CN107363425B - 一种复合型压缩—自由电弧等离子弧焊系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于焊接技术领域，公开了一种复合型压缩—自由电弧等离子弧焊系统，枪体中心设置有中心钨极，枪体下端连接有铜喷嘴，铜喷嘴端部安装有伸出铜喷嘴且环绕在铜喷嘴压缩孔周围的喷嘴钨极，喷嘴钨极顶部嵌入并固定于铜喷嘴；中心钨极通过第一电源与被焊工件连接，用于在中心钨极和被焊工件之间形成等离子弧；铜喷嘴或枪体通过第二电源与被焊工件连接，用于在喷嘴钨极和被焊工件之间形成自由电弧。本发明通过分别控制等离子弧和自由电弧的电流密度控制电弧力和焊接热输入的大小，实现了PAW焊接的热力解耦，从而保证稳定高效焊接，增加焊接工艺的可控性，改善焊接稳定性，提高适应性，扩大等离子弧焊的工艺窗口，提高焊接质量。

Description

一种复合型压缩—自由电弧等离子弧焊系统

技术领域

本发明属于焊接技术领域，具体的说，是涉及一种等离子弧焊系统。

背景技术

等离子弧焊是一种高效优质焊接工艺，具有高质量、低成本、自动化程度高的特点，在焊接领域中占有重要的地位。相比于激光焊和电子束焊，等离子弧焊适应性强，对接头装配精度要求低，广泛应用到管道、汽车、航空航天、海洋装备等高端制造领域。对等离子弧焊接技术的研究具有重要的经济效益。

等离子弧焊中产生压缩电弧的基本形式是：在钨极尖端与工件之间燃烧的电弧外部加载一个水冷铜喷嘴，让电弧等离子体通过喷嘴中间的孔道喷出。电弧通过温度较低的拘束孔道后，受到拘束孔壁的机械压缩作用，在径向被拘束而不能扩展；另外，由于水冷喷嘴的冷却作用，靠近喷嘴内壁流过的气体被冷却而不易电离，在弧柱与喷嘴出口处形成一层导电导热性很差、几乎中性的冷气膜，这样不仅保护了喷嘴，而且电弧外围被冷却受到热压缩作用；径向受拘束的电弧，电流通道横截面缩小，电流密度增加，弧柱电流自身产生的磁场对弧柱中带电粒子的洛伦兹力显著增加，从而进一步对电弧产生电磁收缩效应。由于以上三重压缩效应，拘束电弧的电离度显著提高，能量更集中，电弧力增强，能够对中厚板实现穿孔焊接。然而，在这种喷嘴设计中，电弧电流较大时，容易产生双弧。另外，压缩电弧的弧压/电流比值比常规自由电弧要大得多，过大的电弧压力作用在熔池中，很容易造成焊穿和塌陷等焊接缺陷，使得等离子弧焊的工艺窗口比较窄。因而，迫切需要对等离子弧焊枪进行改良，使之在保证稳定穿孔的前提下，尽量扩大工艺窗口。

VPPAW焊接铝合金中，高压缩电弧热源和电弧压力破坏了熔池的受力平衡，恶化了熔池稳定性，容易形成烧穿和塌陷。针对这一问题，国内林三宝教授团队对压缩喷嘴进行了优化设计，提出了柔性VPPAW工艺。常规水冷喷嘴中，只有中间的压缩孔，所有等离子体通过中间的压缩孔喷出，被压缩的弧柱弧压非常大。改进的喷嘴中，在中间压缩孔两侧开了两个对称的小孔，一部分等离子气流通过侧孔流出，弱化了中间压缩孔的压缩程度，从而减弱了电弧压力，有利于稳定熔池。针对于喷嘴容易产生双弧的问题，德国TechnischeUniversiteit Delft大学对中间压缩孔的气道进行改进。在常规喷嘴的中心压缩孔周围开了多条径向微细孔，在微细孔内通入一定流速的氩气，氩气不仅增加了对中间等离子弧柱的压缩效果，而且很好地消除了双弧现象。以上两种改进，已经对喷嘴的结构进行部分改进，以提高PAW焊接的工艺适用性，但是并没有实现等离子弧焊接中电弧的热力解耦。

