[發明專利]一種大熔深大深寬比穿孔等離子弧焊接裝置及焊接方法

有效

• 申請號: 201811534438.2
• 申請日: 2018-12-14
• 公開（公告）號: CN109483031B
• 公開（公告）日: 2020-06-09
• 發明（設計）人: 賈傳寶;于長海;張金衡;李云;武傳松
• 申請（專利權）人: 山東大學
• 主分類號: B23K10/02
• 分類號: B23K10/02
• 代理公司: 濟南金迪知識產權代理有限公司 37219
• 代理人: 王楠

本發明涉及一種大熔深大深寬比穿孔等離子弧焊接裝置及焊接方法，屬于等離子焊技術領域，裝置包括焊槍，焊槍端部包括鎢極，鎢極外側套設有瓷套，瓷套外側套設有水冷銅噴嘴，水冷銅噴嘴外側套設有氣罩，水冷銅噴嘴與氣罩之間通入保護氣；瓷套的外表面設有螺旋導流槽，瓷套與水冷銅噴嘴之間通入離子氣，離子氣經由水冷銅噴嘴內壁和導流槽之間，離子氣由水冷銅噴嘴出口流出，離子氣在水冷銅噴嘴的下腔體部位形成渦流；水冷銅噴嘴的下腔體容積小于上腔體的容積，下腔體的內壁為流線型內壁。離子氣自由行程短，氣流的指向性強，有利于電弧挺度的增加。相比較于現有結構中的渦流形成條件，本發明中渦流受拘束強，可控性好，渦流效果明顯。

技術領域

本發明涉及一種大熔深大深寬比穿孔等離子弧焊接裝置及焊接方法，屬于等離子焊技術領域。

背景技術

目前，工業上常見的大厚度工件的焊接主要是通過先加工坡口(V形、Y形，等)，再采用多層單道或者多層多道的焊接方法填滿坡口，從而實現焊接。但此種方法需要預先開坡口，不但造成材料的浪費，還費時費工，需要消耗大量的人力和物力，降低生產效率。此外，多層焊焊接工藝復雜，容易造成焊接缺陷。

在穿孔等離子弧焊接過程中，其電弧經過機械壓縮、熱壓縮和電磁收縮三種壓縮方式以后，能量密度得到顯著提高，電弧挺度好、穿透能力強，因而穿孔等離子弧焊接技術可以在不加工坡口的情況下實現“單面焊、雙面成形”，能極大簡化整個焊接過程，提高生產效率。但是，現有的穿孔等離子弧焊接技術能夠單次焊透工件的厚度有限(一般小于12mm)，而且深寬比較小(即焊縫寬度較大，背面熔池容易出現下塌)，這就限制了該先進技術在大厚度工件焊接方面的工業應用。

發明內容

針對現有技術的不足，為了解決穿孔等離子弧焊接技術在大厚度工件焊接方面的應用限制，本發明提供一種大熔深大深寬比穿孔等離子弧焊接裝置及焊接方法，主要用于較大厚度(4mm--30mm)工件在不開坡口的情況下，單次焊接，雙面成形，獲得較大深寬比的焊接接頭，可以實現不加工坡口、填絲或不填絲一次焊透大厚度工件。

本發明的技術方案如下：

一種大熔深大深寬比穿孔等離子弧焊接裝置，包括焊槍，焊槍端部包括鎢極，鎢極外側套設有瓷套，瓷套外側套設有水冷銅噴嘴，水冷銅噴嘴外側套設有氣罩，水冷銅噴嘴與氣罩之間通入保護氣；

瓷套的外表面設有螺旋導流槽，瓷套與水冷銅噴嘴之間通入離子氣，經電離后電弧從水冷銅噴嘴末端噴出，離子氣經由水冷銅噴嘴內壁和導流槽之間，離子氣由水冷銅噴嘴出口流出，離子氣在水冷銅噴嘴的下腔體部位形成渦流；水冷銅噴嘴的下腔體容積小于上腔體的容積，下腔體的內壁為流線型內壁。

將噴嘴內壁改為流線型結構，減小因結構突變帶來的氣體運動阻力，避免發生紊流，使得離子氣運動更為順暢，穩定焊接過程。同時，本發明中噴嘴出口的流線型結構還起到逐步壓縮離子氣的作用，從而提高電流密度，增加熔深。

根據本發明優選的，瓷套外表面導流槽為圓弧型凹槽。

進一步優選的，導流槽的圓弧尺寸為R0.5-R5.0，單位毫米；導流槽的個數為3-15個，導流槽的圈數為1-10圈。

進一步優選的，導流槽個數為4個，圈數為3圈，圓弧尺寸為R1.4，單位毫米。

離子氣受到導流槽和噴嘴內壁的約束，直到靠近鎢極尖端才解除瓷套的約束，離子氣自由行程短，其指向性強，有利于電弧挺度的增加。相比較于直吹的氣流，渦流中氣體向中心螺旋匯聚，其中心為低壓區，有利于弧柱穩定于噴嘴孔道中心，既增強了弧柱的穩定性，同時對電弧的壓縮作用更為強烈，得到的等離子弧能量密度更大，挺度更好。

根據本發明優選的，所述的離子氣中通入氦氣。在離子氣中加入氦氣，在相同的焊接電流下，氦氣比氬氣具有更高的電弧電壓，所以加入氦氣能使得電子的運動速度增大，電弧能量得到提高，從而加大熔深。