CN115570243A - 一种适用于小角度狭缝的焊接枪头 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于小角度狭缝的焊接枪头。该焊接枪头的保护套出气口处的内径为9～11mm，外径为12～14mm；所述保护套上靠近保护套出气口的截面处开设有沿周向均布的多个圆孔。本发明在保证焊丝伸出导电嘴长度合格的前提下，通过缩小保护套的空心圆台直径，使得焊接枪头能够更深地伸入到焊缝里；在保护套上设置降噪圆孔，并根据喷流噪声总声功率设计要求优化计算在保护套上打降噪圆孔的尺寸以及位置，继而准确实施打孔，使喷流噪声总声功率准确满足设计要求，减小了保护套出气口处氩气喷流的速度与压力，消除了因喷流混合区瞬时压力变化巨大导致的离散噪声，有效消除焊接过程中的高频噪声。

Description

一种适用于小角度狭缝的焊接枪头

技术领域

本发明属于焊接技术领域，具体涉及一种适用于小角度狭缝的焊接枪头。

背景技术

当焊接进行时，铝丝和被焊接件在高温下熔化，而熔化的铝液体容易被氧化，产生氧化皮等不良物质会降低焊缝质量。在导电嘴与保护套之间流动的高压高速惰性氩气把熔化区周围的空气隔绝，这样不至于物质在熔化、结晶等一系列焊接过程中发生氧化现象。焊接枪头包括保护套和导电嘴，使用时，将焊丝装在导电嘴上并伸出保护套外，正常情况下，现有保护套出气口处的内径约13mm，外径为16mm。焊丝伸出导电嘴的长度在10～15mm之间，导电嘴端面与保护套的端面齐平，氩气在导电嘴与保护套之间高速流出从而隔离氧气。

当焊接件之间组成的焊接缝角度在常规的70-90度之间时，焊枪保护套可完成焊接任务。但是，当焊接件之间组成的焊缝角度小于常规角度时，如当角度小于65度时，为了不让保护套与焊接件接触(接触后会导致焊丝处不能起弧)，常规的做法是把焊枪往外移动一定距离。但是，在这样情况下，为了能使焊丝正常起弧，会使得伸出导电嘴的焊丝长度超过20mm，而焊丝伸出导电嘴过长，会使得焊接过程极不稳定。因为焊丝伸出太长会弯曲，而且弯曲的偏差具有复杂非线性特征，这样的弯曲导致焊丝最外端点的位置会有2至4mm的偏差，会导致焊丝与焊缝之间重复定位产生偏差。而给定指令的焊接枪头机械手及焊接系统，每次到达指定位置的偏差应当不超过0.5mm，当机械手没有配备焊缝检测系统时，它不会因焊丝弯曲让机械手手臂产生跟随动作，这样就会产生焊接点偏移，也就是焊接点不在焊缝中心。焊接点产生偏移时，焊接质量会下降很多，出现偏焊、焊缝断烈、熔深不一等缺陷。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提出一种适用于小角度狭缝的焊接枪头，保证焊丝伸出导电嘴长度合格的前提下，缩小保护套的空心圆台直径，使得焊接枪头能够更深地伸入到焊缝里，并在保护套上设置降噪圆孔，该圆孔尺寸及分布是根据喷流噪声总声功率设计要求来设计的，以消除焊接过程中的高频噪声。

本发明一种适用于小角度狭缝的焊接枪头，包括气体通道、圆孔、导电嘴和保护套；导电嘴与保护套通过连接件固定，且导电嘴侧面与保护套之间设有气体通道；所述保护套出气口处的内径为9～11mm，外径为12～14mm；所述保护套上靠近保护套出气口的截面处开设有沿周向均布的多个圆孔。

优选地，开设圆孔使喷流噪声总声功率降低到满足设计要求的具体过程如下：

喷流噪声总声功率P_T计算如下：

其中，U₁为保护套出气口处的喷流速度，ρ₀为环境空气密度，ρ_s为保护套的空心圆台区域内瞬时空气密度，D₁为保护套出气口处的内径，K_L为实验常数，取3×10^-5，c₀为声速。

设气流经过保护套上圆孔前流量为Q，气流经过保护套上圆孔后流量为Q₁，各圆孔流量之和为Q_n，则有：

Q＝Q₁+Q_n

得：

Q₁＝Q-Q_n＝Q-n*r²*π*U_x (1)

