CN113814532A - 一种极小径管件内壁焊接的旋转钨极tig焊接系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种极小径管件内壁焊接的旋转钨极TIG焊接系统，其特征在于：包括旋转钨极TIG焊枪、高频逆变焊接电源、水冷却装置和保护气供气装置；高频逆变焊接电源包括电源主电路和焊接控制装置；旋转钨极TIG焊枪包括带有钨电极的导电杆和旋转装置；导电杆与电源主电路连接；电源主电路和旋转装置分别与焊接控制装置连接；焊接控制装置通过高频引弧模块与导电杆连接；保护气供气装置和水冷却装置分别与导电杆连接。该系统可实现极小径管件内壁焊接作业，并可解决狭窄空间内水冷和送气的需求问题，结构巧妙灵活，具有良好宽工况适应性，可焊接出熔合良好、外观成形均匀的焊缝。

Description

一种极小径管件内壁焊接的旋转钨极TIG焊接系统

技术领域

本发明涉及焊接系统技术领域，更具体地说，涉及一种极小径管件内壁焊接的旋转钨极TIG焊接系统。

背景技术

钨极气体保护焊(Tungsten Inert Gas ArcWelding，TIG)电弧稳定，可见性优良，无熔滴飞溅，焊接质量优良，焊接过程可靠，焊接效果稳定，广泛适用于各种行业，如航空航天、大型船舶制造、汽车工业以及核工业等。其中，在目前工业生产中，存在广泛管道焊接需求：如在核电场所，电力电站冷凝器、换热器中存在大量的管道待修复等，焊接时其焊缝质量在修复评定中极为重要。在管件外壁或者直径较大(大于50mm)的管件内壁实现焊接目的相对容易实现，而在核电换热器等设备中，列管式换热器它的列管均匀密布，且列管直径较小(小于50mm)，受到管道直径的限制，焊接修复所需焊枪的直径要远小于换热管的内径，经查阅资料这一领域的焊接技术与经验尚处空白，亟待解决。中国发明专利申请《一种带有视频系统的小直径内壁堆焊TIG焊枪和采用其的焊接方法》(公开号：CN108015386A)公开了一种小直径内壁堆焊的TIG焊枪，能够对最小直径75mm的接管内壁进行焊接。但是对于具有极小径(20mm以下)的管件内壁焊接，该TIG焊枪无法实现，而且对于具有一定深度(800mm)的待焊部位，该焊枪亦无法实现焊接与修复目的。因而面向极小径管件内壁焊接，专用的小直径深管TIG焊枪开发势在必行。

核电、超(超)临界电站等的换热器、冷凝器极小管径等狭窄空间进行焊接修复作业时，传统的旋转钨极TIG焊，它的旋转驱动装置与钨极紧密连接在一起，整体结构偏大，无法进入到极细管道内部进行焊接。并且焊接时需要输入冷却液和保护气体，焊枪加入冷却和保护气传送功能后，结构体积会进一步加大，更难以进入极小径管件内进行焊接。因此本发明提供一种用于极小径管件内壁焊接且具有水冷送气功能的旋转钨极TIG焊枪。

发明内容

为克服现有技术中的缺点与不足，本发明的目的在于提供一种极小径管件内壁焊接的旋转钨极TIG焊接系统；该系统可实现极小径管件内壁焊接作业，并可解决狭窄空间内水冷和送气的需求问题，结构巧妙灵活，具有良好宽工况适应性，可焊接出熔合良好、外观成形均匀的焊缝。

为了达到上述目的，本发明通过下述技术方案予以实现：一种极小径管件内壁焊接的旋转钨极TIG焊接系统，其特征在于：包括旋转钨极TIG焊枪、高频逆变焊接电源、水冷却装置和保护气供气装置；其中，高频逆变焊接电源包括电源主电路和焊接控制装置；

所述旋转钨极TIG焊枪包括带有钨电极的导电杆和用于带动导电杆旋转的旋转装置；所述导电杆与电源主电路连接；电源主电路和旋转装置分别与焊接控制装置连接；焊接控制装置通过高频引弧模块与导电杆连接；所述保护气供气装置和水冷却装置分别与导电杆连接，以向导电杆输送保护气体和冷却液；保护气供气装置和水冷却装置还分别与焊接控制装置连接；

