CN102319943A - 一种新型窄间隙熔化极气体保护焊接焊枪 - Google Patents

Abstract

本发明的一种新型窄间隙熔化极气体保护焊接焊枪，所述枪体中部杆件组的下端设置一导向机构，该导向机构与杆件组的中心轴线具有一倾斜角，所述导向机构的末端设置导电嘴。本发明有效解决了窄间隙焊接侧壁熔合缺欠的问题，以及同时存在的焊枪冷却、侧壁意外起弧的问题，使用灵活方便、稳定可靠，焊接效率更高、焊接质量更好、焊接过程更稳定。本发明适用于对焊接效率、焊接质量和焊接经济性有较高要求的所有可以使用窄间隙焊接技术的领域，可应用于电力、船舶、建筑以及交通等行业电弧焊接连接金属材料，对于厚壁构件窄间隙焊接尤其当对焊接质量和效率有较高要求时优势更加明显。

Description

一种新型窄间隙熔化极气体保护焊接焊枪

技术领域

本发明涉及电弧焊接技术领域，尤其涉及一种新型窄间隙熔化极气体保护焊接焊枪。

背景技术

焊接厚壁构件常用的方法有：熔化极气体保护焊、焊条电弧焊、气电立焊、窄间隙焊接（包括窄间隙埋弧焊、窄间隙钨极氩弧焊以及窄间隙熔化极气体保护焊等）。窄间焊接（Narrow Gap Welding）是1963年美国Battelle研究所开发的一种利用现有弧焊方法，采用I形或U形坡口，进行每层1~2道的多层焊接方法。窄间隙焊接顾名思义就是利用现有的焊接方法，使之在相对狭窄的空间内施焊的方法。其特征由国外学者归纳如下：

（1）利用了现有的弧焊方法的一种特别技术；

（2）多数采用I形坡口，坡口角度大小视焊接中的变形量而定；

（3）多层焊接；

（4）自下而上的各层焊道数目相同（通常为1或2道）；

（5）采用小或者中等线能量；

（6）有全位置焊接的可能性。

其分类方法可以按照所使用的焊接方法、电极运动情况以及焊丝数量等进行分类。相对于焊条电弧焊、电渣焊、普通气体保护焊接方法，窄间隙焊接技术由于其高生产率、低成产成本以及高质量的优势自发明以来就引起了世界范围研究者和工程人员的关注，开发出多种窄间隙焊接技术。但是由于窄间隙焊接坡口侧壁倾斜非常小使得热量在侧壁的分布显著较少，相应带来了侧壁熔合不充分及相应成形不良的难题。

为了解决这个关键问题，各国的研究者发挥了自己的聪明才智开发出众多解决办法：旋转电弧窄间隙焊接、超窄间隙焊接、麻花焊丝窄间隙焊接、磁致电弧摆动窄间隙焊接等。在众多窄间隙焊接技术中，窄间隙埋弧焊是应用最广泛的，但是由于焊剂受重力方向限制等因素影响其应用多局限于平焊位置。其次窄间隙钨极氩弧焊由于其热输入量更低焊接质量更好也得到较多应用，但是其生产效率和投入等也限制其推广应用。

发明内容

本发明的目的就是提供一种更加稳定可靠的新型窄间隙熔化极气体保护焊接焊枪，以解决上述现有技术存在的窄间隙焊接侧壁熔合缺欠的问题，并同时解决焊枪冷却以及侧壁意外起弧的问题。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：

一种新型窄间隙熔化极气体保护焊接焊枪，所述枪体中部杆件组的下端设置一导向机构，该导向机构与杆件组的中心轴线具有一倾斜角，所述导向机构的末端设置导电嘴。

优选的，所述倾斜角的角度为5-15度。

优选的，所述导向机构与杆件组、导电嘴为可拆卸连接，方便更换导向机构。

优选的，所述导向机构为空心导向管，内部穿设焊丝并到达导电嘴。

优选的，所述杆件组的上端与电机连接，杆件组在电机的驱动下往复转动，并带动导向机构和导电嘴往复转动；所述杆件组的转动幅度、转动速度、转动频率和转动间隔时间通过设置电机上的参数进行调节。

