一种一体化锁孔效应TIG深熔焊焊枪的制作方法

本实用新型涉及焊接技术领域，尤其涉及一种一体化锁孔效应TIG深熔焊焊枪。

背景技术：

TIG焊（Tungsten Inert Gas arc Welding），又称为惰性气体钨极保护焊，由于其电弧稳定、无焊渣、焊缝平滑美观、焊接品质高以及适用焊接母材范围广等特点，目前在金属焊接领域应用广泛，根据TIG焊电弧的形态不同可划分为普通TIG焊、等离子弧焊和锁孔效应深熔弧焊三种焊接方法。

普通TIG焊设备简单成本低，非常适合于手工焊接，但其电弧为自由电弧，呈45°角的扩散圆锥形态，电弧力在径向呈双面指数分布，能量密度低、焊接熔深较浅（一般<4mm）、金属熔敷率和焊接效率都很低,而且对焊工的手眼配合技术要求高，焊工需要经过长时间大量的练习才能掌握，普通TIG焊的电弧不经压缩也不受控制，普通TIG焊在使用大电流（>300A）进行焊接时，电弧在焊件上的热影响区很大，无法在焊件背面形成稳定的锁孔效应，经常会出现熔池扰动、焊缝空洞、蠕虫状气孔、焊瘤或者穿洞等焊接缺陷。

等离子弧焊的焊枪结构复杂，主要通过焊枪对钨极氩弧进行的多重压缩作用得到等离子弧，其电弧尖细挺直，能量密度、温度及电弧力都很高，焊接热影响区很窄、熔深较大（对不锈钢为8~10mm，对钛合金为12mm）,但由于其电弧尖细，等离子弧焊接对焊件组对的要求很高，准备焊件的成本高、耗时长，焊枪结构复杂导致维护成本较高，需要经常更换喷嘴，受焊枪结构的限制，其最大焊接电流与最大可焊厚度都有限，一般情况下超过600A的焊接电流就会使等离子弧焊出现双弧现象，导致喷嘴或焊枪烧坏，而等离子弧焊焊枪的钨极尖端必须缩在喷嘴内部的结构，对于厚度超过25mm焊件的焊接不具有实用价值，而且等离子弧焊接需要设定和调整的焊接参数较多，对焊接操作人员的技术水平要求较高。

锁孔效应深熔弧焊是在普通TIG焊的基础上通过电源控制系统调制输出的大电流（>300A）所形成的较大电弧压力与熔池液态金属的表面张力实现相对平衡，在焊件背面形成锁孔效应而实现深熔焊接，锁孔效应深熔弧焊的电弧不经物理压缩，依靠大电流电弧自身所产生电磁力使电弧沿径向收缩，因此其电弧的能量密度较高、热影响区适中、熔深大。在本实用新型应用之前的锁孔效应深熔弧焊对板厚10mm的碳钢、13mm的不锈钢以及16mm的钛合金材料，不需开坡口即可实现单面焊双面成型，且焊接过程稳定、焊缝平滑、成型美观，焊缝的微观组织与力学性能均优于其它的TIG焊，锁孔效应深熔弧焊对焊件组对的要求比较宽松，在组对错边和间隙1.5mm+1.5mm以内的焊件都能完成焊接，保证焊接质量。采用锁孔效应深熔弧焊焊接中厚板材料，不开坡口、一次焊接就能全部焊透，从而大大提高焊接效率，显著减少由于焊件加工坡口耗时和对材料的无谓消耗，大大节省焊前准备时间和焊接的工时，并能不用或只用很少的填充焊材，极大地降低焊接成本，是一种新型的高效环保、节能、省焊材、操作简单、低成本的焊接方法，具有很大工业应用价值。

