CN114633005A - 一种钨极氩弧焊的冷热丝焊枪和焊接方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种钨极氩弧焊的冷热丝焊枪和焊接方法。包括，焊枪本体、钨极、第一送丝导嘴、第一焊丝，第二送丝导嘴、第二焊丝，焊枪本体夹住钨极，钨极竖直设置，送丝导嘴连接焊丝，第一焊丝和第二焊丝分别倾斜穿过焊枪设置，沿着焊接的直线方向上分别设置第一焊丝、钨极、第二焊丝，第一焊丝为热丝，第二焊丝为冷丝，焊丝和钨极的焊接端位于焊枪本体的出口端的下方，焊丝的焊接端位于钨极的侧下方。提高焊接速度，降低焊件变形，有助于提升焊接质量。

Description

一种钨极氩弧焊的冷热丝焊枪和焊接方法

技术领域

本发明属于钨极氩弧焊技术领域，具体涉及一种钨极氩弧焊的冷热丝焊枪和焊接方法。

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。

TOPTIG焊是一种新型的高效TIG填丝工艺，TOPTIG焊中焊丝在电弧的高温区域将焊丝熔化，但是熔池温度较高，容易导致焊件变形，降低焊接质量。当需要焊接速度较快时，使用TOPTIG焊焊接的过程中，为了获得适量的熔敷金属，需要更快的送丝速度。但是当送丝速度过快时，由于焊丝在电弧中存在的时间较短，焊丝来不及熔化而进入熔池，形成炸丝、金属夹杂等焊接缺陷。同时送丝速度过快对于焊接时间的控制与焊接稳定性有一定的影响，这样限制了TOPTIG焊提高焊接速度，提高焊接效率。

发明内容

针对上述现有技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种钨极氩弧焊的冷热丝焊枪和焊接方法。

为了解决以上技术问题，本发明的技术方案为：

第一方面，一种钨极氩弧焊的冷热丝焊枪，包括，焊枪本体、钨极、第一送丝导嘴、第一焊丝，第二送丝导嘴、第二焊丝，焊枪本体夹住钨极，钨极竖直设置，送丝导嘴连接焊丝，第一焊丝和第二焊丝分别倾斜穿过焊枪设置，沿着焊接的直线方向上分别设置第一焊丝、钨极、第二焊丝，第一焊丝为热丝，第二焊丝为冷丝，焊丝和钨极的焊接端位于焊枪本体的出口端的下方，焊丝的焊接端位于钨极的侧下方。

本发明的焊枪提供了一种焊丝和焊枪一体的结构，同时结构设置为热丝在焊接方向的前方，冷丝在焊接方向的后方。焊丝和焊枪一体的结构设置，有助于实现焊丝与钨极的夹角的调整，使其保持较小的夹角，有利于将焊丝送入到电弧的高温区，有利于焊丝的迅速熔化，提高熔覆率和焊接速度。热丝在前，冷丝在后，即可以提升焊接熔覆效率，又可以降低熔池温度，降低焊件变形。同时钨极、第一焊丝和第二焊丝在同一平面内，保证了焊缝成形的对称性。

第二方面，利用上述一种钨极氩弧焊的冷热丝焊枪的焊接方法，所述方法为：

调整焊枪与待焊母材之间的位置；

送入保护气，然后送入循环冷却水，启动电源，第一焊丝开始送丝，焊枪沿着焊接方向开始运动，然后第二焊丝开始送丝，焊接完成后，停止第一焊丝和第二焊丝的送丝。

本发明通过第一焊丝为热丝，克服了传统TOPTIG焊焊丝为冷丝的不足，能够提升传统TOPTIG焊的焊接速度，增加焊接的焊丝熔敷率，提高焊接速度并且稳定性高，用可以解决现有技术中传统TOPTIG焊焊接生产效率低的问题。

