CN102947040A - 用于减小周围磁场强度以便于电弧焊接的装置和方法 - Google Patents

Abstract

用于减小焊接区中的周围磁场的强度的装置，包括：磁场生成器（50，52，54，56），用于响应于输入电流来在所述焊接区中生成反向磁场；磁场传感器（140），用于感测所述焊接区中在任何矢量方向上的周围磁场的方向和幅值，并且响应于所述方向和幅值来输出传感器信号；以及控制器（7），被布置为接收所述传感器信号，并且响应于所述传感器信号来控制到所述磁场生成器的输入电流，以生成减小所述焊接区中的磁场的反向磁场。还提供了用于使用此形式的装置来减小焊接区中的磁场的方法。

Description

用于减小周围磁场强度以便于电弧焊接的装置和方法

技术领域

本发明涉及在高的周围磁场（ambient megnetic field）中形成低磁场地带以便于电弧（arc）和带电粒子（charged particle）焊接。

背景技术

电弧焊接技术受到磁场的影响，当存在高磁场时焊接品质会降低。例如，对于手动金属电弧焊接，超过0.005Tesla的磁场通常是成问题的，会发生称为电弧漂移（arc wander）的过程。在较高的磁场中，电弧变得不稳定，从而导致称为电弧偏吹（arc blow）的过程。

用于提取金属（诸如锌和铝）的工业过程采用大的熔炼电流（smelting current），一般为350,000Amps。在这样的环境中，载有这样的电流的导杆的本地（local）磁场是0.2Tesla或更大。出于实际原因，不能关掉熔炼电流，所以焊接必须在高磁场中进行。在这样的环境中的焊接修理作业例行是需要的，但是因高的磁场强度而非常难以实现。结果是不稳定的电弧，从而导致低品质的焊接。电弧具有非常低的质量（mass），所以因本地磁场与焊接电流的相互作用而施加在电弧上的力产生高的加速度，从而导致电弧快速消失。

磁场中的电弧不稳定是一个已知问题。它例行出现在磁性材料（诸如管和盘）的焊接中。这样的材料被磁化，并且磁场变得集中在焊接准备的气隙中。解决该问题有几种方法。一种方法涉及使磁性部件退磁：要么通过使磁性部件穿过交流激励的线圈，要么通过施加改变符号并且幅值逐渐减小的大的磁场。然而，这样的退磁器是庞大的，并且该过程是缓慢的。

一种更实际的方法是按照Blakeley的美国专利No.4,761,536来消除焊接位置的磁场。这种方法使用霍尔器件（Hall device）来监测焊接位置的磁场，并且控制到线圈的电流以平衡焊接位置的磁场。Abdurachmanov的美国专利No.6,617,547提供了一种消除磁场的方法，这种方法与Blakeley的方法相似，除了没有直接测量磁场。Abdurachmanov提供了一种光学反馈方法，以将电流驱入线圈，从而确保电弧保持与工件正交。

在高场熔炼环境中，待焊接的区中不存在铁磁材料。从而，在按照Blakeley的技术中部署的线圈产生了如下的场，该场的一小部分被要求平衡由高电流产生的场。在没有磁性工件的情况下，磁场就没有预先限定的取向（orientation）。Abdurachmanov的技术会要求非常高的反向场（opposing field），从而需要非常快地动态控制非常高的电流，以防止电弧消失。克服来自熔炼导体的场所需的高场将要求许多匝，以在合理的电流下运行，这导致了高的线圈电感和低的响应，从而使得该技术不能跟踪和防止电弧偏吹。

发明内容

本发明提供了用于在存在周围磁场的情况下减小待进行电弧焊接的焊接区中的磁场的装置，包括：

磁场生成器，用于响应于输入电流来在所述焊接区中生成反向磁场；

磁场传感器，用于感测所述焊接区中在任何矢量方向上的周围磁场的方向和幅值，并且响应于所述方向和幅值来输出传感器信号；以及

控制器，被布置为接收所述传感器信号，并且响应于所述传感器信号来控制到所述磁场生成器的输入电流，以生成减小所述焊接区中的磁场的反向磁场。

体现本发明的装置使得能够通过减小并且优选地基本平衡或最小化在任何矢量方向上的周围场来在焊接区中形成低磁场地带，以使得能够形成更可靠和更好品质的焊接。所述装置尤其适于用在由载有高电流的非磁性导杆生成的高磁场环境中。

在本文中，用于感测在任何矢量方向上的周围磁场的方向和幅值的磁场传感器指的是能够输出如下传感器信号的传感器，从该传感器信号能够确定磁场的方向和幅值，不论所述场在三维空间中的方向如何。所述传感器可以包括三个正交定位的磁场传感器，例如三个霍尔效应器件。

在许多要求焊接的环境中，围绕焊接区的导体和焊接路径的几何形状确定了在焊接的每个阶段中周围磁场的方向。在许多情形中，不能去除周围磁场。为了评估待平衡的场，需要以对所有方向的场都敏感的方式来感测磁场的幅值和方向。这可以通过如下磁场传感器来实现，该传感器在三个正交方向上测量磁场，所得到的磁场幅值和方向是响应于从该传感器接收的传感器信号来在控制器内算得的。

优选地，所述磁场生成器包括：由磁性材料制成的芯，以及围绕所述芯的至少一个线圈。所述芯可以由例如钢制成。所述芯可以包括一对对置的（opposing）的极片（pole pieces），所述反向磁场形成在这一对极片之间。在一些实施方案中，这一对极片可以是可移除的，以使得能够采用不同的极片配置。

