CN111451617A - 一种双气路焊接导电嘴、包含其的焊枪及焊接方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于焊接装置及方法技术领域，具体涉及一种双气路焊接导电嘴、包含其的焊枪及焊接方法。本发明提供了一种适用于双层保护气路焊接的导电嘴结构，通过气体缓冲室、内层拘束导向气路及端部整流罩的设置，能够显著提高内层保护气的稳定效果，使其集中作用于焊接部，不仅能够减少内层保护气的用量，还能够有效降低熔滴飞溅，大幅度降低焊后清理工作量，提高焊接生产效率。

Description

一种双气路焊接导电嘴、包含其的焊枪及焊接方法
技术领域
本发明属于焊接装置及方法技术领域，具体涉及一种应用双保护气路的焊接导电嘴、包含该导电嘴的气冷焊枪、水冷焊枪及焊接方法。
背景技术
公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
焊接工艺对装备制造业产品的最终质量和生产效率有着举足轻重的影响。目前，二氧化碳保护焊(二保焊)因其成本低、易操作、适应性强等优点，广泛应用于低碳钢和低合金高强度钢等各种大型钢结构的制造。但同时，二保焊焊接过程中，熔滴缩颈处易过热而爆断，形成大量飞溅。焊接飞溅的产生，一方面，一旦与工件形成冶金结合，焊后清理极其困难；另一方面，熔滴爆破时产生大量焊接烟尘，对焊工健康产生危害。因此，如何降低二保焊焊接飞溅，成为企业实现绿色制造的关键。
目前，采用混合保护气或优化脉冲焊接电流波形，以降低焊接飞溅，已取得阶段性成果。专利CN85106833A采用旋流式双层气体保护焊方法及焊炬，采用内层环路通氩气(Ar)、外层通旋转CO2保护气的方法，实现稳定电弧并降低飞溅的目的，其焊接飞溅率可低至1.2％，但仍高于纯Ar保护下的MIG焊飞溅率(低于0.61％)。专利CN102601504A设计一种具有输送双层气流功能的焊炬，通过内层环路采用高速或脉动送气，以实现加速焊丝端部熔滴过渡、降低焊接飞溅的目的。专利CN109277673A采用双层气结构用于水下局部干法GMAW，其目的是采用高温气体排水。专利CN101920384B、专利CN104439647A、专利CN1821659A、均提出采用双层气路保护气的方法，改善焊接过程稳定性或降低Ar气含量。发明人认为，上述专利均针对TIG焊，不涉及熔滴过渡，且内层气路均为环形气路。二氧化碳保护焊过程中，电弧集中作用于熔滴下方，是阻碍熔滴过渡、产生熔滴飞溅的主因。
发明内容
针对上述研究背景，发明人认为，如何在传统二保焊气氛中，添入尽量少的Ar气，使之有效、紧密包围焊丝端部，将电弧作用位置由熔滴下方转变为熔滴上方，是抑制二保焊焊接飞溅的关键。本发明针对上述技术问题展开了研究，提供了一种结构简单、能够有效稳定内层Ar气并使之紧密包裹焊丝端部区域的双层气路焊枪和导电嘴结构，通过与焊接参数相配合，能够将内层Ar比例降低至15％，当Ar与CO2气体流量比为17：3时，焊接飞溅率与纯Ar保护MIG焊(熔化极惰性气体保护焊)相当。
基于上述技术效果，本发明提供以下技术方案：
本发明第一方面，提供一种双气路焊接导电嘴，所述导电嘴包括外层气路、电-气-丝接口、封闭管套、焊丝导向管及端部整流罩；
所述焊丝导向管为中心轴具有管状空心的圆柱体，所述管状空心用于容纳焊丝；
所述封闭套管具有变径结构，套合于焊丝导向管外部，并且封闭套管内壁与焊丝导向管外壁间留有缝隙使内层保护气流出；
所述端部整流罩套接于封闭套管外部，靠近焊接的一端具有缩颈结构；所述“电-气-丝”接口设置于封闭套管上方，用于连接焊枪及焊机；所述外层气路包裹在端部整流罩的外部，自电-气-丝接口延伸至端部整流罩下端。
优选的，所述封闭套管沿焊丝推出方向内壁变大，形成窄径部与宽径部，所述变径处与焊丝导向管之间的空隙形成气体缓冲室，用于缓冲内层保护气。
