见图2）。堆焊层72内碳化钨颗粒73均匀弥散分布，整体悬浮效果实现率达到78%。
[0077] 若需要增加堆焊层的厚度，则对上述部位重复上述步骤进行堆焊，直至获得符合要求的堆焊层厚度。
[0078] 在进行堆焊的过程中，通过改变控制箱5中的调速电机控制器，可以控制从碳化钨供给管35流出的碳化钨颗粒的多少；当调速电机32的转速加快时，进入熔池的碳化钨颗粒增多，当调速电机32的转速减慢时，进入熔池的碳化钨颗粒减少。
