本發(fā)明屬于一種K-TIG焊槍技術(shù)領(lǐng)域，具體的說，是涉及一種利用電磁鐵產(chǎn)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(shù)：

K-TIG焊作為一種高品質(zhì)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(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。但由于K-TIG焊采用自由電弧作為熱源，自由電弧的形態(tài)決定于電極形態(tài)、電極間隙和電流值等。在焊接中厚板時，電弧收縮程度較弱，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。

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(jīng)過陰極水冷后，電弧的能量密度提升有限。另一方面，水冷陰極對電弧的收縮效應(yīng)只是在較短的弧長范圍內(nèi)存在，焊接過程中電弧的微小波動會影響小孔的穩(wěn)定性。因而，有必要改善電弧形態(tài)穩(wěn)定性。

外加磁場壓縮電弧技術(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。在焊接過程中，將環(huán)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(diào)節(jié)電弧的形態(tài)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(fā)生變化，能夠調(diào)節(jié)熔池形態(tài)，增加小孔的穩(wěn)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(xué)者對環(huán)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(shè)計了外部同軸環(huán)形磁場，避免了磁致雙弧。日本大阪大學(xué)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(fā)現(xiàn)：經(jīng)過尖頭磁場壓縮后，等離子弧柱橫截面由圓形變?yōu)闄E圓形，電場強度增加，電流密度增加。將由四個永磁鐵構(gòu)造成的尖頭磁場壓縮TIG焊電弧，弧柱截面由圓形變?yōu)闄E圓形，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TIG電弧形態(tài)的影響，認(rèn)為改變磁場形態(tài)能夠調(diào)整磁控電弧的形態(tài)，得到更大深寬比的焊縫。

但是，目前的電磁鐵控制裝置結(jié)構(gòu)復(fù)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(xiàn)對磁場的線性調(diào)節(jié)。因此缺少一種裝置簡單，占用空間小且磁場可調(diào)的電磁鐵控制裝置。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)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(wěn)定的穿透小孔，得到合格焊縫的工藝窗口較小，而現(xiàn)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(shù)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(chǎn)生的雙尖角磁場對電弧進行壓縮，增加電弧的拘束效應(yīng)，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(wěn)定性，擴大穩(wěn)定焊接的工藝窗口，為實現(xiàn)中厚板焊接的高效化、低成本化和優(yōu)質(zhì)化奠定基礎(chǔ)；并且通過鎢極周圍磁控部分的緊湊設(shè)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(tài)對熔池形態(tài)和小孔穩(wěn)定性的作用規(guī)律和機理。

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

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(shè)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(shè)置有至少頂部和外側(cè)開口的卡槽；所述焊槍套筒外圍環(huán)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(gòu)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(huán)向均布有四個導(dǎo)磁體，每個導(dǎo)磁體上部延伸至所述卡槽的外側(cè)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(cè)與所述導(dǎo)磁體貼緊接觸；第一螺釘在每個所述導(dǎo)磁體上部依次穿過所述導(dǎo)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(dǎo)磁體下部依次穿過所述導(dǎo)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(gòu)成電磁鐵產(chǎn)生的磁場傳輸至所述導(dǎo)磁體下端的所述磁極瓣，四個所述導(dǎo)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(shè)置，其上下貫通且橫截面為U形或C形。

所述導(dǎo)磁體由平板結(jié)構(gòu)加工成貼合于所述氣罩外壁的形狀，所述芯柱的底部外側(cè)切削為平面并與所述導(dǎo)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(fù)極。

本發(fā)明的有益效果是：

本發(fā)明的磁控K-TIG焊槍，其附加裝置結(jié)構(gòu)簡單、制造成本低，通過電磁鐵產(chǎn)生的雙尖角磁場對電弧進行壓縮，并且通過導(dǎo)磁體將電磁鐵產(chǎn)生的磁場導(dǎo)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(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；另一方面由于導(dǎo)磁鐵的結(jié)構(gòu)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(tài)變化，更適于實際應(yīng)用。

