具体实施方式

本发明的拘束型熔化极气体保护焊工艺基于拘束型电弧实现，拘束型电弧通过将自由电弧进行拘束而得到；自由电弧通过焊枪喷嘴结构10形成拘束型电弧，如图2所示，焊枪喷嘴结构10包括壳体102以及位于壳体102中心处的枪头导丝管101、位于枪头导丝管101外的导电嘴108、与导电嘴108固定连接的导电嘴座106以及固定在导电嘴座106外的分流器107；喷嘴结构10还包括内径沿气体流动方向逐渐收缩的内喷嘴103和内径沿气体流动方向逐渐收缩的外喷嘴105，内喷嘴103和外喷嘴105的进气口处内径与出气口处内径的比值为不小于10；外喷嘴105套设在内喷嘴103外，外喷嘴105与内喷嘴103之间的空隙形成保护气外通道110；枪头导丝管101贯穿整个壳体102；导电嘴座106固定在壳体101内；分流器107的下端侧壁上开设有多个用于均匀分流保护气的孔；内喷嘴103内侧壁与分流器107之间的空隙形成保护气内通道109。内喷嘴103的侧壁呈中空结构104，中空结构104为水冷通道，中空结构104中填充有循环的冷却水。保护气通道111分为两路，一为内喷嘴103与导电嘴108之间的保护气内通道109，保护气内通道109的保护气由上枪体2进入喷嘴结构10，由内喷嘴内壁与焊丝之间的环缝向下输送，同时由分流器107侧壁上的孔均匀流到分流器107与内喷嘴103内壁之间的腔体内，再均匀从内喷嘴103下方的出气口113流出内喷嘴103；保护气内通道109作用一是给焊接提供保护气，保护电弧；二是与漏斗状内喷嘴103配合，对电弧产生拘束作用；二为外喷嘴105与内喷嘴103之间的保护气外通道110，保护气由壳体102与外喷嘴105上的通孔(进气口)进入外喷嘴105与内喷嘴103之间的腔体内，经过环形通道，由若干个向下的小孔均匀导向流出外喷嘴105下方的出气口112，在漏斗状外喷嘴105的收敛作用下形成环状保护气幕，其作用是增强对电弧的保护作用和对电弧的二次拘束作用。

其中，导丝管101在喷嘴结构10内部中轴线位置，且导丝管101中心为送丝孔，保证焊丝顺畅送至导电嘴108。送丝孔孔径由焊丝直径加一系数k获得，主要考虑焊丝材料热膨胀系数的大小和焊丝的刚度。一般k＝0.2～0.25，对于强度比较高的材料，k取下限，而对于强度比较低的材料，k取上限。导电嘴108是焊接过程的导电部件，使用导电和高温耐磨综合性能较好的铬锆铜制成。导电嘴108牢固地固定在导电嘴座106上，并定位于喷嘴结构10中心位置，当焊丝从其中送进的同时，电流通过该部件传导至焊丝，保证焊丝与工件之间顺利起弧及稳定工作。导电嘴108呈细长的尖嘴状，保证了通过其中焊丝的垂直度，提高了电弧稳定性。

内喷嘴103为水冷式喷嘴，采用导热性好的紫铜材料制成；内喷嘴103侧壁为中空结构，设有水路通道，焊接时通过循环水路对其冷却，防止其烧损。当保护气通过漏斗状内喷嘴103时，由发散变为收敛，从而对电弧产生拘束作用，其次，保护气通过水冷内喷嘴103，内喷嘴103内壁会形成一层冷气膜，冷气膜会使保护气进一步压缩，进一步压缩的保护气也会对电弧产生一定的外部拘束作用。通过强制拘束后，电弧的形态更为集中，能量密度和电弧温度显著增加。内喷嘴103的喷嘴孔径d(即出气口113的内径d)和孔道长度I(孔道长度I是指内喷嘴尖端一小段通道长度，如图2所示)。喷嘴孔径小容易被焊接过程的飞溅堵住，喷嘴孔径大无法产生很强的拘束作用；孔道长度I也会决定电弧的拘束程度，当内喷嘴103孔道长度I增大时，电弧的拘束程度会增大。内喷嘴103的孔道比η指的是孔道长度I与孔径d的比值：η＝l/d。通过调节η改变电弧的拘束程度，可适应不同焊接领域。孔道比越小，拘束程度越大，但拘束程度过大，会造成气体保护不好，对气体保护要求较高的焊材，不宜过小。

外喷嘴105呈圆锥状，其主要作用是与内喷嘴103之间形成保护气外通道110，通过外加一路保护气，增强对电弧的保护作用。这是由于内喷嘴103喷嘴孔径小，通过的保护气流速低，不能提供足够体积的气体保护熔池，所以增加第二路保护气，除此之外，保护气外通道110对电弧也能起到二次拘束作用，增强电弧的稳定性。

分流器107安装在导电嘴座106外，所用材质为耐高温的陶瓷，其下端侧壁均匀开有6个直径为3mm的小孔，当保护气通过分流器107时，由小孔均匀流出(增加保护气流出内喷嘴时的均匀性)。均匀流出的保护气经由保护气内通道109对电弧进行拘束并保护电弧不被空气污染。

