連續式感應自動化釬焊機設計及釬焊性能

楊雷，于忠婷，陳睿博，王琿，呂紅英

(中國機械總院集團寧波智能機床研究院有限公司，浙江 象山 315700)

0 前言

在超硬工具的制造過程中，焊接是最主要的環節之一，其選用的焊接方法和焊接工藝直接影響到超硬工具的質量[1-2]。然而，國內許多超硬工具釬焊過程通常還是停留在手工焊接，例如PCD 刀具、建工鉆頭、合金鉆頭、合金磨頭、牙科合金刀具、合金鋸片等，焊接溫度及升溫過程難以精確控制，焊接質量依靠工人的技術等級，因此存在焊接質量很不穩定、生產效率低等問題[3-4]。生產中為提高建工鉆頭的鉆削硬度和鉆削效率，現有建工鉆頭一般都會在鉆頭基體的頭部鑲嵌一個硬質合金片，以硬質合金片作為刀頭進行鉆削加工，由于硬質合金片與鉆頭基體為分體結構，在加工過程中需通過釬焊的方式將兩者固連在一起。在中國超硬工具等制造業中釬焊運用廣泛，相關產業產值巨大[5-6]。釬焊工藝性能關系到釬焊產品的質量穩定性及使用壽命[7]。

建工鉆頭生產地樂清市芙蓉鎮被稱為全國“鉆頭之鄉”，建工鉆頭產品占國內份額的70%以上，然而該地建工鉆焊接主要還是以手工進行，生產效率低、產品一致性較、差勞動強度高。當地政府大力統籌推進鉆頭行業數字化、智能化、低碳化轉型，市場上急需能夠進行自動化焊接建工鉆頭的設備。因此，開發出性能滿足產品要求、釬焊質量要、高效、綠色、質量穩定的自動化釬焊設備是市場的必然趨勢，建工鉆頭自動化釬焊機就是在這種背景下進行研制的。

1 建工鉆頭自動化釬焊機的機構及工作原理

1.1 整體結構

該自動化釬焊機主要由機械系統、釬焊系統及電控系統組成，其機構示意圖如圖1 所示。其中機械系統包括機架、上料找正裝置、裝片裝置、點膏裝置及機架等組成，釬焊系統包括感應電源、感應線圈及焊接輸送鏈板等組成。在控制系統上由觸摸屏、PLC 及各執行系統組成。

圖1 自動化釬焊機結構示意圖

1.2 工作原理

首先，通過自動化釬焊機的操作系統中的學習系統將各種不同規格型號的建工鉆頭焊接參數順序輸入自動化釬焊機的記憶數據庫中。焊接建工鉆頭時，首先選中需焊接鉆頭的焊接參數，將鉆頭基體存放到上料找正裝置的鉆頭基體存放筐內，并將合金片放置在裝片裝置的振動盤內，準備工作完成后操作控制面板啟動自動化釬焊機，順序完成鉆頭基體上料找正、將合金片裝入基體、將焊膏點到基體與合金片組合體上、鉆頭組合體勻速通過釬焊系統即焊接完成，焊接過程為鉆頭基體加熱到一定溫度將焊膏熔化，填滿合金片與鉆頭基體之間的縫隙，焊接過程中測量鉆頭溫度反饋給控制系統，通過自動調節感應電源焊接參數完成自動化釬焊。焊接過程控制原理如圖2 所示。

圖2 工作原理圖

2 硬件設計

為了確保建工鉆頭焊接速度、焊接質量，在機械上設計有上料找正裝置、裝片裝置、點膏裝置及釬焊系統，各裝置都有各自的特點保證完成焊接工序。

2.1 上料找正裝置的設計

上料找正裝置主要包括鉆頭基體上料筐、調節氣缸、找正電機、找正底座、上料滑軌、找正部、找正氣缸、找正頭、夾片、找正安裝座、找正傳感器、鉆頭上料板及上料氣缸等組成，如圖3 所示。其中鉆頭基體上料筐寬度方向可以調節適用于不同長度的鉆頭基體，鉆頭基體上料筐上方設置有上料滑軌，該滑軌兩端各設置有找正部和調節部，找正部對應鉆頭基體開槽端，調節部對應鉆頭基體鉆柄端，通過調節氣缸與找正氣缸能夠實現找正部固定與調節部之間的間距，進而能夠將鉆頭上料板帶上來的鉆頭基體進行固定，鉆頭基體固定后鉆頭上料板通過上料氣缸下降，找正電機轉動從而帶動鉆頭基體旋轉使鉆頭基體所開槽卡在找正部夾片內，鉆頭基體卡在夾片內時找正頭被鉆頭基體推動，進而找正傳感器得到已找正信號。

圖3 上料找正裝置示意圖

2.2 裝片裝置的設計

裝片裝置主要包括裝片前滑板、裝片指爪氣缸、裝片前氣缸、壓痕機構、壓痕氣缸、裝片通道機構、裝片后氣缸、推片條、合金片上料臺、合金片輸送機構及基座等組成，如圖4 所示。其中壓痕機構是將鉆頭基體開槽處壓出毛刺痕跡，其設計目的為了將合金片可以牢牢的卡在鉆頭基體槽內；裝片通道機構是為了將合金準確的輸送到鉆頭基體槽內，機構內部設置有可更換的槽道，根據合金片的大小進行調整，提高設備的通用性。上料找正裝置將鉆頭基體上料找正后，由機頭部件將找正后的鉆頭基體搬運至裝片指爪氣缸指爪夾住鉆頭基體，后由裝片前氣缸推動裝片前滑板從而帶動鉆頭基體前進，將鉆頭體開槽處推到壓痕機構與裝片通道機構通道口處，首先由壓痕機構進行壓痕，壓痕結束后，裝片后氣缸帶動推片條將由合金片上料臺與裝片通道機構共同輸送到的合金片推至鉆頭基體開槽內，此時將合金片與鉆頭基體暫時組成為一個組合體，最后由裝片前氣缸帶動裝片前滑板將鉆頭組合體帶出壓痕機構及裝片通道口處。

