CN201645008U - 一种双层气流结构的钨极惰性气体保护焊枪 - Google Patents
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Abstract
本实用新型属于焊接技术领域，具体为一种双层气流结构的钨极惰性气体保护焊枪，它适用于TIG焊接过程，解决现有普通TIG焊接熔深较浅和混合气体保护下钨极易氧化烧损的问题。该焊枪的枪体内安装有气体分流器，所述气体分流器中开设内层气体通道，所述枪体外层开设外层气体通道。该焊枪的双层气流结构特点为：将传统单一气体通道的TIG焊枪改造设计为双层气体通道，内层气体为纯惰性气体，保护电极，外层为惰性气体和活性气体的混合气体，向熔池过渡活性组元，改变熔池传热对流模式，增加熔池深度。本实用新型可使TIG焊熔池深度较普通弧焊深度增加2～3倍，同时避免了钨极氧化烧损，提高焊接效率。
Description
技术领域
本实用新型属于焊接技术领域，具体为一种双层气流结构的钨极惰性气体保护焊枪，它是提高TIG焊熔池深度和防止电极氧化的新型焊枪。
背景技术
钨极惰性气体保护焊(TIG)具有焊接过程稳定，保护效果好的优点，已得到广泛应用，特别适用于不锈钢、钛合金和有色金属的焊接。它存在的不足是钨极载流有限，熔池深度(熔深)浅，通常熔池深度和宽度之比(深宽比)仅为0.2左右，单道可焊厚度只有3mm左右。即便加大焊接规范(大电流、低速度)，熔池宽度的增加也远大于熔池深度的增加，不能解决TIG焊的浅熔深问题。这对于增大焊板厚度，提高焊接效率不利。大型铸锻件国产化是我国重机行业急需解决的重要任务，几十吨乃至上百吨重的大型铸锻件不能因为常见铸锻缺陷而报废，高效率焊接技术的研究对于提高大型铸锻件的焊补修复效率和成品率具有重要意义。
为解决TIG焊的浅熔深问题，20世纪60年代苏联巴顿焊接研究所首先研究了活性剂(Active Flux)焊接技术(A-TIG)，即在试板表面涂覆活性剂后进行焊接，以增加熔深。
活性剂焊接能使TIG焊接熔池深宽比提高一倍，但是焊前涂覆活性剂为焊接增加了一道工序，焊后焊缝表面容易堆集熔渣，增加了清理工作。此外，熔池形貌对活性剂涂覆量较为敏感，而在不同场合下精确控制活性剂涂覆量是较困难的。这对于A-TIG的工业化是个障碍，需要改变活性元素的加入方式。有研究工作提出向Ar基保护气体中添加微量活性气体O2，来替代涂覆活性剂，可以使焊缝深宽比由0.2提高到0.5以上。在He基中添加微量活性气体O2，使得熔池的深宽比达到了1.0以上。向惰性气体中加入微量活性气体的混合气体联合保护焊工艺，有效的避免了活性剂焊接工艺对活性剂涂覆量的敏感性和焊缝表面清渣工序，但在不锈钢零部件焊接及大型铸件补焊过程中，发现电极存在氧化现象。
从实际应用看，活性剂焊接熔池的形貌对活性剂涂覆量比较敏感，Ar-O2、He-O2混合保护焊工艺容易导致电极氧化，解决活性剂焊接熔池形貌的稳定性，改善TIG焊接过程钨电极的保护效果，进一步提高熔池深宽比是扩大TIG焊工业应用范围和提高焊接效率的关键。
实用新型内容
本实用新型的目的在于提供一种双层气流结构的钨极惰性气体保护焊枪，解决现有普通TIG焊接熔深较浅和混合气体保护下钨极易氧化烧损的问题。
本实用新型的技术方案是：
一种双层气流结构的钨极惰性气体保护焊枪，该焊枪的枪体内安装有气体分流器，所述气体分流器中开设内层气体通道，所述枪体外层开设外层气体通道。
所述枪体一侧依次安装水冷喷嘴和保护冒，保护冒和水冷喷嘴构成环形封闭通道，该通道与外层气体通道的一端连通，外层气体通道的另一端连接外层气体管；所述枪体另一侧依次安装钨极夹和电极冒，钨极穿过钨极夹、气体分流器，伸至枪体外。
所述水冷喷嘴的内径大于钨极的直径，钨极自由伸出水冷喷嘴。
所述水冷喷嘴和枪体构成封闭空间，外层气体通道内侧开设有循环水通道，循环水通道一端与水冷喷嘴相连接，循环水通道另一端分别连接进水管和回水管。
所述内层气体通道连接内层气体管。
本实用新型的有益效果是：
