CN100457355C - 一种电弧螺柱焊焊枪降温装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电弧螺柱焊焊枪降温装置，其特征在于，包括激磁线圈电源和连接在该电源与焊枪之间的控制电路；所述控制电路用以降低输出电流，产生阶梯波直流电流；控制电路主要包括时间信号控制单元和用以改变电流的电子元器件。该装置根据焊枪提升焊钉和维持其高度不变所需要的电磁吸引力的差异，把恒定的激磁电流改为阶梯形电流，减小激磁电流产生的热量，从而破解了焊枪温升过高的难题。该降温装置结构简单、制造方便、成本低、节能环保。

Description

一种电弧螺柱焊焊枪降温装置

技术领域

本发明涉及电弧螺柱焊枪的技术领域，具体涉及一种焊枪的降温装置。

背景技术

焊枪在螺柱焊接过程中出现的问题主要是温升过高。焊枪是夹持焊钉(螺柱)，并将其焊接在工件上的手持工具，是电弧螺柱焊机的重要组成部分。焊枪内装电磁铁，用以提升焊钉，电磁铁的激磁线圈用直流电源单独供电，所需要的电压(50-80v)、电流(3-6A)等参数，由焊***构和焊钉的大小决定。焊枪是按已设定的程序进行工作：提升焊钉、引燃电弧、电磁铁释放、将焊钉压入熔池。一般连续使用1小时后，其表面温度可达到80～100℃。焊枪由于密封防尘，散热条件差，所以降温一直是焊枪设计、制造面临的重要技术难题。焊枪温升过高可引起以下问题：

1、容易引起烫伤，对操作者的安全构成威胁；

2、激磁线圈变形或烧毁，焊枪芯轴卡住不动，损坏焊枪；

3、线圈电阻增加，导致激磁电流减小，使焊枪的提升力大幅度较低，以至于提不起焊钉，这在大直径或超长焊钉焊接时尤其明显。

在现有技术中，还没有查到电弧螺柱焊焊枪降温装置的有关资料，其他焊接方法使用的焊枪、焊钳和焊炬的降温装置倒有一些，如采用水冷降温，此种降温方式不但耗费能源，而且使用不方便，不利于提高生产力；还有的把熔化极气体保护焊焊枪内部制成螺旋管，在枪管的管腔内壁设置有螺旋通气槽，让焊接保护气体均匀地通过枪管，达到散热效果，提高焊枪的寿命，但是该设置要过多地安装相关部件，成本较高，使用范围也相当有限。以上这些方法都不适用于电弧螺柱焊焊枪，因为这种焊枪内部装有电磁铁，激磁线圈要产生热量。

通过技术分析得出，引起焊枪温度过高的主要热源有：激磁线圈产生的热量、焊接时的热辐射和飞溅、焊钉夹头和焊接电缆的热传导等，其中最主要的热源来自激磁线圈产生的热量，按I²R公式可计算出激磁线圈的功率，再乘以通电时间，则是其消耗的能量，并可折算成热能，焦耳。因此，要想降低焊枪的温升，可以从激磁电流入手，找出减小其能量消耗的办法，才能降低焊枪的温升，但该技术资料在国内外还未曾看到相关的文献公开发表。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是如何提供一种电弧螺柱焊焊枪降温装置，该装置能解决上述问题，根据焊枪提升焊钉和维持其高度不变所需要的电磁吸引力的差异，把恒定的激磁电流改为阶梯形电流，从而破解了焊枪温升过高的难题，同时也解决了焊枪散热条件差等固有缺陷。该降温装置结构简单、制造方便、成本低、节能环保。

本发明所提出的技术问题是这样解决的：提供一种电弧螺柱焊焊枪降温装置，其特征在于，包括激磁线圈电源和连接在该电源与焊枪之间的控制电路；所述控制电路用以降低输出电流，产生阶梯波直流电流；所述控制电路主要包括时间信号控制单元和用以改变电流的电子元器件。

按照本发明所提供的电弧螺柱焊焊枪降温装置，其特征在于，所述电子元器件可以是固态继电器、普通继电器、限流电阻、晶闸管、开关功率器件IGBT或MOSFET中的一种或几种。

