连续式感应自动化钎焊机设计及钎焊性能

杨雷，于忠婷，陈睿博，王珲，吕红英

(中国机械总院集团宁波智能机床研究院有限公司，浙江 象山 315700)

0 前言

在超硬工具的制造过程中，焊接是最主要的环节之一，其选用的焊接方法和焊接工艺直接影响到超硬工具的质量[1-2]。然而，国内许多超硬工具钎焊过程通常还是停留在手工焊接，例如PCD 刀具、建工钻头、合金钻头、合金磨头、牙科合金刀具、合金锯片等，焊接温度及升温过程难以精确控制，焊接质量依靠工人的技术等级，因此存在焊接质量很不稳定、生产效率低等问题[3-4]。生产中为提高建工钻头的钻削硬度和钻削效率，现有建工钻头一般都会在钻头基体的头部镶嵌一个硬质合金片，以硬质合金片作为刀头进行钻削加工，由于硬质合金片与钻头基体为分体结构，在加工过程中需通过钎焊的方式将两者固连在一起。在中国超硬工具等制造业中钎焊运用广泛，相关产业产值巨大[5-6]。钎焊工艺性能关系到钎焊产品的质量稳定性及使用寿命[7]。

建工钻头生产地乐清市芙蓉镇被称为全国“钻头之乡”，建工钻头产品占国内份额的70%以上，然而该地建工钻焊接主要还是以手工进行，生产效率低、产品一致性较、差劳动强度高。当地政府大力统筹推进钻头行业数字化、智能化、低碳化转型，市场上急需能够进行自动化焊接建工钻头的设备。因此，开发出性能满足产品要求、钎焊质量要、高效、绿色、质量稳定的自动化钎焊设备是市场的必然趋势，建工钻头自动化钎焊机就是在这种背景下进行研制的。

1 建工钻头自动化钎焊机的机构及工作原理

1.1 整体结构

该自动化钎焊机主要由机械系统、钎焊系统及电控系统组成，其机构示意图如图1 所示。其中机械系统包括机架、上料找正装置、装片装置、点膏装置及机架等组成，钎焊系统包括感应电源、感应线圈及焊接输送链板等组成。在控制系统上由触摸屏、PLC 及各执行系统组成。

图1 自动化钎焊机结构示意图

1.2 工作原理

首先，通过自动化钎焊机的操作系统中的学习系统将各种不同规格型号的建工钻头焊接参数顺序输入自动化钎焊机的记忆数据库中。焊接建工钻头时，首先选中需焊接钻头的焊接参数，将钻头基体存放到上料找正装置的钻头基体存放筐内，并将合金片放置在装片装置的振动盘内，准备工作完成后操作控制面板启动自动化钎焊机，顺序完成钻头基体上料找正、将合金片装入基体、将焊膏点到基体与合金片组合体上、钻头组合体匀速通过钎焊系统即焊接完成，焊接过程为钻头基体加热到一定温度将焊膏熔化，填满合金片与钻头基体之间的缝隙，焊接过程中测量钻头温度反馈给控制系统，通过自动调节感应电源焊接参数完成自动化钎焊。焊接过程控制原理如图2 所示。

图2 工作原理图

2 硬件设计

为了确保建工钻头焊接速度、焊接质量，在机械上设计有上料找正装置、装片装置、点膏装置及钎焊系统，各装置都有各自的特点保证完成焊接工序。

2.1 上料找正装置的设计

上料找正装置主要包括钻头基体上料筐、调节气缸、找正电机、找正底座、上料滑轨、找正部、找正气缸、找正头、夹片、找正安装座、找正传感器、钻头上料板及上料气缸等组成，如图3 所示。其中钻头基体上料筐宽度方向可以调节适用于不同长度的钻头基体，钻头基体上料筐上方设置有上料滑轨，该滑轨两端各设置有找正部和调节部，找正部对应钻头基体开槽端，调节部对应钻头基体钻柄端，通过调节气缸与找正气缸能够实现找正部固定与调节部之间的间距，进而能够将钻头上料板带上来的钻头基体进行固定，钻头基体固定后钻头上料板通过上料气缸下降，找正电机转动从而带动钻头基体旋转使钻头基体所开槽卡在找正部夹片内，钻头基体卡在夹片内时找正头被钻头基体推动，进而找正传感器得到已找正信号。

图3 上料找正装置示意图

2.2 装片装置的设计

装片装置主要包括装片前滑板、装片指爪气缸、装片前气缸、压痕机构、压痕气缸、装片通道机构、装片后气缸、推片条、合金片上料台、合金片输送机构及基座等组成，如图4 所示。其中压痕机构是将钻头基体开槽处压出毛刺痕迹，其设计目的为了将合金片可以牢牢的卡在钻头基体槽内；装片通道机构是为了将合金准确的输送到钻头基体槽内，机构内部设置有可更换的槽道，根据合金片的大小进行调整，提高设备的通用性。上料找正装置将钻头基体上料找正后，由机头部件将找正后的钻头基体搬运至装片指爪气缸指爪夹住钻头基体，后由装片前气缸推动装片前滑板从而带动钻头基体前进，将钻头体开槽处推到压痕机构与装片通道机构通道口处，首先由压痕机构进行压痕，压痕结束后，装片后气缸带动推片条将由合金片上料台与装片通道机构共同输送到的合金片推至钻头基体开槽内，此时将合金片与钻头基体暂时组成为一个组合体，最后由装片前气缸带动装片前滑板将钻头组合体带出压痕机构及装片通道口处。

