LP—TIG焊枪结构建模效果的仿真验证研究

李洹

摘 要：文章针对常规TIG焊存在的单道焊接熔深浅、焊接速度低、焊接效率低下等问题开发了LP-TIG焊接方法，该焊接方法是通过强化冷却钨极，压缩电弧，获得电流密度大、电弧挺度高、穿透能力强的焊接电弧，实现穿孔型焊接，增大焊接熔深，提高TIG焊的焊接效率，拓展常规TIG焊的应用范围。

关键词：LP-TIG焊枪；结构建模；穿孔型焊接

本文提出的LP-TIG焊枪可以实现对钨极的良好冷却，并且具有良好的导电、导热及绝缘性能。该焊枪在进行平板对接焊时可以实现2～8 mm厚低碳钢，6～10 mm厚不锈钢的单面焊双面成形焊接工艺，且焊接形式为穿孔型焊接，焊接过程稳定，焊缝成形较好。

1 LP-TIG焊枪结构原理及设计思路

由LP-TIG焊接方法的原理可知，在进行LP-TIG焊枪设计时需要重点考虑的问题就是对钨极的冷却，且要保证冷却效果可以达到钨极的尖端，从而可以实现将电弧压缩至钨极尖端的目的，另外，还需要考虑到导电，冷却水路，保护气路以及焊枪外部绝缘等问题[1]。

1.1 冷却系统及导电系统的设计

冷却系统的设计采用水电一体的设计方案，冷却水经水冷电缆从焊枪中心铜管进入枪体，直接喷洒在钨极夹头的后部，实现对钨极的冷却，同时中心铜管接水冷电缆，通过导电体将电流导通至钨极，实现电路的导通。由于该焊枪使用的焊接电流高达700 A，因此，还需要考虑电流通路上导体的导电能力及导体单位截面积上允许通过的电流大小。

1.2 气路系统的设计

采用从焊枪侧壁导入气体，利用絕缘套与焊枪枪体及导电体之间的间隙，将气体传导至焊枪喷嘴的上部，为了避免气流紊乱，造成保护效果不良，因此，需要在气体进入喷嘴之前对气流进行梳理，使气流进入喷嘴后基本处于层流的状态[2]。

1.3 钨极的夹持问题

钨极夹不仅要实现对钨极夹持定位，同时还需要跟钨极紧密接触，实现对钨极的强化冷却，同时将焊接电流传导给钨极，因此，钨极夹设计成为该焊枪设计成败的关键。另外，还需要考虑的问题是，外枪体由于散热的问题需要采用金属材料，这就需要考虑导电体和外枪体之间的绝缘问题[3]。

2 焊枪整体设计

根据LP-TIG焊枪结构原理及既定的设计思路，进行LP-TIG焊枪结构的设计，首先进行焊枪结构的整体方案设计，然后针对各个系统进行详细设计，最后进行改进设计，完成整个焊枪的样机方案设计[5]。

2.1 LP-TIG焊枪结构的设计

采用三维绘图软件进行了焊枪整体结构的设计。焊枪主要由以下几部分组成：进水管、焊枪后盖、导电块、导电体、绝缘套、枪体、内喷水管、筛网、喷嘴、钨极夹、钨极夹套、进气管、回水管。

2.2 电流传导系统

该系统将一端跟焊接电源正极相连，一端跟钨极相连。通过电流传导系统将焊接电源发送的焊接电流传导至钨极尖端，钨极尖端与被焊母材之间在高频放电的作用下击穿两者之间的保护气体，从而在两者之间形成稳定燃烧的电弧，焊接电流最终通过钨极尖端，在焊接电弧的作用下传导至母材处，然后通过母材将电流传导回焊接电源负极，形成焊接回路。由于该焊枪设计的最大使用焊接电流高达700 A，因此，需要考虑导电系统的导电能力。

2.3 冷却水循环系统

结合常规大电流TIG焊枪的设计思路，可以考虑水电一体的设计思路，将冷却水循环水路与导电系统统一起来，既可以完成电流的传导，也可以实现对导电体的良好冷却效果。作为导电体的紫铜材料，不仅具有优越的导电性能，同时也具有良好的导热性能，刚好实现导电和冷却两方面的功能。

2.4 保护气传导系统

钨极氩弧焊使用的保护气为惰性气体，一般为Ar气、He气，惰性气体主要包括两方面的作用：一方面在钨极和母材之间被电离形成电弧，以等离子体的形式存在，传导电流和热量；另一方面是将钨极和熔化的被焊金属与空气隔离起来，防止钨极被烧损和炽热的金属被氧化，保护焊缝。因此，这就要求保护气体从焊枪喷嘴流出时必须是层流状态，才不至于将空气卷入焊接电弧和被焊区域，这样才能更好地保证钨极不被烧损，焊缝金属不被氧化。

2.5 焊枪与外界的绝缘系统

由于考虑到焊枪需要承受电弧辐射的热量问题，因此，焊枪枪体将采用金属材料，但在生产过程中枪体就极容易跟母材连接，导致枪体与母材间产生电弧，烧坏枪体，因此，在导电体和枪体之间必须做好良好的绝缘。

3 LP-TIG焊枪设计方案热力学验证

考虑到导电体在导通电流时会产生的焦耳热以及电弧辐射的热量都会引起导电体温度的上升，从而引起冷却液的温度上升。如果冷却液对导电体的冷却能力不够，导电体温度过高可能烧坏与导电体紧密接触绝缘套，绝缘套耐热温度为400 ℃。为了避免这一情况的出现，针对该设计方案进行热力学验证[6]。

5 结语

本文针对该焊接方法进行了不锈钢焊丝堆焊、坡口内的打底焊和填充焊的适应性验证试验。从试验结果可以看出，该方法用于堆焊时，最高送丝速度可以达到8 m/min。也适用于0～4 mm钝边尺寸范围内的打底焊，用于填充焊时，焊丝的填充速度可以达到8 m/min。因此，从以上试验结果可见LP-TIG焊接方法属于一种新型高效的TIG焊接方法，将大大提升TIG焊的焊接效率，拓展TIG焊的应用范围，具有广阔的应用前景。

[参考文献]

[1]中国机械工程学会焊接学会.中国焊接行业的现状、发展及展望（讨论稿）[EB/OL].（2004-05-20）[2018-11-08].www.China-weldnet.com/hanhfzdc/mschytl.htm.

[2]黄勇.铝合金活性TIG焊接法及其熔深增加机理的研究[D].兰州：兰州理工大学材料学院，2007.

[3]潘际銮.焊接手册（第1卷）[M].北京：机械工业出版社，1992.

[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]张瑞华，樊丁，余淑荣.低碳钢A-TIG焊的活性剂研制[J].焊接学报，2003（2）：16-18.

[6]刘自刚，瞿怀宇，曹瑞昌，等.DP-TIG焊接方法工艺研究[J].焊接，2017（3）：61-65.