焊接修补方法和金属部件的堆焊装置 本发明涉及金属部件的焊接修补方法和采用该方法的堆焊装置。本发明可以用于对金属部件的尺寸进行局部修正，以及对这样的金属部件的相对微小的裂痕部分进行修补，所述金属部件例如是橡胶或合成树脂产品等的金属模具。
金属模具在制造过程中或以后付诸使用时常常会产生裂痕或出现尺寸变形。人们经常希望通过修正或修补裂痕部分或尺寸变形来经济地恢复这些模具。为了进行修补和纠正这些问题，氩堆焊在目前用得相当普遍。根据这种焊接方法，在氩气氛中利用电弧使焊条熔化，在金属部件的熔合区进行堆焊，固化以后将任何多余的焊接部分去除，并通过磨光完成修补。由于这一氩堆焊法需要持续产生高达6,000至8,000℃的电弧热使焊条熔化，所以可能产生与加热有关的各种问题，如金属部件的形状的缩凹和颜色的改变。因此氩堆焊对相对小的修正或修补而言可能是不合适的。
已经提出了其它修正和修补方法，包括(a)银钎焊，(b)堆焊变形涂覆(build-up metabolizing plating)，(c)敲打，和(d)嵌入插入物。这些方法有其优点，但也有许多不足之处，限制了对金属模具进行修正和修补的能力。例如，方法(a)、(b)和(c)的耐久性差。修补方法(b)和(d)需要长时间的操作，而修补方法(c)需要一定的技能。此外，所有这些方法(a)至(d)对纠正细小问题都是不适用的。
日本未审查专利公开第5-261585号和第5-261586号(二者对应于美国专利第5,378,867号)揭示了一种焊接修补方法和堆焊装置，可用来修补金属部件的相对微小的断裂或裂痕部分，或者修正金属部件地尺寸，所述金属部件例如是形成合成树脂的金属模具。根据所引述的出版物，一个辅助电极与金属部件相连，并将适量的细粉状焊剂堆放在待修补的金属部件部分，或者另外在上面提供薄片型焊接材料。焊粉或焊接材料局部地压在金属部件上，并且在导电点施加大约300-1500安培的大脉冲电流，持续时间很短，大约是1/1000-4/1000秒，以便在金属部件上形成熔核。于是，熔化的金属以点或线的形式或者作为一层堆在被修补的部分上。固化以后，将堆焊多余的填充部分去除，并研磨或抛光。这一焊接修补法和堆焊装置可实现形成单一体的熔合焊接，熔化金属的焊接强度(熔合系数)和焊接的耐久性都很好，并且很难将焊接部分与金属部件分开。
然而，通过对放大的显微照片等进行仔细观察后发现，堆焊部分(被焊接金属)的焊接系数或熔合系数大约是95％，而不是100％。焊接系数取决于工人的技术水平，因为在用主电极进行操作期间，由于微小的运动误差被焊接金属(熔核)不可能连续被焊接。这是因为通过来自堆焊装置的主电极的单个脉冲，形成的每个熔核是直径大约为0.6-1mm的小点。对堆焊而言，这些点形熔核相互连在一起或堆积成为层。焊接系数差导致堆焊部分分离和修补失败。
因此本发明的一个目的是提供一种修补和修正方法以及堆焊装置，适合于进行微小的修补和修正，而不会由于过热对金属部件产生不利影响。
本发明的另一目的是提供一种修补/修正方法和采用该方法的堆焊装置，其中堆焊部分(被焊接金属)具有极好的耐久性和质量，修补和修正操作可在短时内进行，并且不需要高级的技能。
根据本发明的焊接修补方法采用上述堆焊装置，该装置(以后称为焊机)在日本未审查专利公开第5-261585号和第5-261586号(二者对应于美国专利第5,378,867号)中予以揭示，用于进行堆焊，通过用焊接金属填充待修补的金属部件的一部分，使堆焊具有所要求的深度。然后根据本发明，为了实现上述目的，形成额外的堆焊。用新开发的电弧熔化机包围在非活动性气体的气氛中固定在金属部件的被修补部分上的被焊接金属，并施加短时的电弧，再次熔化被焊接金属，形成熔合区。焊机对待修补的金属部件部分进行堆焊，但是焊接系数不是100％(例如小于95％)。然而，本发明利用电弧熔化机发出的电弧热可以完全(100％)熔化焊接区。100％熔合的熔核(堆焊部分)固化以后，去除多余部分并进行磨光，以便实现高质量的焊接修补。
