CN116275413B - 一种丝弧同步摆动的窄间隙gtaw焊枪 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种丝弧同步摆动的窄间隙GTAW焊枪。为缓解现有窄间隙GTAW焊枪在焊接过程中易产生焊丝脱离熔池并造成送丝中断和焊缝成形不连续的问题。本发明提出的焊枪包括导电结构、升降机构、喷嘴、实现丝弧同步摆动的传动机构以及绝缘构件。本发明所述焊枪用于自动化窄间隙GTAW场合，可适应空间多位置焊接，可用于窄间隙焊接或窄间隙修补焊。
Description
技术领域
本发明属于窄间隙焊接技术领域，特别是涉及一种丝弧同步摆动的窄间隙GTAW焊枪。
背景技术
海洋工程建筑结构以及围护***关键承力构件逐渐使用高性能不锈钢替换镀防腐层碳钢，用以保证极端恶劣环境下关键滨海建筑结构的服役安全性以及延长使用寿命。核电、管线、贮罐等产业飞速发展，相应的，其使用的高性能不锈钢、镍基合金、钛合金、低温钢结构的壁厚也在逐年增加。超级不锈钢等材料厚壁结构的制造以SMAW、SAW、GTAW为主。通常情况下，上述3种焊接方法均需要开大角度坡口。SMAW在耗费大量填充材料和工时的同时，由于手工操作，也加重了焊工时刻观察焊接过程的负担。SAW能够满足制造厚壁焊接结构的效率，但由于这些高性能合金本身对热输入较敏感，且工艺性一般较差，SAW得到的焊接接头大多会面临性能大幅削减以及大变形等问题。GTAW虽然在热输入和变形问题上有显著优势，但在大坡口作业的条件下无法保证生产效率。窄间隙GTAW既能保持高生产效率，又能解决因高性能合金对热输入***来的性能削弱问题以及大角度坡口带来的变形问题。窄间隙GTAW可作为一种高效焊接技术广泛地应用于核电用钢以及厚壁海洋用高性能合金焊接结构的生产制造。
窄间隙焊接技术由于坡口形状存在易产生侧壁未熔合的固有问题，对于窄间隙GTAW，一般可采用使电弧摆动或旋转的方式优化电弧在窄间隙坡口中的运动轨迹，调节热源对工件热量的分布来改善侧壁未熔合问题。然而，常规窄间隙GTAW焊接过程中的送丝位置相对于焊枪固定，GTAW在常用参数下产生的熔池较小，焊丝在送进过程中有脱离熔池的倾向。在窄间隙中的对中偏差以及焊丝翘距等多种不良因素的影响下，送进过程中的焊丝容易在电弧摆动过程中指向熔池前段未熔化部分，从而引起送丝以及焊接过程的中断。
发明内容
本发明目的是为了解决现有技术中的问题，提出了一种丝弧同步摆动的窄间隙GTAW焊枪。所述焊枪采用外置式喷嘴。焊丝与电弧同步摆动，可以显著减小焊丝脱离熔池的倾向，从而增加窄间隙焊接过程的稳定性，缓解工人全程高度集中注意力关注焊接过程的压力。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明提出一种丝弧同步摆动的窄间隙GTAW焊枪，所述焊枪包括4个定位光轴、升降机构、传动机构、喷嘴、导电结构和绝缘构件若干；所述升降机构指实现喷嘴升降调节的机构；所述传动机构指实现送丝与电弧同步摆动的齿轮齿圈啮合机构；所述导电结构包括导电轴套、导电杆、进水管、三通卡套接头、导流体、钨极夹、钨极和导电支座；所述4个定位光轴上固定安装有安装板结构；所述焊枪整个装配体中还存有部分绝缘构件，采用材质为自润滑工程塑料与PEEK板材。
