CN112894103B - 一种控制焊接等离子弧热源输出分布的装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种控制焊接等离子弧热源输出分布的装置及方法，属于焊接质量控制方法领域。通过对常规等离子焊枪喷嘴进行必要的改进，即在原有焊枪喷嘴的压缩孔道内壁每间隔90°开一个气流通道(共计四个气流通道)，形成了控制等离子弧热源输出分布的装置，搭配本发明所提供的四种控制方法，可有效控制等离子弧热源输出分布，也提高了电弧与熔池的稳定性，增加了焊接过程的可控性，实现了一途多用的效果，以此满足不同焊接实际的需要。

Description

一种控制焊接等离子弧热源输出分布的装置及方法

技术领域

本发明属于焊接质量控制方法领域，具体的说是涉及一种控制焊接等离子弧热源输出分布的装置及方法。

背景技术

随着现代科学技术的飞速发展，焊接技术作为一种极为重要的材料连接手段，已经深入到日常生产生活的各个领域。作为三大高能束焊接之一的等离子弧焊，相比于电子束焊接，其对焊接环境的要求不是十分严苛；相比于激光焊接，其焊接设备价格低廉；同时还具有自动化程度高的优点，等离子弧焊在焊接领域具有举足轻重的地位。

等离子弧焊接是在TIG焊基础上，通过在钨极尖端及工件之间燃烧的电弧外部添加水冷铜喷嘴，通过机械压缩、热压缩、自磁压缩使原有自由电弧的拘束度大为增强，形成拘束电弧，电弧的能量密度与电弧力进一步增强，能够对中厚板实现穿孔焊接。然而常规等离子弧在采用较大的焊接电流时容易产生双弧，焊接过程变得极不稳定，造成焊接缺陷，熔池稳定性难以得到保障，同时等离子弧的输出分布较难控制。因此急需对原有等离子焊枪进行改良，搭配合适的控制方法，提高等离子弧输出的可控性，同时电弧的稳定性及熔池的稳定性亦能得到保障。

针对等离子弧在焊接电流较大时出现双弧造成电弧失稳的问题，TechnischeUniversiteit Delft大学对喷嘴的压缩孔道进行了改进，添加了多路径向气孔，用于通入氩气进而对电弧进行压缩，解决了大焊接电流时易出现的双弧现象。针对焊接熔池易失稳的问题，哈尔滨工业大学的林三宝教授团队在常规等离子焊枪水冷铜喷嘴的基础上进行优化改进，提出了柔性等离子弧焊接工艺。该工艺的特点是设计了三孔型喷嘴，三孔型水冷喷嘴的中心设有一个较大的压缩孔，而在所述较大压缩孔的两侧对称的设有两个小压缩孔，使电弧等离子体分别从这三个孔中流出，弱化了中心压缩孔的压缩程度，巧妙地减少了电弧压力，有利于熔池稳定。但以上两种改进的喷嘴及控制方法均用途较为单一，某些情况下满足不了焊接作业时的特定需求。

由此可见，现有的等离子焊枪喷嘴及改善等离子弧性能的控制方法功能均较为单一，难以实现一途多用的效果。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种控制焊接等离子弧热源输出分布的装置及方法，主要满足不同需求下的等离子弧焊接。通过在常规等离子焊枪喷嘴的压缩孔道同一径面内壁每间隔90°开一个通孔(共四个通孔)，以下称之为气流通道。每个气流通道连接有一路外接气流管路为对应的气流通道供气；上述气流通道位于冷却水通道最底部的下面，外接气流管路位于保护气通道内。

通过搭配以下控制策略，来提升等离子弧的输出分布及稳定性的可控性，也可改善熔池的稳定性。达到一途多用的目的。

本发明的控制方法：

(1)当需要提升电弧的穿透力时，可控制四个气流通道同时通入相同流量、相同质量百分比的氩气，四路氩气对电弧进一步压缩，在焊接电流恒定的情况下，减小了电弧的横截面积，电弧能量密度与电弧穿透力随之增加，实现了一定程度上的电弧输出分布控制。同时在大电流焊接时也能避免双弧现象的产生，另外四路氩气也对焊枪喷嘴进行了一定程度的冷却，保护了焊枪喷嘴。

