CN115106628A - 一种适合于铝合金焊接的钨极氩弧焊焊枪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种铝合金焊接的钨极氩弧焊焊枪，包括枪身、电极载体、钨极、聚集气体喷嘴和保护气喷嘴；钨极与电极载体焊接，电极载体与枪身的内筒螺纹连接；聚集气体喷嘴套在电极载体的外侧，聚集气体喷嘴的非喷射端与枪身的中筒螺纹连接，且聚焦气体采用氧气、氦气、氩气的混合气体；保护气体喷嘴通过内螺纹与枪身中筒的外部联接，且套在聚集气体喷嘴的外侧；在电极载体与聚集气体喷嘴之间形成第一空腔，保护气体喷嘴与聚集气体喷嘴之间形成第二空腔，聚集气体流过第一空腔，保护气体流过第二空腔；电极冷却水从电极载体中间空腔的顶端流入，从电极载体中间空腔的底端流出后流入电极载体两侧的外部空腔，从两侧空腔的顶端流出；焊接电源的正极与电极载体连接，焊接电源的负极与工件连接。

Description

一种适合于铝合金焊接的钨极氩弧焊焊枪

技术领域：

本发明涉及一种钨极氩弧焊焊枪的技术领域，尤其涉及一种适合于铝合金焊接的高熔深水冷的钨极氩弧焊焊枪。

背景技术：

在现有技术中，铝合金是工业中应用最广泛的一类有色金属结构材料，在航空、航天、汽车、机械制造、船舶及化学工业中已大量应用。工业经济的飞速发展，对铝合金焊接结构件的需求日益增多，使铝合金的焊接性研究也随之深入。目前，铝合金的焊接工艺主要以GTAW(钨极氩弧焊)和GMAW(熔化极气体保护焊)为主，但两种工艺尚存在以下一些不足之处。

第一，传统的GTAW焊枪的钨极电流承载能力是有限的，其穿透力较低，即便是大型钨极其最大电流负载能力也被限制在80-100A左右，进而导致其焊接效率较低，焊接过程中获得的熔深较浅。

同时在低电流的情况下，在电极尖端会发生强钨丝球化，从而导致钨丝夹杂的危险。如果使用较大的电极直径，电弧稳定性会出现问题。而且如果冷却不充分，钨极尖端将会出现熔化现象。所以传统的GTAW焊枪钨极无法在大电流的参数下进行高质量工作。

第二，GMAW(熔化极气体保护焊)的焊接效率较高，最大承载电流相对较高，钨极相对不易熔化，但因其无法对铝合金表面的固体氧化物进行有效清除，所以在焊接过程中常有气孔生成，导致最终的焊缝质量较低。同时对于6-10mm的中厚板，多采用开坡口的形式进行多道焊接，导致焊接效率较低。所以有必要研究一种新型焊枪结构或者焊接工艺来满足铝合金中厚板焊接条件下高熔深、效率高的要求。

为了有效清除铝合金表面的固体氧化物，钨极可改进为直流反接极性进行焊接，但改进后如果钨极整体结构设置不妥当，很容易造成钨极烧坏现象。因此有必要研究一种新型钨极整体结构，使钨极冷却得当，不易被熔化。

随着研究的进展，在传统GTAW焊的基础上做出了改进，随之演变出了KTIG焊与等离子弧焊焊接工艺。但KTIG焊与等离子弧焊常用于不锈钢、碳钢、镍基合金的中厚板的穿孔性焊接，钨极采用的极性多为直流正接，且无法开展铝合金深熔焊。

发明内容：

本发明本旨在克服上述背景技术中提出的问题，本发明的目的在于提供一种适合于铝合金焊接的高熔深水冷GTAW焊枪，可以增大电流承载能力和熔深程度并增强电弧稳定性，使电弧能量更集中，同时有效清除了铝合金表面的固体氧化物并保证钨极不被熔化。

本发明提供了一种适合于铝合金焊接的钨极氩弧焊焊枪，包括枪身、电极载体、钨极、聚集气体喷嘴和保护气喷嘴；其中，钨极与电极载体焊接，电极载体的顶部与枪身的内筒螺纹连接；

