高能量密度集束脈衝電弧焊槍的製作方法

2023-05-06 10:08:51

專利名稱：高能量密度集束脈衝電弧焊槍的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種焊槍，尤其是高能量密度集束脈衝電弧焊槍，屬於電弧焊接設備技術領域。
背景技術：
電弧是氣體放電的一種形式，以電弧作為焊接熱源在工業應用中已有相當長的歷史。從自由電弧出現以來(1885年，俄國的Benardos Olszewski的碳極電弧)，對電弧結構及特性的尋優一直是國內外學術與工程界專業人士關注的熱點。上世紀四十年代，美國 NorthropGrumman公司發明了鎢極惰性氣體保護焊及其工藝，提高了電弧的能量和可控性， 對金屬材料熔焊的質量表現出優良的效果。其後，在電弧能量形式及其工藝的發展中對焊接產生重要影響的曾有以下三種(1)上世紀五十年代出現的等離子電弧至今仍被列為一種高能束熱源，通過水冷壁壓縮通道使電弧能量密度提高到105W/cm2量級，已廣泛應用於焊接、切割和熱噴塗。(2)上世紀六十年代以來的脈衝電弧從焊接電流輸出模式的變化賦予自由電弧具有新的熱特性和力特性，即提高了電弧將能量傳遞給焊件的有效性和可控性(包括焊縫熔深增加，冶金組織、熱變形與應力的改善等)。(3)上世紀七十年代以來空心陰極(hollow cathode)電弧作為焊接的熱源。流經陰極內壁的工作氣體電離度增大，在電流為100安的真空或低壓條件下，電子溫度可達近 10電子伏特(eV)，不僅具有相當高的電能轉換效率，而且獲得了相當高的能量密度。在作為熔焊熱源時顯著地提高了對焊件的熔透能力。這一以熱電子流的能量為特徵的熱源要求在較低的重粒子數密度環境下(即在一定的真空度下)才能加速電子的振蕩並增強碰撞電離的效果，但為進一步研發新模式的高能電弧提供了一個思路。從電弧等離子體的物理屬性分析，一種能滿足高效、高品質焊接需求的高能量密度電弧已難以再依靠增大電功率輸入的方式來實現。本發明提出一種新的基於電弧形式的電熱轉換結構，是一個有較高的電離度(相對於自由電弧和等離子弧)和較高電能轉換效率的結構。

發明內容
本發明的目的是提出高能量集束脈衝電弧焊槍，是一種非熔化極惰性氣體保護條件下用於焊接的電弧新結構。高能量集束脈衝電弧焊槍，包括鎢合金電極5、電極安裝座1、連接體2、水冷噴嘴 3 ；採用兩個或三個鎢合金電極分別沿軸向安裝在同一個電極安裝座上，電極安裝座採用絕緣隔層6使電極成彼此絕緣，電極安裝座沿軸向設置有進氣孔，電極安裝座採用黃銅材料製成，其一端有外螺紋，與連接體一端的內螺紋連接固定，連接體2另一端有外螺紋，與水冷噴嘴一端的內螺紋連接固定在一起，連接體2採用絕緣材料，水冷噴嘴3採用紫銅材料， 連接體2使電極安裝座與水冷噴嘴實現電隔離，水冷噴嘴設有進水管和出水管，採用液體冷卻的方式降溫，鎢合金電極與電極安裝座1採用頂頭螺釘固定，並可上下調整伸出長度， 穿過連接體2的空腔和水冷噴嘴的空腔，電極安裝座一端的鎢合金電極分別與焊接電源連接。採用兩個鎢合金電極時，兩個電極互為隔離、互為平行，電流以同步或異步方式通過兩個鎢電極在工件之間形成導電通道，將電弧熱能傳輸到工件。採用三個鎢合金電極時，三個鎢合金電極互為隔離、互成120°，從電極安裝座到水冷噴嘴呈收縮束狀，分別與三個焊接電源連接，三個焊接電源的另一極與工件連接；電流以同步或異步方式通過三個鎢極在工件之間形成導電通道，將電弧熱能傳輸到工件。 這兩種結構的焊槍工作原理是相同的當直流或脈衝電流並行流過電弧放電空間時，在電極之間的電弧就產生自磁收縮效應，提高了電弧中的電流密度以及電極間氣體放電的電離度，從而獲得高的電子密度和電弧溫度的放電環境。與此同時，互為接近的電極之間的電場促進了保護氣體的電離。