(2)研究表明，在氩弧中加入一定量的氦气，可有效提高电弧的热功率，基于此，可在施焊时在四个气流通道均通入相同流量、相同质量百分比的氦气，为原有氩弧补充氦气氛围，形成氩氦混合电弧，实现对大、中厚度高导热性材料的焊接。

(3)当需要获得椭圆形等离子弧热源，可控制位置相对的两个气流通道同时通入相同流量、相同质量百分比的氩气，另外两个气流通道不进行供气，电弧在两路气流的作用下形态变为椭圆形。

(4)当需要改变电弧的输出分布，根据实际需要，可控制单个气流通道通入一定流速、一定质量百分比的氩气；或相邻的两个气流通道通入相同(或不同)流速、相同质量百分比的氩气；或某三个气流通道通入相同(或不同)流速、相同质量百分比的氩气。电弧在不同控制方式下的电弧输出分布不同。

为了达到上述目的，本发明采用如下的技术方案予以实现：

一种控制焊接等离子弧热源输出分布的装置及方法，包括压缩孔道改进的焊枪喷嘴，所述压缩孔道改进的焊枪喷嘴的压缩孔道每间隔90°开一个气流通道(共计四个气流通道)，在保护气通道内部设有四路外接气流管路，外接气流管路通过螺纹连接至气流通道，气流通道内同时设有气密垫圈放置处，以保证气流不会泄露。焊接时，可根据实际需要相应的选择上述控制方法对焊接电弧施加人为控制。

优选地，所述压缩孔道进行改进的焊枪喷嘴四个气流通道位于冷却水通道下底面1-1.5mm，以保证获得足够的冷却。

优选地，所述压缩孔道进行改进的焊枪喷嘴四个气流通道内壁应十分光滑，以免对气体流动产生不良影响。

优选地，所述压缩孔道进行改进的焊枪喷嘴四个气流通道孔径为1-2mm。

优选地，所述压缩孔道进行改进的焊枪喷嘴内部循环有冷却水。

优选地，所述压缩孔道改进的焊枪喷嘴的气流通道应设置有气密垫圈安置处。

本发明的有益效果是：

本发明一种控制焊接等离子弧热源输出分布的装置及方法，通过对常规等离子焊枪喷嘴的压缩孔道进行必要的改良，搭配多条控制方法，可有效改善等离子弧输出分布，也可提高焊接电弧的稳定性与熔池的稳定性，增加了焊接过程的可控性，实现了一途多用的效果，满足不同焊接实际的需要。

附图说明

图1是本发明所提供的压缩孔道改进的焊枪喷嘴结构示意图。

图2是本发明所提供的等离子弧焊接系统的结构示意图。

图中：1、冷却水，2、气流通道，3、焊接电弧，4、焊接工件，5、压缩孔道改进的焊枪喷嘴，6、外接气流管路，7、保护气罩，8保护气，9、电磁阀，10、中心钨极，11、等离子焊枪枪体，12、气体质量流量控制器。

具体实施方式

为了能进一步了解本发明的内容、特点及效果，兹举以下实施例，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孔道改进的焊枪喷嘴，在常规等离子焊枪喷嘴的基础上，通过在压缩孔道壁面上每间隔90°开有一个气流通道2，共计四个气流通道2，得到所述压缩孔道改进的焊枪喷嘴。优选地，所述压缩孔道进行改进的焊枪喷嘴四个气流通道位于冷却水通道下底面1-1.5mm，以保证获得足够的冷却。优选地，所述基于压缩孔道改进的焊枪喷嘴四个气流通道内壁应十分光滑，以免对气体流动产生不良影响；优选地，所述压缩孔道改进的焊枪喷嘴四个气流通道孔径为1-2mm；为了使所述压缩孔道改进的焊枪喷嘴有良好的冷却效果，优选地，其内部应设置有循环冷却水；优选地，所述压缩孔道改进的焊枪喷嘴的气流通道应设置有气密垫圈安置处，以保证气流不会泄露；为达到对焊接电弧的良好控制效果，气流通道2所在的直线应与焊接方向所在的直线共线。外接气流管路采用导热性较好的铜制成。外接气流管路通过螺纹连接与气流通道。

