專利名稱：雙尖角磁場再壓縮等離子弧焊接技術(shù)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于焊接范疇。
等離子弧經(jīng)噴咀機(jī)械壓縮、熱壓縮和自身磁場壓縮(統(tǒng)稱為一次壓縮)，其能量密度與穿透能力比一般自由電弧有明顯提高?？捎糜诮饘偾懈?或用來進(jìn)行以工件完全穿透為特征的小孔型焊接，實(shí)現(xiàn)單面一次焊雙面成型。但是等離子弧一次壓縮的效果受到限制。若一次壓縮過度，則會產(chǎn)生“雙弧”，使工藝過程破壞，甚至燒壞噴咀。隨著焊接厚度增加，必須增加焊接電流以保證穿孔。但為了防止“雙弧”，則需相應(yīng)減弱對等離子弧的壓縮作用，從而削弱了等離子弧高能量密度熱源的特征，使熔池及小孔增大，導(dǎo)致熔池金屬失穩(wěn)。因而等離子弧小孔型焊接存在著一定的厚度極限。目前國內(nèi)外公認(rèn)的厚度極限軟鋼為10毫米，不銹鋼及鈦合金為13毫米。而在實(shí)際生產(chǎn)條件下可以穩(wěn)定焊接的最大厚度比這還要低得多，以不銹鋼為例，僅為8毫米。
本發(fā)明的目的在于突破上述限制，擴(kuò)大等離子弧焊接的應(yīng)用范並提高其工藝質(zhì)量，我們采用雙尖角磁場(附

圖1)或平行逆向橫磁場(附圖2)對等離子弧進(jìn)行二次壓縮(以下稱再壓縮)，進(jìn)一步提高等離子弧的能量密度和中心壓強(qiáng)，並可通過調(diào)節(jié)激磁電流對等離子弧的能量場和壓力場進(jìn)行調(diào)節(jié)，以適應(yīng)普通等離子弧無法滿足的工藝需要。對于等離子弧厚板焊接而言，即在保證持續(xù)穿孔的前提下，維持熔池的力學(xué)平衡，從而實(shí)現(xiàn)更大焊接厚度的單面一次焊雙面成型。
本發(fā)明采用國內(nèi)外生產(chǎn)的任一種等離子弧焊機(jī)及其配套焊接電源(如圖產(chǎn)LH-300型等離子弧焊機(jī)及ZXG-300型配套電源)。僅在焊炬上加一個專門設(shè)計(jì)的能夠產(chǎn)生雙尖角磁場的磁頭。磁頭有四個磁極，異名極相鄰。芯柱為工業(yè)純鐵加工而成，用高強(qiáng)漆包線纏繞。磁力線由極靴導(dǎo)至弧區(qū)。磁頭端面裝有紫銅護(hù)板。磁頭由壓緊螺母與焊炬固定，並可由頂絲調(diào)整磁對中。我們試驗(yàn)所用磁頭的芯柱尺寸為12×16×70毫米，每一芯柱用1.1毫米高強(qiáng)漆包線纏繞183匝，整個磁頭總重僅1公斤，符合實(shí)用要求。激磁電源可采用任何型號的直流調(diào)壓電源或用單相交流調(diào)壓器經(jīng)二極管全波整流后供給，保證激磁電流可在0～5安內(nèi)調(diào)節(jié)。其它工藝條件與普通等離子弧焊接相同。
本發(fā)明的特點(diǎn)在于等離子弧經(jīng)磁頭產(chǎn)生的雙尖角磁場再壓縮后，使電弧截面壓扁，導(dǎo)電面積縮小，能量場及壓力場向長徑密集，等離子弧的物理性能發(fā)生一系列有益的變化。以激磁電流為5安時為例，電弧截面長短徑的比值為4.5;導(dǎo)電面積僅為原來的40%;電位梯度為原來的5.7倍;最高電流密度為原來的2.2倍;電弧中心壓強(qiáng)為原來的1.6倍;產(chǎn)生雙弧的臨界電流為原來的3倍。