优选的，所述焊丝导向管外壁与封闭套管内壁套接，焊丝导向管外壁具有沟槽用于使内层保护气流出。
本发明提供的双层保护气路导电嘴，改善了内层保护气约束导向气路，焊枪与焊机连接后，内层保护气通过气体缓冲室及沟槽流出，使内层保护气约束在导电嘴结构内，有利于在工作阶段带走导电嘴多余的热量，提高使用寿命。另外，气体缓冲室、沟槽及端部整流罩的配合的设置进一步提高了对内层保护气的约束和稳定作用，最终实现了减少熔滴飞溅及降低内层保护气的用量，即便在Ar很少的情况下，也能够实现稳定高质量的焊接。
进一步优选的，所述沟槽轴向平行或螺旋设置。
沟槽设置方向对于内层气流的稳定效果具有一定影响，通过本发明中内层气路约束结构的设置，平行或螺旋带来的射流或环流内层气均可以实现良好的焊接效果，实际应用于某些情况中，环流效果更优。
进一步优选的，所述沟槽的数量为2-6条。
进一步优选的，所述沟槽的深度0.5-2.5mm，沟槽宽度为1-3mm。
优选的，所述气体缓冲室长度2-5mm。
增加气体缓冲室面积能够增大对内层保护气的稳定作用，当气体缓冲室过高时，焊丝导向管的尺寸将受到影响。经验证，上述参数下的气体缓冲室高度能够保证焊丝导向管正常工作及内层气的稳定效果。
优选的，所述封闭套管与端部整流罩抵接、螺纹连接或焊接。
优选的，所述端部整流罩缩颈部为圆柱形、半圆形或圆台形。
优选的，所述端部整流罩收口直径1.0-8.0mm。
优选的，所述内层保护气为Ar。
优选的，所述外层保护气为CO2。
本发明第二方面，提供一种焊枪，所述焊枪包括第一方面所述双气路焊接导电嘴。
优选的，所述焊枪为水冷焊枪。
优选的，所述焊枪为气冷焊枪。
优选的，所述焊枪用于熔化极气体保护焊(Gas metal arc welding，GMAW)。
本发明第三方面，提供一种双保护气路焊接方法，所述焊接方法通过第二方面所述焊枪进行焊接。
优选的，所述内层保护气流量1-25L/min，或外层保护气流量7-25L/min。
优选的，所述焊枪的焊接电流为200A～350A。
优选的，所述焊接电压为20-35V。
优选的，所述双保护气路焊接方法应用于低碳钢、低合金高强度钢以及不锈钢的焊接。
以上一个或多个技术方案的有益效果如下：
1.所述导电嘴的结构设置配合得当，具有良好稳定内层气，降低内层气用量及低飞溅率的效果：
(1)所述双层保护气结构焊枪，将主要内层拘束导向气路置于导电嘴内，不仅减小了气路结构体积、方便更换，同时内层保护气流经导电嘴内部，能带走大量的热，提高导电嘴寿命。
(2)所述导电嘴，通过设置气体缓冲室，可有效缓解内层气体的不稳定性，实现均匀进入沟槽，形成的导电嘴各拘束导向气路形式，能够产生稳定的层流气流。
(3)通过设置端部整流罩的配合，对内层保护气的流动方式进一步调整，并稳定气体运动状态，使之有效、持续的作用于焊丝端部，熔滴脱离焊丝始终处于纯Ar气保护气氛中，降低焊接飞溅。外层CO2保护气保护熔池，降低保护气使用成本。
(4)通过稳定内层气实现质量良好的焊缝的基础上，将焊接飞溅率降低到与纯Ar气保护MIG焊相当，大幅度降低焊后清理工作量，提高焊接生产效率。
2.所述导电嘴结构加工难度低，易于推广：
(1)所述导电嘴结构，易于加工和生产，采用螺纹形式与焊枪相连，易于更换，焊枪整体重量和体积与普通焊枪相同，便于实现手工焊及机械化焊接。
(2)所述导电嘴可以直接配合传统二保焊设备进行焊接生产，无需附加的辅助或复合焊接电源，所需设备简单，易于改装，成本低。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为实施例1中所述双层保护气焊枪结构示意图；
图2为实施例1中所述电-气-丝多功能接口结构示意图；
图3为实施例2中所述双层保护气结构气冷焊枪组装示意图；
图4为实施例3中所述双层保护气结构水冷焊枪组装示意图；
