[發明專利]一種復合型壓縮—自由電弧等離子弧焊系統

有效

• 申請號: 201710725880.2
• 申請日: 2017-08-22
• 公開（公告）號: CN107363425B
• 公開（公告）日: 2019-07-19
• 發明（設計）人: 劉祖明;王濤;袁馨;呂一諾;謝筱
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: B23K28/02
• 分類號: B23K28/02
• 代理公司: 天津市北洋有限責任專利代理事務所 12201
• 代理人: 琪琛

本發明屬于焊接技術領域，公開了一種復合型壓縮—自由電弧等離子弧焊系統，槍體中心設置有中心鎢極，槍體下端連接有銅噴嘴，銅噴嘴端部安裝有伸出銅噴嘴且環繞在銅噴嘴壓縮孔周圍的噴嘴鎢極，噴嘴鎢極頂部嵌入并固定于銅噴嘴；中心鎢極通過第一電源與被焊工件連接，用于在中心鎢極和被焊工件之間形成等離子弧；銅噴嘴或槍體通過第二電源與被焊工件連接，用于在噴嘴鎢極和被焊工件之間形成自由電弧。本發明通過分別控制等離子弧和自由電弧的電流密度控制電弧力和焊接熱輸入的大小，實現了PAW焊接的熱力解耦，從而保證穩定高效焊接，增加焊接工藝的可控性，改善焊接穩定性，提高適應性，擴大等離子弧焊的工藝窗口，提高焊接質量。

技術領域

本發明屬于焊接技術領域，具體的說，是涉及一種等離子弧焊系統。

背景技術

等離子弧焊是一種高效優質焊接工藝，具有高質量、低成本、自動化程度高的特點，在焊接領域中占有重要的地位。相比于激光焊和電子束焊，等離子弧焊適應性強，對接頭裝配精度要求低，廣泛應用到管道、汽車、航空航天、海洋裝備等高端制造領域。對等離子弧焊接技術的研究具有重要的經濟效益。

等離子弧焊中產生壓縮電弧的基本形式是：在鎢極尖端與工件之間燃燒的電弧外部加載一個水冷銅噴嘴，讓電弧等離子體通過噴嘴中間的孔道噴出。電弧通過溫度較低的拘束孔道后，受到拘束孔壁的機械壓縮作用，在徑向被拘束而不能擴展；另外，由于水冷噴嘴的冷卻作用，靠近噴嘴內壁流過的氣體被冷卻而不易電離，在弧柱與噴嘴出口處形成一層導電導熱性很差、幾乎中性的冷氣膜，這樣不僅保護了噴嘴，而且電弧外圍被冷卻受到熱壓縮作用；徑向受拘束的電弧，電流通道橫截面縮小，電流密度增加，弧柱電流自身產生的磁場對弧柱中帶電粒子的洛倫茲力顯著增加，從而進一步對電弧產生電磁收縮效應。由于以上三重壓縮效應，拘束電弧的電離度顯著提高，能量更集中，電弧力增強，能夠對中厚板實現穿孔焊接。然而，在這種噴嘴設計中，電弧電流較大時，容易產生雙弧。另外，壓縮電弧的弧壓/電流比值比常規自由電弧要大得多，過大的電弧壓力作用在熔池中，很容易造成焊穿和塌陷等焊接缺陷，使得等離子弧焊的工藝窗口比較窄。因而，迫切需要對等離子弧焊槍進行改良，使之在保證穩定穿孔的前提下，盡量擴大工藝窗口。

VPPAW焊接鋁合金中，高壓縮電弧熱源和電弧壓力破壞了熔池的受力平衡，惡化了熔池穩定性，容易形成燒穿和塌陷。針對這一問題，國內林三寶教授團隊對壓縮噴嘴進行了優化設計，提出了柔性VPPAW工藝。常規水冷噴嘴中，只有中間的壓縮孔，所有等離子體通過中間的壓縮孔噴出，被壓縮的弧柱弧壓非常大。改進的噴嘴中，在中間壓縮孔兩側開了兩個對稱的小孔，一部分等離子氣流通過側孔流出，弱化了中間壓縮孔的壓縮程度，從而減弱了電弧壓力，有利于穩定熔池。針對于噴嘴容易產生雙弧的問題，德國TechnischeUniversiteit Delft大學對中間壓縮孔的氣道進行改進。在常規噴嘴的中心壓縮孔周圍開了多條徑向微細孔，在微細孔內通入一定流速的氬氣，氬氣不僅增加了對中間等離子弧柱的壓縮效果，而且很好地消除了雙弧現象。以上兩種改進，已經對噴嘴的結構進行部分改進，以提高PAW焊接的工藝適用性，但是并沒有實現等離子弧焊接中電弧的熱力解耦。

發明內容

本發明要求解決的是目前PAW焊接電弧作用在熔池中的氣體壓力過大，破壞小孔穩定性的技術問題，提供了一種復合型壓縮—自由電弧等離子弧焊系統，對現有等離子弧焊系統進行改進，增加一路焊接電流在噴嘴鎢極與工件之間形成自由電弧，從而構建壓縮—自由復合電弧，通過分別調節壓縮弧和自由弧的電流達到獨立調節電弧的電弧壓力與熱輸入，實現等離子弧焊接中電弧的熱力解耦。

為了解決上述技術問題，本發明通過以下的技術方案予以實現：

一種復合型壓縮—自由電弧等離子弧焊系統，包括槍體，所述槍體中心設置有中心鎢極，所述槍體下端連接有銅噴嘴，所述銅噴嘴端部安裝有環繞在所述銅噴嘴的壓縮孔周圍的噴嘴鎢極，所述噴嘴鎢極頂部嵌入并固定于所述銅噴嘴；所述中心鎢極通過第一電源與被焊工件連接，用于在所述中心鎢極和被焊工件之間形成等離子電弧；所述銅噴嘴或所述槍體通過第二電源與被焊工件連接，用于在所述噴嘴鎢極和被焊工件之間形成自由電弧。