每一電極分別與焊接電源連接，每一電源的焊接參數可獨立設置，在平均電流不變條件下使脈衝時段的峰值電流增大，當焊槍以同步的脈衝電流工作時，能獲得較高的瞬時電流密度而使電弧的能量密度提高，有利於電弧的「自磁收縮」效應。亦可根據焊接工藝的需要，通過調整脈衝電流的相位差，實現異步脈衝工藝效果。所述的每一電極通過的基值電流為5 50A，峰值電流為30 200A，脈衝頻率為IOHz 30KHz。根據與焊槍配套的弧焊電源類型，本發明的焊槍能在直流和交流的兩種電流模式下工作。同時，與本發明的焊槍配套的弧焊電源可以與其他市售脈衝TIG焊接電源配套使用。在焊接工藝性方面，提高了電弧的能量密度，有利於減小焊接接頭熱影響區，提高焊接生產效率；通過不同的脈衝頻率調控焊接熔池的結晶與組織，減少焊縫的冶金缺陷，改善接頭性能。本發明提出的高能量集束脈衝電弧焊槍與傳統的單一鎢電極自由電弧產生方式上具有不同概念和電熱轉換的結構，其特點表現在(1)以保護氣體的「場致電離」和電極「熱電離」複合結構作為增強電子發射的環境，採取多陰極並聯方式產生了較強的「自磁壓縮效應」的電離氣體的導電通道。因此在電弧的能量密度上高於已有的電弧熱源(在大氣壓力條件下)。避免了以往「壁冷型」等離子電弧因焊槍結構參數過於敏感導致的不穩定，亦不要求「空心陰極」電弧的低壓或近真空的工作條件。(2)外接的焊接電源向鎢電極提供同步或異步的脈衝電流，使本專利發明的焊槍以多電極方式協同工作，增強了電弧在焊接中對熔池及其結晶過程的「控形」與「控性」的工藝能力。(3)本發明的焊槍能與直流、脈衝或交流焊接電源協同工作，每一電極的最大承載電流為300A。


圖1兩電極高能量集束脈衝電弧焊槍結構圖；圖2三電極高能量集束脈衝電弧焊槍結構圖；其中1-電極安裝座；2-連接體；3-水冷噴嘴；4a_出水管、4b_進水管、4c_保護氣體的入口 ；5-鎢極；6-絕緣隔層。
具體實施例方式焊接開始前，先對焊接電源的參數進行設置。能根據焊接工藝的實際需要，通過調整脈衝電流的佔空比，在平均電流不變條件下使脈衝的峰值電流增大，從而獲得較高的瞬間電流密度，與單一電極相比，在各電極之間形成較強的電弧「自磁收縮」效應。在焊接過程中，仍可根據工藝的需要，實時優化各電極的脈衝電流參數。當焊接結束或臨時中斷，對操作無特別要求。實施例1高能量集束脈衝電弧焊槍見圖1，包括鎢合金電極5、電極安裝座1、連接體2、水冷噴嘴3 ；採用兩個互為隔離、互為平行的鎢合金電極分別沿軸向安裝在同一個電極安裝座上，兩個電極的截面形狀分別優選為半圓，端點中心有伸出，電極安裝座採用絕緣隔層6使電極成彼此絕緣，電極安裝座沿軸向設置有保護氣體的入口，與進氣管接頭(採用尼龍管接頭)連接，電極安裝座採用黃銅材料製成，其一端有外螺紋，與連接體一端的內螺紋連接固定，連接體2另一端有外螺紋，與水冷噴嘴一端的內螺紋連接固定在一起，連接體2採用絕緣材料，水冷噴嘴3採用紫銅材料，連接體2使電極安裝座與水冷噴嘴實現電隔離，水冷噴嘴設有進水管4b和出水管4a，採用液體冷卻的方式降溫，鎢合金電極與電極安裝座1採用頂頭螺釘固定，並可上下調整伸出長度，穿過連接體2的空腔和水冷噴嘴的空腔。工作時，從進氣口如通入保護氣，保護氣體通過連接體2的空腔和水冷噴嘴的空腔達到工件，冷凝液從水冷噴嘴下端的進水管4b逆流進入水冷噴嘴的冷凝通道，從出水管如流出。兩個互為隔離、互為平行的鎢合金電極分別與兩個焊接電源連接，電流以同步方式通過兩個鎢電極在工件之間形成導電通道，將電弧熱能傳輸到工件。實施例2高能量集束脈衝電弧焊槍見圖2，包括鎢合金電極5、電極安裝座1、連接體2、水冷噴嘴3 ；採用三個互為隔離、互成120°的鎢合金電極分別沿軸向安裝在同一個電極安裝座上，電極安裝座採用絕緣隔層6使電極成彼此絕緣，電極安裝座沿軸向設置有進氣孔，電極安裝座採用黃銅材料製成，其一端有外螺紋，與連接體一端的內螺紋連接固定，連接體2另一端有外螺紋，與水冷噴嘴一端的內螺紋連接固定在一起，連接體2採用絕緣材料，水冷噴嘴3採用紫銅材料，連接體2使電極安裝座與水冷噴嘴實現電隔離，水冷噴嘴設有進水管和出水管，採用液體冷卻的方式降溫，鎢合金電極與電極安裝座1採用頂頭螺釘固定，並可上下調整伸出長度，穿過連接體2的空腔和水冷噴嘴的空腔。