УСТРОЙСТВО ДЛЯ СВАРКИ И НАПЛАВКИ Российский патент 1996 года по МПК B23K9/30 B23K9/04 

Изобретение относится к машинам (оборудованию) для сварки и наплавки, применяемым в машиностроении и других сферах материального производства для нанесения методом плавления различных сплавов с целью создания покрытий и неразъемных (сварных) соединений с использованием наплавочного материала в виде проволоки, ленты и т.д.

По конструктивным признакам аналогами изобретения являются автоматы типа тракторов и подвесных головок для сварки (наплавки) плавящимся электродом (см. например: Аппаратура для механизированной дуговой и электрошлаковой сварки и наплавки, Чвертко А.И. Патон В.Е. Бельфор М.Г. Гологовский Г.М. Киев, Наукова думка, 1978, с. 200, гл.II Сварочные автоматы).

Все аналоги имеют следующие узлы: привод перемещения автомата (поступательное движение), привод и соответствующая направляющая для подачи сварочного (наплавочного) материала (электрода). В автоматах, специализированных для наплавки, иногда имеется привод колебаний электрода, связанный с его направляющей, обеспечивающей широкослойную наплавку (там же, с. 84-89). Широкослойная наплавка, имеющая высокую производительность, иногда обеспечивается иным способом: использованием подачи одновременно несколько электродных проволок (гребенкой электродов) (см. Меликов В.В. Многоэлектродная наплавка, М. Машиностроение, 1988, с. 144, гл. 1, 5). В последнем случае наплавочный автомат представляет собой тяжелую машину, перемещающуюся на специальной несущей конструкции (так называемый подвесной тип автоматов).

Сварочные автоматы, передвигающиеся непосредственно по детали или легким направляющим, уложенным вдоль нее, называют тракторами. Обычно это легкие устройства (см. Чвертко А.И. гл. II, параграф 7 10), имеющие все те же основные узлы, что и подвесные автоматы. Тракторы по принципу их конструкции разделяют на одномоторные, двухмоторные и т.д. В одномоторных, наиболее легких и компактных, подача сварочной проволоки и перемещение трактора по детали осуществляется от одного двигателя через раздельные редукторы (приводы). Примером современной многомоторной конструкции является трактор А6, выпускаемый фирмой "ESAB" (Гетеборг, Швеция), см. Чвертко А.И. с. 111; проспекты фирмы за 1985 г. Несмотря на преимущества в мобильности тракторы не нашли применения для наплавки ни в СССР, ни за рубежом.

Для широкого использования трактора в целях наплавки необходимо повысить его универсальность (возможность выполнить различные технологические операции наплавку внутренних и внешних цилиндрических и плоских поверхностей, наплавку узким и широким слоем, высоким и низким валиком, с колебанием электрода и без и т.д.). Необходимость эта обусловлена значительно большим разнообразием наплавляемых деталей, чем сварных швов. Решить поставленную задачу необходимо без существенного увеличения массы трактора, чтобы не потерять основного его качества мобильности. Достижение цели может обеспечиваться новой конструкцией основных узлов устройства, совмещением их функций, введением дополнительных узлов.

Основным узлом, отличающим специализированные наплавочные установки (автоматы) от обычных сварочных, является узел колебания электрода. Он обычно (см. Чвертко А.И. с. 84, 86 автомат А1423) состоит из самостоятельного реверсивного привода со своим двигателем. Этот привод соединен с направляющей электрода, имеющей радиус поворота около 0,6 м, достаточный для того, чтобы описываемая дуга не очень отличалась от прямой при амплитуде колебаний в пределах 300 мм. Реверс движения направляющей осуществляется с помощью конечных выключателей и реле, переключаемых в крайних точках колебаний направляющей. Такие системы применяют в тяжелых автоматах.

В некоторых конструкциях сварочного оборудования применяют кулачковые колебатели, более простые и легкие (см. например, устройство для дуговой сварки (которое оснащено механическим приводом для осуществления колебательных движений). А. с. N 323211, СССР. Заявл. 03.7.70, N 1358883, опубл. 04.02.72, B 23 K 9/00). Однако применение кулачкового колебателя в наплавочном автомате тяжелого типа при требуемом уровне надежности не может обеспечить снижения массы и повышения мобильности, т.к. здесь поворот наплавляющей электрода с целью его колебаний осуществляется вместе со всем приводом относительно оси его подвески.

