基本信息
- 项目名称：
- 高效金属表面强化修复机
- 来源：
- 第十一届“挑战杯”国赛作品
- 小类：
- 机械与控制
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 窄脉冲、大电流冷焊是世界上近几年才研制出的新金属表面处理技术。本设备是基于该项技术研制的新产品，使用该设备可以修复各种工件金属表面的损伤、缺陷、裂纹、磨损、沙眼等。具有对被加工金属工件的热影响小，不会对其产生变形和应力变化；沉积层与基材之间冶金性牢固结合；使用不同的焊接材料可修复不同金属工件；可方便地到现场进行在线金属表面的强化与修复；被修复的工件可再加工等特点。该种设备的研制与使用，为很多用户解决了许多用传统工艺方法难以解决的难题，取得了显著的经济效益与社会效益，使之在国防与民用工业上得到广泛的应用。
- 详细介绍：
- 一、工作原理 设备的基本工作原理是：利用其内部的整流、调压及高频逆变技术产生与输入电源隔离的窄脉冲（1μs～50μs）、大电流（几百A～几千A），通过旋转焊枪上的金属电极（焊条）与金属工件表面形成电流回路，从而在金属工件表面与电极之间产生火花放电，使其形成瞬态高能，在接触区域将电极瞬间加热到8000～25000℃，使金属电极材料沉积堆焊到被修复的金属工件缺陷部位表面，形成良好的冶金结合。由于整个工作过程均为窄脉冲、大电流，不会产生弧焊效应，被修复的工件不会产生过热和变形。 利用设备上各调节旋钮可方便地调整脉冲电流的频率（50～1500Hz）、脉冲电流的峰值（100A～1500A，通过调整输出电压达到调整脉冲电流峰值的目的），从而可调整修复工作的速度和所要求的质量。 二、特点 国内外大多数同类产品，均采用工频变压器隔离，可控硅调压，电阻与电感对电容充电，可控硅对电容放电来完成窄脉冲、大电流的实现。由于采用工频变压器，使设备的体积和重量大大增加；采用电阻与电感对电容充电，使设备的工作效率明显降低（一般工作效率<50%）；采用可控硅对电容放电，使其输出脉冲电流的关断不可靠，工作中有时会产生弧焊效应。 本设备在工作原理与设计上有效地解决了上述不足之处：采用高频逆变技术，可有效地减小隔离变压器的体积和重量；采用两晶闸管推挽工作模式取代晶闸管单端工作模式，使其在任何工作情况下不会产生弧焊效应，提高设备工作可靠性；由于取代了阻容充电方式，使设备的工作效率有效提高（一般工作效率>85%，而大多数同类产品工作效率仅为45%左右）；控制与逆变电路的合理设计，使设备工作更加安全可靠。因而与同类产品相比较，该设备在输出同样的功率的条件下，其体积和重量明显减小，同时又大大的提高了其工作效率与可靠性，在减少用电功率的条件下，工作效率与工作速度可提高2～3倍；设备设有多种保护控制电路，保证设备长期可靠工作，延长设备使用寿命。 三、主要优势 使用本设备的焊接修复过程为良好的冶金结合，焊接层与工件结合力强；被加工工件低热量输入，不会产生过热烧伤、不变形、无热应力变化，无需进行热处理；焊接过程有氩气保护，使之无氧化层，沉积层可根据工件使用要求厚度进行控制；焊接材料可根据被加工工件的要求来选择，选择范围较广泛；有优越的再焊性，同时焊接层可以进行机械加工；设备的操作简单，操作成本低，应用范围广泛。 五、主要应用范围 各类金属部件的修复与强化，如柱塞、镗杆、液压支架和贵金属电极触头等；各类模具（压铸、注塑、橡胶、冷冲、拉延等）的超差、磨损等修复与强化；各种金属设备部件的修复与强化，如造纸烘缸、无纺布辊、造纸轧辊、油脂轧辊、瓦楞纸辊，钢厂轧辊、发电厂转动辊、柴油机曲轴，各种阀门的密封等；精密铸造的缺陷、沙眼等修复；航空发动机钛合金与高温合金渗碳等。
