一种多功能焊机

本发明涉及一种多功能焊机，具体说是一种既能进行气焊，又能进行手弧焊及惰性 气体保护电弧焊，还能作为家用氧气机的设备。

在小的修理部、门脸和生产作坊中，以及在西方国家普遍存在的有花园和车库的独 立式住宅中都需要维修用的小型焊机，可焊机分很多种，用于不同的用途，但通常只要 有一台气焊设备和一台多用途的电焊机就可以基本覆盖大多数维修用途了。但气焊通常 需要两种气体，氧气和乙炔气，一般来说常用气瓶体积比较大，搬运起来十分沉重，而 且长期储存极不安全。虽然普通的交流或直流手工弧焊机现在也能做成体积比较小的便 携式的，但只适合焊接较厚的工业钢板和较粗的钢筋、钢梁、角钢等粗大材料，不适合 焊接家用电器的薄钢板、细铜管，阳台和门窗防盗网的薄壁不锈钢管等材料，只有近年 来普遍使用的氩弧焊机则更适合焊接薄板、不锈钢材料和有金属，而且设计更先进、 使用更方便。

氩弧焊属于TIG焊，即惰性气体钨极保护焊的一种，氩弧焊是氩气作为保护气体和 电弧介质的电弧焊。常用的惰性气体保护焊是电弧在非熔化极(通常是钨极)和工件之间 燃烧，在焊接电弧周围流过一种少和金属起化学反应的惰性气体(常用氩气)，形成一个 保护气罩，使钨极端头、电弧和熔池及已处于高温的金属不与空气接触，能防止氧化和 吸收有害气体，从而形成致密的焊接接口，其力学性能非常好。

为了保证轻易起弧，提高焊接质量，氩弧焊机还在输出端增设了增压起弧的装置， 其利用高频高压发生器的变压器的另一组次边作为增压变压器，使得高频高压发生器工 作时，也同时抬高了输出端的电压，采用高频、高压击穿的起弧方式，先在电极针(钨 针)与工件间加以高频高压，击穿氩气，使之导电，然后供给持续的电流，保证电弧稳 定。起弧后，增压装置再随着高频高压电流发生器一起被断开。氩弧焊机还要求氩气先 来后走，而电流则相对气而言后来先走，这些都是通过手开关控制实现的。

而气焊属于钎焊，气焊的气体(氧气、乙炔)是直接燃烧提供热量的。因此以上这 两种焊接方法有着根本的区别。但上述气、电两种焊接方法都需要提供压缩气体的帮助， 也就是需要易燃的高压氧气、乙炔气瓶和氩气瓶等工业高压气瓶，这给不是专业进行焊 接生产，只是搞维修的小店铺和生产作坊或家里面偶尔进行焊接操作和维修造成了极大 的困难。家里面不可能长期存放着不经常使用和易燃易爆的多种高压气瓶等危险物品， 因为这些东西不但十分不安全，而且这些体积相对较大笨重的气瓶也会占用家中和店面 中的有限空间。另外，购买和运输这些气和气瓶也不是一件容易的事，大多数地方，特 别是相对偏僻的小地方是不提供这种服务的，可焊接工作却是所有地方都需要的，现有 技术很难满足上述种种这些要求和条件。

针对现有技术存在的上述不足，本发明所要解决的问题是，提供一种多功能焊机， 可以在采用现代生活方式的所有家庭，以及小的维修门脸、生产作坊等地方利用它进行 气焊和电焊操作，而且还要适合家庭的需要焊接多种材料的细活，免除通常的焊接方式 必须依赖钢瓶气体的支持等特殊条件，并可以随时使用、长期安全存放，且结构简单、 体积小巧、操作方便、经济实用。

为了达到上述目的，本发明采用了如下的技术方案：

1、采用家用天然气或石油液化气取代乙炔气体进行气焊。天然气主要成分是甲烷， 液化后装入钢瓶运输和使用的也比较常见，液化石油气在国内使用历史最早，其主要成 分是丙烷，但也混有少量的丙烯、丁烷和丁烯。虽然它们的热值还是有些偏低，但如果 是小型焊接，如维修空调、冰箱、燃气热水器等家庭常用电器，进行铜焊、银焊和家用 电器常见薄铁皮的焊接完全可以用天然气和液化石油气甚至煤气做热源焊接，而且家中 的天然气、石油液化气有很长的使用历史，使用方法成熟安全可靠。

