CN102152011A - 一种全位置焊熔池稳定成形的方法及装置 - Google Patents

一种全位置焊熔池稳定成形的方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种全位置焊熔池稳定成形的方法及装置。该方法设计一个左右对称的外加高频交变磁场，该磁场加装在焊枪上，能使焊熔池内铁水产生电涡流，并使该电涡流与所述外加高频交变磁场相互作用，产生电磁力，用所产生的电磁力来抵消影响焊熔池稳定成形的部分或全部重力，保持全位置焊熔池的稳定成形。该装置适用于本发明所述方法，主要包括中间线圈和中间铁芯、右线圈和右铁芯、左线圈和左铁芯以及固定它们的横梁，所述中间铁芯为空心结构，安装在横梁的中间，且焊枪可以从中间铁芯的空心内穿过，左铁芯和右铁芯均为实心结构，对称安装在横梁上；装置利用横梁用可拆卸和可调节的方式固定在焊枪上。

Description

一种全位置焊熔池稳定成形的方法及装置
技术领域
本发明涉及焊接技术，具体是一种全位置焊熔池稳定成形的方法及装置。该方法及装置基于外加电磁力的作用。
背景技术
随着石油化工、管道安装以及造船等工业的飞速发展，采用全位置焊接工艺的场合越来越多。在保证焊接质量的前提下，实现全位置的低成本、高率效焊接，无疑具有广阔的应用前景。但目前的全位置焊接工艺普遍存在焊接效率较低、成本较高的问题。究其原因，关键在于重力的影响，熔池容易失稳，造成铁水流淌，一方面影响焊接过程的稳定，同时也容易出现熔合不良等焊接缺陷。为克服该缺点，一般采用比较小的焊接熔池，以依靠表面张力，保持熔池中的铁水相对稳定。但对于普通MIG/MAG焊工艺，小熔池就要求比较小的平均电流，结果导致全位置焊接的效率比较低；而目前广泛采用的高效化弧焊技术如TIME焊、多丝焊等，在采用全位置焊接时，熔池的稳定成形存在着严重问题；采用高能密度焊接工艺技术(如激光焊、激光+电弧焊、电子焊等)，虽可以实现小熔池的全位置焊接，并提高焊接生产率，但其工艺复杂、设备投资成本高，对工件的装配精度要求也比较高，现场使用适应性差，难以大面积推广应用。
目前MIG/MAG焊全位置熔池稳定成形的控制主要依靠脉冲焊接电流、或者连续较小焊接电流(工程上一般小于200A)外加不同空间位置焊接速度的精确配合技术来解决。虽然施加电磁外力不失为一种有效抵消全位置熔池重力影响的方法，但常规的外加磁场力只能用于全位置的特定形式：即水平焊和横焊。这方面国内外的典型工作有：(a)水平位置焊。日本学者YoshidaT等通过外加纵向磁场与焊接电流作用，可使熔池金属旋转，搅拌熔池，达到细化晶粒改善焊缝性能的目的(Yoshida T等.，采用磁搅拌焊接的异向金属结构堆焊.Int Conf Nucl Eng Proc ICONE，2008(1)：539-546)；Ambrosy.G等开展了外加纵向磁场作用于CO2激光焊的研究。该研究发现，在稳定的磁场中，磁流体动力对导电金属熔体有2个基本作用，即修正流体速度曲线和把紊流变成层流，从而影响了激光熔池流场，抑制了驼峰焊道形成(Ambrosy.G等.激光诱导的密集等离子电流源在熔池中产生的电磁力。Proceedings of SPIE-The International Society for Optical Engineering，v 6346PART 1，2007：332-339)；北京工业大学殷树言等利用外加恒定纵向磁场作用于MAG焊，使电弧和导电流体受到一个促使其旋转力的作用，导电流体将围绕着焊丝的轴线作旋转运动，可得到稳定性较好的旋转射流过渡(殷树言等.纵向磁场作用下的旋转射流过渡的机理.焊接学报，2005，26(3))；沈阳工业大学常云龙等利用外加恒定纵向磁场应用于CO2焊短路过渡时，由于电弧收缩受到短路液桥缩颈处径向向内磁致压力的作用，加速了缩颈的断开，减少了能量积累，熔滴过渡速度提高，降低了电爆炸飞溅(常云龙等.外加纵向磁场在MIG焊中对金属流动性的影响.中国焊接，2008，17(2))。(b)横向焊。日本学者Yukio Manabe在外加纵向磁场TIG焊的横向焊接中，通过填充焊丝并通以预热电流。这样预热电流与纵向磁场相互作用，产生与重力方向相反的向上洛仑兹力作用在熔池金属上，来抑制熔池金属的下淌(Yukio M等，横向位置的焊接方法及设备.United States：6023043，2000)；北京工业大学的陈树君等提出在外加纵向磁场MAG立横向焊接时，通过控制熔池中焊接电流的分布使之在熔池内部形成焊接电流方向与焊接方向相同，熔池中焊接电流与磁场作用，就可以控制熔池下淌(王军等.磁场控制横向MAG焊接焊缝成型工艺的研究.北京工业大学学报，2003，29(2)：147-15)。显然，上述研究情况都是在特定或理想情况下的结论。