其中，n为圆孔数量，r为圆孔半径；

由于Q已知，根据Q、保护套上各圆孔中心所在截面面积以及导电嘴上与各圆孔中心对齐位置截面面积，求解圆孔处气流速度U_x如下：

其中，保护套距离保护套出气口x处的截面直径D_x＝[(D₂-D₁)·x]/H+D₁，x为各圆孔中心所在截面与保护套出气口的距离，D₂为保护套的圆筒内径，H为保护套的空心圆台的高；导电嘴距离保护套出气口x处的截面直径d_x＝[(d₂-d₁)·x]/h+d₁，h为导电嘴的圆台部的高，d₁为导电嘴与保护套出气口对齐位置截面直径，d₂为导电嘴的圆柱部的直径。

联立式(1)和式(2)，得气流经过保护套上圆孔后的流量Q₁，并结合保护套出气口处截面面积和导电嘴与保护套出气口对齐位置截面面积，求解保护套出气口处的喷流速度U₁如下：

根据已知设计范围的喷流噪声总声功率P_T，求得U₁设计范围后，结合公式(1)、公式(2)、公式(3)、关系式D_x＝[(D₂-D₁)·x]/H+D₁和关系式d_x＝[(d₂-d₁)·x]/h+d₁，通过设置圆孔数n、圆孔半径r和各圆孔中心所在截面与保护套出气口的距离x来使U₁数值满足具体设计范围要求，从而使喷流噪声总声功率P_T满足设计范围要求。

更优选地，对现有焊接枪头模型的喷流噪声总声功率P_T′进行测量，并结合现有焊接枪头模型保护套出气口处的喷流速度U₁′以及现有焊接枪头模型保护套出气口处的内径D₁′，根据P_T与P_T′的比的表达式，计算满足喷流噪声总声功率P_T设计范围时应当达到的保护套出气口处的喷流速度U₁设计范围；喷流噪声总声功率P_T与P_T′的比的表达式如下：

本发明具有的有益效果如下：

本发明在保证焊丝伸出导电嘴长度合格的前提下，通过缩小保护套的空心圆台直径，使得焊接枪头能够更深地伸入到焊缝里。但是在焊接过程中使用只缩小空心圆台直径的保护套会出现“啪啪啪啪”的爆炸声，即高频噪声。随着这种声音的出现，焊缝会出现断裂、气孔、焊渣等不良后果。因此，本发明在缩小保护套的空心圆台直径的基础上，又在保护套上设置降噪圆孔，并根据喷流噪声总声功率设计要求优化计算在保护套上打降噪圆孔的尺寸以及位置，继而准确实施打孔，使喷流噪声总声功率准确满足设计要求，减小了保护套出气口处氩气喷流的速度与压力，消除了因喷流混合区瞬时压力变化巨大导致的离散噪声，有效消除焊接过程中的高频噪声，同时降噪圆孔喷出的氩气与保护套出气口喷出的氩气一起可以更好起到防止焊接处氧化的作用。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明用于焊接小角度狭缝焊接件的示意图。

图3为本发明的尺寸参数示意图。

具体实施方式

下图结合附图及实施例对本发明作进一步说明。

如图1和图2所示，本发明一种适用于小角度狭缝的焊接枪头，包括气体通道1、圆孔3、导电嘴4和保护套5；导电嘴4与保护套5通过连接件固定，且导电嘴4侧面与保护套5之间设有气体通道1，用于流通氩气；保护套5出气口处的内径为9～11mm，外径为12～14mm，内、外径均比现有常用尺寸缩小2mm以上；保护套上靠近保护套出气口的截面处开设有沿周向均布的多个圆孔3；焊丝2装在导电嘴上并伸出保护套外；在保证焊丝2伸出导电嘴的长度在10至15mm之间前提下，通过减小保护套出气口处的内、外径，针对两个焊接件6之间存在小角度狭缝7时，使本发明能更深入狭缝，从而在保证焊丝伸出长度合理前提下能使焊丝正常起弧，完成高质量焊接。

但是，保护套出气口处的内径缩小后，如果没有在保护套5上开圆孔，氩气通过保护套与导电嘴4之间的气体通道1过程中，由于气体通道截面积加剧缩小，氩气被加速喷出，形成高速喷流，出现高频噪声。正因如此，本发明在保护套上靠近保护套出气口的截面处开设沿周向均布的多个圆孔3，进而控制保护套出气口的喷流噪声总声功率，避免生产过程中焊接噪声过大。

