用于超細(xì)顆粒焊劑約束電弧超窄間隙焊接的焊槍設(shè)計(jì)

李德福，鄭韶先，李小雷

(1.蘭州交通大學(xué) 鐵道技術(shù)學(xué)院，甘肅 蘭州 730000；2.蘭州交通大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

用于超細(xì)顆粒焊劑約束電弧超窄間隙焊接的焊槍設(shè)計(jì)

李德福1，鄭韶先2，李小雷2

(1.蘭州交通大學(xué) 鐵道技術(shù)學(xué)院，甘肅 蘭州 730000；2.蘭州交通大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

為解決超細(xì)顆粒焊劑約束電弧超窄間隙焊接的焊絲準(zhǔn)確送入與夾緊力調(diào)節(jié)、焊絲與板式導(dǎo)電嘴的接觸導(dǎo)電以及板式導(dǎo)電嘴與超窄間隙側(cè)壁的防接觸等問題，設(shè)計(jì)了一種適合于超窄間隙焊接的焊槍。該焊槍焊接時(shí)，焊絲在送絲輪推動(dòng)下經(jīng)導(dǎo)絲管進(jìn)入兩塊板式導(dǎo)電嘴間的圓弧槽內(nèi)并被彈性夾緊力夾緊，而后被準(zhǔn)確送入超窄間隙內(nèi)與墊板接觸引弧。試驗(yàn)結(jié)果表明，該焊槍能夠滿足超細(xì)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(xì)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(yīng)力小、工件變形小、熱影響區(qū)窄等優(yōu)點(diǎn)，屬于一種高效、低成本的焊接技術(shù)。然而，超窄間隙焊接時(shí)由于過小的側(cè)壁間隙使得電弧很不穩(wěn)定，易沿側(cè)壁向上攀升，以致焊接過程無法正常進(jìn)行。因此，防止電弧沿間隙側(cè)壁攀升是實(shí)現(xiàn)超窄間隙焊接的關(guān)鍵。

為解決UNGW的電弧攀升問題，Nakamura開發(fā)了一種可實(shí)現(xiàn)超窄間隙焊接的控制系統(tǒng)[1]，采用脈沖電流控制焊絲端頭沿間隙側(cè)壁上下運(yùn)動(dòng)的方法實(shí)現(xiàn)了超窄間隙焊接，但由于焊接時(shí)電弧較發(fā)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(xiàn)明顯未熔合。文獻(xiàn)[2]、[3]通過在間隙兩側(cè)壁貼覆焊劑片或在氬氣保護(hù)下向電弧兩側(cè)連續(xù)輸送焊劑帶以約束電弧的方法實(shí)現(xiàn)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(fù)雜的問題，而后者存在焊接過程中電弧約束不穩(wěn)定的問題，故這兩種方法均不能用于工業(yè)化應(yīng)用。

基于約束電弧以防止電弧攀升的思路和埋弧焊時(shí)焊劑顆粒被電弧加熱熔化后在電弧周圍形成的熔渣膜對(duì)電弧具有約束作用的原理，設(shè)計(jì)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(xì)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(dòng)下，穿過板式導(dǎo)電嘴的圓弧槽后進(jìn)入寬度小于6 mm的I型對(duì)接坡口間隙，與墊板接觸并引弧。靠近電弧區(qū)的焊劑顆粒被電弧加熱熔化形成對(duì)電弧具有強(qiáng)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(nèi)對(duì)間隙兩側(cè)壁及其底部進(jìn)行加熱。通過調(diào)整相關(guān)焊接參數(shù)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(qū)范圍，有利于電弧加熱側(cè)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(cè)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(xì)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(dǎo)致焊絲移動(dòng)時(shí)被卡從而偏離間隙中心線；二是為了有利于電弧移動(dòng)時(shí)焊劑顆粒具有較好的“流動(dòng)性”，以便于及時(shí)填滿熔渣壁與工件側(cè)壁形成的間隙，從而保證形成對(duì)電弧具有良好約束作用的渣壁約束長(zhǎng)度Lc。

圖1 超細(xì)顆粒焊劑約束電弧超窄間隙焊接方法

2 焊槍結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)

要實(shí)現(xiàn)超細(xì)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(shí)際上，超窄間隙焊接應(yīng)考慮如下問題：一是焊絲的準(zhǔn)確送入及焊絲與板式導(dǎo)電嘴的接觸導(dǎo)電問題；二是導(dǎo)電嘴對(duì)焊絲夾緊力的調(diào)節(jié)問題；三是板式導(dǎo)電嘴與超窄間隙側(cè)壁的防接觸問題。為此，超細(xì)顆粒焊劑約束電弧超窄間隙焊接專用焊槍的原理和結(jié)構(gòu)如下。

2.1 焊絲與板式導(dǎo)電嘴的接觸導(dǎo)電原理和結(jié)構(gòu)

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(jìn)入間隙，并使焊絲軸線與坡口間隙中心線對(duì)中以防止電弧偏離間隙中心線，造成側(cè)壁加熱不良。為此，焊槍采用了圖2所示的結(jié)構(gòu)，焊絲受板式導(dǎo)電嘴的彈性夾緊力作用，被夾緊在兩塊板式導(dǎo)電嘴所開的圓弧槽內(nèi)，這樣的接觸方式不僅有效增加了導(dǎo)電嘴和焊絲的接觸面積，減小了接觸電阻，使得接觸可靠、導(dǎo)電穩(wěn)定性好，而且有利于將焊絲準(zhǔn)確送入超窄間隙內(nèi)。當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間焊接后，焊絲使圓弧槽磨損變大時(shí)，在彈性夾緊力作用下仍能使圓弧槽內(nèi)表面和焊絲外表面保持良好接觸，并可有效延長(zhǎng)板式導(dǎo)電嘴使用壽命。