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 设计目的： 金属表面强化修复机是发达国家近几年才研制出的对金属表面进行强化或修复的设备。本设计的目的是提出几点新的技术措施，研制一种新设备，改进原有设备的不足之处。 基本思路： 找出该类设备工作效率低、工作性能不可靠、笨重等主要问题，找出解决问题的新路径和相关的技术措施。 创新点： （1）设计了可分别工作于恒压模式、恒流模式和暂停模式的高频开关电源为储能电容提供能源，使其工作效率提高一倍，又保证其工作的可靠性。 （2）研制了采用2只功率管交替工作的反激式高频开关电源代替常规单功率管的反激式高频开关电源，可增大电源输出功率、减小功率管的电应力。 （3）设计了双晶闸管推挽工作模式的窄脉冲大电流输出电路，避免设备在工作中产生弧焊效应。 技术关键： （1）设计并研制了可自动控制工作于恒压模式、恒流模式及暂停模式的双路双功率管交替工作的反激式高频开关电源。 （2）设计并研制了双晶闸管推挽工作的窄脉冲大电流输出电路，有效保证了晶闸管的可靠关断。 主要技术指标： 1.输入电源：220V±15%、50Hz 2.输出最大功率：2KW 3.脉冲电流频率：50Hz-1500Hz连续可调 4.焊枪转速：50r/min-1000r/min连续可调
科学性、先进性
- 与国内外产品比较具有工作速度快（最高速度是同类产品的2-4倍），工作效率高、体积小、重量轻、无故障使用寿命长、操作简单、携带方便、对使用环境要求不高等特点，是一个在线修复及完成金属表面修复的理想设备（见用户意见）。 主要功能电路设计上设计并研制了双路双功率管交替工作的反激式高频开关电源，该电源可自动控制工作于恒压输出、恒流输出、和暂停输出的模式，有效保证工作可靠性；设计并研制了双晶闸管推挽式脉冲电流输出电路，有效解决了晶闸管的可靠关断，防止设备出现弧焊效应（此两种电路属独立设计，尚未查到类似的电路）。
获奖情况及鉴定结果
- 该作品经大连亿成工程技术有限公司实际使用运行近一年时间，其性能稳定、效果突出，尚未发生故障和损坏。
作品所处阶段
- 生产阶段
技术转让方式
- 无
作品可展示的形式
- 实物、产品、图片
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 使用说明： 见附件使用说明书。 技术特点： 国内外大多数同类产品体积和重量大，设备的工作效率低，输出脉冲电流的关断不可靠，工作中有时会产生弧焊效应。 本设备采用高频逆变技术，可有效地减小变压器的体积和重量；采用两晶闸管推挽工作模式，避免产生弧焊效应；取代阻容充电方式，使设备的工作效率有效提高；采用两功率管交替工作的反激式逆变，可提高电源输出功率，减小功率管电应力。 主要优势： 本设备的焊接修复过程为良好的冶金结合，焊接层与工件结合力强；被加工工件低热量输入，不会产生过热烧伤、不变形；焊接过程有氩气保护，使之无氧化层，沉积层可选择范围较广泛。 主要应用范围： 各类金属部件的修复与强化；各类模具的超差、磨损等修复与强化；精密铸造的缺陷、沙眼等修复；航空发动机钛合金与高温合金渗碳等。
同类课题研究水平概述
- 金属表面强化修复设备是国内外近几年研制出的新产品，主要用于修复金属工件表面的缺陷、模具表面的磨损以及超差等。其具有加工过程中不会产生热应力、不变形、无需进行热处理等优点，是一个较理想的金属表面修复设备。 目前对于该类产品的研制与生产，日本、美国的技术比较领先，国内也有部分生产厂家（如上海朗观电机设备有限公司、北京天工宇工贸有限公司等）引进技术研制或生产该类设备。国内市场上能买到的该类设备大都为国外进口和引进技术生产，而国内生产厂家用自己技术研制的该种设备的技术性能相对较差。 通过一年多对国内外该类产品的研究和对用户使用情况的调查发现，存在如下问题。 （1）从发达国家（如美国、日本）进口的该类设备技术性能较高，但设备的价格也相对较高（一台设备销售价一般为八万至十几万元）。设备在使用中出现故障后维修较困难，维修的费用也难以接受。 （2）国产该类产品的销售价相对较低（一般一台为两万至四万元），但设备的技术性能相对较差，故障率较高。 （3）现有大多数该类设备存在工作速度较慢、工作效率低、体积大且笨重（一般为60公斤左右）等不足。 （4）因该类设备大都使用于在线修复场合（如铸造车间、机械设备的修理车间等），其工作环境较差，造成设备的使用故障率较高。 针对上述问题，经过一年多的努力，我们提出了多项改进性的关键技术措施，并设计了相应功能的高频开关电源、推挽式窄脉冲大电流控制与输出电路，在此基础上研制了JBQX-4型高效金属表面强化修复机。经测试和近一年的实际使用证明，所研制的设备与国内外同类产比较具有工作速度快、工作效率高、工作性能可靠、体积小、重量轻等特点，深受用户好评。该设备的研制具有多项创新之处，给该类产品的改进和技术性能的提高提供了新的设计思路和新颖的技术措施。