进一步地，所述升降机构包括滑动轴承支架、滑动轴承、升降机构齿轮轴、齿轮轴轴承支座、深沟球轴承、轴承支座安装板和喷嘴导向齿条轴；两个齿轮轴轴承支座分别通过螺纹紧固在两个轴承支座安装板上，并分别压入两个深沟球轴承，升降机构齿轮轴两端与深沟球轴承轴孔配合，用以固定和稳定齿轮轴；升降机构齿轮轴与喷嘴导向齿条轴进行齿轮齿条啮合，用以调节喷嘴升降的高度；同时，喷嘴导向齿条轴穿过固定在滑动轴承支架上的滑动轴承来稳定升降轨迹。
进一步地，所述传动机构包括减速器安装板、减速器、伺服电机、连轴法兰、交叉滚子轴承、主轴齿轮连接管、主齿轮轴、从动齿圈、从动轴、从动轴安装支架和送丝管；
减速器以螺纹紧固的方式固定在法兰形式的减速器安装板上，以伺服电机轴作为驱动轴输入，在减速器输出轴端通过螺纹安装连轴法兰，在连轴法兰上通过螺纹安装导电轴套和2个主轴齿轮连接管，再将主轴齿轮连接管与主齿轮轴两侧孔轴孔配合并以紧定螺钉紧固；从动轴安装支架与定位光轴轴孔配合，通过紧定螺钉锁紧，安装在能够满足传动配合的位置；从动齿圈与从动轴进行轴孔配合，并通过紧定螺钉锁紧，将交叉滚子轴承通过紧定螺钉锁紧在从动轴安装支架的轴承孔中，将从动轴与交叉滚子轴承轴孔配合，同时微调从动轴安装支架位置使从动齿圈与主齿轮轴进行齿轮齿圈啮合；送丝管与从动轴进行轴孔配合，并通过从动轴上的类挡圈结构将送丝管夹紧，从动轴可水冷。
进一步地，连轴法兰为PEEK材质，用于连接导电轴套以及主齿轮轴并与减速器输出端绝缘，导电轴套与主齿轮轴互相不接触。
进一步地，所述导电结构中，将进水管伸入导电杆，并通过三通卡套接头将两管锁紧，在导电杆另一端***导流体，以钎焊方式实现导电体与导电杆的连接；钨极夹通过螺纹紧固的方式与导电体连接，通过紧定螺钉辅助定位钨极，焊枪起弧工作时，钨极受热膨胀会自行与钨极夹紧密配合，以此完成焊枪导电结构主要部件的装配；将导电杆与导电轴套轴孔配合，并通过导电轴套上的类挡圈结构夹紧，使用粗铜导线通过螺纹紧固将导电支座与导电轴套连接在一起，通过双层导电支座安装板固定导电支座，以此完成导电结构的装配。
进一步地，所述双层导电支座安装板具体为：一层为PEEK，用于安装导电支座和水冷接头；一层为铝合金空心框架，用于支撑和稳定PEEK层安装板。
进一步地，所述喷嘴包括4个气塞、气塞安装板、第一镇静流管、粗气筛、第二镇静流管、细气筛和第三流管；其中，4个气塞通过螺纹紧固的方式固定在气塞安装板上，第一镇静流管、粗气筛、第二镇静流管、细气筛、第三流管依次排列，通过螺纹紧固的方式连接在气塞安装板上；气塞安装板两侧与喷嘴导向齿条轴紧固，从而实现喷嘴升降。
进一步地，所述绝缘构件的具***置为导电轴套附近导电轴套与主齿轮轴以及导电杆与主齿轮轴之间的绝缘；导电杆与喷嘴之间的绝缘；导电轴套与减速器之间的绝缘；导电支座与焊枪主体承力构件之间的绝缘；在上述指定位置添加自润滑绝缘法兰轴套、自润滑绝缘滑动轴套、绝缘的导电支座安装板或绝缘的连轴法兰。
本发明的有益效果为：
本发明在使用可调节高度的外置式喷嘴的基础上，实现了焊丝与电弧同步摆动，可以缓解常规窄间隙GTAW过程中焊丝易脱离熔池导致送丝中断和焊缝不连续的问题。并且在夹持送丝管的从动轴中添加水冷回路，使焊枪长时间伸入窄间隙坡口作业时，送丝管的送丝嘴端累积的热量不至于传导至传动机构中造成损坏，并在从动轴上预留安装热丝电极的螺纹孔。
