CN105983774B - 一种基于阴极压缩效应的铜包钨极水冷tig焊枪 - Google Patents

Abstract

本发明涉及钨极氩弧焊焊枪，公开了一种基于阴极压缩效应的铜包钨极水冷TIG焊枪，包括上部连接尾盖、下部连接电极底座的中心柱，电极底座下部连接设有电极头内孔室的带孔电极套，带孔电极套下端嵌装钨极头；中心柱外部设有套筒，套筒与中心柱之间形成间隙气道；套筒下部连接有保护气气罩；尾盖装配有出水管、进水管和进气管，对应地在枪体内部设置有回水孔、进水孔、通气孔和连通于间隙气道的气体镇静室；中心柱底部连接有与进水孔相通的喷水嘴；冷却水通道与保护气通道通过上下密封圈隔离。本发明将冷却液直接通入钨极内部，对钨极进行强烈冷却，能够压缩阴极区面积，实现对弧柱更强的压缩，增加电弧的穿透能力，使焊接电弧具有更好的穿透性。

Description

一种基于阴极压缩效应的铜包钨极水冷TIG焊枪

技术领域

本发明涉及一种钨极氩弧焊焊枪，具体的说，是涉及一种基于阴极压缩效应改善电弧性能，利用铜包钨极作为电极并对电极进行直接水冷的TIG焊枪，可以提高焊接效率。

背景技术

钨极氩弧焊(TIG)是一种高品质焊接工艺，在工业生产中广泛应用，但是由于利用自由电弧作为热源，熔深较浅，焊速小，焊接效率很低。迫切需要对TIG焊进行改进优化，拘束电弧直径，能够提高电弧能量密度和电弧压力，从而显著地增加熔深，最终大幅提高焊接效率。

等离子弧焊中，通过水冷铜喷嘴直接冷却电弧弧柱，是一种压缩电弧直径的有效措施。但是，等离子弧焊枪的制造费用较高；铜质喷嘴载流能力有限，容易形成双弧；并且直接压缩弧柱造成电弧吹力过大，焊接厚度超过6mm工件过程中的小孔稳定性较差。TIG焊中，钨极是热阴极，其发射电子的密度与阴极局部温度有直接关系，温度越高，发射电子能力越强；钨极尖端发射电子主要发生在3000K以上的区域。压缩阴极是减小弧柱直径的另一条途径，其原理为：水冷钨极能够带走钨极热量，压缩高温区域面积，从而压缩电子发射区域，也就是压缩阴极区域面积，使得电弧根部集中在钨极尖端的极小区域；电流密度增加，电弧自身的磁压缩效应增强，可以压缩弧柱尺寸，从而改善电弧的热-力特性。简而言之，对钨极进行冷却，带走钨极热量，减小阴极区域面积，将电弧阴极区压缩到钨极尖端极小区域，可以缩小弧柱直径。水冷阴极压缩原理如图1所示。

国外研究者已经将水冷压缩阴极理论应用到改进焊枪，改善电弧特性。1997年，澳大利亚研究机构CSIRO基于水冷压缩阴极效应，配合较大焊接电流，发明了K-TIG焊接方法，实现了对3～12mm厚钛合金、不锈钢等低热导率材料的穿孔焊接。由于该工艺焊接熔深大，能够对中厚板件实现穿孔焊或者实现高速熔焊，极大地提高生产效率。对中厚板件的穿孔焊，不需要开坡口，单道次单面焊接，双面成形；省掉了焊丝，极大地缩短制造时间；减小焊缝热影响区和工件变形量。随后，德国的德累斯顿工业大学、伊达高科焊接限公司和Kjellberg Finsterwalde联合开展了基于阴极压缩效应的焊枪设计，初步研究了阴极压缩效应对电弧形态影响；将K-TIG焊接工艺从对低热导率材料的穿孔焊扩展到对高热导率材料的高速熔焊。国内对K-TIG的研究较少，苏州华焊科技有限公司初步研究了K-TIG的设备，对焊枪进行了仿制研究。兰州理工大学张瑞华以K-TIG焊枪为研究对象，根据磁流体动力学理论建立了电弧的三维有限元数学模型，利用FLUENT软件对K-TIG焊枪内部保护气体和焊接电弧进行了数值模拟，获得大电流焊接时的温度分布、电势分布、电弧压力及等离子体速度场分布。以上团队研制的焊枪都是基于水冷压缩阴极效应来压缩电弧，极大地提高了焊接效率，降低了生产成本。这两种焊枪载流能力达到1000A，焊接过程中钨极烧损很小；水冷方式都是在钨极外侧加上水冷铜套，间接水冷钨极，而不是直接对钨极本身进行水冷。也就是说，对钨极阴极区的水冷压缩效果还有改进提升空间。

