一种可压缩电弧的钨极惰性气体保护焊焊枪的制作方法

本实用新型涉及一种焊枪，尤其涉及一种可压缩电弧的钨极惰性气体保护焊焊枪。

背景技术：

钨极惰性气体保护焊是在惰性气体的保护下，钨电极与工件间产生的电弧熔化工件或焊丝(如果使用填充焊丝)使工件焊接在一起。钨极氩弧焊自问世以来，在半个多世纪以来，最突出的缺点是电弧呈自由燃烧状态，能量密度较低，导致焊接生产效率低下，且焊接熔深较浅，通常只能对3-5mm钢板进行焊接。通过对电弧和热等离子体的物理属性分析，单纯依靠增大电功率来满足高效焊接和深熔焊接难以实现，而且，热输入与热影响区过大，焊后变形和残余应力较大。

根据电子更容易在尖端和在热端放电的原理，钨极惰性气体保护焊枪产生的电弧最先的钨极尖端产生，瞬间尖端温度急剧升高和扩散，电弧在整个钨极前端产生。进一步研究表明工作电流越大，电弧压力越大，电弧能量密度越高。随着电流不断加大，电弧能量密度提高，钨极表面温度会不断升高。如果超过钨的熔点，钨极就会损坏。所以钨极惰性气体保护焊的电弧能量密度不能太大，所以普通钨极惰性气体保护焊的焊接熔深有限。

在焊接时减低钨极温度可以使得电弧被压缩在电极尖端，为了提高钨极惰性气体保护焊的能量密度，在原有惰性气体保护焊枪的基础上加入水冷系统，对钨极进行冷却。这种情况下，钨极尖端产生电弧后，由于水对钨极外径进行冷却，使钨极中心温度远高于外径。这种情况下电弧只在钨极中心产生，电弧压力增强，电弧能量密度显著增强。对钨极进行有效冷却，使钨极表面温度不超过熔点，就可以使钨极在较大电流下工作。

在高效冷却电极情况下，钨极惰性气体保护焊的电弧被迫压缩到钨极的尖部，使得钨极的电流密度增高（同时也提高了电子发射的逸出功），电弧会产生较强的“自磁收缩”效应，这一效应的强度与通过载导体的电流平方成正比，与弧根直径的平方成反比，电流越大，磁收缩效应越强。钨极冷却效果越好，电弧向中心汇聚的效果越好，电弧压力越大。钨极冷却效果越好，工作电流越大，电弧压力越大。当电弧压力较大时，焊接时电弧对熔池具有较强冲击，出现小孔效应，实现深熔焊接。随着冷却效果的不断提高，钨极产生电弧的面积会不断缩小，电弧压力不断加强，电弧的熔深不断加大，焊接的板厚不断增加。试验表明，在不开坡口情况下，水冷钨极焊枪能对10mm厚碳钢板或8mm铝合金板实现单面焊接双面成型，且焊缝金相组织和力学性能明显优于普通焊接。冷却效果越好，焊接熔深越大，金相组织和力学性能越好。良好的冷却是获得良好深熔焊接的关键。

在高效冷却电极情况下，电弧直径缩小，电弧附近的附加压力升高，由于对远处的电弧不产生影响，附加压力沿轴向形成压力梯度，这压力梯度使电弧中介质从高压向低压处流动，形成阴极射流。当钨极惰性气体保护焊的电弧中出现较强烈阴极射流时，就能防止电弧的横向摆动，并保证阴极斑点稳在阴极杆的端部使电弧稳定。高效冷却电极的钨极惰性气体保护焊克服了普通钨极惰性气体保护焊存在的受随机自然气流干扰出现的电弧横向摆动，弧根不稳的情况。冷却效率越高，阴极射流越明显，阴极斑点越小，电弧越坚挺，热效率越高，深熔焊接效果越好。

为了使钨极获得良好的冷却，有直接、间接等多种方式对钨极进行冷却。其中利用具有良好导热性金属制成电极支架固定钨极，通过进出焊枪体内的冷却水冷却电极支架，电极支架再利用热传导冷却钨极或钨极夹是一种简洁、十分有效的结构。这种结构的焊枪工作时，钨极产生的热量通过电极支架传导到冷却剂中，保证钨极能在大电流下长时间工作，以及电弧只在钨极中心产生，实现深熔焊接。