如图3所示，下面阐述如何开设圆孔使喷流噪声总声功率准确降低到满足设计要求，从而使焊接噪声满足要求。圆孔的设计参数有：圆孔数n、圆孔直径以及各圆孔中心所在截面与保护套出气口的距离。主要设计思路为：根据所要达到的喷流噪声总声功率P_T，得到应当达到的保护套出气口处的喷流速度U₁，然后根据U₁与导电嘴4的结构参数、保护套5的结构参数和圆孔的设计参数的关系，选定圆孔数n、圆孔直径以及各圆孔中心所在截面与保护套出气口的距离，使保护套出气口处的喷流速度满足设计要求，从而使喷流噪声总声功率P_T满足设计要求，具体过程如下：

喷流噪声总声功率P_T计算如下：

其中，U₁为保护套出气口处的喷流速度，ρ₀为环境空气密度，ρ_s为保护套的空心圆台区域内瞬时空气密度(由于气流经过保护套上圆孔前流量Q、流出各圆孔流量Q_n、气流经过保护套上圆孔后流量Q₁始终不变，ρ_s可以认为是定值)，D₁为保护套出气口处的内径(保护套由一体成型的圆筒和空心圆台组成，设计保护套尺寸时，保持空心圆台的高H和保护套的圆筒内径D₂不变，根据狭缝角度来确定D₁)，K_L为实验常数，这里取3×10^-5，c₀为声速。可见，D₁、c₀、ρ₀、K_L、ρ_s保持不变，总声功率仅与U₁有关，且与U₁为8次方关系，所以本发明主要考虑保护套出气口处的喷流速度对噪声的影响。

气流经过保护套上各圆孔中心所在截面后，部分气体通过圆孔排向大气环境，流量减小，保护套出气口处的喷流速度U₁减小。设气流经过保护套上圆孔前流量为Q，气流经过保护套上圆孔后流量为Q₁，根据质量守恒定律，气流经过保护套上圆孔前流量Q等于流出各圆孔流量Q_n与流出保护套流量Q₁之和，即：

Q＝Q₁+Q_n

则有：

Q₁＝Q-Q_n＝Q-n*r²*π*U_x (1)

其中，n为圆孔数量，r为圆孔半径；

由于Q已知，根据Q、保护套上各圆孔中心所在截面面积以及导电嘴4上与各圆孔中心对齐位置截面面积，求解圆孔处气流速度U_x如下：

其中，如图3所示，保护套距离保护套出气口x处的截面直径D_x＝[(D₂-D₁)·x]/H+D₁，x为各圆孔中心所在截面与保护套出气口的距离，D₂为保护套的圆筒内径，H为保护套的空心圆台的高；导电嘴距离保护套出气口x处的截面直径d_x＝[(d₂-d₁)·x]/h+d₁，h为导电嘴的圆台部(导电嘴由一体成型的圆台部和圆柱部组成)的高，d₁为导电嘴与保护套出气口对齐位置截面直径，d₂为导电嘴的圆柱部的直径。

联立式(1)和式(2)，得气流经过保护套上圆孔后的流量Q₁，并结合保护套出气口处截面面积和导电嘴4与保护套出气口对齐位置截面面积，求解保护套出气口处的喷流速度U₁如下：

可见，若已知设计范围的喷流噪声总声功率P_T，求得U₁设计范围后，便可结合公式(1)、公式(2)、公式(3)、关系式D_x＝[(D₂-D₁)·x]/H+D₁和关系式d_x＝[(d₂-d₁)·x]/h+d₁，通过设置圆孔数n、圆孔半径r和各圆孔中心所在截面与保护套出气口的距离x来使U₁数值满足具体设计范围要求，从而使喷流噪声总声功率P_T满足设计范围要求。因此，本发明实际上建立了喷流噪声总声功率P_T与圆孔数n、圆孔半径r和各圆孔中心所在截面与保护套出气口的距离x的对应关系，从而根据降噪要求可直接通过该对应关系设计圆孔数n、圆孔半径r和各圆孔中心所在截面与保护套出气口的距离x，为生产过程中减小焊接枪头的焊接噪声提供了开设圆孔的方案，并为焊接枪头焊接噪声的准确控制所需开设的圆孔位置与尺寸提供了理论依据。而设计时圆孔数n和圆孔半径r注意取值应当适中，圆孔数n和圆孔半径过大会使保护套出气口处的喷流速度U₁过小，进而起不到氩气防止焊接过程中氧化的作用，圆孔数n和圆孔半径过小则起不到使保护套出气口处的喷流速度U₁降低至设计范围的目的。