所述旋转钨极TIG焊接系统的焊接方法是：

首先，旋转钨极TIG焊枪的导电杆伸入到待焊接管件内，钨电极正对待焊接管件内壁的待焊接处；焊接控制装置启动保护气供气装置和水冷却装置，提前输送保护气体和冷却液；

接着，焊接控制装置启动电源主电路来输出空载电压；焊接控制装置启动高频引弧模块工作，通过高频高压方式击穿钨电极和待焊接管件内壁之间的空隙，从而在空载电压作用下，建立起稳定的焊接电弧；焊接控制装置关断高频引弧模块；

然后，焊接控制装置启动旋转装置，带动导电杆旋转运动，从而使钨电极相对于待焊接管件的旋转运动；在钨电极旋转运动过程中，焊接控制装置控制电源主电路输出焊接电流上升直至达到设定值，之后电源主电路输出脉冲式焊接电流，以进入正常焊接过程；当钨电极旋转角度多于一周时，焊接控制装置控制电源主电路输出焊接电流下降，直至灭弧；焊接控制装置停止旋转装置；

经过滞后延时后，焊接控制装置分别关断保护气供气装置和水冷却装置，焊接结束。

本发明采用了旋转钨极TIG焊枪，可伸入至细小直径管道结构内壁的焊接与修复，安全可靠，结构巧妙并且灵活，具备体积小、操作容易、灵活性及可达性好的优势，同时具有极好的宽工况适应性，适应大多数工程深度的管件内壁焊接需求，同时解决了在极小径管件狭窄空间实现水冷和送气的需求问题。

此外，本发明的高频逆变焊接电源采用脉冲直流TIG焊接方式；焊接过程中，焊接电流的变化过程与旋转钨极TIG焊枪的旋转运动相互配合：焊接电流上升阶段的设置有利于防止电流冲击影响焊接效果；正常焊接阶段采用脉冲式焊接电流，峰值电流形成熔池，基值电流维持电弧燃烧，避免断弧；调整基值电流大小和基值时间则可以控制熔融管件内壁的表面张力和凝固速度。该焊接方式还可以增加电弧的轴向稳定性，加强对熔池的搅拌作用，有利于极小径管件的全位置焊接和改善焊缝的结晶组织，并消除气孔；焊接电流下降阶段有利于消除焊缝突然冷却对焊缝力学性能的不利影响；平均焊接电流小，焊接热输入量较小，熔池尺寸小，热影响区窄，焊缝由很致密的焊点叠加而成，从而形成熔合良好、外观成形均匀的焊缝。

优选地，所述电源主电路包括依次连接的三相整流滤波模块、SiC高频全桥逆变模块、高频变压器和SiC快速全波整流滤波模块。

优选地，所述焊接控制装置包括处理器模块、人机交互模块、用于向SiC高频全桥逆变模块输出PWM信号的高频驱动模块、用于检测电源主电路输出电压的负载电压检测模块、用于检测电源主电路输出电流的负载电流检测模块、用于检测电源主电路输入电压的异常检测保护模块与用于向旋转装置输出控制信号的旋转驱动模块；

所述处理器模块分别与人机交互模块、高频驱动模块、负载电压检测模块、负载电流检测模块、异常检测保护模块和旋转驱动模块连接；处理器模块还分别通过继电器模块与保护气供气装置和水冷却装置连接。

优选地，所述导电杆包括导电杆本体和长直导电轴；所述钨电极设置在导电杆本体上；所述长直导电轴是指开设有气体通道一和水冷通道的金属长直导电轴；所述导电杆本体是指开设有气体通道二和与气体通道二连通的一个以上出气孔的金属导电杆本体；所述长直导电轴与导电杆本体连接，且气体通道一与气体通道二连通；

所述电源主电路的一端与长直导电轴连接，电源主电路的另一端与待焊接管件连接，以将电源主电路的电能依次通过长直导电轴和导电杆本体传导至钨电极上；所述长直导电轴与旋转装置连接，以实现长直导电轴旋转，从而带动导电杆本体上的钨电极转动；

所述长直导电轴远离导电杆本体的一端设有气水分布结构；气水分布结构分别与保护气供气装置和水冷却装置连接；工作时，保护气供气装置输出的保护气体依次输入到气体通道一和气体通道二后从出气孔输出，水冷却装置输出的冷却液流经水冷通道后返回到水冷却装置中。

