專利名稱：高能量密度集束脈沖電弧焊槍的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種焊槍，尤其是高能量密度集束脈沖電弧焊槍，屬于電弧焊接設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
電弧是氣體放電的一種形式，以電弧作為焊接熱源在工業(yè)應(yīng)用中已有相當(dāng)長的歷史。從自由電弧出現(xiàn)以來(1885年，俄國的Benardos Olszewski的碳極電弧)，對(duì)電弧結(jié)構(gòu)及特性的尋優(yōu)一直是國內(nèi)外學(xué)術(shù)與工程界專業(yè)人士關(guān)注的熱點(diǎn)。上世紀(jì)四十年代，美國 NorthropGrumman公司發(fā)明了鎢極惰性氣體保護(hù)焊及其工藝，提高了電弧的能量和可控性， 對(duì)金屬材料熔焊的質(zhì)量表現(xiàn)出優(yōu)良的效果。其后，在電弧能量形式及其工藝的發(fā)展中對(duì)焊接產(chǎn)生重要影響的曾有以下三種(1)上世紀(jì)五十年代出現(xiàn)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(jí)，已廣泛應(yīng)用于焊接、切割和熱噴涂。(2)上世紀(jì)六十年代以來的脈沖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(yīng)力的改善等)。(3)上世紀(jì)七十年代以來空心陰極(hollow cathode)電弧作為焊接的熱源。流經(jīng)陰極內(nèi)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(dá)近 10電子伏特(eV)，不僅具有相當(dāng)高的電能轉(zhuǎn)換效率，而且獲得了相當(dāng)高的能量密度。在作為熔焊熱源時(shí)顯著地提高了對(duì)焊件的熔透能力。這一以熱電子流的能量為特征的熱源要求在較低的重粒子數(shù)密度環(huán)境下(即在一定的真空度下)才能加速電子的振蕩并增強(qiáng)碰撞電離的效果，但為進(jìn)一步研發(fā)新模式的高能電弧提供了一個(gè)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(zhì)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(shí)現(xiàn)。本發(fā)明提出一種新的基于電弧形式的電熱轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，是一個(gè)有較高的電離度(相對(duì)于自由電弧和等離子弧)和較高電能轉(zhuǎn)換效率的結(jié)構(gòu)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提出高能量集束脈沖電弧焊槍，是一種非熔化極惰性氣體保護(hù)條件下用于焊接的電弧新結(jié)構(gòu)。高能量集束脈沖電弧焊槍，包括鎢合金電極5、電極安裝座1、連接體2、水冷噴嘴 3 ；采用兩個(gè)或三個(gè)鎢合金電極分別沿軸向安裝在同一個(gè)電極安裝座上，電極安裝座采用絕緣隔層6使電極成彼此絕緣，電極安裝座沿軸向設(shè)置有進(jìn)氣孔，電極安裝座采用黃銅材料制成，其一端有外螺紋，與連接體一端的內(nèi)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(nèi)螺紋連接固定在一起，連接體2采用絕緣材料，水冷噴嘴3采用紫銅材料， 連接體2使電極安裝座與水冷噴嘴實(shí)現(xiàn)電隔離，水冷噴嘴設(shè)有進(jìn)水管和出水管，采用液體冷卻的方式降溫，鎢合金電極與電極安裝座1采用頂頭螺釘固定，并可上下調(diào)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。采用兩個(gè)鎢合金電極時(shí)，兩個(gè)電極互為隔離、互為平行，電流以同步或異步方式通過兩個(gè)鎢電極在工件之間形成導(dǎo)電通道，將電弧熱能傳輸?shù)焦ぜ?。采用三個(gè)鎢合金電極時(shí)，三個(gè)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(gè)焊接電源連接，三個(gè)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(gè)鎢極在工件之間形成導(dǎo)電通道，將電弧熱能傳輸?shù)焦ぜ?這兩種結(jié)構(gòu)的焊槍工作原理是相同的當(dāng)直流或脈沖電流并行流過電弧放電空間時(shí)，在電極之間的電弧就產(chǎn)生自磁收縮效應(yīng)，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(huán)境。與此同時(shí)，互為接近的電極之間的電場促進(jìn)了保護(hù)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(shù)可獨(dú)立設(shè)置，在平均電流不變條件下使脈沖時(shí)段的峰值電流增大，當(dāng)焊槍以同步的脈沖電流工作時(shí)，能獲得較高的瞬時(shí)電流密度而使電弧的能量密度提高，有利于電弧的“自磁收縮”效應(yīng)。