本發明屬于一種K-TIG焊槍技術領域，具體的說，是涉及一種利用電磁鐵產生雙尖角磁場，對電弧進行壓縮改善電弧性能，以提高焊接效率的K-TIG焊槍。

背景技術：

K-TIG焊作為一種高品質的焊接工藝，可對中厚板在不開坡口的前提下單道次焊接以實現“單面焊接，雙面成形”，在3～12mm厚度的黑色及有色金屬焊接領域具備廣泛的應用前景。但由于K-TIG焊采用自由電弧作為熱源，自由電弧的形態決定于電極形態、電極間隙和電流值等。在焊接中厚板時，電弧收縮程度較弱，不利于形成穩定的穿透小孔，得到合格焊縫的工藝窗口較小。

目前K-TIG焊一般采用陰極水冷來壓縮電弧，但仍存在著一些問題。一方面，經過陰極水冷后，電弧的能量密度提升有限。另一方面，水冷陰極對電弧的收縮效應只是在較短的弧長范圍內存在，焊接過程中電弧的微小波動會影響小孔的穩定性。因而，有必要改善電弧形態穩定性。

外加磁場壓縮電弧技術是一種改善電弧焊過程穩定性的常用方法，即通過改變電弧的形態，控制電弧的特性來提高焊接工藝的適應性。在焊接過程中，將環形磁場加載在K-TIG電弧上，過改變磁場的強度和分布，能夠調節電弧的形態和電弧特性。原因在于：一方面，電弧柱收縮，弧柱隨弧長的擴展降低，電弧的穿透能力增加；另一方面，電弧作用在熔池和小孔的能量和壓力分布都會發生變化，能夠調節熔池形態，增加小孔的穩定性。因此，增加磁場收縮電弧柱，可進一步改善K-TIG焊接的電弧特性。

國外的學者對環形磁場約束電弧進行了很多研究。Yamaguchi利用鐵磁性材料圍繞噴嘴設計了外部同軸環形磁場，避免了磁致雙弧。日本大阪大學的Hirata課題組將尖頭磁場加載在等離子弧柱上方，弧柱被壓縮變形成能量密度更高的橢圓柱狀，驗證了對拘束電弧進行磁致收縮的可行性。Arata等人測試了磁壓縮等離子電弧的基本特性后發現：經過尖頭磁場壓縮后，等離子弧柱橫截面由圓形變為橢圓形，電場強度增加，電流密度增加。將由四個永磁鐵構造成的尖頭磁場壓縮TIG焊電弧，弧柱截面由圓形變為橢圓形，將焊接速度提高了50％，得到外觀質量良好的焊縫。Nomura研究了磁頭分布對TIG電弧形態的影響，認為改變磁場形態能夠調整磁控電弧的形態，得到更大深寬比的焊縫。

但是，目前的電磁鐵控制裝置結構復雜，占用空間較大，易擋住鎢針，不便于觀察焊接過程中的電弧與熔池，如果將電磁鐵直接換成永磁鐵，雖然所占空間變小，但是在焊接過程中永磁鐵易失磁，且難以實現對磁場的線性調節。因此缺少一種裝置簡單，占用空間小且磁場可調的電磁鐵控制裝置。

技術實現要素：

本發明要解決的是普通K-TIG焊槍在焊接中厚板時，電弧收縮程度較弱，不利于形成穩定的穿透小孔，得到合格焊縫的工藝窗口較小，而現有磁控焊槍又體積較大，磁控部分較為臃腫，不便于觀察焊接電弧和熔池的技術問題，提供一種基于電磁鐵尖頭磁場的磁控K-TIG焊槍，利用磁極瓣產生的雙尖角磁場對電弧進行壓縮，增加電弧的拘束效應，增加電弧的穿透能力，從而能夠焊接更厚的工件，進一步提高焊接穩定性，擴大穩定焊接的工藝窗口，為實現中厚板焊接的高效化、低成本化和優質化奠定基礎；并且通過鎢極周圍磁控部分的緊湊設計，減少對鎢極的遮擋，便于觀察電弧與熔池，從而更深入地研究壓縮電弧形態對熔池形態和小孔穩定性的作用規律和機理。