本发明通过第二焊丝冷丝，即增加了焊接熔池的填充量，提升了焊丝熔敷率，又降低了熔池的温度，从而降低了对焊件母材的热输入，降低了焊件的变形，有助于提升焊接质量。

本发明一个或多个技术方案具有以下有益效果：

通过由设置的第一焊丝导嘴和第二焊丝导嘴与钨极成指定角度送入焊丝至TOPTIG焊枪的钨极下方位置，通过第一焊丝热丝高效填丝，第二焊丝冷丝冷却电弧和熔池，降低了焊件变形，实现了TOPTIG焊的冷热丝焊枪及高效焊接方法；与现有技术相比，本发明TOPTIG冷热丝焊枪及高效焊接方法接可避免传统TIG焊的焊丝在电弧中加热时间短加热效率不高而无法提升熔覆效率的缺陷，具有良好的焊接稳定性，从而有利于焊接速度的提升，同时在焊接厚大工件时可以增加熔敷率；而且可通过调整第一送丝机和第二送丝机的送丝速度及焊丝材料种类配比来达到梯度功能焊接的效果，具有良好的推广价值。

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申请的进一步理解，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TIG焊的电弧温度分布；

图2为常规TIG的送丝位置；

图3为TOPTIG的焊丝位置示意图；

图4为焊枪的结构示意图；

图5为焊接后的焊缝成型图；

其中，1-送丝导嘴、2-第二焊丝、3-热丝熔滴、4-电弧、5-熔池、6-保护气腔、7-钨极夹、8-第一焊丝、9-循环水腔、10-循环水进口、11-钨极、12-循环水出口、13-母材、14-冷丝熔滴；

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申请的示例性实施方式。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。

第一方面，一种钨极氩弧焊的冷热丝焊枪，包括，焊枪本体、钨极、第一送丝导嘴、第一焊丝，第二送丝导嘴、第二焊丝，焊枪本体夹住钨极，钨极竖直设置，送丝导嘴连接焊丝，第一焊丝和第二焊丝分别倾斜穿过焊枪设置，沿着焊接的直线方向上分别设置第一焊丝、钨极、第二焊丝，第一焊丝为热丝，第二焊丝为冷丝，焊丝和钨极的焊接端位于焊枪本体的出口端的下方，焊丝的焊接端位于钨极的侧下方。

本发明的焊枪提供了一种焊丝和焊枪一体的结构，有助于减小第一焊丝和第二焊丝与钨极之间的夹角，将焊丝的焊接端送到熔池温度较高的位置，使焊丝及时熔化进入熔池，避免炸丝、金属夹杂等焊接缺陷。同时有利于提高焊接速度，提高焊接效率。

本发明的焊丝和焊枪的结构设置，可以提升焊接熔覆效率，又可以降低熔池温度，降低焊件变形。

在本发明的一些实施方式中，第一焊丝与直流电源相接。第一焊丝为热丝，通过直流电源加热第一焊丝。

在本发明的一些实施方式中，第二焊丝与钨极的夹角为10°～30°，第二焊丝的焊接端的端点与钨极焊接端的端点的竖向距离为0.8-3.2mm。

在本发明的一些实施方式中，第一焊丝与钨极的夹角为10°～20°，第一焊丝的焊接端的端点与钨极焊接端的端点的竖向距离为0.8-3.0mm。

焊丝与钨极尖端距离非常重要。TIG焊电弧的温度场见图1，电弧温度自钨极尖端下方至工件温度变化非常剧烈，钨极端部下方温度最高，在工件表面温度最低。焊丝送入电弧的高温区部分有助于焊丝的熔化。如图2所示，常规的钨极氩弧焊的焊丝与钨极的夹角较大，且送丝导嘴与喷嘴是分离式的。由于分离，焊丝受喷嘴空间位置的影响，不能送入到电弧的高温区，只能送入到电弧的低温区。如图3所示，本发明中钨极和焊丝一体化设置，所述夹角设置，能够将焊丝送入到电弧的高温区，使熔覆率远大于常规的TIG焊。

第二焊丝的角度及与钨极的距离决定了第二焊丝的熔化速度，确保第二焊丝的熔覆率，有利于提高降温效果和焊接速度。

在本发明的一些实施方式中，焊枪本体包括内侧的保护气腔和外侧的循环水腔，循环水腔和保护气腔同轴设置。进一步，循环水腔设置循环水进口和循环水出口。进一步，保护气腔的内部设置钨极夹。