如图1所示，本发明含喷嘴结构10的焊枪7，包括与外部机器人固定连接的上枪体2，上枪体2内设有柱形通道，上枪体2的一端连有气管接口6和枪缆接口5；焊枪7还包括与上枪体2另一端固定连接的下枪体1，喷嘴结构10安装在下枪体1远离上枪体2的一端；焊枪7还包括固定安装在上枪体2上的马达3，马达3与外部送丝机连接，将焊丝通过上枪体2内的通道输送至喷嘴结构10的枪头导丝管101中；焊枪7还包括安装在马达3一侧的防撞器4。防撞器4与外部机器人通过法兰固定连接，其强大的防碰撞功能可以保证焊接工作安全的进行，防撞器4可以感应任何位置的偏差，撞击发生时立即停止。

本发明含焊枪的拘束型熔化极气体保护焊焊接系统，所述焊接系统包括拘束型熔化极气体保护焊焊枪7以及与焊枪7连接、且驱动焊枪7产生拘束型电弧的辅助装置；辅助装置包括焊接电源、送丝系统、供气系统、带水箱的冷却系统以及与各个电气设备连接的控制系统。外部供气系统的气管通过气管接口6伸入上枪体2通道中，穿过通道到达下腔体1的喷嘴结构10，进入保护气内通道109，用于为拘束型焊枪提供保护气；进水管、出水管、焊丝、电缆均通过枪缆接头5伸入上枪体2的通道中，穿过通道后接入到喷嘴结构10中，进水管一端与外部冷却水箱连接，另一端与内喷嘴103侧壁上的进水口连接；出水管一端与外部冷却水箱连接，另一端与内喷嘴103侧壁上的出水口连接；电缆一端与外部焊接电源连接，另一端与导电嘴108连接。

采用本发明拘束型熔化极气体保护焊工艺进行膜式壁堆焊的应用：

膜式壁为垃圾焚烧锅炉内壁，要求具有很高的耐热性，故在膜式壁表面堆焊一层耐热合金材料，提高垃圾焚烧锅炉的使用寿命，降低成本。

现阶段熔化极保护气体焊接膜式壁，所得堆焊焊缝厚度最低为1.8mm，且由于焊接工艺电弧为自由电弧，电弧挺度不高，熔池不稳定，容易出现缩孔缺陷。

采用本发明拘束型熔化极气体保护焊工艺进行膜式壁堆焊，具体为：采用膜式壁规格：整体尺寸：2000×3000mm，管排中心间距100mm、管排壁厚10mm、管排直径60mm。通过固定平台装夹膜式壁，固定平台上有明显的的水平和竖直固定参考线，保证膜式壁定位后垂直。

采用耐热合金焊丝为镍基625焊丝，焊丝直径1.2mm。根据焊丝材质和直径，选用中心送丝孔为1.8mm的焊枪导丝管。根据膜式壁技术要求，采用孔道直径6mm、孔道长度10mm的内喷嘴。

焊接工艺参数：焊接电流125A、送丝速度8.5m/min、焊接电压15V、焊接速度10mm/s、摆动宽度10mm、摆动长度3mm、保护气体为纯氩气，保护气内通道气体流量为18L/min，保护气外通道气体流量28L/min。

通过采用本发明拘束型熔化极气体保护焊工艺，基于上述工艺参数堆焊膜式壁，能够得到厚度0.9m，无缩孔缺陷的焊缝。并且拘束型电弧挺度高，熔滴过渡稳定，所得焊缝平齐、外观质量好，产品实物图如图3所示。相比传统焊接工艺，膜式壁焊缝厚度减少了50％，成本缩减了一倍。

采用现有圆柱形喷嘴结构的熔化极气体保护焊工艺，采用上述同样的工艺参数堆焊膜式壁，焊缝如图4所示，焊缝成形不良，有多处缺陷。

采用本发明拘束型熔化极气体保护焊工艺进行电弧增材制造的应用：

现阶段，采用传统焊接工艺进行电弧增材制造的难点在于堆积过程热输入量的累积导致零件的形状及边界难以控制(常需要后续机加工)，这会制约WAAM零件的表面质量、尺寸精度及力学性能。

采用本发明拘束型熔化极气体保护焊工艺进行电弧增材制造，具体为：电弧增材制造模型选用建筑行业常用的异形管，模型尺寸：管直径180mm，高度300mm，异形管偏倾斜角35°。

所采用电弧增材制造基板为厚度16mm的Q235基板，采用焊丝直径为0.8mm 308L不锈钢焊丝，根据焊丝材质和直径，选用中心送丝孔为1.0mm的焊枪导丝管，根据电弧增材制造技术要求，采用孔道直径8mm、孔道长度为10mm的内喷嘴。

根据异形管成型要求，具体使用的工艺参数：焊接电流85A、焊接电压11V，送丝速度10m/min、焊接速度25mm/s、保护气体为纯氩气，保护气内通道气体流量为22L/min，保护气外通道气体流量28L/min。

通过采用本发明拘束型熔化极气体保护焊工艺，基于上述工艺参数电弧增材制造，得到壁厚度2mm，表面光滑(无需后续机加工)、性能良好的异形管，如图5所示。相比传统焊接工艺，本发明工艺的拘束型电弧挺度高、熔滴过渡稳定，可以采用25mm/s的高速焊接，极大程度上缩短了制造时间。

采用现有圆柱形喷嘴结构的熔化极气体保护焊工艺，采用上述同样工艺参数电弧增材制造，得到管壁厚(6mm)且表面粗糙(需后续机加工)的异形管，如图6～7所示。