优选地，所述控制器被布置以控制到所述磁场生成器的输入电流，以生成反向磁场，该反向磁场将所述焊接区中的磁场减小至小于预定阈值。该阈值可以是例如0.005T。

在本装置的一个优选实施方式中，所述磁场生成器的芯限定了一个不完整的环路，该环路的每一端有一个极片。所述反向磁场形成在这两个极片之间。由此，所述生成器限定了一个开放的磁路（magneticcircuit）。

在使用中，所述磁场生成器可以被定取向，以使得所述周围场的方向与所述极片的面正交。所述控制器调整从电源供应至所述磁场生成器的线圈的电流，以使得在所述极之间产生的场基本平衡所述周围磁场。

所述生成器的磁极片可以是可更换的，极片配置是根据本地场的方向、焊接路径的方向以及抵达焊接区的可用物理途径来选择的。例如，每个极片可以在与所述磁场生成器生成的反向磁场基本垂直的方向上是细长的（enlongated）。

在所述极片定被取向以使得所述场的方向与所述极片的面正交不切实际的情形中，可以引入相对于所述极片不对称的额外的磁性材料。这可以允许对在平面外方向上的反向磁场的方向进行一些控制。

在本装置的第二优选实施方式中，所述磁场生成器形成了至少两个闭合的磁路。优选地，每个磁路经由所述至少一个线圈而延伸，所述焊接区被限定在这两个磁路之间并且在其中一个磁路内。

根据本发明的又一方面，提供了一种用于响应于输入电流来在焊接区中生成反向磁场的磁场生成器，包括：

由磁性材料制成的芯；以及

围绕所述芯的至少一个线圈，用于接收所述输入电流，

其中所述磁场生成器形成了两个闭合的磁路，每个磁路经由所述至少一个线圈而延伸，所述焊接区被限定在所述磁路之间并且位于其中一个磁路内。

在一些实施方案中，两个开口或区可以被所述磁场生成器的磁性材料包围，这两个区共享一个公共边界。一个区限定了所述焊接区，并且围绕该区的磁性材料提供了对周围磁场的磁性屏蔽。所述线圈被布置为围绕所述磁性材料，从而形成另一区的边界。

所述线圈被用来经由这两个磁环路来控制所述焊接区的边界中的磁通量水平。在所述焊接区的边界中生成的通量抵消了由所述周围磁场在所述边界中生成的通量。这减小了所述边界中的磁性材料的磁阻（reluctance），从而导致更多的周围磁场被抽出所述焊接区并且进入围绕的磁性材料，由此增加了它提供的磁屏蔽的效力。

由所述磁场生成器的芯限定的区的几何形状可以被选择，以使焊接路径的取向适应周围场的方向。例如，所述磁场生成器可以限定一个细长开口，用于在使用中位于焊接路径上方并且与所述焊接路径对准。在一个实施方案中，所述细长开口在与由所述磁场生成器生成的反向磁场基本垂直的方向上是细长的。替代地，所述开口可以在与所述反向磁场基本平行的方向上是细长的。在每个情形中，所述开口的长向轴线都与焊接路径对准。

在一个优选实施方案中，所述细长开口是矩形，其中所述矩形的长轴与焊接路径对准。在焊接与周围场的方向平行的情形中，限定了所述矩形的磁性材料沿着所述矩形的长边接合所述磁场生成器的其余部分。对于焊接与磁场方向正交的情形，沿着所述矩形的短边接合。

所述磁场生成器优选地被配置以便于快速接近和看到焊接区。所述生成器可以限定一个背面（back plane），用于与待焊接的工件接合。所述极片的端面可以被布置为与所述背面相邻，以使得所述反向磁场靠近所述工件生成。此外，将所述极片的面定位为更靠近所述磁场生成器的限定了所述背面的一侧，允许所述极片被定形以便于更好地接近和看到所述焊接区。在一个优选配置中，每个极片包括一个渐细的（tapered）或斜切的（chamfered）部分，所述渐细的或斜切的部分被配置以使得垂直于所述背面而测量的所述极片的厚度随着与所述焊接区的距离的增大而增大。

所述芯可以限定一对分支（limbs），这一对分支远离于相应的极片而延伸。每个分支可以在与所述背面基本平行的方向上远离于相应的极片而延伸。这降低了所述分支会妨碍焊工接近所述焊接区的程度。

所述芯可以包括一个背部（back portion），所述背部在与所述反向磁场基本平行的方向上在这一对分支之间延伸。所述背部优选地具有比所述分支大的横截面，从而能够既容纳周围磁场又容纳反向磁场而不使所述材料磁饱和。

根据又一些实施方案，所述装置可以包括与所述芯在磁性上分离的一对侧延伸部（side extensions）。这一对侧延伸部在使用时被布置为与所述磁场生成器的背面基本垂直并且与所述反向磁场基本平行地延伸。这两个侧延伸部可以在与所述反向磁场的生成的方向垂直的方向上在与所述焊接区横向间隔开的位置被设置在所述焊接区的相应侧。所述侧延伸部用于在不与所述磁场生成器的背面平行的方向上将周围磁场抽离焊接区。这增强了所述生成器在所述反向磁场的平面之外的方向上相对于所述焊接区来屏蔽周围磁场的能力。

