CN103264212A - 用于旋转电弧焊接的可调配焊炬及其调配方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于旋转电弧焊接的可调配焊炬及其调配方法，折弯导电杆由垂直段和折弯段组成，折弯段的中心轴与焊炬中心轴线形成折弯导电杆的折弯角β；设定电弧旋转半径R、焊丝干伸长L₃和直型导电嘴最小长度L_2min，根据R﹥(L₁+L_2min+L₃)sinβ的原则，选配折弯角为β和折弯长度为L₁的折弯导电杆，确定R的粗调值和特定值；计算出R的实际微调值d₂后再求得L₂，选配长度为L₂的直型导电嘴，实现对R的微调；通过选用折弯导电杆和直型导电嘴分别粗调和微调电弧旋转半径，使得电弧旋转半径调整范围更大、调节精度更高，折弯导电杆使用寿命长，因消耗需要常更换的只有直型导电嘴，可显著降低旋转电弧的焊接成本。

Description

用于旋转电弧焊接的可调配焊炬及其调配方法

技术领域

本发明属于焊接技术领域，涉及一种焊炬，更具体地说是涉及一种用于旋转电弧焊接的可调配焊炬及其调配方法。

背景技术

熔化极气体保护电弧焊接时，通过焊炬使电弧作一定半径的旋转运动，或者作一定幅度的摆动或摇动，可以调节电弧热在焊接坡口内分布，并利用电弧力作用，达到增加坡口侧壁熔深、改善焊缝成形的目的。 

现有的用于旋转电弧焊接的焊炬有：偏心喷嘴式、弯曲导电嘴式、偏心导电嘴式。如公开号为JP1495487C、名称为“窄间隙电弧焊接方法”的专利，公开了一种用于窄间隙焊接的偏心喷嘴式和弯曲导电嘴式旋转电弧焊炬，其电机通过齿轮传动副驱动可伸入坡口的直型喷嘴，带动与喷嘴下端偏心相接的直型导电嘴或弯曲导电嘴绕焊炬轴线自转，焊丝随着喷嘴和导电嘴的转动产生旋转电弧，实现旋转电弧窄间隙焊接。其存在的缺点是：需要通过更换不同弯曲度的导电嘴来调节电弧旋转半径，因为导电嘴短小且为特制易损件，所以导电嘴制作难度大、使用成本高，而且电弧旋转半径调节精度低，工程实用性差。 

申请号为03118177.5、名称为“扫描焊炬”的专利，公开了一种斜置导电嘴式旋转扫描焊炬，其直型导电杆下端通过与之固联的旋转连接头与导电嘴成钝角固联，焊丝穿过一体化接头、导电杆内腔、旋转连接头后从导电嘴伸出，电机驱动导电杆自转带动焊丝端部的电弧旋转，实现旋转电弧焊接。其存在的缺点是：                                                导电嘴通过旋转连接头再与导电杆实现固联，结构较为复杂；

采用敞口大小与导电嘴下端旋转幅度相配合的气罩罩盖在旋转连接头和导电嘴上，该气罩难于深入坡口，不适用于大厚板窄间隙施焊；

通过更换具有不同倾斜端面的旋转接头来调节旋转扫描幅度，操作较为繁琐，实施成本较高。

申请号为200510038527.4、名称为“空心轴电机驱动的旋转电弧窄间隙焊接方法及装置”的专利，公开了一种偏心导电嘴式旋转电弧窄间隙焊接方法及装置，其空心轴电机直接驱动导电杆带动可伸入坡口间隙的偏心导电嘴绕焊炬轴线自转，焊丝随着导电杆和导电嘴的转动产生旋转电弧，实现旋转电弧窄间隙焊接。其存在的缺点是：需要通过更换具有不同偏心量的导电嘴来调节电弧旋转幅度（或旋转半径），偏心导电嘴是消耗部件，需要特殊制作，导致该旋转电弧焊接成本明显增加，并且不能实现电弧旋转半径的精确调节。 

综上所述，现有的旋转电弧焊炬存在结构复杂、制作难度大、电弧旋转半径调节不方便且调节精度低，消耗部件使用成本高，适用范围不宽等缺点。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的问题和缺陷，为了进一步提高窄间隙焊接和旋转电弧焊接的焊缝成形质量，简化电弧旋转半径调节机构设计，降低旋转电弧焊接成本，提供一种使电弧旋转半径调节简便、焊接实施成本低、实用性强的用于旋转电弧焊接的可调配焊炬及其调配方法。