圖4 裝片裝置示意圖

2.3 點膏裝置的設計

點膏裝置主要包括點膏滑板、點膏指爪氣缸、點膏氣缸、點膏盤、點膏電機、光電傳感器、點膏盒蓋板、點膏盒、壓力傳感器及基座等組成，如圖5 所示。將焊膏裝入點膏盒內，通過點膏電機帶動點膏盤轉動，點膏盤上有4 個點膏槽，點膏盤一部分浸在點膏盒內，點膏盤在焊膏內轉動將點膏槽填滿焊膏，點膏盤上設置有擋光片，擋光片通過光電傳感器控制點膏盤旋轉角度，將點膏槽停在預定位置等待鉆頭組合體進行點膏。通過機頭裝置將鉆頭組合體從裝片指爪氣缸指爪處搬運至點膏指爪氣缸指爪處夾緊，由點膏氣缸帶動點膏滑板運動將鉆頭組合體送至點膏盤的點膏槽處，點膏電機帶動點膏盤轉動將點膏槽內的焊膏刮至鉆頭組合體上，后由點膏氣缸帶動點膏滑板將點好焊膏的鉆頭組合體帶出點膏槽。

圖5 點膏裝置示意圖

2.4 釬焊系統的設計

釬焊系統主要包括鏈板機、鉆頭座、感應線圈、感應電源、機架及鏈板機調節座等組成，如圖6 所示。點有焊膏的鉆頭組合體由機頭部件從點膏指爪氣缸指爪處搬運至鏈板機前端的鉆頭座上，由鏈板機已設定好的速度勻速通過感應線圈，通過感應線圈后設置有一個反饋測溫點，自動調整感應電源的焊接參數，其中感應電源的控制集成到控制面板中，設置好對應鉆頭型號所需的電流參數，并由反饋測溫進行實時調節。

圖6 釬焊系統示意圖

3 焊接工藝及控制系統設計

3.1 焊接工藝流程圖

建工鉆頭自動化釬焊機焊接工藝流程圖如圖7所示。

圖7 焊接工藝流程圖

3.2 控制系統的設計

控制系統采用西門子S7-1200 系統PLC 可編程控制器進行控制，焊接參數設置、操作控制采用昆侖通態觸摸顯示屏進行人機交換控制。該自動化釬焊機在上料找正裝置中設置有找正傳感器、裝片裝置中設置有合金片到位傳感器、點膏裝置中設置有點膏盤轉動角度傳感器、釬焊系統中設置有焊接完成溫度傳感器及各個氣缸前后電磁感應傳感器等共同完成對釬焊機的工作狀態檢測，各個信號反饋給PLC 進行控制[8]，系統的控制應滿足工藝要求并且能夠適應各種情況。釬焊機工作的模式分為自動和手動模式，手動模式主要運用在設備調試、焊接工藝參數校對等，自動模式運用在日常生產中。自動化釬焊機在運行過程中觸摸顯示屏上會顯示設備的運行狀態，當出現故障等問題時，觸摸顯示屏上能顯示出故障發生的原因及簡單的處理辦法，該設備也隨及停止運行，等待人員處理。

4 技術性能

4.1 自動化釬焊機性能

通過大量試驗驗證及釬焊機實際工作表現建工鉆自動化釬焊機達到了以下技術性能：①采用可調節、更換的合金片通道等方式，同時控制系統存儲了多種鉆頭規格型號，現自動化釬焊機可焊接直徑為4 mm，6 mm，8 mm，10 mm，12 mm 的建工鉆，建工鉆長度范圍為100～300 mm；②自動化釬焊機每小時可以焊接建工鉆650 支以上，大大提高了焊接效率；③建工鉆合金片焊接左右位置定位精度達到0.02 mm；④建工鉆自動釬焊機焊接溫度檢測精度為5 ℃，圖8為焊接的建工鉆。

圖8 焊接建工鉆

4.2 釬焊性能

隨機抽取該自動化釬焊機焊接鉆頭成品進行焊縫性能檢測，抽取鉆頭采用的是銅焊膏進行釬焊，硬質合金刀片為YG8，鉆頭基體材質為42CrMo 鋼，鉆頭直徑為10 mm，長度為150 mm，釬焊焊縫寬度為0.12 mm。

采用線切割將焊接完成后的建工鉆頭切開，對釬縫進行打磨拋光進行組織觀察。釬縫的顯微組織如圖9 所示。由圖可以看出釬縫的成形性較好，無氣孔，接頭處結合緊密。

圖9 釬縫的顯微組織

在掃描電鏡下對釬縫進行觀察，釬縫無明顯缺陷，釬縫各元素的線掃描結果如圖10 所示。由圖可以發現，釬縫各元素在接近兩母材側均發生了一定程度的擴散，這是形成良好釬縫的基礎。且發現Zn 元素在兩側擴散的較少，不易擴散[9]。

圖10 釬焊焊縫主要元素掃描

5 結論

建工鉆頭自動化釬焊機的成功研制實現了建工鉆頭的完全自動化焊接，穩定了建工鉆頭的焊接質量及一致性，提高了建工鉆頭的使用壽命，節約了生產制造成本，降低了勞動強度，填補了國內建工鉆頭自動化釬焊的空白，為建工鉆制造業從手工焊接向自動焊接提供了參考，推進了超硬工具焊接向數字化、智能化、低碳化轉型，對中國焊接自動化的發展具有推動作用。