本發(fā)明屬于一種k-tig焊槍技術(shù)領(lǐng)域，具體的說，是涉及一種增加可調(diào)磁場(chǎng)收縮電弧柱的磁控k-tig焊槍。

背景技術(shù)：

tig焊能夠?qū)崿F(xiàn)高品質(zhì)焊接，然而現(xiàn)有tig焊電弧能量密度較低，限制了其焊接效率。基于傳統(tǒng)tig焊槍，通過水冷鎢極產(chǎn)生陰極收縮效應(yīng)，配合較大的焊接電流，得到一種新型穿孔焊接工藝方法，稱為cf-tig焊或k-tig焊；其原理在于：tig焊接工藝中，焊接電弧建立在鎢極(陰極)與工件熔池(陽極)之間，電弧與陰極之間的粘附形態(tài)主要決定于陰極的熱電子發(fā)射行為，而陰極的熱電子發(fā)射主要發(fā)生在溫度高于3000k的鎢極尖端表面。為了拘束電弧，通過水冷銅制電極套帶走鎢極的熱量，壓縮鎢極尖端的高溫區(qū)面積，從而將電子發(fā)射區(qū)域壓縮到鎢極尖端的極小部位，電弧根部的面積縮小，電磁收縮力增加，弧柱沿徑向上壓縮，作用在熔池表面的電弧壓力增加，能量密度增加。這樣，電弧力能夠克服熔池液面的表面張力，壓迫熔池表面在工件厚度方向上產(chǎn)生深熔小孔；如果焊接電流足夠大，工件被完全熔透，能夠形成貫穿工件的小孔。k-tig焊可對(duì)中厚板在不開坡口的前提下單道次焊接實(shí)現(xiàn)“單面焊接，雙面成形”，在3～12mm厚度的黑色及有色金屬焊接領(lǐng)域具備廣泛的應(yīng)用前景。雖然能量密度很高的激光焊、電子束焊和等離子弧焊具有更強(qiáng)的穿透能力，k-tig焊作為一種使用自由電弧的焊接工藝，在設(shè)備造價(jià)、運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用、設(shè)備操作復(fù)雜程度以及焊槍行走靈活性等方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

目前，經(jīng)過大量的工藝應(yīng)用實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：k-tig焊接工藝適合于焊接低熱導(dǎo)率的金屬材料，隨著材料熱導(dǎo)率增加，小孔的穩(wěn)定性降低。在焊接中厚板時(shí)，電弧收縮程度不夠，不利于形成穩(wěn)定的穿透小孔，得到合格焊縫的工藝窗口較小。主要原因在于，目前k-tig焊接采用自由電弧為熱源，自由電弧的形態(tài)決定于電極形態(tài)、電極間隙和電流值。一方面，經(jīng)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(duì)電弧的收縮效應(yīng)只是在較短的弧長(zhǎng)范圍內(nèi)存在，焊接過程中電弧的微小波動(dòng)會(huì)影響小孔的穩(wěn)定性。因而，有必要改善電弧形態(tài)穩(wěn)定性。總而言之，如何進(jìn)一步改進(jìn)k-tig焊接工藝，有效地調(diào)控焊接電弧形態(tài)，保證小孔的穩(wěn)定性，是穩(wěn)定k-tig焊接過程，保證得到質(zhì)量合格焊縫的關(guān)鍵。

外加磁場(chǎng)壓縮電弧技術(shù)是一種改善電弧焊過程穩(wěn)定性的常用方法，即通過改變電弧的形態(tài)，控制電弧的特性來提高焊接工藝的適應(yīng)性。焊接中常用的磁場(chǎng)有三種：