焊枪本体设置第一焊丝和第二焊丝穿过的通道，使第一焊丝和第二焊丝能够固定，而且使第一焊丝和第二焊丝相对于焊枪本体的内部的循环水腔、保护气腔密封设置，保证循环水腔的水在循环水腔的内部流动，循环水腔、保护气腔之间相对独立密封设置。钨极穿过保护气腔设置，使保护气腔中流出的保护气能够完全保护住下方的电弧。

焊枪的喷嘴位置的循环水腔通循环水，用于冷却焊枪。

传统的TIG焊喷嘴采用陶瓷材料，不具备加工性，无法用作TOPTIG的喷嘴，本发明中，在一种实施方式中，导嘴采用铜制导嘴，其材料为铬锆铜或铍青铜，具有较强的耐磨性，使用寿命长；送丝导管为石墨烯送丝导管，摩擦系数小，保证了送丝过程的流畅，不易发生堵丝，确保了焊接过程送丝的稳定性。

在本发明的一些实施方式中，焊枪为适用于TOPTIG焊的焊枪。

TIG焊是一种非熔化极惰性气体保护焊，采用惰性气体对加热区进行保护，属于典型的热传导型焊接方法，焊接过程稳定而且焊缝成型好，在工业中应用广泛。但该方法存在明显的技术局限性，单层焊缝熔深较浅，熔敷率低，生产效率低。对于厚度较大的焊件，就需要进行坡口加工，并采用多层焊接，影响了其生产效率。TOPTIG焊为以TIG焊为基础的高效焊接方法，本发明中的焊接方法在提高TIG焊的焊接效率同时保持TIG焊焊缝成型好、焊接质量高的优点。

第二方面，利用上述一种钨极氩弧焊的冷热丝焊枪的焊接方法，所述方法为：

调整焊枪与待焊母材之间的位置；

送入保护气，然后送入循环冷却水，启动电源，第一焊丝开始送丝，焊枪沿着焊接方向开始运动，然后第二焊丝开始送丝，焊接完成后，停止第一焊丝和第二焊丝的送丝。

本发明通过第一焊丝为热丝，克服了传统TOPTIG焊焊丝为冷丝的不足，能够提升传统TOPTIG焊的焊接速度，增加焊接的焊丝熔敷率，提高焊接速度并且稳定性高，用可以解决现有技术中TOP传统TIG焊焊接生产效率低的问题。

本发明通过第二焊丝冷丝，即增加了焊接熔池的填充量，提升了焊丝熔敷率，又降低了熔池的温度，从而降低了对焊件母材的热输入，降低了焊件的变形，有助于提升焊接质量。

在本发明的一些实施方式中，焊枪的钨极与母材的角度为80-90°。

在本发明的一些实施方式中，保护气的气体流量为5.0L/min～20.0L/min。在此范围可以保证气流平稳，保证焊接对焊缝的保护效果。低于此流量，则保护气体流量不足；大于此流量，则保护气流可能出现紊流，影响保护效果。

在本发明的一些实施方式中，焊接电流为120-300A，电弧引燃2-4s后，开始输送第一焊丝。

在本发明的一些实施方式中，与第一焊丝相接的直流电源的电流为50-200A。本发明中的前丝为热丝，与外接一直流电源相连，通过电阻热加热焊丝，加热焊丝后焊丝再进入焊接电弧，在焊接电弧热力作用下熔化过渡到焊接熔池。

在本发明的一些实施方式中，焊接结束后，先停止输送第一焊丝、第二焊丝，然后关闭电源，息弧4-6s后，停止保护气体的输送。

下面结合实施例对本发明进一步说明

实施例1

如图4所示，一种钨极氩弧焊的冷热丝焊枪，包括，焊枪本体、钨极11、第一送丝导嘴、第一焊丝，第二送丝导嘴、第二焊丝，焊枪本体夹住钨极11，钨极11竖直设置，送丝导嘴1连接焊丝，第一焊丝8和第二焊丝2分别倾斜穿过焊枪设置，沿着焊接的直线方向上分别设置第一焊丝8、钨极11、第二焊丝2，第一焊丝8为热丝，第二焊丝2为冷丝，焊丝和钨极11的焊接端位于焊枪本体的出口端的下方，焊丝的焊接端位于钨极的侧下方。

