CN113333921A - 一种带磁场作用的送丝和送粉复合电弧增材tig焊枪装置 - Google Patents

一种带磁场作用的送丝和送粉复合电弧增材tig焊枪装置 Download PDF

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Abstract

本发明属于电弧增材领域，具体涉及一种带磁场作用的送丝和送粉复合电弧增材TIG焊枪装置。包括TIG焊枪，磁场发生装置和送丝送粉装置；所述磁场发生装置和TIG焊枪一体设置，用于产生近平行于TIG焊枪电弧的纵向磁场；所述送丝送粉装置包括三个呈120°分布的送粉管，和位于任意相邻的两个送粉管之间的送丝管，三路送粉管姿态相同，使三路送粉的汇聚点位于TIG焊枪钨极尖端下方的熔池部位，同时三路送粉气流相互抵消。本发明在传统TIG焊枪基础上加装了磁场发生装置和设计了送丝和送粉复合的夹具；实现了向高氮钢TIG增材熔池中有效送给氮化物合金粉末的目标，同时稳定了高氮钢TIG丝粉同送复合增材过程。

Description

一种带磁场作用的送丝和送粉复合电弧增材TIG焊枪装置
技术领域
本发明属于电弧增材领域，具体涉及一种带磁场作用的送丝和送粉复合电弧 增材TIG焊枪装置。
背景技术
高氮钢在电弧增材过程中，材料中氮原子易在熔池中聚集形成氮气，当氮气 逸出速度大于熔池凝固速度时，氮气逸出熔池，造成基体金属氮损失；当氮气逸 出速度小于熔池凝固速度时，氮气留存在凝固金属内部形成氮气孔，氮的存在形 式不再是固溶于基体金属内部。不论是形成氮气溢出熔池造成基体金属氮损失还 是形成氮气孔改变氮在基体金属存在的形式，这些缺陷存在对高氮钢材料的组织、 性能都造成极大影响。为了避免高氮钢在增材过程出现氮损失及氮气孔问题，提 出在高氮钢增材过程向液态熔池加入氮化物合金粉末进行粉末冶金，实行送丝和 送粉复合增材，以期解决氮损失和氮气孔问题。在公开的专利CN112404668A中， 提出了一种用于高氮钢外送粉电弧增材装置及方法，即采用边增材边铺粉的方式， 通过送气送粉机构将氮化物粉末送入电弧后侧高温区域。利用增材过程中熔池后 方高温区使铺设粉末部分熔化，在增材下一层时上一层熔敷金属部分发生重熔， 使得上层熔敷金属表面铺设的含氮粉末熔化进入熔池。由于粉末铺展于增材件表 面，而非直接送入熔池，电弧燃烧区域有保护气流吹出，保护气流也会作用于粉 末，吹散粉末，导致溶入熔池的粉末量不足。同时送粉通过载气送入，送粉气流 对电弧形态和稳定性的干扰也应值得重视。送粉通过气流运载方式，送粉气流会 干扰电弧形态，导致电弧燃烧不稳定，影响增材过程稳定性。
电弧增材分为熔化极电弧增材和非熔化极电弧增材，高氮钢TIG电弧增材则 属于非熔化极电弧增材。高氮钢TIG电弧增材时，由于熔池中氮的溢出与钨极结 合形成氮化钨，造成钨极烧损，钨极尖端球化，TIG电弧挺度不足，容易出现电 弧偏吹现象；加之高氮钢液的黏度较高，不易流动，考虑到添加氮化物合金粉末 进入熔池，粉末也难以在液态熔池内充分混合均匀，从而导致局部成分相差较大、 成形质量差的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种带磁场作用的送丝和送粉复合电弧增材TIG焊 枪装置。该装置在传统TIG焊枪基础上加装了磁场发生装置和设计了送丝和送 粉复合的夹具；可以在实现送丝和送粉精准送给、复合增材的同时，利用磁场对 电弧的积极作用，改善TIG送丝和送粉复合电弧增材过程中电弧特性，增加电 弧挺度，同时磁场能对熔池进行作用，均匀熔池成分，细化结晶；送粉管分布于 以焊枪中心为圆心的圆形固定座三等分位置处的特性，也有利于抵消送粉气流对 电弧形态的干扰。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种带磁场作用的送丝和送粉复合电弧 增材TIG焊枪装置，包括TIG焊枪，磁场发生装置和送丝送粉装置；
所述磁场发生装置和TIG焊枪一体设置，用于产生近平行于TIG焊枪电弧的 纵向磁场；