Прототипом предлагаемого изобретения принимается упомянутый выше сварочный автомат серии А1401, специализированный для наплавки (тип А1423). Он разработан в Институте электросварки им. Е.О.Патона, широко используется в СССР и описан в книге Чвертко А.И. "Аппаратура для механизированной сварки и наплавки", Киев, Наукова думка, 1978, с. 50-86, рис. 27 и 38. Выбор этого автомата, а не трактора А6 "ESAB", обусловлен наличием у первого привода колебаний, с конструкцией которого связаны отличительные признаки заявляемого устройства
Прототип имеет тележку и размещенные на ней три основных привода привод продольного перемещения автомата в целом, привод подачи наплавочного (сварочного, присадочного) материала (в основном проволоки) с выходным валом и подающими роликами, привод колебаний проволоки с помощью соответствующей направляющей, через которую подается проволока (наплавочный материал), присадочный материал, электрод все термины эквивалентны. Далее будем применять "наплавляемый материал", общий для наплавки и сварки плавящимся электродом). Направляющая установлена с возможностью поворота относительно оси выходного вала привода колебаний. Каждый из приводов прототипа соединен с валом своего двигателя и работает независимо от других. Конструкции каждого из них описаны там же (с. 52-64). Дополнительно автомат серии А1401 может иметь двигатель и привод для подъема и опускания тяжелого автомата относительно его тележки. Для осуществления колебаний двигатель привода колебаний в крайних положениях направляющей для подачи проволоки реверсируется с помощью электрического синхронизатора классического типа двух конечных выключателей и реле, включающих двигатель в одну или другую сторону. Осью поворота привода колебаний и направляющей проволоки является ось стойки, на которой привод подвешен к тележке привода перемещения автомата. Подача проволоки осуществляется роликами на выходном валу привода подачи, ось их горизонтальна и перпендикулярна оси стойки (т.е. оси колебаний).

Недостатками прототипа являются сложность и большая масса (210 кг), отсутствие мобильности (размещается на специальной конструкции типа колонны или рамы на рельсах и не может перемещаться далее длины рамы). Автомат А1401 (А1423) не способен двигаться по поверхности детали, повторяя ее профиль. Недостатком также является связанное с этим ограничение возможностей наплавки крупных деталей, которые невозможно доставить к наплавленному автомату или поместить в удобное для наплавки положение без использования уникального вспомогательного оборудования (например, обечайку диаметром 5 м и длиной 30 м или днище диаметром 6 м и массой 20 т).

Целью изобретения является создание простого, легкого и мобильного устройства (масса не более 50-60 кг), но и в то же время имеющего все возможности тяжелого специализированного автомата, и даже более широкие, за счет возможности наплавки трудноперемещаемых деталей, к которым устройство может быть само легко доставлено и способно перемещаться по этой детали или внутри ее своим ходом. Эти качества особо ценны при монтаже и ремонте оборудования. Применение автомата при этом вместо ручной и полуавтоматической наплавки и сварки дает большой экономический и социальный эффект.

Сущность изобретения заключается в наборе и компоновке (взаимном расположении) его узлов.

Первое. Входные валы всех трех приводов (перемещения автомата, подачи наплавочного материала и колебаний) соединены с валом одного общего двигателя. В прототипе каждый имеет свой двигатель. Указанное совмещение снижает габариты, массу устройства, упрощает схему управления. Снижение при этом возможности раздельного управления приводами компенсируется существенным упрощением и уменьшением массы устройства, а также компенсируется другими отличительными признаками конструкции (см. далее).

Второе. Направляющая присадочного (наплавочного) материала в прототипе и в заявляемом устройстве совершает колебания, необходимая амплитуда которых (0,2 0,3 м) обеспечивается соответствующей длиной (радиусом) ее в горизонтальном направлении, т.е. плоскости наплавки (обычно 0,4 0,7 м). Осью поворота колебаний направляющей в прототипе является ось стойки, на которой подвешены привод колебаний и привод подачи проволоки. Большая масса колеблющихся частей обуславливает большую мощность и массу привода колебаний и всей конструкции. В заявляемом устройстве вал (ось поворота) направляющей установлен соосно с валом привода подачи наплавляемого материала (см. фиг. 1 и описание примера выполнения устройства). В результате этого поворот направляющей происходит без перемещения привода и значительно упрощается все устройство при сохранении возможности большой амплитуды колебаний (при колебаниях направляющей относительно горизонтальной оси привода подачи максимальная возможная амплитуда не превышает нескольких сантиметров, т.к. при колебаниях изменяется вылет электрода и длина дуги, что допустимо в ограниченных пределах).

