一种用于空心阴极真空电弧焊接的非接触引弧焊枪

摘要

本发明属于焊接技术，涉及一种可实现稳定引弧的用于空心阴极真空电弧焊接的非接触引弧焊枪。焊枪的空心阴极直接插在外筒支座和内筒支座的中心孔上；焊枪外筒组件包括：外筒进水管、外筒出水管、外筒接线端子、空心筒壁，外底板；焊枪内筒组件包括：进气管、内筒接线端子、内筒进水管、内筒出水管，筒壁、内底板；焊枪外筒组件和焊枪内筒组件之间由绝缘套隔开；外筒接线端子和内筒接线端子之间接入引弧辅助电路。本发明采用空心阴极置于焊枪外筒和焊枪内筒之间的封闭系统中，避免了空心阴极暴露于电弧中而被金属蒸汽污染；焊枪采用双路水冷系统，冷却效果好，电弧工作可靠性高，焊枪和空心阴极寿命长，保证了焊接控制系统的稳定工作。

说明书

技术领域

本发明属于焊接技术，涉及一种可实现稳定引弧的用于空心阴极真空电弧焊接的非接触引弧焊枪。

背景技术

空心阴极真空电弧焊接技术(Hollow Cathode Vacuum Arc Welding，HCVAW)是一项新颖的焊接工艺方法。真空电弧是一种局部加热的热源，小电流条件下，电弧呈“锥形”发散状，可作为局部热源进行小面积的真空钎焊，在航空发动机热端部件的制造和修复中有着广泛的应用前景；大电流条件下，电弧呈“柱状”，能量积聚性好，可作为熔焊热源，进行各种难熔、易氧化金属在真空条件下的高质量焊接。

空心阴极焊枪，是空心阴极真空电弧焊接方法中的核心部件，其性能的好坏，直接关系着真空电弧燃烧的稳定性和可靠性，影响真空电弧焊接的质量。

空心阴极真空电弧焊接的引弧方法主要有三种：接触引弧、非接触加热引弧和高频引弧。在空心阴极电弧放电中，接触引弧易损坏阴极，其碎粒落入焊缝中，易造成夹杂；同时，在真空中电场强度比空气中高，有可能在电极材料蒸汽中形成电弧。接触引弧时，若焊枪冷却的效果不好，或真空室内真空度低，放电就很可能会在焊枪枪体、仪器导线等位置处产生，即产生所谓的“冷电弧”，这种冷电弧具有极大的破坏性。与接触引弧方法相比，非接触引弧具有成功率高、空心阴极寿命长等优点。

中国专利《双凹形模片空心阴极焊枪》(公开号CN2351236)公开了一种双凹形模片空心阴极焊枪(见图1)，在它的枪体16上接有进水管11、出水管12、气管13，其枪体16下部装有空心阴极101，在阴极101的头部装有带小孔的双凹形膜片103；另外在阴极101周围还设置有加热元件。由于在阴极内部装有带小孔的双凹形膜片，对电弧进行压缩，电弧能量密度可以满足焊缝熔化的要求，且阴极不会被电弧熔透或变形；加热元件使阴极获得电子热发射能力，可多次起弧。但由于该专利中涉及的焊枪结构中，加热空心阴极的元件在引弧后不能移开，电弧工作中空心阴极的高温辐射，容易造成加热元件的损毁；同时空心阴极暴露在电弧蒸汽中，易受到被焊金属材料蒸汽污染，使得空心阴极焊枪性能降低、空心阴极的寿命缩短。