所述送丝送粉装置包括三个呈120°分布的送粉管，和位于任意相邻的两个 送粉管之间的送丝管，三路送粉管姿态相同，使三路送粉的汇聚点位于TIG焊枪 钨极尖端下方的熔池部位，同时三路送粉气流相互抵消。
进一步的，所述送丝送粉装置中的送粉姿态和送丝姿态可调。
进一步的，所述磁场发生装置包括激磁线圈和铁磁芯；
铁磁芯与焊枪同轴心的设置在焊枪底部外周，且与焊枪套筒固定为一体形成 一体化枪头，铁磁芯上绕上导线形成激磁线圈，激磁线圈与激磁电源连接，通过 设定激磁电源参数来产生所需要的强度、频率的磁场对电弧和熔池进行增益。
进一步的，所述送丝送粉装置还包括固定座，第一紧固螺栓，高度调节件， 角度调节件，角度调节螺栓和第二紧固螺栓；
固定座与焊枪同轴心设置且通过第一紧固螺栓固定在焊枪上，固定座侧面开 有四个梯形槽，其中三个梯形槽分布于固定座三等分位置处，用以连接送粉的高 度调节件；第四个梯形槽位于固定座第一紧固螺栓的对侧，用以连接送丝的高度 调节件；高度调节件另一端通过角度调节螺栓与角度调节件连接，角度调节件通 过第二紧固螺栓固定连接送粉/丝管。
进一步的，固定座在焊枪上的高度可调。
进一步的，还包括高度调节螺栓，四个梯形槽下底平面开有半圆柱形槽，高 度调节件一端设有与梯形槽相匹配的凸出部分，凸出部分上设有半圆柱形螺纹槽， 通过高度调节螺栓穿过由半圆柱形槽和半圆柱形螺纹槽组成的孔，实现高度调节 件与固定座的位置可调的连接。
进一步的，调节角度调整螺栓使三个用于送粉的角度调节件与高度调节件成130°-140°夹角；
调节第二紧固螺栓，控制三支送粉管的内伸长度一致；
三支送粉管送出粉末最终汇聚于钨极尖端下方6-8mm处；
焊枪喷嘴距离基板上方10-12mm位置，送丝送给到钨极下方6-8mm处。
进一步的，还包括送丝机、送粉器和焊接机器人；
送丝管的送丝通过送丝机送入，送丝机与机器人建立通讯，可通过程序指令 控制；送粉管的送粉通过送粉器输入，送粉器与机器人建立通讯，可通过程序指 令控制；送粉器输入管接变径自锁圆三通母头，子头分别接三根送粉管。
进一步的，还包括用于冷却焊枪和激磁线圈的水冷系统。
本发明与现有技术相比，其显著优点在于：
(1)本发明设计一种带磁场作用的送丝和送粉复合电弧增材TIG焊枪装置， 该装置在传统TIG焊枪基础上加装了磁场发生装置和设计了送丝和送粉复合的 夹具；实现了向高氮钢TIG增材熔池中有效送给氮化物合金粉末的目标，同时 稳定了高氮钢TIG丝粉同送复合增材过程。
(2)外加磁场发生装置通过绕制线圈产生近平行于电弧的纵向磁场，对电 弧和熔池起增益作用，改善丝-粉复合电弧增材过程中的电弧特性，增加电弧挺 度，稳定电弧形态，同时对熔池进行搅拌作用，均匀熔池成分，使液态金属结晶 细化。
(3)载气送粉时，三支送粉管分布于以焊枪中心为圆心的圆形固定座三等 分位置处并且呈现相同的姿态的结构特点，使得送粉气流对电弧的干扰程度相互 抵消，增材过程更加稳定，避免了电弧受到单向送粉气流或者不对称送粉气流的 干扰，产生电弧骤偏现象，从而影响增材效果；送粉管如此设计，保证送粉更加 充分的同时，焊丝和粉末能够更好地与电弧作用。
(4)送丝和送粉复合夹具可以根据实际焊接环境需要，通过固定座和高度 调节件实现双重高度调节，通过角度调节件实现角度的调整，通过第二紧固螺栓 控制丝管和粉管的内伸长度；夹具能够实现送丝和送粉同步送给并且精准送达熔 池部位。
(5)本发明结构具有很大的灵活性；夹具装置最初设计目的是为了实现丝 粉复合同送，并解决送粉气流对电弧干扰；同时夹具也可满足高效TIG增材需 要，即将送粉管改装为送丝管，实现多丝同送。
附图说明
图1为本发明的TIG焊枪装置整体示意图。
图2为本发明的固定座示意图。
图3为本发明的高度调节件示意图。
附图标记说明：
1-TIG焊枪，2-固定座，3-第一紧固螺栓，4-激磁线圈，5-铁磁芯，6-高度调 节螺栓，7-高度调节件，8-角度调节螺栓，9-角度调节件，10-送粉管，11-第二 紧固螺栓，12-送丝管。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
