LP—TIG焊槍結(jié)構(gòu)建模效果的仿真驗證研究

李洹

摘 要：文章針對常規(guī)TIG焊存在的單道焊接熔深淺、焊接速度低、焊接效率低下等問題開發(fā)了LP-TIG焊接方法，該焊接方法是通過強化冷卻鎢極，壓縮電弧，獲得電流密度大、電弧挺度高、穿透能力強的焊接電弧，實現(xiàn)穿孔型焊接，增大焊接熔深，提高TIG焊的焊接效率，拓展常規(guī)TIG焊的應(yīng)用范圍。

關(guān)鍵詞：LP-TIG焊槍；結(jié)構(gòu)建模；穿孔型焊接

本文提出的LP-TIG焊槍可以實現(xiàn)對鎢極的良好冷卻，并且具有良好的導(dǎo)電、導(dǎo)熱及絕緣性能。該焊槍在進(jìn)行平板對接焊時可以實現(xiàn)2～8 mm厚低碳鋼，6～10 mm厚不銹鋼的單面焊雙面成形焊接工藝，且焊接形式為穿孔型焊接，焊接過程穩(wěn)定，焊縫成形較好。

1 LP-TIG焊槍結(jié)構(gòu)原理及設(shè)計思路

由LP-TIG焊接方法的原理可知，在進(jìn)行LP-TIG焊槍設(shè)計時需要重點考慮的問題就是對鎢極的冷卻，且要保證冷卻效果可以達(dá)到鎢極的尖端，從而可以實現(xiàn)將電弧壓縮至鎢極尖端的目的，另外，還需要考慮到導(dǎo)電，冷卻水路，保護(hù)氣路以及焊槍外部絕緣等問題[1]。

1.1 冷卻系統(tǒng)及導(dǎo)電系統(tǒng)的設(shè)計

冷卻系統(tǒng)的設(shè)計采用水電一體的設(shè)計方案，冷卻水經(jīng)水冷電纜從焊槍中心銅管進(jìn)入槍體，直接噴灑在鎢極夾頭的后部，實現(xiàn)對鎢極的冷卻，同時中心銅管接水冷電纜，通過導(dǎo)電體將電流導(dǎo)通至鎢極，實現(xiàn)電路的導(dǎo)通。由于該焊槍使用的焊接電流高達(dá)700 A，因此，還需要考慮電流通路上導(dǎo)體的導(dǎo)電能力及導(dǎo)體單位截面積上允許通過的電流大小。

1.2 氣路系統(tǒng)的設(shè)計

采用從焊槍側(cè)壁導(dǎo)入氣體，利用絕緣套與焊槍槍體及導(dǎo)電體之間的間隙，將氣體傳導(dǎo)至焊槍噴嘴的上部，為了避免氣流紊亂，造成保護(hù)效果不良，因此，需要在氣體進(jìn)入噴嘴之前對氣流進(jìn)行梳理，使氣流進(jìn)入噴嘴后基本處于層流的狀態(tài)[2]。

1.3 鎢極的夾持問題

鎢極夾不僅要實現(xiàn)對鎢極夾持定位，同時還需要跟鎢極緊密接觸，實現(xiàn)對鎢極的強化冷卻，同時將焊接電流傳導(dǎo)給鎢極，因此，鎢極夾設(shè)計成為該焊槍設(shè)計成敗的關(guān)鍵。另外，還需要考慮的問題是，外槍體由于散熱的問題需要采用金屬材料，這就需要考慮導(dǎo)電體和外槍體之間的絕緣問題[3]。

2 焊槍整體設(shè)計

根據(jù)LP-TIG焊槍結(jié)構(gòu)原理及既定的設(shè)計思路，進(jìn)行LP-TIG焊槍結(jié)構(gòu)的設(shè)計，首先進(jìn)行焊槍結(jié)構(gòu)的整體方案設(shè)計，然后針對各個系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計，最后進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計，完成整個焊槍的樣機方案設(shè)計[5]。

2.1 LP-TIG焊槍結(jié)構(gòu)的設(shè)計

采用三維繪圖軟件進(jìn)行了焊槍整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計。焊槍主要由以下幾部分組成：進(jìn)水管、焊槍后蓋、導(dǎo)電塊、導(dǎo)電體、絕緣套、槍體、內(nèi)噴水管、篩網(wǎng)、噴嘴、鎢極夾、鎢極夾套、進(jìn)氣管、回水管。

