[发明专利]一种复合型压缩—自由电弧等离子弧焊系统

说明书

本发明属于焊接技术领域，公开了一种复合型压缩—自由电弧等离子弧焊系统，枪体中心设置有中心钨极，枪体下端连接有铜喷嘴，铜喷嘴端部安装有伸出铜喷嘴且环绕在铜喷嘴压缩孔周围的喷嘴钨极，喷嘴钨极顶部嵌入并固定于铜喷嘴；中心钨极通过第一电源与被焊工件连接，用于在中心钨极和被焊工件之间形成等离子弧；铜喷嘴或枪体通过第二电源与被焊工件连接，用于在喷嘴钨极和被焊工件之间形成自由电弧。本发明通过分别控制等离子弧和自由电弧的电流密度控制电弧力和焊接热输入的大小，实现了PAW焊接的热力解耦，从而保证稳定高效焊接，增加焊接工艺的可控性，改善焊接稳定性，提高适应性，扩大等离子弧焊的工艺窗口，提高焊接质量。

技术领域

本发明属于焊接技术领域，具体的说，是涉及一种等离子弧焊系统。

背景技术

等离子弧焊是一种高效优质焊接工艺，具有高质量、低成本、自动化程度高的特点，在焊接领域中占有重要的地位。相比于激光焊和电子束焊，等离子弧焊适应性强，对接头装配精度要求低，广泛应用到管道、汽车、航空航天、海洋装备等高端制造领域。对等离子弧焊接技术的研究具有重要的经济效益。

等离子弧焊中产生压缩电弧的基本形式是：在钨极尖端与工件之间燃烧的电弧外部加载一个水冷铜喷嘴，让电弧等离子体通过喷嘴中间的孔道喷出。电弧通过温度较低的拘束孔道后，受到拘束孔壁的机械压缩作用，在径向被拘束而不能扩展；另外，由于水冷喷嘴的冷却作用，靠近喷嘴内壁流过的气体被冷却而不易电离，在弧柱与喷嘴出口处形成一层导电导热性很差、几乎中性的冷气膜，这样不仅保护了喷嘴，而且电弧外围被冷却受到热压缩作用；径向受拘束的电弧，电流通道横截面缩小，电流密度增加，弧柱电流自身产生的磁场对弧柱中带电粒子的洛伦兹力显著增加，从而进一步对电弧产生电磁收缩效应。由于以上三重压缩效应，拘束电弧的电离度显著提高，能量更集中，电弧力增强，能够对中厚板实现穿孔焊接。然而，在这种喷嘴设计中，电弧电流较大时，容易产生双弧。另外，压缩电弧的弧压/电流比值比常规自由电弧要大得多，过大的电弧压力作用在熔池中，很容易造成焊穿和塌陷等焊接缺陷，使得等离子弧焊的工艺窗口比较窄。因而，迫切需要对等离子弧焊枪进行改良，使之在保证稳定穿孔的前提下，尽量扩大工艺窗口。

VPPAW焊接铝合金中，高压缩电弧热源和电弧压力破坏了熔池的受力平衡，恶化了熔池稳定性，容易形成烧穿和塌陷。针对这一问题，国内林三宝教授团队对压缩喷嘴进行了优化设计，提出了柔性VPPAW工艺。常规水冷喷嘴中，只有中间的压缩孔，所有等离子体通过中间的压缩孔喷出，被压缩的弧柱弧压非常大。改进的喷嘴中，在中间压缩孔两侧开了两个对称的小孔，一部分等离子气流通过侧孔流出，弱化了中间压缩孔的压缩程度，从而减弱了电弧压力，有利于稳定熔池。针对于喷嘴容易产生双弧的问题，德国TechnischeUniversiteit Delft大学对中间压缩孔的气道进行改进。在常规喷嘴的中心压缩孔周围开了多条径向微细孔，在微细孔内通入一定流速的氩气，氩气不仅增加了对中间等离子弧柱的压缩效果，而且很好地消除了双弧现象。以上两种改进，已经对喷嘴的结构进行部分改进，以提高PAW焊接的工艺适用性，但是并没有实现等离子弧焊接中电弧的热力解耦。

发明内容

本发明要求解决的是目前PAW焊接电弧作用在熔池中的气体压力过大，破坏小孔稳定性的技术问题，提供了一种复合型压缩—自由电弧等离子弧焊系统，对现有等离子弧焊系统进行改进，增加一路焊接电流在喷嘴钨极与工件之间形成自由电弧，从而构建压缩—自由复合电弧，通过分别调节压缩弧和自由弧的电流达到独立调节电弧的电弧压力与热输入，实现等离子弧焊接中电弧的热力解耦。

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：

一种复合型压缩—自由电弧等离子弧焊系统，包括枪体，所述枪体中心设置有中心钨极，所述枪体下端连接有铜喷嘴，所述铜喷嘴端部安装有环绕在所述铜喷嘴的压缩孔周围的喷嘴钨极，所述喷嘴钨极顶部嵌入并固定于所述铜喷嘴；所述中心钨极通过第一电源与被焊工件连接，用于在所述中心钨极和被焊工件之间形成等离子电弧；所述铜喷嘴或所述枪体通过第二电源与被焊工件连接，用于在所述喷嘴钨极和被焊工件之间形成自由电弧。