目前水冷式钨极惰性气体保护焊枪的钨电极利用具有良好导热性金属制成支架使之固定在焊枪中，通过进出焊枪体内的水冷却电极支架，电极支架再利用热传导冷却组合电极或钨极夹。在焊枪工作时，电极的热量可以通过支架传导到冷却剂中。为了方便更换，目前钨电极或组合钨极是利用螺纹或开口夹固定在焊枪上。众所周知，普通螺纹的定位精度不高，螺纹连接使得电极在焊枪嘴的实际位置与设计位置会产生随机偏差。这将造成每次更换电极后，由于电极位置不同，使得焊接效果没有良好重现性。钨极夹由于与钨极的接触面积小，冷却效果差，焊枪焊接熔深较浅、效果差；工作电流大于180A时，就会出现电极损耗较大的问题。

在金属支架与钨电极连接的情况下，由于进水管口径小或与电极底部距离远，使冷却剂在水室呈层流，其冷却效果也不佳。

由于焊枪工作时电弧产生的高温会对电极造成烧损。为了防止或减缓电极烧损，需要利用惰性气体对电极进行保护。设计良好的喷嘴能使电极、电弧、工件焊接部位都在惰性气体的气氛中。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于克服现有技术的不足，提供一种焊接熔深较大，冷却效果较好，便于更换电极，且每次更换电极后不影响焊接效果的水冷却钨极惰性气体保护焊焊枪。

本实用新型的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种可压缩电弧的钨极惰性气体保护焊焊枪，包括焊枪外壳，还包括同轴设置的钨极、电极柄、电极座、进水管、出水管、气体喷嘴，还包括电极帽和密封垫圈，电极柄、电极座、进水管、出水管、电极帽、密封垫圈组成水冷却散热装置，所述电极柄的头部为用于安装钨极的钨极座，电极柄中部设有定位台，电极柄尾部为散热筒，钨极与钨极座过盈配合，并通过硬连接使钨极与电极柄组成成为一个整体，形成组合电极；

电极柄通过定位台与电极座相连，焊枪外壳与电极座之间形成气道，散热筒与电极座之间形成冷却水腔，进水管和出水管均与冷却水腔相连，且进水管设在出水管内部，散热筒周壁上设有若干导流孔，散热筒的开口与进水管的管口相对。

优选的，所述的钨极前端为圆锥形，后端为圆柱形，所述钨极直径为4~6mm，钨极后端长度与钨极直径的比值为1~5。

优选的，所述的钨极为尖头钨极或圆头钨极或平头钨极。

优选的，所述的钨极座的深度与钨极直径的比值为1~3。

优选的，所述的散热筒内径与进水管内径的比值为1~1.1。

优选的，所述的散热筒的内径大于等于进水管的内径，所述导流孔的数量为2~8个。

优选的，所述导流孔的总过水面积大于散热筒的横截面积，且小于出水管的横截面积。

优选的，所述电极柄的中部设有一号圆锥面，电极座上设有二号圆锥面，一号圆锥面与二号圆锥面相互配合，且一号圆锥面和二号圆锥面的锥度为30~45°。

优选的，钨极惰性气体保护焊焊枪的工作电流为200-1000A。

本实用新型的有益效果是：

（1）钨极与钨极座采用过盈配合的方式固定，更换电极方便，且电极柄上设有定位台与电极座配合，保证每次更换电极后，电极位置不变，使得焊接效果具有良好重现性。

（2）采用水冷却散热装置，通过冷却水的进出将电极产生的热量全部带走，使电极工作时表面温度较低，使电弧被压缩在钨极尖端，使电弧具有极高的能量密度。电极尾部的散热筒不但保证冷却水流畅，还极大提高了换热效率，保证焊枪工作时电弧集中在钨极尖端，使焊枪具有极好的深熔能力。

（3）进水管设在出水管内部，即出水管同轴套设在进水管外部，在保证进出水量和冷却效果的前提下，大大减小了水管的体积，实现了焊枪的小型化。采用这种套管结构不但保证冷却水能流畅进出，不出现紊流，且能直接对钨极及电极座进行冷却，该结构不但使焊枪具有紧凑的结构，与电极尾部有孔圆筒结合使之冷却水流动有序，具有更好的冷却效果。

