CN1925947A - 等离子辅助的焊接焊炬 - Google Patents

Abstract

一种电弧焊接焊炬，具有在电源和朝向工件穿过接触管移动的焊丝之间电接触的中心导电接触管的壳体，与所述管同心的导电套筒，在所述管和所述套筒之间形成环形腔，固定于所述导电套筒上的第一电介质阻挡套筒，和固定于所述管上的第二电介质套筒，其中，所述电介质套筒互相间隔开，形成了围绕移动焊丝延伸的环形气体通道，以及末端，连接到在所述管和所述导电套筒之间的高频电源，用以产生从所述气体通道发出的电介质阻挡放电等离子。这种焊炬以一种新颖的焊接方法使用，其中围绕着电弧包覆的是等离子。

Description

等离子辅助的焊接焊炬

技术领域

本发明涉及电弧焊接领域，特别是涉及为了提高焊接电弧的质量，具有等离子辅助的电弧焊接焊炬。

引入参考

本发明涉及到电弧焊接焊炬，其中电弧保护气体被引导穿过一个间隙或者通道，这产生了由迫使穿过焊炬的保护气体形成的电介质阻挡放电等离子。低温等离子的电介质阻挡放电的产生在科学社会是公知的。这种观念公开于许多出版物中。为了提供这种电现象的背景信息，此处引入了两篇文章作为参考。这两篇文章是由来自于波兰的工业化学研究所的T.Opalinska所写的“具有电介质阻挡放电的低温等离子反应”和在法国的物理学学报(1997)上的“电介质阻挡放电规律及其应用”。这两篇文章提供了在本发明中使用的电介质放电产生等离子的技术信息。为了产生这样的等离子，必需使气体到达高压，高频信号穿过由电介质障碍物隔开的电极。许多高频电源可以用来产生这种等离子。在此引用公开于Stava的5,117,088上的一种强迫谐振电源作为可以被用来实现本发明的典型电源的参考。

背景技术

电弧焊接焊炬通常包含中心接触管，焊丝由喂入辊驱动朝向工件穿过该接触管。电能经由与放在地上的工件一起串联在电路中的接触管而流向移动的焊丝。在接触管的周围，通常提供一个通道，用来引导例如氩气，二氧化碳或者这两种保护气体的混合气体的保护气体。在电弧焊接过程中，电弧产生于焊丝和工件之间的位置，来自于焊炬的保护气体围绕电弧，且保护焊接过程远离氢气和其它污染物。焊丝可以是固体金属(气体金属电弧焊，GMAW)或者是类似于那些使用在融芯弧焊(FCAW)中的有芯焊丝。在钨极氩弧焊(TIG)焊接中，电极是钨，且不会由使用在固定电极和工件之间的电弧的焊接过程所消耗。填料焊丝指向用于焊接的电弧。此外，保护气体围绕电弧，用以保护堆积于工件上的熔化的金属。电弧的质量受周围保护气体的完整性的影响。本发明涉及到这种一般的焊接工艺的改进，从而焊接电弧被提高，超过仅仅使用保护气体的标准包覆所获得的焊接电弧。