该设计的旋转钨极TIG焊枪，长直导电轴和导电杆本体采用金属材质以直接实现导电，同时在长直导电轴直接开设气体通道一和水冷通道，在导电杆本体直接开设气体通道二，以直接实现供气和水冷；在焊接过程中实现液体冷却和输出保护气体防止工件氧化功能；有效缩小长直导电轴和导电杆本体的直径，使其可进入到极小直径管件内进行焊接作业，满足焊接空间极其严苛状况下的焊接需求。旋转钨极TIG焊枪能够在蒸发器、冷凝器等具有一定深度的极小径管件内壁内实现稳定高效的TIG焊接与修复，并能得到优质的焊缝成形。

优选地，所述长直导电轴远离导电杆本体区域的外表面设有进气槽、进水槽和出水槽；所述进气槽、进水槽和出水槽分别是以长直导电轴中心轴上任一点为圆心的环形槽；进气槽设有进气孔以与气体通道一连通，进水槽设有进水孔以与水冷通道连通，出水槽设有出水孔以与水冷通道连通；

所述气水分布结构包括气水分布套；所述气水分布套套设在长直导电轴远离导电杆本体区域外，并与长直导电轴可转动连接，以实现进气槽、进水槽和出水槽的封闭和相互分隔，从而分别形成进气腔、进水腔和出水腔；

所述气水分布套在与进气腔位置对应处设有进气管以与保护气供气装置连接；气水分布套在与进水腔和出水腔的位置对应处分别设有进水管和出水管，以与水冷却装置连接。

采用该结构的好处是，在长直导电轴转动过程中，气水分布套与长直导电轴之间可相对转动，在相对转动过程中也可以一直保持供气、供水和排水工作。在焊接过程中可只有长直导电轴和导电杆本体转动而气水分布套、进气管、进水管、出水管等部分不转动，减少转动的器件，提高焊接位置精度，还可避免管体缠绕等问题。

优选地，所述进气槽、进水槽和出水槽还通过O型密封圈来加强相互分隔。具体方式是，在长直导电轴上开设环形槽，O型密封圈设置在环形槽中实现固定，该方式可保证气水分布互不干扰。

优选地，所述长直导电轴与气水分布套之间设有轴承。

优选地，所述导电杆本体在钨电极和出气孔以外的区域的外侧以及长直导电轴外侧分别设有绝缘材料。旋转钨极TIG焊枪在进入管件后与管壁之间的距离非常小，焊接时容易被高频电击穿，因此在导电杆本体和长直导电轴外侧分别设有绝缘材料，可实现绝缘防护，提高旋转钨极TIG焊枪的可靠性和安全性。

优选地，在长直导电轴靠近导电杆本体的区域，水冷通道为设置在长直导电轴外表面的沟道，沟道通过套设在长直导电轴外侧的绝缘材料实现封闭形成水冷通道。该设计的好处是，可简化制作工艺，有利于进一步缩小长直导电轴直径，并达到更好的水冷效果。

优选地，所述导电杆本体设有凹位；所述钨电极和出气孔分别设置在凹位中；钨电极略凸出于导电杆本体的外表面；

所述出气孔为至少两个，各个出气孔分别围绕钨电极布设。

与现有技术相比，本发明具有如下优点与有益效果：

1、本发明采用了旋转钨极TIG焊枪，可伸入至细小直径管道结构内壁的焊接与修复，安全可靠，结构巧妙并且灵活，具备体积小、操作容易、灵活性及可达性好的优势，同时具有极好的宽工况适应性，适应大多数工程深度的管件内壁焊接需求，同时解决了在极小径管件狭窄空间实现水冷和送气的需求问题；

2、本发明的高频逆变焊接电源采用脉冲直流TIG焊接方式；焊接过程中，焊接电流的变化过程与旋转钨极TIG焊枪的旋转运动相互配合：焊接电流上升阶段的设置有利于防止电流冲击影响焊接效果；正常焊接阶段采用脉冲式焊接电流，峰值电流形成熔池，基值电流维持电弧燃烧，避免断弧；调整基值电流大小和基值时间则可以控制熔融管件内壁的表面张力和凝固速度；该焊接方式还可以增加电弧的轴向稳定性，加强对熔池的搅拌作用，有利于极小径管件的全位置焊接和改善焊缝的结晶组织，并消除气孔；焊接电流下降阶段有利于消除焊缝突然冷却对焊缝力学性能的不利影响；平均焊接电流小，焊接热输入量较小，熔池尺寸小，热影响区窄，焊缝由很致密的焊点叠加而成，从而形成熔合良好、外观成形均匀的焊缝；

