2.1.1 振动堆焊工作原理及设备
1.振动堆焊的工作原理
零件夹持在堆焊机床的卡盘上（见图2-1），按一定转速旋转，振动头通过绝缘板固定在机床的拖板或堆焊小车上，以一定速度作纵向移动。振动头能作前后、上下、旋转运动，以调整堆焊位置。
振动堆焊的基本电路如图2-1所示。电流从直流发电机1的正极经焊嘴2、焊丝3、工件13及电感器14回到发电机的负极。焊丝从焊丝盘5经送丝轮6进入焊嘴，送丝轮由小电动机7驱动，焊嘴受交流电磁铁4和弹簧9的作用产生振动。为控制堆焊层的硬度和零件温度，设有喷液嘴10向焊层或零件上喷射冷却液。在堆焊细长的或硬度要求较高的零件时，需在零件适当位置上加注冷却液。工件13被夹持并以一定的转速转动。焊丝等速下降、振动，并沿旋转轴线方向移动，堆焊出螺旋状的焊纹。
图2-1 振动堆焊工作原理示意图
1—直流发电机 2—焊嘴 3—焊丝 4—交流电磁铁 5—焊丝盘 6—送丝轮 7—小电动机 8—上水箱 9—弹簧 10—喷液嘴 11—水泵 12—冷却液水箱 13—工件 14—电感器
振动堆焊在送进焊丝的同时，按一定频率振动，造成焊丝与工件周期性地短路、放电，使焊丝在较低电压（约12～20V）下熔化，并稳定均匀地堆焊到工件表面。每一个振动循环可分为两个阶段：短路阶段和脉冲放电阶段（见图2-2）。当焊丝与零件接触时，电压下降到零，电源逐渐增大，短路电流所产生的巨大热量加热焊丝的端部（见图2-2a）同时部分的电能以磁能的形式储存在电感线圈中，当焊丝振动使焊丝开始向回移动，焊丝与零件接触处的稍上部被拉成颈缩（见图2-2b），截面积缩小，电阻增加，电极间电压略有增加，在颈缩处电流密度和温度急剧增高，以致被熔化、拉断，在零件表面留下一段焊丝。此时焊丝与零件分离，电流急剧下降。而储存在电感线圈的磁能转变为电能，所产生的电动势与工作电压方向相同，大大增加了零件与焊丝之间的电压，达到电弧放电电压，焊丝与零件之间介质被击穿后进入电弧放电阶段，在电弧的作用下使零件表面上的一段焊丝熔化并与基体熔合在一起（见图2-2c）。同时焊丝端头也迅速熔化，一部分金属以烧损与飞溅形成耗损，大部分熔化的金属附于焊丝端头，在下一次振动循环的接触短路阶段过渡到零件表面上去，开始另一个接触脉冲放电过程。如此反复进行，构成了振动堆焊的整个过程。
图2-2 振动堆焊过程示意图
a）短路 b）颈缩 c）电弧放电 d）短路过渡
2.振动堆焊的特点
1）零件在堆焊过程中受热很小，热影响小，因此焊后变形小。在修复零件中具有较大的适应性。直径15～600mm的轴、轮类零件和直径30mm以上的孔类零件，以及花键键槽等零件都可以进行堆焊修复。
2）通过选择不同焊丝和不同冷却效果，获得范围较宽的硬度值，使之焊后不需进行热处理而得到耐磨性好的堆焊层。
3）生产率高。整个堆焊过程实现了自动化，堆焊速度高达0.46～0.56m/min，效率较焊条电弧堆焊提高2～3倍。
4）成本低。由于采用一般碳素优质钢作为焊丝，不需要特殊材料。
5）结合强度高。没有起皮和剥落现象。
6）堆焊层平整。其厚度可按零件的磨损量确定，一次堆焊厚度可达0.5～3mm（半径方向），可以进行多层堆焊而获得更厚的堆焊层。
7）操作简便，易于掌握。
8）在一定情况下不能完全消除气孔或裂纹，堆焊零件疲劳强度较低。
3.振动堆焊设备
（1）对电源的基本要求
1）必须具有平硬的外特性，是指电源输出电压在工作电流变化时基本保持不变的特性。
2）必须具有良好的动特性，是指在焊接回路中具有合适的短路电流的增长速度。在短路结束瞬间，为了迅速引弧，又必须具备有足够快的空载电压的恢复速度。因此，具有良好的动特性，需要选择合适的电感值。
（2）对振动头的性能要求
1）焊丝的送进要均匀、可靠，选择送丝速度范围应在1.0～2.0m/min内多级或无级调节。
2）焊嘴的振动应稳定、可靠。其振幅选择的范围在1.2～2.5mm内作多级或无级调节。
3）焊嘴应保证良好可靠的导电性。
4）振动头的结构力求简单、紧凑、调整方便、坚固；能作上下、前后、回转等范围较大的调整。
（3）对机床的性能要求
1）有效中心高度＞300mm。
2）有效中心距＞1500mm。
3）主轴转数一般为0.3～12r/min无级调节，如果有级调节时应作多级，尤其在0.3～6r/min内级数应多些。
4）堆焊螺距应在2～4mm范围内。
5）纵焊时振动头轴向速度为0.3～0.5m/min。
6）机床电动机功率为0.6～1kW。
7）机床附有冷却液循环泵。
8）如堆焊曲轴等偏心零件，机床两端夹盘应有偏心装置，偏心距为140mm，应备有配重块。
9）机床主轴上带有铜环、电刷连接电源负极。电刷和铜环的接触面积应大于5cm。
注意，主轴减速系统一般不易用普通机床的减速箱获得，因为一般电动机转速为1450r/min，则最高减速比为4393，最小减速比为130，一般减速箱难以实现。
（4）对水蒸气发生器的要求 蒸汽压力要稳定，应装有安全阀，安全阀的开启压力为0.06MPa；附有水气分离器以获得较干燥的纯蒸汽。