发明内容

电介质阻挡放电等离子被用来提高焊接电弧的质量，超出标准保护气体获得的焊接电弧。在物理学上这是公知的，电介质阻挡放电的特征在于高压，高频信号穿过由电介质边界隔开的两个导电表面。气体例如在电介质边界表面之间的保护气体均匀地被电介质阻挡放电过程离子化。这种离子化的结果就是在大气压中形成了具有与纯粹的保护气体流相对的等离子特性且不用加热的或者“低温”的等离子。本发明就是指使用自由地与电弧焊接焊炬连接的电介质阻挡放电的概念。无线射频电压源被用来施加高压，高频信号穿过在内部的接触顶端或者管和导电的外部环，壳体元件或者部件之间的间隙。顶端和外部部件由焊炬本身的内部，环形电介质边界隔开。保护气体被迫穿过间隙，且被气体移动通过的通道中的由此产生的高频电场离子化。另外，在本发明的优选实施例中使用的无线射频信号可以由具有非常快速的上升和下降的脉冲边界特征的的高压电流的非常高速的脉冲所取代。在这种电源中的脉冲时间优选为小于1.0毫秒。焊炬中的电介质绝缘体或者阻挡物由例如为氧化铝或者氮化硼的陶瓷，例如为硼硅酸盐或者石灰玻璃的玻璃，或者例如为聚四氟乙烯的绝缘聚合体构成。通过使由纤细的焊丝网形成的保护气体通道两侧上的导电表面与固体金属电极相反，可以提高低温等离子放电的均匀性。焊接电源可以是恒定电压，恒定电流，恒定功率或者波形控制类型。多个焊接电流可以是正直流电，负直流电或者交流电。穿过焊炬的消耗的焊丝优选为类似于使用在GMAW焊接中的固体焊丝，或者类似于使用在FCAW焊接中的有芯焊丝。类似地，焊炬可以构成为用于GTAW焊接，此处使用非可消耗电极，例如TIG焊接。从焊炬的保护气体通道放出的等离子是来自于有限的电介质阻挡放电腔的被离子化的气体流，并且是在焊炬中产生的低温等离子放电。用来产生等离子的保护气体可以包括小部分的氩气，氦气，氖气，氙气，氪气，二氧化碳，氢气，氮气，氧化一氮和其它气体。穿过导体形成的焊炬的保护气体通道的高压信号具有产生电介质阻挡放电等离子的所需特征。通常，穿过电介质通道的高压信号的频率在0.5-1000千赫之间。典型的电驱动等离子的电源大约200千赫。使用的电压在2-40千伏的范围内，典型值通常是均方根电压6000。保护气体穿过的用来离子化为等离子的等离子间隙的宽度通常在0.2-3.0厘米的范围内。为了提供围绕电极电弧周围的需要的气流，被迫穿过电介质间隙的气体的压力可以变化。这个压力典型为大约800托，且可以高到大约3500托。为了完成所需的电参数，驱动等离子间隙中的高频电压的电源可以是各种类型。例如，驱动力可以是使用固体电子装置构成的振荡器，例如绝缘栅双极晶体管(IGBT)或者金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。许多公知的装置可以用来产生所需的信号。优选的装置是由感应器和电容器构成的串联谐振槽电路，其被迫谐振，如Stava的5,117,088所述。已经使用的其它电源是频率通常在20-80千赫的范围内的硬开关方波信号电源。产生信号的高频等离子可以使用火花隙装置，例如为高功率三极管的真空管装置，或者例如为旋转放大器或者调速管的微波装置。在较高的频率下，电介质放电变得更加均匀，但是这种驱动装置的费用可能变得非常昂贵。当然，使用MOSFET或者闸流管的快速脉冲电源可以被用来产生适于在根据本发明的焊炬中的电介质阻挡放电的信号。为了有效，脉冲必须具有非常短的持续时间和非常快的上升和下降时间。

使用电介质阻挡放电作为电弧焊接焊炬的保护气体的好处是提高了电弧起弧，提高了电弧稳定性和增加了焊接工件在焊接操作过程中排出污染物和涂层的清洁。通过使用本发明可以获得所有的这些好处。在本发明中使用的特殊电源具有产生必需的电介质等离子的特性，但是特殊的驱动源并不是本发明的一部分。本发明仅仅涉及到独特的，新颖的使用等离子的电弧焊接焊炬，例如由电介质阻挡放电产生的等离子。

根据本发明提供了一种电弧焊接焊炬，包含具有中心导电接触顶端或者管的壳体，用来在电源和通过接触管朝向工件运动的焊丝之间电接触。与接触顶端同心的导电套筒被用来在顶端和外部导电套筒之间形成环形的腔，且具有固定于导电套筒上的第一电介质阻挡套筒，和固定于顶端或者管上的第二电介质套筒。电介质套筒互相间隔开，形成向四周延伸，且平行于焊丝移动方向的环形间隙通道。末端被用来连接在顶端或者管和导电套筒之间的高压，高频电源，目的是产生从间隙通道发出的电介质阻挡放电等离子。电源的频率通常是在500赫兹到2000兆赫的范围内。优选的频率通常是大于18千赫。电源电压优选通常在1-40千伏的范围内。保护气体的间隙宽度通常是在0.2-3.0厘米的范围内。使用的电介质的材料选自于由陶瓷，玻璃和聚合物组成的种类中。优选的是陶瓷。

