一种基于水冷永磁铁的磁控K‑TIG焊枪的制作方法

本发明属于一种K-TIG焊枪技术领域，具体的说，是涉及一种增加可调磁场收缩电弧柱的磁控K-TIG焊枪。

背景技术：

TIG焊能够实现高品质焊接，然而现有TIG焊电弧能量密度较低，限制了其焊接效率。基于传统TIG焊枪，通过阴极收缩效应配合较大的焊接电流，得到一种新型穿孔焊接工艺方法，称为CF-TIG焊或K-TIG焊；其原理在于：TIG焊接工艺中，焊接电弧建立在钨极(阴极)与工件熔池(阳极)之间，电弧与阴极之间的粘附形态主要决定于阴极的热电子发射行为，而阴极的热电子发射主要发生在温度高于3000K的钨极尖端表面。为了拘束电弧，通过带走钨极的热量，压缩钨极尖端的高温区面积，从而将电子发射区域压缩到钨极尖端的极小部位，电弧根部的面积缩小，电磁收缩力增加，弧柱沿径向上压缩，作用在熔池表面的电弧压力增加，能量密度增加。这样，电弧力能够克服熔池液面的表面张力，压迫熔池表面在工件厚度方向上产生深熔小孔；如果焊接电流足够大，工件被完全熔透，能够形成贯穿工件的小孔。K-TIG焊可对中厚板在不开坡口的前提下单道次焊接实现“单面焊接，双面成形”，在3～12mm厚度的黑色及有色金属焊接领域具备广泛的应用前景。虽然能量密度很高的激光焊、电子束焊和等离子弧焊具有更强的穿透能力，K-TIG焊作为一种使用自由电弧的焊接工艺，在设备造价、运行维护费用、设备操作复杂程度以及焊枪行走灵活性等方面具有明显的优势。

目前，经过大量的工艺应用实验发现：K-TIG焊接工艺适合于焊接低热导率的金属材料，随着材料热导率增加，小孔的稳定性降低。在焊接中厚板时，电弧收缩程度不够，不利于形成稳定的穿透小孔，得到合格焊缝的工艺窗口较小。主要原因在于，目前K-TIG焊接采用自由电弧为热源，自由电弧的形态决定于电极形态、电极间隙和电流值。一方面，经过阴极水冷后，电弧的能量密度提升有限。另一方面，水冷阴极对电弧的收缩效应只是在较短的弧长范围内存在，焊接过程中电弧的微小波动会影响小孔的稳定性。因而，有必要改善电弧形态稳定性。总而言之，如何进一步改进K-TIG焊接工艺，有效地调控焊接电弧形态，保证小孔的稳定性，是稳定K-TIG焊接过程，保证得到质量合格焊缝的关键。

外加磁场压缩电弧技术是一种改善电弧焊过程稳定性的常用方法，即通过改变电弧的形态，控制电弧的特性来提高焊接工艺的适应性。焊接中常用的磁场有三种：

(1)外加横向磁场，即外加磁场的磁力线垂直通过电弧轴线；

(2)外加纵向同轴磁场，即外加磁场的磁力线方向与电弧轴线方向平行；

(3)外加环形磁场，它可使电弧弧柱的形状变为椭圆形，使弧柱能量密度和电弧电场强度提高。

外加横向交变磁场控制小电流(<10A)电弧，可以显著地影响电弧形态及电弧能量密度，低频交流磁场使电弧摆动，而高频交流磁场可以使电弧收缩；随外加磁场强度的增加，这种收缩效应逐渐加剧。但是，大电流电弧的挺度很大，该控制方法难以达到满意效果。外加纵向磁场主要用来促使电弧旋转，改变弧柱等离子流和电流密度的径向分布，影响母材的加热、熔化和焊缝成形。外加环形磁场能够沿电弧周长对电弧产生作用力，常被用来改变电弧的压缩形态，从而较显著地改变电弧的热-力特性。国外的学者对环形磁场约束电弧进行了很多研究。Yamaguchi利用铁磁性材料围绕喷嘴设计了外部同轴环形磁场，避免了磁致双弧。日本大阪大学的Hirata课题组将尖头磁场加载在等离子弧柱上方，弧柱被压缩变形成能量密度更高的椭圆柱状，验证了能够对拘束电弧进行磁致收缩。Arata等人测试了磁压缩等离子电弧的基本特性后发现：经过尖头磁场压缩后，等离子弧柱横截面由圆形变为椭圆形，电场强度增加，电流密度增加，将焊接速度提高了50％，得到外观质量良好的焊缝。Nomura研究了磁头分布对TIG电弧形态的影响，认为改变磁场形态能够调整磁控电弧的形态，得到更大深宽比的焊缝。在国内，太原理工大学的赵彭生等人在焊接和切割领域对磁场压缩等离子弧进行了大量的工艺应用实验发现：等离子弧经双尖角磁场再压缩后，电弧截面压扁，能量场及压力场向长径密集，电位梯度、最大电流密度及滞点压力均有不同程度的增加，产生“双弧”的临界电流也有所提高；外磁场的引入使得焊接工艺性能及焊缝成形可以通过磁场强度和电弧方位进行大幅度的调节，从而提高等离子弧焊接的工艺适应性，扩大了它的应用范围，同时可以一定程度上抑制双弧的产生，提高焊缝成形的稳定性，提高焊接效率，对于中板的焊接能获得良好的工艺窗口。国外的学者对环形磁场约束电弧进也行了很多研究。