附图说明
图1为丝弧同步摆动的窄间隙GTAW焊枪的三维直观图。
图2为丝弧同步摆动的窄间隙GTAW焊枪的主视剖面图。
图3为丝弧同步摆动的窄间隙GTAW焊枪的左视剖面图。
图4为夹持送丝管的从动轴的内部结构图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提出一种丝弧同步摆动的窄间隙GTAW焊枪，所述焊枪包括4个定位光轴、升降机构、传动机构、喷嘴、导电结构和绝缘构件若干；所述升降机构指实现喷嘴升降调节的机构；所述传动机构指实现送丝与电弧同步摆动的齿轮齿圈啮合机构；所述导电结构包括导电轴套、导电杆、进水管、三通卡套接头、导流体、钨极夹、钨极和导电支座；所述4个定位光轴上固定安装有安装板结构；所述焊枪整个装配体中还存有部分绝缘构件，采用材质为自润滑工程塑料与PEEK板材。
所述升降机构包括滑动轴承支架、滑动轴承、升降机构齿轮轴、齿轮轴轴承支座、深沟球轴承、轴承支座安装板和喷嘴导向齿条轴；两个齿轮轴轴承支座分别通过螺纹紧固在两个轴承支座安装板上，并分别压入两个深沟球轴承，升降机构齿轮轴两端与深沟球轴承轴孔配合，用以固定和稳定齿轮轴；升降机构齿轮轴与喷嘴导向齿条轴进行齿轮齿条啮合，用以调节喷嘴升降的高度；同时，喷嘴导向齿条轴穿过固定在滑动轴承支架上的滑动轴承来稳定升降轨迹。
所述传动机构包括减速器安装板、减速器、伺服电机、连轴法兰、交叉滚子轴承、主轴齿轮连接管、主齿轮轴、从动齿圈、从动轴、从动轴安装支架和送丝管；
减速器以螺纹紧固的方式固定在法兰形式的减速器安装板上，以伺服电机轴作为驱动轴输入，在减速器输出轴端通过螺纹安装连轴法兰，在连轴法兰上通过螺纹安装导电轴套和2个主轴齿轮连接管，再将主轴齿轮连接管与主齿轮轴两侧孔轴孔配合并以紧定螺钉紧固；从动轴安装支架与定位光轴轴孔配合，通过紧定螺钉锁紧，安装在能够满足传动配合的位置；从动齿圈与从动轴进行轴孔配合，并通过紧定螺钉锁紧，将交叉滚子轴承通过紧定螺钉锁紧在从动轴安装支架的轴承孔中，将从动轴与交叉滚子轴承轴孔配合，同时微调从动轴安装支架位置使从动齿圈与主齿轮轴进行齿轮齿圈啮合；送丝管与从动轴进行轴孔配合，并通过从动轴上的类挡圈结构将送丝管夹紧，从动轴可水冷。
连轴法兰为PEEK材质，用于连接导电轴套以及主齿轮轴并与减速器输出端绝缘，导电轴套与主齿轮轴互相不接触。
所述导电结构中，将进水管伸入导电杆，并通过三通卡套接头将两管锁紧，在导电杆另一端***导流体，以钎焊方式实现导电体与导电杆的连接；钨极夹通过螺纹紧固的方式与导电体连接，通过紧定螺钉辅助定位钨极，焊枪起弧工作时，钨极受热膨胀会自行与钨极夹紧密配合，以此完成焊枪导电结构主要部件的装配；将导电杆与导电轴套轴孔配合，并通过导电轴套上的类挡圈结构夹紧，使用粗铜导线通过螺纹紧固将导电支座与导电轴套连接在一起，通过双层导电支座安装板固定导电支座，以此完成导电结构的装配。
所述双层导电支座安装板具体为：一层为PEEK，用于安装导电支座和水冷接头；一层为铝合金空心框架，用于支撑和稳定PEEK层安装板。