附圖說明

圖1是本發(fā)明所提供的磁控K-TIG焊槍的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是圖1的仰視圖；

圖3是氣罩的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4是一根鐵芯彎制為兩根芯柱的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5是導(dǎo)磁體的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖6是本發(fā)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?yōu)闄E圓形的原理示意圖。

圖中：1：鎢極；2：導(dǎo)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(fā)明的內(nèi)容、特點及效果，茲例舉以下實施例，并配合附圖詳細(xì)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(shè)置有外螺紋，氣罩4頂部設(shè)置有內(nèi)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(nèi)螺紋的高度位置加設(shè)有四個徑向均布的外凸卡接部401，每個外凸卡接部401設(shè)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(shè)置。

四個芯柱6環(huán)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(gòu)成，如圖4所示。鐵芯6的材質(zhì)為工業(yè)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(shù)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(dǎo)線的電流流入端與勵磁電源9正極相連，露出線圈7導(dǎo)線的電流流出端與勵磁電源9負(fù)極相連。勵磁電源9輸出的電流值可調(diào)。

四個導(dǎo)磁體2環(huán)向均勻的布置在氣罩4外部，材質(zhì)與鐵芯相同為工業(yè)純鐵。如圖5所示，為了結(jié)構(gòu)緊湊，導(dǎo)磁體2由平板結(jié)構(gòu)加工成貼合于氣罩4外壁的形狀，其上端應(yīng)延伸至卡槽402底面和外側(cè)開口處并將能夠?qū)⒃撏鈧?cè)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(chǎn)生的磁場有效地傳遞到鎢極1附近。這樣，導(dǎo)磁體2底端相對于其主體平板結(jié)構(gòu)膨大凸出而構(gòu)成磁極瓣201，該磁極瓣201一方面可以作為限位結(jié)構(gòu)卡在氣罩4底端邊緣，以控制導(dǎo)磁體2的安裝位置，另一方面使導(dǎo)磁體2底端更接近于鎢極1，易于在焊接時控制電弧形態(tài)。通過導(dǎo)磁體2將電磁鐵產(chǎn)生的磁場導(dǎo)向鎢極1處，由于導(dǎo)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(dǎo)磁體2上部構(gòu)成的四個空腔中，每根芯柱6的底部外側(cè)切削為平面并與導(dǎo)磁體2的平面緊密接觸，以達(dá)到有效傳遞磁場的目的。第一螺釘5在每個導(dǎo)磁體2上部依次穿過導(dǎo)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(dǎo)磁體2下部依次穿過導(dǎo)磁體2和氣罩4而將兩者固定連接，這樣芯柱6和導(dǎo)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(dǎo)磁體2在卡槽402處相連接，芯柱6與線圈7所構(gòu)成的電磁鐵產(chǎn)生的磁場經(jīng)由芯柱6傳導(dǎo)至導(dǎo)磁體2下端的磁極瓣201。如圖2所示，四個導(dǎo)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(chǎn)生的磁場強弱由勵磁電流來調(diào)節(jié)，電流越大，磁場越強。如圖6所示，鎢極1尖端產(chǎn)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(nèi)偏移，也就是產(chǎn)生壓縮，電弧截面由圓形變?yōu)闄E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(wěn)定性。

理論上，使用雙尖角磁場能使電弧截面由圓形變?yōu)闄E圓形。原理如圖7所示。首先，(a)表示電弧產(chǎn)生電磁場，當(dāng)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(jù)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(chǎn)生如(b)所示的磁場方向。這兩種情況使得電弧產(chǎn)生的磁場和磁鐵產(chǎn)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(fā)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?yōu)闄E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(xiàn)起弧后，再把電磁鐵的線圈7接到勵磁電源9上，旋轉(zhuǎn)勵磁電源9的電流檔，調(diào)節(jié)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(jié)合附圖對本發(fā)明的優(yōu)選實施例進行了描述，但是本發(fā)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(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)明的保護范圍之內(nèi)。