为了达到上述目的，本发明用于旋转电弧焊接的可调配焊炬采用的技术方案是：包括分别设有中心孔的旋转控制机构、折弯导电杆及直型导电嘴，由送丝机送出的焊丝依次穿过旋转控制机构、折弯导电杆后，从直型导电嘴的中心孔送出，在气体保护下产生焊接电弧，电弧绕焊炬中心轴线OO₁作与电弧旋转轨迹相同或相反方向的单向圆周式旋转运动，折弯导电杆由垂直段和折弯段组成，垂直段的一端连接旋转控制机构，垂直段的另一端与折弯段的一端平滑过渡连接，折弯段的另一端以螺纹同轴连接直型导电嘴；垂直段的中心轴与焊炬中心轴线OO₁重合，折弯段的中心轴O₁O₂与焊炬中心轴线OO₁形成折弯导电杆的折弯角β；所述折弯导电杆的折弯角β、所述折弯段的长度L₁以及所述直型导电嘴的长度L₂，在满足R=L₁sinβ+ L₂sinβ+ L₃sinβ的条件下调配，其中R为电弧旋转半径，L₃为焊前的焊丝干伸长或为燃弧时电弧长度和焊丝伸出长度之和。

所述电弧旋转半径R=0.25~4.0mm，折弯角β=0.2~2.9°，折弯段的折弯长度L₁=15~60mm，直型导电嘴的长度L₂≥20mm，焊丝干伸长L₃=15~25mm。

本发明所述可调配焊炬的调配方法采用的技术方案是包括如下步骤：A、选配折弯导电杆：设定电弧旋转半径R、焊丝干伸长L₃和直型导电嘴最小长度L_2min，根据R﹥(L₁+L_2min+L₃)sinβ的原则，选配折弯角为β和折弯长度为L₁的折弯导电杆，确定电弧旋转半径R的粗调值d₁=L₁sinβ和特定值d₃=L₃sinβ。B、选配直型导电嘴：按式d₂=R-d₁-d₃计算出电弧旋转半径R的实际微调值d₂后，再根据公式L₂=d₂/sinβ求得直型导电嘴的长度L₂，选配长度为L₂的直型导电嘴，实现对电弧旋转半径R的微调。 

本发明与现有技术相比，其优点和有益效果是：

实用性强。通过选用折弯导电杆和直型导电嘴来分别粗调和微调电弧旋转幅度（即旋转半径），这种调节方式简化了焊炬机构设计，使得电弧旋转半径调整范围更大、调节精度更高，操作也更方便。 

实施成本低。折弯导电杆使用寿命长，因消耗需要经常更换的只有直型导电嘴，而这种直型导电嘴可由普通CO₂焊接导电嘴车削而成，制作容易，成本低廉，可显著地降低旋转电弧的焊接成本。 

适用范围广。配用合适的折弯导电杆，可以方便地满足窄间隙焊、角焊、V形坡口焊、船形焊、堆焊等多工艺及多板厚的使用要求，适应性好。 

附图说明

图1为本发明所述可调配焊炬的构造及旋转工作示意图； 

图2为本发明所述可调配焊炬的放大的电弧旋转工作部位参数定义图；

图中：1—电弧；2—直型导电嘴；3—折弯导电杆；4—旋转控制机构；5—焊丝；6—送丝机；7—电弧旋转轨迹。 

具体实施方式

如图1和图2所示，本发明用于旋转电弧焊接的可调配焊炬，包括分别设有中心孔的旋转控制机构4、折弯导电杆3及直型导电嘴2，其中折弯导电杆3一端连接旋转控制机构4、另一端以螺纹连接直型导电嘴2。由送丝机6送出的焊丝5依次穿过旋转控制机构4、折弯导电杆3后，从直型导电嘴2的中心孔送出，在气体保护下产生焊接电弧1。当焊丝5的端部产生焊接电弧1后，沿焊接方向匀速移动焊炬，并通过旋转控制机构4使电弧1绕焊炬中心轴线OO₁作与电弧旋转轨迹7相同或相反方向的单向高速圆周式旋转运动（旋转半径为R、旋转频率5~100Hz），实现气体保护下的旋转电弧焊接。电弧1的旋转轨迹7为圆形，圆形电弧旋转轨迹7的中心轴与焊炬中心轴线OO₁的中心轴重合。

