本發(fā)明屬于電弧增材制造技術領域，涉及一種適用于電弧增材制造的同軸空心鎢極TIG焊裝置，應用該裝置能夠實現(xiàn)大尺寸構件基于TIG電弧的高質量高效增材制造過程，更具體地說，涉及一種同軸空心鎢極TIG焊裝置及其焊槍、使用方法和應用。

背景技術：

TIG這種焊接方法由于采用惰性氣體保護，電弧燃燒相當穩(wěn)定，焊縫質量十分優(yōu)異，是高端工業(yè)部門焊接制件和精密零部件首選的焊接工藝方法。但是，傳統(tǒng)的TIG焊由于其電極的載流能力了有限，電弧功率受到一定限制，且采用旁軸送絲，焊縫熔深淺、焊接速度小?；谏鲜鰡栴}，人們在此基礎上發(fā)展起來一種熱絲TIG焊，它是一種優(yōu)質、高效、節(jié)能的焊接工藝，其基本原理就是在焊絲送進熔池之前，對焊絲進行加熱使其達到一定的預熱溫度，最終實現(xiàn)高速高效焊接的目的。然而熱絲TIG焊中，對焊絲進行預熱基本采用外置電阻加熱的方式，在焊絲上面通過電流，利用焊絲自身的電阻產熱從而實現(xiàn)對焊絲的預熱，在電阻加熱熱絲過程中將產生幾大工藝問題，分別是磁偏吹、熱絲送進位置波動、焊絲進入熔池前氧化難以控制，且在增材制造時容易產生開裂現(xiàn)象。

在熱絲TIG焊中，設焊絲的伸出長度為e，焊絲的橫截面積為S，焊絲材料的電阻率為ρ，焊絲的加熱電流為Iw，則在焊絲上產生的電阻熱功率PR為：PR＝(I²ρe)/S?？煽闯?，當焊絲的直徑很大、焊絲材料的電阻率很低時，電阻加熱的功率將達不到焊絲加熱的預熱溫度，故此方法只適用于大電阻率、較細焊絲加熱的情形，很難用于銅、鋁等高導電率材料的焊接上，電流加熱效率低，焊絲達不到合適的溫度。因此，迫切需要熱絲TIG焊用于銅合金、鋁合金焊接時在熱敷效率、預熱效果、焊縫質量方面的提升。

為克服TIG焊的上述缺陷，國內外研究人員做了大量的工作，涌現(xiàn)出多種TIG焊焊接技術。例如，中國專利申請?zhí)枮椋?01010233844.2，公開日為：2010年11月24日的專利文獻，公開了一種窄間隙熱絲TIG焊槍，包括焊槍角擺裝置、前送氣保護裝置、背保護氣罩裝置和送絲裝置，前送氣保護裝置連接在焊槍角擺裝置上，送絲裝置和背保護氣罩裝置同時連接在焊槍角擺裝置的外殼上，焊槍角擺裝置包括步進電機、主動齒輪、過渡齒輪、角擺齒輪和角擺槍桿，主動齒輪固定在步進電機的輸出軸上，過渡齒輪分別與主動齒輪和角擺齒輪嚙合，角擺槍桿固定于角擺齒輪的中心，其內外設置有連通的水冷管。該方案重在于改善焊接環(huán)境、降低工人勞動強度、調高工作效率，但它的熱絲結構較為復雜，造成焊槍結構臃腫復雜，同時，也不適合銅、鋁及其合金等高導電材料的焊接。

目前，采用TIG焊的電弧增材制造技術已受到廣泛關注。增材制造是在工件的表面或邊緣進行熔敷一層耐磨、耐蝕、耐熱等性能金屬層的焊接工藝。增材制造對提高零件的使用壽命，合理使用材料，提高產品性能，降低成本有顯著的經(jīng)濟效益。增材制造作為材料表面改性的一種經(jīng)濟而快速的工藝方法，越來越廣泛地應用于各個工業(yè)部門零件的制造修復中，主要有激光熔覆，電弧堆焊等。傳統(tǒng)的TIG焊電弧增材制造中最常碰到的問題就是由于熔敷部位殘余應力過大而造成的開裂，目前還沒有有效解決該問題的方法。

技術實現(xiàn)要素：

1、要解決的問題

針對傳統(tǒng)TIG焊在電弧增材制造時停留時間長、熔敷效率低，熔敷部位應力過大開裂等問題，本發(fā)明提供了一種同軸空心鎢極TIG焊裝置及其焊槍，該焊槍采用同軸熱絲的電弧熔敷工藝，具有加熱均勻、射流過渡等優(yōu)點，可實現(xiàn)超高速、高質量電弧增材制造，尤其適合于銅、鋁及其合金等活潑金屬的增材制造。另外，為方便焊接操作，本發(fā)明還提供了該裝置的使用方法。