2、在工作地就地生产氧气来取代购买瓶装氧气。从制氧方法上来看，目前市场上 见到最多也最有发展前景的就是分子筛制氧。在上个世纪60年代，美国一家公司发现 了一种立方晶格的硅铝酸盐化合物，具有均匀的微孔结构，这些微孔直径大小均匀，能 把比其直径小的分子吸附到孔腔的内部，并对极性分子和饱和分子具有优先吸附能力， 因而能把极性程度不同，饱和程度不同，分子大小不同及沸点不同的分子分离开来。于 是这种化合物用在工业上就叫分子筛，这种靠吸附分离空气成分的过程就叫做变压吸附 法，就是PSA制氧气工艺。

分子筛根据材料其实也分好多种，像沸石分子筛，碳分子筛等，沸石分子筛具有加 压时对氮的吸附容量增加，减压时吸附容量减少的特点，因此沸石分子筛是用的最普遍 的，加压时吸附氮，减压时氮从分子筛中解吸出来的方法来实现变压吸附的方法制氧， 当然我们也可以说用这种方法制氮。

常用的PSA制氧工艺一般都包括以下几步，吸附、放空、冲洗、均压与充压。目 前有采用两床PSA、三床PSA、四床PSA以及真空变压吸附工艺。所谓两床PSA的流 程是，当第一个装有分子筛材料的容器，即吸附塔进行吸附时生产出氧气，第二个吸附 塔放压，使吸附器得到再生，然后用一部分产品气进行吹扫床层，再进行充压至吸附 压力，这样完成一个循环。首先，空气经由压缩机由塔底进入吸附塔1，这时空气中的 氮、水份、二氧化碳、碳氢化合物等被塔内的吸附剂(分子筛)吸附，氧气则由塔顶的管 道输入氧气缓冲罐备用，当塔1中的吸附质达到一定的饱合度时，系列切换阀自动关 闭、切换开启吸附塔2，吸附塔2开始工作，吸附塔1则通过真空泵减压将吸附质脱附 排出，吸附剂恢复吸附能力。如此两塔(或多塔)进行周期切换，即可连续不断的获得 所需氧气。

3、用空气中最多的氮气取代当前氩弧焊中的保护气体氩气进行气体保护电焊。因 为氮气也是惰性气体，化学性质稳定不活泼，一般不与其他物质反应，所以氮气可以做 大部份金属焊接的保护气体。氮气，可以在相当程度上隔绝焊接件和空气，主要是在一 定程度上隔绝空气里面的氧气，防止焊接件在高温下和氧气剧烈反应，防止金属被严重 氧化。我们今天的氩弧焊中产生电弧的电极就是钨极，而以前的玻璃白炽灯泡就是充满 氮气来保护通电后形成高温的钨丝不被氧化烧毁而发光的。已有采用氮气代替氩气作为 奥氏体不锈钢管道背面保护TIG焊的保护气体，在管道中充氮气项目成功的先例。因此， 用氮气作为保护气体进行以钨作为电极的电弧焊对大多数金属焊接应该是有效的。

空气是一种混合物，一般来说它的成分比较固定。按体积分数计算，大约是：氮气 78％，氧气21％，稀有气体0.94％，二氧化碳0.03％，其他气体和杂质0.03％。 可见空气的成分以氮气、氧气为主，其中氮气约占空气体积的4/5，氧气约占空气体 积的1/5。如果一台机器能够把空气中的氧气分离出来，那么剩下的几乎就都是氮气 了，反之也成立。

小型PSA制氮机的原理与PSA制氧完全一样，只是侧重点不同罢了。根据变压吸附 原理，采用高品质的碳分子筛作为吸附剂，经过净化干燥的压缩空气，在吸附器中进行 加压吸附、减压脱附。由于同样的动力学效应，氧在碳分子筛微孔中扩散速率远大于氮， 在吸附未达到平衡时，氮在气相中被富集起来，形成成品氮气。然后减压至常压，吸附 剂脱附所吸附的氧气等其它杂质，实现再生。如果系统采用两床工艺，两个吸附塔，一 塔吸附产氮，另一塔脱附再生，通过程序自动控制，使两塔交替循环工作，以实现连续 生产高品质氮气之目的。这种方法产生的氮气纯度如果处理得恰当，通常可以达到 99.99％甚至以上。