优选的，所述杆件组由若干不同内径的管件套设而成，管件之间的空隙形成一路冷却水循环通道，用于冷却导电嘴。

优选的，所述杆件组最内部的管件以及导向机构和导电嘴形成枪体的焊丝前进通道，或焊丝直接送入导向机构并到达导电嘴。

优选的，所述枪体两侧分布有两路冷却水循环管道用于冷却枪体，所述冷却水循环管道延伸至枪体下部的气体镇静室。

优选的，所述杆件组通过耐高温绝缘材料与枪体其他部分隔离开并完全绝缘，防止枪体发生侧壁意外起弧。

优选的，所述杆件组与连接枪体的螺钉之间设置带法兰的绝缘材料，所述杆件组与枪体下部的气体镇静室之间设置耐磨绝缘材料；所述绝缘材料为陶瓷、石棉或其他常用绝缘材料。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明有效解决了窄间隙焊接侧壁熔合缺欠的问题，以及同时存在的焊枪冷却、侧壁意外起弧的问题，使用灵活方便、稳定可靠，焊接效率更高、焊接质量更好、焊接过程更稳定。本发明适用于对焊接效率、焊接质量和焊接经济性有较高要求的所有可以使用窄间隙焊接技术的领域，可应用于电力、船舶、建筑以及交通等行业电弧焊接连接金属材料，对于厚壁构件窄间隙焊接尤其当对焊接质量和效率有较高要求时优势更加明显。

附图说明

图1为本发明一实施例的结构示意图；

图2为图1中的焊枪置于待焊接工件坡口之间的结构示意图；

图3为第一种冷却方案的示意图；

图4为第二种冷却方案的示意图；

图5为焊丝直接送入时导向机构的结构示意图；

图6为图1中A的局部放大图。

具体实施方式

下面结合附图详细描述本发明。

从理论上分析，窄间隙熔化极气体保护焊（NG-GMAW）热输入量介于埋弧焊与钨极氩弧焊，操作灵活有实现全位置焊接的可能，以及电弧焊理论的成熟，都使得NG-GMAW非常具有潜力。最近几十年中，国内在窄间隙熔化极气体保护焊上的研究投入非常大，与此同时机械制造业和控制技术的飞速发展也为NG-GMAW的突破提供了良好的时机，本发明正是在这种大好时机以及市场需求的情况下应运而生。

本发明提供了一种新型窄间隙熔化极气体保护焊接焊枪，焊枪整体为扁形，能够在狭窄空间工作，同时根据实际工作环境的限制和加工水平，焊枪的厚度可以控制在10mm以内。如图1、2所示为本发明一种新型窄间隙熔化极气体保护焊接焊枪的一优选实施例，将焊枪放置于待焊接工件1坡口之间，保持对中，焊丝通过导电嘴2与待焊接工件1产生电弧，焊丝熔化并且向待焊接工件1过渡金属。焊接保护气体通过对称的两个气管8进入气体镇静室11，然后通过气筛12流至保护罩13保护焊接电弧。

本发明首先要解决的是侧壁熔合问题。通过改善电弧对焊接坡口两侧的指向性使焊接电弧的能量在坡口中的分布显著改变，从而使能量在侧壁上的分布得以相对提高，这样，坡口两侧的熔池在电弧综合作用力和熔池表面张力的共同作用下，会形成凹形的焊缝，从而提高熔池与侧壁的熔合作用，减小了焊缝与坡口侧壁熔合区产生未熔合、夹杂等焊接缺陷的可能性，使焊缝的成形和质量得到了保证。目前在机械化焊接中，焊接过程的灵活性与手工操作相比还有一定差距，本发明的设计理念很大程度上结合了实际操作经验使得有更多辅助性参数可以调节，这对窄间隙熔化极气体保护焊接质量以及其全位置焊接可能性具有重大意义。

具体技术方案是，在焊枪枪体中部杆件组3的下端设置一导向机构10，该导向机构10与杆件组3的中心轴线具有一倾斜角，该倾斜角的角度优选5-15度。导向机构10的末端设置导电嘴2，该导向机构10优选空心导向管，内部穿设焊丝并到达导电嘴2。导向机构10与杆件组3、导电嘴2为可拆卸连接，方便更换导向机构10。杆件组3的上端与电机5连接，杆件组3在电机5的驱动下往复转动，并带动导向机构10和导电嘴2往复转动；杆件组3的转动幅度、转动速度、转动频率和转动间隔时间等均可通过设置电机5上的参数进行调节。

在保持焊枪在焊接坡口内居中并与坡口底部垂直的同时，本发明的导向机构使得焊丝伸出端与焊枪枪体中心轴线保持一个10度左右（这里以10度为例）的夹角，实现焊丝能以较大角度指向侧壁。在此基础上利用电机精确控制焊丝导向机构左右往复转动，使焊丝伸出端向坡口两侧交替摆动，当焊丝伸出端摆动至坡口的其中一个侧壁时，其与侧壁的夹角将超过10°(坡口侧壁与中心轴线通常有1.5~3.5°的夹角)，这样使焊丝伸出端对坡口侧壁的指向性大大改善，焊接能量更多的分布于侧壁。焊丝伸出端交替指向坡口侧壁，类似于手工电弧焊接月牙式运条。为了改善侧壁熔合，除了可以更换导向机构调节焊丝伸出端指向侧壁的角度之外，还可灵活调节摆动过程中焊丝端部在坡口左右两侧侧壁处的停留时间以及根据坡口间隙大小在一定范围灵活调节摆动幅度，从而实现焊接过程的精确控制。这些参数的配合除了保证焊接质量也为其用于其它焊接位置提供了可能性。此外相对于旋转电弧旋转方向不可以改变导致在接近侧壁坡口两个半圆弧轨迹上焊接速率不同，本发明焊丝运动速率、停留时间等焊接参数在焊缝坡口两个侧壁附近是完全对称的，这对控制焊接质量也是一个不容忽视的特点。

