一种基于电磁铁尖头磁场的磁控K-TIG焊枪

摘要

本发明属于K‑TIG焊枪技术领域，公开了一种基于电磁铁尖头磁场的磁控K‑TIG焊枪，包括焊枪套筒、气罩和钨极，气罩外周设置有四个卡槽，每个卡槽内插装有设置在焊枪套筒外部的芯柱，每根芯柱外套有连接于励磁电源的线圈，两两相邻的芯柱由一根铁芯弯制为U形而构成；每个卡槽外侧设置有与芯柱紧密接触的导磁体，导磁体下端延伸至气罩底端并设为磁极瓣，四个导磁体的磁极瓣均布在钨极周围形成N极与N极相对、S极与S极相对的双尖角磁场。本发明通过电磁铁产生的双尖角磁场对电弧进行压缩，从而增加电弧的穿透能力，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。

权利要求

1.一种基于电磁铁尖头磁场的磁控K-TIG焊枪，包括连接于焊枪套筒底部的气罩，所述气罩底端中心设置有钨极，其特征在于，所述气罩外周径向均布有四个外凸卡接部，每个所述外凸卡接部设置有至少顶部和外侧开口的卡槽；所述焊枪套筒外围环向均布有四个芯柱，两两相邻的芯柱由一根铁芯弯制为U形而构成，两根铁芯上均缠绕有线圈组合成电磁铁，所述线圈以其电流流入端和电流流出端连接于励磁电源；所述气罩外部环向均布有四个导磁体，每个导磁体上部延伸至所述卡槽的外侧开口处、下部延伸至所述气罩底端并形成包围在所述钨极外部的磁极瓣；四根所述芯柱的底部分别插入四个所述卡槽中，每个所述卡槽中的所述芯柱外侧与所述导磁体贴紧接触；第一螺钉在每个所述导磁体上部依次穿过所述导磁体、所述芯柱和所述气罩而将三者固定连接，第二螺钉在每个所述导磁体下部依次穿过所述导磁体和所述气罩而将两者固定连接；所述励磁电源给所述线圈通电后，所述芯柱与所述线圈所构成电磁铁产生的磁场传输至所述导磁体下端的所述磁极瓣，四个所述导磁体的磁极瓣径向均布在所述钨极外部形成N极与N极相对、S极与S极相对的双尖角磁场。

2.根据权利要求1所述的一种基于电磁铁尖头磁场的磁控K-TIG焊枪，其特征在于，所述卡槽开口向外设置，其上下贯通且横截面为U形或C形。

3.根据权利要求1所述的一种基于电磁铁尖头磁场的磁控K-TIG焊枪，其特征在于，所述导磁体由平板结构加工成贴合于所述气罩外壁的形状，所述芯柱的底部外侧切削为平面并与所述导磁体的平面紧密接触。

4.根据权利要求1所述的一种基于电磁铁尖头磁场的磁控K-TIG焊枪，其特征在于，两根所述铁芯以相同的方式缠绕所述线圈，其中一根铁芯上线圈的电流流入端连接于所述励磁电源的正极、电流流出端连接于另一根铁芯上线圈的电流流入端，另一根铁芯上线圈的电流流出端连接于所述励磁电源的负极。

说明书

一种基于电磁铁尖头磁场的磁控K-TIG焊枪

技术领域

[0001] 本发明属于一种K-TIG焊枪技术领域，具体的说，是涉及一种利用电磁铁产生双尖角磁场，对电弧进行压缩改善电弧性能，以提高焊接效率的K-TIG焊枪。

背景技术

[0002] K-TIG焊作为一种高品质的焊接工艺，可对中厚板在不开坡口的前提下单道次焊接以实现“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。但由于K-TIG焊采用自由电弧作为热源，自由电弧的形态决定于电极形态、电极间隙和电流值等。在焊接中厚板时，电弧收缩程度较弱，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。

[0003] 目前K-TIG焊一般采用阴极水冷来压缩电弧，但仍存在着一些问题。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。

[0004] 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。在焊接过程中，将环形磁场加载在K-TIG电弧上，过改变磁场的强度和分布，能够调节电弧的形态和电弧特性。原因在于：一方面，电弧柱收缩，弧柱随弧长的扩展降低，电弧的穿透能力增加；另一方面，电弧作用在熔池和小孔的能量和压力分布都会发生变化，能够调节熔池形态，增加小孔的稳定性。因此，增加磁场收缩电弧柱，可进一步改善K-TIG焊接的电弧特性。

[0005] 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，验证了对拘束电弧进行磁致收缩的可行性。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。将由四个永磁铁构造成的尖头磁场压缩TIG焊电弧，弧柱截面由圆形变为椭圆形，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。

