LP—TIG焊槍結構建模效果的仿真驗證研究

李洹

摘 要：文章針對常規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，實現穿孔型焊接，增大焊接熔深，提高TIG焊的焊接效率，拓展常規TIG焊的應用范圍。

關鍵詞：LP-TIG焊槍；結構建模；穿孔型焊接

本文提出的LP-TIG焊槍可以實現對鎢極的良好冷卻，并且具有良好的導電、導熱及絕緣性能。該焊槍在進行平板對接焊時可以實現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，焊接過程穩定，焊縫成形較好。

1 LP-TIG焊槍結構原理及設計思路

由LP-TIG焊接方法的原理可知，在進行LP-TIG焊槍設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到鎢極的尖端，從而可以實現將電弧壓縮至鎢極尖端的目的，另外，還需要考慮到導電，冷卻水路，保護氣路以及焊槍外部絕緣等問題[1]。

1.1 冷卻系統及導電系統的設計

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

1.2 氣路系統的設計

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

1.3 鎢極的夾持問題

鎢極夾不僅要實現對鎢極夾持定位，同時還需要跟鎢極緊密接觸，實現對鎢極的強化冷卻，同時將焊接電流傳導給鎢極，因此，鎢極夾設計成為該焊槍設計成敗的關鍵。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，這就需要考慮導電體和外槍體之間的絕緣問題[3]。

2 焊槍整體設計

根據LP-TIG焊槍結構原理及既定的設計思路，進行LP-TIG焊槍結構的設計，首先進行焊槍結構的整體方案設計，然后針對各個系統進行詳細設計，最后進行改進設計，完成整個焊槍的樣機方案設計[5]。

2.1 LP-TIG焊槍結構的設計

采用三維繪圖軟件進行了焊槍整體結構的設計。焊槍主要由以下幾部分組成：進水管、焊槍后蓋、導電塊、導電體、絕緣套、槍體、內噴水管、篩網、噴嘴、鎢極夾、鎢極夾套、進氣管、回水管。

2.2 電流傳導系統

該系統將一端跟焊接電源正極相連，一端跟鎢極相連。通過電流傳導系統將焊接電源發送的焊接電流傳導至鎢極尖端，鎢極尖端與被焊母材之間在高頻放電的作用下擊穿兩者之間的保護氣體，從而在兩者之間形成穩定燃燒的電弧，焊接電流最終通過鎢極尖端，在焊接電弧的作用下傳導至母材處，然后通過母材將電流傳導回焊接電源負極，形成焊接回路。由于該焊槍設計的最大使用焊接電流高達700 A，因此，需要考慮導電系統的導電能力。

2.3 冷卻水循環系統

結合常規大電流TIG焊槍的設計思路，可以考慮水電一體的設計思路，將冷卻水循環水路與導電系統統一起來，既可以完成電流的傳導，也可以實現對導電體的良好冷卻效果。作為導電體的紫銅材料，不僅具有優越的導電性能，同時也具有良好的導熱性能，剛好實現導電和冷卻兩方面的功能。

2.4 保護氣傳導系統

鎢極氬弧焊使用的保護氣為惰性氣體，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，保護焊縫。因此，這就要求保護氣體從焊槍噴嘴流出時必須是層流狀態，才不至于將空氣卷入焊接電弧和被焊區域，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

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，但在生產過程中槍體就極容易跟母材連接，導致槍體與母材間產生電弧，燒壞槍體，因此，在導電體和槍體之間必須做好良好的絕緣。

3 LP-TIG焊槍設計方案熱力學驗證

考慮到導電體在導通電流時會產生的焦耳熱以及電弧輻射的熱量都會引起導電體溫度的上升，從而引起冷卻液的溫度上升。如果冷卻液對導電體的冷卻能力不夠，導電體溫度過高可能燒壞與導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，針對該設計方案進行熱力學驗證[6]。

5 結語

本文針對該焊接方法進行了不銹鋼焊絲堆焊、坡口內的打底焊和填充焊的適應性驗證試驗。從試驗結果可以看出，該方法用于堆焊時，最高送絲速度可以達到8 m/min。也適用于0～4 mm鈍邊尺寸范圍內的打底焊，用于填充焊時，焊絲的填充速度可以達到8 m/min。因此，從以上試驗結果可見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焊的應用范圍，具有廣闊的應用前景。

[參考文獻]

[1]中國機械工程學會焊接學會.中國焊接行業的現狀、發展及展望（討論稿）[EB/OL].（2004-05-20）[2018-11-08].www.China-weldnet.com/hanhfzdc/mschytl.htm.

[2]黃勇.鋁合金活性TIG焊接法及其熔深增加機理的研究[D].蘭州：蘭州理工大學材料學院，2007.

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[4]HUANG H Y，SHYU S W，TSENG K H，et al.Evaluation of TIG flux welding on the characteristics of stainless steel[J].Science and Technology of Welding and Joining，2005（10）：566-570.

[5]張瑞華，樊丁，余淑榮.低碳鋼A-TIG焊的活性劑研制[J].焊接學報，2003（2）：16-18.

[6]劉自剛，瞿懷宇，曹瑞昌，等.DP-TIG焊接方法工藝研究[J].焊接，2017（3）：61-65.