圖2 開圓弧槽的雙銅板板式導(dǎo)電嘴

焊槍設(shè)計(jì)額定電流350 A，板式導(dǎo)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(cè)板式導(dǎo)電嘴最小導(dǎo)電截面積為70 mm2。

2.2 焊絲夾緊力調(diào)節(jié)原理和結(jié)構(gòu)

CO2氣體保護(hù)焊是依靠一定曲率半徑的焊絲與板式導(dǎo)電嘴內(nèi)孔的三點(diǎn)穩(wěn)定接觸來保證導(dǎo)電嘴對(duì)焊絲電流的傳導(dǎo)，然而，長(zhǎng)時(shí)間焊接后導(dǎo)電嘴內(nèi)孔磨損變大，將導(dǎo)致焊絲與導(dǎo)電嘴接觸點(diǎn)的位置發(fā)生改變，因而使焊絲伸出長(zhǎng)度發(fā)生改變，影響焊接電弧穩(wěn)定性。超細(xì)顆粒焊劑約束電弧超窄間隙焊接焊槍結(jié)構(gòu)如圖3所示，連接電極、板式導(dǎo)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(zhuǎn)動(dòng)。焊接時(shí)，焊絲外表面與板式導(dǎo)電嘴圓弧槽內(nèi)表面受彈性夾緊力作用接觸良好。長(zhǎng)時(shí)間焊接后，即使出現(xiàn)焊絲對(duì)圓弧槽的較大磨損，由于板式導(dǎo)電嘴A能自由轉(zhuǎn)動(dòng)，仍可保證圓弧槽緊貼焊絲表面。

圖3 焊絲夾緊力調(diào)整裝置

2.3 板式導(dǎo)電嘴與側(cè)壁的防接觸原理與結(jié)構(gòu)

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

圖4 導(dǎo)向桿結(jié)構(gòu)

2.4 焊槍總裝圖

根據(jù)超窄間隙焊接對(duì)焊槍的基本要求，在實(shí)現(xiàn)上述功能的前提下，設(shè)計(jì)的焊槍結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 焊槍總裝圖

焊接時(shí)，焊絲在送絲輪推動(dòng)下經(jīng)導(dǎo)絲管后，進(jìn)入板式導(dǎo)電嘴A和導(dǎo)電嘴B之間的圓弧槽內(nèi)，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(duì)絕緣板轉(zhuǎn)動(dòng)，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(diào)力彈簧，在調(diào)力彈簧彈性力的作用下，板式導(dǎo)電嘴A、B的圓弧槽對(duì)焊絲的夾緊力可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)，這有利于保證焊絲與導(dǎo)電嘴的良好接觸，因而電弧穩(wěn)定性高。板式導(dǎo)電嘴、導(dǎo)向桿和焊劑加入、收集管的尺寸設(shè)計(jì)能保證焊槍可順利伸入超窄間隙內(nèi)。從圓弧槽內(nèi)出來的焊絲被準(zhǔn)確送入超窄間隙內(nèi)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(huì)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(nèi)燃燒并以較高的能量密度加熱熔化間隙兩側(cè)壁及其底部。同時(shí)，焊劑收集管能將多余的焊劑吸入收集管進(jìn)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(zhuǎn)的砂輪片伸入超窄間隙內(nèi)進(jìn)行清渣處理，之后進(jìn)行下一道焊接，直至將超窄間隙完全填滿。在整個(gè)焊接過程中，熔化的金屬都被熔渣壁所包覆，故焊接過程穩(wěn)定且沒有飛濺，因此不存在因飛濺物附著在間隙側(cè)壁而卡住焊槍的情況發(fā)生。

3 焊接試驗(yàn)

利用所設(shè)計(jì)的焊槍進(jìn)行了超細(xì)顆粒焊劑約束電弧超窄間隙焊接試驗(yàn)。試驗(yàn)所用焊劑為SJ101，焊絲為直徑φ 1.6mm的H08Mn2Si，工件及墊板材質(zhì)為低碳鋼，電源為平特性。圖6為試驗(yàn)所得成形良好的焊縫橫截面形貌，焊接參數(shù)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(wǎng)襯墊焊劑顆粒的工藝。

焊接試驗(yàn)表明，焊槍結(jié)構(gòu)能滿足超窄間隙焊接的要求。夾緊力調(diào)整合適后，保證了焊絲可靠導(dǎo)電且焊絲阻力適當(dāng)無卡絲。雖使用一段時(shí)間后，導(dǎo)電嘴銅板有所磨損，但與焊絲的接觸長(zhǎng)度仍能保持不變，保證了具有合適的夾緊力，實(shí)現(xiàn)了可靠導(dǎo)電，確保了電弧的穩(wěn)定。

4 結(jié)論

(1)研究了一種實(shí)現(xiàn)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(xì)顆粒焊劑對(duì)電弧進(jìn)行約束，可阻止電弧沿側(cè)壁攀升，實(shí)現(xiàn)了對(duì)電弧加熱區(qū)域的有效控制，保證了坡口兩側(cè)壁的有效熔合。

(2)設(shè)計(jì)了適用于超細(xì)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(dǎo)電嘴和焊絲夾緊力調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)，保證了焊接過程的可靠導(dǎo)電，焊槍結(jié)構(gòu)合理，焊接過程穩(wěn)定。

圖6 超細(xì)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(shí)現(xiàn)[J].蘭州理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2007(6)：27-30.

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[5]王宗杰.熔焊方法及設(shè)備[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

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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(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51105185)；金川公司預(yù)研基金項(xiàng)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(fā)工作。