根据本发明的另一方面，提供了一种电弧焊接的方法，包括提供一个焊接电极，例如焊丝，并且在焊丝和工件之间产生电弧。本发明涉及到使用等离子围绕电弧，其中等离子优选为由电阻挡放电产生。用于放电等离子的气体是流过管口的标准保护气体，且围绕电弧形成焊接操作。

本发明的主要目的是提供一种电弧焊接焊炬，其中保护气体穿过腔，且由电介质阻挡放电现象离子化，从而电弧被保护气体的等离子保护。

本发明还有一个目的是提供一种使用上述焊炬的方法，其中该方法使用周围的保护气体等离子来保护电弧焊接过程中的电弧。

本发明的另一个目的是提供一种上述焊炬和方法，其中焊炬和方法提高了焊接过程中电弧的起弧。

本发明的再一个目的是提供一种上述焊炬和方法，其中焊炬和方法提高了焊接过程中使用的电弧的电弧稳定性。

本发明还有一个目的是提供一种上述的焊炬和方法，其中焊炬和方法清洁了焊接工件，排除了污染物和涂层，提高了焊接过程的质量。

这些及其它目的将在下面的描述及其附图中变得更加明显。

附图说明

图1是根据本发明构成的焊炬的横截面视图，及其优选实施例的接线示意图；以及

图2是主要沿着图1中的线2-2截取的横截面视图。

具体实施方式

现在参照附图，其中视图仅仅是为了显示本发明的优选实施例，而不是为了限制于相同的方式，电弧焊接焊炬T是一种使用于电弧焊接的标准类型的焊炬。根据标准技术，焊丝10被驱动穿过接触顶端或者管12朝向工件WP运动，此处电力在焊丝10和工件WP之间产生电弧A。接触顶点或者圆柱管12被用来与移动焊丝10电接触。焊炬具有外部绝缘壳体20，如虚线所示，它围绕着与顶点或者管12同心且围绕在其四周的圆柱导体或者电极部件22，和优选由陶瓷构成且从壳体20向外延伸的绝缘杯24。导体22是圆柱套筒的形式，与管12形成了环形通道30。通道30包括由陶瓷，玻璃或者聚合物形成的电介质套筒32，34，用以在通道30中形成间隙40。标准保护气体流过这个间隙，如箭头42所示。间隙40具有宽度a，通常在0.2-3.0厘米的范围。当然，焊炬T具有由虚线所示的、用来将套筒或者圆柱导体22安装为与顶端12同心且提供与周围环境电绝缘的标准结构特征。具有输出导线102，104的标准电源100被用来根据电源100的设计操作在焊丝10和工件WP之间产生焊接操作。到目前所述为止，焊炬T实质上与标准的电弧焊接焊炬相同，除了安装于顶端12的外表面和壳体导体22的内表面的附加的两个同心的电介质套筒32，34。为了使高压，高频信号穿过圆柱导体12，22，提供了一个具有输出导线112，114的高频，高压电源110。为了使用导体12，22之间的间隙40中的高压，高频信号，这些导线分别被连接到末端120，122。在图示的焊炬中，导体12具有两个功能。如果需要，一个单独的导体可以被用作间隙40的内部导体。在本发明的一个实施例中，接合电介质套筒32，34的表面是纤细的焊丝网，用来增加间隙40内的等离子放电的均匀性。保护气体42穿过由间隙40形成的通道30。这样，保护气体42是由焊炬放出的，围绕着电弧A的低温等离子。这提高了电弧A的起弧，电弧A的稳定性，且使工件WP操作清洁。电介质和电源的详细描述论述于介绍部分，且在优选实施例的描述中被引入作为参考。不需要复述。

Claims (64)

1.一种电弧焊接焊炬，包含壳体，具有在电源和焊丝之间电接触的中心导电接触管，焊丝在一给定的方向上穿过接触管朝向工件移动；与所述管同心的导电套筒，在所述管和所述套筒之间形成环形腔；固定于所述导电套筒上的第一电介质阻挡套筒，和固定于所述管上的第二电介质套筒，所述电介质套筒互相间隔开，形成了向四周延伸且平行于所述移动焊丝的给定方向的环形气体通道，以及末端，连接到在所述管和所述导电套筒之间的高频电源，用来产生从所述气体通道发出的电介质阻挡放电等离子。

