立敷焊装置设计

1、目录1绪 论22.设计原理22.1 MIG焊焊接原理22.2立敷焊焊接原理32.3射流过度33.电极材料以及电极直径的选择33.1电极材料的选择43.2电极直径的选择43.3钨电极的通电54.钨电极夹持机构的设计55.水冷结构的设计66.绝缘措施和焊枪固定的设计6参考资料8致谢91绪 论敷焊在这个焊接生产中占有很大的比例，最常用的是平敷焊。平敷焊是手工电弧焊中一类焊接操作的统称。平敷是在平焊位置上堆敷焊道的一种焊接操作方式，通常将使用这种操作方式的焊接方法称为平敷焊。平敷焊是所有焊接操作方法中最简单、最基础的方法。平焊就是在焊接过程中，焊接位置处于水平上方位置的焊接。敷焊技术主要应用在金属部件

2、的修复、预保护以及新产品的制造、使工件获得所需要的尺寸和表面性能，因此，现在已经广泛使用在航空、航天、机械、电子、钢铁冶金、能源、交通、石油、化工、食品、轻纺、广播电视、兵器等几乎所有的国民经济部门。平敷焊的焊接位置属于焊接全位置中，最容易焊的一个位置。但是在实际生产中，需要敷焊的位置往往并不是平位置。本课程设计当中设计的焊枪便是为了实现在垂直面上的敷焊。本课设主要设计焊枪电极的夹持机构，电极的水冷系统。本课程设计属于创新型设计，所设计的装置有待于在实际生产中验证其实用性。2.设计原理该设计的基本原理为焊丝和电极之间产生电弧，并且通过强大的电流，使焊丝端部出现射流过度，在电弧力以及气体吹力的作

3、用下使熔化的金属喷射到需要敷焊的工件上，以达到敷焊的目的。2.1 MIG焊焊接原理熔化极氩弧焊（Metal Argon Arc Welding）是使用焊丝作为熔化电极，采用氩气或者富氩混合气体作为保护气体的电弧焊方法。当保护气体是惰性气体Ar或者Ar+He时，通常称作熔化极惰性气体保护焊，简称MIG焊。熔化极氩弧焊的工作原理如图所示。焊接时，氩气从焊枪的喷嘴中喷出，保护焊接电弧以及焊接区，焊丝由送丝机构向待焊处送进，焊接电弧在焊丝与焊件之间燃烧，焊丝被电弧加热熔化形成熔滴过度到熔池当中去。冷却时，由焊丝和母材金属共同组成的熔池凝固结晶。2.2立敷焊焊接原理立敷焊的设计原理与MIG焊接的不同之处

4、在于焊丝不与母材之间产生电弧致使焊丝熔化，而是焊丝和电极之间产生电弧，使焊丝熔化产生的熔滴过渡到母材表面，因为所工作的环境工件表面是垂直的，故使熔滴的过渡形式达到射流过度能使熔滴更可靠的过渡到母材上而不至于脱落。立敷焊有自身的优势，焊丝不与母材产生电弧，母材的热输入量小，对于锅炉水冷壁等工件的修复具有焊接操作的优越性。2.3射流过度氩气或者富氩气体保护焊时，在一定的工艺条件下会出现喷射过渡，通常分为射滴、亚射流、射流、旋转射流四种过渡形式，射流过渡是喷射过渡中富有代表性且用途广泛的一种过渡形式。射流过度的特点分为以下几点。 焊接电流超过临界电流值时，产生射流过渡。 电弧烁亮区呈现圆锥状。 焊丝

5、端部的液体金属呈铅笔尖状，细小的熔滴从焊丝尖端一个接一个向熔池过渡。过渡速度很快。 熔滴过渡的加速度达到重力加速度的几十倍。 焊接过程稳定，飞溅极少。 电弧稳定，对保护电流的扰动作用小，保护效果好。在立敷焊的应用中，我们着重利用射流过度的上述特点。3.电极材料以及电极直径的选择获得射流过渡的条件是采用纯氩气或者富氩保护气氛，直流反接，除了保持高弧压之外，还必须使焊接电流大于一定值。这个电流值称为射流过渡的临界电流。3.1电极材料的选择为了使射流过渡能稳定的进行下去，那就必须要求所选用的电极能持续承受一定电压和电流，按照这种需求筛选，钨是稀有金属，属于元素周期表中第六周期的VIB族。钨是一种银白

6、色金属，外形似钢。钨的熔点高，蒸汽压很低，蒸发速度小。钨的化学性质也很稳定，常温下不跟空气和水反应。金属钨完全适合我们的需要。金属钨的熔点为3800K，用纯钨做阴极，只要阴极斑点的温度低于它的熔点就具有较强的电子发射能力。但是纯钨的逸出功比较大，在引弧的时候需要较高的空载电压，同时在大电流和长时间工作过程中，会引起阴极的烧损现象，我们常常在钨当中加入少量的氧化物，改善其性能。我们通常使用的钨电极有钍钨极和铈钨极。钍钨极是在纯钨中加入了少量氧化钍，降低了电子的逸出功，增加发射电子的能力，用这种材料做电极能在较低的空载电压下引弧，即使在超负荷的电流下也能较好的工作，降低阴极的损耗。铈钨极作为钍钨极