亦可根據(jù)焊接工藝的需要，通過調(diào)整脈沖電流的相位差，實(shí)現(xiàn)異步脈沖工藝效果。所述的每一電極通過的基值電流為5 50A，峰值電流為30 200A，脈沖頻率為IOHz 30KHz。根據(jù)與焊槍配套的弧焊電源類型，本發(fā)明的焊槍能在直流和交流的兩種電流模式下工作。同時(shí)，與本發(fā)明的焊槍配套的弧焊電源可以與其他市售脈沖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，有利于減小焊接接頭熱影響區(qū)，提高焊接生產(chǎn)效率；通過不同的脈沖頻率調(diào)控焊接熔池的結(jié)晶與組織，減少焊縫的冶金缺陷，改善接頭性能。本發(fā)明提出的高能量集束脈沖電弧焊槍與傳統(tǒng)的單一鎢電極自由電弧產(chǎn)生方式上具有不同概念和電熱轉(zhuǎn)換的結(jié)構(gòu)，其特點(diǎn)表現(xiàn)在(1)以保護(hù)氣體的“場致電離”和電極“熱電離”復(fù)合結(jié)構(gòu)作為增強(qiáng)電子發(fā)射的環(huán)境，采取多陰極并聯(lián)方式產(chǎn)生了較強(qiáng)的“自磁壓縮效應(yīng)”的電離氣體的導(dǎo)電通道。因此在電弧的能量密度上高于已有的電弧熱源(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(jié)構(gòu)參數(shù)過于敏感導(dǎo)致的不穩(wěn)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沖電流，使本專利發(fā)明的焊槍以多電極方式協(xié)同工作，增強(qiáng)了電弧在焊接中對(duì)熔池及其結(jié)晶過程的“控形”與“控性”的工藝能力。(3)本發(fā)明的焊槍能與直流、脈沖或交流焊接電源協(xié)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沖電弧焊槍結(jié)構(gòu)圖；圖2三電極高能量集束脈沖電弧焊槍結(jié)構(gòu)圖；其中1-電極安裝座；2-連接體；3-水冷噴嘴；4a_出水管、4b_進(jìn)水管、4c_保護(hù)氣體的入口 ；5-鎢極；6-絕緣隔層。
具體實(shí)施例方式焊接開始前，先對(duì)焊接電源的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。能根據(jù)焊接工藝的實(shí)際需要，通過調(diào)整脈沖電流的占空比，在平均電流不變條件下使脈沖的峰值電流增大，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(qiáng)的電弧“自磁收縮”效應(yīng)。在焊接過程中，仍可根據(jù)工藝的需要，實(shí)時(shí)優(yōu)化各電極的脈沖電流參數(shù)。當(dāng)焊接結(jié)束或臨時(shí)中斷，對(duì)操作無特別要求。實(shí)施例1高能量集束脈沖電弧焊槍見圖1，包括鎢合金電極5、電極安裝座1、連接體2、水冷噴嘴3 ；采用兩個(gè)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(gè)電極安裝座上，兩個(gè)電極的截面形狀分別優(yōu)選為半圓，端點(diǎn)中心有伸出，電極安裝座采用絕緣隔層6使電極成彼此絕緣，電極安裝座沿軸向設(shè)置有保護(hù)氣體的入口，與進(jìn)氣管接頭(采用尼龍管接頭)連接，電極安裝座采用黃銅材料制成，其一端有外螺紋，與連接體一端的內(nèi)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(nèi)螺紋連接固定在一起，連接體2采用絕緣材料，水冷噴嘴3采用紫銅材料，連接體2使電極安裝座與水冷噴嘴實(shí)現(xiàn)電隔離，水冷噴嘴設(shè)有進(jìn)水管4b和出水管4a，采用液體冷卻的方式降溫，鎢合金電極與電極安裝座1采用頂頭螺釘固定，并可上下調(diào)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(shí)，從進(jìn)氣口如通入保護(hù)氣，保護(hù)氣體通過連接體2的空腔和水冷噴嘴的空腔達(dá)到工件，冷凝液從水冷噴嘴下端的進(jìn)水管4b逆流進(jìn)入水冷噴嘴的冷凝通道，從出水管如流出。