由于锁孔效应深熔弧焊的工作电流很大（>300A），钨极尖端在工作时的温度很高（2200K~3600K）,必须通入冷却水对钨极以及焊枪进行冷却以保证焊枪的正常工作，而且还需要通入惰性气体保护钨极并作为焊接气体促进电弧的燃烧，目前使用的深熔弧焊枪，普遍采用由分立的多个部件按照一定的方式组合而成的结构设计，钨极通过电极头固定到焊枪，焊接电流通过导电杆传入电极头再传到钨极，焊接电流在焊枪内部需要通过多个导体部件才能传递到钨极，必然会增加了导电通路的电阻，在焊枪工作时造成能量损耗，枪体内的冷却水道位于导电杆与枪体外筒之间的塑料轴套上，与钨极间存在一定的距离，对冷却效果也有一定的影响，为保证钨极和焊枪在300A至1000A的焊接电流下稳定工作，需要使用大直径的钨极（>5mm）并加大焊枪内部冷却水道的体量，因此焊枪枪体都做得比较粗大（直径>55mm，长度>200mm），使锁孔效应深熔弧焊接在狭小工况场景以及薄板焊接领域的应用都受到限制。

通过对TIG焊电弧和锁孔效应深熔弧焊电弧的研究，发现以下因素与锁孔效应深熔弧焊接电弧压力的关系：

1.焊接电流是影响电弧压力F的主要因素，其关系式可表示为：F∝I²；

2.钨极尖端角度减小或增大钨极直径，电弧压力增大。例如：尖端夹角从90°降到30°，电弧压力会增大12％。钨极直径从2.4mm增大到6.0mm， 将使电弧压力增大9％；

3.钨极顶端的锥角减小使钨极顶端导电截面半径减小，会导致电流密度增大，电磁收缩力随之增大，而且钨极顶端的锥角可以减小补充气流的阻力，有助于提高电弧阳极的压力峰值，但是钨极顶端锥角越小，钨极尖端电弧上爬的现象越严重，使钨极导电面积增大，平均电流密度又有减少的趋势。

通过进一步的研究发现，钨极的温度升高是导致钨极尖端电弧上爬现象的主要原因，根据尖端放电效应可知，电弧最初产生于钨极尖端，此时导电界面半径很小，电流密度很大，而大的电流密度所产生热效应将使钨极尖端的温度急剧上升，同时钨极尖端部分产生的热量会沿钨极向上传导，从而带动钨极其余部分的温度上升，钨极温度上升会增强钨金属自由电子的能量，进而增强钨极向外发射电子的能力，因此产生钨极尖端电弧上爬扩散的现象。

因此如果能增强钨极的冷却，尽量压制钨极顶端高温区向外扩展，将能够阻止钨极尖端电弧上爬，压缩钨极顶端导电截面半径 ，将有助于提升电弧压力，缩窄电弧热影响区，提高焊接效能。

技术实现要素：

本实用新型实施例所要解决的技术问题在于，提供一种一体化锁孔效应TIG深熔焊焊枪。可实现连续大电流长时间的大熔深锁孔深熔焊。

为了解决上述技术问题，本实用新型实施例提供了一种一体化锁孔效应TIG深熔焊焊枪，包括焊枪本体、钨极、气罩嘴，所述焊枪本体具有轴心设置的通气孔，以及围绕所述通气孔设置的进水孔与出水孔，所述进水孔与出水孔于所述焊枪本体下部交接并形成环形冷却水槽，所述焊枪本体于所述环形冷却水槽的下部的侧端部形成若干径向连通所述通气孔的出气道，所述钨极固定安装于所述焊枪本体下端面上，所述气罩嘴将所述出气道、所述钨极罩设于所述焊枪本体下部上。

进一步地，所述环形冷却水槽内壁具有螺纹状导流槽。

更进一步地，还包括钨极弹夹、弹夹锁紧螺母，所述钨极通过所述钨极弹夹间接面接触安装于所述通气孔的下端内，并配合所述弹夹锁紧螺母将所述钨极弹夹固定安装于所述焊枪本体下端。