如图1-3所示，所述磁场发生装置与焊枪一体化设计，位于焊枪下部位置， 保证铁磁芯5尽量靠近增材电弧。一方面铁磁芯5设计具有抗外界干扰使磁场均 匀分布效果，另一方面避免因加装磁场而添加不必要的夹持装置。采用螺线管绕 制结构，将铁磁芯5固定于焊枪上，在铁磁芯5上绕上导线形成激磁线圈4，再 将激磁线圈4的引出线接到激磁电源上。激磁线圈4绕制完毕后再在线圈外刷一 层耐高温硅胶，起到绝缘作用又可以有效防止线圈脱落。焊枪1自带的水冷系统， 能有效冷却焊枪及其上线圈装置，避免增材过程的高温环境对焊枪及磁场产生干 扰。根据实际焊接或是增材需要，通过设定激磁电源参数来产生所需要的强度、 频率的磁场对电弧和熔池进行增益。
所述送丝和送粉夹具包括一个近圆柱形固定座2如图2所示、四个高度调节 件7如图3所示和四个角度调节件9如图1所示。其中：所述固定座2近圆柱形， 在侧面铣出两互成一定角度小平面，分别开有两用于定位的螺纹孔。通过第一紧 固螺栓3能够将固定座2固定于焊枪1上，可根据实际焊接场景适当调节固定座 2在焊枪1上的高度位置，以匹配高度调节件7和角度调节件9。
固定座2(图2)与焊枪1同中心轴，固定座2上开有四个梯形槽。其中三 个梯形槽分布于以焊枪中心为圆心的圆形固定座三等分位置处，用以连接送粉支 架。第四个梯形槽位于固定座定位螺纹孔对侧，用以连接送丝支架。梯形槽下底 平面开有半圆柱形槽，对应的高度调节件7(图3)梯形凸出部分开有另外半圆 柱形凹槽，并开有螺纹。高度调节件7在与固定座2连接时，先通过梯形槽结构 进行连接，当高度调节件7梯形凸出部分放置于梯形槽中，进一步地将高度调节 螺栓6旋入两半圆柱形槽组成的圆柱形孔，高度调节螺栓6在起到紧固、防止高 度调节件下滑作用的同时，可以旋转高度调节螺栓6调节高度调节件7的高度， 进一步配合固定座2的高度调节作用，为实际应用场景的送丝送粉高度调节需要 增大可调节范围。
连接好高度调节件7与固定座2后，进一步地，角度调节件9通过角度调节 螺栓8与高度调节件7连接。当处于松弛状态，角度调节螺栓8可调整角度调节 件9相对于焊枪轴线的角度，以适合送丝和送粉的姿态，进一步地，旋紧角度调 节螺栓8起到紧固作用。角度调节件9另一端开有通孔，用以放置送丝管和送粉 管。通孔侧边开有螺纹小孔，通过第二紧固螺栓11旋紧起到锁紧送丝管12送粉 管10的作用。由于第二紧固螺栓11可松紧，同时可根据需要调整送丝管12或 送粉管10的内伸长度再进行锁紧。
实施例1
以高氮钢丝-粉复合TIG电弧增材为例，说明一种带磁场作用的送丝和送粉 复合电弧增材TIG焊枪装置具体使用方法。
首先绕制好线圈，做好耐高温硅胶封装，并将激磁线圈4接头接入激磁电源， 设定好激磁电源参数。激磁电源与机器人建立通讯，可实现程序控制开关。
调节固定座2在焊枪上的高度，并拧紧第一紧固螺栓3，固定住固定座2。 依次将四个高度调节件7装入固定座2，并旋入高度调节螺栓6。再将四个角度 调节件9与高度调节件7连接，利用角度调节螺栓8紧固各角度调节件9。最后 依次装入送丝管和送粉管。
送丝通过送丝机送入，送丝机与机器人建立通讯，可通过程序指令控制。送 粉通过送粉器输入，送粉器与机器人建立通讯，可通过程序指令控制。送粉器输 入管接变径自锁圆三通母头，子头分别接三根送粉管。
将焊枪安装于机器人机械臂上进行送粉调试。调节高度调节螺栓6调整高度 调节件7高度，使送粉的三个高度调节件7位于同一水平高度。调节角度调整螺 栓8使三个用于送粉的角度调节件9与高度调节件7成135°夹角。调节第二紧 固螺栓11，控制三支送粉管的内伸长度一致。手动开启送粉，微调各部件，保 证三支送粉管送出粉末最终汇聚于钨极尖端下方6-8mm处。送粉调试完成，关 闭送粉器。
送丝调整，将焊枪垂直于基板，并移动焊枪使焊枪喷嘴距离基板上方 10-12mm位置，调节送丝支架，使送丝送给到钨极下方6-8mm处。
磁场、送粉和送丝调试完毕，即可进行高氮钢丝-粉复合TIG电弧增材，当 焊枪运动到起弧位置，程序设定先启动激磁电源，产生纵向磁场，再起弧。等待 0.5s预热基板后，给出送丝和送粉指令，同步开始输送。增材在末端时，首先关 闭送丝和送粉，再进行熄弧指令，最后断开励磁电源。