聚集气体喷嘴套设在电极载体的外侧，聚集气体喷嘴的非喷射端与枪身的中筒螺纹连接；

保护气体喷嘴通过内螺纹与枪身中筒的外部联接，且套设在聚集气体喷嘴的外侧；

在电极载体与聚集气体喷嘴之间形成第一空腔，保护气体喷嘴与聚集气体喷嘴之间形成第二空腔，聚集气体流过第一空腔，保护气体流过第二空腔；

电极载体的内部为中空结构，电极冷却水从电极载体的中间空腔的顶端流入，从电极载体的中间空腔的底端流出后流入电极载体两侧的外部空腔，最后从外部空腔的顶端流出；

焊接电源的正极通过导线与电极载体连接，焊接电源的负极通过导线与工件连接。

在某些实施例中，所述钨极的长度大于所述聚焦气体喷嘴的长度，所述聚焦气体喷嘴的喷射端与所述钨极的工作端之间的长度差为3-5mm，保证聚焦气体先于保护气体被电弧接触到。

在某些实施例中，所述聚焦气体为为氧气、氦气和氩气的混合气体；其中氧气比例为0.03％-0.05％、氦气比例为10％-15％，其余为氩气。

在某些实施例中，所述保护气体为氩气。

在某些实施例中，所述钨极工作端的径向直径为6-8mm。

在某些实施例中，所述钨极和所述电极载体之间通过扩散焊或者摩擦焊连接。

在某些实施例中，所述电极冷却的进水从进口流进的冷却水是经过冷却处理，且进水温度控制在20℃以内。

在某些实施例中，所述保护气喷嘴(5)的喷射面为平面或弧形凹槽面。

在某些实施例中，焊枪承载的最大峰值电流可达500A，所述聚焦气体为氧气、氦气和氩气的混合气体，焊接铝合金的单道焊缝的最大穿透深度可达10mm。

与现有技术相比，本发明的主要有益效果在于：

本发明对传统GTAW焊枪进行了优化，在焊枪的内部结构方面做了比较大的创新，钨极尖端的直径增大到6-8mm，同时钨极通过扩散焊或者摩擦焊接方式与电极载体进行连接，相比于传统GTAW焊枪，有效提高焊枪钨极的电流承载能力，同时在焊枪内部设置钨极冷却水循环和聚焦气体喷嘴，增强了熔深程度并使钨极不易被熔化。

在焊接过程中采用直流反接极性进行焊接，有效清除了铝合金表面固体氧化物，同时增大了电流承载能力。

本发明所能达到的最大铝合金焊接厚度可以达到10mm，所承载的最大电流限制于500A。能够在焊接过程中一次性焊透，实现单面焊双面成形。

附图说明：

图1揭示了本发明一实施例中，一种适合于铝合金焊接的钨极氩弧焊焊枪的整体结构图；

图2揭示了本发明一实施例，一种适合于铝合金焊接的钨极氩弧焊焊枪中钨极冷却水流循环图；

图3揭示了本发明一实施例，一种适合于铝合金焊接的钨极氩弧焊焊枪中保护气体的流动示意图；

图4揭示了本发明一实施例，一种适合于铝合金焊接的钨极氩弧焊焊枪中保护气喷嘴的结构示意图。

在图示中，

1 枪身，

2 电极载体，

3 钨极，

4 聚焦气体喷嘴，

5 保护气喷嘴，

6 电极冷却进水口，

7 电极冷却出水口，

8 保护气进气口，

9 保护气出气口，

10 钨极聚焦气进气口，

11 钨极聚焦气出气口，

12 工件，

13 焊接电源。

具体实施方式：

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。虽然本发明的描述将结合较佳实施例一起介绍，但这并不代表此发明的特征仅限于该实施方式。恰恰相反，结合实施方式作发明介绍的目的是为了覆盖基于本发明的权利要求而有可能延伸出的其它选择或改造。为了提供对本发明的深度了解，以下描述中将包含许多具体的细节。本发明也可以不使用这些细节实施。此外，为了避免混乱或模糊本发明的重点，有些具体细节将在描述中被省略。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在本实施例的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“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，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本实施例的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实施例中的具体含义。