采用上述方法的本发明的堆焊装置包括焊机和电弧熔化机的组合，焊机用于将熔化金属堆焊到金属部件上，电弧熔化机用于通过电弧热再次使堆焊金属熔化。焊机的主电极利用一个脉冲形成点形被焊接金属熔核，大小为0.6-1mm。电弧熔化机立即用单个放电电弧熔化5-10个被焊接金属部分或熔核，即直径为3-5mm和深0.5-1mm的立方体积。最好通过向堆焊部分均匀施加电弧而使被焊接金属完全熔化和熔合。电弧熔化机可以利用电弧将熔核再次熔化成单一体，新的熔化物的大小是由焊机形成的原始熔核的5-10倍。
焊机包括辅助电极、主电极和电源设备，辅助电极与金属部件电连接，主电极具有足够的强度和形状，以便将细粉状焊剂或薄片型焊接材料压入待修补的金属部件，电源设备用于在主电极和辅助电极之间产生一个300-1500安培的大脉冲电流，持续时间很短，例如是1/1000-4/1000秒。在主电极中可以安装一块磁体，以便将细粉状焊剂吸到主电极的适当位置。这种主电极在日本经审查UM公开第7-19667号中予以揭示。
电弧熔化机包括主电极、辅助电极和电源设备，主电极将电弧施加到附近的金属部件的被焊接金属(堆焊部分)上，辅助电极与金属部件电连接，电源设备通过使电流在金属部件的堆焊金属和与焊接金属相邻的主电极中流动，产生从主电极到被焊接金属(熔核)的预定电流范围的电弧。当电流值在0和100安培之间、持续时间在0.01至1.0秒、最佳范围在0.1至0.2秒的情况下，在修补处产生电弧。主电极越到端部越细，或呈锥形。电弧熔化机的主电极由诸如硬橡胶那样的绝缘材料制成的电极套包裹，或由机械手支撑。电弧熔化机的主电极可以是钨或类似材料做的，其本身不熔化，并应具有锥形，以便更好地控制电弧的方向。主电极和被焊接金属之间的距离最好大约是0.5mm。最佳电流范围是0-70安培，特别是0-65安培。电弧熔化机具有惰性气体输送机构，用于将被焊接金属包围在非活动性气体中，以防止被焊接金属受到氧化。
有两种类型的焊机和电弧熔化机。一种是组合型，两种机器具有共同的电源电路和控制印刷电路板。另一种类型是将两种机器分离，每台机器具有其本身的电路。
应用本发明的焊接修补方法的金属部件可以是模制合成树脂和橡胶的金属模具、压铸模具、玻璃模具等。金属模具可以由铍、铜合金、铝合金、钢、不锈钢等制成。
应用本发明的待修补的金属部件部分可以是接合线、三棱线的尖或磨损的棱、剪切的斜面、破裂部分等。待修正的部分也可以是要修改成弧形的角、二次缩凹部分、咬边、砂眼、氩焊后出现的凹点或针孔。
本发明的焊接材料可以是粉末合金(粉状焊剂)、薄片材料、细线条、球形材料、膏或其它材料。结合待修补部分的尺寸、形状和其它条件来选择这些材料。如果选择粉末合金(粉状焊剂)作为焊接材料，那么修补三角形部分、棱和类似部分就很容易了。
由非活动性气体输送机构输送的非活动性气体可以是氩气、氦气或通常用来防止金属部件和焊接材料氧化的其它气体。
根据本发明，焊机将焊接材料堆焊在金属部件的修补部分之后，电弧熔化机的主电极放在堆焊部分(被焊接金属)上方，通过启动电源设备在一段很短时间将预定电流值的电弧施加到被焊接金属上，于是被焊接金属立即熔化，形成熔化区，并固化。这样，被焊接和被熔化的部分完全(100％)熔合，可以形成稳定的堆焊部分。通过用焊机反复进行焊接材料的堆焊和用电弧熔化机反复进行电弧再焊接，在待修补的所有部分可以形成高质量、高稳定性的堆焊部分。这之后，去除多余的堆焊部分并进行磨光，以便得到高质量、高稳定性的修补或修正。
由于对焊接材料进行堆焊和施加电弧的时间非常短，所以金属部件不会受到热的不利影响，产生缩凹、变形、变化、弯曲、颜色改变等。
由于金属部件被熔合并进行堆焊成为单一体，所以通过磨光去除的部分不到大约1/100mm，完成的部件耐久性好，而且修补操作不困难。因此，本发明不需要长时间操作或技能，并且质量和完成水平与工人的技术无关。由于不产生有毒气体，所以焊接操作是安全的。堆焊部分的去除量可以最大限度地减小，简化了加工工艺。因此，金属模具等的金属部件可以方便和可靠地恢复。
通过参照以下对实施例的描述和附图，将全面理解本发明。然而，这些附图仅用作说明的目的，而不是对本发明的限制。
图1是根据本发明的堆焊装置的电源的电路图，其中焊机和电弧熔化机组合在一起；
图2是焊机的用手操作型主电极的主视图；