3、本发明中，旋转钨极TIG焊枪的长直导电轴和导电杆本体采用金属材质以直接实现导电，同时在长直导电轴直接开设气体通道一和水冷通道，在导电杆本体直接开设气体通道二，以直接实现供气和水冷；在焊接过程中实现液体冷却和输出保护气体防止工件氧化功能；有效缩小长直导电轴和导电杆本体的直径，使其可进入到极小直径管件内进行焊接作业，满足焊接空间极其严苛状况下的焊接需求；本发明焊枪能够在蒸发器、冷凝器等具有一定深度的极小径管件内壁内实现稳定高效的TIG焊接与修复，并能得到优质的焊缝成形；可应用于核电、超(超)临界电站等的换热器、冷凝器极小管径或者狭窄空间内壁焊接与修复。

附图说明

图1是本发明旋转钨极TIG焊接系统的系统框图；

图2是本发明旋转钨极TIG焊接系统中电源主电路的电路原理图；

图3是本发明旋转钨极TIG焊接系统中焊接控制装置的原理框图；

图4是本发明旋转钨极TIG焊接系统的焊接流程图；

图5是本发明旋转钨极TIG焊接系统中旋转钨极TIG焊枪的结构示意图；

图6是本发明旋转钨极TIG焊接系统中旋转钨极TIG焊枪去除气水分布套后的结构示意图；

图7是本发明旋转钨极TIG焊接系统中旋转钨极TIG焊枪中长直导电轴的结构示意图；

图8是本发明旋转钨极TIG焊接系统中旋转钨极TIG焊枪中导电杆本体的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细的描述。

实施例

如图1至图8所示，本实施例一种极小径管件内壁焊接的旋转钨极TIG焊接系统，包括旋转钨极TIG焊枪、高频逆变焊接电源、水冷却装置和保护气供气装置；其中，高频逆变焊接电源包括电源主电路和焊接控制装置。

电源主电路包括依次连接的三相整流滤波模块、SiC高频全桥逆变模块、高频变压器和SiC快速全波整流滤波模块。SiC高频全桥逆变模块采用了逆变频率高达200kHz的SiC全桥逆变拓扑结构，该拓扑结构成熟稳定。采用SiC MOSFET作为功率开关管；由工业三相电输入进焊接电源的交流电，经过三相整流滤波模块之后，变成较为平滑的直流电；直流电输入SiC高频全桥逆变模块，通过高频驱动模块控制SiC高频全桥逆变模块的SiC MOSFET功率开关管的高频开通和关断，转变为高频的交流方波电流；接着，高频交流方波电流流入高频变压器进行电气隔离和变压器降压，最后经过变压器副边的SiC快速全波整流滤波模块转变为适合TIG焊接工作的所需的低电压大电流直流电。

本发明的电源主电路采用基于SiC功率器件，其全桥逆变频率可达200kHz，具备动态响应快、能量密度高、控制精度高等优势，并且减小了磁性元件如变压器以及输出电抗的体积和材料，具备绿色环保的特点；采用该电源主电路能够对焊接热输入的能量进行精确控制，在对于热输入要求严苛的管道焊接修复工况应用极佳，极具工艺潜力。

焊接控制装置包括处理器模块、人机交互模块、用于向SiC高频全桥逆变模块输出PWM信号的高频驱动模块、用于检测电源主电路输出电压的负载电压检测模块、用于检测电源主电路输出电流的负载电流检测模块、用于检测电源主电路输入电压的异常检测保护模块与用于向旋转装置输出控制信号的旋转驱动模块；

处理器模块分别与人机交互模块、高频驱动模块、负载电压检测模块、负载电流检测模块、异常检测保护模块和旋转驱动模块连接；处理器模块还分别通过继电器模块与保护气供气装置和水冷却装置连接。

人机交互模块由RS485驱动器与处理器模块连接；处理器模块包括DSC控制芯片；既可以是ARM控制芯片，也可以是DSP控制芯片，或者MCU控制芯片。一种优选的方案是焊接电源控制系统采用ARM Cortex-M4作为中央数字处理器，该微处理器运行频率高达168MHz，处理能力高达210DMIPS，集成单周期DSP指令集、FPU浮点运算单元和12位高速ADC模块，极其适合于SiC TIG焊接电源这种既有信号采集处理又有实时过程控制算法的应用。