按照本发明所提供的电弧螺柱焊焊枪降温装置，其特征在于，控制电路包括限流电阻和继电器，所述限流电阻和继电器并联，所述继电器与时间信号控制单元的时间信号控制端连接，所述时间信号控制单元已预先设有时间控制信号。

按照本发明所提供的电弧螺柱焊焊枪降温装置，其特征在于，制电路包括两个继电器和时间信号控制单元；激磁线圈电源包括降压变压器和整流桥；在所述降压变压器的次级增加一个抽头，其中抽头电压为次级额定电压的2/5，所述抽头连接其中一个继电器，降压变压器的高电压输出端与另一个继电器的一端相连，两个继电器的另一端相连，并连接到整流桥，两个继电器分别连接一个时间信号控制单元的信号控制端，降压变压器的另一输出端连接整流桥，电路的正负输出端与焊枪连接。

按照本发明所提供的电弧螺柱焊焊枪降温装置，其特征在于，控制电路包括两个继电器和时间信号控制单元；激磁线圈电源包括降压变压器和两个整流桥，在所述降压变压器的次级增加一个抽头，其中抽头电压为次级额定电压的2/5，所述抽头和降压变压器的两个输出端分别连接到两个串联的整流桥，一个继电器的一端与两个整流桥的公共端连接，另一继电器的一端与两个串联的整流桥的正极连接；两个继电器的另一端相连，作为正极输出；两个继电器分别连接一个时间信号控制单元的信号控制端，电路的正负输出端与焊枪连接。

按照本发明所提供的电弧螺柱焊焊枪降温装置，其特征在于，所述激磁线圈电源为两个直流电源，所述控制电路包括两个继电器和时间信号控制单元，所述两个直流电源串联，在处于高电压的那一个电源的正负两端分别连接一个继电器，两个继电器的另一端相连作为输出端，两个继电器分别连接一个时间信号控制单元的信号控制端，电路的正负输出端与焊枪连接。

按照本发明所提供的电弧螺柱焊焊枪降温装置，其特征在于，控制电路包括晶闸管和时间信号控制单元，激磁线圈电源包括降压变压器和整流器；降压变压器的输出端经整流器的可控整流后连接焊枪；所述时间信号控制单元的信号控制端连接所述整流器中的晶闸管，整流器可以是全控桥或半控桥，通过晶闸管的可控整流，提供可改变大小的激磁电流。

按照本发明所提供的电弧螺柱焊焊枪降温装置，其特征在于，控制电路包含开关电源的功率器件和时间信号控制单元，时间信号控制单元的信号控制端与开关电源的功率器件相连接，所述开关电源的功率器件可以是IGBT或者MOSFET，逆变器可以采用全控桥或者半控桥电路，通过调节脉宽或频率来改变激磁电流的大小。

本发明的电弧螺柱焊焊枪降温装置的基本理论为电磁场，直流电磁铁吸引力的计算公式：

F＝4B²S×10⁴                    (1)

∵B＝μH＝μIN/L

∴ $F=4{\mathrm{\μ}}^2{\left(\frac{\mathrm{IN}}{L}\right)}^{2}S\×{10}^4---\left(2\right)$

式中F：电磁铁的吸引力(kg)

    B：磁感应强度(wb/m²)

S：磁路的截面积(m²)

H：磁场强度(A/m)

μ：材料的导磁率(H/m)

I：激磁电流(A)

N：激磁线圈的匝数

L：磁路的平均长度(m)

从公式(2)可知，在铁芯材料和尺寸形状一定的情况下，电磁铁的吸引力与线圈的安匝数(IN)的平方成正比，与磁路的平均长度(L)的平方成反比。所以电流越大，安匝数也大，电磁铁的吸引力也大，焊枪的温升自然也高，显然，提高吸引力与降低线圈温升是相互矛盾的，但必须保持焊枪有足够的提升力，以克服焊钉和芯轴的重力、压缩弹簧和压弯焊接电缆的力、芯轴运动所产生的摩擦力等，才能灵活地提升焊钉，顺利地进行焊接。所以激磁电流不能减小，必须保持额定值。