Claims (9)

1.一种带磁场作用的送丝和送粉复合电弧增材TIG焊枪装置，其特征在于，包括TIG焊枪，磁场发生装置和送丝送粉装置；
所述磁场发生装置和TIG焊枪一体设置，用于产生近平行于TIG焊枪电弧的纵向磁场；
所述送丝送粉装置包括三个呈120°分布的送粉管，和位于任意相邻的两个送粉管之间的送丝管，三路送粉管姿态相同，使三路送粉的汇聚点位于TIG焊枪钨极尖端下方的熔池部位，同时三路送粉气流相互抵消。
2.根据权利要求1所述的焊枪装置，其特征在于，所述送丝送粉装置中的送粉姿态和送丝姿态可调。
3.根据权利要求2所述的焊枪装置，其特征在于，所述磁场发生装置包括激磁线圈和铁磁芯；
铁磁芯与焊枪同轴心的设置在焊枪底部外周，且与焊枪套筒固定为一体形成一体化枪头，铁磁芯上绕上导线形成激磁线圈，激磁线圈与激磁电源连接，通过设定激磁电源参数来产生所需要的强度、频率的磁场对电弧和熔池进行增益。
4.根据权利要求3所述的焊枪装置，其特征在于，所述送丝送粉装置还包括固定座，第一紧固螺栓，高度调节件，角度调节件，角度调节螺栓和第二紧固螺栓；
固定座与焊枪同轴心设置且通过第一紧固螺栓固定在焊枪上，固定座侧面开有四个梯形槽，其中三个梯形槽分布于固定座三等分位置处，用以连接送粉的高度调节件；第四个梯形槽位于固定座第一紧固螺栓的对侧，用以连接送丝的高度调节件；高度调节件另一端通过角度调节螺栓与角度调节件连接，角度调节件通过第二紧固螺栓固定连接送粉/丝管。
5.根据权利要求4所述的焊枪装置，其特征在于，固定座在焊枪上的高度可调。
6.根据权利要求5所述的焊枪装置，其特征在于，还包括高度调节螺栓，四个梯形槽下底平面开有半圆柱形槽，高度调节件一端设有与梯形槽相匹配的凸出部分，凸出部分上设有半圆柱形螺纹槽，通过高度调节螺栓穿过由半圆柱形槽和半圆柱形螺纹槽组成的孔，实现高度调节件与固定座的位置可调的连接。
7.根据权利要求6所述的焊枪装置，其特征在于，调节角度调整螺栓使三个用于送粉的角度调节件与高度调节件成130°-140°夹角；
调节第二紧固螺栓，控制三支送粉管的内伸长度一致；
三支送粉管送出粉末最终汇聚于钨极尖端下方6-8mm处；
焊枪喷嘴距离基板上方10-12mm位置，送丝送给到钨极下方6-8mm处。
8.根据权利要求7所述的焊枪装置，其特征在于，还包括送丝机、送粉器和焊接机器人；
送丝管的送丝通过送丝机送入，送丝机与机器人建立通讯，可通过程序指令控制；送粉管的送粉通过送粉器输入，送粉器与机器人建立通讯，可通过程序指令控制；送粉器输入管接变径自锁圆三通母头，子头分别接三根送粉管。
9.根据权利要求8所述的焊枪装置，其特征在于，还包括用于冷却焊枪和激磁线圈的水冷系统。
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