图3A、3B和3C是表示采用主电极和薄片型焊接材料的堆焊过程的正面图；
图4是表示对三角形区域的尖进行堆焊的透视图；
图5是表示对金属部件的棱或边缘进行堆焊的透视图；
图6是包括吸引粉状焊剂的磁体的主电极的侧视图，其主要部分切除了；
图7是表示利用主电极对金属部件的棱进行堆焊的透视图；
图8是表示利用电弧熔化机的主电极对堆焊部分进行再熔化的透视图；
图9A、9B和9C是表示对三角形区域金属部件的尖进行焊接修正的透视图；以及
图10是仅用于电弧熔化机的分离型电源的电路图。
以下参照附图讨论本发明的实施例。
图1是根据本发明的用于焊机和电弧熔化机的电源电路。在该图中，参考号P代表焊机的电源电路，而参考号Q代表电弧熔化机的电源电路。堆焊装置的电源电路与AC100伏电源线相连，并且作为控制电路41的印刷电路板(PCB)控制整个装置。
首先讨论焊机的电源P。电源P向锥形主电极8和辅助电极20提供一个电压(为焊机和电弧熔化机共用)，辅助电极20通过连接装置与金属部件电连接。当接通电源开关5时，电源P起作用，允许用焊接材料进行焊接操作。工人每次接通脚踏开关50便产生一个脉冲，用该脉冲进行一次焊接。通过电压调节电路14在大约AC0-10伏的范围内调整焊接电压，电压调节电路14是一个单线圈的变压器，其两端通过开关5与AC电源线相连。当脚踏开关50被踏下或接通时，控制器41使固体继电器(SSR)15接通，对电容器C1、C2、C3和C4进行充电。然后，可控硅(SCR)16被控制电路14触发，从而对这些电容器放电。放电电流流经变压器17的原边绕组，所以低压大电流(300-1500安培)流经变压器17的副边绕组。这一大电流立即从主电极8流向辅助电极20，以便进行焊接。流经主电极8的脉冲电流波形示于图1，其中流动的时间(1/1000-4/1000秒)与电流值(300-1500安培)成反比。如果连续踏下脚踏开关或脚踏开关连续接通，那么周期性重复进行充放电操作，因此焊接连续进行。利用调节控制继电器控制周期的控制电路41的数字定时器，可以在0.3-0.5秒的范围内调节充放电的周期。图1的电源设备可以做成紧凑的便携式装置，重量轻。
如果用手操作对金属部件的修补部分进行堆焊，那么主电极8被绝缘电极套19包裹，如图2所示。然后在待修补的金属部件1的部分3上提供薄片型焊接材料4，如图3所示。工人手握电极套，将主电极8的尖端压向焊接材料4。主电极8如图3A至3C所示那样运动，因此薄片型焊接材料嵌入修补部分3的槽中。电源设备的脚踏开关50接通，产生300-1000安培的大脉冲电流，在被修补部分上形成被焊接金属(熔核)。在这种情况下，被电流熔化的焊接材料的熔核与金属部件的熔点部分熔合。当主电极8一个步距一个步距(步距对应主电极8的直径)地前进时，焊接材料的多个熔化部分连续不断地连在一起，或以多层的形式堆焊。于是，通过在修补处形成具有足够厚度的熔核、线或层，完成了堆焊。如果需要用机器自动进行焊接操作，那么主电极8将被安装在机械手或类似装置上，启动电源电路中的自动开关51，控制整个系统。
图9A-9C表示由磨损、钝角或断裂引起的待修补的金属部件1的三角形尖角3(图9A)。图9B表示在修补处有足够量的堆焊部分6的状态。对于在三角形尖角进行堆焊，最好利用具有如图4所示的方棒(或扁棒)形状的主电极8。焊接材料4可以是厚度为0.2mm和5mm的薄片，跨放在修补部分上。将主电极8的尖端压向焊接材料，进行临时点焊，将焊接材料定位。主电极8沿垂直方向和水平方向运动，以便一点一点地焊接焊接材料，然后形成多个连续的被焊接金属熔核，完成堆焊部分6。如果堆焊部分6的厚度不够，那么通过主电极8使焊接材料弯曲并压焊接材料，以便形成多层熔核。然后利用电弧熔化机使堆焊部分6再次熔化。当熔化部分固化以后，用工具如刮刀去除多余的堆焊部分，并用研磨机或锉刀进行磨光，以便恢复三角形尖角13(图9C)。
假如修补金属部件1的棱(边缘线)，则沿待修补的棱将薄片型焊接材料附在金属部件1上。为了进行焊接，滚动主电极8的圆棒(图5)。