7、的替代品，氧化铈的含量为2%3%铈钨极作为电极与钍钨极作为电极相比具有以下优点。 在电流密度很小的情况下，引弧电流较钍钨极低，电弧的稳定性比较好。 在采用相同规范参数时，铈钨极的烧损程度较钍钨极小。 铈钨极所产生的放射性计量比钍钨极小的多，减少了对人体的危害。故我们选择铈钨极3.2电极直径的选择假设立敷焊所选焊丝的直径在1.2mm3.2mm之间的低碳钢焊丝，根据熔焊方法及设备一书中所介绍，这样的焊丝想要达到射流过渡的临界电流值为200A500A。这个电流所对应铈钨极的直径应选择在3.2mm4.0mm，在选择阴极尺寸的时候，我们始终要坚持的原则是阴极的温度应该低于材料的熔点。在喷枪的最大电流确定

8、之后，电极直径越大，其电流密度越小，电极的温度就越低，因此电极直接越大越有利。此外，电极的直径还和阴极的冷却情况，阴极斑点的运动情况有关，目前还只能根据经验选择，结合之前得出的数据，我们选择比理论数值大1mm的钨极，既钨电极的直径选择为5mm综上所述，选用直径为5mm，长度为185mm的铈钨极作为立敷焊的电极。3.3钨电极的通电端盖中心部位打通孔，导线从此通过与钨电极相连。4.钨电极夹持机构的设计立敷焊焊枪本身的设计结构尺寸长度大约在150mm左右，直径在100mm左右，在如此狭小的结构内，夹持钨电极的机构不能设计的过于繁琐，在充分利用有限空间的同时要设计出具有有效夹紧的装置，在立敷焊焊枪的设

9、计中，其主要零件为夹紧机构、水冷壁、套筒、端盖。夹紧机构的整体轮廓近似圆柱体，圆柱体的A端完全开口，B端开与钨电极直径相当的圆孔并在端部直角处倒角。方便夹紧机构插入水冷壁，在B端圆形面上每隔120开出2mm的缝隙，缝隙一直延伸到夹紧机构的二分之一处，这样做是为了当钨电极插入夹紧机构的时候，机构本身有一个自我调节的作用。水冷壁的内壁设计为锥台型，如图二所示，左边内控的直径小于右边内孔的直径，图一所示的夹紧机构自右向左插入到，水冷壁内部直径逐渐变小起到自动锁紧钨电极的作用。夹紧机构的A端与端盖相接处，端盖与套筒用螺纹相连接，端盖在拧紧的同时对夹紧机构施加推力，进而使钨极被夹紧，同时也使水冷壁得到固

10、定。具体装卡结构示意图如下图。5.水冷结构的设计在大电流长时间情况下工作，增加电极的负担，热量的积累很可能导致电极的烧损，焊枪的散热是一个很重要的问题，水冷结构的设计方案分为两大类，直接水冷和间接水冷，间接水冷的效果虽然不如直接水冷的效果好，但是间接水冷具结构具有拆装方便、维修成本低的特点，综合考虑，本次设计的水冷结构为间接水冷结构，如图三所示，1处为进水口，2处为出水口。水流从1进入之后沿着水冷壁外壁循环，水冷壁中间部位为开槽的圆环，其作用是适当降低水流速度、稳定水流，使水流有序通过，水流在吸收足够的热量之后从2流出，增强冷却效果，水冷壁、夹紧机构的材料都选择为黄铜，也增加了散热效果。水冷壁

11、两端和套筒的配合处采用密封环密封，防止水流溢出。6.绝缘措施和焊枪固定的设计焊枪的设计，所有零件均为金属制品，当钨极通电并于焊丝之间产生电弧开始焊接，所有金属零件均带电，为了保护操作人员的人身安全，设计时需要考虑必要的绝缘措施，最初考虑在套筒和端盖外表增加橡胶层进行绝缘，橡胶的绝缘性完全达标，在后续的绘图过程当中意识到，钨极伸出部分与焊丝之间引弧，焊接过程中产生大量的热量，如果采用橡胶层进行绝缘，套筒端部的橡胶在焊接过程中经受大量热，很容易使绝缘层失去保护作用，甚至引起火灾，故选择橡胶的设计思路是不通的，查阅以往其他焊枪的设计资料，有相当多的焊枪外层的绝缘材料选用的是陶瓷，陶瓷具有耐高温、硬度高、绝缘性好的物理性质，适合做端盖和套筒外部的绝缘层。焊枪在焊接过程中的固定是采用固定装置上盖和固定装置下盖一起固定，上盖和下盖之间用螺栓紧固，下盖与移动装置的面板相连。详情参见装配图。 参考资料1. 王宗杰。熔焊方法及设备 北京：机械工业出版社 20062. 中国工程机械学会。焊接手册。北京：机械工业出版社 20013. 武建军，温鸣，曹晓明。现代金属热喷涂技术 北京：化学工业出版社 20064. 王海军。热喷涂工程师指南 北京：国防工业出版社 2010致谢本设计是在孟凡玲老师、刘爱国老师