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

参考图1并结合图2-图4，实施例提供了一种适合于铝合金焊接的高熔深水冷GTAW焊枪，包括枪身1、电极载体2、钨极3、聚焦气体喷嘴4、保护气喷嘴5。

钨极3通过扩散焊或者摩擦焊接的方式与电极载体2相连，钨极尖端直径为6-8mm，与传统GTAW焊枪相比钨极直径有所扩大，此时刚好满足承载大电流的要求，所承载的最大电流限制于500A。

电极载体2通过螺纹联接与枪身1内筒相联接。

焊接电源13的正极连接焊枪的电极载体2，焊接电源13的负极连接工件12。

聚焦气体喷嘴4直径为9mm，通过尾部外螺纹与枪身1的中筒内部进行联接，将枪身1的内筒和电极载体2包裹在内，且聚焦气体喷嘴4的顶端距离钨极3顶端距离为3-5mm，保证聚焦气体先于保护气被电弧接触到即可。

保护气喷嘴5通过内部螺纹与枪身1的中筒外部进行联接，将电极载体2与聚焦气体喷嘴4包裹在内，其螺纹长度保证钨极尖端超出保护气喷嘴5顶端1-2mm即可。

参考图2并结合图3，包括电极冷却进水口6、电极冷却出水口7、保护气进气口8、保护气出气口9、钨极聚焦气进气口10、钨极聚焦气出气口11、工件12。

水冷系统置于电极载体2的内部，中间为电极冷却进水口6，左、右两侧为电极冷却出水口7，冷却水流经枪体1和电极载体2内部的回水空腔，可带走电弧导入喷嘴的热量。由于冷却作用，不仅保护了电极载体2和钨极3，而且电弧外围被冷却受到热压缩作用，使得能量更集中，电弧力增强。

聚焦气体经聚焦气体进气口8从聚焦气体喷嘴4的尾端进入，从聚焦气体喷嘴4顶端喷出。

对于中厚板，聚焦气体成分在氧气比例为0.03％-0.05％、氦气比例为10％-15％，其余为氩气的情况下最佳。在聚焦气体中加入一定量的活性成分(氧气)可以将钨极尖端电弧的移动减少到最小，从而使热输入更集中，电弧更稳定，进而显著增大熔深并保证电弧稳定。

保护气经保护气进气口8从保护气喷嘴5的尾端进入，从保护气喷嘴5的顶端喷出。

保护气的组成成分可以为纯氩，有效防止固化中的熔融焊缝发生氧化，阻挡杂质和空气中的湿气。

参考图4，图4为所述保护气喷嘴的两种结构，喷射面为平面的适用于平面焊缝(左)，喷射面为弧形凹槽面的为角焊缝(右)的结构。

进一步地，所述钨极采用直流反接极性进行焊接且其尖端直径为6-8mm。与常规的直流正接相比，直流反接极性表面清洁能力较强，但熔深较浅，钨极的电流承载能力较小，钨极较易熔化；直流正接极性表面清洁能力较弱，但熔深较大，钨极的电流承载能力较大，钨极不易熔化。

交流极性表面清洁能力低于直流反接极性，同时钨极电流承载能力低于直流正接极性，熔深程度居于直流正接和直流反接极性之间。

更进一步地，所述聚焦气喷嘴直径为9mm，且其顶端与所述钨极尖端的顶端距离为3-5mm。

更进一步地，所述聚焦气体的成分为氧气、氦气、氩气的混合气体，氧气比例为0.03％-0.05％、氦气比例为10％-15％，其余为氩气。所述保护气体为100％氩气。根据相关论文和研究表明，对于电弧焊来说，在保护气中加入活性气体(氧气，二氧化碳等)可以增加熔深，其中氧气的效果最佳，同时在保护气中加入氦气可以获得较大的焊接速度，但两者含量过高都会对电弧稳定性产生影响。所以为了保证焊枪可以承载较大电流的同时能够具有一定的焊接速度、较大的熔深和电弧稳定性，设置了单独的聚焦气体喷嘴，其聚焦气体成分采用混合气体(氩气+氧气+氦气)方式，其气体比例通过实验数据对比获得，即在0-0.06％氧气比例的范围内，每隔0.01％的氧气比例设置一次焊接实验，通过比对这7次实验的焊缝横截面形状和表面形状，可以看出0.03％-0.05％氧气比例的范围内，熔深较大且表面波动较小，电弧较稳定。