附图说明

图1为本实用新型结构示意图；

图2为尖头钨极结构示意图；

图3为圆头钨极结构示意图；

图4为平头钨极结构示意图；

图5为两孔组合电极结构图；

图6为四孔电极柄纵截面示意图；

图7为四孔散热筒横截面示意图；

图8为电极座结构示意图；

图9为本实用新型右视图；

图中，1-气体喷嘴，2-钨极，3-电极柄，4-电极座，5-出水管，6-进水管，7-进气接头，8-出水接头，9-进水接头，10-电缆接头，11-冷却水腔，12-电极帽，13-密封垫圈，14-钨极座，15-定位台，16-散热筒，17-导流孔，18-一号圆锥面，19-二号圆锥面，20-套筒，21-焊枪外壳，22-气道。

具体实施方式

下面将结合实施例，对本实用新型的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域技术人员在没有付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

参阅图1-9，本实用新型提供两种技术方案：

实施例一：

一种可压缩电弧的钨极惰性气体保护焊焊枪，包括焊枪外壳21，还包括同轴设置的钨极2、电极柄3、电极座4、进水管6、出水管5、气体喷嘴1，气体喷嘴1为环形喷嘴，工作时环形喷嘴喷出的惰性气体能保护电极在惰性气氛中工作，使电极不会因高温被烧损或减缓电极在高温的烧损。还包括用于电极柄3和电极座4之间的密封的电极帽12和密封垫圈13。焊枪外壳21上还设有进水接头9、出水接头8、进气接头7、电缆接头10。电极柄3、电极座4、进水管6、出水管5、电极帽12、密封垫圈13组成水冷却散热装置。焊枪外壳21与电极座4之间形成气道22，气道22与进气接头7相连，焊接时提供氧气。

所述电极柄3的头部为用于安装钨极2的钨极座14，钨极座14为圆筒形；电极柄3中部设有与电极座4配合的定位台15，定位台15是为了保证电极柄3尾部与电极座4进水管6管口有良好对接；电极柄3尾部为散热筒16。

钨极2与钨极座14过盈配合，保证组合电极的钨极2具有很高的精度。钨极2通过硬连接与钨极座14连接，保证两者连接牢固。

钨极2与电极柄3组成组合电极，电极柄3通过定位台15与电极座4相连，散热筒16与电极座4之间形成冷却水腔11，进水管6的一端与进水接头9连接，另一端与冷却水腔11连接，出水管5一端与出水接头8连接，另一端与冷却水腔11连接，且进水管6设在出水管5内部，采用套管结构不但保证冷却水能流畅进出，不出现紊流，且能直接对钨极2及电极座4进行冷却。如图6及图7所示，散热筒16周壁上设有四个导流孔17。散热筒16的开口与进水管6的管口相对。进水管6位于电极座4底部中间，外圈是出水管5。由于进水管6与散热筒16相对，从进水管6流出的水将进入散热筒16，穿过散热筒16的导流孔17，沿散热筒16外壁从出水管5流出。这样能对钨极2进行高效冷却，保证焊枪工作时，电弧只在尖端产生，电弧具有极高的能量密度。为了保证冷却效果，必须有一定流量的冷却水，保证热交换后水温低于沸点，理想温度是40-60℃，本实施例采用50℃。焊枪工作时，冷却水的流量需达到2-12升/分钟的范围，本实施例为10升/分钟。焊枪所需的冷却水量取决于焊枪工作时电参数，电流强度越大，所需的冷却水流量越大。

电极帽12和密封垫圈13可以确保组合电极安装或更换后冷却水不会泄漏，如果冷却水一旦泄漏进入高温高热的气道22，将变成水雾随着气流喷射焊点，一方面会产生烟雾，另一方面会在焊点产生黑斑，将直接影响焊点的焊接效果。且为了保证在高温下工作，本实施例中密封垫圈13采用耐温100℃的密封垫圈。

进一步的，所述的钨极2是用钨或钨合金制造，前端为圆锥形，后端为圆柱形，所述钨极2直径为6mm，钨极2后端长度与钨极2直径的比值为3。所述的钨极2为尖头钨极（图2）或圆头钨极（图3）或平头钨极（4），本实施例采用尖头钨极。

为了保证冷却效果，所述的钨极座14的深度与钨极2直径的比值为1.5。所述的散热筒16内径与进水管6内径的比值为1.1，保证进水管6的水能进入散热筒16。所述的散热筒16的内径大于等于进水管6的内径。

进一步的，所述导流孔17的总过水面积大于等于散热筒16的横截面积，且小于等于出水管5的横截面积，导流孔17的总过水面积为S=4×A×B，其中4为导流孔17的个数， A×B为单个导流孔17的正投影面积，为了保证均匀热交换，导流孔17均匀分布。