发明内容

本发明为了提高TIG焊枪钨极阴极区的水冷压缩效果，提供一种基于阴极压缩效应的铜包钨极水冷TIG焊枪，增强对钨极的冷却效果，以达到增加电弧的拘束效应，增加电弧的穿透能力，可以焊接更厚的工件，进一步提高穿孔焊接稳定性；同时能对热导率较高的材料进行穿孔焊，进而实现TIG焊的高效化和高速化。

为了解决上述技术问题，本发明通过以下的技术方案予以实现：

一种基于阴极压缩效应的铜包钨极水冷TIG焊枪，包括上部连接有尾盖、下部连接有电极底座的中心柱，所述中心柱底端与所述电极底座内部构成底座回流腔；所述电极底座下部连接有带孔电极套，所述带孔电极套设置有电极头内孔室，所述带孔电极套和所述电极底座之间设置有第一密封圈；所述带孔电极套下端嵌装有钨极头；

所述中心柱外部设置有套筒，所述套筒与所述中心柱外壁之间形成间隙气道；所述套筒外壁套有绝缘壳，所述套筒上部与所述尾盖连接，所述套筒下部连接有设置于所述电极底座和所述带孔电极套外部的保护气气罩；

所述尾盖顶部装配有用于连接排水管的出水管、用于通入冷却液的进水管和用于连接保护气管的进气管，所述进水管同时与水冷电缆连接；所述中心柱底部连接有延伸至所述电极头内孔室的喷水嘴；所述尾盖和所述中心柱连续地设置有上下贯通的回水孔、进水孔和通气孔，所述回水孔上部连接于所述出水管、下部连通至所述底座回流腔，所述进水孔上部连接于所述进水管、下部连接所述喷水嘴，所述通气孔上部连通于所述进气管、下部连通于设置在所述中心柱的气体镇静室，所述气体镇静室和所述间隙气道相通；

所述尾盖与所述中心柱之间设置有第二密封圈，且所述第二密封圈位于进水孔和通气孔之间；所述电极底座与所述中心柱之间设置有第三密封圈，所述第二密封圈和所述第三密封圈用于隔离冷却水通道与保护气通道。

其中，所述进水管、所述尾盖、所述中心柱、所述带孔电极套和所述电极底座均为铜制。

本发明的有益效果是：

本发明的铜包钨极水冷TIG焊枪，将冷却液直接通入电极头内部，以对钨极进行直接强烈冷却，能够极大地压缩阴极区面积，实现对弧柱更强的压缩，从而增加电弧的穿透能力，使焊接电弧具有更好的穿透性，提高焊接过程的稳定性、增加焊接速度，显著提高焊接效率，节省焊接制造成本。另外，采用铜包钨极头的方式制造一体化电极头，能够比整体钨制电极头显著降低成本。

附图说明

图1是传统TIG(左)与阴极压缩TIG(右)的比较图；

图2是本发明所提供的铜包钨极水冷TIG焊枪的结构示意图。

图中：1：钨极头；2：带孔电极套；3：电极底座；4：第一密封圈；5：中心柱；6：套筒；7：绝缘壳；8：尾盖；9：第二密封圈；10：出水管；11：进水管；12：进气管；13：保护气气罩；14：喷水嘴；15：电极头内孔室；16：回水孔；17：通气孔；18：气体镇静室；19：底座回流腔；20：第三密封圈；21：进水孔。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的内容、特点及效果，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：

如图2所示，本实施例提供了一种基于阴极压缩效应的铜包钨极水冷TIG焊枪，包括钨极头1、带孔电极套2、电极底座3、第一密封圈4、中心柱5、套筒6、绝缘壳7、尾盖8、第二密封圈9、出水管10、进水管11、进气管12、保护气气罩13、喷水嘴14、电极头内孔室15、回水孔16、通气孔17、气体镇静室18、底座回流腔19、第三密封圈20、进水孔21。其中，进水管11、尾盖8、中心柱5、带孔电极套2和电极底座3均为铜制，钨极头1为钨制材料。

中心柱5顶部与尾盖8螺纹连接，底端与电极底座3螺纹连接，中心柱5底部与电极底座3内部形成底座回流腔19。带孔电极套2下端与钨极头1镶嵌连接为一体，带孔电极套2上部设置有电极头内孔室15，电极头内孔室15与底座回流腔19相通，带孔电极套2上部外侧通过螺纹连接于电极底座3的底端。电极头内孔室15的存在使冷却液能够与带孔电极套2内部壁面充分接触，从而带走电极头热量，将钨极头1外表面的高温区面积减小，以达到强烈冷却钨极、压缩阴极区的目的。带孔电极套2与电极底座3之间设置有第一密封圈4，通过第一密封圈4隔离冷却水通道。