Новый технический эффект от указанного совмещения осей вала подачи проволок и оси поворота направляющей состоит не только в обеспечении наплавки с колебаниями проволок, но, главным образом, в возможности одновременно выполнять функции колебателя и устройства для расположения нескольких (трех) подаваемых проволок с последовательного на параллельное при движении устройства в целом по прямой или по радиусу (фиг. 3, в, г). Последнее значительно расширяет технологические возможности устройства, преимущественно предназначенного для многоэлектродной наплавки и сварки, причем обеспечивается без увеличения массы и габаритов, что особенно важно для использования устройства при ремонтах и монтаже оборудования, т.к. допускает переноску вручную и в труднодоступных местах. Следствием предложенного технического решения является также возможность применить более компактный кулачковый механизм колебаний вместо тяжелого реверсивного привода, уменьшить расход энергии и массу общего двигателя.

Кроме того, совмещение оси поворота колеблющейся направляющей с валом привода подачи присадочного материала позволяет использовать силы трения в узле направляющая выходной вал привода подачи для поворота направляющей в направлении, противоположном воздействию кулачка, что обычно осуществляется специальной пружиной, перегружающей привод в полупериод запаса ею энергии. Это также дает выигрыш в затратах энергии, мощности и массе двигателя и всего устройства.

Третье. Для осуществления поступательного (продольного) движения устройства в моменты прохождения колеблющейся направляющей и наплавляемого присадочного материала через крайние амплитудные точки траектории поперечных колебаний, в заявляемом устройстве предусмотрена автоматическая муфта сцепления, включающаяся на время, пропорциональное требуемому шагу. Муфта расположена в приводе перемещения устройства (автомата) и не влияет на работу остальных приводов. Таким образом решен вопрос широкослойной наплавки с колебаниями в одномоторной схеме установки, что является принципиально новым в сварочной технике. Время включения муфты регулируется обычным реле времени, которое обеспечивает плавное регулирование шага в широких пределах (от 3-5 до десятков миллиметров). Момент включения муфты (в крайних положениях направляющей при ее колебаниях на валу привода колебаний) задается узлом ее включения в моменты размещения направляющей в точках изменения направления колебаний, соединяющим муфту с направляющей. Этот узел может быть классического типа два конечных выключателя и реле, переключающее муфту. В прототипе это сложное движение достигается за счет синхронизированного включения двигателей приводов колебания и перемещения, без использования предлагаемой муфты.

Сочетание трех указанных отличительных признаков конструкции, неотъемлемо связанных друг с другом, позволило при использовании всего одного двигателя иметь массу установки не более 60 кг (вместо 210 у прототипа) и реализовать при этом даже более широкие технологические возможности (см. пример и фиг. 3). Причем снижение массы достигнуто именно за счет конструкции, т.к. использовались одинаковые с прототипом материалы, комплектующее оборудование и т.д. обычно используемые при производстве сварочного оборудования в СССР.

Пример выполнения устройства.

Кинематическая схема его представлена на фиг. 1: двигатель (электромотор) (1), привод (редуктор) поступательного движения (2), вращающий ходовые колеса (3), а также привод подачи (4) присадочного материала (6) посредством вертикального вала (5) и привод колебаний (7) смонтированы вместе, как одна целая корпусная конструкция. Все приводы представляют собой обычные механические редукторы, выполненные на зубчатых парах. Направляющая (8) для подачи трех проволок (6) представляет собой хобот с тремя каналами, установленный соосно с валом привода подачи (4) с возможностью поворота в горизонтальной плоскости.

Входной вал привода колебаний (7) получает вращение от того же вала двигателя (1), что и привод подачи (4). В приводе колебаний установлен кулачок (9), от которого толкателем-рейкой (11) приводится в возвратно-поступательное вращение вал-шестерня направляющей (10) и сама направляющая (8). На корпусе привода закреплен синхроконтакт (12), который при касании его направляющей в крайних положениях включает муфту сцепления (14) в приводе перемещения (2).

Работа устройства заключается в непрерывном вращении вала подачи (5) присадочного материала (6) от двигателя (1) через привод подачи (4). Подаваемый материал плавится в дуге и наплавляется или сваривает деталь (13). Кулачок (9) вращается непрерывно от привода (7), а прижатый к нему пружиной толкатель-рейка (11) совершает возвратно-поступательное движение, преобразуемое в возвратно-вращательное в паре рейка (11) шестеpня (10). Таким образом, обеспечивается колебание присадочного материала относительно детали. Профиль кулачка (циклоидальный) обеспечивает постоянную скорость наплавки (сварки).