如图2所示，本实施例提供了一种等离子弧焊接系统，包括等离子焊枪枪体11，等离子焊枪枪体11中心设置有中心钨极10，所述压缩孔道改进的焊枪喷嘴5螺纹连接在等离子焊枪枪体11下端，等离子焊枪枪体11与压缩孔道改进的焊枪喷嘴5内部设有用于流通冷却水的回水水腔。冷却水1流经所述回水水腔(冷却水通道)，可带走电弧导入压缩孔道改进的焊枪喷嘴5的热量，同时等离子气体被冷却，在焊接电弧3弧柱与压缩孔道改进的焊枪喷嘴5出口处形成接近中性的冷气膜，不仅保护了压缩孔道改进的焊枪喷嘴5，还使焊接电弧3受到热压缩的作用，提升了电弧的拘束度、电弧能量密度及电弧力。喷嘴孔道改进的焊枪喷嘴5每间隔90°开有一个气流通道2(共计四个气流通道2)，每个气流通道2均通过螺纹连接有一个外接气流管路6和一个电磁阀9以及一个气体质量流量控制器12，在施焊过程中可人为的对四个气流通道2的气体流量与流速进行相应的控制。四个气流通道2流出的气体会直接作用于焊接电弧3，对焊接电弧3进行认为控制，以达到提高对电弧的可控性，满足不同焊接需求，调整焊接电弧的输出分布。

实施例1：

在关闭维弧引燃主弧3之后，电磁阀9外部连接气体流量控制器12，使四个电磁阀9同时打开，利用气体质量流量控制器控制氩气气流以相同的流速通过外接气流管路6输入气流通道2，四路氩气气流直接作用至焊接电弧3，焊接电弧3的电弧形态在原有基础上进一步收缩，电弧横截面积减小，相应地，电弧能量密度大幅提升，电弧的穿透力极大增强，可在焊接电流不变的情况下提升电弧的力特性，改变其输出分布，同时四路气流亦可带走电弧传递给喷嘴的热量，保护了喷嘴结构。当需要进行厚板焊接时，需要相应的调大焊接电流，此法也可避免大焊接电流下双弧的产生。

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，还可以做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 (3)

1.一种控制焊接等离子弧热源输出分布的装置控制焊接等离子弧热源输出分布的方法，所述装置在常规等离子焊枪喷嘴的压缩孔道同一径面内壁每间隔90°开一个通孔，共四个通孔，以下称之为气流通道；每个气流通道连接有一路外接气流管路为对应的气流通道供气；喷嘴内部循环有冷却水；其特征在于，当需要提升电弧的穿透力时，可控制四个气流通道同时通入相同流量、相同质量百分比的氩气，四路氩气对电弧进一步压缩，在焊接电流恒定的情况下，减小了电弧的横截面积，电弧能量密度与电弧穿透力随之增加，实现了一定程度上的电弧输出分布控制；同时在大电流焊接时也能避免双弧现象的产生，另外四路氩气也对焊枪喷嘴进行了一定程度的冷却，保护了焊枪喷嘴；

当需要提升电弧的热功率时，在施焊时在四个气流通道均通入相同流量、相同质量百分比的氦气，为原有氩弧补充氦气氛围，形成氩氦混合电弧，实现对大、中厚度高导热性材料的焊接；

当需要获得椭圆形等离子弧热源，可控制位置相对的两个气流通道同时通入相同流量、相同质量百分比的氩气，另外两个气流通道不进行供气，电弧在两路气流的作用下形态变为椭圆形；

当需要改变电弧的输出分布，根据实际需要，可控制单个气流通道通入一定流速、一定质量百分比的氩气；或相邻的两个气流通道通入相同或不同流速、相同质量百分比的氩气；或某三个气流通道通入相同或不同流速、相同质量百分比的氩气；电弧在不同控制方式下的电弧输出分布不同。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，四个气流通道位于冷却水通道最底部的下面，并距离冷却水通道1-1.5mm，以保证获得足够的冷却。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，气流通道应设置有气密垫圈安置处。

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