2.根据权利要求1所述的电弧焊接焊炬，其中辅助频率高于500赫兹。

3.根据权利要求1所述的电弧焊接焊炬，其中所述频率高于18千赫。

4.根据权利要求1所述的电弧焊接焊炬，其中所述频率小于2000兆赫。

5.根据权利要求1所述的电弧焊接焊炬包括一种引导保护气体穿过所述气体通道的装置。

6.根据权利要求1所述的电弧焊接焊炬，其中所述高频的均方根电压大于1000伏特。

7.根据权利要求1所述的电弧焊接机，其中所述高频的电压通常在1-40千伏的范围内。

8.根据权利要求2所述的电弧焊接机，其中所述高频的电压通常在1-40千伏范围内。

9.根据权利要求3所述的电弧焊接机，其中所述高频的电压通常在1-40千伏范围内。

10.根据权利要求4所述的电弧焊接机，其中所述高频的电压通常在1-40千伏范围内。

11.根据权利要求5所述的电弧焊接机，其中所述高频的电压通常在1-40千伏范围内。

12.根据权利要求1所述的电弧焊炬，其中所述通道的间隙宽度通常在0.2-3.0厘米的范围内。

13.根据权利要求8所述的电弧焊炬，其中所述通道的间隙宽度通常在0.2-3.0厘米的范围内。

14.根据权利要求7所述的电弧焊炬，其中所述通道的间隙宽度通常在0.2-3.0厘米的范围内。

15.根据权利要求5所述的电弧焊炬，其中所述通道的间隙宽度通常在0.2-3.0厘米的范围内。

16.根据权利要求3所述的电弧焊炬，其中所述通道的间隙宽度通常在0.2-3.0厘米的范围内。

17.根据权利要求2所述的电弧焊炬，其中所述通道的间隙宽度通常在0.2-3.0厘米的范围内。

18.根据权利要求1所述的电弧焊接机，其中所述通道的间隙宽度大约为0.3-0.5厘米。

19.根据权利要求3所述的电弧焊接机，其中所述通道的间隙宽度大约为0.3-0.5厘米。

20.根据权利要求2所述的电弧焊接机，其中所述通道的间隙宽度大约为0.3-0.5厘米。

21.根据权利要求1所述的电弧焊接焊炬，其中所述电介质套筒由选自于包括陶瓷，玻璃和聚合物的种类中的材料构成。

22.根据权利要求1所述的电弧焊接焊炬，其中所述电介质套筒由陶瓷构成。

23.根据权利要求1所述的电弧焊接焊炬，其中至少一个所述电介质套筒是由陶瓷构成。

24.一种电弧焊接焊炬包含：同心的第一和第二电极部件，在所述第一电极部件的外部圆柱部分和所述第二电极部件的内部圆柱部分之间形成环形保护气体通道，以及在所述通道中的至少一个圆柱电介质套筒，当高频电压穿过所述电极部件时，用来在所述通道中产生电介质阻挡放电。

25.根据权利要求24所述的电弧焊接焊炬，其中所述电介质套筒被安装于所述第一电极部件的所述外部圆柱部分。

26.根据权利要求24所述的电弧焊接焊炬，其中所述电介质套筒被安装于所述第二电极部件的所述内部圆柱部分。

27.根据权利要求24所述的电弧焊接焊炬在所述通道中包括两个圆柱电介质套筒。

28.根据权利要求24所述的电弧焊接焊炬，其中所述圆柱电介质套筒被固定于所述第一电极部件的所述外部圆柱部分，且包括固定于所述第二电极部件的所述内部圆柱部分上的第二圆柱电介质套筒。