所述喷嘴包括4个气塞、气塞安装板、第一镇静流管、粗气筛、第二镇静流管、细气筛和第三流管；其中，4个气塞通过螺纹紧固的方式固定在气塞安装板上，第一镇静流管、粗气筛、第二镇静流管、细气筛、第三流管依次排列，通过螺纹紧固的方式连接在气塞安装板上；气塞安装板两侧与喷嘴导向齿条轴紧固，从而实现喷嘴升降。
所述绝缘构件的具***置为导电轴套附近导电轴套与主齿轮轴以及导电杆与主齿轮轴之间的绝缘；导电杆与喷嘴之间的绝缘；导电轴套与减速器之间的绝缘；导电支座与焊枪主体承力构件之间的绝缘；在上述指定位置添加自润滑绝缘法兰轴套、自润滑绝缘滑动轴套、绝缘的导电支座安装板或绝缘的连轴法兰。
具体实施方式一：此实施方式阐述升降机构的实现方式，结合图2进行说明。实现升降的关键构件为升降机构齿轮轴18和喷嘴导向齿条轴14，依靠这两部分构件之间的齿轮齿条啮合，通过旋转升降机构齿轮轴18来实现喷嘴导向齿条轴14沿轴向平动。用于定位、限位和稳定支撑齿轮齿条啮合传动机构的构件有滑动轴承支架21、滑动轴承20、齿轮轴轴承支座17、深沟球轴承39、轴承支座安装板19。其中，滑动轴承20带有法兰结构，通过螺纹紧固在滑动轴承支架21上，喷嘴导向齿条轴14穿过滑动轴承21间隙配合，以此对喷嘴导向齿条轴14进行限位，使其只沿其轴向平动。深沟球轴承39的外圈与齿轮轴轴承支座17进行轴孔配合，并由齿轮轴轴承支座17上的紧定螺钉锁紧，再通过螺纹紧固的方式将齿轮轴轴承支座17固定在轴承支座安装板19上，升降机构齿轮轴18两轴端与深沟球轴承39内圈孔进行轴孔过盈配合，这一组合结构用来支撑稳定升降机构齿轮轴18的位置以及保证整个轴稳定转动。
具体实施方式二：此实施方式阐述导电结构的实现方式，结合图2进行说明。将进水管6伸入导电杆5中，用三通卡套接头25同心锁紧导电杆5和进水管6，并保持进水管6伸入导电杆5中适当位置。将导流体4***导电杆5另一端，并以钎焊的方式焊接两构件接和面使导流体4与导电杆5刚性固定。将钨极夹2通过螺纹紧固的方式与导流体4连接，将钨极1伸入钨极夹2的另一端，并以紧定螺钉3限位。导电杆5伸入导电轴套33中，并通过导电轴套33中的类挡圈结构夹紧。通过导电支座安装板22，23安装与固定导电支座24，通过铜导线连接导电支座24与导电轴套33。上述构件组成焊枪中的焊接电路，将焊接电源的主电缆与导电支座24紧固配合即可使焊枪作为焊接回路中的电极。
具体实施方式三：此实施方式结合导电结构阐述使丝弧同步摆动的传动机构的实现方式，结合图2、图3和图4进行说明。实现丝弧同步摆动的传动机构由减速器26的输出端作为传动机构输入轴，从动轴28为传动机构输出轴。传动机构输入部分由伺服电机37、减速器安装板16、减速器26、连轴法兰31、主轴齿轮连接管32、主齿轮轴34构成。其中，主齿轮轴34通过紧定螺钉和与其配合的主轴齿轮连接管32紧固，主轴齿轮连接管32通过螺纹与连轴法兰31紧固，连轴法兰31通过螺纹连接与减速器26的输出端紧固，以此构成传动机构中的输入部分，主齿轮轴34由伺服电机37经减速器26进行一级减速后驱动。传动部分由主齿轮轴34的齿轮和从动齿圈30的内齿轮啮合构成。传动机构的输出部分由从动齿圈30、从动轴28、从动轴安装支架15、交叉滚子轴承29和送丝管27构成。