等離子輔助的焊接焊炬的製作方法
2023-04-26 02:53:01 5
專利名稱：等離子輔助的焊接焊炬的製作方法
技術領域：
本發明涉及電弧焊接領域，特別是涉及為了提高焊接電弧的質量，具有等離子輔助的電弧焊接焊炬。
引入參考本發明涉及到電弧焊接焊炬，其中電弧保護氣體被引導穿過一個間隙或者通道，這產生了由迫使穿過焊炬的保護氣體形成的電介質阻擋放電等離子。低溫等離子的電介質阻擋放電的產生在科學社會是公知的。這種觀念公開於許多出版物中。為了提供這種電現象的背景信息，此處引入了兩篇文章作為參考。這兩篇文章是由來自于波蘭的工業化學研究所的T.Opalinska所寫的「具有電介質阻擋放電的低溫等離子反應」和在法國的物理學學報(1997)上的「電介質阻擋放電規律及其應用」。這兩篇文章提供了在本發明中使用的電介質放電產生等離子的技術信息。為了產生這樣的等離子，必需使氣體到達高壓，高頻信號穿過由電介質障礙物隔開的電極。許多高頻電源可以用來產生這種等離子。在此引用公開於Stava的5,117,088上的一種強迫諧振電源作為可以被用來實現本發明的典型電源的參考。
背景技術：
電弧焊接焊炬通常包含中心接觸管，焊絲由餵入輥驅動朝向工件穿過該接觸管。電能經由與放在地上的工件一起串聯在電路中的接觸管而流向移動的焊絲。在接觸管的周圍，通常提供一個通道，用來引導例如氬氣，二氧化碳或者這兩種保護氣體的混合氣體的保護氣體。在電弧焊接過程中，電弧產生於焊絲和工件之間的位置，來自於焊炬的保護氣體圍繞電弧，且保護焊接過程遠離氫氣和其它汙染物。焊絲可以是固體金屬(氣體金屬電弧焊，GMAW)或者是類似於那些使用在融芯弧焊(FCAW)中的有芯焊絲。在鎢極氬弧焊(TIG)焊接中，電極是鎢，且不會由使用在固定電極和工件之間的電弧的焊接過程所消耗。填料焊絲指向用於焊接的電弧。此外，保護氣體圍繞電弧，用以保護堆積於工件上的熔化的金屬。電弧的質量受周圍保護氣體的完整性的影響。本發明涉及到這種一般的焊接工藝的改進，從而焊接電弧被提高，超過僅僅使用保護氣體的標準包覆所獲得的焊接電弧。
發明內容
電介質阻擋放電等離子被用來提高焊接電弧的質量，超出標準保護氣體獲得的焊接電弧。在物理學上這是公知的，電介質阻擋放電的特徵在於高壓，高頻信號穿過由電介質邊界隔開的兩個導電錶面。氣體例如在電介質邊界表面之間的保護氣體均勻地被電介質阻擋放電過程離子化。這種離子化的結果就是在大氣壓中形成了具有與純粹的保護氣體流相對的等離子特性且不用加熱的或者「低溫」的等離子。本發明就是指使用自由地與電弧焊接焊炬連接的電介質阻擋放電的概念。無線射頻電壓源被用來施加高壓，高頻信號穿過在內部的接觸頂端或者管和導電的外部環，殼體元件或者部件之間的間隙。頂端和外部部件由焊炬本身的內部，環形電介質邊界隔開。保護氣體被迫穿過間隙，且被氣體移動通過的通道中的由此產生的高頻電場離子化。另外，在本發明的優選實施例中使用的無線射頻信號可以由具有非常快速的上升和下降的脈衝邊界特徵的的高壓電流的非常高速的脈衝所取代。在這種電源中的脈衝時間優選為小於1.0毫秒。焊炬中的電介質絕緣體或者阻擋物由例如為氧化鋁或者氮化硼的陶瓷，例如為硼矽酸鹽或者石灰玻璃的玻璃，或者例如為聚四氟乙烯的絕緣聚合體構成。通過使由纖細的焊絲網形成的保護氣體通道兩側上的導電錶面與固體金屬電極相反，可以提高低溫等離子放電的均勻性。焊接電源可以是恆定電壓，恆定電流，恆定功率或者波形控制類型。多個焊接電流可以是正直流電，負直流電或者交流電。穿過焊炬的消耗的焊絲優選為類似於使用在GMAW焊接中的固體焊絲，或者類似於使用在FCAW焊接中的有芯焊絲。類似地，焊炬可以構成為用於GTAW焊接，此處使用非可消耗電極，例如TIG焊接。