CN102554424B - 高能量密度集束脉冲电弧焊枪 - Google Patents

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Abstract

高能量密度集束脉冲电弧焊枪，属于电弧焊接设备技术领域。采用两个或三个钨合金电极安装在电极安装座上，电极安装座采用绝缘隔层使电极成彼此绝缘，电极安装座沿轴向设置有进气孔，电极安装座采用黄铜材料制成，与连接体通过螺纹连接固定，连接体与水冷喷嘴通过螺纹连接固定在一起，连接体采用绝缘材料，水冷喷嘴采用紫铜材料，使电极安装座与水冷喷嘴实现电隔离，水冷喷嘴采用液体冷却的方式降温，钨合金电极与电极安装座采用顶头螺钉固定，可上下调整伸出长度，穿过连接体的空腔和水冷喷嘴的空腔，电极安装座一端的钨合金电极分别与焊接电源连接。本发明可获得高的电子密度和电弧温度的放电环境，促进了保护气体的电离。

Description

高能量密度集束脉冲电弧焊枪
技术领域
本发明涉及一种焊枪，尤其是高能量密度集束脉冲电弧焊枪，属于电弧焊接设备技术领域。
背景技术
电弧是气体放电的一种形式，以电弧作为焊接热源在工业应用中已有相当长的历史。从自由电弧出现以来(1885年，俄国的Benardos Olszewski的碳极电弧)，对电弧结构及特性的寻优一直是国内外学术与工程界专业人士关注的热点。上世纪四十年代，美国NorthropGrumman公司发明了钨极惰性气体保护焊及其工艺，提高了电弧的能量和可控性，对金属材料熔焊的质量表现出优良的效果。其后，在电弧能量形式及其工艺的发展中对焊接产生重要影响的曾有以下三种：
(1)上世纪五十年代出现的等离子电弧至今仍被列为一种高能束热源，通过水冷壁压缩通道使电弧能量密度提高到105W/cm2量级，已广泛应用于焊接、切割和热喷涂。
(2)上世纪六十年代以来的脉冲电弧从焊接电流输出模式的变化赋予自由电弧具有新的热特性和力特性，即：提高了电弧将能量传递给焊件的有效性和可控性(包括焊缝熔深增加，冶金组织、热变形与应力的改善等)。
(3)上世纪七十年代以来空心阴极(hollow cathode)电弧作为焊接的热源。流经阴极内壁的工作气体电离度增大，在电流为100安的真空或低压条件下，电子温度可达近10电子伏特(eV)，不仅具有相当高的电能转换效率，而且获得了相当高的能量密度。在作为熔焊热源时显著地提高了对焊件的熔透能力。这一以热电子流的能量为特征的热源要求在较低的重粒子数密度环境下(即在一定的真空度下)才能加速电子的振荡并增强碰撞电离的效果，但为进一步研发新模式的高能电弧提供了一个思路。
从电弧等离子体的物理属性分析，一种能满足高效、高品质焊接需求的高能量密度电弧已难以再依靠增大电功率输入的方式来实现。本发明提出一种新的基于电弧形式的电热转换结构，是一个有较高的电离度(相对于自由电弧和等离子弧)和较高电能转换效率的结构。
发明内容
本发明的目的是提出高能量集束脉冲电弧焊枪，是一种非熔化极惰性气体保护条件下用于焊接的电弧新结构。
高能量集束脉冲电弧焊枪，包括钨合金电极5、电极安装座1、连接体2、水冷喷嘴3；采用两个或三个钨合金电极分别沿轴向安装在同一个电极安装座上，电极安装座采用绝缘隔层6使电极成彼此绝缘，电极安装座沿轴向设置有进气孔，电极安装座采用黄铜材料制成，其一端有外螺纹，与连接体一端的内螺纹连接固定，连接体2另一端有外螺纹，与水冷喷嘴一端的内螺纹连接固定在一起，连接体2采用绝缘材料，水冷喷嘴3采用紫铜材料，连接体2使电极安装座与水冷喷嘴实现电隔离，水冷喷嘴设有进水管和出水管，采用液体冷却的方式降温，钨合金电极与电极安装座1采用顶头螺钉固定，并可上下调整伸出长度，穿过连接体2的空腔和水冷喷嘴的空腔，电极安装座一端的钨合金电极分别与焊接电源连接。
采用两个钨合金电极时，两个电极互为隔离、互为平行，电流以同步或异步方式通过两个钨电极在工件之间形成导电通道，将电弧热能传输到工件。
采用三个钨合金电极时，三个钨合金电极互为隔离、互成120°，从电极安装座到水冷喷嘴呈收缩束状，分别与三个焊接电源连接，三个焊接电源的另一极与工件连接；电流以同步或异步方式通过三个钨极在工件之间形成导电通道，将电弧热能传输到工件。
这两种结构的焊枪工作原理是相同的：当直流或脉冲电流并行流过电弧放电空间时，在电极之间的电弧就产生自磁收缩效应，提高了电弧中的电流密度以及电极间气体放电的电离度，从而获得高的电子密度和电弧温度的放电环境。与此同时，互为接近的电极之间的电场促进了保护气体的电离。
每一电极分别与焊接电源连接，每一电源的焊接参数可独立设置，在平均电流不变条件下使脉冲时段的峰值电流增大，当焊枪以同步的脉冲电流工作时，能获得较高的瞬时电流密度而使电弧的能量密度提高，有利于电弧的“自磁收缩”效应。亦可根据焊接工艺的需要，通过调整脉冲电流的相位差，实现异步脉冲工艺效果。所述的每一电极通过的基值电流为5～50A，峰值电流为30～200A，脉冲频率为10Hz～30KHz。根据与焊枪配套的弧焊电源类型，本发明的焊枪能在直流和交流的两种电流模式下工作。同时，与本发明的焊枪配套的弧焊电源可以与其他市售脉冲TIG焊接电源配套使用。在焊接工艺性方面，提高了电弧的能量密度，有利于减小焊接接头热影响区，提高焊接生产效率；通过不同的脉冲频率调控焊接熔池的结晶与组织，减少焊缝的冶金缺陷，改善接头性能。