(1)外加橫向磁場(chǎng)，即外加磁場(chǎng)的磁力線垂直通過電弧軸線；

(2)外加縱向同軸磁場(chǎng)，即外加磁場(chǎng)的磁力線方向與電弧軸線方向平行；

(3)外加環(huán)形磁場(chǎng)，它可使電弧弧柱的形狀變?yōu)闄E圓形，使弧柱能量密度和電弧電場(chǎng)強(qiáng)度提高。

外加橫向交變磁場(chǎng)控制小電流(<10a)電弧，可以顯著地影響電弧形態(tài)及電弧能量密度，低頻交流磁場(chǎng)使電弧擺動(dòng)，而高頻交流磁場(chǎng)可以使電弧收縮；隨外加磁場(chǎng)強(qiáng)度的增加，這種收縮效應(yīng)逐漸加劇。但是，大電流電弧的挺度很大，該控制方法難以達(dá)到滿意效果。外加縱向磁場(chǎng)主要用來促使電弧旋轉(zhuǎn)，改變弧柱等離子流和電流密度的徑向分布，影響母材的加熱、熔化和焊縫成形。外加環(huán)形磁場(chǎng)能夠沿電弧周長(zhǎng)對(duì)電弧產(chǎn)生作用力，常被用來改變電弧的壓縮形態(tài)，從而較顯著地改變電弧的熱-力特性。國(guó)外的學(xué)者對(duì)環(huán)形磁場(chǎng)約束電弧進(jìn)行了很多研究。yamaguchi利用鐵磁性材料圍繞噴嘴設(shè)計(jì)了外部同軸環(huán)形磁場(chǎng)，避免了磁致雙弧。日本大阪大學(xué)的hirata課題組將尖頭磁場(chǎng)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(yàn)證了能夠?qū)惺娀∵M(jìn)行磁致收縮。arata等人測(cè)試了磁壓縮等離子電弧的基本特性后發(fā)現(xiàn)：經(jīng)過尖頭磁場(chǎng)壓縮后，等離子弧柱橫截面由圓形變?yōu)闄E圓形，電場(chǎng)強(qiáng)度增加，電流密度增加，將焊接速度提高了50％，得到外觀質(zhì)量良好的焊縫。nomura研究了磁頭分布對(duì)tig電弧形態(tài)的影響，認(rèn)為改變磁場(chǎng)形態(tài)能夠調(diào)整磁控電弧的形態(tài)，得到更大深寬比的焊縫。在國(guó)內(nèi)，太原理工大學(xué)的趙彭生等人在焊接和切割領(lǐng)域?qū)Υ艌?chǎng)壓縮等離子弧進(jìn)行了大量的工藝應(yīng)用實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：等離子弧經(jīng)雙尖角磁場(chǎng)再壓縮后，電弧截面壓扁，能量場(chǎng)及壓力場(chǎng)向長(zhǎng)徑密集，電位梯度、最大電流密度及滯點(diǎn)壓力均有不同程度的增加，產(chǎn)生“雙弧”的臨界電流也有所提高；外磁場(chǎng)的引入使得焊接工藝性能及焊縫成形可以通過磁場(chǎng)強(qiáng)度和電弧方位進(jìn)行大幅度的調(diào)節(jié)，從而提高等離子弧焊接的工藝適應(yīng)性，擴(kuò)大了它的應(yīng)用范圍，同時(shí)可以一定程度上抑制雙弧的產(chǎn)生，提高焊縫成形的穩(wěn)定性，提高焊接效率，對(duì)于中板的焊接能獲得良好的工藝窗口。國(guó)外的學(xué)者對(duì)環(huán)形磁場(chǎng)約束電弧進(jìn)也行了很多研究。

上述研究中使用電磁鐵形成磁場(chǎng)，通過改變勵(lì)磁電流改變小孔形狀。但電磁鐵裝置較為繁雜、占用空間較大并且需要獨(dú)立的電源，不利于方便地安拆以適應(yīng)靈活的焊接任務(wù)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的是如何簡(jiǎn)便地優(yōu)化k-tig焊焊接電弧的技術(shù)問題，提供一種基于永磁鐵陣列的磁控k-tig焊槍，使用數(shù)目可控的永磁鐵代替電磁鐵，以構(gòu)造環(huán)形磁場(chǎng)壓縮k-tig焊接電弧，在保證磁場(chǎng)可控的前提下簡(jiǎn)化裝置；利用可調(diào)永磁鐵數(shù)量的多磁極構(gòu)造尖頭磁場(chǎng)以達(dá)到可控地增加電弧的拘束效應(yīng)，增加電弧的穿透能力，可以焊接更厚的工件；改善k-tig焊接電弧的熱源特性，進(jìn)一步提高k-tig焊接電弧的穩(wěn)定性；適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)各向永磁鐵數(shù)目，可針對(duì)性地獲得所需的優(yōu)良工藝窗口，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)tig焊的高效化和高速化。

為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明通過以下的技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)：

一種基于永磁鐵陣列的磁控k-tig焊槍，包括外側(cè)設(shè)置有銅套的焊槍槍頭，所述焊槍槍頭上固定有磁控裝置，所述磁控裝置包括十字固定板、磁鐵固定槽、永磁鐵和磁鐵固定塊；