2、技術方案

為解決上述問題，本發(fā)明采用如下的技術方案。

一種同軸空心鎢極TIG焊槍，包括槍體，槍體前端設置瓷嘴，其特征在于：還包括空心鎢極；所述的槍體內部具有保護氣腔，槍體設置有與保護氣腔連通的進氣孔，進氣孔用于連接氣源；所述的空心鎢極設置在槍體內，其前端從瓷嘴伸出，空心鎢極的中間為中空的送絲腔；所述的空心鎢極的側壁上設置有通氣孔，它將空心鎢極的送絲腔與槍體的保護氣腔連通。

進一步地，所述的空心鎢極的前端設置有喇叭口。

一種同軸空心鎢極TIG焊裝置，包括焊槍，所述的焊槍采用上述的同軸空心鎢極TIG焊槍。

進一步地，還包括送絲機構；所述的送絲機構將焊絲從空心鎢極的后端送入送絲腔中，并從空心鎢極的前端伸出。

上述的同軸空心鎢極TIG焊裝置，在銅、鋁及其合金的電弧增材制造中的應用。

一種同軸空心鎢極TIG焊裝置的使用方法，其步驟為：先調整好焊槍相對待焊工件焊接縫的位置；然后，將焊絲送入空心鎢極的送絲腔中；再通過槍體的進氣孔接通氣源，保護氣進入保護氣腔，并從瓷嘴噴出，形成保護氣氛；同時，保護氣腔內的保護氣由通氣孔進入空心鎢極的送絲腔，排凈內部空氣，使焊絲處于保護氣氛中；接著，接通焊接電源，在空心鎢極與工件的焊接縫之間起弧，形成熔池，開始焊接，在焊接過程中，焊絲在進入熔池前受到空心鎢極熱輻射、電弧熱進行預熱；焊接結束時，依次熄弧、停止送絲、斷開保護氣，關閉焊接電源，完成焊接操作。

3、有益效果

相比于現(xiàn)有技術，本發(fā)明的有益效果為：

(1)本發(fā)明的焊槍結構設計精巧合理而富有創(chuàng)意，將傳統(tǒng)TIG焊的實心鎢極改為空心鎢極，焊絲通過槍內空心鎢極輸送，采用槍體內部輸送供氣，經(jīng)空心鎢極上的通氣孔進入空心鎢極內部，且采用送絲機構可實現(xiàn)自動送絲，該焊槍在焊絲進入熔池前進行預熱和氣體保護，大大提升了預熱效果且避免增材制造過程中因預熱問題產生的開裂現(xiàn)象，減少了電弧熔化焊絲的能量，提高了熔敷效率、焊接速度，減少H氣孔等焊接缺陷的產生，提高焊縫質量；

(2)本發(fā)明的焊槍將空心鎢極端部做成喇叭口形，增大空心鎢極端部截面積，這樣可以承載更大的電流，輸出更高功率的電弧，且根據(jù)不同的電弧輸出功率，可得到的熱絲溫度范圍比傳統(tǒng)熱絲大大拓寬；

(3)本發(fā)明同軸空心鎢極TIG焊裝置，可實現(xiàn)超高速、高質量電弧增材制造，尤其適合于銅、鋁及其合金等活潑金屬的增材制造；按照本發(fā)明的使用方法，可得到到質量的焊縫，提高焊接質量。

附圖說明

圖1為本發(fā)明同軸空心鎢極TIG焊槍的結構示意圖；

圖2為本發(fā)明同軸空心鎢極TIG焊裝置的工作原理示意圖。

其中：1、槍體；2、空心鎢極；3、焊絲；4、進氣孔；5、通氣孔；6、瓷嘴；7、喇叭口；8、保護氣腔；9、送絲腔；10、送絲機構；11、焊絲盤。

具體實施方式

下面結合具體實施例和附圖對本發(fā)明進一步進行描述。

實施例1

如圖1、圖2所示，本實施例的一種同軸空心鎢極TIG焊裝置，包括焊槍和送絲機構10；其中，焊槍包括槍體1和空心鎢極2，槍體1前端設置瓷嘴6，槍體1內部具有保護氣腔8，槍體1的后端設置有與保護氣腔8連通的進氣孔4，進氣孔4用于連接氣源；空心鎢極2設置在槍體1內，其前端從瓷嘴6伸出，空心鎢極2的中間為中空的送絲腔9，且送絲腔9的直徑比焊絲3的直徑大1mm；空心鎢極2的側壁上設置有通氣孔5，它將空心鎢極2的送絲腔9與槍體1的保護氣腔8連通。