优选地，这一对侧延伸部中的每个侧延伸部的一部分在使用中与所述反向磁场的方向基本平行地延伸至少长达由所述芯限定的焊接区的长度，并且这些部分被布置为与它们之间的焊接区横向对准。

在所述磁场生成器限定了一个用于在使用中位于焊接路径上方的开口（或焊接区）的实施方案中，可以在所述芯的围绕所述开口的部分中限定一个间隙，所述芯的在所述间隙两侧的面被位于所述间隙中的非磁性材料（可以是例如固体或空气）分隔。已发现，提供这样的间隙可以改善所述焊接区中的反向磁场的线性和均匀性。因此这改善了焊接电弧的稳定性，并且改善了由所述磁场生成器提供的屏蔽的效力。

在一个实施方式中，所述间隙在一个与所述磁场生成器的背面基本平行的平面中延伸。替代地或附加地，可以提供在一个与所述背面基本垂直的平面中延伸的间隙。此外，可以限定多个间隙。所述间隙或每个间隙可以具有平行的侧面，或者所述侧面可以彼此成角度，从而限定楔形间隙。在有多个间隙的情况下，所述多个间隙可以被布置为例如彼此基本平行。

流过所述磁场生成器的线圈的电流将产生大量热。为了避免线圈损坏，可以主动冷却它们。可以使用合适的传感器来监测温度。所述控制器可以被布置为，根据所述线圈的输入电流以及跨越所述线圈的电压，来计算所述线圈的温度的测量值。使用所述磁场生成器的热性能的数学模型，所述控制器可以被配置为预测在达到预定温度阈值之前在某一驱动电流下的运行时间。

供应至所述磁场生成器的输入电流可以得自专用电源。替代地，所述装置可以被布置为，从待使用该装置的设施处可用的源接收输入电流。

本发明还提供了一种用于在存在周围磁场的情况下减小待进行电弧焊接的焊接区中的磁场的方法，包括以下步骤：

用磁场传感器感测焊接区中在任何矢量方向上的周围磁场的方向和幅值；

响应于所述方向和幅值，从所述磁场传感器输出传感器信号；

在控制器中接收所述传感器信号；以及

响应于所述传感器信号，用所述控制器来控制磁场生成器，以在所述焊接区中生成减小所述焊接区中的磁场的反向磁场。

例如，所述周围磁场可以被感测，然后所述生成器可以被控制，以在所述焊接区中生成反向磁场而不移动所述磁场生成器。

替代地，所述感测步骤和所述输出步骤可以包括：

将所述磁场生成器沿着预定焊接路径从一个焊接区移动到另一焊接区，所述生成器被定位为在每个焊接区中在所述焊接路径上生成所述反向磁场（而不被激励）；以及

用磁场传感器感测每个焊接区中在任何矢量方向上的周围磁场的方向和幅值，并且响应于所述方向和幅值将来自所述磁场传感器的传感器信号输出到所述控制器，

并且所述控制步骤包括：

沿着所述预定焊接路径重复所述磁场生成器的移动；以及

响应于所述传感器信号，用所述控制器来控制所述磁场生成器，以在每个焊接区中生成减小每个焊接区中的磁场的反向磁场。

所述控制步骤可以包括：响应于所述传感器信号来确定所述磁场生成器在每个焊接区中的取向，以使得所述反向磁场的方向与所述周围磁场的方向基本相反。

所述感测步骤可以包括：在所述控制器处接收与所述磁场生成器在每个焊接区中的位置有关的位置信号。这些信号可以是例如由所述磁场生成器携带的加速度计生成的。

所述控制器可以被配置为将一个焊接路径分割成一系列焊接区，然后所述磁场生成器被沿着所述焊接路径从一个位置移动到下一位置，在每个位置执行一个焊接操作。

从而，可以用所述磁场传感器来测量沿着焊接路径的磁场轮廓，用所述控制器记录具体位置的幅值和方向。所述控制器可以基于所存储的磁场测量值来智能地将所述焊接路径分割成多个节段。所述控制器针对每个节段确定所述磁场生成器的取向以及到所述磁场生成器的驱动电流。节段的长度由极片的几何形状确定。一旦完成了对一个节段的焊接，所述磁场生成器就可以被平移，设置新的倾斜（tilt），然后所述控制器确定并且施加新的驱动电流。优选地，所述磁场生成器被沿着所述焊接路径平移，以使得焊接位置保持相对于极片处于基本相同的取向。