29.根据权利要求28所述的电弧焊接焊炬，其中至少一个所述电极由焊丝网构成。

30.根据权利要求27所述的电弧焊接焊炬，其中至少一个所述电极由焊丝网构成。

31.根据权利要求24所述的电弧焊接焊炬，其中至少一个所述电极由焊丝网构成。

32.根据权利要求31所述的电弧焊接焊炬，其中所述第一圆柱电极是焊丝移动通过的接触管。

33.根据权利要求29所述的电弧焊接焊炬，其中所述第一圆柱电极是焊丝移动通过的接触管。

34.根据权利要求28所述的电弧焊接焊炬，其中所述第一圆柱电极是焊丝移动通过的接触管。

35.根据权利要求24所述的电弧焊接焊炬，其中所述第一圆柱电极是焊丝移动通过的接触管。

36.根据权利要求35所述的电弧焊接焊炬，其中所述通道具有保护气体的间隙，且所述间隙的宽度通常在0.2-3.0厘米的范围内。

37.根据权利要求34所述的电弧焊接焊炬，其中所述通道具有保护气体的间隙，且所述间隙的宽度通常在0.2-3.0厘米的范围内。

38.根据权利要求33所述的电弧焊接焊炬，其中所述通道具有保护气体的间隙，且所述间隙的宽度通常在0.2-3.0厘米的范围内。

39.根据权利要求32所述的电弧焊接焊炬，其中所述通道具有保护气体的间隙，且所述间隙的宽度通常在0.2-3.0厘米的范围内。

40.根据权利要求31所述的电弧焊接焊炬，其中所述通道具有保护气体的间隙，且所述间隙的宽度通常在0.2-3.0厘米的范围内。

41.根据权利要求28所述的电弧焊接焊炬，其中所述通道具有保护气体的间隙，且所述间隙的宽度通常在0.2-3.0厘米的范围内。

42.根据权利要求24所述的电弧焊接焊炬，其中所述通道具有保护气体的间隙，且所述间隙的宽度通常在0.2-3.0厘米的范围内。

43.根据权利要求35所述的电弧焊接焊炬，其中所述通道具有间隙，且所述间隙的宽度大约为0.3-0.5厘米。

44.根据权利要求34所述的电弧焊接焊炬，其中所述通道具有间隙，且所述间隙的宽度大约为0.3-0.5厘米。

45.根据权利要求33所述的电弧焊接焊炬，其中所述通道具有间隙，且所述间隙的宽度大约为0.3-0.5厘米。

46.根据权利要求32所述的电弧焊接焊炬，其中所述通道具有间隙，且所述间隙的宽度大约为0.3-0.5厘米。

47.根据权利要求31所述的电弧焊接焊炬，其中所述通道具有间隙，且所述间隙的宽度大约为0.3-0.5厘米。

48.根据权利要求28所述的电弧焊接焊炬，其中所述通道具有间隙，且所述间隙的宽度大约为0.3-0.5厘米。

49.根据权利要求24所述的电弧焊接焊炬，其中所述通道具有间隙，且所述间隙的宽度大约为0.3-0.5厘米。

50.根据权利要求49所述的电弧焊接焊炬，其中所述圆柱电介质套筒由选自于由陶瓷，玻璃和聚合物组成的种类中的材料构成。

51.根据权利要求42所述的电弧焊接焊炬，其中所述圆柱电介质套筒由选自于由陶瓷，玻璃和聚合物组成的种类中的材料构成。

52.根据权利要求35所述的电弧焊接焊炬，其中所述圆柱电介质套筒由选自于由陶瓷，玻璃和聚合物组成的种类中的材料构成。

53.根据权利要求31所述的电弧焊接焊炬，其中所述圆柱电介质套筒由选自于由陶瓷，玻璃和聚合物组成的种类中的材料构成。

54.根据权利要求26所述的电弧焊接焊炬，其中所述圆柱电介质套筒由选自于由陶瓷，玻璃和聚合物组成的种类中的材料构成。

55.根据权利要求25所述的电弧焊接焊炬，其中所述圆柱电介质套筒由选自于由陶瓷，玻璃和聚合物组成的种类中的材料构成。

56.根据权利要求24所述的电弧焊接焊炬，其中所述圆柱电介质套筒由选自于由陶瓷，玻璃和聚合物组成的种类中的材料构成。

57.一种电弧焊接的方法，包含：

(a)提供焊接电极；

(b)在所述焊接电极和工件之间产生电弧；以及

(c)用等离子围绕所述电弧。

58.根据权利要求57所述的方法，其中所述等离子由电介质阻挡放电产生。

59.根据权利要求58所述的方法，包括：

(d)提供所述焊接电极作为焊丝；以及

(e)朝向所述工件移动所述焊丝。

60.根据权利要求57所述的方法，包括：

(d)提供所述焊接电极作为焊丝；以及

(e)朝向所述工件移动所述焊丝。

61.根据权利要求60所述的方法，其中所述等离子由电弧保护气体形成。

62.根据权利要求59所述的方法，其中所述等离子由电弧保护气体形成。

63.根据权利要求58所述的方法，其中所述等离子由电弧保护气体形成。

64.根据权利要求57所述的方法，其中所述等离子由电弧保护气体形成。

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