发明内容

本发明要求解决的是目前PAW焊接电弧作用在熔池中的气体压力过大，破坏小孔稳定性的技术问题，提供了一种复合型压缩—自由电弧等离子弧焊系统，对现有等离子弧焊系统进行改进，增加一路焊接电流在喷嘴钨极与工件之间形成自由电弧，从而构建压缩—自由复合电弧，通过分别调节压缩弧和自由弧的电流达到独立调节电弧的电弧压力与热输入，实现等离子弧焊接中电弧的热力解耦。

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：

一种复合型压缩—自由电弧等离子弧焊系统，包括枪体，所述枪体中心设置有中心钨极，所述枪体下端连接有铜喷嘴，所述铜喷嘴端部安装有环绕在所述铜喷嘴的压缩孔周围的喷嘴钨极，所述喷嘴钨极顶部嵌入并固定于所述铜喷嘴；所述中心钨极通过第一电源与被焊工件连接，用于在所述中心钨极和被焊工件之间形成等离子电弧；所述铜喷嘴或所述枪体通过第二电源与被焊工件连接，用于在所述喷嘴钨极和被焊工件之间形成自由电弧。

优选地，所述喷嘴钨极伸出于所述铜喷嘴端面的长度为1-2mm。

优选地，所述喷嘴钨极为环状，其外径为5-8mm，厚度为1-2mm。

优选地，所述喷嘴钨极由若干环形均布于所述压缩孔周围的钨极棒组成。

优选地，所述枪体和所述铜喷嘴内部循环有冷却水。

其中，所述第一电源正极与被焊工件相接、负极与所述中心钨极相接。

其中，所述第二电源正极与被焊工件相接、负极与所述铜喷嘴或所述枪体相接，所述第二电源的电流通过所述铜喷嘴传递至所述喷嘴钨极。

本发明的有益效果是：

本发明的复合型压缩—自由电弧等离子弧焊系统，通过分别控制等离子弧和自由电弧的电流密度控制电弧力和焊接热输入的大小，实现了PAW焊接的热力解耦，从而利用复合型压缩—自由电弧等离子弧实现稳定高效焊接，增加焊接工艺的可控性，改善焊接稳定性，提高适应性，扩大等离子弧焊的工艺窗口，提高焊接质量。

附图说明

图1是本发明所提供的复合型压缩—自由电弧等离子弧焊系统的结构示意图。

图中：1：第一电源；2：喷嘴钨极；3：自由电弧；4：被焊工件；5：第二电源；6：铜喷嘴；7：转移电弧；8：保护气体；9：等离子气体；10：冷却水；11：中心钨极；12：枪体。

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1所示，本实施例提供了一种复合型压缩—自由电弧等离子弧焊系统，包括枪体12，枪体12中心设置有中心钨极11，枪体12下端螺纹连接有铜喷嘴6，枪体12和铜喷嘴6内部设有用于流通冷却水的回水空腔。

铜喷嘴6端部安装有喷嘴钨极2，喷嘴钨极2顶部嵌入并固定于铜喷嘴6，喷嘴钨极2伸出于铜喷嘴6端面的长度为1-2mm。喷嘴钨极2优选为环状，环状的喷嘴钨极2外径为5-8mm，厚度为1-2mm，而铜喷嘴6中间的压缩孔直径一般为2.0-3.6mm。喷嘴钨极2除环状形式外还可以变换为其他形式，例如喷嘴钨极2可以由若干环形均布的小直径钨极棒组成，只要喷嘴钨极2能够达到均匀环绕在铜喷嘴6压缩孔周围的效果即可。

中心钨极11通过第一电源1与被焊工件4连接，第一电源1正极与被焊工件4相接、负极与中心钨极11相接。铜喷嘴6或枪体12通过第二电源5与被焊工件4连接，第二电源5正极与被焊工件4相接，负极与铜喷嘴6或枪体12相接，第二电源5的电流通过铜喷嘴6传递到喷嘴钨极2上。