作为一个优选实施例，由于保护套的空心圆台区域内瞬时空气密度ρ_s检测较为繁琐，而且检测时往往不能保证很高的精度，因此直接通过U₁与喷流噪声总声功率P_T的关系式计算U₁并不是最好的方式，本发明避开这种方式，对现有焊接枪头模型(可以选用现有任意尺寸的焊接枪头模型)的喷流噪声总声功率P_T′进行测量，并结合现有焊接枪头模型保护套出气口处的喷流速度U₁′(可将公式(3)中Q₁替换为现有焊接枪头模型的保护套出气口处流量计算得到)以及现有焊接枪头模型保护套出气口处的内径D₁′，根据本发明的喷流噪声总声功率P_T与P_T′的比的表达式，计算满足喷流噪声总声功率P_T设计范围时应当达到的保护套出气口处的喷流速度U₁设计范围；喷流噪声总声功率P_T与P_T′的比的表达式如下：

得到保护套出气口处的喷流速度U₁设计范围后，通过设置圆孔数n、圆孔半径r和各圆孔中心所在截面与保护套出气口的距离x来使U₁数值满足具体设计范围要求，便能使喷流噪声总声功率P_T设计范围要求，从而控制焊接噪声，使焊接噪声满足要求。

Claims (3)

1.一种适用于小角度狭缝的焊接枪头，包括气体通道、圆孔、导电嘴和保护套；导电嘴与保护套通过连接件固定，且导电嘴侧面与保护套之间设有气体通道；其特征在于：所述保护套出气口处的内径为9～11mm，外径为12～14mm；所述保护套上靠近保护套出气口的截面处开设有沿周向均布的多个圆孔。

2.根据权利要求1所述一种适用于小角度狭缝的焊接枪头，其特征在于：开设圆孔使喷流噪声总声功率降低到满足设计要求的具体过程如下：

喷流噪声总声功率P_T计算如下：

其中，U₁为保护套出气口处的喷流速度，ρ₀为环境空气密度，ρ_s为保护套的空心圆台区域内瞬时空气密度，D₁为保护套出气口处的内径，K_L为实验常数，取3×10^-5，c₀为声速；

设气流经过保护套上圆孔前流量为Q，气流经过保护套上圆孔后流量为Q₁，各圆孔流量之和为Q_n，则有：

Q＝Q₁+Q_n

得：

Q₁＝Q-Q_n＝Q-n*r²*π*U_x (1)

其中，n为圆孔数量，r为圆孔半径；

由于Q已知，根据Q、保护套上各圆孔中心所在截面面积以及导电嘴上与各圆孔中心对齐位置截面面积，求解圆孔处气流速度U_x如下：

其中，保护套距离保护套出气口x处的截面直径D_x＝[(D₂-D₁)·x]/H+D₁，x为各圆孔中心所在截面与保护套出气口的距离，D₂为保护套的圆筒内径，H为保护套的空心圆台的高；导电嘴距离保护套出气口x处的截面直径d_x＝[(d₂-d₁)·x]/h+d₁，h为导电嘴的圆台部的高，d₁为导电嘴与保护套出气口对齐位置截面直径，d₂为导电嘴的圆柱部的直径；

联立式(1)和式(2)，得气流经过保护套上圆孔后的流量Q₁，并结合保护套出气口处截面面积和导电嘴与保护套出气口对齐位置截面面积，求解保护套出气口处的喷流速度U₁如下：

根据已知设计范围的喷流噪声总声功率P_T，求得U₁设计范围后，结合公式(1)、公式(2)、公式(3)、关系式D_x＝[(D₂-D₁)·x]/H+D₁和关系式d_x＝[(d₂-d₁)·x]/h+d₁，通过设置圆孔数n、圆孔半径r和各圆孔中心所在截面与保护套出气口的距离x来使U₁数值满足具体设计范围要求，从而使喷流噪声总声功率P_T满足设计范围要求。

3.根据权利要求2所述一种适用于小角度狭缝的焊接枪头，其特征在于：对现有焊接枪头模型的喷流噪声总声功率P_T′进行测量，并结合现有焊接枪头模型保护套出气口处的喷流速度U₁′以及现有焊接枪头模型保护套出气口处的内径D₁′，根据P_T与P_T′的比的表达式，计算满足喷流噪声总声功率P_T设计范围时应当达到的保护套出气口处的喷流速度U₁设计范围；喷流噪声总声功率P_T与P_T′的比的表达式如下：

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