CN107378209B - 一种压缩-自由复合大功率电弧喷嘴 - Google Patents

Abstract

本发明属于焊接技术领域，公开了一种压缩—自由复合大功率电弧喷嘴，在铜喷嘴端部安装有喷嘴钨极，喷嘴钨极顶部嵌入并固定于铜喷嘴，喷嘴钨极环绕在压缩孔周围且伸出铜喷嘴，喷嘴钨极用于与被焊工件之间通电以形成自由电弧。本发明在铜喷嘴中心压缩孔周围增加喷嘴钨极，在喷嘴钨极和被焊工件之间增加一路电流产生自由电弧，增强焊接电弧功率，提高焊接速度，优化焊接效率，实现大功率等离子弧焊接。

Description

一种压缩-自由复合大功率电弧喷嘴

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接和切割焊枪喷嘴。

背景技术

现有等离子弧焊接和切割焊枪喷嘴中只有一个压缩孔，只能形成一路电弧。单孔喷嘴产生的等离子弧柱刚性大，接近于切割弧，焊接规范参数的变化影响较大，焊接规范区域窄。焊接过程中等离子弧的稳定性差，等离子弧仍属于一种气体放电现象，自由电弧的能量状态会受到气体成分、电极状态、焊接材料等多种不可控或完全不可控因素的影响，对于具有高能量密度的等离子弧来说，这种影响作用更为显著。因而，等离子弧对焊接工艺和规范参数的变化比较敏感，规范参数的波动、现场的干扰及焊枪的性能对焊接过程的稳定性影响较大，获得良好接头质量的合理规范参数区间窄、裕度小。

单一电流通道构造的电弧，只能依靠调节转移弧电流来调节电弧的热和力。一方面，单一压缩孔通过电流的能力有限，过大的电流会形成双弧，烧毁喷嘴；另一方面，强压缩电弧不利于形成稳定的穿孔焊接过程。焊接电流主要根据板厚或熔透的要求来选定。电流过小时，由于电弧能量和电弧力均达不到稳定穿孔焊接的数值，电弧能量不能均匀流畅地过渡到焊缝背面，难以形成小孔效应。随着电流增大，等离子射流速度、射流剪切力和等离子弧穿透能力随之增大，从而使小孔直径增加，同时熔池的温度梯度减小，表面张力梯度减小，背面熔宽和余高增大，正面熔宽增大余高减小。电流过大会使焊缝正面产生咬边缺陷，严重时造成熔池金属因孔径过大而坠落，难以形成合格焊缝，甚至引起双弧，损伤喷嘴并破坏焊接过程的稳定性。

VPPAW焊接铝合金中，高压缩电弧热源和电弧压力容易破坏熔池的受力平衡，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，然而所形成的电弧功率有限。

可见，现有等离子弧焊接和切割焊枪喷嘴中只有一个压缩孔，只能形成一路电弧。单一电流通道构造的电弧，只能依靠调节转移弧电流来调节电弧的热和力。一方面，单一压缩孔通过电流的能力有限，容易形成双弧；另一方面，强压缩电弧不利于形成稳定的穿孔过程。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种压缩—自由复合大功率电弧喷嘴，主要应用于压缩—自由复合电弧等离子弧焊接系统中，在铜喷嘴中心压缩孔周围增加喷嘴钨极，在喷嘴钨极和被焊工件之间增加一路电流产生自由电弧，增强焊接电弧功率，提高焊接速度，优化焊接效率，实现大功率等离子弧焊接。

本发明通过以下的技术方案予以实现：

一种压缩—自由复合大功率电弧喷嘴，包括铜喷嘴，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，所述喷嘴钨极用于与被焊工件之间通电以形成自由电弧。

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，所述铜喷嘴内部循环有冷却水。

本发明的有益效果是：

本发明对等离子弧焊枪铜喷嘴进行改进优化，在铜喷嘴中心压缩孔周围增加喷嘴钨极。在焊接过程中，在喷嘴钨极和被焊工件之间增加一路电流，产生自由电弧。焊接电弧的功率由Q＝IU来计算，也就是电弧功率由通过电弧的电流I和电弧两端的电压U来控制。由于电弧电压U主要决定于弧长，所以焊接电流的大小直接决定了电弧功率。传统PAW 喷嘴结构中，改进前的电弧功率Q₁＝I₁U，I₁不能过大，限制了电弧功率。本发明由于增加喷嘴钨极，因此能够在焊枪铜喷嘴外壁的喷嘴钨极上增加一路电流I₂，使得电弧功率 Q₂＝(I₁+I₂)U，有利于增强电弧的功率，提高焊接速度，优化焊接效率，实现大功率等离子弧焊接。

附图说明

图1是本发明所提供的压缩—自由复合大功率电弧喷嘴的结构示意图；

图2是本发明所提供的压缩—自由复合大功率电弧喷嘴的焊枪装配图。

图中：1：喷嘴钨极；2：自由电弧；3：被焊工件；4：铜喷嘴；5：转移弧；6：保护气体；7：等离子气体；8：冷却水；9：中心钨极；10：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压缩—自由复合大功率电弧喷嘴，在铜喷嘴4端部安装有喷嘴钨极1，喷嘴钨极1顶部嵌入并固定于铜喷嘴4，喷嘴钨极1伸出于铜喷嘴4 端面的长度为1-2mm。喷嘴钨极1优选为环状，环状的喷嘴钨极1外径为5-8mm，厚度为 1-2mm，而铜喷嘴4中间的压缩孔直径一般为2.0-3.6mm。喷嘴钨极1除环状形式外还可以变换为其他形式，例如喷嘴钨极1可以由若干环形均布的小直径钨极棒组成，只要喷嘴钨极1能够达到均匀环绕在铜喷嘴4压缩孔周围的效果即可。

如图2所示，将上述压缩—自由复合大功率电弧喷嘴应用于焊枪中，铜喷嘴4螺纹连接在枪体10下端，枪体10中心设置有中心钨极9。在焊接过程中，在喷嘴钨极1和被焊工件3之间增加一路电流，喷嘴钨极1和被焊工件3之间形成自由电弧2，在中间转移弧 5(主弧)起弧后，点燃自由电弧2。电弧中一路电流I₁从被焊工件3流向中心钨极9，另一路电流I₂从被焊工件3流向喷嘴钨极1。

冷却水8流经枪体10和铜喷嘴4内部的回水空腔，可带走电弧导入喷嘴的热量。由于冷却作用，靠近喷嘴内壁流过的等离子气体7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，这样不仅保护了铜喷嘴4和喷嘴钨极1，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6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3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。

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 (5)

1.一种压缩—自由复合大功率电弧喷嘴，包括铜喷嘴，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，所述喷嘴钨极用于与被焊工件之间通电以形成自由电弧。

2.根据权利要求1所述的一种压缩—自由复合大功率电弧喷嘴，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所述的一种压缩—自由复合大功率电弧喷嘴，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所述的一种压缩—自由复合大功率电弧喷嘴，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所述的一种压缩—自由复合大功率电弧喷嘴，其特征在于，所述铜喷嘴内部循环有冷却水。