附图说明

现在将通过示例方式且参照随附的示意图来描述本发明的实施方案，在附图中：

图1示出了围绕一个载流导杆生成的磁场；

图2是示出了一个体现本发明的装置的方框图；

图3和图4是用于用在体现本发明的装置中的两个磁场生成器的立体图；

图5和图6分别是当图3和图4的磁场生成器部署在载流导杆上时的立体图；

图7是图3的磁场生成器的立体图，该磁场生成器上安装有磁场传感器；

图8是当构成体现本发明的装置的一部分的磁场生成器部署在载流导杆上时的立体图，结合有一对侧延伸部；

图9至图11分别是与图8的磁场生成器相似的磁场生成器的立体图、平面图和侧视图，但结合有不同构造的侧延伸部；

图12和图13是具有围绕焊接区的不同构造的间隙的一个磁场生成器的部件的立体图；

图14是用于用在体现本发明的装置中的另一磁场生成器的立体图；

图15是用于与图14的磁场生成器结合起来使用的一对替代的极片的立体图；

图16是图14的磁场生成器的立体图，该磁场生成器上安装有磁场传感器和加速度计；以及

图17至图19分别是与导杆中的电流平行的焊接路径、与导杆中的电流正交的焊接路径以及载有正交方向电流的两个导杆附近的焊接路径的立体图。

具体实施方式

在导体中流动的电流生成了成比例的磁场。在某些工业应用（诸如熔炼）中，流动的电流非常高，从而导致非常高的磁场。

在图1中，350,000Amps的电流在x方向上流过0.64m²的横截面1。该电流导致表面2上的磁场是y方向上的-0.15Tesla，类似地，表面3将具有z方向上的0.15Tesla的磁场。当导杆不是线性的以及在两个或更多个导杆紧密贴近的区中，磁场的幅值和方向在拐角4处变得较复杂。在熔炼和电解应用中，有必要当高电流流动时在这些电导体上和附近进行焊接修理作业。高磁场导致焊接电弧中的带电粒子偏移（deflection），从而使得这样的作业困难以及使得焊接品质非常差。本发明被用来减小该磁场，从而使高品质的焊接成为可能。

图2示出了一个体现本发明的系统的主要子组件。使用线圈和磁性材料5实现低场环境。电力单元6向所述线圈供应电流。电力单元6供应的电流由控制电压确定，该控制电压得自反馈信号或在控制器7中构造的数字值（digital number）。指示了供应至线圈和磁性材料5的实际电流以及驱动该电流的电压的信号，作为成比例的电压或数字值，被供应至控制器7。

包括三个正交安装的磁场传感器（例如霍尔效应器件）的磁场传感器或探头（probe）8便于测量任何方向上的磁场。该传感器向控制器7提供了三个正交的磁场测量值。控制器7能够将电信号转变为允许在该控制器中确定该磁场的幅值和方向的形式。然后控制器7被用来计算所要求的供应至线圈5的电流，以使该焊接区中的磁场最小化。

图3示出了磁场生成器50的一个优选实施方案。该磁场生成器具有由磁性材料制成的芯，该芯限定了闭合的磁路，并且该芯被配置为用于焊接路径27与本地周围场方向正交的情形。该磁性材料形成了两个磁环路，这两个磁环路具有公共部件28。限定了围绕焊接路径27的区域的环路包括由磁性材料（例如钢）制成的部件28、29和30。部件29被斜切，以向焊工提供良好的接近性和可见性。另一环路包括由磁性材料（例如钢）制成的部件28、31和32。线圈33被卷绕在磁性部件（或分支）31上，且这些线圈通过背部件（back part）32接合。背部件32的横截面较大，以确保不发生饱和，并且确保所述线圈能够在该磁路中（尤其是在由部件28、29、30形成的环路中）有效地生成磁通量。

作为示例，在图3中标记了两个磁路C1和C2，用虚线（dashedline）标记磁路C1，用点划线（dotted and dashed line）标记磁路C2。箭头被用来指示，当生成反向磁场来抵消在该图中标记为F的方向上的周围场时，围绕每个磁路流动的磁通量的方向。

图4示出了磁场生成器52，该磁场生成器限定了闭合的磁路，并且被配置为用于焊接路径34与本地周围场的方向平行的情形。磁性材料形成了两个磁性环路，这两个磁性环路具有公共部件35。限定了围绕该焊接路径的区域的环路包括由磁性材料（例如钢）制成的部件35、36和37。部件35和37被斜切，以向焊工提供良好的接近性和可见性。另一环路包括由磁性材料（例如钢）制成的部件35、38和39。线圈40被卷绕在磁性部件38上，且这些线圈通过背部件39接合。背部件39的横截面较大，以确保不发生饱和，并且确保所述线圈能够在该磁路中（尤其是在由部件35、36、37形成的环路中）有效地生成磁通量。

图5示出了图3的实施方案用于与流过导杆43的横截面42的电流平行的焊接路径41的部署。焊接路径41与磁场的方向标称正交（nominally orthogonal）。该磁场生成器限定了一个背面，该背面与导杆43的平坦的上表面接合。

图6示出了图4的实施方案用于与流过导杆46的横截面45的电流正交的焊接路径44的部署。焊接路径44与磁场的方向标称平行（nominally parallel）。该磁场生成器限定了一个背面，该背面与导杆46的平坦的上表面接合。

图5和图6中示出的配置可以扩展至如下的更复杂的周围场，该场的矢量与焊接路径不平行或不正交。在这些情形中，所选定的实施方案的取向被选择，以使沿着该焊接路径的场最小化。

所述芯可以由从钢板（sheet steel）切出的一些层制成，所述层被构造为赋予所要求的材料厚度。该芯的元件的横截面需要足够大，以确保在给定的工作环境中不发生磁饱和。在该磁场生成器生成的磁场与周围磁场基本在相同方向上的情况下，该横截面需要更大。

图7示出了在具有图3所示配置的磁场生成器上可移除地安装就位的霍尔传感器140。

根据一种使用图3至图7所示形式的磁场生成器的方法，该生成器以合适的取向（例如图5或图6所示的）位于载流导体上。然后使用磁场传感器140来感测焊接区中的磁场的方向和幅值。然后该传感器可以被移除，并且合适的输入电流被馈送至该磁场生成器，以使得该磁场生成器生成如下磁场，该磁场基本平衡或充分最小化焊接区中的合成（resultant）磁场，以使得能够沿着焊接路径可靠地形成焊接。如果有必要，则可以沿着焊接路径移动该磁场生成器，以将另一节段包围在其焊接区中，并且重复该过程。