折弯导电杆3由第一段垂直段和第二段折弯段组成，其中，垂直段的一端连接旋转控制机构4，垂直段的另一端与折弯段的一端平滑过渡连接，折弯段的另一端以螺纹同轴连接直型导电嘴2。垂直段的中心轴与焊炬中心轴线OO₁重合，折弯段的中心轴O₁O₂与焊炬中心轴线OO₁的夹角是折弯角β，也即直型导电嘴2的中心轴O₁O₂与焊炬中心轴线OO₁的夹角。直型导电嘴2的长度为L₂，折弯导电杆3的折弯段的长度为L₁。 

对于一定的焊接工艺而言，焊丝5的干伸长L₃（燃弧时表示电弧1的长度和焊丝5的伸出长度之和）为确定值，根据旋转半径R的大小，折弯导电杆3在折弯角度β=0.2~2.9°和折弯长度L₁=15~60mm的范围内与长度L₂≥20mm（即L_2min=20mm）的直型导电嘴2相调配，并且要满足公式R=L₁sinβ+ L₂sinβ+ L₃sinβ的要求，以满足电弧旋转半径R的调节需要。 

如图2所示，线段OO₂的长度等于电弧旋转半径R，R=d₁+d₂+d₃；d₁为折弯长度L₁在旋转半径R上的投影长度，即d₁=L₁sinβ；d₂为直型导电嘴2长度L₂在旋转半径R上的投影长度，即d₂= L₂sinβ，d₃为焊丝5干伸长L₃在旋转半径R上的投影长度，即d₃= L₃sinβ。

对于折弯角度为β的折弯导电杆3，在焊丝5干伸长L₃一定的情况下，d₃为一个特定值，此时，电弧旋转半径R仅与折弯长度L₁、直型导电嘴2长度L₂以及折弯角度β的正弦值成正比。也就是说，电弧旋转半径R可以通过直型导电嘴2的长度L₂、以及折弯导电杆3的折弯长度L₁和折弯角度β进行调节。由于折弯导电杆3为特制的非标准件，使用寿命很长，但制作难度较大，实际形状参数精度有限，所以其规格（用折弯长度L₁和折弯角度β来标识）不宜分得太细，仅适合作为电弧旋转半径R的粗调元件使用；另外，配用合适的折弯导电杆3，可以方便地满足窄间隙焊、角焊、V形坡口焊、船形焊、堆焊等多工艺及多板厚的使用要求，因此该旋转电弧焊接方法适用范围广。而直型导电嘴2因消耗需要经常更换，可由普通CO₂焊接导电嘴车削而成，制作容易、成本低廉，因此非常适合作为电弧旋转半径R的精确调节（即微调）元件，能显著地降低旋转电弧的焊接成本。相应地，电弧旋转半径R的调节，可以通过下列粗调和微调相结合的方法来实现：

本发明所述可调配焊炬在调配时，先选配折弯导电杆3，对电弧旋转半径R按粗调值d₁进行粗调，再选配直型导电嘴2，对电弧旋转半径R按微调值d₂进行微调。具体地来说，首先根据焊接工艺要求，确定电弧旋转半径R、焊丝干伸长L₃和直型导电嘴2最小长度L_2min=20mm；其次，根据R﹥(L₁+L_2min+L₃)sinβ的原则，选用折弯角度为β和折弯长度为L₁的折弯导电杆3，由此可计算出电弧旋转半径R的粗调值d₁=L₁sinβ和特定值d₃=L₃sinβ，实现对电弧旋转半径R的粗调；最后，按式d₂=R-d₁-d₃计算出电弧旋转半径R的实际微调值d₂，再根据公式L₂=d₂/sinβ求得直型导电嘴2的长度值L₂，配用长度为L₂的直型导电嘴2，实现对电弧旋转半径R的微调，从而使得折弯导电杆3与直型导电嘴2相适配。由此通过调节电弧1的旋转半径R和旋转频率，可以达到调节旋转电弧焊接工艺效果的目的，这种粗调和微调相结合的调节方式，简化了焊炬机构设计，使得电弧1的旋转半径R调整范围更大、调节精度更高，操作也更为方便，从而使得本发明实用性更强。 

根据经验，当电弧旋转半径R在0.25~4.0mm范围内变化时，可以满足熔化极气体保护焊接工艺和规范的不同需要。相应地，其他参数的选择范围为：焊丝干伸长L₃=15~25mm，折弯角度β=0.2~2.9°，折弯长度L₁=15~60mm；直型导电嘴2不能太短，否则加工和使用起来都不方便，因此要求直型导电嘴2 的长度L₂≥20mm，即L_2min=20mm。另外，为了便于折弯导电杆3的制作，在工艺许可情况下，应尽可能选用折弯长度长的小折弯角度的折弯导电杆3。 