從焊炬的保護氣體通道放出的等離子是來自於有限的電介質阻擋放電腔的被離子化的氣體流，並且是在焊炬中產生的低溫等離子放電。用來產生等離子的保護氣體可以包括小部分的氬氣，氦氣，氖氣，氙氣，氪氣，二氧化碳，氫氣，氮氣，氧化一氮和其它氣體。穿過導體形成的焊炬的保護氣體通道的高壓信號具有產生電介質阻擋放電等離子的所需特徵。通常，穿過電介質通道的高壓信號的頻率在0.5-1000千赫之間。典型的電驅動等離子的電源大約200千赫。使用的電壓在2-40千伏的範圍內，典型值通常是均方根電壓6000。保護氣體穿過的用來離子化為等離子的等離子間隙的寬度通常在0.2-3.0釐米的範圍內。為了提供圍繞電極電弧周圍的需要的氣流，被迫穿過電介質間隙的氣體的壓力可以變化。這個壓力典型為大約800託，且可以高到大約3500託。為了完成所需的電參數，驅動等離子間隙中的高頻電壓的電源可以是各種類型。例如，驅動力可以是使用固體電子裝置構成的振蕩器，例如絕緣柵雙極電晶體(IGBT)或者金屬氧化物半導體場效應電晶體(MOSFET)。許多公知的裝置可以用來產生所需的信號。優選的裝置是由感應器和電容器構成的串聯諧振槽電路，其被迫諧振，如Stava的5,117,088所述。已經使用的其它電源是頻率通常在20-80千赫的範圍內的硬開關方波信號電源。產生信號的高頻等離子可以使用火花隙裝置，例如為高功率三極體的真空管裝置，或者例如為旋轉放大器或者調速管的微波裝置。在較高的頻率下，電介質放電變得更加均勻，但是這種驅動裝置的費用可能變得非常昂貴。當然，使用MOSFET或者閘流管的快速脈衝電源可以被用來產生適於在根據本發明的焊炬中的電介質阻擋放電的信號。為了有效，脈衝必須具有非常短的持續時間和非常快的上升和下降時間。
使用電介質阻擋放電作為電弧焊接焊炬的保護氣體的好處是提高了電弧起弧，提高了電弧穩定性和增加了焊接工件在焊接操作過程中排出汙染物和塗層的清潔。通過使用本發明可以獲得所有的這些好處。在本發明中使用的特殊電源具有產生必需的電介質等離子的特性，但是特殊的驅動源並不是本發明的一部分。本發明僅僅涉及到獨特的，新穎的使用等離子的電弧焊接焊炬，例如由電介質阻擋放電產生的等離子。
根據本發明提供了一種電弧焊接焊炬，包含具有中心導電接觸頂端或者管的殼體，用來在電源和通過接觸管朝向工件運動的焊絲之間電接觸。與接觸頂端同心的導電套筒被用來在頂端和外部導電套筒之間形成環形的腔，且具有固定於導電套筒上的第一電介質阻擋套筒，和固定於頂端或者管上的第二電介質套筒。電介質套筒互相間隔開，形成向四周延伸，且平行於焊絲移動方向的環形間隙通道。末端被用來連接在頂端或者管和導電套筒之間的高壓，高頻電源，目的是產生從間隙通道發出的電介質阻擋放電等離子。電源的頻率通常是在500赫茲到2000兆赫的範圍內。優選的頻率通常是大於18千赫。電源電壓優選通常在1-40千伏的範圍內。保護氣體的間隙寬度通常是在0.2-3.0釐米的範圍內。使用的電介質的材料選自於由陶瓷，玻璃和聚合物組成的種類中。優選的是陶瓷。
根據本發明的另一方面，提供了一種電弧焊接的方法，包括提供一個焊接電極，例如焊絲，並且在焊絲和工件之間產生電弧。本發明涉及到使用等離子圍繞電弧，其中等離子優選為由電阻擋放電產生。用於放電等離子的氣體是流過管口的標準保護氣體，且圍繞電弧形成焊接操作。
本發明的主要目的是提供一種電弧焊接焊炬，其中保護氣體穿過腔，且由電介質阻擋放電現象離子化，從而電弧被保護氣體的等離子保護。
本發明還有一個目的是提供一種使用上述焊炬的方法，其中該方法使用周圍的保護氣體等離子來保護電弧焊接過程中的電弧。
本發明的另一個目的是提供一種上述焊炬和方法，其中焊炬和方法提高了焊接過程中電弧的起弧。
本發明的再一個目的是提供一種上述焊炬和方法，其中焊炬和方法提高了焊接過程中使用的電弧的電弧穩定性。