由于等離子弧經(jīng)雙尖角磁場再壓縮后，物理性能發(fā)生了上述變化，從而為焊接工藝帶來以下優(yōu)點(diǎn)1.由于等離子弧的截面壓扁，因而具有方位性，沿著不同的方向施焊，可以滿足不同的工藝需要。
2.當(dāng)沿著電弧截面長徑方向施焊，可使等離子弧的穿孔能力大幅度提高。當(dāng)激磁電流為5安時，僅用80安的焊接電流即可使16毫米的不銹鋼板持續(xù)穿孔(而對于普通等離子弧，即使高達(dá)300安以上也無法做到這一點(diǎn))。
3.由于電弧壓扁，當(dāng)沿著長徑方向施焊，使焊縫變窄，熔池尺寸及小孔孔徑變小(激磁電流為5安時，小孔孔徑僅2毫米左右)，從而有利于維持熔池液態(tài)金屬的力學(xué)平衡，提高了反面成型的穩(wěn)定性。
4.由于“雙弧”臨界電流顯著增加，提高了焊接過程的可靠性，并提供了采用小孔徑噴咀進(jìn)行大電流焊接的可能性，從而進(jìn)一步提高了等離子弧的能量密度。
綜合以上工藝優(yōu)點(diǎn)，本發(fā)明的應(yīng)用價(jià)值在于1.除實(shí)用于一般等離子弧焊接的場合外，還可突破當(dāng)前一般等離子弧焊接的厚度極限，進(jìn)行更大焊接厚度的一次焊雙面成形。我們已在實(shí)際生產(chǎn)條件下完成了16～20毫米不銹鋼的一次焊雙面成形，正反面成形良好。
2.若進(jìn)一步提高激磁電流，降低行走速度、增加電流及離子氣流量，則可利用普通焊接設(shè)備進(jìn)行高精度切割。
3.若按短徑方向施焊，熔深可以小于0.5毫米，焊道形狀系數(shù)高達(dá)30以上，用于堆焊可以大大提高生產(chǎn)率，降低母材對焊道的稀釋率，顯著提高堆焊層的質(zhì)量。
4.可作為抑制“雙弧”產(chǎn)生的有效措施。
權(quán)利要求
1.雙尖角磁場再壓縮等離子弧焊接技術(shù)屬于焊接范疇。它是是在普通等離子弧一次壓縮的基礎(chǔ)上，通過外加磁場進(jìn)行二次壓縮(或稱再壓縮)，使等離子弧截面壓扁，具有方位性，導(dǎo)電截面縮小、電位梯度、最大電流密度、中心壓強(qiáng)以及產(chǎn)生雙弧”的臨界電流值提高，並可通過改變激磁電流及電弧方位對等離子弧的能量場及壓力場方便地進(jìn)行調(diào)節(jié)，以適應(yīng)不同工藝的需要?？娠@著提高等離子弧焊接與切割的工藝質(zhì)量及生產(chǎn)率，並拓寬其應(yīng)用范圍，例如，采用本技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)16～20毫米不銹鋼板單面一次焊雙面成形，大大突破當(dāng)前國內(nèi)外公認(rèn)的等離子弧小孔型焊接的厚度極限(13mm)。本發(fā)明的特征是采用普通等離子弧焊接設(shè)備，僅在焊炬上安裝一個能夠形成雙尖角磁場或平行逆向橫磁場的專用磁頭，由獨(dú)立的激磁電源供給直流激磁電流。等離子弧經(jīng)雙尖角磁場壓扁，沿著截面的長徑方向施焊，由于電弧的能量與壓力集中于狹小的區(qū)域內(nèi)，其穿孔能力顯著增加，而熔池尺寸及小孔孔徑明顯減小，有效地解決了小孔型焊接的根本矛盾，即保證持續(xù)穿孔和維持熔池金屬力學(xué)平衡之間的矛盾，從而能夠?qū)τ诟蟮暮附雍穸葘?shí)現(xiàn)一次焊雙面成形。雙尖角磁場再壓縮等離子弧對工藝材料無特殊要求，由于電弧的穿透能力及熱源特性主要取決于激磁電流，無需隨著焊接厚度增加大幅度提高焊接電流及離子氣流量，因而其焊接規(guī)范具有與普通等離子弧完全不同的特點(diǎn)。本發(fā)明不僅可以用于焊接，還可成功地用于堆焊，切割。