另一方面，为了在大电流的情况下增大焊接速度，需加入一定比例的氦气，但其含量较大时会影响电弧稳定性，含量较少时作用效果却不明显，所以通过类比上述的实验对比方法，最终确定氦气比例在10％-15％之间，作用效果最佳。

更进一步地,在所述电极载体内部中所述电极冷却进水口和所述电极冷却出水口相连形成冷却腔。

更进一步地,所述电极冷却进水口流进的冷却水是经过冷却处理，进水温度控制在20℃以内。

因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求的限制。

Claims (9)

1.一种适合于铝合金焊接的钨极氩弧焊焊枪，其特征在于：包括枪身(1)、电极载体(2)、钨极(3)、聚集气体喷嘴(4)和保护气喷嘴(5)；其中，

钨极(3)与电极载体(2)焊接，电极载体(2)的顶部与枪身(1)的内筒螺纹连接；

聚集气体喷嘴(4)套设在电极载体(2)的外侧，聚集气体喷嘴(4)的非喷射端与枪身(1)的中筒螺纹连接；

保护气体喷嘴(5)通过内螺纹与枪身(1)中筒的外部联接，且套设在聚集气体喷嘴(4)的外侧；

在电极载体(2)与聚集气体喷嘴(4)之间形成第一空腔，保护气体喷嘴(5)与聚集气体喷嘴(4)之间形成第二空腔，聚集气体流过第一空腔，保护气体流过第二空腔；

电极载体(2)的内部为中空结构，电极冷却水从电极载体(2)的中间空腔的顶端流入，从电极载体(2)的中间空腔的底端流出后流入电极载体(2)两侧的外部空腔，最后从外部空腔的顶端流出；

焊接电源(13)的正极通过导线与电极载体(2)连接，焊接电源(13)的负极通过导线与工件(12)连接。

2.根据权利要求1所述的一种适合于铝合金焊接的钨极氩弧焊焊枪，其特征在于：所述钨极(3)的长度大于所述聚焦气体喷嘴(4)的长度，所述聚焦气体喷嘴(4)的喷射端与所述钨极(3)的工作端之间的长度差为3-5mm，保证聚焦气体先于保护气体被电弧接触到。

3.根据权利要求1所述的一种适合于铝合金焊接的钨极氩弧焊焊枪，其特征在于：所述聚焦气体为为氧气、氦气和氩气的混合气体；其中氧气比例为0.03％-0.05％、氦气比例为10％-15％，其余为氩气。

4.根据权利要求1所述的一种适合于铝合金焊接的钨极氩弧焊焊枪，其特征在于：所述保护气体为氩气。

5.根据权利要求1所述的一种适合于铝合金焊接的钨极氩弧焊焊枪，其特征在于：所述钨极(3)工作端的径向直径为6-8mm。

6.根据权利要求1所述的一种适合于铝合金焊接的钨极氩弧焊焊枪，其特征在于：所述钨极(3)和所述电极载体(2)之间通过扩散焊或者摩擦焊连接。

7.根据权利要求1所述的一种适合于铝合金焊接的钨极氩弧焊焊枪，其特征在于：所述电极冷却的进水从进口流进的冷却水是经过冷却处理，且进水温度控制在20℃以内。

8.根据权利要求1所述的一种适合于铝合金焊接的钨极氩弧焊焊枪，其特征在于：所述保护气喷嘴(5)的喷射面为平面或弧形凹槽面。

9.根据权利要求1所述的的一种适合于铝合金焊接的钨极氩弧焊焊枪，其特征在于：焊枪承载的最大峰值电流可达500A，所述聚焦气体为氧气、氦气和氩气的混合气体，焊接铝合金的单道焊缝的最大穿透深度可达10mm。

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