图6和7表示采用细粉状焊剂4’作为焊接材料和主电极8包括永久磁铁2 4的情况。粉状焊剂被吸到用于进行堆焊的电极的外表面上。永久磁铁24(或电磁铁)被安装在主电极8的吸引粉状焊剂4’的那部分上。主电极8的另一侧用非磁性材料，那里不吸引粉状焊剂4’。由于在吸引粉状焊剂4’的焊接部分提供了永久磁铁24，所以当电极靠近磁粉4’时，通过磁作用适量的粉状焊剂被吸到电极的外表面上。通过将主电极8移动到金属部件1的修补部分3，就能很容易地进行焊接操作。由于主电极8在吸引粉状焊剂4’的地方具有永久磁铁24，在其它部分具有非磁性材料25，因此所需量的粉状焊剂4’仅被吸到进行焊接的电极区。于是，与焊接无关的电极部分不吸引粉末，并且焊接工作可以可靠和迅速地进行。如图7所示，为了进行堆焊，使主电极8在移动的同时滚动，用粉末4’进行焊接，并以多层的形式连续形成许多点状被焊接金属部分(熔核)。如果堆焊的厚度不够，则加入额外量的粉状焊剂4’。
再看图1，下面讨论电弧熔化机Q。电弧熔化机的主电极10和辅助电极20通过电缆12和21可活动地连接到电源设备的输出端(参见图8)。为了引导电弧的方向，主电极10具有锥状针形，并且通过一个套筒安装到把手11上(图8)。
为了通过电弧熔化机Q对由焊机P在金属部件1的堆焊部分3堆焊的被焊接金属6进行再熔化操作，辅助电极20与金属部件1的适当位置相接触，以实现电连接。当图1中的电源开关5接通启动电源电路以后，通过电流调节设备42，例如两端接收AC线电压的单绕组变压器，在0至65安培之间调节电弧电流值。然后主电极10靠近金属部件1的修补部分3，电极和堆焊金属6之间的距离是0.5mm，并踏下脚踏开关52。对脚踏开关的动作作出响应，印刷电路板41中的控制器指示自动阀门31打开。阀门31安装在与气罐相连的非活动性气体输送管30上。于是氩气流出，在被修补部分3附近造成一个氩气气氛。氩气输送管30与主电极10的把手11成为一个单一体。控制器41驱动作为开关设备的固体继电器(SSR)43，因此在一个预定的短时间内(0.01-1.0秒)，电流流经主变压器44的输入绕组44’。由于电磁感应，在主变压器44的输出绕组44’产生电流，该电流经整流器45整流变为DC电流，并由电容器C5和C6滤波。在控制器41的控制下，高频振荡器47产生一个高频信号，通过高频耦合变压器48该高频信号的幅度增加，并被迭加DC电流。这样，在主电极10和金属部件1之间施加了一个高频信号(大约0.1-2MHz)。换句话说，踏下脚踏开关(接通)大约0.8秒后，主电极10和焊接材料3之间形成了传导通路，因此在没有任何附加操作的情况下，主电极10开始产生电弧。产生电弧大约2.5秒后，阀门31打开，释放氩气，以便将堆焊部分6的电弧熔化部分包裹在非活动性气体的气氛中。这一操作由控制器41控制。在图1中，参考号49代表由电容器C5、C6组成的高频旁路。如果一直踏下开关51(接通)，那么上述操作在预定间隔内重复，因此连续对堆焊部分进行电弧再熔化操作。控制器41通过开关5、保险丝F和变压器T1从AC电源线接收驱动电压。
单个电弧使由焊机堆焊形成的金属部件1的修补部分3上的5至10个熔核熔化。固化以后，形成单个电弧引起的堆焊部分6。图8表示通过利用三次电弧产生的三个堆焊部分6。每个电弧区与相邻电弧区在其每侧有三分之一处是重叠的，以避免堆焊部分相互分离。重复上述操作，直到待修补部分被堆焊部分6覆盖。然后去除多余部分，并将部件磨光。
图10表示当焊机和电弧熔化机每个都具有本身的电源设备时仅用于电弧熔化机的电源电路。图10的电路对应于用单点划线围起来的大框Q。然而，图10的电源包括插在整流器45和变压器48之间的电流检测器46。于是，控制器41可以监视电弧电流，如果它不是所要求的值时便将它纠正。由于其它结构和操作与图1的有关部分相同，所以不再予以说明。
虽然以上仅对本发明的最佳实施例进行了描述，但是对本领域的一般技术人员来说很显然在不脱离本发明的范围和精神的前提下可以做各种修改。在以上说明书中已经采用的术语和表示法只是为了进行描述而不是为了进行限制，采用这样的术语和表示法并不是为了排除等同的特征表示和描述或其相应部分，应认识到本发明的范围仅由下面的权利要求书确定和限制。