上述研究中使用电磁铁形成磁场，通过改变励磁电流改变小孔形状。但电磁铁装置较为繁杂、占用空间较大并且需要独立的电源，不利于方便地安拆以适应灵活的焊接任务。

技术实现要素：

本发明要解决的是K-TIG焊枪焊接低热导率的金属材料时，随着材料热导率增加，小孔稳定性降低，同时在焊接中厚板时，电弧收缩程度不够，不利于形成稳定穿透小孔，得到合格焊缝工艺窗口较小的技术问题，提供一种基于水冷永磁铁的磁控K-TIG焊枪，使用永磁铁代替电磁铁构造环形磁场压缩K-TIG焊接电弧，能够增加电弧的拘束效应和穿透能力；同时设置水冷装置包绕永磁铁，以达到及时冷却、减少退磁的目的，从而提高所得磁场稳定性，更好地拘束控制电弧。

为了解决上述技术问题，本发明通过以下的技术方案予以实现：

一种基于水冷永磁铁的磁控K-TIG焊枪，包括焊枪枪头，所述焊枪枪头上固定有容置体和连接于所述容置体上部的盖体，所述盖体和所述容置体之间形成封闭空间；

所述盖体中心开设有上下贯通的配合连接孔，所述配合连接孔两边对称地设置有两个上下贯通于所述盖体的通水接口；所述盖体底部沿周圈设置有密封凸台；

所述容置体中心设置有上凸的配合连接管，所述配合连接管由下向上穿过所述盖体的配合连接孔并与所述配合连接孔过渡配合，以使所述盖体扣合于所述容置体；所述配合连接管的内孔为定位孔，用于使所述焊枪枪头从中穿过并将所述容置体定位于所述焊枪枪头；所述配合连接管设置有径向均布的固定孔，所述固定孔内拧入螺栓以将所述容置体固定于所述焊枪枪头；所述容置体上部沿周圈设置有密封卡槽，所述密封卡槽与所述盖体的密封凸台相匹配，且所述述密封卡槽与所述密封凸台之间填充有防水密封剂以使所述盖体与所述容置体周边形成密封连接；所述容置体设置有位于所述配合连接管外周的通水腔室，所述通水腔室与所述盖体的所述通水接口连通；所述容置体在所述通水腔室底部径向均布地设置有四个磁铁固定槽，每个所述磁铁固定槽内设置有永磁铁，所述永磁铁表面及其与所述磁铁固定槽的缝隙内均涂满用于隔离冷却水的防水密封剂；四个所述磁铁固定槽内放置的永磁铁形成N极与N极相对、S极与S极相对的分布。

所述容置体内设置的永磁铁的上表面与所述焊枪枪头的钨极尖端齐平。

所述防水密封剂为302胶或574胶。

本发明的有益效果是：

本发明的基于水冷永磁铁的磁控K-TIG焊枪，在焊枪枪头处径向均布永磁铁形成环形磁场，进而对等离子弧产生拘束作用，能够极大地压缩等离子弧的横截面积，增大等离子弧的能量密度，从而增加电弧的穿透能力，使焊枪具有更好的穿透性，提高焊接过程的稳定性、增加焊接速度，显著提高焊接效率，节省焊接制造成本；尤其是在使用水冷钨极压缩阴极区域的同时，增加磁场收缩电弧柱，可以显著改善K-TIG焊接的电弧特性；

本发明的基于水冷永磁铁的磁控K-TIG焊枪，设置水冷装置包绕永磁铁，以达到及时冷却、减少退磁的目的，避免贴近环绕电弧的永磁铁由于高温而导致退磁，从而提高所得磁场稳定性，更好地拘束控制电弧，使得本装置可以适用于大工作电流形成的高温工作环境，能更为稳定地压缩等离子弧。