高频驱动模块，即功率开关管SiC MOSFET栅极驱动电路开关模块，与电源主电路的SiC高频全桥逆变模块连接；负载电压检测模块和负载电流检测模块的一端分别与处理器模块连接，另一端与SiC快速全波整流滤波模块连接，用以检测反馈输出电流电压；异常检测保护模块的一端与交流输入电源相连，另一端与处理器模块连接；旋转驱动模块的一端与处理器模块相连，另一端与旋转钨极TIG焊枪相连，通过PWM调制进行驱动控制旋转。

处理器模块一方面接收来自于人机交互模块的设定值，另一方面接收来实时采集到的信号，将采集到的信号与人机交互模块给定的值进行比较，按照增量式PID算法进行运算和调节，增量式PID算法相对计算量少，极大的降低了PID运算的时间，提升了高频逆变焊接电源的响应速度。根据PID算法数据处理结果输出对应的PWM脉宽信号，并产生两路PWM信号，将该信号传递给高频驱动电路，分别控制SiC高频全桥逆变模块的四组SiC MOSFET功率开关和关断的占空比，从而实现了闭环控制。将电流的设定值设置成脉冲形式，从而使电源主电路实现脉冲电流波形输出。

本发明采用以DSC处理器模块为核心的全数字化调制技术，具备控制精度高、响应速度快以及稳定性好等优势，可以准确完成大量接口信息交换，运行更加精确的闭环控制算法，实时调度和处理各波形调制子任务，利于极小径管件内壁焊接波形及输出能量的数字化调制和精细化控制；同时也利于极小径管件内壁焊接工况下焊枪旋转的精细化控制。

旋转钨极TIG焊枪包括导电杆和旋转装置；导电杆包括长直导电轴11、导电杆本体12。长直导电轴11和导电杆本体12由金属材质制成，长直导电轴11与导电杆本体12连接。

旋转装置包括电机1和齿轮组3；电机1与齿轮组3连接，齿轮组3与长直导电轴11连接并通过平键和平键槽29配合来实现定位。实际应用中，齿轮组也可以采用其它方式。旋转装置可带动长直导电轴11旋转。

长直导电轴11开设有气体通道一24和水冷通道23；导电杆本体12开设有气体通道二25和与气体通道二25连通的一个以上出气孔26；气体通道一24与气体通道二25连通。

长直导电轴11远离导电杆本体12的一端设有用于连接保护气供气装置和水冷却装置的气水分布结构。

具体地说，长直导电轴11远离导电杆本体12区域的外表面设有进气槽6、进水槽8和出水槽9；进气槽6、进水槽8和出水槽9分别是以长直导电轴11中心轴上任一点为圆心的环形槽；进气槽6设有进气孔以与气体通道一24连通，进水槽8设有进水孔以与水冷通道23连通，出水槽9设有出水孔30以与水冷通道23连通。

气水分布结构包括气水分布套22；气水分布套22套设在长直导电轴11远离导电杆本体12区域外，并与长直导电轴11可转动连接，以实现进气槽6、进水槽8和出水槽9的封闭和相互分隔，从而分别形成进气腔、进水腔和出水腔。气水分布套22在与进气腔位置对应处设有进气管15以与保护气供气装置连接；气水分布套22在与进水腔和出水腔的位置对应处分别设有进水管16和出水管17，以与水冷却装置连接。保护气供气装置输出的保护气体依次输入到气体通道一24和气体通道二25后从出气孔26输出。水冷却装置输出的冷却液流经水冷通道23后返回到水冷却装置中，以达到冷却长直导电轴及焊枪作用。长直导电轴11与气水分布套22之间优选设有轴承21。

采用该结构的好处是，在长直导电轴11转动过程中，气水分布套22与长直导电轴11之间可相对转动，在相对转动过程中也可以一直保持供气、供水和排水工作。在焊接过程中可只有长直导电轴11和导电杆本体12转动而气水分布套22、进气管15、进水管16、出水管17等部分不转动，减少转动的器件，提高焊接位置精度，还可避免管体缠绕等问题。

进气槽6、进水槽8和出水槽9还通过O型密封圈来加强相互分隔。具体方式是，在长直导电轴11上开设环形槽，O型密封圈设置在环形槽中实现固定；O型密封圈与气水分布套22紧密配合，阻隔了水气相互干扰，提高了机构使用稳定性。