В момент прохождения через крайние точки направляющая замыкает синхроконтакт (12), включающий через реле муфту сцепления (14). Время включения задается обычным реле времени в электрической схеме управления устройством. Спустя заданное время (после включения) реле автоматически отключается, за это время устройство перемещается на соответствующее расстояние, равное требуемому шагу наплавляемых валиков.

Описанные устройства вместе составляют автоматический узел включения муфты. Чертеж устройства с соответствующими позициями приведен на фиг. 2.

Привод колебаний может быть отключен (имеется съемная пара шестерен) и направляющая поворачивается относительно вала (5) на угол ±90^o, т.е. может быть установлена как вперед, так и вбок относительно направления движения устройства. Передние колеса устройства тоже поворотные, что позволяет двигаться как по прямой, так и по дуге окружности. Все это обеспечивает широкую технологическую универсальность устройства. Возможные варианты выполняемых технологических процессов наплавки и сварки представлены на схеме (фиг. 3). При расположении направляющей вперед (фиг. 3 а) три присадочные проволоки плавятся последовательно друг за другом и обеспечивается сварка или наплавка высоким валиком. Включение колебаний при этом позволяет наплавлять очень широкий слой (до 0,5 м) (фиг. 3 б). При боковом расположении хобота присадочные проволоки при плавлении и движении автомата образуют широкий слой (30-40 мм) (фиг. 3 в). При прямом (по ходу устройства) расположении направляющей за счет большой ее длины возможна наплавка внутренних поверхностей (на фиг. 3 г показана наплавка внутренней поверхности цилиндрической втулки, вращаемой отдельным сварочным манипулятором). В последнем случае плавящиеся электроды дают за один проход широкий слой металла (из трех проволок). Поворот колес и направляющей под углом 25-45^o позволяет наплавлять крупные изделия (диски, конусы), не приводя их во вращение движется устройство (фиг. 3 д). Большая и регулируемая длина направляющей позволяет также производить электрошлаковую наплавку в колодце кристаллизатора (фиг. 3 а).

Технические преимущества легкой и широкоуниверсальной конструкции более всего проявляются при ремонте и монтаже. При этом в сравнении с высокопроизводительными тяжелыми аппаратами, способными совершать многие виды описанных операций, преимуществом является мобильность, возможность поднести устройство к детали, а не транспортировать тяжелую деталь к устройству. Высокая производительность сохраняется. В сравнении с полуавтоматической наплавкой, когда одна проволока подается приводом, а направляющей манипулирует сварщик, проявляется более высокая степень автоматизации. За счет этого повышается производительность, улучшается качество наплавки (сварки) и резко снижается нагрузка на человека, он выводится из зоны воздействия излучения и испарений. При этом сохраняется широкая универсальность, возможность выполнять различные операции, виды швов и т.д. а мобильность (в сравнении с мобильностью практически ручной сварки) снижается с использованием предлагаемого устройства не столь сильно, как при использовании известных автоматов тяжелого типа.

Использование: во всех сферах материального производства для восстановления и упрочнения изнашиваемых деталей машин наплавкой и для сварки. Сущность изобретения: обеспечение сварки или наплавки несколькими проволоками с последовательным и параллельным расположением сварочных проволок в непрерывном и шаговом режиме за счет снабжения привода поступательного перемещения тележки автоматической муфтой сцепления и узлом ее включения в момент размещения направляющей с проволоками в крайних точках амплитуды колебаний, совмещения оси выходного вала привода колебаний с осью выходного вала привода подачи сварочных проволок и связи выходных валов этих приводов с двигателем привода перемещения тележки. Упрощение конструкции позволяет иметь широкие технологические возможности при малой массе устройства, обеспечивающей его мобильность, особенно полезную при ремонтах и на монтаже. 3 ил.

Устройство для сварки и наплавки, содержащее тележку, размещенные на ней привод поступательного перемещения, соединенный с двигателем, привод подачи сварочных проволок с выходным валом и подающим роликом, привод колебаний с выходным валом, направляющую для сварочных проволок, установленную с возможностью поворота относительно оси выходного вала привода колебаний, отличающееся тем, что привод поступательного перемещения выполнен с автоматической муфтой сцепления и узлом ее включения в моменты размещения направляющей в точках изменения направления колебаний, ось привода колебаний установлена соосно c осью привода подачи сварочных проволок, а входные валы этих приводов связаны с двигателем привода перемещения тележки.