发明内容

本发明的目的是提供一种提高空心阴极焊枪的性能、延长空心阴极使用寿命的一种用于空心阴极真空电弧焊接的非接触引弧焊枪。本发明的技术解决方案是，焊枪包括：空心阴极、外筒支座、内筒支座、焊枪外筒组件、焊枪内筒组件、绝缘套。空心阴极直接插在外筒支座和内筒支座的中心孔上；外筒支座置于焊枪外筒组件中外底板的中心孔上，内筒支座安装在焊枪内筒组件中内底板的下中心孔上。焊枪外筒组件包括，空心筒壁、外底板、外筒进水管、外筒出水管和外筒接线端子，外筒进水管通过空心筒壁上方的孔，深入到空心筒壁的夹层中，外筒出水管置于空心筒壁右侧上方，外筒进水管、外筒出水管与空心筒壁的空腔形成循环水路，外筒接线端子与空心筒壁外壁焊接；焊枪内筒组件包括：筒壁、进气管、内筒接线端子和内筒进水管及内筒出水管，筒壁顶端开有安装进气管和内筒进水管的孔、内筒出水管置于筒壁的右侧上方，内筒进水管和内筒出水管与筒壁和内底板形成的内腔构成循环水路，进气管穿过筒壁顶端的孔与内底板的上中心孔相接，内筒接线端子与筒壁的外壁焊接；焊枪外筒组件和焊枪内筒组件之间由绝缘套隔开；外筒接线端子和内筒接线端子之间接入引弧辅助电路，引弧辅助电路由变压器、继电器组成，变压器的次级分别接于外筒接线端子和内筒接线端子，变压器的初级经继电器与电源相接。

所述的空心阴极为钽箔卷制成的空心管，卷制层数为3～4层，空心阴极的长度为40～80mm，空心阴极管内径为2mm～6mm。

本发明具有的优点和有益效果：

本发明采用空心阴极置于焊枪外筒组件和焊枪内筒组件之间的封闭系统中，避免了空心阴极暴露于电弧中而被金属蒸汽的污染；焊枪外筒组件和焊枪内筒组件分别配有循环冷却水路，彻底解决了真空条件下易产生“冷电弧”的问题，冷却效果好，电弧工作可靠性高，焊枪和空心阴极寿命长，保证了焊接控制系统的稳定工作；本发明的焊枪结构可

以实现小电流条件下(6～8A)的非接触引弧，避免了因引弧电流过大造成阴极过烧，提高了阴极寿命；钽箔卷制成的直筒空心阴极结构简单、制造容易，成本低，易于实现工程应用。

附图说明

图1是现有技术结构示意图，其中，A是现有技术的体，B是阴极头部装有带小孔的双凹形膜片；

图2是本发明结构示意图；

图3是本发明试验设备框图。

具体实施方式

焊枪的空心阴极3直接插在外筒支座2和内筒支座4的中心孔上；外筒支座2置于焊枪外筒组件中外底板20的中心孔上，内筒支座4安装在焊枪内筒组件中内底板19的下中心孔上。焊枪外筒组件包括，空心筒壁5、外底板20、外筒进水管6、外筒出水管14和外筒接线端子13，外筒进水管6通过空心筒壁5上方的孔，深入到空心筒壁5的夹层中，外筒出水管14置于空心筒壁5右侧上方，外筒进水管6、外筒出水管14与空心筒壁5的空腔形成循环水路，外筒接线端子13与空心筒壁5外壁焊接；焊枪内筒组件包括：筒壁8、进气管10、内筒接线端子12和内筒进水管9及内筒出水管11，筒壁8顶端开有安装进气管10和内筒进水管9的孔、内筒出水管11置于筒壁8的右侧上方，内筒进水管9和内筒出水管11与筒壁8和内底板19形成的内腔构成循环水路，进气管10穿过筒壁8顶端的孔与内底板19的上中心孔相接，内筒接线端子12与筒壁8的外壁焊接；焊枪外筒组件和焊枪内筒组件之间由绝缘套7隔开；外筒接线端子13和内筒接线端子12之间接入引弧辅助电路15，引弧辅助电路由变压器16、继电器17组成，变压器16的次级分别接于外筒接线端子13和内筒接线端子12，变压器16的初级与继电器17、电源相接形成回路。