本发明的基于水冷永磁铁的磁控K-TIG焊枪中，作为活动部分的盖体和容置体可以方便地根据实际需求从焊枪上安拆或更换，采用体积较小不需要独立电源的永磁铁可以使得装置小型化，在保证外加磁场的前提下，使焊枪结构更加紧凑，极大地简化了装置。

附图说明

图1是本发明所提供的磁控K-TIG焊枪的主视图；

图2是本发明所提供的磁控K-TIG焊枪的仰视图；

图3是盖体的立体结构示意图；

图4是盖体的仰视图；

图5是盖体的主视图(半剖)；

图6是腔体的立体结构示意图；

图7是腔体的俯视图；

图8是腔体的剖面图。

图中：1：盖体；101.密封凸台；102.配合连接孔；103.通水接口；

2：容置体；201.磁铁固定槽；202.通水腔室；203.配合连接管；204.定位孔；205.密封卡槽；206.固定孔；

3：焊枪。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的内容、特点及效果，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：

如图1和图2所示，本实施例提供了一种基于水冷永磁铁的磁控K-TIG焊枪，主要包括盖体1和连接在盖体1下部的容置体2，盖体1和容置体2构成一封闭空间并固定在焊枪1枪头处，该封闭空间内设置径向均布的永磁铁，并在永磁铁周围设置水冷装置，这样在利用多磁极构造尖头磁场，增加电弧的拘束效应和穿透能力的前提下，达到及时冷却永磁铁，减少退磁情况的目的，从而提高所得磁场稳定性，更好地拘束控制电弧。

如图3至图5所示，盖体1的主体形状为圆形平板结构，盖体1中心开设有一上下贯通的圆形配合连接孔102，用于与容置体2中心部分形成配合。配合连接孔102两边对称地设置有两个上下贯通于盖体1的通水接口103，通水接口103顶部向上伸出于盖体1外表面，以连接外部水冷装置。盖体1底部外周设置有一环形的密封凸台101，用于与容置体2周边部分形成配合。

如图6至图8所示，容置体2的主体形状为圆柱形空腔结构，容置体2中心设置有上凸的配合连接管203。配合连接管203与盖体1的配合连接孔102同心设置且配合连接管203的外壁与盖体1的配合连接孔102过渡配合，配合连接管203由下到上地从配合连接孔102穿过直至盖体1扣合连接在容置体2上部。配合连接管203的内壁形成定位孔204，该定位孔204用于穿过焊枪1枪头并使容置体2在焊枪1枪头的适当位置定位，定位原则为避免盖体1和容置体2连接后高度过低或过高以致接触工件或拘束电弧效果不明显，其中以使容置体2内设置的永磁铁上表面与焊枪1钨极尖端齐平为佳。配合连接管203中段径向均布有固定孔206，该固定孔206用于拧入螺栓而将容置体2固定于焊枪1，同时盖体1由于配合连接孔102与配合连接管203的穿套连接也一并固定。容置体2的外壁与配合连接管203之间的环形空间为通水腔室202，通水腔室202与盖体1的通水接口103连通；焊接时盖体1的两个通水接口103分别作为进出水口连接外部冷却水，冷却水由通水接口103进入和流出通水腔室202形成冷却水循环，以对永磁铁进行持续地冷却。容置体2在通水腔室202底部径向均布有四个磁铁固定槽201，磁铁固定槽201的槽口平面在通水腔室202底面上，每个磁铁固定槽201内设置有永磁铁，永磁铁表面以及其周围与磁铁固定槽201的缝隙内均涂满防水密封剂，以隔离冷却水。防水密封剂采用常见的固化型密封剂，可选用302胶(改性丙烯酸酯胶)或574胶(厌氧型密封胶)。容置体2外周设置有一圈密封卡槽205，该密封卡槽205与盖体1底部的密封凸台101相匹配，两者相互配合以使盖体1和容置体2周边紧密连接，密封凸台101与密封卡槽205之间也涂满上述防水密封剂，避免冷却水外溢。四个磁铁固定槽201内放置的永磁铁4应按照N极与N极相对、S极与S极相对的原则分布，即相对磁铁固定槽201中永磁铁磁极相同，相邻磁铁固定槽201中永磁铁磁极相反。

使用本发明的磁控K-TIG焊枪，能够通过永磁铁构造的环形磁场对电弧进行约束，提高电弧穿透力，获得更佳的工艺窗口；水冷设计保证了高温工作环境对永磁铁的磁性影响降低，稳定磁场从而提高电弧稳定性，进一步提高焊接的工作效率。在使用过程中，冷却液流量应随焊接电流提高而增大，从而保证冷却效果和磁场稳定。

尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以作出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。