图4 装片装置示意图

2.3 点膏装置的设计

点膏装置主要包括点膏滑板、点膏指爪气缸、点膏气缸、点膏盘、点膏电机、光电传感器、点膏盒盖板、点膏盒、压力传感器及基座等组成，如图5 所示。将焊膏装入点膏盒内，通过点膏电机带动点膏盘转动，点膏盘上有4 个点膏槽，点膏盘一部分浸在点膏盒内，点膏盘在焊膏内转动将点膏槽填满焊膏，点膏盘上设置有挡光片，挡光片通过光电传感器控制点膏盘旋转角度，将点膏槽停在预定位置等待钻头组合体进行点膏。通过机头装置将钻头组合体从装片指爪气缸指爪处搬运至点膏指爪气缸指爪处夹紧，由点膏气缸带动点膏滑板运动将钻头组合体送至点膏盘的点膏槽处，点膏电机带动点膏盘转动将点膏槽内的焊膏刮至钻头组合体上，后由点膏气缸带动点膏滑板将点好焊膏的钻头组合体带出点膏槽。

图5 点膏装置示意图

2.4 钎焊系统的设计

钎焊系统主要包括链板机、钻头座、感应线圈、感应电源、机架及链板机调节座等组成，如图6 所示。点有焊膏的钻头组合体由机头部件从点膏指爪气缸指爪处搬运至链板机前端的钻头座上，由链板机已设定好的速度匀速通过感应线圈，通过感应线圈后设置有一个反馈测温点，自动调整感应电源的焊接参数，其中感应电源的控制集成到控制面板中，设置好对应钻头型号所需的电流参数，并由反馈测温进行实时调节。

图6 钎焊系统示意图

3 焊接工艺及控制系统设计

3.1 焊接工艺流程图

建工钻头自动化钎焊机焊接工艺流程图如图7所示。

图7 焊接工艺流程图

3.2 控制系统的设计

控制系统采用西门子S7-1200 系统PLC 可编程控制器进行控制，焊接参数设置、操作控制采用昆仑通态触摸显示屏进行人机交换控制。该自动化钎焊机在上料找正装置中设置有找正传感器、装片装置中设置有合金片到位传感器、点膏装置中设置有点膏盘转动角度传感器、钎焊系统中设置有焊接完成温度传感器及各个气缸前后电磁感应传感器等共同完成对钎焊机的工作状态检测，各个信号反馈给PLC 进行控制[8]，系统的控制应满足工艺要求并且能够适应各种情况。钎焊机工作的模式分为自动和手动模式，手动模式主要运用在设备调试、焊接工艺参数校对等，自动模式运用在日常生产中。自动化钎焊机在运行过程中触摸显示屏上会显示设备的运行状态，当出现故障等问题时，触摸显示屏上能显示出故障发生的原因及简单的处理办法，该设备也随及停止运行，等待人员处理。

4 技术性能

4.1 自动化钎焊机性能

通过大量试验验证及钎焊机实际工作表现建工钻自动化钎焊机达到了以下技术性能：①采用可调节、更换的合金片通道等方式，同时控制系统存储了多种钻头规格型号，现自动化钎焊机可焊接直径为4 mm，6 mm，8 mm，10 mm，12 mm 的建工钻，建工钻长度范围为100～300 mm；②自动化钎焊机每小时可以焊接建工钻650 支以上，大大提高了焊接效率；③建工钻合金片焊接左右位置定位精度达到0.02 mm；④建工钻自动钎焊机焊接温度检测精度为5 ℃，图8为焊接的建工钻。

图8 焊接建工钻

4.2 钎焊性能

随机抽取该自动化钎焊机焊接钻头成品进行焊缝性能检测，抽取钻头采用的是铜焊膏进行钎焊，硬质合金刀片为YG8，钻头基体材质为42CrMo 钢，钻头直径为10 mm，长度为150 mm，钎焊焊缝宽度为0.12 mm。

采用线切割将焊接完成后的建工钻头切开，对钎缝进行打磨抛光进行组织观察。钎缝的显微组织如图9 所示。由图可以看出钎缝的成形性较好，无气孔，接头处结合紧密。

图9 钎缝的显微组织

在扫描电镜下对钎缝进行观察，钎缝无明显缺陷，钎缝各元素的线扫描结果如图10 所示。由图可以发现，钎缝各元素在接近两母材侧均发生了一定程度的扩散，这是形成良好钎缝的基础。且发现Zn 元素在两侧扩散的较少，不易扩散[9]。

图10 钎焊焊缝主要元素扫描

5 结论

建工钻头自动化钎焊机的成功研制实现了建工钻头的完全自动化焊接，稳定了建工钻头的焊接质量及一致性，提高了建工钻头的使用寿命，节约了生产制造成本，降低了劳动强度，填补了国内建工钻头自动化钎焊的空白，为建工钻制造业从手工焊接向自动焊接提供了参考，推进了超硬工具焊接向数字化、智能化、低碳化转型，对中国焊接自动化的发展具有推动作用。