更进一步地，所述通气孔下端孔内具有与所述钨极弹夹上部分形状相当的嵌入位，所述弹夹锁紧螺母内壁具有与所述钨极弹夹下部分形状相当的内壁，所述钨极紧密套设于所述钨极弹夹中，且具有伸入所述通气孔内的部分。

更进一步地，所述焊枪本体由整体良导电金属加工而成。

更进一步地，所述焊枪本体外套设有电绝缘保护壳。

进一步地，还包括一体化通水通气焊接电缆接头，其具有通水通气导电连接头、通水通气一体电缆，所述通水通气导电连接头对应所述焊枪本体上端面设置有进水管道、出水管道和通气管道，且在下端面对应形成气密安装于所述进水孔、出水孔、通气孔的进水管嘴、出水管嘴和通气嘴；所述通水通气一体电缆由护套包裹，其内具有进水管、出水管、通气管以及焊接电缆，所述焊接电缆与所述通水通气导电连接头电连接。

更进一步地，所述一体化通水通气焊接电缆接头具有接头锁紧旋钮盖，使通水通气导电连接头可靠安装于所述焊枪本体上端面上。

更进一步地，所述进水管嘴、出水管嘴和通气嘴的颈部均套有密封环。

更进一步地，所述接头锁紧旋钮盖采用金属材质，外层涂有耐磨电绝缘材料，盖内柱面开有内丝螺纹。

实施本实用新型实施例，具有如下有益效果：本实用新型通过一体化的焊枪本体结构设计，缩小了焊枪体量，使用焊枪本体作为传递焊接电流到钨极的电导体，采用钨极弹夹夹持钨极，弹夹锁紧螺母锁紧将钨极弹夹和钨极锁紧到焊枪本体上（或者是一体化钨极头锁紧到焊枪本体上）的结构设计，大幅减少了焊接电流在焊枪内部的传递环节，增强焊枪与钨极之间的导电、导热性能，通过把冷却水通道和环形冷却水槽直接构造在焊枪本体内部，把环形冷却水槽的位置尽可能接近钨极的锁紧位置，并在环形冷却水槽内壁构造螺旋导流水槽，进一步增加导热面积，从而大幅提升焊枪和钨极的冷却效果，通过降低钨极的温度，将钨极顶端的电弧压缩在钨极顶端锥角的尖端位置，从而增大电弧电流密度，提升电弧沿径向的收缩力以及沿轴向的电弧阳极压力，提升了焊接熔深，缩窄了电弧热影响区，进一步提升焊接质量，提高焊枪的稳定性与耐用性，进一步降低焊接成本，提高焊接效率。采用本实用新型进行中厚板焊接，对厚度为11mm的碳钢或合金钢、14mm的不锈钢、18mm的钛或钛合金板材，无需开坡口、直接I型端面组对即可实现单面焊双面成型，采用本实用新型对厚度1mm的不锈钢薄板进行焊接，获得超过5000mm/min的焊接速度，达到了接近激光焊接的效率，由此说明本实用新型可以极大地降低焊接过程对材料与能源的消耗，节约了焊接成本，提高了焊接生产效率，具有巨大的工业应用价值。

实施本实用新型实施例，具有如下有益效果：

（1）能够实现大熔深的锁孔深熔焊；

（2）能够实现锁孔深熔弧焊焊枪小型化；

（3）能够实现连续大电流长时间的焊接；

（4）能够实现高速的金属薄板焊接；

（5）能够实现在多方面节省焊接成本；

（6）具有巨大的工业应用价值。

附图说明

图1是本实用新型焊枪主体部分的结构示意图；

图2是本实用新型焊枪主体部分的头部的剖视结构示意图；

图3是焊枪本体的结构示意图；

图4是一体化通水通气焊接电缆接头的结构示意图；

图5是一体化通水通气焊接电缆接头底部的通水通气导电连接头的结构示意图；

图6是本实用新型的整体剖视结构示意图；

图7是本实用新型另一实施例的钨极的剖视结构示意图。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本实用新型作进一步地详细描述。

