用于超細顆粒焊劑約束電弧超窄間隙焊接的焊槍設計

李德福，鄭韶先，李小雷

(1.蘭州交通大學 鐵道技術學院，甘肅 蘭州 730000；2.蘭州交通大學 機電工程學院，甘肅 蘭州 730070)

用于超細顆粒焊劑約束電弧超窄間隙焊接的焊槍設計

李德福1，鄭韶先2，李小雷2

(1.蘭州交通大學 鐵道技術學院，甘肅 蘭州 730000；2.蘭州交通大學 機電工程學院，甘肅 蘭州 730070)

為解決超細顆粒焊劑約束電弧超窄間隙焊接的焊絲準確送入與夾緊力調節、焊絲與板式導電嘴的接觸導電以及板式導電嘴與超窄間隙側壁的防接觸等問題，設計了一種適合于超窄間隙焊接的焊槍。該焊槍焊接時，焊絲在送絲輪推動下經導絲管進入兩塊板式導電嘴間的圓弧槽內并被彈性夾緊力夾緊，而后被準確送入超窄間隙內與墊板接觸引弧。試驗結果表明，該焊槍能夠滿足超細顆粒焊劑約束電弧超窄間隙焊接的要求，獲得了成形良好的超窄間隙焊縫。

超細顆粒焊劑；超窄間隙焊接；約束電弧；焊槍

0 前言

超窄間隙焊接UNGW(Ultra Narrow Gap Welding)具有焊接線能量低、焊后殘余應力小、工件變形小、熱影響區窄等優點，屬于一種高效、低成本的焊接技術。然而，超窄間隙焊接時由于過小的側壁間隙使得電弧很不穩定，易沿側壁向上攀升，以致焊接過程無法正常進行。因此，防止電弧沿間隙側壁攀升是實現超窄間隙焊接的關鍵。

為解決UNGW的電弧攀升問題，Nakamura開發了一種可實現超窄間隙焊接的控制系統[1]，采用脈沖電流控制焊絲端頭沿間隙側壁上下運動的方法實現了超窄間隙焊接，但由于焊接時電弧較發散而不能有效加熱間隙底部，使得上下兩道焊縫交接處出現明顯未熔合。文獻[2]、[3]通過在間隙兩側壁貼覆焊劑片或在氬氣保護下向電弧兩側連續輸送焊劑帶以約束電弧的方法實現了超窄間隙焊接，并獲得了成形良好的超窄間隙焊縫。然而，由于前者存在貼覆焊劑片工藝復雜的問題，而后者存在焊接過程中電弧約束不穩定的問題，故這兩種方法均不能用于工業化應用。

基于約束電弧以防止電弧攀升的思路和埋弧焊時焊劑顆粒被電弧加熱熔化后在電弧周圍形成的熔渣膜對電弧具有約束作用的原理，設計了適用于超窄間隙焊接用的焊槍，并取得了良好的焊接效果。

1 超窄間隙中超細顆粒焊劑約束電弧的思路

如圖1所示，焊絲在送絲輪的推動下，穿過板式導電嘴的圓弧槽后進入寬度小于6 mm的I型對接坡口間隙，與墊板接觸并引弧。靠近電弧區的焊劑顆粒被電弧加熱熔化形成對電弧具有強烈約束作用的熔渣壁，在熔渣壁的約束下電弧被限制在超窄間隙底部的一定空間范圍內對間隙兩側壁及其底部進行加熱。通過調整相關焊接參數并使之合理匹配，不僅能有效控制電弧在超窄間隙中的加熱區范圍，有利于電弧加熱側壁根部，而且還可以保證熔化的焊絲在間隙中的填充高度與電弧在側壁的加熱熔化高度相等，因而能夠獲得成形良好的超窄間隙焊縫。采用超細顆粒焊劑約束電弧主要基于以下兩方面的考慮，一是為了防止因焊劑顆粒過大而導致焊絲移動時被卡從而偏離間隙中心線；二是為了有利于電弧移動時焊劑顆粒具有較好的“流動性”，以便于及時填滿熔渣壁與工件側壁形成的間隙，從而保證形成對電弧具有良好約束作用的渣壁約束長度Lc。

圖1 超細顆粒焊劑約束電弧超窄間隙焊接方法

2 焊槍結構與設計

要實現超細顆粒焊劑約束電弧超窄間隙焊接過程，就必須依靠專用的焊槍來保證。實際上，超窄間隙焊接應考慮如下問題：一是焊絲的準確送入及焊絲與板式導電嘴的接觸導電問題；二是導電嘴對焊絲夾緊力的調節問題；三是板式導電嘴與超窄間隙側壁的防接觸問題。為此，超細顆粒焊劑約束電弧超窄間隙焊接專用焊槍的原理和結構如下。