為了解決上述技術問題，本發明通過以下的技術方案予以實現：

一種基于電磁鐵尖頭磁場的磁控K-TIG焊槍，包括連接于焊槍套筒底部的氣罩，所述氣罩底端中心設置有鎢極，所述氣罩外周徑向均布有四個外凸卡接部，每個所述外凸卡接部設置有至少頂部和外側開口的卡槽；所述焊槍套筒外圍環向均布有四個芯柱，兩兩相鄰的芯柱由一根鐵芯彎制為U形而構成，兩根鐵芯上均纏繞有線圈組合成電磁鐵，所述線圈以其電流流入端和電流流出端連接于勵磁電源；所述氣罩外部環向均布有四個導磁體，每個導磁體上部延伸至所述卡槽的外側開口處、下部延伸至所述氣罩底端并形成包圍在所述鎢極外部的磁極瓣；四根所述芯柱的底部分別插入四個所述卡槽中，每個所述卡槽中的所述芯柱外側與所述導磁體貼緊接觸；第一螺釘在每個所述導磁體上部依次穿過所述導磁體、所述芯柱和所述氣罩而將三者固定連接，第二螺釘在每個所述導磁體下部依次穿過所述導磁體和所述氣罩而將兩者固定連接；所述勵磁電源給所述線圈通電后，所述芯柱與所述線圈所構成電磁鐵產生的磁場傳輸至所述導磁體下端的所述磁極瓣，四個所述導磁體的磁極瓣徑向均布在所述鎢極外部形成N極與N極相對、S極與S極相對的雙尖角磁場。

所述卡槽開口向外設置，其上下貫通且橫截面為U形或C形。

所述導磁體由平板結構加工成貼合于所述氣罩外壁的形狀，所述芯柱的底部外側切削為平面并與所述導磁體的平面緊密接觸。

兩根所述鐵芯以相同的方式纏繞所述線圈，其中一根鐵芯上線圈的電流流入端連接于所述勵磁電源的正極、電流流出端連接于另一根鐵芯上線圈的電流流入端，另一根鐵芯上線圈的電流流出端連接于所述勵磁電源的負極。

本發明的有益效果是：

本發明的磁控K-TIG焊槍，其附加裝置結構簡單、制造成本低，通過電磁鐵產生的雙尖角磁場對電弧進行壓縮，并且通過導磁體將電磁鐵產生的磁場導向鎢極周圍，一方面增加電弧的穿透能力，提高焊接過程的穩定性、增加焊接速度，顯著提高焊接效率，節省焊接制造成本；另一方面由于導磁鐵的結構緊湊，能夠減少對鎢極的遮擋，使得鎢極位置剩余空隙多便于觀察電弧和熔池的形態變化，更適于實際應用。

附圖說明

圖1是本發明所提供的磁控K-TIG焊槍的結構示意圖；

圖2是圖1的仰視圖；

圖3是氣罩的結構示意圖；

圖4是一根鐵芯彎制為兩根芯柱的結構示意圖；

圖5是導磁體的結構示意圖；

圖6是本發明所提供的磁控K-TIG焊槍焊接過程中磁場與電弧相互作用的示意圖；

圖7是雙尖角磁場使電弧截面由圓形變為橢圓形的原理示意圖。

圖中：1：鎢極；2：導磁體；3：第二螺釘；4：氣罩；401：外凸卡接部；402：卡槽；5：第一螺釘；6：芯柱；7：線圈；8：焊槍套筒；9：勵磁電源；10：電弧。

具體實施方式

為能進一步了解本發明的內容、特點及效果，茲例舉以下實施例，并配合附圖詳細說明如下：

如圖1和圖2所示，本實施例提供了一種基于電磁鐵尖頭磁場的磁控K-TIG焊槍，磁控K-TIG焊槍包括焊槍套筒8、氣罩4和鎢極1，焊槍套筒8底部設置有外螺紋，氣罩4頂部設置有內螺紋，氣罩4螺紋連接于焊槍套筒8底部，鎢極1位于氣罩4的底端中心。如圖3所示，氣罩4在其內螺紋的高度位置加設有四個徑向均布的外凸卡接部401，每個外凸卡接部401設置有上下貫通且橫截面為U形或C形的卡槽402，卡槽402的開口向外設置。