图8示出了结合有一对侧延伸部60的磁场生成器54（具有与图3所示生成器相似的配置）。这一对侧延伸部由与生成器54的磁性材料间隔开（从而在磁性上分离）的磁性材料制成。

侧延伸部60被提供以优先吸引在近似垂直于生成器54的背面的方向上的磁场。这具有减小焊接区中的场的效果，而且减小了由周围磁场在生成器54的磁性构件中感生的场。据此，这一对侧延伸部用于增强该磁场生成器的屏蔽效应，并且进一步减小焊接区中的合成场。

与生成器54的背面正交的磁场可以，例如，由图8未示出的另一总线杆（busbar）产生。这样的情形参照图9至图11的实施方案示出。在图9所示的布置中，导体2包括部位2a，部位2a从生成器54所处的导体部位的一端以直角延伸。可以看到，导体2a将生成与生成器54的背面近似垂直的磁通量。

图9至图11中描绘的实施方案的侧延伸部62具有与图8的延伸部60不同的配置。侧延伸部62在每一端通过联接元件64联接在一起，联接元件64平行于生成器54的背面而延伸。侧延伸部62和联接板64与生成器54在磁性上分离。侧延伸部62经由一系列缝（slot）66联接至联接板64，缝66垂直于所述侧延伸部的平面和该导体的纵向轴线而延伸。所述侧延伸部联接至该联接板，从而便于调整所述侧延伸部的横向间距以容纳不同宽度的导体。

为了有效地将磁通量抽离焊接区，所述侧延伸部应优选地沿着该导体纵向延伸至少长达焊接区的长度。它们的尺寸和几何形状被选择，以使得它们在给定的作业环境中不变得磁饱和。

图12和图13描绘了用于用在体现本发明的装置中的磁场生成器的部件的又一些实施方案。图中示出的部件68和70由磁性材料制成，并且用于围绕和屏蔽焊接区。在每个情形中，该磁性材料中形成有一个或多个间隙。在图12的实施方案中，间隙72在如下一个平面中延伸，该平面垂直于该生成器的背面，并且垂直于反向磁场主要生成的方向。沿着焊接区的两个对置的侧面，以等间隔位置设置有三个间隙。

在图13的实施方案中，间隙74在与该生成器的背面平行的一个平面中延伸。

所述间隙可以是被周围气氛充满的空隙。替代地，可以在每个间隙中设置一层固体非磁性材料，以将磁性材料的相邻部位间隔开。磁路中由所述间隙形成的中断（breaks）用于改善由磁场生成器在焊接区中生成的反向磁场的线性和均匀性。更均匀的场的存在帮助了焊工，因为电弧沿着焊接路径的行为会更可预测。它还改善了受该生成器的线圈影响的屏蔽的效力。磁通量在间隙附近有效地凸出，这可以通过抵消在该生成器的平面之外的方向上的周围磁场来提供帮助。该磁性材料的被所述间隙分隔的部位可以，例如，通过将它们夹持至一个非磁性支承板或者通过使用非磁性连接器将它们接合在一起，而被保持就位。

图14至图16示出了限定了开放的磁路的磁场生成器56的一个优选实施方案。焊接区109由磁极片110限定。极片是可更换的，并且极片110被设计为用于受限的拐角焊接，而极片111提供较长的线性焊接路径112。两个线圈113被卷绕在上磁芯和下磁芯114上。生成器背侧的由磁性材料制成的背部件115具有较大的横截面，以确保不发生磁饱和。由背部件115、芯114和极片110制成的紧凑芯使磁效率最大化，并且保持对焊接区109的良好接近性和可见性。磁场传感器或探头140（见图16）嵌入背部件115上的位置，以使得有效区域在焊接区109中。在焊接期间，探头140被从焊接区109中移除，以允许对焊工有最大程度的接近性和可见性。

所述线圈中的阻性加热（resistive heating）将导致所述线圈和芯的温度上升。通过表面116上的空气冷却设备（未示出），这被减轻至某一程度。所述线圈中的平均温度被控制器7监测，并且如果检测到过热，则到该生成器的驱动电流被切换为零。监测该温度的优选方法是监测以某一电流供应至所述线圈的驱动电压。该温度可以被直接测量，但在本实施方案中，该温度是根据线圈金属绕组的电阻率的热响应和测得的电阻而在控制器中算得的。该控制器中的算法被用来计算在达到过高温度之前该系统在某一驱动电流下可以运行的时间的估计值。该系统的热响应的数学建模被用来导出这些算法。

焊接修理通常沿着线性路径，并且该路径可以相对于来自导杆的磁场的本地方向处于任何取向。图17示出了如下情形，其中焊接路径117处于流过导杆119的电流118的方向，并且与本地场方向正交。使用了延伸的极111，从而可以在焊接路径117的大部分上抵消该场。在完成焊接时，如果路径延伸到极片之外，或者如果有必要以该取向进行其他焊接，则可以平移该磁场生成器（未示出）。

图18示出了焊接路径121，该焊接路径与流过导杆123的电流122正交，并且在磁场的方向上。这里，随着焊接的进行，必须在焊接路径121的方向上平移磁场生成器，以使得焊接位置在极片之间保持居中。在该情形中，图14中形状的紧凑极片110是合适的，以使磁效应最大化。