本發明還有一個目的是提供一種上述的焊炬和方法，其中焊炬和方法清潔了焊接工件，排除了汙染物和塗層，提高了焊接過程的質量。
這些及其它目的將在下面的描述及其附圖中變得更加明顯。
圖1是根據本發明構成的焊炬的橫截面視圖，及其優選實施例的接線示意圖；以及圖2是主要沿著圖1中的線2-2截取的橫截面視圖。
具體實施例方式
現在參照附圖，其中視圖僅僅是為了顯示本發明的優選實施例，而不是為了限制於相同的方式，電弧焊接焊炬T是一種使用於電弧焊接的標準類型的焊炬。根據標準技術，焊絲10被驅動穿過接觸頂端或者管12朝向工件WP運動，此處電力在焊絲10和工件WP之間產生電弧A。接觸頂點或者圓柱管12被用來與移動焊絲10電接觸。焊炬具有外部絕緣殼體20，如虛線所示，它圍繞著與頂點或者管12同心且圍繞在其四周的圓柱導體或者電極部件22，和優選由陶瓷構成且從殼體20向外延伸的絕緣杯24。導體22是圓柱套筒的形式，與管12形成了環形通道30。通道30包括由陶瓷，玻璃或者聚合物形成的電介質套筒32，34，用以在通道30中形成間隙40。標準保護氣體流過這個間隙，如箭頭42所示。間隙40具有寬度a，通常在0.2-3.0釐米的範圍。當然，焊炬T具有由虛線所示的、用來將套筒或者圓柱導體22安裝為與頂端12同心且提供與周圍環境電絕緣的標準結構特徵。具有輸出導線102，104的標準電源100被用來根據電源100的設計操作在焊絲10和工件WP之間產生焊接操作。到目前所述為止，焊炬T實質上與標準的電弧焊接焊炬相同，除了安裝於頂端12的外表面和殼體導體22的內表面的附加的兩個同心的電介質套筒32，34。為了使高壓，高頻信號穿過圓柱導體12，22，提供了一個具有輸出導線112，114的高頻，高壓電源110。為了使用導體12，22之間的間隙40中的高壓，高頻信號，這些導線分別被連接到末端120，122。在圖示的焊炬中，導體12具有兩個功能。如果需要，一個單獨的導體可以被用作間隙40的內部導體。在本發明的一個實施例中，接合電介質套筒32，34的表面是纖細的焊絲網，用來增加間隙40內的等離子放電的均勻性。保護氣體42穿過由間隙40形成的通道30。這樣，保護氣體42是由焊炬放出的，圍繞著電弧A的低溫等離子。這提高了電弧A的起弧，電弧A的穩定性，且使工件WP操作清潔。電介質和電源的詳細描述論述於介紹部分，且在優選實施例的描述中被引入作為參考。不需要複述。
權利要求
1.一種電弧焊接焊炬，包含殼體，具有在電源和焊絲之間電接觸的中心導電接觸管，焊絲在一給定的方向上穿過接觸管朝向工件移動；與所述管同心的導電套筒，在所述管和所述套筒之間形成環形腔；固定於所述導電套筒上的第一電介質阻擋套筒，和固定於所述管上的第二電介質套筒，所述電介質套筒互相間隔開，形成了向四周延伸且平行於所述移動焊絲的給定方向的環形氣體通道，以及末端，連接到在所述管和所述導電套筒之間的高頻電源，用來產生從所述氣體通道發出的電介質阻擋放電等離子。
2.根據權利要求1所述的電弧焊接焊炬，其中輔助頻率高於500赫茲。
3.根據權利要求1所述的電弧焊接焊炬，其中所述頻率高於18千赫。
4.根據權利要求1所述的電弧焊接焊炬，其中所述頻率小於2000兆赫。
5.根據權利要求1所述的電弧焊接焊炬包括一種引導保護氣體穿過所述氣體通道的裝置。
6.根據權利要求1所述的電弧焊接焊炬，其中所述高頻的均方根電壓大於1000伏特。
7.根據權利要求1所述的電弧焊接機，其中所述高頻的電壓通常在1-40千伏的範圍內。
8.根據權利要求2所述的電弧焊接機，其中所述高頻的電壓通常在1-40千伏範圍內。
9.根據權利要求3所述的電弧焊接機，其中所述高頻的電壓通常在1-40千伏範圍內。
10.根據權利要求4所述的電弧焊接機，其中所述高頻的電壓通常在1-40千伏範圍內。