工作時，從進氣口如通入保護氣，保護氣體通過連接體2的空腔和水冷噴嘴的空腔達到工件，冷凝液從水冷噴嘴下端的進水管4b逆流進入水冷噴嘴的冷凝通道，從出水管如流出。從電極安裝座到水冷噴嘴呈收縮束狀的三個互為隔離、互成120°的鎢合金電極， 分別與三個焊接電源連接，三個焊接電源的另一極與工件連接；電流以同步或異步方式通過三個鎢極在工件之間形成導電通道，將電弧熱能傳輸到工件。與現有焊接電弧技術相比，本發明所採用的高能量集束脈衝電弧及其工藝主要特佔是·1、本發明核心是採用多電極的並行脈衝電流產生具有自磁壓縮效應的焊接電弧， 使電弧的能量密度比單一電極脈衝電弧有顯著提高。
2、本發明採用多電源並行輸入的供電方式，在「弧-源」系統對各電極的能量傳輸與協同控制上實現一種焊槍的新結構及其新的效果。3、在工藝性能上，本發明的電弧不僅能獲得具有「高頻效應」的焊接工藝效果，減少焊縫的冶金缺陷；而且由於提高了電弧的能量密度，在焊接過程中對工件的熱輸入量降低，減少焊縫與熱影響區的尺寸，這種脈衝電弧熱源在焊接中具有更好的「控制焊縫成形」 與「控制接頭性能」的能力。
權利要求
1.高能量集束脈衝電弧焊槍，其特徵在於，包括鎢合金電極(5)、電極安裝座(1)、連接體O)、水冷噴嘴(3)；採用兩個或三個鎢合金電極分別沿軸向安裝在同一個電極安裝座上，電極安裝座採用絕緣隔層(6)使電極成彼此絕緣，電極安裝座沿軸向設置有進氣孔， 電極安裝座採用黃銅材料製成，其一端有外螺紋，與連接體一端的內螺紋連接固定，連接體 (2)另一端有外螺紋，與水冷噴嘴一端的內螺紋連接固定在一起，連接體( 採用絕緣材料，水冷噴嘴(3)採用紫銅材料，連接體(2)使電極安裝座與水冷噴嘴實現電隔離，水冷噴嘴設有進水管和出水管，採用液體冷卻的方式降溫，鎢合金電極與電極安裝座(1)採用頂頭螺釘固定，並可上下調整伸出長度，穿過連接體O)的空腔和水冷噴嘴的空腔，電極安裝座一端的鎢合金電極分別與焊接電源連接。
2.按照權利要求1的高能量集束脈衝電弧焊槍，其特徵在於，採用兩個鎢合金電極時， 兩個電極互為隔離、互為平行，電流以同步或異步方式通過兩個鎢電極在工件之間形成導電通道，將電弧熱能傳輸到工件。
3.按照權利要求2的高能量集束脈衝電弧焊槍，其特徵在於，兩個電極的截面形狀分別為半圓，端點中心有伸出.
4.按照權利要求1的高能量集束脈衝電弧焊槍，其特徵在於，採用三個鎢合金電極時， 三個鎢合金電極互為隔離、互成120°，從電極安裝座到水冷噴嘴呈收縮束狀，分別與三個焊接電源連接，三個焊接電源的另一極與工件連接；電流以同步或異步方式通過三個鎢極在工件之間形成導電通道，將電弧熱能傳輸到工件。
全文摘要
高能量密度集束脈衝電弧焊槍，屬於電弧焊接設備技術領域。採用兩個或三個鎢合金電極安裝在電極安裝座上，電極安裝座採用絕緣隔層使電極成彼此絕緣，電極安裝座沿軸向設置有進氣孔，電極安裝座採用黃銅材料製成，與連接體通過螺紋連接固定，連接體與水冷噴嘴通過螺紋連接固定在一起，連接體採用絕緣材料，水冷噴嘴採用紫銅材料，使電極安裝座與水冷噴嘴實現電隔離，水冷噴嘴採用液體冷卻的方式降溫，鎢合金電極與電極安裝座採用頂頭螺釘固定，可上下調整伸出長度，穿過連接體的空腔和水冷噴嘴的空腔，電極安裝座一端的鎢合金電極分別與焊接電源連接。本發明可獲得高的電子密度和電弧溫度的放電環境，促進了保護氣體的電離。
文檔編號B23K9/28GK102554424SQ201210052540
公開日2012年7月11日 申請日期2012年3月2日 優先權日2012年3月2日
發明者宋永倫, 範瑞芬 申請人:北京工業大學