本发明提出的高能量集束脉冲电弧焊枪与传统的单一钨电极自由电弧产生方式上具有不同概念和电热转换的结构，其特点表现在：
(1)以保护气体的“场致电离”和电极“热电离”复合结构作为增强电子发射的环境，采取多阴极并联方式产生了较强的“自磁压缩效应”的电离气体的导电通道。因此在电弧的能量密度上高于已有的电弧热源(在大气压力条件下)。避免了以往“壁冷型”等离子电弧因焊枪结构参数过于敏感导致的不稳定，亦不要求“空心阴极”电弧的低压或近真空的工作条件。
(2)外接的焊接电源向钨电极提供同步或异步的脉冲电流，使本专利发明的焊枪以多电极方式协同工作，增强了电弧在焊接中对熔池及其结晶过程的“控形”与“控性”的工艺能力。
(3)本发明的焊枪能与直流、脉冲或交流焊接电源协同工作，每一电极的最大承载电流为300A。
附图说明
图1两电极高能量集束脉冲电弧焊枪结构图；
图2三电极高能量集束脉冲电弧焊枪结构图；
其中1-电极安装座；2-连接体；3-水冷喷嘴；4a-出水管、4b-进水管、4c-保护气体的入口；5-钨极；6-绝缘隔层。
具体实施方式
焊接开始前，先对焊接电源的参数进行设置。能根据焊接工艺的实际需要，通过调整脉冲电流的占空比，在平均电流不变条件下使脉冲的峰值电流增大，从而获得较高的瞬间电流密度，与单一电极相比，在各电极之间形成较强的电弧“自磁收缩”效应。在焊接过程中，仍可根据工艺的需要，实时优化各电极的脉冲电流参数。当焊接结束或临时中断，对操作无特别要求。
实施例1
高能量集束脉冲电弧焊枪见图1，包括钨合金电极5、电极安装座1、连接体2、水冷喷嘴3；采用两个互为隔离、互为平行的钨合金电极分别沿轴向安装在同一个电极安装座上，两个电极的截面形状分别优选为半圆，端点中心有伸出，电极安装座采用绝缘隔层6使电极成彼此绝缘，电极安装座沿轴向设置有保护气体的入口，与进气管接头(采用尼龙管接头)连接，电极安装座采用黄铜材料制成，其一端有外螺纹，与连接体一端的内螺纹连接固定，连接体2另一端有外螺纹，与水冷喷嘴一端的内螺纹连接固定在一起，连接体2采用绝缘材料，水冷喷嘴3采用紫铜材料，连接体2使电极安装座与水冷喷嘴实现电隔离，水冷喷嘴设有进水管4b和出水管4a，采用液体冷却的方式降温，钨合金电极与电极安装座1采用顶头螺钉固定，并可上下调整伸出长度，穿过连接体2的空腔和水冷喷嘴的空腔。
工作时，从进气口4c通入保护气，保护气体通过连接体2的空腔和水冷喷嘴的空腔达到工件，冷凝液从水冷喷嘴下端的进水管4b逆流进入水冷喷嘴的冷凝通道，从出水管4a流出。两个互为隔离、互为平行的钨合金电极分别与两个焊接电源连接，电流以同步方式通过两个钨电极在工件之间形成导电通道，将电弧热能传输到工件。
实施例2
高能量集束脉冲电弧焊枪见图2，包括钨合金电极5、电极安装座1、连接体2、水冷喷嘴3；采用三个互为隔离、互成120°的钨合金电极分别沿轴向安装在同一个电极安装座上，电极安装座采用绝缘隔层6使电极成彼此绝缘，电极安装座沿轴向设置有进气孔，电极安装座采用黄铜材料制成，其一端有外螺纹，与连接体一端的内螺纹连接固定，连接体2另一端有外螺纹，与水冷喷嘴一端的内螺纹连接固定在一起，连接体2采用绝缘材料，水冷喷嘴3采用紫铜材料，连接体2使电极安装座与水冷喷嘴实现电隔离，水冷喷嘴设有进水管和出水管，采用液体冷却的方式降温，钨合金电极与电极安装座1采用顶头螺钉固定，并可上下调整伸出长度，穿过连接体2的空腔和水冷喷嘴的空腔。
工作时，从进气口4c通入保护气，保护气体通过连接体2的空腔和水冷喷嘴的空腔达到工件，冷凝液从水冷喷嘴下端的进水管4b逆流进入水冷喷嘴的冷凝通道，从出水管4a流出。从电极安装座到水冷喷嘴呈收缩束状的三个互为隔离、互成120°的钨合金电极，分别与三个焊接电源连接，三个焊接电源的另一极与工件连接；电流以同步或异步方式通过三个钨极在工件之间形成导电通道，将电弧热能传输到工件。
与现有焊接电弧技术相比，本发明所采用的高能量集束脉冲电弧及其工艺主要特点是：
1、本发明核心是采用多电极的并行脉冲电流产生具有自磁压缩效应的焊接电弧，使电弧的能量密度比单一电极脉冲电弧有显著提高。
2、本发明采用多电源并行输入的供电方式，在“弧-源”系统对各电极的能量传输与协同控制上实现一种焊枪的新结构及其新的效果。
3、在工艺性能上，本发明的电弧不仅能获得具有“高频效应”的焊接工艺效果，减少焊缝的冶金缺陷；而且由于提高了电弧的能量密度，在焊接过程中对工件的热输入量降低，减少焊缝与热影响区的尺寸，这种脉冲电弧热源在焊接中具有更好的“控制焊缝成形”与“控制接头性能”的能力。