兩個(gè)互為隔離、互為平行的鎢合金電極分別與兩個(gè)焊接電源連接，電流以同步方式通過兩個(gè)鎢電極在工件之間形成導(dǎo)電通道，將電弧熱能傳輸?shù)焦ぜ?。?shí)施例2高能量集束脈沖電弧焊槍見圖2，包括鎢合金電極5、電極安裝座1、連接體2、水冷噴嘴3 ；采用三個(gè)互為隔離、互成120°的鎢合金電極分別沿軸向安裝在同一個(gè)電極安裝座上，電極安裝座采用絕緣隔層6使電極成彼此絕緣，電極安裝座沿軸向設(shè)置有進(jìn)氣孔，電極安裝座采用黃銅材料制成，其一端有外螺紋，與連接體一端的內(nèi)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(nèi)螺紋連接固定在一起，連接體2采用絕緣材料，水冷噴嘴3采用紫銅材料，連接體2使電極安裝座與水冷噴嘴實(shí)現(xiàn)電隔離，水冷噴嘴設(shè)有進(jìn)水管和出水管，采用液體冷卻的方式降溫，鎢合金電極與電極安裝座1采用頂頭螺釘固定，并可上下調(diào)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(shí)，從進(jìn)氣口如通入保護(hù)氣，保護(hù)氣體通過連接體2的空腔和水冷噴嘴的空腔達(dá)到工件，冷凝液從水冷噴嘴下端的進(jìn)水管4b逆流進(jìn)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(gè)互為隔離、互成120°的鎢合金電極， 分別與三個(gè)焊接電源連接，三個(gè)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(gè)鎢極在工件之間形成導(dǎo)電通道，將電弧熱能傳輸?shù)焦ぜ?。與現(xiàn)有焊接電弧技術(shù)相比，本發(fā)明所采用的高能量集束脈沖電弧及其工藝主要特占是·1、本發(fā)明核心是采用多電極的并行脈沖電流產(chǎn)生具有自磁壓縮效應(yīng)的焊接電弧， 使電弧的能量密度比單一電極脈沖電弧有顯著提高。
2、本發(fā)明采用多電源并行輸入的供電方式，在“弧-源”系統(tǒng)對(duì)各電極的能量傳輸與協(xié)同控制上實(shí)現(xiàn)一種焊槍的新結(jié)構(gòu)及其新的效果。3、在工藝性能上，本發(fā)明的電弧不僅能獲得具有“高頻效應(yīng)”的焊接工藝效果，減少焊縫的冶金缺陷；而且由于提高了電弧的能量密度，在焊接過程中對(duì)工件的熱輸入量降低，減少焊縫與熱影響區(qū)的尺寸，這種脈沖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(quán)利要求
1.高能量集束脈沖電弧焊槍，其特征在于，包括鎢合金電極(5)、電極安裝座(1)、連接體O)、水冷噴嘴(3)；采用兩個(gè)或三個(gè)鎢合金電極分別沿軸向安裝在同一個(gè)電極安裝座上，電極安裝座采用絕緣隔層(6)使電極成彼此絕緣，電極安裝座沿軸向設(shè)置有進(jìn)氣孔， 電極安裝座采用黃銅材料制成，其一端有外螺紋，與連接體一端的內(nèi)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(nèi)螺紋連接固定在一起，連接體( 采用絕緣材料，水冷噴嘴(3)采用紫銅材料，連接體(2)使電極安裝座與水冷噴嘴實(shí)現(xiàn)電隔離，水冷噴嘴設(shè)有進(jìn)水管和出水管，采用液體冷卻的方式降溫，鎢合金電極與電極安裝座(1)采用頂頭螺釘固定，并可上下調(diào)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(quán)利要求1的高能量集束脈沖電弧焊槍，其特征在于，采用兩個(gè)鎢合金電極時(shí)， 兩個(gè)電極互為隔離、互為平行，電流以同步或異步方式通過兩個(gè)鎢電極在工件之間形成導(dǎo)電通道，將電弧熱能傳輸?shù)焦ぜ?br> 3.按照權(quán)利要求2的高能量集束脈沖電弧焊槍，其特征在于，兩個(gè)電極的截面形狀分別為半圓，端點(diǎn)中心有伸出.
4.按照權(quán)利要求1的高能量集束脈沖電弧焊槍，其特征在于，采用三個(gè)鎢合金電極時(shí)， 三個(gè)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(gè)焊接電源連接，三個(gè)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(gè)鎢極在工件之間形成導(dǎo)電通道，將電弧熱能傳輸?shù)焦ぜ?br> 全文摘要
高能量密度集束脈沖電弧焊槍，屬于電弧焊接設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域。采用兩個(gè)或三個(gè)鎢合金電極安裝在電極安裝座上，電極安裝座采用絕緣隔層使電極成彼此絕緣，電極安裝座沿軸向設(shè)置有進(jìn)氣孔，電極安裝座采用黃銅材料制成，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，連接體采用絕緣材料，水冷噴嘴采用紫銅材料，使電極安裝座與水冷噴嘴實(shí)現(xiàn)電隔離，水冷噴嘴采用液體冷卻的方式降溫，鎢合金電極與電極安裝座采用頂頭螺釘固定，可上下調(diào)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(fā)明可獲得高的電子密度和電弧溫度的放電環(huán)境，促進(jìn)了保護(hù)氣體的電離。
文檔編號(hào)B23K9/28GK102554424SQ201210052540
公開日2012年7月11日 申請(qǐng)日期2012年3月2日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月2日
發(fā)明者宋永倫, 范瑞芬 申請(qǐng)人:北京工業(yè)大學(xué)