11.根據權利要求5所述的電弧焊接機，其中所述高頻的電壓通常在1-40千伏範圍內。
12.根據權利要求1所述的電弧焊炬，其中所述通道的間隙寬度通常在0.2-3.0釐米的範圍內。
13.根據權利要求8所述的電弧焊炬，其中所述通道的間隙寬度通常在0.2-3.0釐米的範圍內。
14.根據權利要求7所述的電弧焊炬，其中所述通道的間隙寬度通常在0.2-3.0釐米的範圍內。
15.根據權利要求5所述的電弧焊炬，其中所述通道的間隙寬度通常在0.2-3.0釐米的範圍內。
16.根據權利要求3所述的電弧焊炬，其中所述通道的間隙寬度通常在0.2-3.0釐米的範圍內。
17.根據權利要求2所述的電弧焊炬，其中所述通道的間隙寬度通常在0.2-3.0釐米的範圍內。
18.根據權利要求1所述的電弧焊接機，其中所述通道的間隙寬度大約為0.3-0.5釐米。
19.根據權利要求3所述的電弧焊接機，其中所述通道的間隙寬度大約為0.3-0.5釐米。
20.根據權利要求2所述的電弧焊接機，其中所述通道的間隙寬度大約為0.3-0.5釐米。
21.根據權利要求1所述的電弧焊接焊炬，其中所述電介質套筒由選自於包括陶瓷，玻璃和聚合物的種類中的材料構成。
22.根據權利要求1所述的電弧焊接焊炬，其中所述電介質套筒由陶瓷構成。
23.根據權利要求1所述的電弧焊接焊炬，其中至少一個所述電介質套筒是由陶瓷構成。
24.一種電弧焊接焊炬包含同心的第一和第二電極部件，在所述第一電極部件的外部圓柱部分和所述第二電極部件的內部圓柱部分之間形成環形保護氣體通道，以及在所述通道中的至少一個圓柱電介質套筒，當高頻電壓穿過所述電極部件時，用來在所述通道中產生電介質阻擋放電。
25.根據權利要求24所述的電弧焊接焊炬，其中所述電介質套筒被安裝於所述第一電極部件的所述外部圓柱部分。
26.根據權利要求24所述的電弧焊接焊炬，其中所述電介質套筒被安裝於所述第二電極部件的所述內部圓柱部分。
27.根據權利要求24所述的電弧焊接焊炬在所述通道中包括兩個圓柱電介質套筒。
28.根據權利要求24所述的電弧焊接焊炬，其中所述圓柱電介質套筒被固定於所述第一電極部件的所述外部圓柱部分，且包括固定於所述第二電極部件的所述內部圓柱部分上的第二圓柱電介質套筒。
29.根據權利要求28所述的電弧焊接焊炬，其中至少一個所述電極由焊絲網構成。
30.根據權利要求27所述的電弧焊接焊炬，其中至少一個所述電極由焊絲網構成。
31.根據權利要求24所述的電弧焊接焊炬，其中至少一個所述電極由焊絲網構成。
32.根據權利要求31所述的電弧焊接焊炬，其中所述第一圓柱電極是焊絲移動通過的接觸管。
33.根據權利要求29所述的電弧焊接焊炬，其中所述第一圓柱電極是焊絲移動通過的接觸管。
34.根據權利要求28所述的電弧焊接焊炬，其中所述第一圓柱電極是焊絲移動通過的接觸管。
35.根據權利要求24所述的電弧焊接焊炬，其中所述第一圓柱電極是焊絲移動通過的接觸管。
36.根據權利要求35所述的電弧焊接焊炬，其中所述通道具有保護氣體的間隙，且所述間隙的寬度通常在0.2-3.0釐米的範圍內。
37.根據權利要求34所述的電弧焊接焊炬，其中所述通道具有保護氣體的間隙，且所述間隙的寬度通常在0.2-3.0釐米的範圍內。
38.根據權利要求33所述的電弧焊接焊炬，其中所述通道具有保護氣體的間隙，且所述間隙的寬度通常在0.2-3.0釐米的範圍內。
39.根據權利要求32所述的電弧焊接焊炬，其中所述通道具有保護氣體的間隙，且所述間隙的寬度通常在0.2-3.0釐米的範圍內。
40.根據權利要求31所述的電弧焊接焊炬，其中所述通道具有保護氣體的間隙，且所述間隙的寬度通常在0.2-3.0釐米的範圍內。