其中，图1-4中，1、电-气-丝接口，2、外层气路(CO2)，3、内层拘束导向气路(Ar)，4、气体缓冲室，5、封闭套管，6、焊丝导向管，7、端部整流罩，8、导丝管，9、焊丝，10、鹅颈管，11、气筛/陶瓷分流器，12、导电嘴座，13、导电嘴，14、内层气体通路，15、外层气体进气管、16、封闭套管和端部整流罩，17、CO2进气管保护垫，18、CO2进气管槽。
图5为实施例4中焊接表面形貌照片图。
图6为对比例1中焊接表面形貌照片图。
图7为对比例2中焊接表面形貌照片图。
图8为实施例5中焊接表面形貌照片图。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
在本发明中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，只是为了便于叙述本发明各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本发明中任一部件或元件，不能理解为对本发明的限制。
本发明中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本发明中的具体含义，不能理解为对本发明的限制。
正如背景技术所介绍的，现有技术中不能实现内层Ar保护气对焊丝端部熔滴区域的有效保护，熔滴过渡稳定性不足，焊接飞溅率仍远高于纯Ar保护气保护MIG焊。为了解决如上的技术问题，本发明提出了一套机构紧凑的低成本双层气路焊枪结构，与特殊设计的导电嘴相结合，从充分调控内层Ar气流动行为的角度，改善熔滴过渡的稳定性，促进内层Ar保护气对熔滴过渡区的有效保护，有效隔离外层CO2保护气的侵入，实现同时降低Ar气含量和焊接飞溅率，最终保护气比例为Ar20％+CO280％时，焊缝缺陷且焊接飞溅率与纯Ar保护气MIG焊相同。
为了使得本领域技术人员能够更加清楚地了解本发明的技术方案，以下将结合具体的实施例与对比例详细说明本发明的技术方案。
实施例1
本实施例中，提供一种双气路焊接导电嘴，如图1所示，所述导电嘴包括外层气路2、电-气-丝接口1、封闭管套5、焊丝导向管6及端部整流罩7；所述焊丝导向管6为中心轴具有管状空心的圆柱体，所述管状空心用于容纳焊丝。
所述封闭套管5具有变径结构，沿焊丝推出方向内径增大形成窄径部和宽径部，宽径部紧密套合于焊丝导向管6外部。封闭套管5的窄径部与焊丝导向管6顶部形成气体缓冲室4，用于缓冲内层保护气。焊丝导向管6外壁具有沟槽，自焊丝导向管顶部延伸至底部，与气体缓冲室连通形成内层保护气约束结构，控制、稳定内层保护气的流出。所述平行或螺旋导气槽沟槽深度1.5mm，沟槽宽度为2mm，沟槽数量为6条，所述端部整流罩收口直径2.00mm。
所述端部整流罩7套接于封闭套管5外部，靠近焊接的一端具有缩颈结构；依据具体使用方式，该缩颈结构为圆柱形、半圆形或圆台形。
所述电-气-丝接口1设置于封闭套管5上方，用于连接焊枪及焊机；所述外层气路2包裹在端部整流罩7的外部，自电-气-丝接口1延伸至端部整流罩下端7。
本实施例中，还提供一种与所述导电嘴配合的电-气-丝结构，如图2所示，所述电-气-丝结构包括导丝管8，鹅颈管10，气筛/陶瓷分流器11，导电嘴座12，内层气体通路14，外层气体进气管15。所述导丝管用于推动焊丝9进行焊接，所述导电嘴座12用于与所述导电嘴13连接。
实施例2
本实施例中，提供一种双层保护气结构气冷焊枪，如图3所示，双层气路结构包括1电-气-丝接口长度为57mm，其两端凸出圆柱厚度均为3mm，外径均为7.5mm，内径2.5mm；采用12导电嘴座连接1与13；13导电嘴总长度37.5mm，最大外径6mm，导丝内径1.3mm。13导电嘴所含螺纹长度7.5mm，气体缓冲室高度3mm，外径5mm，螺旋凹槽缠距81mm，缠角16.21度，凹槽深度0.8mm，凹槽宽度0.5mm。采用16封闭套管和端部整流罩封闭13的凹槽及气室。16外径7.0mm，封闭套管长度30.0mm，壁厚0.5mm，端部整流罩高度3.0mm，锥角71.5度，壁厚0.5mm。