在横向焊时，熔池重力与熔池轴线夹角垂直等于90度不变；而在实际全位置焊接中，熔池重力与熔池轴线夹角随着熔池空间位置的变化而变化。这意味着不同空间位置重力对熔池成形作用的大小和方向是变化的，这就要求施加的外力也要适应这种变化。因此从机理来看，目前常规的外加磁场和熔池焊接电流相互作用，对在全位置焊接时由于重力引起的诸如熔池失稳、金属下淌等问题，无法进行有效控制。
发明内容
针对目前全位置MI6/MAG焊焊接时熔池容易流淌、平均电流小和效率低下的问题，本发明拟解决的技术问题是，提供一种全位置焊熔池稳定成形的方法及装置。该方法具有全位置、焊接电流大和效率高等特点；该装置由中间带空心铁芯的线圈和两个对称的带实心铁芯的线圈组成，焊接时两个对称的带实心铁芯的线圈在焊接方向上一前一后提供所需要的磁场，进而产生电磁力来抵抗熔池的重力，实现稳定熔池的作用。
本发明解决所述方法技术问题的技术方案是：设计一种全位置焊熔池稳定成形的方法，该方法由左线圈-中间线圈和中间线圈-右线圈构成左右对称的外加高频交变磁场，该磁场加装在焊枪上，能使焊熔池内铁水产生电涡流，并使该电涡流与所述外加高频交变磁场相互作用，产生电磁力，用所产生的电磁力来抵消影响焊熔池稳定成形的部分或全部重力，保持全位置焊熔池的稳定成形；所述各线圈的匝数是20匝～200匝，左线圈-中间线圈之间和中间线圈-右线圈之间的中心距离对称为50mm～150mm，给所述各线圈施加的激励电流为0.5A～5A；所述外加高频交变磁场的强度为1KHZ～30KHZ。
本发明解决所述装置技术问题的技术方案是：设计一种全位置焊熔池稳定成形装置，该装置适用于本发明所述全位置焊熔池稳定成形的方法，其特征在于该装置主要包括中间线圈和中间铁芯、右线圈和右铁芯、左线圈和左铁芯以及横梁，所述的中间铁芯固定在横梁的中间位置，左铁芯和右铁芯以中间铁芯为中心对称固定在横梁上；中间线圈的中间铁芯为空心结构，且焊枪可以从中间铁芯的空心内穿过，左线圈的左铁芯和右线圈的右铁芯均为实心结构，中间线圈、左线圈和右线圈按设计要求分别紧密缠绕在各自铁芯上，并与交变电源相连接；装置利用横梁用可拆卸和可调节的方式固定在焊枪上。
与现有技术相比，本发明全位置焊熔池稳定成形的方法和装置将磁场作用于焊熔池，且左右线圈具有对称结构，因而使其产生的电磁力抵消了熔池自身的重力，因而具有非接触性，焊接电流大，效率高，且焊熔池空间全位置有效等特点。
附图说明
图1是本发明涉及的重力影响全位置焊熔池稳定成形的原理示意图；图1中，1代表熔池，A表示焊接方向，θ表示熔池重力的径向分量角；
图2是本发明全位置焊熔池稳定成形的方法和装置一种实施例的外加高频交变电磁场的结构原理图；图2中，1表示熔池，2表示焊枪，31表示中间线圈，32表示右线圈，33表示左线圈；41表示中间的空心铁芯，42表示右边的实心铁芯，43表示左边的实心铁芯；5表示横梁，6表示焊件，7表示在该位置处的电磁合力；
图3是本发明全位置焊熔池稳定成形的方法和装置一种实施例的附加的右电磁合力和左电磁合力
Figure BSA00000424740000042
方向的示意图；其中，图3(a)为中间高频交变电流i0和右高频交变电流i1反相；图3(b)为中间高频交变电流i0和左高频交变电流i2反相；
图4是本发明全位置焊熔池稳定成形的方法和装置一种实施例的附加电磁合力分量示意图。图4中，
Figure BSA00000424740000043
代表重力径向分量角在θ＝0°～180°时的电磁合力，
Figure BSA00000424740000044
和
Figure BSA00000424740000045
分别代表
Figure BSA00000424740000046
的切向分量和径向分量；
Figure BSA00000424740000047
代表重力径向分量角在θ＝180°～360°时的电磁合力，和