因为在空气中除了氮气和氧气其他成分占比例极少，因此PSA制氧和氮的过程中， 两者基本互为副产品。PSA制氧机侧重于氧气的纯度，而将制作过程的少量废气与氮气 一起排出；同样PSA制氮则侧重于氮气的纯度而将制作过程的少量废气与氧气一起排 出。根据上述原理我们就有了以下三个级别的经济性的办法构成我们的PSA制氮、制氧 模块。A、由于本发明中要使用的氧气主要是为了助燃，因此只要我们尽量减少中间过 程废气的产生，使达到氧气中即便混入极少量的其他气体，对其影响也很小；抑或是吸 氧用的氧气，里面混入少量空气成分也是无所谓的，因此，从最经济角度出发，我们的 PSA制氮、制氧模块可直接采用PSA制氮的核心设备和工艺，侧重氮气的纯度，得到较 纯的氮气作为焊接的保护气体和纯度次之的氧气。B、我们可以恰当选择分子筛材料， 最好采用三床PSA工艺，更灵活的设定气阀组的工作程序，设置专门的废气出口，使 吸附塔与吸附塔交替工作循环中的每次冲洗用气等制氮、制氧过程所产生的少量废气都 能单独排放，达到同时制出的氧气和氮气都具有较高的纯度。C、可以同时安装单独的 制氮和制氧设备作为我们的PSA制氮、制氧模块，同时并连续得到高质量的氮气和氧气。

这样我们就在没有氩气的条件下用氮气作为保护气体实现TIG焊接提供了一种有 效的途径。由于PSA制氮、制氧机，制造氧气和氮气是连续进行的，生产成本极低，不 像氩气那样贵重和稀少，因此可以取消通常氩弧TIG焊机当中的气阀和保护气体控制电 路，简化焊机电路，同时也简化了焊工的操作难度。

4、为了弥补氮气在高温下化学性质趋向活泼，氮弧温度偏高，对一些金属有氮化 作用的问题，我们可以采用另一项技术，即二氧化碳保护焊的成熟经验。CO2气体保护 焊是利用CO2气体作为保护气体的焊接方法，为MAG(活性气体保护焊接)焊的一种。因 为二氧化碳气同氮气一样弧焰温度偏高，也不是一种理想的焊接保护气体，只是因为它 的经济性才被广泛使用。其主要特点为，电流密度大故熔敷速度高，因此通常采用自 动送焊丝机构来提高生产效率，形成熔化极气体保护电弧焊MIG焊；因CO2具有氧化性， CO2气体在焊接过程中分解，氧化性强，所以一般采用具有药芯的焊丝，即自保护药芯 焊丝，俗称“气保焊丝”。这一技术我们同样可以应用到氮气保护焊中，即专门生产应 用于氮气保护焊的气保焊丝和焊条就可以了。

其实早已有自保护TIG焊丝和焊条，只是由于缺少保护气体的配合，在一定程度上 影响它的性能的发挥，因此应用的不普及罢了。例如，多年来，不锈钢焊接时背面氧化 一直是焊接工艺上一个难以解决的问题，一般采用背面充氩保护，但是，当容器较大， 管道较长或背面无贮气空间时，不但大量的浪费氩气且仍出现保护不好的情况。为了解 决这一工艺难题，有人试验采用廉价的氮气作为保护气体大量冲入，获得了较好的焊接 效果、取得成功。更有人采用自保护不锈钢TIG焊丝焊接也获得成功，焊接时，保护药 皮会渗透到熔池背面，形成一层致密的保护层，使背面不受氧化，冷却后这层渣壳会自 动脱落，用压缩空气或水冲的方式极易清除。这种焊丝的使用方法与普通TIG焊丝完全 相同，涂层不会影响正面的电弧和溶池形态。

以上的综合条件为我们把小型PSA制氮、制氧机模块、自动切换手工焊与氩弧焊的 两用TIG焊机模块和家用燃气源组合在一起，设计一种多功能焊机及其焊接方法提供了 方便，并可以至少提供以下四种功能：1用家中厨房的燃气作为气源，小型PSA制氮、 制氧机模块的氧气输出作助燃剂，通过气焊焊炬进行气焊操作；2用小型PSA制氮、制 氧机模块的氮气输出取代氩气作为保护气体，利用TIG焊机模块通过钨极焊进行氮气 保护焊接操作；3利用普通TIG焊机模块中所具有的大功率电源，通过普通焊钳进行普 通焊条的手弧焊；4直接用小型PSA制氮、制氧机模块产生的氧气，提供吸氧功能。