[0006] 但是，目前的电磁铁控制装置结构复杂，占用空间较大，易挡住钨针，不便于观察焊接过程中的电弧与熔池，如果将电磁铁直接换成永磁铁，虽然所占空间变小，但是在焊接过程中永磁铁易失磁，且难以实现对磁场的线性调节。因此缺少一种装置简单，占用空间小且磁场可调的电磁铁控制装置。

发明内容

[0007] 本发明要解决的是普通K-TIG焊枪在焊接中厚板时，电弧收缩程度较弱，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，而现有磁控焊枪又体积较大，磁控部分较为臃肿，不便于观察焊接电弧和熔池的技术问题，提供一种基于电磁铁尖头磁场的磁控K-TIG焊枪，利用磁极瓣产生的双尖角磁场对电弧进行压缩，增加电弧的拘束效应，增加电弧的穿透能力，从而能够焊接更厚的工件，进一步提高焊接稳定性，扩大稳定焊接的工艺窗口，为实现中厚板焊接的高效化、低成本化和优质化奠定基础；并且通过钨极周围磁控部分的紧凑设计，减少对钨极的遮挡，便于观察电弧与熔池，从而更深入地研究压缩电弧形态对熔池形态和小孔稳定性的作用规律和机理。

[0008] 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：

[0009] 一种基于电磁铁尖头磁场的磁控K-TIG焊枪，包括连接于焊枪套筒底部的气罩，所述气罩底端中心设置有钨极，所述气罩外周径向均布有四个外凸卡接部，每个所述外凸卡接部设置有至少顶部和外侧开口的卡槽；所述焊枪套筒外围环向均布有四个芯柱，两两相邻的芯柱由一根铁芯弯制为U形而构成，两根铁芯上均缠绕有线圈组合成电磁铁，所述线圈以其电流流入端和电流流出端连接于励磁电源；所述气罩外部环向均布有四个导磁体，每个导磁体上部延伸至所述卡槽的外侧开口处、下部延伸至所述气罩底端并形成包围在所述钨极外部的磁极瓣；四根所述芯柱的底部分别插入四个所述卡槽中，每个所述卡槽中的所述芯柱外侧与所述导磁体贴紧接触；第一螺钉在每个所述导磁体上部依次穿过所述导磁体、所述芯柱和所述气罩而将三者固定连接，第二螺钉在每个所述导磁体下部依次穿过所述导磁体和所述气罩而将两者固定连接；所述励磁电源给所述线圈通电后，所述芯柱与所述线圈所构成电磁铁产生的磁场传输至所述导磁体下端的所述磁极瓣，四个所述导磁体的磁极瓣径向均布在所述钨极外部形成N极与N极相对、S极与S极相对的双尖角磁场。

[0010] 所述卡槽开口向外设置，其上下贯通且横截面为U形或C形。

[0011] 所述导磁体由平板结构加工成贴合于所述气罩外壁的形状，所述芯柱的底部外侧切削为平面并与所述导磁体的平面紧密接触。

[0012] 两根所述铁芯以相同的方式缠绕所述线圈，其中一根铁芯上线圈的电流流入端连接于所述励磁电源的正极、电流流出端连接于另一根铁芯上线圈的电流流入端，另一根铁芯上线圈的电流流出端连接于所述励磁电源的负极。

[0013] 本发明的有益效果是：

[0014] 本发明的磁控K-TIG焊枪，其附加装置结构简单、制造成本低，通过电磁铁产生的双尖角磁场对电弧进行压缩，并且通过导磁体将电磁铁产生的磁场导向钨极周围，一方面增加电弧的穿透能力，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；另一方面由于导磁铁的结构紧凑，能够减少对钨极的遮挡，使得钨极位置剩余空隙多便于观察电弧和熔池的形态变化，更适于实际应用。

附图说明

[0015] 图1是本发明所提供的磁控K-TIG焊枪的结构示意图；

[0016] 图2是图1的仰视图；

[0017] 图3是气罩的结构示意图；

[0018] 图4是一根铁芯弯制为两根芯柱的结构示意图；

[0019] 图5是导磁体的结构示意图；

[0020] 图6是本发明所提供的磁控K-TIG焊枪焊接过程中磁场与电弧相互作用的示意图；

[0021] 图7是双尖角磁场使电弧截面由圆形变为椭圆形的原理示意图。

[0022] 图中：1：钨极；2：导磁体；3：第二螺钉；4：气罩；401：外凸卡接部；402：卡槽；5：第一螺钉；6：芯柱；7：线圈；8：焊枪套筒；9：励磁电源；10：电弧。