所述十字固定板為具有四個(gè)支撐板的十字形平板結(jié)構(gòu)，其中心位置設(shè)置有用于與所述焊槍槍頭固定的焊槍固定孔，所述十字固定板的四個(gè)支撐板分別設(shè)置有多個(gè)用于與所述磁鐵固定槽連接的第一固定孔，所述十字固定板的四個(gè)支撐板分別設(shè)置有一個(gè)其沿長(zhǎng)度方向的長(zhǎng)條孔；

所述磁鐵固定槽為長(zhǎng)方體槽形結(jié)構(gòu)，其槽口頂部?jī)蓚?cè)向外加寬作為與所述十字固定板的連接部位，該連接部位上設(shè)置有與所述十字固定板的所述第一固定孔相對(duì)應(yīng)的多個(gè)第二固定孔；所述磁鐵固定槽的長(zhǎng)方體槽形結(jié)構(gòu)一端設(shè)置有擋板、另一端開口設(shè)置；

四個(gè)所述磁鐵固定槽分別安裝在所述十字固定板的四個(gè)支撐板下部，每個(gè)所述磁鐵固定槽設(shè)置所述擋板的一端靠近所述十字固定板中心而開口一端遠(yuǎn)離所述十字固定板中心；所述十字固定板和所述磁鐵固定槽以穿過所述第一固定孔和所述第二固定孔的螺栓連接；

每個(gè)所述磁鐵固定槽中放置至少一塊永磁鐵，四個(gè)所述磁鐵固定槽中的所述永磁鐵按照n極與n極相對(duì)、s極與s極相對(duì)布置且對(duì)稱等量設(shè)置；每個(gè)所述磁鐵固定槽中的永磁鐵前端通過所述擋板限位、末端通過設(shè)置在所述磁鐵固定槽中的所述磁鐵固定塊限位，所述磁鐵固定塊以其上部的螺栓結(jié)構(gòu)穿過所述十字固定板的所述長(zhǎng)條孔并通過螺母固定。

其中，所述磁控裝置固定于焊槍槍頭的銅套下沿。

其中，所述十字固定板直接或者通過襯墊材料以過度配合的方式固定于焊槍槍頭。

本發(fā)明的有益效果是：

本發(fā)明的基于永磁鐵陣列的磁控k-tig焊槍，通過在四個(gè)磁鐵固定槽中分別放置一定數(shù)量的永磁鐵，從而在焊槍槍頭處構(gòu)成磁控裝置形成環(huán)形磁場(chǎng)，進(jìn)而對(duì)等離子弧產(chǎn)生拘束作用，能夠極大地壓縮等離子弧的橫截面積，增大等離子弧的能量密度，從而增加電弧的穿透能力，使焊槍具有更好的穿透性，提高焊接過程的穩(wěn)定性、增加焊接速度，顯著提高焊接效率，節(jié)省焊接制造成本；尤其是在使用水冷鎢極壓縮陰極區(qū)域的同時(shí)，增加磁場(chǎng)收縮電弧柱，可以顯著改善k-tig焊接的電弧特性。

本發(fā)明的基于永磁鐵陣列的磁控k-tig焊槍中，作為活動(dòng)部分的磁控裝置可以方便地根據(jù)實(shí)際需求安拆或更換，采用體積較小不需要獨(dú)立電源的永磁鐵可以使得裝置小型化；通過磁鐵固定槽中設(shè)置磁鐵固定塊可以便捷的改變磁鐵數(shù)量，使本裝置可以適用不同強(qiáng)度電流不同厚度的工件，不同程度的壓縮等離子弧。因此，本發(fā)明的磁控k-tig焊槍，使用數(shù)目可控的永磁鐵代替電磁鐵構(gòu)造環(huán)形磁場(chǎng)，在保證磁場(chǎng)可控的前提下，使焊槍結(jié)構(gòu)更加緊湊，極大地簡(jiǎn)化了裝置。

此外，本發(fā)明的基于永磁鐵陣列的磁控k-tig焊槍，還可以通過改變永磁鐵數(shù)量和類型，改變橫向兩方向上磁場(chǎng)強(qiáng)度，控制對(duì)電弧的拘束程度，形成需要的小孔形狀，同樣可以良好的適應(yīng)不同強(qiáng)度的電流和不同厚度的工件。

附圖說明

圖1是本發(fā)明所提供的磁控k-tig焊槍的主視圖；

圖2是本發(fā)明所提供的磁控k-tig焊槍的仰視圖；

圖3是本發(fā)明所提供的磁控k-tig焊槍的立體結(jié)構(gòu)示意圖。

圖中：1：焊槍槍頭；2：十字固定板；201：焊槍固定孔；202：第一固定孔；203：長(zhǎng)條孔；3：磁鐵固定槽；301：第二固定孔；302：擋板；4：永磁鐵；5：磁鐵固定塊。