导电杆本体12上设有钨电极13，长直导电轴11旋转时带动导电杆本体12上的钨电极13转动。

本发明旋转钨极TIG焊枪，长直导电轴11和导电杆本体12采用金属材质以直接实现导电，同时在长直导电轴11直接开设气体通道一24和水冷通道23，在导电杆本体12直接开设气体通道二25，以直接实现供气和水冷，有效缩小长直导电轴11和导电杆本体12的直径，使其可进入到极小直径管件内进行焊接作业，满足焊接空间极其严苛状况下的焊接需求。

导电杆本体12设有凹位；钨电极13和出气孔26分别设置在凹位中；钨电极13略凸出于导电杆本体12的外表面。进一步地，凹位设有钨极安装腔27；钨极安装腔27的腔壁开设有安装孔28；钨电极13插接在钨极安装腔27中并通过设置在安装孔28中的连接件固定。该方式可避免钨电极13过于凸出于导电杆本体12外表面，可有效缩小旋转钨极TIG焊枪伸入到管件端的整体尺寸，使旋转钨极TIG焊枪能推广到更小直径的管件内壁焊接作业中。本实施例中，出气孔26为八个，保护气体从出气孔26输出，提供气体保护。实际应用中，出气孔的数量可以是一个以上，例如，一、二、三......，可根据保护气体排放量和均匀程度进行设计，当出气孔为多个时，优选各个出气孔分别围绕钨电极布设。

长直导电轴11通过接线耳18、焊接电缆19、电缆保护头20与高频逆变焊接电源连接，以将高频逆变焊接电源的电能依次通过长直导电轴11和导电杆本体12传导至钨电极13上，实现TIG焊时能量的传输。

导电杆本体12在钨电极13和出气孔26以外的区域的外侧以及长直导电轴11外侧分别设有绝缘材料。旋转钨极TIG焊枪在进入管件后与管壁之间的距离非常小，焊接时容易被高频电击穿，因此在导电杆本体12和长直导电轴11外侧分别设有绝缘材料，可实现绝缘防护，提高旋转钨极TIG焊枪的可靠性和安全性。例如长直导电轴11外表面包络四氟热缩管，旋转钨极TIG焊枪所有导电部分采用完全绝缘防护。

在长直导电轴11靠近导电杆本体12的区域，水冷通道23为设置在长直导电轴11外表面两侧的沟道，沟道通过套设在长直导电轴11外侧的绝缘材料实现封闭形成水冷通道23。该设计的好处是，可简化制作工艺，有利于进一步缩小长直导电轴11直径，并达到更好的水冷效果。

该设计的旋转钨极TIG焊枪，具有如下优点与有益效果：

一、传统焊枪在外部添加水冷供气装置的结构使传统焊枪在空间设计上无法达到在小直径深管内壁焊接的目的，与传统不同，本发明在长直导电轴本身开有用于供气和水冷的通道，完成水冷送气；本发明应用在小直径(10mm-50mm)管道内壁焊接与修复，焊接空间极其严苛，采用在长直导电轴开槽通孔以完成水冷供气，机构新颖，设计巧妙；

二、采用电机与齿轮之间的齿轮啮合配合，以达到动力传递的目的；在进行焊接修复时，仅将长直导电轴和导电杆本体伸进至管件内，而驱动钨电极的转驱动装置则位于管件外；结构简单，相比于其他旋转TIG焊，具备体积优势与特定极小径管件内壁焊接场景的应用优势；

三、长直导电轴采用金属腔体结构，具有通电等作用；焊枪进入管件后与管壁之间的距离非常小，焊接时容易被高频电击穿，导电杆本体12和长直导电轴11外侧分别设有绝缘材料，起绝缘防护作用；在水冷送气初始部位由O型密封圈阻隔了水气的相互干扰，提高了机构使用稳定性；

四、焊枪结构细长，直径可小于17mm，长度可超过800mm，可以随着焊接管件直径的不同以及焊接管件焊接位置的不同，调整焊枪伸入管件内的长度，使焊枪能够适用更多的管件焊接位置，远程可达使焊枪具有更宽的工况适用性。