Claims (1)

1.高能量集束脉冲电弧焊枪，其特征在于，包括钨合金电极(5)、电极安装座(1)、连接体(2)、水冷喷嘴(3)；采用三个钨合金电极分别沿轴向安装在同一个电极安装座上，电极安装座采用绝缘隔层(6)使电极成彼此绝缘，电极安装座沿轴向设置有进气孔，电极安装座采用黄铜材料制成，其一端有外螺纹，与连接体一端的内螺纹连接固定，连接体(2)另一端有外螺纹，与水冷喷嘴一端的内螺纹连接固定在一起，连接体(2)采用绝缘材料，水冷喷嘴(3)采用紫铜材料，连接体(2)使电极安装座与水冷喷嘴实现电隔离，水冷喷嘴设有进水管和出水管，采用液体冷却的方式降温，钨合金电极与电极安装座(1)采用顶头螺钉固定，并可上下调整伸出长度，穿过连接体(2)的空腔和水冷喷嘴的空腔并伸出水冷喷嘴外，电极安装座一端的钨合金电极分别与焊接电源连接；
三个钨合金电极互为隔离、互成120°，从电极安装座到水冷喷嘴呈收缩束状，电流以同步并行方式通过三个钨极在工件之间形成导电通道，将电弧热能传输到工件；
所述的每一电极通过的基值电流为5～50A，峰值电流为30～200A，脉冲频率为10Hz～30KHz；
三个钨合金电极分别与三个焊接电源连接，三个焊接电源的另一极与工件连接。
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