焊枪开始提升焊钉时，所需要的提升力最大，而此时电磁铁的吸引力却最小，因为此时的磁路最长(动、静铁芯之间的间隙可达10mm)，磁阻最大；焊钉一旦提升到位，其磁路最短(动、静铁芯之间的间隙≤1mm)，磁阻最小，电磁铁的吸引力达到最大值，但此时所需要的提升力却最小，只要维持各个力之间的平衡，焊钉不掉落即可。过大的电磁吸引力是多余的，显然是浪费。若此时减小激磁电流，降低电磁吸引力，既能保持焊枪的基本功能，又能减小线圈所消耗的能量，自然就能降低焊枪的温升，焊枪的提升力与温升之间的矛盾就迎刃而解，这就是电弧螺柱焊焊枪降温装置的基本原理。根据焊枪提升焊钉和维持其高度不变所需要的电磁吸引力的差异，把恒定的激磁电流改为阶梯形电流，从而破解了焊枪温升过高的难题。

综上所述，本发明所提供的电弧螺柱焊焊枪降温装置，主要从激磁电流入手，找出了减小焊枪能量消耗的新办法，克服了通常借助外设机构降温的技术偏见，在节能和提高焊枪的可靠性及保护焊工的安全等方面取得了显著的效果。

附图说明

图1是本发明所提供的电弧螺柱焊焊枪降温装置安装前、后的激磁电流的波形图；

图2是本发明所提供的电弧螺柱焊焊枪降温装置的第一实施例的电原理图；

图3是本发明所提供的电弧螺柱焊焊枪降温装置的第二实施例的电原理图；

图4是本发明所提供的电弧螺柱焊焊枪降温装置的第三实施例的电原理图；

图5是本发明所提供的电弧螺柱焊焊枪降温装置的第四实施例的电原理图；

图6是本发明所提供的电弧螺柱焊焊枪降温装置的第五实施例的电原理图；

图7是本发明所提供的电弧螺柱焊焊枪降温装置的第六实施例的电原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明所提供的电弧螺柱焊焊枪降温装置作详细描述。

图1是本发明所提供的电弧螺柱焊焊枪降温装置的激磁电流的波形图，图1a是没有安装焊枪降温装置的恒定激磁电流，图1b是安装有焊枪降温装置的阶梯形激磁电流。其中，I_s、额定激磁电流，I_w、维持电流，t_s、提升时间，t、焊接时间。其中I_s是保证焊枪达到额定提升力所需要的激磁电流。对于普通的焊枪，I_s在焊接的整个过程中始终保持不变；而装有降温装置的焊枪，当焊钉提升到位后，I_s就降为维持电流I_w，直至焊接结束。I_w仅为原I_s的40％左右。由于提升时间t_s很短，约50～80ms，而焊接时间较长，约2～3s.因此，可以认为激磁电流基本上就是I_w，这样，把激磁线圈的能量消耗降到最低，从而大幅度减少了焊枪的温升。

举一实例说明降温装置的效果：

II型焊枪I_s＝4A，I_w＝1.6A，t_s＝50ms，t＝2.5s

不加降温装置时，线圈所消耗的能量：

$Q_1=I_s^2\mathrm{Rt}=40R$

加降温装置后，线圈所消耗的能量：

$Q_2=I_s^2{\mathrm{Rt}}_s+I_w^{2}R(t-t_s)=0.8R+6.27R=7.07R$

Q₂÷Q₁＝7.07R÷40R＝0.18

式中R为激磁线圈的电阻。

这就是说，焊枪装上了降温装置后，其激磁电流所产生的热量仅为普通焊枪的18％。显然，这样少的热量将使焊枪的温度大幅度降低，而且连续焊接时间越长，其效果也越明显，这样就从根本上解决了焊枪温升过高的难题。通过试验也证实了上述计算结果，焊枪装与不装降温装置的温升对比试验见下表：