本实施例旋转钨极TIG焊接系统的焊接方法是：

首先，旋转钨极TIG焊枪的导电杆伸入到待焊接管件内，钨电极正对待焊接管件内壁的待焊接处；焊接控制装置启动保护气供气装置和水冷却装置，提前输送保护气体和冷却液；

接着，焊接控制装置启动电源主电路来输出空载电压；焊接控制装置启动高频引弧模块工作，通过高频高压方式击穿钨电极和待焊接管件内壁之间的空隙，从而在空载电压作用下，建立起稳定的焊接电弧；焊接控制装置关断高频引弧模块；

然后，焊接控制装置启动旋转装置，带动导电杆旋转运动，从而使钨电极相对于待焊接管件的旋转运动；在钨电极旋转运动过程中，焊接控制装置控制电源主电路输出焊接电流上升直至达到设定值，之后电源主电路输出脉冲式焊接电流，以进入正常焊接过程；当钨电极旋转角度多于一周(例如370°)时，焊接控制装置控制电源主电路输出焊接电流下降，直至灭弧；焊接控制装置停止旋转装置；

经过滞后延时后，焊接控制装置分别关断保护气供气装置和水冷却装置，焊接结束。

本发明采用了旋转钨极TIG焊枪，可伸入至细小直径(例如小于50mm)管道结构内壁的焊接与修复，安全可靠，结构巧妙并且灵活，具备体积小、操作容易、灵活性及可达性好的优势，同时具有极好的宽工况适应性，能够适用于小于800mm长度任意位置的管件内壁待修复焊接工况，适应大多数工程深度的管件内壁焊接需求，同时解决了在极小径管件狭窄空间实现水冷和送气的需求问题。

此外，本发明的高频逆变焊接电源采用脉冲直流TIG焊接方式；焊接过程中，焊接电流的变化过程与旋转钨极TIG焊枪的旋转运动相互配合：焊接电流上升阶段的设置有利于防止电流冲击影响焊接效果；正常焊接阶段采用脉冲式焊接电流，峰值电流形成熔池，基值电流维持电弧燃烧，避免断弧；调整基值电流大小和基值时间则可以控制熔融管件内壁的表面张力和凝固速度。该焊接方式还可以增加电弧的轴向稳定性，加强对熔池的搅拌作用，有利于极小径管件的全位置焊接和改善焊缝的结晶组织，并消除气孔；焊接电流下降阶段有利于消除焊缝突然冷却对焊缝力学性能的不利影响；平均焊接电流小，焊接热输入量较小，熔池尺寸小，热影响区窄，焊缝由很致密的焊点叠加而成，从而形成熔合良好、外观成形均匀的焊缝。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种极小径管件内壁焊接的旋转钨极TIG焊接系统，其特征在于：包括旋转钨极TIG焊枪、高频逆变焊接电源、水冷却装置和保护气供气装置；其中，高频逆变焊接电源包括电源主电路和焊接控制装置；

所述旋转钨极TIG焊枪包括带有钨电极的导电杆和用于带动导电杆旋转的旋转装置；所述导电杆与电源主电路连接；电源主电路和旋转装置分别与焊接控制装置连接；焊接控制装置通过高频引弧模块与导电杆连接；所述保护气供气装置和水冷却装置分别与导电杆连接，以向导电杆输送保护气体和冷却液；保护气供气装置和水冷却装置还分别与焊接控制装置连接；

所述旋转钨极TIG焊接系统的焊接方法是：

首先，旋转钨极TIG焊枪的导电杆伸入到待焊接管件内，钨电极正对待焊接管件内壁的待焊接处；焊接控制装置启动保护气供气装置和水冷却装置，提前输送保护气体和冷却液；

接着，焊接控制装置启动电源主电路来输出空载电压；焊接控制装置启动高频引弧模块工作，通过高频高压方式击穿钨电极和待焊接管件内壁之间的空隙，从而在空载电压作用下，建立起稳定的焊接电弧；焊接控制装置关断高频引弧模块；

然后，焊接控制装置启动旋转装置，带动导电杆旋转运动，从而使钨电极相对于待焊接管件的旋转运动；在钨电极旋转运动过程中，焊接控制装置控制电源主电路输出焊接电流上升直至达到设定值，之后电源主电路输出脉冲式焊接电流，以进入正常焊接过程；当钨电极旋转角度多于一周时，焊接控制装置控制电源主电路输出焊接电流下降，直至灭弧；焊接控制装置停止旋转装置；