Figure BSA00000424740000049
分别代表
Figure BSA000004247400000410
的切向分量和径向分量；
图5是本发明全位置焊熔池稳定成形的方法和装置一种实施例的ANSOFT磁场仿真图。图5中，根据所设计的模型，1∶1仿真出模型，对模型的左线圈和中心线圈施加大小为3A方向相反的高频(10KHZ)交变电流得到的磁场场图；
图6是本发明全位置焊熔池稳定成形的方法和装置一种实施例的ANSOFT仿真电磁力的数值结果图。图6中，数值模拟出的电磁力单位是牛顿，所施加的频率是10KHZ，电流是3A，Mag(F)代表电磁合力，F(x)、F(y)和F(z)分别代表合力在xyz方向上的分力。
具体实施方式
下面结合实施例进一步叙述本发明：
本发明的全位置焊熔池稳定成形的方法(简称方法，参见图1-6)，该方法由左线圈33-中间线圈31和中间线圈31-右线圈32构成左右对称的外加高频交变磁场，该磁场加装在焊枪2上，能使焊熔池内铁水产生电涡流，并使该电涡流与所述外加高频交变磁场相互作用，产生电磁力，用所产生的电磁力来抵消影响焊熔池稳定成形的部分或全部重力，保持全位置焊熔池的稳定成形；所述各线圈的匝数分别是20匝～200匝，左线圈-中间线圈之间和中间线圈-右线圈之间的中心距离对称为50mm～150mm，给所述各线圈施加的激励电流为0.5A～5A；所述外加高频交变磁场的强度为1KHZ～30KHZ。
研究表明(参见图1)，除重力外，在空间不同位置的其它作用于熔池1的各种力的大小和方向相对于熔池1的位置基本不变，而作用于熔池1的重力
Figure BSA00000424740000052
的切向分量
Figure BSA00000424740000053
和径向分量
Figure BSA00000424740000054
的大小和方向相对于熔池1的位置始终是变量。
研究还表明(参见图2)，当给中间线圈31和右线圈32分别施加方向相反的中间高频交变电流i0和右高频交变电流i1时，会分别产生对应的中间高频交变磁场B0和右高频交变磁场B1；通过合适的电流、频率和线圈匝数参数设计，可使在熔池1内部的中间高频交变磁场B0的强度和右高频交变磁场B1基本接近，因此会在熔池1内部产生闭合的磁场回路。该磁场作用于熔池1，就会产生涡流7。涡流7与高频交变磁场相互作用产生附加电磁力，由于集肤效应的影响，靠近熔池上部磁力线密度大，作用力可近似看作与磁感应强度平方成正比，产生的合力方向
Figure BSA00000424740000061
与方向相同，即在熔池内部产生附加电磁合力
Figure BSA00000424740000063
同理，如果当i0和i2同相位，而与i1反相时，在熔池内部产生磁场强度B0和B2同相而与B1反相，在熔池内部产生附加电磁合力
Figure BSA00000424740000064
如图2所示。
在重力径向分量角θ＝0°～180°时，中间线圈31的中间高频交变电流i0与左线圈33的左高频交变电流i2反相(参见图3(a))，在熔池1内部产生的附加右电磁合力
Figure BSA00000424740000065
的切向分量
Figure BSA00000424740000066
(参见图4)与重力
Figure BSA00000424740000067
的切向分量
Figure BSA00000424740000068
方向(参见图1)正好相反，力的大小相等，因此附加右电磁合力
Figure BSA00000424740000069
可抵消或部分抵消重力的切向分量
Figure BSA000004247400000610
作用，使熔池1稳定成形；同样道理，在重力径向分量角θ＝180°～360°，中间线圈31的中间高频交变电流i0与右线圈32的右高频交变电流i1反相(参见附图3(b))，在熔池内部产生的左电磁合力
Figure BSA000004247400000611
的切向分量
Figure BSA000004247400000612
和径向分量
Figure BSA000004247400000613
同理可抵消或部分抵消重力的作用，实现熔池1稳定成形，因此通过倾角传感器控制重力径向分量θ角的空间位置，可以使重力径向分量角θ＝0°～360°的任意位置或全位置，即实现焊熔池1的稳定成形。