2.2 電流傳導(dǎo)系統(tǒng)

該系統(tǒng)將一端跟焊接電源正極相連，一端跟鎢極相連。通過電流傳導(dǎo)系統(tǒng)將焊接電源發(fā)送的焊接電流傳導(dǎo)至鎢極尖端，鎢極尖端與被焊母材之間在高頻放電的作用下?lián)舸﹥烧咧g的保護(hù)氣體，從而在兩者之間形成穩(wěn)定燃燒的電弧，焊接電流最終通過鎢極尖端，在焊接電弧的作用下傳導(dǎo)至母材處，然后通過母材將電流傳導(dǎo)回焊接電源負(fù)極，形成焊接回路。由于該焊槍設(shè)計的最大使用焊接電流高達(dá)700 A，因此，需要考慮導(dǎo)電系統(tǒng)的導(dǎo)電能力。

2.3 冷卻水循環(huán)系統(tǒng)

結(jié)合常規(guī)大電流TIG焊槍的設(shè)計思路，可以考慮水電一體的設(shè)計思路，將冷卻水循環(huán)水路與導(dǎo)電系統(tǒng)統(tǒng)一起來，既可以完成電流的傳導(dǎo)，也可以實現(xiàn)對導(dǎo)電體的良好冷卻效果。作為導(dǎo)電體的紫銅材料，不僅具有優(yōu)越的導(dǎo)電性能，同時也具有良好的導(dǎo)熱性能，剛好實現(xiàn)導(dǎo)電和冷卻兩方面的功能。

2.4 保護(hù)氣傳導(dǎo)系統(tǒng)

鎢極氬弧焊使用的保護(hù)氣為惰性氣體，一般為Ar氣、He氣，惰性氣體主要包括兩方面的作用：一方面在鎢極和母材之間被電離形成電弧，以等離子體的形式存在，傳導(dǎo)電流和熱量；另一方面是將鎢極和熔化的被焊金屬與空氣隔離起來，防止鎢極被燒損和熾熱的金屬被氧化，保護(hù)焊縫。因此，這就要求保護(hù)氣體從焊槍噴嘴流出時必須是層流狀態(tài)，才不至于將空氣卷入焊接電弧和被焊區(qū)域，這樣才能更好地保證鎢極不被燒損，焊縫金屬不被氧化。

2.5 焊槍與外界的絕緣系統(tǒng)

由于考慮到焊槍需要承受電弧輻射的熱量問題，因此，焊槍槍體將采用金屬材料，但在生產(chǎn)過程中槍體就極容易跟母材連接，導(dǎo)致槍體與母材間產(chǎn)生電弧，燒壞槍體，因此，在導(dǎo)電體和槍體之間必須做好良好的絕緣。

3 LP-TIG焊槍設(shè)計方案熱力學(xué)驗證

考慮到導(dǎo)電體在導(dǎo)通電流時會產(chǎn)生的焦耳熱以及電弧輻射的熱量都會引起導(dǎo)電體溫度的上升，從而引起冷卻液的溫度上升。如果冷卻液對導(dǎo)電體的冷卻能力不夠，導(dǎo)電體溫度過高可能燒壞與導(dǎo)電體緊密接觸絕緣套，絕緣套耐熱溫度為400 ℃。為了避免這一情況的出現(xiàn)，針對該設(shè)計方案進(jìn)行熱力學(xué)驗證[6]。

5 結(jié)語

本文針對該焊接方法進(jìn)行了不銹鋼焊絲堆焊、坡口內(nèi)的打底焊和填充焊的適應(yīng)性驗證試驗。從試驗結(jié)果可以看出，該方法用于堆焊時，最高送絲速度可以達(dá)到8 m/min。也適用于0～4 mm鈍邊尺寸范圍內(nèi)的打底焊，用于填充焊時，焊絲的填充速度可以達(dá)到8 m/min。因此，從以上試驗結(jié)果可見LP-TIG焊接方法屬于一種新型高效的TIG焊接方法，將大大提升TIG焊的焊接效率，拓展TIG焊的應(yīng)用范圍，具有廣闊的應(yīng)用前景。

[參考文獻(xiàn)]

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