以下实施例1-3为本发明所述可调配焊炬的调配方法的三个实施例，实施例4为本发明所述可调配焊炬及其调配方法在窄间隙焊接时的实施例。 

实施例1

针对电弧旋转半径R=R_min=0.25mm、选配折弯导电杆3折弯角度β=β_min=0.2°时的焊炬调配情形。

调配方法：根据焊接工艺要求，先选定电弧旋转半径R=R_min=0.25mm和直型导电嘴2最小长度L_2min=20mm，并使焊丝干伸长L₃在15~25mm范围内取值；再根据R﹥(L₁+L_2min+L₃)sinβ的原则，配用折弯角度β=β_min=0.2°和折弯长度为L₁的折弯导电杆3，确定电弧旋转半径R的粗调值d₁=L₁ sinβ和特定值d₃=L₃ sinβ；最后按式d₂=R-d₁-d₃计算出电弧旋转半径R的实际微调值d₂后，再根据公式L₂=d₂/sinβ求得直型导电嘴2的长度L₂，配用长度为L₂的直型导电嘴2。 

调配结果：当取焊丝干伸长L₃=15mm时，根据R﹥(L₁+20+L₃)sinβ的原则，折弯导电杆3的折弯长度L₁应小于36.6mm，若取L₁=15mm，计算得到：电弧旋转半径的特定值d₃=0.052mm、粗调值d₁=0.052mm、微调值d₂=R-d₁-d₃=0.146 mm，则选配直型导电嘴2的长度L₂=41.8mm；同理，当取L₃=20mm时，L₁应小于31.6mm，若取L₁=31mm，计算得到：电弧旋转半径的特定值d₃=0.07mm、粗调值d₁=0.108mm、微调值d₂=R-d₁-d₃=0.072mm，则选配直型导电嘴2的长度L₂=20.6mm；当取L₃=25mm时，L₁应小于26.6mm，若取L₁=26mm，计算得到：电弧旋转半径的特定值d₃=0.087mm、粗调值d₁=0.091mm、微调值d₂=R-d₁-d₃=0.072mm，则选配导电嘴长度L₂=20.6mm。

可见，针对特定的焊丝干伸长L₃和选配的折弯角度β、折弯长度L₁的折弯导电杆3，并配用长度L₂的直型导电嘴2，能够满足电弧旋转半径R下限值0.25mm的调节要求。  

实施例2

基本调配方法同实施例1，所不同的是：本实例针对电弧旋转半径R=R_max=4.0mm、选配折弯角度β= β_max=2.9°时的焊炬调配情形。 

调配结果：当取L₃=15mm时，根据R﹥(L₁+20+L₃)sinβ的原则，L₁应小于44.1mm，若取L₁=15mm，计算得到：电弧旋转半径的特定值d₃=0.759mm、粗调值d₁=0.759mm、微调值d₂=R-d₁-d₃=2.482mm，则选配直型导电嘴2的长度L₂=49.1mm；同理，当取L₃=20mm时，L₁应小于39.1mm，若取L₁=39mm，计算得到：电弧旋转半径的特定值d₃=1.012mm、粗调值d₁=1.973mm、微调值d₂=R-d₁-d₃=1.015mm，则选配直型导电嘴2的长度L₂=20.1mm；当取L₃=25mm时，L₁应小于34.1mm，若取L₁=34mm，计算得到：电弧旋转半径的特定值d₃=1.265mm、粗调值d₁=1.72mm、微调值d₂(R-d₁-d₃=1.015mm，则选配直型导电嘴2的长度L₂=20.1mm。

可见，针对特定的焊丝干伸长L₃和选配的折弯角度β、折弯长度L₁的折弯导电杆3，并配用长度L₂的直型导电嘴2，能够满足电弧旋转半径R上限值4.0mm的调节要求。 

实施例3

基本调配方法同实施例1，所不同的是：本实施例针对电弧旋转半径R=2.7mm、选配折弯角度β= 1.55°时的焊炬调配情形。 

调配结果：当取L₃=20mm时，根据R﹥(L₁+20+L₃)sinβ的原则，L₁应小于59.8mm，若取L₁=15mm，计算得到：电弧旋转半径的特定值d₃=0.541mm、粗调值d₁=0.406mm、微调值d₂=R-d₁-d₃=1.753mm，则选配的直型导电嘴2长度L₂=64.8mm；同理，当取L₃=20mm时和L₁=35mm时，计算得到：电弧旋转半径的特定值d₃=0.541mm、粗调值d₁=0.947mm、微调值d₂=R-d₁-d₃= 1.212mm，则选配的直型导电嘴2长度L₂=44.8mm；当取L₃=20mm和L₁=59mm时，计算得到：电弧旋转半径的特定值d₃=0.541mm、粗调值d₁=1.596mm、微调值d₂=R-d₁-d₃=0.563mm，则选配的直型导电嘴2的长度L₂=20.8mm。  