所述的空心阴极3为钽箔卷制成的空心管，卷制层数为3～4层，空心阴极的长度为40～80mm，空心阴极管内径为2mm～6mm。

本发明在焊枪外筒组件、外筒支座2、空心阴极3、内筒支座4、焊枪内筒组件所形成的串联电阻两端通过交流变压器加载电压，实现对空心阴极3的整体加热，保证空心阴极能够被加热到足够温度，形成稳定的阴极热电子发射。引弧过程为：引弧前，将空心阴极3与引弧板1之间间隙M(参见图2)调至1～2mm，进气管10输入氩气(流量范围5～20ml/min)，接通焊接电源，焊接电源输出空载电压，继电器17吸合，变压器16工作，降压后加在焊枪外筒组件、外筒支座2、空心阴极3、内筒支座4、焊枪内筒组件所形成的电流回路两端，使整个空心阴极3受到低压大电流的加热；当空心阴极3的温度达到电子发射的温度条件后，工作气体(氩气)通过进气管10到达空心阴极3，由阴极内壁发射的热电子，撞击气体分子，产生撞击电离或使气体分子达到激励状态，空心阴极内壁开始受到气体离子的轰击，阴极被加热到很高温度，空心阴极内壁拥有了足够产生热离子发射的能量，此时空心阴极内腔就形成了等离子体，产生稳定的电弧放电(这个过程一般为15～20秒)。电弧稳定燃烧时的电弧电压低于50伏，检测焊枪与工件之间的电压信号，如果低于50伏则给出引弧工作完成信号，继电器17断开，引弧辅助电路被切断，引弧工作完成。根据被焊材料、结构的实际情况，调节弧长、电流以及氩气流量等参数，就可以开始进行材料或结构的焊接工作。

实施例

在如图3所示的真空电弧焊接试验设备上(初始真空度为1.5×10^-2Pa，焊接电源为Maxtar150型焊机)，实施了本发明中焊枪的非接触引弧实验：

实施例一

钽箔卷制成空心管，卷制层数为3层，空心阴极的长度为40mm，空心阴极管内径为2mm。在引弧参数：电弧电流6A，引弧弧长(空心阴极端部与被焊工件之间的间隙距离)1mm，氩气流量5ml/min，获得了稳定的引弧，并进行了焊接试验；

实施例二

钽箔卷制成空心管，卷制层数为3层，空心阴极的长度为40mm，空心阴极管内径为2mm。在引弧参数：电弧电流6A，引弧弧长2mm，氩气流量5ml/min，获得了稳定的引弧，并进行了焊接试验；

实施例三

钽箔卷制成空心管，卷制层数为4层，空心阴极的长度为60mm，空心阴极管内径为4mm。在引弧参数：电弧电流6A，引弧弧长1mm，氩气流量5ml/min，获得了稳定的引弧，并进行了焊接试验；

实施例四

钽箔卷制成空心管，卷制层数为4层，空心阴极的长度为60mm，空心阴极管内径为4mm。在引弧参数：电弧电流6A，引弧弧长1mm，氩气流量10ml/min，获得了稳定的引弧，并进行了焊接试验；

实施例五

钽箔卷制成空心管，卷制层数为4层，空心阴极的长度为80mm，空心阴极管内径为3mm。在引弧参数：电弧电流8A，引弧弧长1mm，氩气流量10ml/min，获得了稳定的引弧，并进行了焊接试验；

实施例六

钽箔卷制成空心管，卷制层数为4层，空心阴极的长度为80mm，空心阴极管内径为6mm。在引弧参数：电弧电流8A，引弧弧长1mm，氩气流量20ml/min，获得了稳定的引弧，并进行了焊接试验。

试验结果：空心阴极连续稳定工作3小时以上，寿命达到30小时，未出现“冷电弧”现象，本发明“一种用于空心阴极真空电弧焊接的非接触引弧焊枪”可进行真空电弧焊接的工程应用。