具體實(shí)施方式

為能進(jìn)一步了解本發(fā)明的內(nèi)容、特點(diǎn)及效果，茲例舉以下實(shí)施例，并配合附圖詳細(xì)說明如下：

如圖1和圖2所示，本實(shí)施例提供了一種基于永磁鐵陣列的磁控k-tig焊槍，在焊槍槍頭1的銅套下沿安裝有磁控裝置，該磁控裝置包括十字固定板2、磁鐵固定槽3、永磁鐵4和磁鐵固定塊5。

十字固定板2為具有四個(gè)支撐板的十字形平板結(jié)構(gòu)，其中心位置按照焊槍槍頭1的尺寸設(shè)置有圓形的焊槍固定孔201，該焊槍固定孔201能夠使十字固定板2套裝在焊槍槍頭1的適當(dāng)位置，并直接或者通過襯墊材料以過度配合的方式固定于焊槍槍頭1的銅套下沿，使永磁鐵4下緣低于焊槍鎢極尖端且不接觸工件，避免磁控裝置的位置過低或過高以致接觸工件或拘束電弧效果不明顯。十字固定板2的四個(gè)支撐板分別設(shè)置有用于與磁鐵固定槽3連接的第一固定孔202，十字固定板2的四個(gè)支撐板還分別設(shè)置有其沿長(zhǎng)度方向延伸的長(zhǎng)條孔203。

磁鐵固定槽3為長(zhǎng)方體槽形結(jié)構(gòu)，其槽口頂部?jī)蓚?cè)向外加寬作為與十字固定板2的連接部位，該連接部位上設(shè)置有與十字固定板2上的第一固定孔202相對(duì)應(yīng)的第二固定孔301。磁鐵固定槽3的長(zhǎng)方體槽形結(jié)構(gòu)一端設(shè)置有擋板302、另一端開口設(shè)置。四個(gè)完全相同的磁鐵固定槽3以同樣的位置分別安裝在十字固定板2的四個(gè)支撐板下部，每個(gè)磁鐵固定槽3的槽口向上，設(shè)置有擋板302的一端靠近十字固定板2中心而開口一端遠(yuǎn)離十字固定板2中心；十字固定板2和磁鐵固定槽3以螺栓穿過第一固定孔202和第二固定孔301而將兩者連接固定。

每個(gè)磁鐵固定槽3內(nèi)放置一定數(shù)量的相同的永磁鐵4，四個(gè)磁鐵固定槽3內(nèi)的永磁鐵4應(yīng)該對(duì)稱等量，并按照n極與n極相對(duì)、s極與s極相對(duì)的原則分布，即相對(duì)磁鐵固定槽3中磁極相同，相鄰磁鐵固定槽3中磁極相反。每個(gè)磁鐵固定槽3內(nèi)的永磁鐵4放置完成后，其前端抵頂于磁鐵固定槽3的擋板302，末端設(shè)置安裝在所述磁鐵固定槽中的磁鐵固定塊5，磁鐵固定塊5的上部連接有螺栓結(jié)構(gòu)，用于穿過十字固定板2的長(zhǎng)條孔并通過螺母固定。由此，永磁鐵4在磁鐵固定槽3內(nèi)通過擋板302和磁鐵固定塊5限位并固定。

為了減少導(dǎo)磁，十字狀固定板2為玻璃纖維板，磁鐵固定槽3為銅制，與永磁鐵4直接接觸的磁鐵固定塊5為特種工程塑料。

在使用過程中，通過調(diào)節(jié)永磁鐵4數(shù)量，可以調(diào)控對(duì)等離子弧的壓縮程度，可控地減小等離子弧橫截面積，增大其能量密度；通過改變永磁鐵4數(shù)量可以得到不同壓縮程度的弧柱，能夠更好地適應(yīng)不同材料不同厚度工件的焊接。一般來說，較多數(shù)目的永磁鐵4能產(chǎn)生更強(qiáng)磁場(chǎng)，從而更好地拘束電弧，增強(qiáng)電弧穿透性，顯著提高焊接效率降低成本。另外，調(diào)整不同方向上永磁鐵4數(shù)量還可以獲得需要的小孔形狀。

盡管上面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)行了描述，但是本發(fā)明并不局限于上述的具體實(shí)施方式，上述的具體實(shí)施方式僅僅是示意性的，并不是限制性的，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在本發(fā)明的啟示下，在不脫離發(fā)明宗旨和權(quán)利要求所保護(hù)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(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。