根据本地的几何形状和电流流动，磁场可以在焊接路径上变化。为了解决该问题，系统控制器具有学习设施（learn facility），并且该磁场生成器装配有加速度计142（见图16）。加速度计信号被两次积分，以提供位置信息。在学习期间，该磁场生成器沿着焊接路径平移，探头处于焊接位置，并且测得的磁场、幅值和方向被记录为由该加速度计确定的位置的函数。在图18中，在焊接路径121的开始处124和结束处125，该控制器确定电流设置，以使测得的磁场最小化。基于该信息，该控制器确定用于抵消沿着该路径的设定位置处的磁场所要求的电流驱动设置。然后霍尔探测器140被移除，并且随着焊接沿着该路径进行，该控制器使该磁场最小化。

图19示出了焊接路径126，其中场的取向沿着该路径而变化。在下导杆128中在x方向上流动的电流127将在该焊接路径处产生z方向上的磁场。第二导杆129（与第一导杆在物理上分开）载有y方向上的电流130。该电流在焊接路径126上产生在x方向上具有显著分量的磁场。磁场的该x分量的幅值在路径131的开始处显著大于在路径132的结束处。合成场在幅值上和方向上都沿着焊接路径126变化。

该磁场生成器在焊接路径126上平移，并且该磁场的幅值和方向被记录为沿着该路径的位置的函数。所使用的方法是将该焊接路径划分成由极片尺寸确定的一些节段。该控制器使用场数据来计算针对电磁体的倾斜值以及针对每个节段的驱动电流。节段长度和值的选择被优化，以使得在沿着该段的所有位置的磁场都足够小以便于焊接，目标幅值小于0.005Tesla。对于每个节段，该磁场生成器的背面的取向为与xz平面平行，处于由该控制器限定的角度。该角度的测量可以通过如下方式实现：使用简单的水平仪（spirit level），或者在该控制器上通过夹持在三轴磁性探头中并且核实周围场方向与反向磁场将生成的方向相反。然后可以沿着该节段进行焊接，而输入电流被控制作为位置的函数。一旦完成了一个节段，该控制器就将用声音警告焊工停止。然后针对下一节段设置新的倾斜，并且重复该过程。

在倾斜不切实际的情形中，可以通过改变极片布置来实现该平面中的抵消。通过添加额外的极片，在不对应于极片之间的线的方向上产生零场（nulling field）的矢量分量。该场的该本地变形可以通过该额外的极片的位置或者通过安装在该极片上的额外的线圈来控制。

体现本发明的装置可以设置有其自身专用的电源。替代地，该装置可以被布置为从待使用该装置的设施处可用的源汲取电流，以馈送至磁场生成器。例如，在铝熔炼厂，一系列熔炼炉可以被串联在一起，跨越每个炉都有电压降。可以从沿着该布置的合适点接出用于磁场生成器的合适电压。该源可以是干线电力、电池或炉上电压。对来自该源的电流的控制可以直接用干线电力来实现，或者用脉冲宽度调制技术将电力（用电容器平滑的）切换到用于磁场生成器的线圈的供应电路中。脉冲占空比会被调制，以将线圈中的电流保持在所要求的设定点。

Claims (63)

1.用于在存在周围磁场的情况下减小待进行电弧焊接的焊接区中的磁场的装置，包括：

磁场生成器，用于响应于输入电流来在所述焊接区中生成反向磁场；

磁场传感器，用于感测所述焊接区中在任何矢量方向上的周围磁场的方向和幅值，并且响应于所述方向和幅值来输出传感器信号；以及

控制器，被布置为接收所述传感器信号，并且响应于所述传感器信号来控制到所述磁场生成器的输入电流，以生成减小所述焊接区中的磁场的反向磁场。

2.根据权利要求1所述的装置，其中所述磁场生成器包括：由磁性材料制成的芯，以及围绕所述芯的至少一个线圈。

3.根据权利要求1或2所述的装置，其中所述控制器被布置为控制到所述磁场生成器的输入电流，以生成将所述焊接区中的磁场减小至小于预定阈值的反向磁场。

4.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中所述控制器被布置为控制到所述磁场生成器的输入电流，以生成将所述焊接区中的磁场减小至小于0.005T的反向磁场。

5.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中所述磁场生成器的芯限定了一个不完整的环路，该环路的每一端有一个极片。

6.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中所述芯包括一对对置的极片，所述反向磁场形成在这一对极片之间，并且这一对极片是可移除的以使得能够采用不同的极片配置。

7.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中所述芯包括一对对置的极片，每个极片在与所述磁场生成器生成的反向磁场基本垂直的方向上是细长的。

8.根据权利要求1-4中任一项所述的装置，或者根据当引用权利要求1-4时的权利要求6或7所述的装置，其中所述磁场生成器形成了两个闭合的磁路，每个磁路经由所述至少一个线圈而延伸，所述焊接区被限定在这两个磁路之间并且在其中一个磁路内。