本发明的方法是借助导向机构10改变焊接电弧指向与焊接坡口侧壁之间的夹角，改善焊接能量在坡口中的分布。在电动机5带动下杆件组3可以往复运动，焊丝伸出端不断地交替在待焊接工件1坡口之间往复转动，焊丝依次指向坡口两个侧壁1a、1b。由于焊接电弧对坡口侧壁的指向性大大改善，焊接能量更多的分布于侧壁从而改善乃至解决窄间隙焊接侧壁熔合难题。除此之外，在本发明中的电动机5可以是步进电机或者伺服电机，电动机5的控制参数就相应的移植到焊接过程中，使焊接工艺可以控制更多的焊接参数，比如焊丝左右转动的频率、焊丝转动的加速特性、焊丝指向焊缝坡口侧壁1a、1b的停留时间等，这些参数都为得到成形良好质量可靠的焊缝以及全位置焊接提供了有力的保障。另外由于导向机构与焊丝之间力的作用比较大，磨损严重，所以本发明并没有将导向机构与导电嘴设计成一体而是将导向机构以可拆卸导向管的形式呈现，这样导向机构10不仅可以做成一系列角度，而且作为耗材可以方便更换。

其次，焊枪的冷却对于焊枪使用寿命以及焊接质量稳定性至关重要。在本发明中由于焊丝在导向机构以及电动机作用下往复运动，这样就使得对导电嘴以及其上部部件的冷却空间减少，给焊枪冷却带来一定困难。

具体技术方案是，杆件组3由若干不同内径的管件套设而成，管件之间的空隙形成一路冷却水循环通道，用于冷却导电嘴2。枪体两侧对称分布有两路冷却水循环管道4用于冷却枪体，该冷却水循环管道4延伸至枪体下部的气体镇静室11。杆件组3最内部的管件以及导向机构10和导电嘴2形成枪体的焊丝前进通道，或焊丝直接送入导向机构10并到达导电嘴2。

在窄间隙焊接过程中焊接电弧除了熔化焊丝加热母材之外，很大一部分热量以辐射和热传导的形式施加于焊枪并且焊枪在受限制的空间中运动，因此焊枪的冷却对于焊接过程的稳定十分重要。如果在焊接过程中没有对焊枪进行冷却，或者焊枪的冷却效果不良，则焊枪在使用很短的一段时间后就必须停止，这给操作过程带来极大的不便，也直接影响了焊接质量和工作效率，对于操作者也是较大的安全隐患。尤其在本发明中，杆件组3可以认为和焊枪其他部分是分离的，这样导电嘴2部分的热量难以快速传递散失，如果冷却不好导电嘴2的使用寿命会受到严重影响，进而影响焊接质量。所以对于枪体中部可正反转进而带动焊丝做左右往复运动的杆件组3的冷却问题必须予以高度重视。

本发明根据焊丝是否穿过杆件组3提出了两种切实可行的冷却方案：

第一种冷却方案是杆件组3由三根内径不同的铜管件14、15、16同心的套设在一起组成，如图3所示，焊丝从最内部的铜管件16中间穿过，最内层的铜管件16送丝，铜管件14与铜管件15、铜管件15与铜管件16之间的两个空隙则为冷却水提供了充分的流动空间，形成一路冷却水循环通道。杆件组3最中央的铜管件16以及导向机构10和导电嘴2形成枪体的焊丝前进通道。

第二种冷却方案是将焊丝从杆件组3中分离出来，杆件组3由两根内径不同的铜管件14、15同心的套设在一起组成，如图4所示，铜管件14与铜管件15之间的空隙以及铜管件15的中空管路则形成一路冷却水循环通道，这样就为冷却水的循环提供了充分的流动空间。在焊枪枪体中为焊丝的送进另外设置相应的空间和通道，焊丝直接送入导向机构10并到达导电嘴2，见图5。