实施例4

本实施例是对窄间隙坡口进行焊接，焊接条件包括：低碳钢试件由三块20mm厚的钢板点固焊接而成，I型坡口间隙为12mm，实芯焊丝直径为1.2mm，保护气体为Ar+20%CO₂、流量为40L/min；直流焊接电流为300A，电弧电压为31V，焊接速度为24.1cm/min；电弧旋转频率为50Hz，电弧旋转半径R=2.6mm，焊丝干伸长L₃=18mm；选用折弯导电杆3的折弯角度β=2.19°、折弯长度L₁=24.6mm，计算得到：电弧旋转半径的特定值d₃=0.688mm、粗调值d₁=0.94mm、微调值d₂=R-d₁-d₃=0.972mm，求得导电嘴长度L₂=25.4mm，最终选配了相应长度的导电嘴2。经过50组上述相同条件下的焊接试验，结果表明：与偏心导电嘴式旋转电弧焊接方法相比，采用折弯导电杆式旋转电弧焊接时，电弧旋转半径调节操作方便、精度高，导电嘴磨损小、寿命长；与电弧无旋转焊接工艺相比，该旋转电弧焊接时坡口两侧壁熔深明显增大（平均熔深超过1.0mm），焊缝底部指状熔深和根部未焊透等焊接缺陷消失，焊缝成形质量得到明显改善。 

Claims (3)

1.一种用于旋转电弧焊接的可调配焊炬，包括分别设有中心孔的旋转控制机构（4）、折弯导电杆（3）及直型导电嘴（2），由送丝机（6）送出的焊丝（5）依次穿过旋转控制机构（4）、折弯导电杆（3）后，从直型导电嘴（2）的中心孔送出，在气体保护下产生焊接电弧（1），电弧（1）绕焊炬中心轴线OO₁作与电弧旋转轨迹（7）相同或相反方向的单向圆周式旋转运动，其特征是：折弯导电杆（3）由垂直段和折弯段组成，垂直段的一端连接旋转控制机构（4），垂直段的另一端与折弯段的一端平滑过渡连接，折弯段的另一端以螺纹同轴连接直型导电嘴（2）；垂直段的中心轴与焊炬中心轴线OO₁重合，折弯段的中心轴O₁O₂与焊炬中心轴线OO₁形成折弯导电杆（3）的折弯角β；所述折弯导电杆（3）的折弯角β、所述折弯段的长度L₁以及所述直型导电嘴（2）的长度L₂，在满足R=L₁sinβ+ L₂sinβ+ L₃sinβ的条件下调配，R为电弧旋转半径，L₃为焊前的焊丝干伸长或为燃弧时电弧长度和焊丝伸出长度之和。

2.根据权利要求1所述的一种用于旋转电弧焊接的可调配焊炬，其特征是：电弧旋转半径R=0.25~4.0mm，折弯角β=0.2~2.9°，折弯段的折弯长度L₁=15~60mm，直型导电嘴（2）的长度L₂≥20mm，焊丝干伸长L₃=15~25mm。

3.一种如权利要求1所述可调配焊炬的调配方法，其特征是包括如下步骤：

A、选配折弯导电杆（3）：设定电弧旋转半径R、焊丝干伸长L₃和直型导电嘴（2）最小长度L_2min，根据R﹥(L₁+L_2min+L₃)sinβ的原则，选配折弯角为β和折弯长度为L₁的折弯导电杆（3），确定电弧旋转半径R的粗调值d₁=L₁sinβ和特定值d₃=L₃sinβ； 

B、选配直型导电嘴（2）：按式d₂=（R-d₁-d₃）计算出电弧旋转半径R的实际微调值d₂后，再根据公式L₂=d₂/sinβ求得直型导电嘴（2）的长度L₂，选配长度为L₂的直型导电嘴（2），实现对电弧旋转半径R的微调。

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