9.一种用于响应于输入电流来在焊接区中生成反向磁场的磁场生成器，包括：

由磁性材料制成的芯；以及

围绕所述芯的至少一个线圈，用于接收所述输入电流，

其中所述磁场生成器形成了两个闭合的磁路，每个磁路经由所述至少一个线圈而延伸，所述焊接区被限定在这两个磁路之间并且在其中一个磁路内。

10.根据权利要求8所述的装置，或者根据权利要求9所述的生成器，其中所述磁场生成器限定了一个细长开口，用于在使用中位于焊接路径上方并且与所述焊接路径对准。

11.根据权利要求10所述的装置或者生成器，其中所述细长开口在与所述磁场生成器生成的反向磁场基本垂直的方向上是细长的。

12.根据权利要求10所述的装置或者生成器，其中所述细长开口在与所述磁场生成器生成的反向磁场基本平行的方向上是细长的。

13.根据权利要求1-8或10-12中任一项所述的装置，或者根据权利要求9-12中任一项所述的生成器，其中所述磁场生成器限定了一个背面，用于与待焊接的工件上的一个平坦表面接合。

14.根据权利要求13所述的装置或者生成器，其中极片限定了对置的端面，所述对置的端面与所述背面基本垂直并且被部署为与所述背面相邻。

15.根据权利要求13或14所述的装置或者生成器，其中每个极片包括一个渐细的部分，所述渐细的部分被配置为使得垂直于所述背面测得的所述极片的厚度随着与所述焊接区的距离的增大而增大。

16.根据权利要求1-8或10-15中任一项所述的装置，或者根据权利要求9-15中任一项所述的生成器，其中所述芯限定了一对分支，这一对分支远离于相应的极片而延伸。

17.根据权利要求16所述的装置或者生成器，其中这一对分支中的每个分支在与所述背面基本平行的方向上远离于相应的极片而延伸。

18.根据权利要求16或17所述的装置或者生成器，其中这一对分支中的每个分支在与所述反向磁场基本垂直的方向上远离于相应的极片而延伸。

19.根据权利要求16-18中任一项所述的装置或者生成器，其中围绕每个分支有一个相应的线圈。

20.根据权利要求16-19中任一项所述的装置或者生成器，其中所述芯包括一个背部，所述背部在与所述反向磁场基本平行的方向上在这一对分支之间延伸，所述背部具有比这一对分支大的横截面，以既容纳所述周围磁场又容纳所述反向磁场。

21.根据权利要求1-8或10-20中任一项所述的装置，其中所述磁场生成器限定了一个背面，所述背面用于与待焊接的工件上的一个平坦表面接合，并且所述装置包括与所述芯在磁性上分离的一对侧延伸部，这一对侧延伸部在使用中被布置为与所述背面基本垂直并且与所述反向磁场基本平行地延伸，并且在与所述周围磁场垂直的方向上在与所述焊接区横向间隔开的位置被设置在所述焊接区的相应侧。

22.根据权利要求21所述的装置，其中这一对侧延伸部中的每个侧延伸部的一部分在使用中与所述反向磁场基本平行地延伸至少长达由所述芯限定的焊接区的长度，并且这些部分被布置为在使用中与它们之间的焊接区对准。

23.根据权利要求1-8或10-22中任一项所述的装置，或者根据权利要求9-20中任一项所述的生成器，其中所述磁场生成器限定了一个开口，所述开口用于在使用中位于焊接路径上方，并且在所述芯的包围所述开口的部分中限定了一个间隙，所述芯的在所述间隙两侧的面被所述间隙中的非磁性材料分隔。

24.根据权利要求23所述的装置或者生成器，其中所述间隙在一个与所述背面基本平行的平面中延伸。

25.根据权利要求23或24所述的装置或者生成器，其中所述间隙或一个额外的间隙在一个与所述背面基本垂直的平面中延伸。

26.根据权利要求23-25中任一项所述的装置或者生成器，其中限定了多个平行的间隙。

27.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中所述磁场传感器包括三个正交定位的磁场传感器，优选地是霍尔效应器件。