除此之外，在枪体左右两侧还对称分布有两路冷却水循环管道4最大限度的冷却焊枪枪体，该两路冷却水循环管道4延伸至枪体下部的气体镇静室11，见图1。

第三，为了焊接过程更加稳定，焊接质量更加好，侧壁意外起弧问题不容忽视。窄间隙焊接在狭窄的空间进行，如果焊枪带电使得焊枪本体与待焊接工件坡口侧壁存在电压差，当焊枪枪体与工件之间的距离比较小的时候就有产生电弧影响焊接过程稳定的危险。

具体技术方案是，杆件组通过耐高温绝缘材料与枪体其他部分隔离开并完全绝缘，防止枪体发生侧壁意外起弧，该绝缘材料为常用绝缘材料如陶瓷、石棉等。本实施例中，杆件组3与连接枪体的螺钉之间设置有带法兰7的绝缘材料6，见图1、6，杆件组3与枪体下部的气体镇静室11之间设置耐磨绝缘材料陶瓷9，见图1，这样，把主要的焊接电流限制在带动焊丝往复运动的杆件组3上，避免了焊枪其他部件与侧壁接近时产生电弧，保证焊接过程稳定。另外，本发明利用常用绝缘材料如陶瓷、石棉纸等，在解决防止侧壁起弧的同时保证了经济性。

本发明解决了窄间隙焊接侧壁熔合缺欠问题、焊枪冷却以及侧壁意外起弧问题。本发明在总结前人经验、结合多种焊接方法实际操作经验的基础上，利用有导向作用的导向机构使得焊丝可以以较大的角度指向侧壁，并以一定方式使焊丝向两侧摆动，摆动的频率和摆动过程中焊丝在坡口两侧的停留时间均可以调节，这样使焊接电弧热量分布得以优化，熔滴过渡指向性得以调节，最终改善直至解决侧壁熔合问题。对于中间可正反转进而带动焊丝做左右往复运动的杆件组的冷却问题，本发明提出了两种方案，一是创新性地将焊丝分离出来这样给杆件组充分的冷却空间供冷却水流动；二是焊丝仍旧从杆件组中间穿过，但是杆件组由三根直径不同的管件层层相套，为冷却水流动提供空间。对于侧壁意外起弧问题，本发明利用绝缘材料将电流完全限制在杆件组中很好的解决此问题。

以上公开的仅为本申请的几个具体实施例，但本申请并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化，都应落在本申请的保护范围内。

Claims (10)

1.一种新型窄间隙熔化极气体保护焊接焊枪，其特征在于，所述枪体中部杆件组的下端设置一导向机构，该导向机构与杆件组的中心轴线具有一倾斜角，所述导向机构的末端设置导电嘴。

2.如权利要求1所述的新型窄间隙熔化极气体保护焊接焊枪，其特征在于，所述倾斜角的角度为5-15度。

3.如权利要求1所述的新型窄间隙熔化极气体保护焊接焊枪，其特征在于，所述导向机构与杆件组、导电嘴为可拆卸连接，方便更换导向机构。

4.如权利要求1或3所述的新型窄间隙熔化极气体保护焊接焊枪，其特征在于，所述导向机构为空心导向管，内部穿设焊丝并到达导电嘴。

5.如权利要求1所述的新型窄间隙熔化极气体保护焊接焊枪，其特征在于，所述杆件组的上端与电机连接，杆件组在电机的驱动下往复转动，并带动导向机构和导电嘴往复转动；所述杆件组的转动幅度、转动速度、转动频率和转动间隔时间通过设置电机上的参数进行调节。

6.如权利要求1所述的新型窄间隙熔化极气体保护焊接焊枪，其特征在于，所述杆件组由若干不同内径的管件套设而成，管件之间的空隙形成一路冷却水循环通道，用于冷却导电嘴。

7.如权利要求6所述的新型窄间隙熔化极气体保护焊接焊枪，其特征在于，所述杆件组最内部的管件以及导向机构和导电嘴形成枪体的焊丝前进通道，或焊丝直接送入导向机构并到达导电嘴。

8.如权利要求1所述的新型窄间隙熔化极气体保护焊接焊枪，其特征在于，所述枪体两侧分布有两路冷却水循环管道用于冷却枪体，所述冷却水循环管道延伸至枪体下部的气体镇静室。

9.如权利要求1所述的新型窄间隙熔化极气体保护焊接焊枪，其特征在于，所述杆件组通过耐高温绝缘材料与枪体其他部分隔离开并完全绝缘，防止枪体发生侧壁意外起弧。

10.如权利要求9所述的新型窄间隙熔化极气体保护焊接焊枪，其特征在于，所述杆件组与连接枪体的螺钉之间设置带法兰的绝缘材料，所述杆件组与枪体下部的气体镇静室之间设置耐磨绝缘材料；所述绝缘材料为陶瓷、石棉或其他常用绝缘材料。

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