1、本实用新型提出的双层气流结构的钨极惰性气体保护焊枪，将原单一保护气体通道改为双层保护气体通道，即内层为纯惰性气体(Ar，He等)，外层为含惰性气体和微量活性气体(O2，CO2等)的混合气体，来替代普通单通道TIG焊枪，焊枪可以在TIG焊机上直接应用。
2、本实用新型通过内层纯Ar(或He)气体产生电弧，保护电极，防止钨电极氧化烧损，通过外层Ar-O2混合气体(或Ar-CO2、He-O2、He-CO2混合气体)实现焊接过程中活性组元向液态熔池的溶解过渡，调整熔池中的氧含量，改变液态熔池传热对流模式，促进阳极斑点热向熔池底部传输，获取大深宽比熔池。
3、本实用新型内外双层气体流量和成分可单独调节，外层气体中活性气体可调节液态熔池中活性组元含量和熔池形貌。
4、本实用新型中活性组元含量的调节可以改变熔池传热对流模式，增加熔深。 钨电极可自由伸出水冷喷嘴，水冷喷嘴不作为电极。试板和钨极为电极，可直接用于普通TIG电机。
5、本实用新型可使TIG焊熔池深度较普通弧焊深度增加2～3倍，同时避免了钨极氧化烧损，提高焊接效率。
附图说明
图1为普通TIG焊枪和双层气流结构的钨极惰性气体保护焊枪气体通道示意图。其中，(a)图为普通TIG焊；(b)图为本实用新型焊枪。
图2为本实用新型双层气流保护TIG焊枪分解结构示意图。其中，1保护冒；2水冷喷嘴；3气体分流器；4枪体；5钨极夹；6钨极；7电极冒；8外层气体管；9内层气体管；10回水管；11进水管；12内层气体通道；13循环水通道；14外层气体通道。
具体实施方式
如图1所示，普通单通道TIG焊枪采用纯惰性气体Ar(He)，或者采用Ar+O2(He+O2)等的混合气体，作为保护气流，在不锈钢零部件焊接及大型铸件补焊过程中，发现电极存在氧化现象，采用本实用新型焊枪来替代普通单通道TIG焊枪，可有效避免电极发生氧化这一现象，并且有效增加熔池深度，提高焊接效率。本实用新型提出的双层气流结构的钨极惰性气体保护焊枪，即内层为纯惰性气体(Ar或He等)，保护钨极避免氧化烧损；外层为含惰性气体和微量活性气体(O2或CO2等)的混合气体，向熔池过渡活性组元，调节液态熔池中活性组元含量和熔池形貌。
双层气流保护TIG焊枪的结构见图2，双层气流保护TIG焊枪主要包括：保护冒1、水冷喷嘴2、气体分流器3、枪体4、钨极夹5、钨极6、电极冒7、外层气体管8、内层气体管9、回水管10、进水管11、内层气体通道12、循环水通道13、外层气体通道14等，具体结构如下：
所述枪体4内安装有气体分流器3，气体分流器3中开设内层气体通道12，枪体4的外层开设外层气体通道14。枪体4一侧依次安装水冷喷嘴2和保护冒1，保护冒1和水冷喷嘴2构成的环形封闭通道，该通道与所述外层气体通道14的一端连通，外层气体通道14的另一端连接外层气体管8。枪体4另一侧依次安装钨极夹5和电极冒7，钨极6穿过钨极夹5、气体分流器3，伸至枪体4外。所述水冷喷嘴2的内径大于钨极6的直径，钨极6可以自由伸出水冷喷嘴2。所述水冷 喷嘴2和枪体4构成封闭空间，外层气体通道14内侧开设有循环水通道13，循环水通道13一端与水冷喷嘴2和枪体4构成的封闭空间相通，循环水通道13另一端分别连接进水管11和回水管10。水由进水管11进入，流经循环水通道13，流出回水管10；气体分流器3伸至水冷喷嘴2内，内层气体管9与气体分流器3上的内层气体通道12相通，内层气体经内层气体管9进入，流经气体分流器3上的内层气体通道12，从水冷喷嘴2内流出，作为内层保护气；外层气体由外层气体管8流入，外层气体经由保护冒1和水冷喷嘴2构成的环形通道流出，作为外层保护气体。
本实用新型中，双层气流保护TIG焊枪与等离子焊枪相比，在结构上有如下区别：
1、如图2所示，双层气流保护TIG焊枪电极可自由伸出水冷喷嘴，双层气流保护TIG焊枪水冷喷嘴内孔直径为5毫米，电极可自由伸出，实现电极伸出长度的调节。