中心柱5外部设置有套筒6，套筒6上部与尾盖8螺纹连接，套筒6下部与保护气气罩13螺纹连接，保护气气罩13设于电极底座3和带孔电极套2外部。套筒6与中心柱5外壁之间形成间隙气道。套筒6外壁套有绝缘壳7，与焊枪加持部分构成电隔离。

尾盖8顶部装配有出水管10、进水管11和进气管12，出水管10用于连接排水管；进水管11与水冷电缆螺纹连接，并且用于通入冷却液；进气管12用于连接保护气管。尾盖8内部对应于出水管10、进水管11和进气管12分别开设有上下贯通的回水孔16、进水孔21和通气孔17。

中心柱5为圆柱体结构，其底部中心位置螺纹连接有喷水嘴14。中心柱5内部也开设有上下贯通的回水孔16、进水孔21和通气孔17，其回水孔16上部与尾盖8的回水孔16相连通、下部连通至底座回流腔19，其进水孔21上部与尾盖8的进水孔21相连通、下部与喷水嘴14连通。中心柱5内部还开设有通气孔17和气体镇静室18，该通气孔17顶部与尾盖8的通气孔17相连通、底部连通于气体镇静室18，气体镇静室18与套筒6和中心柱5外壁之间的间隙气道连通。

尾盖8与中心柱5之间设置有第二密封圈9，且第二密封圈9位于进水孔21和通气孔17之间，以隔离冷却水通道与保护气通道。电极底座3与中心柱5之间设置有第三密封圈20，通过第三密封圈20隔离冷却水通道与保护气通道。

焊枪上，进水管11与水冷电缆螺纹连接，焊接电流顺着进水管11进入枪体，依次经过尾盖、中心柱5、电极底座3、带孔电极套2，到达钨极头1，在钨极头1尖端形成电弧。冷却液进入进水管11后，沿着尾盖8与中心柱5的进水孔21，由喷水嘴14导入电极头内孔室15，冷却冷却液流过的部件，特别是对带孔电极套2与钨极头1组成的电极头达到强制冷却，使得钨极头1端部的高温面积收缩，也就是强制收缩阴极区，拘束电弧根部，增加电弧根部的电流密度，电弧自身的磁压缩效应增强，弧柱尺寸被压缩，从而改善电弧的热-力特性。冷却液在电极头内孔室15与带孔电极套2内壁充分接触后，沿着带孔电极套2内壁通道进入电极底座3内部的底座回流腔19，通过中心柱5和尾盖8的回水孔16，然后经出水管10，最后进入与出水管10连接的排水管，流回冷却水箱。保护气管连接在进气管12上，通过尾盖8与中心柱5构成的通气孔17，进入中心柱上的气体镇静室18，保护气在气体镇静室18内扩展至中心柱5与套筒6构成的间隙气道，进入保护气气罩13内，在保护气气罩13端口喷出，顺着带孔电极套2和钨极头1外壁流动，保护钨极头1与电弧及熔池。

使用本焊枪，能够通过改变冷却液速度来调节阴极压缩程度，得到不同压缩程度的弧柱，能够更好地适应不同材料的焊接。一般的，较大流速的冷却液能够得到更强烈的电弧压缩特性，得到更好的熔深和焊接效率。

尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以作出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种基于阴极压缩效应的铜包钨极水冷TIG焊枪，其特征在于，包括上部连接有尾盖、下部连接有电极底座的中心柱，所述中心柱底端与所述电极底座内部构成底座回流腔；所述电极底座下部连接有带孔电极套，所述带孔电极套设置有电极头内孔室，所述带孔电极套和所述电极底座之间设置有第一密封圈；所述带孔电极套下端嵌装有钨极头；

所述中心柱外部设置有套筒，所述套筒与所述中心柱外壁之间形成间隙气道；所述套筒外壁套有绝缘壳，所述套筒上部与所述尾盖连接，所述套筒下部连接有设置于所述电极底座和所述带孔电极套外部的保护气气罩；

所述尾盖顶部装配有用于连接排水管的出水管、用于通入冷却液的进水管和用于连接保护气管的进气管，所述进水管同时与水冷电缆连接；所述中心柱底部连接有延伸至所述电极头内孔室的喷水嘴；所述尾盖和所述中心柱连续地设置有上下贯通的回水孔、进水孔和通气孔，所述回水孔上部连接于所述出水管、下部连通至所述底座回流腔，所述进水孔上部连接于所述进水管、下部连接所述喷水嘴，所述通气孔上部连通于所述进气管、下部连通于设置在所述中心柱的气体镇静室，所述气体镇静室和所述间隙气道相通；

所述尾盖与所述中心柱之间设置有第二密封圈，且所述第二密封圈位于进水孔和通气孔之间；所述电极底座与所述中心柱之间设置有第三密封圈，所述第二密封圈和所述第三密封圈用于隔离冷却水通道与保护气通道；

所述进水管、所述尾盖、所述中心柱、所述带孔电极套和所述电极底座均为铜制。