28.根据权利要求2所述的装置，或者根据当引用权利要求2时的权利要求3-27中任一项所述的装置，包括用于监测所述线圈的温度的传感器。

29.根据权利要求28所述的装置，其中所述控制器被布置为根据到所述线圈的输入电流以及跨越所述线圈的电压来计算所述线圈的温度的测量值。

30.根据权利要求28或29所述的装置，其中所述控制器被布置为预测何时将超过与所述线圈关联的温度阈值。

31.根据权利要求30所述的装置，其中所述预测是根据所述线圈的当前温度、所述输入电流以及所述装置的热响应的数学模型来计算的。

32.根据前述权利要求任一项所述的装置，其中供应至所述磁场生成器的输入电流得自专用电源。

33.根据权利要求1-31中任一项所述的装置，被布置为从待使用该装置的设施接收用于所述磁场生成器的输入电流。

34.一种用于在存在周围磁场的情况下减小待进行电弧焊接的焊接区中的磁场的方法，包括以下步骤：

用磁场传感器感测焊接区中在任何矢量方向上的周围磁场的方向和幅值；

响应于所述方向和幅值，从所述磁场传感器输出传感器信号；

在控制器中接收所述传感器信号；以及

响应于所述传感器信号，用所述控制器来控制磁场生成器，以在所述焊接区中生成减小所述焊接区中的磁场的反向磁场。

35.根据权利要求34所述的方法，其中所述磁场生成器在所述感测步骤和所述控制步骤之中以及之间都被连续保持在基本相同的位置。

36.根据权利要求34所述的方法，其中所述感测步骤和所述输出步骤包括：

将所述磁场生成器沿着预定焊接路径从一个焊接区移动到另一焊接区，其中所述生成器被定位以在每个焊接区中在所述焊接路径上生成所述反向磁场；以及

用磁场传感器感测每个焊接区中在任何矢量方向上的周围磁场的方向和幅值，并且响应于所述方向和幅值将来自所述磁场传感器的传感器信号输出到所述控制器，

并且所述控制步骤包括：

沿着所述预定焊接路径重复所述磁场生成器的移动；以及

响应于所述传感器信号，用所述控制器来控制所述磁场生成器，以在每个焊接区中生成减小每个焊接区中的磁场的反向磁场。

37.根据权利要求36所述的方法，其中所述控制步骤包括：响应于所述传感器信号来确定所述磁场生成器在每个焊接区中的取向，以使得所述反向磁场的方向与所述周围磁场的方向基本相反。

38.根据权利要求36或37所述的方法，其中所述感测步骤包括：在所述控制器处接收与所述磁场生成器在每个焊接区中的位置有关的位置信号。

39.根据权利要求38所述的方法，其中所述位置信号是由安装在所述磁场生成器上的加速度计生成的。

40.根据权利要求36-39中任一项所述的方法，其中所述移动重复步骤包括：

考虑到所述传感器信号，用所述控制器确定沿着所述焊接路径的一系列位置，当执行焊接时所述磁场生成器应被定位在这一系列位置；以及

在执行了每个相应的焊接操作之后，将所述磁场生成器沿着所述焊接路径从一个位置移动到下一位置。

41.用于减小如下区域中的磁场强度的装置，该区域位于待焊接的非磁性工件的焊接地带附近同时靠近载有高电流的导体或者所述工件本身传导电流，所述装置包括：感测所述焊接地带中在任何矢量方向上的磁场的幅值和方向的工具；在所述焊接地带中产生磁场的工具；以及用于如下激励电流的控制器和电力单元，该激励电流用于平衡任何矢量方向上的场强。

42.根据权利要求41所述的装置，其中所述产生磁场的工具包括如下磁路，该磁路的一个环路上卷绕有一个或多个线圈，并且其中所述磁路的另一环路包围所述焊接地带。

43.根据权利要求41或42所述的装置，其中所述焊接地带的屏蔽的效力是由通过所述线圈的驱动电流控制的。

44.根据权利要求41-43中任一项所述的装置，其中所述磁路的这两个环路的相对取向能够改变，以允许使与本地磁场方向成任何角度的焊接路径的磁场最小化。

45.根据权利要求41-44中任一项所述的装置，其中包围所述焊接地带的磁路的环路具有任何拓扑形态，尤其是配合到拐角中和围绕拐角。

46.根据权利要求41-45中任一项所述的装置，其中所述平衡磁场由如下电磁体产生，该电磁体具有一个或多个线圈和磁极片，其中所述场的本地方向被到线圈的电流以及磁极片的位置和形状所控制。

47.根据权利要求46所述的装置，其中引入了额外的磁性材料，以控制所述磁场的方向。

48.根据权利要求41-47中任一项所述的装置，其中所述感测工具包括三个正交定位的磁场传感器，优选地是霍尔效应器件。

49.根据权利要求41-48中任一项所述的装置，能够沿着焊接路径被平移，以使得所述焊接位置相对于在磁性上受控的地带是固定的。

50.根据权利要求41-49中任一项所述的装置，能够沿着焊接路径被平移和转动，以使得所述焊接位置和本地场方向相对于在磁性上受控的地带是固定的。

51.根据权利要求41-50中任一项所述的装置，其中使用加速度计来监测在磁性上受控的地带沿着焊接路径的位置。

52.根据权利要求41-51中任一项所述的装置，其中使用测得的场来控制在磁性上受控的地带的取向。

53.根据权利要求41-52中任一项所述的装置，其中所述感测工具被从所述焊接区中移除，并且所述磁场被基于所存储的磁场数据和位置测量值而抵消。

54.根据权利要求41-53中任一项所述的装置，其中所述感测工具被从所述焊接区中移除，并且所述磁场被基于所存储的磁场数据、位置数据和倾斜数据而抵消。

55.根据权利要求41-54中任一项所述的装置，其中所述测量、存储和控制是由微处理器以电子方式实现的。

56.一种感测焊接区中在任何方向上的场幅值并且生成在幅值上和在任何方向上抵消磁场的响应以使得合成场强最小化的方法。

57.根据权利要求56所述的方法，其中感测到的场和抵消电流被记录为沿着待焊接的路径的位置的函数。

58.根据权利要求57所述的方法，其中感测到的场、抵消电流和电磁倾斜被记录为沿着待焊接的路径的位置的函数。

59.根据权利要求56-58中任一项所述的方法，由此监测所述线圈的温度，并且根据所供应的电流和电压来确定所述线圈的温度。

60.根据权利要求56-59中任一项所述的方法，由此根据当前温度和所述系统的数学建模的热响应来计算使所述线圈过热的运行时间。

61.基本如本文中参照附图描述的、用于在存在周围磁场的情况下减小待进行电弧焊接的焊接区中的磁场的装置。

62.一种基本如本文中参照附图描述的、用于响应于输入电流来在焊接区中生成反向磁场的磁场生成器。

63.一种基本如本文中参照附图描述的、用于在存在周围磁场的情况下减小待进行电弧焊接的焊接区中的磁场的方法。

Images