2、双层气流保护TIG焊枪的水冷喷嘴不接阳极导线，可直接应用到普通TIG焊接电源。等离子焊枪中，水冷喷嘴所用材料为黄铜，连接回水管中的阳极导线，起到引弧作用，使钨极(阴极)和水冷喷嘴(阳极)产生电弧。双层气流保护TIG焊枪中，水冷喷嘴作为内外层气体隔离层，不接电，不作为引弧极，电弧直接在钨极与试板间产生。
焊接实例
表1为双层气流保护TIG焊枪的焊接效果与普通TIG焊枪焊接效果对比，其焊接参数为：焊接电流160A，焊接速度2mm/s，钨极与母材之间距离3mm，钨极伸出喷嘴3mm，母材为马氏体不锈钢。
由表1可以看出，利用双层气流TIG焊接时，熔池深宽比可达0.75以上(编号3和编号4)，是普通TIG焊接(编号1)时熔池深宽比的2.7倍，是保护气中添加活性元素的TIG焊接(编号2)时熔池深宽比的1.3倍。当内层气体为纯氦气，流量5L/min，外层为氦气和氧气混合气体(氧气体积占5％)，流量20L/min，钨极氧化程度明显减轻，如编号3；当内层气体为纯氦气，流量10L/min，外层气体为氦气和氧气混合气体(氧气体积占5％)，流量10L/min，可完全避免钨极氧化烧损，如编号4。
表1：双层气流保护TIG焊枪和普通TIG焊枪焊接效果比较
| 编号 | 保护气体 | 深宽比 | 焊缝氧 含量/ppm |
| 比较例1 | 纯He： 10L/min | 0.28 | 49 |
| 比较例2 | He-5％O2： 10L/min | 0.6 | 760 |
| 实施例1 | 内层气体：纯He，5L/min 外层气体：He-5％O2，20L/min | 0.75 | 260 |
| 实施例2 | 内层气体：纯He，10L/min 外层气体：He-5％O2，10L/min | 0.78 | 96 |
由表1看出，传统TIG焊的焊缝氧含量为49ppm(编号1)，在保护气中添加了活性气体氧气之后(编号2)，焊缝氧含量提高到760ppm，熔池深宽比随之增大，但造成了钨极的氧化烧损。在双层气流保护TIG焊接中，通过调整内外层气体参数，可使焊缝氧含量提高到260ppm(编号3)和96ppm(编号4)，有效增加熔池深宽比，同时避免钨极氧化烧损。
焊缝形貌与熔池中的热运动和热传导模式有关。对于TIG焊来说，熔池内的对流形式主要有电磁力引起的电磁对流，熔体表面张力引起的Marangoni对流，电弧力以及浮力导致的对流运动。无论是采用直流正接还是直流反接，电磁力、电弧力以及浮力引起的对流方向是不变的，而Marangoni对流方向取决于熔体的表面张力温度梯度(dσ/dT)的符号。O、S是活性组元，在一定温度下，当其含量越过临界值时，液态金属的表面张力温度系数符号将由负变正。对于焊接熔池来说，熔池表面存在温度梯度，熔池中心部位的温度较高。当表面张力温度梯度系数为正时，熔池中心高温区的表面张力高于熔池周边区的表面张力，形成内向Marangoni对流，有利于阳极斑点热向熔池底部传输，形成窄深形焊缝，提高焊接效率。
Claims (5)
1.一种双层气流结构的钨极惰性气体保护焊枪，其特征在于，该焊枪的枪体内安装有气体分流器，所述气体分流器中开设内层气体通道，所述枪体外层开设外层气体通道。
2.按照权利要求1所述的双层气流结构的钨极惰性气体保护焊枪，其特征在于，所述枪体一侧依次安装水冷喷嘴和保护冒，保护冒和水冷喷嘴构成环形封闭通道，该通道与外层气体通道的一端连通，外层气体通道的另一端连接外层气体管；所述枪体另一侧依次安装钨极夹和电极冒，钨极穿过钨极夹、气体分流器，伸至枪体外。
3.按照权利要求2所述的双层气流结构的钨极惰性气体保护焊枪，其特征在于，所述水冷喷嘴的内径大于钨极的直径，钨极自由伸出水冷喷嘴。
4.按照权利要求2所述的双层气流结构的钨极惰性气体保护焊枪，其特征在于，所述水冷喷嘴和枪体构成封闭空间，外层气体通道内侧开设有循环水通道，循环水通道一端与水冷喷嘴相连接，循环水通道另一端分别连接进水管和回水管。
5.按照权利要求1所述的双层气流结构的钨极惰性气体保护焊枪，其特征在于，所述内层气体通道连接内层气体管。
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