四個芯柱6環向均勻地布置在焊槍套筒8外部，兩兩相鄰的芯柱6由一根鐵芯彎制為U形而構成，如圖4所示。鐵芯6的材質為工業純鐵，鐵芯與其外部纏繞的線圈7組合成電磁鐵。每個芯柱6用高強度漆包線纏繞200匝組成線圈7，即一根鐵芯的線圈總匝數為400匝。纏繞線圈7時，先分別在兩根鐵芯上以相同的方式繞上線圈7，確定每根鐵芯上線圈7的電流流入端和電流流出端，再將一根鐵芯上線圈7的電流流出端與另一跟鐵芯上線圈7的電流流入端連接，最后將露出線圈7導線的電流流入端與勵磁電源9正極相連，露出線圈7導線的電流流出端與勵磁電源9負極相連。勵磁電源9輸出的電流值可調。

四個導磁體2環向均勻的布置在氣罩4外部，材質與鐵芯相同為工業純鐵。如圖5所示，為了結構緊湊，導磁體2由平板結構加工成貼合于氣罩4外壁的形狀，其上端應延伸至卡槽402底面和外側開口處并將能夠將該外側開口覆蓋，下端延伸至氣罩4底端并徑向均布的包圍在鎢極1外部，目的是為了將電磁鐵產生的磁場有效地傳遞到鎢極1附近。這樣，導磁體2底端相對于其主體平板結構膨大凸出而構成磁極瓣201，該磁極瓣201一方面可以作為限位結構卡在氣罩4底端邊緣，以控制導磁體2的安裝位置，另一方面使導磁體2底端更接近于鎢極1，易于在焊接時控制電弧形態。通過導磁體2將電磁鐵產生的磁場導向鎢極1處，由于導磁鐵2相比較纏繞線圈7的電磁鐵占用空間小很多，因而可以減少對鎢極1的遮擋，使得鎢極1周圍剩余空隙相對較大，便于用相機觀察焊接過程中的電弧的熔池。

四根芯柱6的底部分別插入四個卡槽402與四個導磁體2上部構成的四個空腔中，每根芯柱6的底部外側切削為平面并與導磁體2的平面緊密接觸，以達到有效傳遞磁場的目的。第一螺釘5在每個導磁體2上部依次穿過導磁體2、芯柱6和氣罩4而將三者固定連接，第二螺釘3在每個導磁體2下部依次穿過導磁體2和氣罩4而將兩者固定連接，這樣芯柱6和導磁體2緊湊的和氣罩4固定為一體。

勵磁電源9給線圈7通入電流時，由于芯柱6與導磁體2在卡槽402處相連接，芯柱6與線圈7所構成的電磁鐵產生的磁場經由芯柱6傳導至導磁體2下端的磁極瓣201。如圖2所示，四個導磁體2的磁極瓣201形成N極與N極相對，S極與S極相對的雙尖角磁場，產生的磁場強弱由勵磁電流來調節，電流越大，磁場越強。如圖6所示，鎢極1尖端產生的電弧10在這樣的雙尖角磁場作用下，電弧等離子體中的帶電粒子會在洛倫茲力的作用而向內偏移，也就是產生壓縮，電弧截面由圓形變為橢圓形，從而壓縮電弧10能夠提高電弧密度，增強穿透力，增加小孔的穩定性。

理論上，使用雙尖角磁場能使電弧截面由圓形變為橢圓形。原理如圖7所示。首先，(a)表示電弧產生電磁場，當電流的方向為垂直紙面向外時，由安培定理知，磁場的方向為逆時針，再根據左手定則可以判斷電弧受到均勻的電磁收縮力；而四個相對的磁極產生如(b)所示的磁場方向。這兩種情況使得電弧產生的磁場和磁鐵產生的磁場，上下方向相同，左右方向相反抵消了部分磁場，即電弧發生偏向，上下方向被壓縮，左右方向被放大，最終使電弧截面的形狀由圓形變為橢圓形，如(c)所示。

焊接時，為了避免高頻對勵磁電源9的影響，電弧在較小焊接電流下實現起弧后，再把電磁鐵的線圈7接到勵磁電源9上，旋轉勵磁電源9的電流檔，調節勵磁電流，之后開始正常焊接，勵磁電流的大小由實驗多次嘗試獲得，一般情況下，勵磁電流越大，磁場強度越大，對電弧的壓縮性能越強。

盡管上面結合附圖對本發明的優選實施例進行了描述，但是本發明并不局限于上述的具體實施方式，上述的具體實施方式僅僅是示意性的，并不是限制性的，本領域的普通技術人員在本發明的啟示下，在不脫離發明宗旨和權利要求所保護的范圍情況下，還可以作出很多形式的具體變換，這些均屬于本發明的保護范圍之內。