[發(fā)明專利]高能量密度集束脈沖電弧焊槍

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201210052540.5
• 申請日: 2012-03-02
• 公開（公告）號: CN102554424A
• 公開（公告）日: 2012-07-11
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 宋永倫;范瑞芬
• 申請（專利權(quán)）人: 北京工業(yè)大學(xué)
• 主分類號: B23K9/28
• 分類號: B23K9/28
• 代理公司: 北京思海天達(dá)知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11203
• 代理人: 沈波

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種焊槍，尤其是高能量密度集束脈沖電弧焊槍，屬于電弧焊接設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

電弧是氣體放電的一種形式，以電弧作為焊接熱源在工業(yè)應(yīng)用中已有相當(dāng)長的歷史。從自由電弧出現(xiàn)以來(1885年，俄國的Benardos?Olszewski的碳極電弧)，對電弧結(jié)構(gòu)及特性的尋優(yōu)一直是國內(nèi)外學(xué)術(shù)與工程界專業(yè)人士關(guān)注的熱點。上世紀(jì)四十年代，美國NorthropGrumman公司發(fā)明了鎢極惰性氣體保護(hù)焊及其工藝，提高了電弧的能量和可控性，對金屬材料熔焊的質(zhì)量表現(xiàn)出優(yōu)良的效果。其后，在電弧能量形式及其工藝的發(fā)展中對焊接產(chǎn)生重要影響的曾有以下三種：

(1)上世紀(jì)五十年代出現(xiàn)的等離子電弧至今仍被列為一種高能束熱源，通過水冷壁壓縮通道使電弧能量密度提高到10⁵W/cm²量級，已廣泛應(yīng)用于焊接、切割和熱噴涂。

(2)上世紀(jì)六十年代以來的脈沖電弧從焊接電流輸出模式的變化賦予自由電弧具有新的熱特性和力特性，即：提高了電弧將能量傳遞給焊件的有效性和可控性(包括焊縫熔深增加，冶金組織、熱變形與應(yīng)力的改善等)。

(3)上世紀(jì)七十年代以來空心陰極(hollow?cathode)電弧作為焊接的熱源。流經(jīng)陰極內(nèi)壁的工作氣體電離度增大，在電流為100安的真空或低壓條件下，電子溫度可達(dá)近10電子伏特(eV)，不僅具有相當(dāng)高的電能轉(zhuǎn)換效率，而且獲得了相當(dāng)高的能量密度。在作為熔焊熱源時顯著地提高了對焊件的熔透能力。這一以熱電子流的能量為特征的熱源要求在較低的重粒子數(shù)密度環(huán)境下(即在一定的真空度下)才能加速電子的振蕩并增強碰撞電離的效果，但為進(jìn)一步研發(fā)新模式的高能電弧提供了一個思路。

從電弧等離子體的物理屬性分析，一種能滿足高效、高品質(zhì)焊接需求的高能量密度電弧已難以再依靠增大電功率輸入的方式來實現(xiàn)。本發(fā)明提出一種新的基于電弧形式的電熱轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，是一個有較高的電離度(相對于自由電弧和等離子弧)和較高電能轉(zhuǎn)換效率的結(jié)構(gòu)。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是提出高能量集束脈沖電弧焊槍，是一種非熔化極惰性氣體保護(hù)條件下用于焊接的電弧新結(jié)構(gòu)。

高能量集束脈沖電弧焊槍，包括鎢合金電極5、電極安裝座1、連接體2、水冷噴嘴3；采用兩個或三個鎢合金電極分別沿軸向安裝在同一個電極安裝座上，電極安裝座采用絕緣隔層6使電極成彼此絕緣，電極安裝座沿軸向設(shè)置有進(jìn)氣孔，電極安裝座采用黃銅材料制成，其一端有外螺紋，與連接體一端的內(nèi)螺紋連接固定，連接體2另一端有外螺紋，與水冷噴嘴一端的內(nèi)螺紋連接固定在一起，連接體2采用絕緣材料，水冷噴嘴3采用紫銅材料，連接體2使電極安裝座與水冷噴嘴實現(xiàn)電隔離，水冷噴嘴設(shè)有進(jìn)水管和出水管，采用液體冷卻的方式降溫，鎢合金電極與電極安裝座1采用頂頭螺釘固定，并可上下調(diào)整伸出長度，穿過連接體2的空腔和水冷噴嘴的空腔，電極安裝座一端的鎢合金電極分別與焊接電源連接。

采用兩個鎢合金電極時，兩個電極互為隔離、互為平行，電流以同步或異步方式通過兩個鎢電極在工件之間形成導(dǎo)電通道，將電弧熱能傳輸?shù)焦ぜ?/p>

采用三個鎢合金電極時，三個鎢合金電極互為隔離、互成120°，從電極安裝座到水冷噴嘴呈收縮束狀，分別與三個焊接電源連接，三個焊接電源的另一極與工件連接；電流以同步或異步方式通過三個鎢極在工件之間形成導(dǎo)電通道，將電弧熱能傳輸?shù)焦ぜ?/p>

這兩種結(jié)構(gòu)的焊槍工作原理是相同的：當(dāng)直流或脈沖電流并行流過電弧放電空間時，在電極之間的電弧就產(chǎn)生自磁收縮效應(yīng)，提高了電弧中的電流密度以及電極間氣體放電的電離度，從而獲得高的電子密度和電弧溫度的放電環(huán)境。與此同時，互為接近的電極之間的電場促進(jìn)了保護(hù)氣體的電離。

每一電極分別與焊接電源連接，每一電源的焊接參數(shù)可獨立設(shè)置，在平均電流不變條件下使脈沖時段的峰值電流增大，當(dāng)焊槍以同步的脈沖電流工作時，能獲得較高的瞬時電流密度而使電弧的能量密度提高，有利于電弧的“自磁收縮”效應(yīng)。亦可根據(jù)焊接工藝的需要，通過調(diào)整脈沖電流的相位差，實現(xiàn)異步脈沖工藝效果。所述的每一電極通過的基值電流為5～50A，峰值電流為30～200A，脈沖頻率為10Hz～30KHz。根據(jù)與焊槍配套的弧焊電源類型，本發(fā)明的焊槍能在直流和交流的兩種電流模式下工作。同時，與本發(fā)明的焊槍配套的弧焊電源可以與其他市售脈沖TIG焊接電源配套使用。在焊接工藝性方面，提高了電弧的能量密度，有利于減小焊接接頭熱影響區(qū)，提高焊接生產(chǎn)效率；通過不同的脈沖頻率調(diào)控焊接熔池的結(jié)晶與組織，減少焊縫的冶金缺陷，改善接頭性能。