本发明同时设计了一种全位置焊熔池稳定成形的装置(简称装置，参见图1-6)，其特征在于该装置适用于本发明所述的全位置焊熔池稳定成形的方法，主要包括中间线圈31和中间铁芯41、右线圈32和右铁芯42、左线圈33和左铁芯43以及横梁5，所述的中间铁芯41固定在横梁5的中间位置，左铁芯43和右铁芯42以中间铁芯41为中心对称固定在横梁5的两端；中间线圈31的中间铁芯41为空心结构，且焊枪2可以从中间铁芯41的空心内穿过，左线圈33的左铁芯43和右线圈32的右铁芯42均为实心结构，中间线圈31、左线圈33和右线圈32按设计要求分别紧密缠绕在各自铁芯上，并与交变电源外接；利用横梁5用可拆卸和可调节的方式可以把装置固定在焊枪2上。实施例的横梁5中间安装有固定环(图中未画出)，固定环的径向打有3或4个螺纹孔，工作时利用与螺纹孔配套的螺钉可以把装置固定在焊枪2上，同时方便拆卸与调节。所述的调节包括固定环或中间铁芯41与焊枪2的同心度调节(径向同心度调节)和装置底端与焊件之间距离大小的调节(轴向高低位置调节)。
本发明方法和装置根据研究的全位置熔池失稳机理，基于交变磁场产生电涡流，涡流与磁场相互作用产生的作用力可以部分甚至全部抵消全位置熔池成形重力，克服焊接时的重力不利影响，解决全位置焊熔池不能稳定成形的问题。
申请人利用ANSOFT仿真软件对所述的方法和装置进行了相关内容的研究，实验设计参数要求如下：给各线圈施加的激励电流大小范围是0.5A～5A，频率范围是1KHZ～30KHZ，各线圈匝数范围是20匝～200匝，相邻线圈之间的中心距离是50mm～150mm。工作时，本发明装置的底端与待焊工件之间的距离调节为1mm～10mm。
实施例的实验条件为：中间线圈31的电流大小为3A，中间线圈31的匝数为100匝，右线圈32和左线圈33的电流大小均为3A，右线圈32和左线圈33的线圈匝数均为105匝，左线圈33与中间线圈31两个线圈之间和中间线圈31与右线圈32两个线圈之间的中心距离分别为70mm，三个线圈的线径均为1mm，工作时铁芯(装置)下端与焊件的距离为5mm，右线圈32和左线圈33的铁芯半径均为10mm，中间线圈31的空心圆筒形铁芯的内径为12.5mm、外径为16.5mm，中间线圈31、右线圈32和左线圈33的外加磁场交变频率均为10KHZ，焊件铁板的厚度为3mm。
模拟实验表明，本发明仿真出的磁场场图符合设计要求，能够形成所需要的磁场回路，在熔池内部产生的电磁力大小和方向与实验设计要求的一致(参见图5、6)。本发明未述及之处适用于现有技术。

Claims (3)

1.一种全位置焊熔池稳定成形的方法，该方法由左线圈-中间线圈和中间线圈-右线圈构成左右对称的外加高频交变磁场，该磁场加装在焊枪上，能使焊熔池内铁水产生电涡流，并使该电涡流与所述外加高频交变磁场相互作用，产生电磁力，用所产生的电磁力来抵消影响焊熔池稳定成形的部分或全部重力，保持全位置焊熔池的稳定成形；所述各线圈的匝数分别是20匝～200匝，左线圈-中间线圈之间和中间线圈-右线圈之间的中心距离对称为50mm～150mm，给所述各线圈施加的激励电流分别为0.5A～5A；所述外加高频交变磁场的强度为1KHZ～30KHZ。
2.一种全位置焊熔池稳定成形的装置，适用于权利要求1所述全位置焊熔池稳定成形的方法，其特征在于该装置主要包括中间线圈和中间铁芯、右线圈和右铁芯、左线圈和左铁芯以及横梁，所述的中间铁芯固定在横梁的中间位置，左铁芯和右铁芯以中间铁芯为中心对称固定在横梁上；中间线圈的中间铁芯为空心结构，且焊枪可以从中间铁芯的空心内穿过，左线圈的左铁芯和右线圈的右铁芯均为实心结构，中间线圈、左线圈和右线圈按设计要求分别紧密缠绕在各自铁芯上，并与交变电源连接；装置利用横梁用可拆卸和可调节的方式固定在焊枪上。
3.根据权利要求2所述的全位置焊熔池稳定成形的装置，其特征在于所述左线圈、右线圈和中间线圈的匝数分别是20匝～200匝，左线圈-中间线圈之间和中间线圈-右线圈之间的中心距离对称为50mm～150mm，给所述各线圈施加的激励电流分别为0.5A～5A；所述外加高频交变磁场的强度为1KHZ～30KHZ。
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