2.1 焊絲與板式導電嘴的接觸導電原理和結構

由于超窄間隙焊接采用的I型坡口間隙在6mm以下，焊絲必須完全矯直后才能順利進入間隙，并使焊絲軸線與坡口間隙中心線對中以防止電弧偏離間隙中心線，造成側壁加熱不良。為此，焊槍采用了圖2所示的結構，焊絲受板式導電嘴的彈性夾緊力作用，被夾緊在兩塊板式導電嘴所開的圓弧槽內，這樣的接觸方式不僅有效增加了導電嘴和焊絲的接觸面積，減小了接觸電阻，使得接觸可靠、導電穩定性好，而且有利于將焊絲準確送入超窄間隙內。當長時間焊接后，焊絲使圓弧槽磨損變大時，在彈性夾緊力作用下仍能使圓弧槽內表面和焊絲外表面保持良好接觸，并可有效延長板式導電嘴使用壽命。

圖2 開圓弧槽的雙銅板板式導電嘴

焊槍設計額定電流350 A，板式導電嘴由2 mm厚黃銅板制成，黃銅單位電流密度為5 A，為滿足額定電流的要求，單側板式導電嘴最小導電截面積為70 mm2。

2.2 焊絲夾緊力調節原理和結構

CO2氣體保護焊是依靠一定曲率半徑的焊絲與板式導電嘴內孔的三點穩定接觸來保證導電嘴對焊絲電流的傳導，然而，長時間焊接后導電嘴內孔磨損變大，將導致焊絲與導電嘴接觸點的位置發生改變，因而使焊絲伸出長度發生改變，影響焊接電弧穩定性。超細顆粒焊劑約束電弧超窄間隙焊接焊槍結構如圖3所示，連接電極、板式導電嘴A和電極連接塊A通過螺釘1互相連接后再通過螺釘2將軸承、階梯軸連接在一起，整體可繞階梯軸軸線轉動。焊接時，焊絲外表面與板式導電嘴圓弧槽內表面受彈性夾緊力作用接觸良好。長時間焊接后，即使出現焊絲對圓弧槽的較大磨損，由于板式導電嘴A能自由轉動，仍可保證圓弧槽緊貼焊絲表面。

圖3 焊絲夾緊力調整裝置

2.3 板式導電嘴與側壁的防接觸原理與結構

為保證焊絲軸線盡量與超窄間隙中心線重合，使板式導電嘴不與工件側壁接觸而被燒損，在板式導電嘴A的左側和導電嘴B的右側設置了導向桿A、B，導向桿直徑均為4.6mm。如圖4所示，O1、O、O2分別是導向桿A、焊絲和導向桿B的中心，且O1、O、O2三點共線；M、P為板式導電嘴A的外端點，N、Q為板式導電嘴B的外端點；T1、T2、T3、T4為導向桿與側壁的四個接觸點。焊接時，導向桿與側壁接觸可分以下四種情況，即在T1、T2點接觸、在T3、T4點接觸、在T1、T4點接觸和在T2、T3點接觸。其中，在T1、T2點接觸和在T3、T4點接觸原理相同，在T1、T4點接觸和在T2、T3點接觸原理相同，故僅作兩種情況考慮。若導向桿與側壁在T1、T2點接觸時，因O1、O、O2共線，且板式導電嘴厚度的一半小于導向桿半徑，所以，板式導電嘴與兩側壁始終不能接觸。若導向桿與兩側壁在T1、T4點接觸時，焊絲中心O仍位于間隙中心線上，此時，M點距間隙中心線的距離小于接觸點T1距中心線的距離，Q點距間隙中心線的距離小于T4距間隙中心線的距離，因此，板式導電嘴A、B都不與工件側壁接觸。由此可知，導向桿的設置使板式導電嘴和工件側壁均不接觸。