实施例3
本实施例中，提供一种双层保护气结构水冷焊枪，如图4所示，该水冷焊枪采用常规水冷焊枪连接方式进行连接即可。
实施例4
本实施例中提供一种低飞溅二保焊工艺，应用本实施例1装置，通过调节气体配比器，Ar气与CO2气体流量调制1：4。焊接工件采用250×70×5mm的Q235钢板，调节二保焊焊接电源，焊丝到工件距离15mm，焊接电流250A，电弧电压26.0V，焊接速度0.5m/min，送丝速度8.1m/min，在内层Ar气保护4L/min，外层CO2气体保护16L/min下实施直流焊接，焊接飞溅率为0.70％。
对比例1
采用250×70×5mm的Q235钢板，采用传统焊枪，与实施例1焊接参数完全相同，区别在于使用传统焊枪的单层混合保护气(总气流量20L/min)，焊接飞溅率为8.0％。
对比例2
采用250×70×5mm的Q235钢板，采用传统焊枪，与实施例1焊接参数完全相同，区别在于使用传统焊枪的纯Ar保护，其焊接飞溅率为0.60％。
如图5-7所示，实施例1的焊接飞溅量和成形明显优于对比例1，与对比例2相当。
实施例5
本实施例中提供一种低飞溅二保焊工艺，应用本实施例1装置，通过调节气体配比器，Ar气与CO2气体流量调制3：17。焊接工件采用250×70×5mm的Q235钢板，调节二保焊焊接电源，焊丝到工件距离15mm，焊接电流210A，电弧电压26.0V，焊接速度0.5m/min，在内层Ar气保护3L/min，外层CO2气体保护17L/min下实施直流焊接，焊接飞溅率为0.85％。
图8显示，在低焊接电流、高比例CO2含量下，本实施例仍然能够保持较低的飞溅率。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种双气路焊接导电嘴，其特征在于，所述导电嘴包括外层气路、电-气-丝接口、封闭管套、焊丝导向管及端部整流罩；所述焊丝导向管为中心轴具有管状空心的圆柱体，所述管状空心用于容纳焊丝；
所述封闭套管具有变径结构，套合于焊丝导向管外部，并且封闭套管内壁与焊丝导向管外壁间留有缝隙使内层保护气流出；
所述端部整流罩套接于封闭套管外部，靠近焊接的一端具有缩颈结构；所述电-气-丝接口设置于封闭套管上方，用于连接焊枪及焊机；所述外层气路包裹在端部整流罩的外部，自电-气-丝接口延伸至端部整流罩下端。
2.如权利要求1所述双气路焊接导电嘴，其特征在于，所述封闭套管沿焊丝推出方向内壁变大，窄径部与焊丝导向管之间的空隙形成气体缓冲室，用于缓冲内层保护气。
3.如权利要求1所述双气路焊接导电嘴，其特征在于，所述焊丝导向管外壁与封闭套管内壁套接，焊丝导向管外壁具有沟槽用于使内层保护气流出。
4.如权利要求3所述双气路焊接导电嘴，其特征在于，优选的，所述沟槽轴向平行或螺旋设置；或所述沟槽的数量为2-6条；或所述沟槽的深度0.5-2.5mm，沟槽宽度为1-3mm。
5.如权利要求1所述双气路焊接导电嘴，其特征在于，所述气体缓冲室长度2-5mm。
6.一种焊枪，其特征在于，所述焊枪包括权利要求1-5任一项所述双气路焊接导电嘴；优选的，所述焊枪为水冷或气冷焊枪。
7.如权利要求6所述焊枪，其特征在于，所述焊枪用于熔化极惰性气体保护焊。
8.一种双保护气路焊接方法，其特征在于，所述焊接方法通过权利要求6或7所述焊枪进行焊接。
9.如权利要求8所述双保护气路焊接方法，其特征在于，所述内层保护气流量1-25L/min，或外层保护气流量7-25L/min。
10.如权利要求8所述双保护气路焊接方法，其特征在于，所述焊枪的焊接电流为200A～350A，或所述焊接电压为20-35V。
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