降温装置的原理比较简单，制造也不复杂，并且能装在任何结构的焊枪上，其降温效果又特别明显。毫无疑问，降温装置确实是焊枪制造技术的重大创新。原则上，凡是能达到焊枪额定提升力所需要的激磁电流，又能产生阶梯波电流的直流电源，都可作为焊枪的降温装置，最常用的有以下几种类型：

1、JR型降温装置

图2是本发明所提供的电弧螺柱焊焊枪降温装置的第一实施例的电原理图，其中，R：限流电阻 $R=\frac{U}{I_w},$ K：固态继电器或普通继电器的触头或晶闸管，S：时间控制信号单元的控制信号端。该电路的工作原理为：继电器K和限流电阻并联，并与时间信号控制单元的信号控制端S连接，所述时间信号控制单元已预先设有时间控制信号，一般t_s为50～80ms，即焊枪从开始提升到提升结束所持续的时间。焊枪开始提升时，控制信号使继电器K的触头闭合，R被短路，通过的激磁电流为I_s，持续t_s之后，K的触头断开，电流通过R，电流由I_s降为I_w，直至焊接结束。此降温装置最简单，适用于已制造及销售的电弧螺柱焊设备加装降温装置，此方案具有省事、方便等优点。

2、JT型降温装置

图3是本发明所提供的电弧螺柱焊焊枪降温装置的第二实施例的电原理图，图4是本发明所提供的电弧螺柱焊焊枪降温装置的第三实施例的电原理图。其中，T、降压变压器，U_～、变压器次级电压，U_1～、变压器次级抽头电压，U_1～＝2/5U_～，K₁和K₂，固态继电器或普通继电器触头或晶闸管，S₁、S₂：时间信号控制单元的两个信号控制端，VC₁、VC₂、V_C为整流桥。第二实施例的激磁线圈电源由中间抽头的降压变压器T和整流桥V_C组成，控制电路包括两个继电器K₁、K₂和时间信号控制单元的两个时间信号控制端S₁和S₂。整流桥V_C的正负输出端与焊枪连接。当焊接开始时，K₁触头闭合，K₂触头断开，直流电源提供激磁电流I_s，持续t_s后，K₁触头断开，K₂触头闭合，激磁电流降为I_w，直至t时结束。

第三实施例的工作原理与第二实施例的工作原理相同，只是电路结构稍有不同：增加一个整流桥，并将两个继电器K₁和K₂移至整流桥的输出端。当焊接开始时，K₁触头闭合，K₂触头断开，直流电源提供激磁电流I_s，持续t_s后，K₁触头断开，K₂触头闭合，激磁电流降为I_w，直至t时结束。

此两种降温装置也很简单，适用于正在生产的电弧螺柱焊设备，而不必对电路和机械结构进行大的改动。

3、JD型降温装置

图5是本发明所提供的电弧螺柱焊焊枪降温装置的第四实施例的电原理图，直流电源1、2：开关电源或普通的直流电源，K₁、K₂：固态继电器或普通继电器触头或晶闸管，S₁、S₂：时间信号控制单元的两个信号控制端。该电路的工作原理如下：此降温装置是由两台直流电源叠加而成，直流电源1的输出电压应大于直流电源2的输出电压，以保证I_w＝0.4I_s条件。焊接开始时，K₁触头闭合，K₂触头断开，两台串联电源能提供激磁电流I_s。持续t_s后，K₁触头断开，K₂触头闭合，电流由I_s降为I_w，直至焊接结束。

此降温装置适用于新设计或改型的电弧螺柱焊设备，而又有已经成熟的符合要求的直流电源或开关电源，使电磁铁激磁线圈电源的体积和重量大大减小。

4、JS型降温装置

图6是本发明所提供的电弧螺柱焊焊枪降温装置的第五实施例的电原理图，T：降压变压器，V_C：晶闸管可控整流器(全控桥或半控桥)，S：时间信号控制单元的时间信号控制端。降压变压器输出端与可控整流器V_C相连，V_C的正负输出端连接焊枪。时间信号控制单元的信号控制端S连接V_C中的晶闸管，可控整流器可以是全控桥或半控桥。开始时该装置提供激磁电流I_s，持续t_s后，减小晶闸管的导通角，使电流降为I_w，直至焊接结束。此降温装置适用于新设计的电弧螺柱焊设备，当采用微机控制时，调节、控制非常方便。