具体实施方式

[0023] 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：

[0024] 如图1和图2所示，本实施例提供了一种基于电磁铁尖头磁场的磁控K-TIG焊枪，磁控K-TIG焊枪包括焊枪套筒8、气罩4和钨极1，焊枪套筒8底部设置有外螺纹，气罩4顶部设置有内螺纹，气罩4螺纹连接于焊枪套筒8底部，钨极1位于气罩4的底端中心。如图3所示，气罩4在其内螺纹的高度位置加设有四个径向均布的外凸卡接部401，每个外凸卡接部401设置有上下贯通且横截面为U形或C形的卡槽402，卡槽402的开口向外设置。

[0025] 四个芯柱6环向均匀地布置在焊枪套筒8外部，两两相邻的芯柱6由一根铁芯弯制为U形而构成，如图4所示。铁芯的材质为工业纯铁，铁芯与其外部缠绕的线圈7组合成电磁铁。每个芯柱6用高强度漆包线缠绕200匝组成线圈7，即一根铁芯的线圈总匝数为400匝。缠绕线圈7时，先分别在两根铁芯上以相同的方式绕上线圈7，确定每根铁芯上线圈7的电流流入端和电流流出端，再将一根铁芯上线圈7的电流流出端与另一跟铁芯上线圈7的电流流入端连接，最后将露出线圈7导线的电流流入端与励磁电源9正极相连，露出线圈7导线的电流流出端与励磁电源9负极相连。励磁电源9输出的电流值可调。

[0026] 四个导磁体2环向均匀的布置在气罩4外部，材质与铁芯相同为工业纯铁。如图5所示，为了结构紧凑，导磁体2由平板结构加工成贴合于气罩4外壁的形状，其上端应延伸至卡槽402底面和外侧开口处并将能够将该外侧开口覆盖，下端延伸至气罩4底端并径向均布的包围在钨极1外部，目的是为了将电磁铁产生的磁场有效地传递到钨极1附近。这样，导磁体2底端相对于其主体平板结构膨大凸出而构成磁极瓣201，该磁极瓣201一方面可以作为限位结构卡在气罩4底端边缘，以控制导磁体2的安装位置，另一方面使导磁体2底端更接近于钨极1，易于在焊接时控制电弧形态。通过导磁体2将电磁铁产生的磁场导向钨极1处，由于导磁铁2相比较缠绕线圈7的电磁铁占用空间小很多，因而可以减少对钨极1的遮挡，使得钨极1周围剩余空隙相对较大，便于用相机观察焊接过程中的电弧的熔池。

[0027] 四根芯柱6的底部分别插入四个卡槽402与四个导磁体2上部构成的四个空腔中，每根芯柱6的底部外侧切削为平面并与导磁体2的平面紧密接触，以达到有效传递磁场的目的。第一螺钉5在每个导磁体2上部依次穿过导磁体2、芯柱6和气罩4而将三者固定连接，第二螺钉3在每个导磁体2下部依次穿过导磁体2和气罩4而将两者固定连接，这样芯柱6和导磁体2紧凑的和气罩4固定为一体。

[0028] 励磁电源9给线圈7通入电流时，由于芯柱6与导磁体2在卡槽402处相连接，芯柱6与线圈7所构成的电磁铁产生的磁场经由芯柱6传导至导磁体2下端的磁极瓣201。如图2所示，四个导磁体2的磁极瓣201形成N极与N极相对，S极与S极相对的双尖角磁场，产生的磁场强弱由励磁电流来调节，电流越大，磁场越强。如图6所示，钨极1尖端产生的电弧10在这样的双尖角磁场作用下，电弧等离子体中的带电粒子会在洛伦兹力的作用而向内偏移，也就是产生压缩，电弧截面由圆形变为椭圆形，从而压缩电弧10能够提高电弧密度，增强穿透力，增加小孔的稳定性。

[0029] 理论上，使用双尖角磁场能使电弧截面由圆形变为椭圆形。原理如图7所示。首先，(a)表示电弧产生电磁场，当电流的方向为垂直纸面向外时，由安培定理知，磁场的方向为逆时针，再根据左手定则可以判断电弧受到均匀的电磁收缩力；而四个相对的磁极产生如(b)所示的磁场方向。这两种情况使得电弧产生的磁场和磁铁产生的磁场，上下方向相同，左右方向相反抵消了部分磁场，即电弧发生偏向，上下方向被压缩，左右方向被放大，最终使电弧截面的形状由圆形变为椭圆形，如(c)所示。

[0030] 焊接时，为了避免高频对励磁电源9的影响，电弧在较小焊接电流下实现起弧后，再把电磁铁的线圈7接到励磁电源9上，旋转励磁电源9的电流档，调节励磁电流，之后开始正常焊接，励磁电流的大小由实验多次尝试获得，一般情况下，励磁电流越大，磁场强度越大，对电弧的压缩性能越强。

[0031] 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。