具体方法如下：

1、一种多功能焊机，包括：变压吸附法制氮及制氧设备、TIG惰性气体保护焊焊 机模块、气焊焊炬和TIG钨极焊，其特点在于；采用PSA制氮设备工艺，得到较纯的 氮气作为本焊机焊接的保护气体，利用PSA制氮过程中氧气是其主要副产品的原理， 同时制取氧气，形成本焊机的PSA制氮、制氧模块；由取消了气阀、保护气体控制电路 和外壳的TIG惰性气体保护焊焊机，形成本发明的TIG惰性气体保护焊模块；家用燃气 源加上PSA制氮、制氧机模块的氧气输出与气焊焊炬相连，组成本发明的气焊模块组； PSA制氮、制氧机模块的氮气输出与TIG惰性气体保护焊模块、TIG钨极焊相连，组 成本发明的氮气保护TIG焊模块组。

2、在要求焊接质量较高的情况下，为了保证质量可以采用专用焊丝、焊条，所述 的专用焊丝、焊条是，适合于用氮气作为保护气体的有覆膜或者药芯的自保焊丝、焊条， 用来弥补氮气作为TIG惰性气体保护焊所存在的缺陷，提高焊接质量。

3、在本发明的氧气输出端口还设有吸氧输出接口部件，可以在需要吸氧时使用。

4、上述的TIG惰性气体保护焊模块，可以是具有保护气体弧、手弧一机两用的焊 机模块，能同时实现手工弧焊功能并在本机外壳上设有手工弧焊焊钳接口。

5、上述的PSA制氮、制氧模块可以是，整合PSA制氮和制氧机构及其控制程序， 设置专门的废气出口，使吸附塔与吸附塔交替工作循环中的每次冲洗用气等制氮、制氧 过程所产生的少量废气都能单独排放，达到同时制出的氧气和氮气都具有较高的纯度。

本发明与现有技术相比，其突出优点是：可以在小的维修门脸、生产作坊等地方利 用它进行复杂材料的气焊和电焊操作，而且还能够进入家庭，特别是西方国家那种有车 库和花园的独立住宅家庭，用来焊接包括薄壁不锈钢材等多种材料的细活。本发明可在 家中长期安全存放，减少在家中长期储存各种高压气体的危险，且结构简单、体积小巧、 操作方便、经济实用。

附图为本发明一种多功能焊机的原理框图。

在图中所标出的：1为PSA制氮、制氧机模块；2为TIG惰性气体保护焊模块；3 为气焊焊炬；4为TIG钨极焊；5为吸氧输出接口部件；6为家用燃气源。

下面结合附图和具体实施例对本发明进行进一步的说明。

由附图所示一种多功能焊机，包括：变压吸附法制氮及制氧设备、TIG惰性气体保 护焊焊机模块、气焊焊炬和TIG钨极焊，其特点在于；采用PSA制氮设备工艺，得到 较纯的氮气作为本焊机焊接的保护气体，利用PSA制氮过程中氧气是其主要副产品的 原理，同时制取氧气，形成本焊机的PSA制氮、制氧模块1；由取消了气阀、保护气体 控制电路和外壳的TIG惰性气体保护焊焊机，形成本发明的TIG惰性气体保护焊模块2； 家用燃气源6加上PSA制氮、制氧机模块1的氧气输出与气焊焊炬3相连，组成本发明 的气焊模块组；PSA制氮、制氧机模块1的氮气输出与TIG惰性气体保护焊模块2、TIG 钨极焊4相连，组成本发明的氮气保护TIG焊模块组。

在要求焊接质量较高的情况下，为了保证质量可以采用专用焊丝、焊条，所述的专 用焊丝、焊条是，适合于用氮气作为保护气体的有覆膜或者药芯的自保焊丝、焊条，用 来弥补氮气作为TIG惰性气体保护焊所存在的缺陷，提高焊接质量。

在本发明的氧气输出端口还设有吸氧输出接口部件5，可以在需要吸氧时使用。

上述的TIG惰性气体保护焊模块，可以是具有保护气体弧、手弧一机两用的焊机模 块，能同时实现手工弧焊功能并在本机外壳上设有手工弧焊焊钳接口。

上述的PSA制氮、制氧模块1可以是，整合PSA制氮和制氧机构及其控制程序，设 置专门的废气出口，使吸附塔与吸附塔交替工作循环中的每次冲洗用气等制氮、制氧过 程所产生的少量废气都能单独排放，达到同时制出的氧气和氮气都具有较高的纯度。