該焊槍將傳統(tǒng)TIG焊的實心鎢極改為空心鎢極2，焊絲3通過空心鎢極2中的送絲腔9輸送，采用槍體1內部輸送供氣，經(jīng)空心鎢極2上的通氣孔5進入空心鎢極2的送絲腔9中；在焊接時，空心鎢極2引弧后，溫度升高，處于送絲腔9內的焊絲3在空心鎢極2熱輻射及電弧熱的作用下在進入熔池前即可進行預熱升溫，相比于傳統(tǒng)的對焊絲進行電加熱，無需額外添加單獨的熱絲電源，大大提升了預熱效果，降低了能耗，結構也更加簡單，生產成本低，更重要的是避免了磁偏吹的問題，減少了電弧熔化焊絲的能量，對焊絲3加熱均勻，可形成射流過渡，減小了加熱停留時間，實現(xiàn)超高速、高質量電弧增材制造，提高了熔敷效率、焊接速度，減少H氣孔等焊接缺陷的產生，提高焊縫質量，尤其適用于銅、鋁及其合金等低電阻材料的增材制造焊接，焊前預熱改善焊接局部區(qū)域溫度場的分布，有效降低了熔敷部位殘余應力，可有效避免增材制造過程中因預熱問題產生的開裂現(xiàn)象。另外，處于送絲腔9中的焊絲3處于保護氣氛中，避免焊絲3預熱后被氧化。值得說明的是，空心鎢極2具有一定長度，焊絲3在送絲腔9中可進行自動校正，且使得加熱軟化后的焊絲3保持直的狀態(tài)，焊絲3進入熔池位置精確度高，不會發(fā)生偏移，避免現(xiàn)有TIG焊熱絲送進位置波動情況的發(fā)生，尤其在送絲腔9的直徑比焊絲3直徑大1mm時，在對焊絲3形成保護氣氛的同時焊絲3送絲波動可達到最小，送絲效果最好。

此外，在本實施例中，空心鎢極2的前端設置有喇叭口7，增大空心鎢極2端部截面積，這樣可以承載更大的電流，引弧大，輸出更高功率的電弧，熔敷速度快，熔池深，非常適用于增材制造；且根據(jù)不同的電弧輸出功率，可得到的熱絲溫度范圍比傳統(tǒng)熱絲大大拓寬。本實施例優(yōu)選喇叭口7的角度為45°，兼顧空心鎢極2出口處焊絲3的保護氛圍及端部截面積，綜合效果好。

本實施例中，送絲機構10包括一對驅動輪和焊絲盤11，一對驅動輪設置于焊槍與焊絲盤11之間，焊絲盤11上的焊絲3穿過驅動輪后從空心鎢極2的后端送入送絲腔9中，并從空心鎢極2的前端伸出。一對驅動輪對稱設置，反向轉動，其邊沿之間的間隙與焊絲3的直徑相等，從而焊絲3被夾持于驅動輪之間并且隨驅動輪的轉動被輸送入到空心鎢極2，為焊接持續(xù)送絲，實現(xiàn)送絲過程的自動化。

上述所提到的保護氣為常用的惰性氣體，可以為氬氣、氦氣、氮氣、氫氣和二氧化碳氣等等。

為采用上述同軸空心鎢極TIG焊裝置實現(xiàn)高效高質量的焊接，下面給出其使用方法。

一種同軸空心鎢極TIG焊裝置的使用方法，其步驟為：先調整好焊槍相對待焊工件焊接縫的位置；然后，送絲機構10將焊絲3送入空心鎢極2的送絲腔9中；再通過槍體1的進氣孔4接通氣源，保護氣進入保護氣腔8，并從瓷嘴6噴出，形成保護氣氛；同時，保護氣腔8內的保護氣由通氣孔5進入空心鎢極2的送絲腔9，排凈內部空氣，使焊絲3處于保護氣氛中；接著，接通焊接電源，在空心鎢極2與工件的焊接縫之間起弧，形成熔池，開始焊接，在焊接過程中，焊絲3在進入熔池前受到空心鎢極2熱輻射、電弧熱進行預熱；焊接結束時，依次熄弧、停止送絲、斷開保護氣，關閉焊接電源，完成焊接操作。