所述的电极柄3是用导热率大于300w/m•k的材料制成，钨极惰性气体保护焊焊枪的工作电流为1000A。

实施例二：

一种可压缩电弧的钨极惰性气体保护焊焊枪，包括焊枪外壳21，还包括同轴设置的钨极2、电极柄3、电极座4、进水管6、出水管5、气体喷嘴1，气体喷嘴1为环形喷嘴，工作时环形喷嘴喷出的惰性气体能保护电极在惰性气氛中工作，使电极不会因高温被烧损或减缓电极在高温的烧损。还包括用于电极柄3和电极座4之间的密封的电极帽12和密封垫圈13。焊枪外壳21上还设有进水接头9、出水接头8、进气接头7、电缆接头10。电极柄3、电极座4、进水管6、出水管5、电极帽12、密封垫圈13组成水冷却散热装置。焊枪外壳21与电极座4之间形成气道22，气道22与进气接头7相连，焊接时提供氧气。

所述电极柄3的头部为用于安装钨极2的钨极座14，钨极座14为圆筒形；电极柄3中部设有与电极座4配合的定位台15，定位台15是为了保证电极柄3尾部与电极座4进水管6管口有良好对接；电极柄3尾部为散热筒16。

钨极2与钨极座14过盈配合，保证组合电极的钨极2具有很高的精度。钨极2通过硬连接与钨极座14连接，保证两者连接牢固。

钨极2与电极柄3组成组合电极，电极柄3通过定位台15与电极座4相连，散热筒16与电极座4之间形成冷却水腔11，进水管6的一端与进水接头9连接，另一端与冷却水腔11连接，出水管5一端与出水接头8连接，另一端与冷却水腔11连接，且进水管6设在出水管5内部，采用套管结构不但保证冷却水能流畅进出，不出现紊流，且能直接对钨极2及电极座4进行冷却。如图6及图7所示，散热筒16周壁上设有四个导流孔17。散热筒16的开口与进水管6的管口相对。进水管6位于电极座4底部中间，外圈是出水管5。由于进水管6与散热筒16相对，从进水管6流出的水将进入散热筒16，穿过散热筒16的导流孔17，沿散热筒16外壁从出水管5流出。这样能对钨极2进行高效冷却，保证焊枪工作时，电弧只在尖端产生，电弧具有极高的能量密度。为了保证冷却效果，必须有一定流量的冷却水，保证热交换后水温低于沸点，理想温度是40-60℃，本实施例采用60℃。焊枪工作时，冷却水的流量需达到2-12升/分钟的范围，本实施例为12升/分钟。焊枪所需的冷却水量取决于焊枪工作时电参数，电流强度越大，所需的冷却水流量越大。

电极帽12和密封垫圈13可以确保组合电极安装或更换后冷却水不会泄漏，且为了保证在高温下工作，本实施例中密封垫圈13采用耐温100℃的密封垫圈。

进一步的，所述的钨极2是用钨或钨合金制造，前端为圆锥形，后端为圆柱形，所述钨极2直径为6mm，钨极2后端长度与钨极2直径的比值为3。所述的钨极2为尖头钨极（图2）或圆头钨极（图3）或平头钨极（4），本实施例采用尖头钨极。

为了保证冷却效果，所述的钨极座14的深度与钨极2直径的比值为1.5。所述的散热筒16内径与进水管6内径的比值为1.1，保证进水管6的水能进入散热筒16。所述的散热筒16的内径大于等于进水管6的内径。

进一步的，所述导流孔17的总过水面积大于等于散热筒16的横截面积，且小于等于出水管5的横截面积，导流孔17的总过水面积为S=4×A×B，其中4为导流孔17的个数， A×B为单个导流孔17的正投影面积，为了保证均匀热交换，导流孔17均匀分布。

如图6和图8所示，所述电极柄3的中部设有一号圆锥面18，电极座4上设有二号圆锥面19，一号圆锥面18与二号圆锥面19相互过渡配合，过渡配合不但具有良好的同轴度，且有良好的可换性。这种结构能保证钨极2精确固定在焊枪中间，保证每次更换钨极2后的焊接效果一样。且一号圆锥面18和二号圆锥面19的锥度为30~45°，采用圆锥面使得钨极2更换更便捷。

所述的电极柄3是用导热率大于300w/m•k的材料制成，钨极惰性气体保护焊焊枪的工作电流为1000A。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当理解本实用新型并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本实用新型的精神和范围，则都应在本实用新型所附权利要求的保护范围内。