其中，交叉滚子轴承29的外圈与从动轴安装支架15的孔配合，通过紧定螺钉锁紧，从动轴28的上轴端与交叉滚子轴承29内圈孔过盈配合，从动轴28的下轴端与从动齿圈30的孔进行间隙配合并通过紧定螺钉锁紧，送丝管27伸入从动轴28的中心孔中，并通过从动轴28上端类挡圈结构夹紧。通过上述结构来实现减速器26输出端带动送丝管27同步摆动的功能。此外，从动轴28是内部带有空腔的可水冷结构，如图4所示，左右两侧螺纹孔分别为从动轴28的进水孔和出水孔，下端空腔由铣削加工而成，再将铣削进刀初始平面钎焊密封，上端为预留连接热丝电源电极的螺纹孔，方便根据需求添加热丝功能。该冷却回路能够保证焊接过程中传动机构的安全，不至因为送丝管27下端在长时间焊接过程中产生的热积累而损坏传动机构的输出部分。
具体实施方式四：此实施方式阐述喷嘴的实现方式，结合图2进行说明。4个气塞12通过螺纹紧固的方式与气塞安装板13紧固连接，气塞安装板13通过螺纹连接的方式安装在第一镇静流管11上方。粗气筛10、第二镇静流管9、细气筛8、第三流管7按次序共同通过螺纹紧固的方式安装在第一镇静流管11下方。上述构件整体装配完成构成喷嘴结构。
具体实施方式五：此实施方式阐述构件绝缘的实现方式，结合图2和图3进行说明。焊枪内部有部分位置需要做绝缘处理，绝缘构件具体生效的位置如下：导电杆5与导电轴套33在焊接电路中，应与传动机构输入部分进行绝缘。在导电杆5穿过的主齿轮轴34的轴孔两端分别伸入自润滑绝缘法兰轴套35、36实现主齿轮轴34与导电杆5以及主齿轮轴34与导电轴套33的绝缘。导电杆5在焊接电路中，需与喷嘴结构进行绝缘。在导电杆5穿过的气塞安装板13、第一镇静流管11、粗气筛10、第二镇静流管9、细气筛8、第三流管7的中心孔中，添加自润滑绝缘法兰轴套40、42以及自润滑绝缘滑动轴套41，实现导电杆5与喷嘴结构的绝缘。导电支座24通过安装在绝缘的导电支座安装板23上来实现导电支座24与焊枪主体支架的绝缘。
具体实施方式六：此实施方式阐述丝弧同步摆动的窄间隙GTAW焊枪整体安装的实现方式，结合图2和图3进行说明。导电结构中的导电轴套33置入连轴法兰31的槽中，并通过螺纹连接。其中，连轴法兰31为PEEK绝缘材质，且安装导电轴套33的槽在长度方向上与主齿轮轴34长度方向互成一定角度，在连轴法兰31内部互不接触，导电轴套33与主齿轮轴34在连轴法兰31外侧亦不接触。依次将导电支座安装板23、22，滑动轴承支架21，齿轮轴轴承支座17，减速器安装板16，从动轴安装支架15从上至下地通过它们的安装孔装配在4个定位光轴38的适当位置，并以紧定螺钉锁紧。再将气塞安装板13两侧的孔与喷嘴导向齿条轴14末端轴孔配合，并以紧定螺钉锁紧，完成整个焊枪的装配。
Claims (7)
1.一种丝弧同步摆动的窄间隙GTAW焊枪，其特征在于：所述焊枪包括4个定位光轴、升降机构、传动机构、喷嘴、导电结构和绝缘构件若干；所述升降机构指实现喷嘴升降调节的机构；所述传动机构指实现送丝与电弧同步摆动的齿轮齿圈啮合机构；所述导电结构包括导电轴套、导电杆、进水管、三通卡套接头、导流体、钨极夹、钨极和导电支座；所述4个定位光轴上固定安装有安装板结构；所述焊枪整个装配体中还存有部分绝缘构件，采用材质为自润滑工程塑料与PEEK板材；