冷却水10流经枪体12和铜喷嘴6内部的回水空腔，可带走电弧导入铜喷嘴6的热量。由于冷却作用，靠近铜喷嘴6内壁流过的等离子气体9被冷却而不易电离，在弧柱与铜喷嘴6出口处形成一层导电导热性很差、几乎中性的冷气膜，这样不仅保护了铜喷嘴6和喷嘴钨极2，而且电弧外围被冷却受到热压缩作用，拘束电弧的电离度显著提高，能量更集中，电弧力增强。

保护气体8通过电弧区被加热，流出喷嘴时带出高温等离子焰流，对被焊工件4进行加热，同时可以防止固化中的熔融焊缝发生氧化，阻挡杂质和空气中的湿气。

在本发明的复合型压缩—自由电弧等离子弧焊系统中，中心钨极11和被焊工件4之间形成转移电弧7(主弧)。由于中心钨极11到被焊工件4的距离较长，引燃电弧时，首先在中心钨极11与铜喷嘴6内壁间引燃一个小电弧，称作“引燃弧”，中心钨极11被加热，空间温度升高，高温等离子气体9气流从铜喷嘴6压缩孔孔道中流出，喷射到被焊工件4表面，在中心钨极11和被焊工件4间有了高温气层，其间也含有带电粒子。随后在主电源较高的空载电压下，电弧能够自动转移到中心钨极11和被焊工件4之间燃烧，称作转移电弧7或主弧。转移电弧7引燃后，通过开关切断引燃弧。

通过调节第一电源1，控制焊接电流I₁的大小，改变复合电弧中等离子成分的强弱，改变转移电弧7大小，从而控制电弧力的大小。

喷嘴钨极2和被焊工件4之间形成自由电弧3。在中间的转移电弧7起弧后，点燃自由电弧3。通过调节第二电源5，控制焊接电流I₂的大小，从而改变自由电弧3的成分进而调节熔池输入热量，打破了原有的传统PAW焊接中的热力耦合现象，且由于原等离子弧的较大的电磁收缩力，喷嘴钨极2产生的自由电弧3阳极区会径向收缩，保证了高电流密度和集中的热输入。

因此，该等离子弧焊系统能够增加焊接工艺的可控性，改善焊接稳定性，提高适应性，扩大了等离子弧焊的工艺窗口，提高焊接质量。

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 (7)

1.一种复合型压缩—自由电弧等离子弧焊系统，包括枪体，所述枪体中心设置有中心钨极，所述枪体下端连接有铜喷嘴，其特征在于，所述铜喷嘴端部安装有环绕在所述铜喷嘴的压缩孔周围的喷嘴钨极，所述喷嘴钨极顶部嵌入并固定于所述铜喷嘴中；所述中心钨极通过第一电源与被焊工件连接，用于在所述中心钨极和被焊工件之间形成等离子电弧；所述铜喷嘴或所述枪体通过第二电源与被焊工件连接，用于在所述喷嘴钨极和被焊工件之间形成自由电弧。

2.根据权利要求1所述的一种复合型压缩—自由电弧等离子弧焊系统，其特征在于，所述喷嘴钨极伸出于所述铜喷嘴端面的长度为1-2mm。

3.根据权利要求1所述的一种复合型压缩—自由电弧等离子弧焊系统，其特征在于，所述喷嘴钨极为环状，其外径为5-8mm，厚度为1-2mm。

4.根据权利要求1所述的一种复合型压缩—自由电弧等离子弧焊系统，其特征在于，所述喷嘴钨极由若干环形均布于所述压缩孔周围的钨极棒组成。

5.根据权利要求1所述的一种复合型压缩—自由电弧等离子弧焊系统，其特征在于，所述枪体和所述铜喷嘴内部循环有冷却水。

6.根据权利要求1所述的一种复合型压缩—自由电弧等离子弧焊系统，其特征在于，所述第一电源正极与被焊工件相接、负极与所述中心钨极相接。

7.根据权利要求1所述的一种复合型压缩—自由电弧等离子弧焊系统，其特征在于，所述第二电源正极与被焊工件相接、负极与所述铜喷嘴或所述枪体相接，所述第二电源的电流通过所述铜喷嘴传递至所述喷嘴钨极。