经过滞后延时后，焊接控制装置分别关断保护气供气装置和水冷却装置，焊接结束。

2.根据权利要求1所述的极小径管件内壁焊接的旋转钨极TIG焊接系统，其特征在于：所述电源主电路包括依次连接的三相整流滤波模块、SiC高频全桥逆变模块、高频变压器和SiC快速全波整流滤波模块。

3.根据权利要求2所述的极小径管件内壁焊接的旋转钨极TIG焊接系统，其特征在于：所述焊接控制装置包括处理器模块、人机交互模块、用于向SiC高频全桥逆变模块输出PWM信号的高频驱动模块、用于检测电源主电路输出电压的负载电压检测模块、用于检测电源主电路输出电流的负载电流检测模块、用于检测电源主电路输入电压的异常检测保护模块与用于向旋转装置输出控制信号的旋转驱动模块；

所述处理器模块分别与人机交互模块、高频驱动模块、负载电压检测模块、负载电流检测模块、异常检测保护模块和旋转驱动模块连接；处理器模块还分别通过继电器模块与保护气供气装置和水冷却装置连接。

4.根据权利要求1所述的极小径管件内壁焊接的旋转钨极TIG焊接系统，其特征在于：所述导电杆包括导电杆本体和长直导电轴；所述钨电极设置在导电杆本体上；所述长直导电轴是指开设有气体通道一和水冷通道的金属长直导电轴；所述导电杆本体是指开设有气体通道二和与气体通道二连通的一个以上出气孔的金属导电杆本体；所述长直导电轴与导电杆本体连接，且气体通道一与气体通道二连通；

所述电源主电路的一端与长直导电轴连接，电源主电路的另一端与待焊接管件连接；所述长直导电轴与旋转装置连接，以实现长直导电轴旋转，从而带动导电杆本体上的钨电极转动；

所述长直导电轴远离导电杆本体的一端设有气水分布结构；气水分布结构分别与保护气供气装置和水冷却装置连接；工作时，保护气供气装置输出的保护气体依次输入到气体通道一和气体通道二后从出气孔输出，水冷却装置输出的冷却液流经水冷通道后返回到水冷却装置中。

5.根据权利要求4所述的极小径管件内壁焊接的旋转钨极TIG焊接系统，其特征在于：所述长直导电轴远离导电杆本体区域的外表面设有进气槽、进水槽和出水槽；所述进气槽、进水槽和出水槽分别是以长直导电轴中心轴上任一点为圆心的环形槽；进气槽设有进气孔以与气体通道一连通，进水槽设有进水孔以与水冷通道连通，出水槽设有出水孔以与水冷通道连通；

所述气水分布结构包括气水分布套；所述气水分布套套设在长直导电轴远离导电杆本体区域外，并与长直导电轴可转动连接，以实现进气槽、进水槽和出水槽的封闭和相互分隔，从而分别形成进气腔、进水腔和出水腔；

所述气水分布套在与进气腔位置对应处设有进气管以与保护气供气装置连接；气水分布套在与进水腔和出水腔的位置对应处分别设有进水管和出水管，以与水冷却装置连接。

6.根据权利要求5所述的极小径管件内壁焊接的旋转钨极TIG焊接系统，其特征在于：所述进气槽、进水槽和出水槽还通过O型密封圈来加强相互分隔。

7.根据权利要求5所述的极小径管件内壁焊接的旋转钨极TIG焊接系统，其特征在于：所述长直导电轴与气水分布套之间设有轴承。

8.根据权利要求4所述的极小径管件内壁焊接的旋转钨极TIG焊接系统，其特征在于：所述导电杆本体在钨电极和出气孔以外的区域的外侧以及长直导电轴外侧分别设有绝缘材料。

9.根据权利要求8所述的极小径管件内壁焊接的旋转钨极TIG焊接系统，其特征在于：在长直导电轴靠近导电杆本体的区域，水冷通道为设置在长直导电轴外表面的沟道，沟道通过套设在长直导电轴外侧的绝缘材料实现封闭形成水冷通道。

10.根据权利要求4所述的极小径管件内壁焊接的旋转钨极TIG焊接系统，其特征在于：所述导电杆本体设有凹位；所述钨电极和出气孔分别设置在凹位中；钨电极略凸出于导电杆本体的外表面；所述出气孔为至少两个，各个出气孔分别围绕钨电极布设。

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