所述传动机构包括减速器安装板、减速器、伺服电机、连轴法兰、交叉滚子轴承、主轴齿轮连接管、主齿轮轴、从动齿圈、从动轴、从动轴安装支架和送丝管；
减速器以螺纹紧固的方式固定在法兰形式的减速器安装板上，以伺服电机轴作为驱动轴输入，在减速器输出轴端通过螺纹安装连轴法兰，在连轴法兰上通过螺纹安装导电轴套和2个主轴齿轮连接管，再将主轴齿轮连接管与主齿轮轴两侧孔轴孔配合并以紧定螺钉紧固；从动轴安装支架与定位光轴轴孔配合，通过紧定螺钉锁紧，安装在能够满足传动配合的位置；从动齿圈与从动轴进行轴孔配合，并通过紧定螺钉锁紧，将交叉滚子轴承通过紧定螺钉锁紧在从动轴安装支架的轴承孔中，将从动轴与交叉滚子轴承轴孔配合，同时微调从动轴安装支架位置使从动齿圈与主齿轮轴进行齿轮齿圈啮合；送丝管与从动轴进行轴孔配合，并通过从动轴上的类挡圈结构将送丝管夹紧，从动轴可水冷。
2.根据权利要求1所述的焊枪，其特征在于，所述升降机构包括滑动轴承支架、滑动轴承、升降机构齿轮轴、齿轮轴轴承支座、深沟球轴承、轴承支座安装板和喷嘴导向齿条轴；两个齿轮轴轴承支座分别通过螺纹紧固在两个轴承支座安装板上，并分别压入两个深沟球轴承，升降机构齿轮轴两端与深沟球轴承轴孔配合，用以固定和稳定齿轮轴；升降机构齿轮轴与喷嘴导向齿条轴进行齿轮齿条啮合，用以调节喷嘴升降的高度；同时，喷嘴导向齿条轴穿过固定在滑动轴承支架上的滑动轴承来稳定升降轨迹。
3.根据权利要求2所述的焊枪，其特征在于，连轴法兰为PEEK材质，用于连接导电轴套以及主齿轮轴并与减速器输出端绝缘，导电轴套与主齿轮轴互相不接触。
4.根据权利要求3所述的焊枪，其特征在于，所述导电结构中，将进水管伸入导电杆，并通过三通卡套接头将两管锁紧，在导电杆另一端***导流体，以钎焊方式实现导电体与导电杆的连接；钨极夹通过螺纹紧固的方式与导电体连接，通过紧定螺钉辅助定位钨极，焊枪起弧工作时，钨极受热膨胀会自行与钨极夹紧密配合，以此完成焊枪导电结构主要部件的装配；将导电杆与导电轴套轴孔配合，并通过导电轴套上的类挡圈结构夹紧，使用粗铜导线通过螺纹紧固将导电支座与导电轴套连接在一起，通过双层导电支座安装板固定导电支座，以此完成导电结构的装配。
5.根据权利要求4所述的焊枪，其特征在于，所述双层导电支座安装板具体为：一层为PEEK，用于安装导电支座和水冷接头；一层为铝合金空心框架，用于支撑和稳定PEEK层安装板。
6.根据权利要求5所述的焊枪，其特征在于，所述喷嘴包括4个气塞、气塞安装板、第一镇静流管、粗气筛、第二镇静流管、细气筛和第三流管；其中，4个气塞通过螺纹紧固的方式固定在气塞安装板上，第一镇静流管、粗气筛、第二镇静流管、细气筛、第三流管依次排列，通过螺纹紧固的方式连接在气塞安装板上；气塞安装板两侧与喷嘴导向齿条轴紧固，从而实现喷嘴升降。
7.根据权利要求6所述的焊枪，其特征在于，所述绝缘构件的具***置为导电轴套附近导电轴套与主齿轮轴以及导电杆与主齿轮轴之间的绝缘；导电杆与喷嘴之间的绝缘；导电轴套与减速器之间的绝缘；导电支座与焊枪主体承力构件之间的绝缘；在上述具***置添加自润滑绝缘法兰轴套、自润滑绝缘滑动轴套、绝缘的导电支座安装板或绝缘的连轴法兰。
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