[发明专利]一种大熔深大深宽比穿孔等离子弧焊接装置及焊接方法

说明书

本发明涉及一种大熔深大深宽比穿孔等离子弧焊接装置及焊接方法，属于等离子焊技术领域，装置包括焊枪，焊枪端部包括钨极，钨极外侧套设有瓷套，瓷套外侧套设有水冷铜喷嘴，水冷铜喷嘴外侧套设有气罩，水冷铜喷嘴与气罩之间通入保护气；瓷套的外表面设有螺旋导流槽，瓷套与水冷铜喷嘴之间通入离子气，离子气经由水冷铜喷嘴内壁和导流槽之间，离子气由水冷铜喷嘴出口流出，离子气在水冷铜喷嘴的下腔体部位形成涡流；水冷铜喷嘴的下腔体容积小于上腔体的容积，下腔体的内壁为流线型内壁。离子气自由行程短，气流的指向性强，有利于电弧挺度的增加。相比较于现有结构中的涡流形成条件，本发明中涡流受拘束强，可控性好，涡流效果明显。

技术领域

本发明涉及一种大熔深大深宽比穿孔等离子弧焊接装置及焊接方法，属于等离子焊技术领域。

背景技术

目前，工业上常见的大厚度工件的焊接主要是通过先加工坡口(V形、Y形，等)，再采用多层单道或者多层多道的焊接方法填满坡口，从而实现焊接。但此种方法需要预先开坡口，不但造成材料的浪费，还费时费工，需要消耗大量的人力和物力，降低生产效率。此外，多层焊焊接工艺复杂，容易造成焊接缺陷。

在穿孔等离子弧焊接过程中，其电弧经过机械压缩、热压缩和电磁收缩三种压缩方式以后，能量密度得到显著提高，电弧挺度好、穿透能力强，因而穿孔等离子弧焊接技术可以在不加工坡口的情况下实现“单面焊、双面成形”，能极大简化整个焊接过程，提高生产效率。但是，现有的穿孔等离子弧焊接技术能够单次焊透工件的厚度有限(一般小于12mm)，而且深宽比较小(即焊缝宽度较大，背面熔池容易出现下塌)，这就限制了该先进技术在大厚度工件焊接方面的工业应用。

发明内容

针对现有技术的不足，为了解决穿孔等离子弧焊接技术在大厚度工件焊接方面的应用限制，本发明提供一种大熔深大深宽比穿孔等离子弧焊接装置及焊接方法，主要用于较大厚度(4mm--30mm)工件在不开坡口的情况下，单次焊接，双面成形，获得较大深宽比的焊接接头，可以实现不加工坡口、填丝或不填丝一次焊透大厚度工件。

本发明的技术方案如下：

一种大熔深大深宽比穿孔等离子弧焊接装置，包括焊枪，焊枪端部包括钨极，钨极外侧套设有瓷套，瓷套外侧套设有水冷铜喷嘴，水冷铜喷嘴外侧套设有气罩，水冷铜喷嘴与气罩之间通入保护气；

瓷套的外表面设有螺旋导流槽，瓷套与水冷铜喷嘴之间通入离子气，经电离后电弧从水冷铜喷嘴末端喷出，离子气经由水冷铜喷嘴内壁和导流槽之间，离子气由水冷铜喷嘴出口流出，离子气在水冷铜喷嘴的下腔体部位形成涡流；水冷铜喷嘴的下腔体容积小于上腔体的容积，下腔体的内壁为流线型内壁。

将喷嘴内壁改为流线型结构，减小因结构突变带来的气体运动阻力，避免发生紊流，使得离子气运动更为顺畅，稳定焊接过程。同时，本发明中喷嘴出口的流线型结构还起到逐步压缩离子气的作用，从而提高电流密度，增加熔深。

根据本发明优选的，瓷套外表面导流槽为圆弧型凹槽。

进一步优选的，导流槽的圆弧尺寸为R0.5-R5.0，单位毫米；导流槽的个数为3-15个，导流槽的圈数为1-10圈。

进一步优选的，导流槽个数为4个，圈数为3圈，圆弧尺寸为R1.4，单位毫米。

离子气受到导流槽和喷嘴内壁的约束，直到靠近钨极尖端才解除瓷套的约束，离子气自由行程短，其指向性强，有利于电弧挺度的增加。相比较于直吹的气流，涡流中气体向中心螺旋汇聚，其中心为低压区，有利于弧柱稳定于喷嘴孔道中心，既增强了弧柱的稳定性，同时对电弧的压缩作用更为强烈，得到的等离子弧能量密度更大，挺度更好。

根据本发明优选的，所述的离子气中通入氦气。在离子气中加入氦气，在相同的焊接电流下，氦气比氩气具有更高的电弧电压，所以加入氦气能使得电子的运动速度增大，电弧能量得到提高，从而加大熔深。