送丝导嘴1分为第一送丝导嘴和第二送丝导嘴，第一送丝导嘴与直流电源连接。

第二焊丝2与钨极的夹角为10°～30°，第二焊丝2的焊接端的端点与钨极焊接端的端点的竖向距离为0.8-3.2mm。

第一焊丝8与钨极的夹角为10°～20°，第一焊丝8的焊接端的端点与钨极焊接端的端点的竖向距离为0.8-3.0mm。

焊枪本体包括内侧的保护气腔6和外侧的循环水腔9，循环水腔9和保护气腔6同轴设置。进一步，循环水腔9设置循环水进口10和循环水出口12。进一步，保护气腔6的内部设置钨极夹7。

如图4所示，母材13位于焊枪的下方，焊枪关键部位是与送丝系统为一体集成设计的焊枪，减小了焊枪体积，焊丝送进部位位于电弧温区最高部分，大大增加了焊丝熔化速度，尤其是第一焊丝8采用一直流电源进行加热，更加快了第一焊丝8的熔化速度，具有熔敷速率高和焊接速度较快的优点；第二焊丝2采用冷丝，可以吸收电弧4的热量，并冷却焊接熔池5，降低对焊接熔池5的热输入，降低焊接变形，同时可以增加焊接熔覆速率，第一焊丝8产生热丝熔滴3，第二焊丝2产生冷丝熔滴14，分别在钨极的两侧向下落。焊枪核心特点是两送丝导嘴与焊枪为一体化集成设计，第一焊丝8以10°～20°通过送丝导嘴送入到钨极端部的下方焊接电弧4最高温度区域，电弧高温区域将利于焊丝迅速熔化，从而获得很高的熔敷率和焊接速度，第二焊丝2以10°～30°通过送丝导嘴送入到钨极端部的下方焊接电弧最高温度区域，进一步提升熔覆率，同时起到冷却焊接熔池的作用。

实施例2

所述TOPTIG冷热丝高效焊接方法的焊接步骤：

S1、调整焊枪位姿，使焊枪钨极与母材角度为80°～90°，且焊枪钨极端部距离母材距离为3.0～12.0mm，第一焊丝在焊接方向前方，第二焊丝在焊接方向后方；

S2、开始送惰性保护气体(氩气、氦气或氩气和氦气的混合气体)，保护气体流量为5.0L/min～20.0L/min，将焊接区与空气隔绝。送气3.0秒后，送循环冷却水，再启动焊接电源，使所述TOPTIG焊枪的钨极和母材之间产生焊接电弧，焊接电流为120A～300A，电弧引燃3.0秒后，第一焊丝由第一送丝机经第一送丝导嘴送出至电弧前方，并调整所述第一焊丝与所述TOPTIG焊枪内钨极成10°～20°角度大小，第一焊丝送进方向处于钨极尖端下方0.8～3.0mm；第一焊丝开始送丝后，焊枪开始沿焊接方向开始运动；第一送丝机的送丝速度可调节；连接第一焊丝的外接直流电源的电流可调，调节范围为50A～200A。

S3、焊枪沿焊接方向运动后，第二焊丝由第二送丝机经第二焊丝导嘴送出至电弧后方，并调整所述第二焊丝与所述TOPTIG焊枪内钨极成10°～30°角度大小，第二焊丝送进方向处于钨极尖端下方0.8～3.2mm；第二送丝机的送丝速度可调节；

S4、焊接结束时，先停止第一送丝机及第二送丝机，再关闭焊接电源熄灭焊接电弧，息弧5.0秒后，停止保护气体的输送。

具体的，第一送丝导嘴和第二送丝导嘴是集成在TOPTIG焊枪内，分别送进第一焊丝8和第二焊丝2，通过送丝导嘴分别控制焊丝送进的方向和角度，送丝导嘴为铜制导嘴，送丝导管为石墨烯送丝导管。

为了保护焊接过程中的加热区，并且保证焊接的稳定进行，以及保证焊接过程中焊缝不会因为进入空气而导致焊缝性能恶化的情况发生，本发明在保护气腔6中充满惰性保护气体，例如充入氩气、氦气或氩氦混合气体等，对此本发明并不进行限制和固定，可根据实际情况进行选择。保护气体流量为5.0L/min～20.0L/min，防止加热区保护不足或保护气体紊流发生。