5、JK型降温装置

图7是本发明所提供的电弧螺柱焊焊枪降温装置的第六实施例的电原理图，该控制电路包含开关电源和时间信号控制单元，时间信号控制单元的信号控制端与开关电源相连接，开关电源的功率器件可以是IGBT或者MOSFET，逆变器可以采用全控桥或者半控桥电路，通过调节脉宽或频率来改变激磁电流的大小。此降温装置适用于新设计的电弧螺柱焊设备，当采用微机控制时，凸显本方案反应速度块、控制精确、调节方便、体积小、重量轻等优点。

Claims (8)

1、一种电弧螺柱焊焊枪降温装置，其特征在于，包括激磁线圈电源和连接在该电源与焊枪之间的控制电路；所述控制电路用以降低输出电流，产生阶梯波直流电流；所述控制电路主要包括时间信号控制单元和用以改变电流的电子元器件。

2、根据权利要求1所述的电弧螺柱焊焊枪降温装置，其特征在于，所述电子元器件是固态继电器、普通继电器、限流电阻、晶闸管、开关功率器件IGBT和MOSFET中的一种或几种。

3、根据权利要求1或2所述的电弧螺柱焊焊枪降温装置，其特征在于，控制电路包括限流电阻和继电器，所述限流电阻和继电器并联，所述继电器与时间信号控制单元的时间信号控制端连接，所述时间信号控制单元已预先设有时间控制信号。

4、根据权利要求1或2所述的电弧螺柱焊焊枪降温装置，其特征在于，控制电路包括两个继电器和时间信号控制单元；激磁线圈电源包括降压变压器和整流桥；在所述降压变压器的次级增加一个抽头，其中抽头电压为次级额定电压的2/5，所述抽头连接其中一个继电器，降压变压器的高电压输出端与另一个继电器的一端相连，两个继电器的另一端相连，并连接到整流桥，两个继电器分别连接一个时间信号控制单元的信号控制端，降压变压器的另一输出端连接整流桥，电路的正负输出端与焊枪连接。

5、根据权利要求1或2所述的电弧螺柱焊焊枪降温装置，其特征在于，控制电路包括两个继电器和时间信号控制单元；激磁线圈电源包括降压变压器和两个整流桥，在所述降压变压器的次级增加一个抽头，其中抽头电压为次级额定电压的2/5，所述抽头和降压变压器的两个输出端分别连接到两个串联的整流桥，一个继电器的一端与两个整流桥的公共端连接，另一继电器的一端与两个串联的整流桥的正极连接；两个继电器的另一端相连，作为正极输出；两个继电器分别连接一个时间信号控制单元的信号控制端，电路的正负输出端与焊枪连接。

6、根据权利要求1或2所述的电弧螺柱焊焊枪降温装置，其特征在于，所述激磁线圈电源为两个直流电源，所述控制电路包括两个继电器和时间信号控制单元；所述两个直流电源串联，在处于高电压的那一个电源的正负两端分别连接一个继电器，两个继电器的另一端相连作为输出端，两个继电器分别连接一个时间信号控制单元的信号控制端，电路的正负输出端与焊枪连接。

7、根据权利要求1或2所述的电弧螺柱焊焊枪降温装置，其特征在于，控制电路包括晶闸管和时间信号控制单元，激磁线圈电源包括降压变压器和整流器；降压变压器的输出端经整流器的可控整流后连接焊枪；所述时间信号控制单元的信号控制端连接所述整流器中的晶闸管，整流器可是全控桥或半控桥，通过晶闸管的可控整流，提供可改变大小的激磁电流。

8、根据权利要求1或2所述的电弧螺柱焊焊枪降温装置，其特征在于，控制电路包含开关电源的功率器件和时间信号控制单元，时间信号控制单元的信号控制端与开关电源的功率器件相连接，所述开关电源的功率器件可以是IGBT或者MOSFET，逆变器采用全控桥或者半控桥电路，通过调节脉宽或频率来改变激磁电流的大小。

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