41.根據權利要求28所述的電弧焊接焊炬，其中所述通道具有保護氣體的間隙，且所述間隙的寬度通常在0.2-3.0釐米的範圍內。
42.根據權利要求24所述的電弧焊接焊炬，其中所述通道具有保護氣體的間隙，且所述間隙的寬度通常在0.2-3.0釐米的範圍內。
43.根據權利要求35所述的電弧焊接焊炬，其中所述通道具有間隙，且所述間隙的寬度大約為0.3-0.5釐米。
44.根據權利要求34所述的電弧焊接焊炬，其中所述通道具有間隙，且所述間隙的寬度大約為0.3-0.5釐米。
45.根據權利要求33所述的電弧焊接焊炬，其中所述通道具有間隙，且所述間隙的寬度大約為0.3-0.5釐米。
46.根據權利要求32所述的電弧焊接焊炬，其中所述通道具有間隙，且所述間隙的寬度大約為0.3-0.5釐米。
47.根據權利要求31所述的電弧焊接焊炬，其中所述通道具有間隙，且所述間隙的寬度大約為0.3-0.5釐米。
48.根據權利要求28所述的電弧焊接焊炬，其中所述通道具有間隙，且所述間隙的寬度大約為0.3-0.5釐米。
49.根據權利要求24所述的電弧焊接焊炬，其中所述通道具有間隙，且所述間隙的寬度大約為0.3-0.5釐米。
50.根據權利要求49所述的電弧焊接焊炬，其中所述圓柱電介質套筒由選自於由陶瓷，玻璃和聚合物組成的種類中的材料構成。
51.根據權利要求42所述的電弧焊接焊炬，其中所述圓柱電介質套筒由選自於由陶瓷，玻璃和聚合物組成的種類中的材料構成。
52.根據權利要求35所述的電弧焊接焊炬，其中所述圓柱電介質套筒由選自於由陶瓷，玻璃和聚合物組成的種類中的材料構成。
53.根據權利要求31所述的電弧焊接焊炬，其中所述圓柱電介質套筒由選自於由陶瓷，玻璃和聚合物組成的種類中的材料構成。
54.根據權利要求26所述的電弧焊接焊炬，其中所述圓柱電介質套筒由選自於由陶瓷，玻璃和聚合物組成的種類中的材料構成。
55.根據權利要求25所述的電弧焊接焊炬，其中所述圓柱電介質套筒由選自於由陶瓷，玻璃和聚合物組成的種類中的材料構成。
56.根據權利要求24所述的電弧焊接焊炬，其中所述圓柱電介質套筒由選自於由陶瓷，玻璃和聚合物組成的種類中的材料構成。
57.一種電弧焊接的方法，包含(a)提供焊接電極；(b)在所述焊接電極和工件之間產生電弧；以及(c)用等離子圍繞所述電弧。
58.根據權利要求57所述的方法，其中所述等離子由電介質阻擋放電產生。
59.根據權利要求58所述的方法，包括(d)提供所述焊接電極作為焊絲；以及(e)朝向所述工件移動所述焊絲。
60.根據權利要求57所述的方法，包括(d)提供所述焊接電極作為焊絲；以及(e)朝向所述工件移動所述焊絲。
61.根據權利要求60所述的方法，其中所述等離子由電弧保護氣體形成。
62.根據權利要求59所述的方法，其中所述等離子由電弧保護氣體形成。
63.根據權利要求58所述的方法，其中所述等離子由電弧保護氣體形成。
64.根據權利要求57所述的方法，其中所述等離子由電弧保護氣體形成。
全文摘要
一種電弧焊接焊炬，具有在電源和朝向工件穿過接觸管移動的焊絲之間電接觸的中心導電接觸管的殼體，與所述管同心的導電套筒，在所述管和所述套筒之間形成環形腔，固定於所述導電套筒上的第一電介質阻擋套筒，和固定於所述管上的第二電介質套筒，其中，所述電介質套筒互相間隔開，形成了圍繞移動焊絲延伸的環形氣體通道，以及末端，連接到在所述管和所述導電套筒之間的高頻電源，用以產生從所述氣體通道發出的電介質阻擋放電等離子。這種焊炬以一種新穎的焊接方法使用，其中圍繞著電弧包覆的是等離子。
文檔編號B23K9/167GK1925947SQ200480042601
公開日2007年3月7日 申請日期2004年9月1日 優先權日2004年3月29日
發明者喬治·D·布蘭肯希普 申請人:林肯環球公司