在具体采用本发明方法进行焊接过程中，若TOPTIG焊焊接速度较快时，同时通过第一送丝机和第二送丝机送入焊丝，并调高第一焊丝的热丝电流，从而有利于焊接速度的提高；焊接厚板时，可以通过调节第一送丝机1和第二送丝机2的送丝速度匹配增加工件焊接过程中的熔敷率，使得焊接完成后具有更佳质量。

本发明的TOPTIG冷热丝焊枪及高效焊接方法，通过由设置的第一焊丝导嘴和第二焊丝导嘴与钨极成指定角度送入焊丝至TOPTIG焊枪的钨极下方位置，通过第一焊丝热丝高效填丝，第二焊丝冷丝冷却电弧和熔池，降低了焊件变形，实现了TOPTIG焊的冷热丝焊枪及高效焊接方法；与现有技术相比，本发明TOPTIG冷热丝焊枪及高效焊接方法接可避免传统TIG焊的焊丝在电弧中加热时间短加热效率不高而无法提升熔覆效率的缺陷，具有良好的焊接稳定性，从而有利于焊接速度的提升，同时在焊接厚大工件时可以增加熔敷率；而且可通过调整第一送丝机和第二送丝机的送丝速度及焊丝材料种类配比来达到梯度功能焊接的效果，具有良好的推广价值。

经实施例2实施，图5为焊缝成形图，可以看到焊缝成型均匀，无夹杂等缺陷。

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)

1.一种钨极氩弧焊的冷热丝焊枪，其特征在于：包括，焊枪本体、钨极、第一送丝导嘴、第一焊丝，第二送丝导嘴、第二焊丝，焊枪本体夹住钨极，钨极竖直设置，送丝导嘴连接焊丝，第一焊丝和第二焊丝分别倾斜穿过焊枪设置，沿着焊接的直线方向上分别设置第一焊丝、钨极、第二焊丝，第一焊丝为热丝，第二焊丝为冷丝，焊丝和钨极的焊接端位于焊枪本体的出口端的下方，焊丝的焊接端位于钨极的侧下方。

2.如权利要求1所述的钨极氩弧焊的冷热丝焊枪，其特征在于：第一焊丝与直流电源相接。

3.如权利要求1所述的钨极氩弧焊的冷热丝焊枪，其特征在于：第二焊丝与钨极的夹角为10°～30°，第二焊丝的焊接端的端点与钨极焊接端的端点的竖向距离为0.8-3.2mm。

4.如权利要求1所述的钨极氩弧焊的冷热丝焊枪，其特征在于：第一焊丝与钨极的夹角为10°～20°，第一焊丝的焊接端的端点与钨极焊接端的端点的竖向距离为0.8-3.0mm。

5.如权利要求1所述的钨极氩弧焊的冷热丝焊枪，其特征在于：焊枪本体包括内侧的保护气腔和外侧的循环水腔，循环水腔和保护气腔同轴设置。

6.利用权利要求1-5任一所述的一种钨极氩弧焊的冷热丝焊枪的焊接方法，其特征在于：所述方法为：

调整焊枪与待焊母材之间的位置；

送入保护气，然后送入循环冷却水，启动电源，第一焊丝开始送丝，焊枪沿着焊接方向开始运动，然后第二焊丝开始送丝，焊接完成后，停止第一焊丝和第二焊丝的送丝。

7.如权利要求6所述的冷热丝焊枪的焊接方法，其特征在于：焊枪的钨极与母材的角度为80-90°。

8.如权利要求6所述的冷热丝焊枪的焊接方法，其特征在于：保护气的气体流量为5.0L/min～20.0L/min。

9.如权利要求6所述的冷热丝焊枪的焊接方法，其特征在于：焊接电流为120-300A，电弧引燃2-4s后，开始输送第一焊丝。

10.如权利要求6所述的冷热丝焊枪的焊接方法，其特征在于：与第一焊丝相接的直流电源的电流为50-200A。

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