2.根據(jù)權(quán)利要求1，其中所述專用磁頭的特征是具有四個磁極，異名極相鄰。鐵芯為12×16×70毫米工業(yè)純鐵，用1.1毫米高強(qiáng)漆包線纏繞，每個芯柱183匝。磁力線由厚為3毫米的極靴導(dǎo)至弧區(qū)。若四個磁極的磁軛相連則形成雙尖角磁場。若兩對磁極的磁軛相互斷開則形成平行逆向橫磁場。磁頭端面裝有紫銅護(hù)板，由壓緊螺母與焊炬固定，並可用頂絲調(diào)節(jié)磁對中。
3.根據(jù)權(quán)利要求1，其中所述的激磁電源可采用晶體管調(diào)壓電源，或由市電經(jīng)單相調(diào)壓器及硅二極管全波整流后輸出，要求激磁電流能在0～5安內(nèi)調(diào)節(jié)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1，其中所述的工藝材料為離子氣和保護(hù)氣采用純度為99.9%的工業(yè)純氬，電極采用鈰鎢棒。
5.根據(jù)權(quán)利要求1，其中所述焊接規(guī)范的特征為根據(jù)焊接厚度選擇適當(dāng)激磁電流，采用較小的噴咀孔徑和較長的孔道長度，盡可能采用低電流長弧焊接，在保證持續(xù)穿孔的前提下提高焊速以縮短熔池存在時間。對于16毫米不銹鋼板的推薦規(guī)范為噴咀孔徑2～3毫米，孔道長度4～6毫米，電極直徑4～5毫米，內(nèi)縮量比孔道長度長0.2～0.3毫米，激磁電流4.5～5安，焊接電流85～110安，噴咀距工件高度7～9毫米，離子氣流量為530～600升/時，保護(hù)氣流量700～800升/時，焊接速度70～90毫米/分。
6.根據(jù)權(quán)利要求1，其中所述用于堆焊時的技術(shù)特征為采用雙尖角磁場使等離子弧壓扁，沿電弧截面短徑方向施焊。堆焊材料可通過填充絲形式加入，或是呈粉末狀隨保護(hù)氣送入，也可以預(yù)制形式置于堆焊表面。
7.根據(jù)權(quán)利要求1，其中所述用于切割時的技術(shù)特征是在割炬上安置構(gòu)成雙尖角磁場的專用磁頭，使等離子弧壓扁並沿長徑方向切割(與焊接的區(qū)別在于，增加電流及離子氣流量，降低行走速度)，應(yīng)用這一方法可以提高切口質(zhì)量，且無需采用具有高空載電壓的專用切割設(shè)備，可以應(yīng)用普通等離子焊機(jī)進(jìn)行切割，達(dá)到一機(jī)兩用的目的。
全文摘要
本發(fā)明的主要特征是在普通等離子焊炬上安裝一個形成雙尖角磁場或平行逆向橫磁場的專用磁頭，使等離子弧壓扁，其能量場及壓力場向長徑集中，并可通過激磁電流方便地進(jìn)行調(diào)節(jié)，以適應(yīng)不同的工藝需要。采用這一方法，沿電弧截面的長徑方向施焊，可以實(shí)現(xiàn)更厚鋼板的單面一次焊雙面成型若增強(qiáng)規(guī)范則可應(yīng)用普通等離子焊機(jī)進(jìn)行切割；若沿短徑方向施焊則可提高堆焊質(zhì)量與生產(chǎn)率。
文檔編號B23K9/08GK1046693SQ8910292
公開日1990年11月7日 申請日期1989年4月29日 優(yōu)先權(quán)日1989年4月29日
發(fā)明者趙彭生, 祝樹燕, 趙國華, 王耀文 申請人:太原工業(yè)大學(xué)