参照图1、图2、图3所示的结构示意图。

本实用新型实施例的一种一体化锁孔效应TIG深熔焊焊枪，包括了焊枪本体10、钨极20、钨极弹夹30、弹夹锁紧螺母40、一体化通水通气焊接电缆接头50。

焊枪本体10具有轴心设置的通气孔11，以及围绕通气孔11设置的进水孔12与出水孔13，在本实施例中，通气孔11位于中心轴线上，而进水孔12与出水孔13对称设置于通气孔11两侧。

通气孔11为中空管道，进水孔12与出水孔13于焊枪本体10下部交接并形成环形冷却水槽14，环形冷却水槽14环绕通气孔11的外周，增大了冷却液与焊枪本体10内部的接触面积，形成更佳的冷却效果。

更优的是，环形冷却水槽14内有螺纹状导流槽141，用于导引冷却水流的方向，起到增强冷却效果的作用，在本实施例中，螺纹状导流槽141设置于通气孔11的外周。

本实用新型由此提高了钨极的冷却效果，保持钨极远离尖端部分的低温状态，抑制电子在这一部分的活性，从而抑制了电弧的上爬。

焊枪本体10的于环形冷却水槽14的下部侧端部有多个沿圆周均匀分布的出气道111，出气道111沿径向连通到轴心处，与通气孔11径向连通。

参照2所示的结构示意图。

钨极20通过钨极弹夹30间接面接触安装于通气孔11的下端内，并配合弹夹锁紧螺母40将钨极弹夹30固定安装于焊枪本体10下端。

更为具体的是，通气孔11下端孔内具有与钨极弹夹30上部分形状相当的嵌入位，弹夹锁紧螺母40内壁具有与钨极弹夹30下部分形状相当的内壁，而钨极20紧密套设于钨极弹夹30中，具有伸入通气孔11内的部分。

弹夹锁紧螺母40通过螺纹旋置于焊枪本体10的下端上。

弹夹锁紧螺母40、出气道111通过气罩嘴15罩设于所述焊枪本体下部上。

本实用新型将钨极安装于轴心位置，有利于在气罩嘴内获得对称于轴心各方向均匀的气流，从而获得更为稳定的电弧。

参照图4、图5所示的结构示意图。

一体化通水通气焊接电缆接头50，其具有通水通气导电连接头51、通水通气一体电缆52、接头锁紧旋钮盖53。

通水通气导电连接头51的结构如图5所示，其对应焊枪本体10上端面设置有进水管道511、出水管道512和通气管道513，且在下端面对应形成气密安装于进水孔12、出水孔13、通气孔11的进水管嘴514、出水管嘴515和通气嘴516。

进水管嘴514、出水管嘴515和通气嘴516的颈部均套有密封环，安装于进水孔12、出水孔13、通气孔11上时，达到密封的目的。

通水通气一体电缆52由护套521包裹，其内具有进水管522、出水管523、通气管524、焊接电缆525。

接头锁紧旋钮盖53采用金属材质，外层涂有耐磨电绝缘材料，盖内柱面开有内丝螺纹。

焊枪本体10上端面接头有接头锁紧螺纹，通过接头锁紧旋钮盖53使一体化通水通气焊接电缆接头50整体可靠地安装于焊枪本体10上端面。如图6所示结构示意图。

冷却水流从外部连接的冷水机的出水口通过胶管连接所述一体化通水通气电缆接头50，从进水管嘴514、出水管嘴515进入焊枪本体10的进水孔12、出水孔13，冷却液进入环形冷却水槽14。

保护气体进入通气孔11，对钨极整体进行保护。在通气孔11的下部受钨极弹夹30的阻挡，转经通气孔111流向焊枪本体外，经气罩嘴15阻挡导流作用，向下经气罩嘴15的收缩开口流出焊枪外。