圖4 導向桿結構

2.4 焊槍總裝圖

根據超窄間隙焊接對焊槍的基本要求，在實現上述功能的前提下，設計的焊槍結構如圖5所示。

圖5 焊槍總裝圖

焊接時，焊絲在送絲輪推動下經導絲管后，進入板式導電嘴A和導電嘴B之間的圓弧槽內，電極連接塊A上安裝有軸承，故電極連接塊A能繞軸承軸線相對絕緣板轉動，而電極連接塊B則被固定在絕緣板上。電極連接塊B上安裝有調力彈簧，在調力彈簧彈性力的作用下，板式導電嘴A、B的圓弧槽對焊絲的夾緊力可實現自動調節，這有利于保證焊絲與導電嘴的良好接觸，因而電弧穩定性高。板式導電嘴、導向桿和焊劑加入、收集管的尺寸設計能保證焊槍可順利伸入超窄間隙內。從圓弧槽內出來的焊絲被準確送入超窄間隙內與墊板接觸引燃電弧。從焊劑加入管管口落下的焊劑顆粒被電弧加熱熔化后會形成熔渣壁，在其約束作用下，電弧被限制在間隙底部一定范圍內燃燒并以較高的能量密度加熱熔化間隙兩側壁及其底部。同時，焊劑收集管能將多余的焊劑吸入收集管進行回收再利用。每焊完一道焊縫后，將厚度2～4 mm且高速旋轉的砂輪片伸入超窄間隙內進行清渣處理，之后進行下一道焊接，直至將超窄間隙完全填滿。在整個焊接過程中，熔化的金屬都被熔渣壁所包覆，故焊接過程穩定且沒有飛濺，因此不存在因飛濺物附著在間隙側壁而卡住焊槍的情況發生。

3 焊接試驗

利用所設計的焊槍進行了超細顆粒焊劑約束電弧超窄間隙焊接試驗。試驗所用焊劑為SJ101，焊絲為直徑φ 1.6mm的H08Mn2Si，工件及墊板材質為低碳鋼，電源為平特性。圖6為試驗所得成形良好的焊縫橫截面形貌，焊接參數分別為：焊接電壓24.2 V，電流263 A，焊速7.35 mm／s，焊劑顆粒度14～20目，焊劑堆積高度20 mm，坡口間隙5.5 mm。另外，焊接采用了“V”形金屬絲網襯墊焊劑顆粒的工藝。

焊接試驗表明，焊槍結構能滿足超窄間隙焊接的要求。夾緊力調整合適后，保證了焊絲可靠導電且焊絲阻力適當無卡絲。雖使用一段時間后，導電嘴銅板有所磨損，但與焊絲的接觸長度仍能保持不變，保證了具有合適的夾緊力，實現了可靠導電，確保了電弧的穩定。

4 結論

(1)研究了一種實現超窄間隙焊接的新方法。采用盡可能小的坡口間隙(約5.5 mm)，用超細顆粒焊劑對電弧進行約束，可阻止電弧沿側壁攀升，實現了對電弧加熱區域的有效控制，保證了坡口兩側壁的有效熔合。

(2)設計了適用于超細顆粒焊劑約束電弧超窄間隙焊接用的專用焊槍。采用開圓弧槽的雙銅板板式導電嘴和焊絲夾緊力調節結構，保證了焊接過程的可靠導電，焊槍結構合理，焊接過程穩定。

圖6 超細顆粒焊劑約束電弧超窄間隙焊縫形貌

[1] Engelhard G，Habip L M，Pellkofer D，et al.Optimization of welding stresses in austenitic steel piping：prooftesting and numerical simulation of welding and postwelding processes[J].Nuclear Engineering and Design，2000(198)：141-151.

[2]朱 亮，張旭磊，鄭韶先，等.焊劑帶約束電弧超窄間隙焊接的實現[J].蘭州理工大學學報，2007(6)：27-30.

[3]那雪冬，朱 亮.細晶粒鋼的涂覆焊劑片超窄間隙焊[J].電焊機，2004，34(8)：20-23.

[4]鄭韶先，朱 亮.焊劑帶約束電弧在超窄間隙焊接中的加熱特性[J].焊接學報，2008(5)：57-60.

[5]王宗杰.熔焊方法及設備[M].北京：機械工業出版社，2006.

[6]劉會杰.焊接冶金與焊接性[M].北京：機械工業出版社，2008.

Welding torch used in Ultra-narrow gap welding with Ultra-fine granular flux constricting arc and its design

LI De-fu1，ZHENG Shao-xian2，LI Xiao-lei2
(1.College of Railway Technical，Lanzhou Jiaotong University，Lanzhou 730000，China；2.College of Mech-Electronic Technology，lanzhou Jiaotong University，Lanzhou 730070，China)

To solve the problems of Ultra-narrow Gap Welding with Ultra-fine Granular Flux Constricting Arc.A kind of welding torch is designed in this paper.The problems which conclude feeding wire accurately and adjustment of clamping force，the conduct of wire and flat contact tube and the anti-contact of flat contact tube with sidewalls and so on.While welding，wire is driven by the wire wheel through the guide wire tube into circular slot between the two flat contact tube and clamped by elastic clamping force，then being sent to ultra-narrow gap and being welded.The results show that the welding torch can meet the requirements of Ultra-narrow Gap Welding with Ultra-fine Granular Flux Constricting Arc，and a good weld is obtained.

Ultra-fine Granular Flux；ultra-narrow gap welding；constricting arc；welding torch

TG431

A

1001-2303(2012)03-0033-04

2011-06-03

國家自然科學基金項目(51105185)；金川公司預研基金項目(420032)

李德福(1980—)，男，安徽太和人，講師，主要從事焊接工藝的研究與開發工作。