為了更加體現(xiàn)本實施例焊接裝置在對銅、鋁及其合金的焊接增材制造中所具有的上述效果，下面結合具體的實例進行說明。

應用例1

采用實施例1的同軸空心鎢極TIG焊裝置及方法對10mm厚銅板進行對焊焊接，焊接各參數(shù)為：焊縫開Y形坡口，焊縫寬為10mm，所選銅焊絲的直徑為5mm，空心鎢極2的外徑為8mm，送絲腔9的直徑為6mm，保護氣體采用氦氣，焊接時氣流量為20L/min，直流電流為350A，送絲速度為60m/h，焊接速度為10m/h。焊后對焊縫進行檢測，焊縫表面無氣孔及夾渣，無焊滴附著，無裂紋及電弧擦傷，焊縫與母材圓滑過渡，接頭勻直，無凹坑錯邊，無根部收縮，焊縫余高在1.4±0.1mm，焊縫質量高，符合要求。

采用現(xiàn)有普通TIG焊，并采用與上述相同的焊接參數(shù)，對得到的焊縫進行檢測，發(fā)現(xiàn)焊縫氧化較為嚴重，表面多處出現(xiàn)氣孔，有細小裂紋及電弧擦傷痕跡，焊縫凹凸不平，存在未焊透、未熔合、焊縫成型不良等缺陷，焊縫質量差，不符合要求。經(jīng)分析得出上述缺陷是由于焊絲預熱不夠，焊絲氧化，以及焊接速度過快等原因導致。

應用例2

采用實施例1的同軸空心鎢極TIG焊裝置及方法對5mm的鋁板進行對接焊接，焊接各參數(shù)為：I形焊縫，焊縫大小為3mm，所選鋁焊絲的直徑為3mm，空心鎢極2的外徑為6.5mm，送絲腔9的直徑為4mm，保護氣體采用氬氣，焊接時氣流量為20L/min，交流電流為300A，送絲速度為85m/h，焊接速度為20m/h。焊后對焊縫進行檢測，焊縫表面無氣孔及夾渣，無焊滴附著，無裂紋及電弧擦傷，焊縫與母材圓滑過渡，接頭勻直，無凹坑錯邊，無根部收縮，焊縫余高在1.0±0.1mm，焊縫質量高，符合要求。

采用現(xiàn)有普通TIG焊，并采用與上述相同的焊接參數(shù)，對得到的焊縫進行檢測，發(fā)現(xiàn)焊縫氧化較為嚴重，表面多處出現(xiàn)氣孔，有細小裂紋及電弧擦傷痕跡，焊縫凹凸不平，存在未焊透、未熔合、焊縫成型不良等缺陷，焊縫質量差，不符合要求。經(jīng)分析得出上述缺陷是由于焊絲預熱不夠，焊絲氧化，以及焊接速度過快等原因造成。

應用例3

采用實施例1的同軸空心鎢極TIG焊裝置及方法在5mm×20mm×20mm的基板上進行4043鋁合金零件的TIG增材制造，所制造的產品為橫截面為矩形的墻壁，長為100mm，壁厚約為7mm，高度為50mm。焊接參數(shù)為：焊絲直徑為1.6mm，焊接電流為110A，送絲速度為1450mm/min，焊接速度為335mm/min，弧長保持在3mm，氣體流量為18L/min。在制造過程中保持送絲方向不變，每熔敷一層金屬后，焊槍太高約1.4mm，之后進行下一層金屬的熔敷，以此類推，從而得到所需產品。焊后，對沉積態(tài)4043鋁合金零件表面進行觀察，無氣孔及夾渣，無裂紋及電弧擦傷，相鄰兩層金屬之間熔合較好，肉眼不易分辨，表面整體質量高；采用X射線衍射的方法對沉積態(tài)4043鋁合金零件進行物相分析，發(fā)現(xiàn)其由Al和Al-Si共晶兩項組成；經(jīng)打磨拋光后采用凱勒試劑俯視3s，發(fā)現(xiàn)在界面上有等距離分布若隱若現(xiàn)的條紋，條紋平行分布，表明材料層狀分布不明顯，焊接熔合好。

本發(fā)明所述實例僅僅是對本發(fā)明的優(yōu)選實施方式進行描述，并非對本發(fā)明構思和范圍進行限定，在不脫離本發(fā)明設計思想的前提下，本領域工程技術人員對本發(fā)明的技術方案作出的各種變形和改進，均應落入本發(fā)明的保護范圍。