更优提 ，焊枪本体10由整体良导电金属加工而成，通过接头锁紧旋钮盖53的作用下，通水通气导电连接头51与焊枪本体10上端面进行可靠的电连接，并使焊接电缆525与焊枪本体10上端面进行可靠的电连接。

焊枪本体10外套设有电绝缘保护壳。

在焊接时，焊接电流从焊机电源出来，经焊接电缆到所述一体化通水通气焊接电缆接头50，通过接头与焊枪本体10顶部的贴合端面流入焊枪本体，经弹夹锁紧螺母40到钨极弹夹30和从焊枪本体10直接到钨极弹夹30，再由钨极弹夹30流到钨极20，最后通过钨极尖端电弧到被焊工件，经连接到被焊工件的正极焊接电缆回流到焊机电源，构成焊接电流回路。

作为本实用新型的另一实施例，采用的方案中，钨极为一体化结构，并通过内丝螺纹固定旋置于焊枪本体下端面上，如图7所示的结构示意图。

通过一体化结构钨极，增加了钨极与焊枪本体的接触面积，大幅减少了焊接电流在焊枪内部的传递环节，增强焊枪与钨极之间的导电、导热性能，并有利于简化焊枪的结构，方便组装，降低生产成本。

本实用新型在焊接时，一体化通水通气焊接电缆接头50的焊接电缆524连接焊接电源负极，待焊接工件连接焊接电源正极，电流由焊接电缆524依次到达通水通气导电连接头51、焊枪本体10、弹夹锁紧螺母40、钨极弹夹30与钨极20，在钨极20的尖端与工件表面形成电压。焊接开始时，通过高频引弧激发电弧，焊接过程中，通过焊接电源提供电流并进行控制，以维持焊接电弧和产生锁孔效应，使得本实用新型所述的一体化锁孔效应TIG深熔焊焊枪通过的最大焊接电流可达1000A以上 ，能一次焊透3~18mm厚度的碳钢、不锈钢、钛及其合金、锆及其合金等金属板材，是一种能实现锁孔效应焊接的新型焊枪，其形成的锁孔是“自然”形成的，因为其电弧是不经过压缩，主要靠大电流形成的电弧力与液体金属自身重力、表面张力平衡形成的。该锁孔是高度集中的能量和压力所形成的，熔池中液体金属流围绕着“锁孔”流动而不会导致金属流失。“锁孔”的存在使得焊接熔深能大大地增加，是焊接厚板、特殊金属的理想方法。

本实用新型一体化锁孔效应TIG深熔焊焊枪是通过在熔池底部可能形成孔洞的地方有意地增大电弧压力，在这些点上，电弧的底部穿破了工件的下表面，当热输入足够熔透工件时就能形成“锁孔”，电弧等离子体从工件下表面泻出，因此采用本实用新型的锁孔效应TIG深熔弧焊的焊接方法，在采用相同的焊接工艺参数的情况，比传统焊接方法的焊接熔深要大得多，焊件的热输入量要小得多。

焊接时焊件背面锁孔是保持开放，电弧等离子体穿过工件，因此锁孔TIG是单道焊完成的。由于电弧等离子体是由工件背面排出的，因此焊接很少出现熔池扰动和气孔。与大电流普通TIG焊相比，大电流TIG经常出现熔池扰动、焊缝空洞、蠕虫状气孔等缺陷，主要原因是熔池熔深不足，导致电弧等离子体无法穿透焊件，电弧等离子体受焊件阻挡而在熔池内部反射，因此传统的焊接方法只有通过降低焊接电流，进一步牺牲熔深和焊接效率的方式才可消除这些缺陷。

以上所揭露的仅为本实用新型一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本实用新型之权利范围，因此依本实用新型权利要求所作的等同变化，仍属本实用新型所涵盖的范围。