CN103624371A

CN103624371A - 一种提高全位置mag焊电源功率输出的方法

Info

Publication number: CN103624371A
Application number: CN201310638143.0A
Authority: CN
Inventors: 李亮玉; 岳建锋; 刘文吉; 王天琪
Original assignee: Tianjin Polytechnic University
Current assignee: Tianjin Polytechnic University
Priority date: 2013-11-29
Filing date: 2013-11-29
Publication date: 2014-03-12

Abstract

本发明公开一种提高全位置MAG焊电源功率输出的方法，该方法是在全位置MAG焊熔池稳定成形控制中，外加交变磁场，使励磁交变电源功率输出提高的方法，其特征在于在外加的高频交变励磁装置或电路中串联电容，并选择电容的大小，使其与高频交变励磁装置等效电感匹配，实现并保持励磁电路在谐振方式下工作，使励磁感应电路负载特性呈现出纯阻性，大幅提高全位置MAG焊中外加交变电源的输出功率；所需串联电容的大小，按照如下公式进行计算选择：

上式中，L为励磁回路的等效电感，f ₀为谐振频率。

Description

一种提高全位置MAG焊电源功率输出的方法

技术领域

本发明涉及提高交变电源对于感性负载功率输出的技术，具体为一种通过串联谐振提高在全位置MAG焊电源功率输出的方法。

背景技术

近年来，随着压力容器、石油化工、管道工程、海洋、造船和原子能等工业的飞速发展，采用全位置焊接工艺的场合越来越多。在全位置焊接中，采用TIG焊工艺由于其不存在金属熔滴过渡问题，因而非常适合管道等全位置根焊缝的焊接，可以得到纯净优质的焊缝。但是该方法存在焊接成本高，生产效率低的问题，一般只用于薄板焊接。熔化极气体保护MAG焊工艺具有生产效率高、成本低、容易实现自动化的优点，已经成功地在工业生产中应用，但是在横焊、立焊、仰焊和全位置焊接时，却受到一定限制。由于该工艺方法一般需要在连续射流过渡状态下工作，也即要求工作电流在临界值以上，电流较大，从而形成较大的熔池和熔敷量，铁水过多，不能保持熔池，难以适应大熔敷率的全位置焊接要求。

目前全位置焊工艺存在的主要问题包括：（1）焊缝成形差。由于重力的影响，全位置焊接过程中，熔池容易失稳，造成铁水向下流淌，使不同位置焊缝厚度变化不均，甚至发生上部咬边，下部形成焊瘤现象，也有的会出现熔合不良，影响焊接稳定成形。（2）焊接效率低。对于MAG焊工艺，全位置焊接时，由于受到焊接位置的限制，焊接规范一般比较小，导致目前全位置焊接效率不高，对于中厚度板材的焊接，一般采用小规范多道多层方法焊接，这样又增加了焊接缺陷形成的机会，如夹渣、未焊透等。（3）成本高。采用激光焊、激光+电弧焊、电子束焊等能量密度高焊接工艺，可满足全位置焊接的小熔池特征要求，并可高速焊接，使生产率得到大幅提高，但其存在成本高，现场适应性差，难以大面积推广应用的不足。

在全位置MAG焊中，导致熔池成形差和流淌的重要因素重要来自熔池重力的影响，施加非接触的外加电磁外力不失为一种有效的抵消全位置熔池重力影响的方法，但目前传统外加磁场力多用于全位置焊接的特定位置水平焊中。

在水平位置焊接中，西安交通大学罗键等在GTAW焊接过程中，通过外加恒定纵向磁场，电弧外形下部扩张，上部收缩，电弧外观呈钟罩形，焊接电弧等离子流力的分布特征改变为中心压力低，边缘区压力较高的双峰复杂分布，电流密度在电弧中心区不断减小，直至接近于零，而边缘出现电流密度最大峰值，实际上形成了环形导电截面（参见罗键,贾昌申,王雅生等.外加纵向磁场GTAW焊接机理[J].金属学报，2001，37(2)：212-216.）；在外加间歇交变纵向磁场GTAW焊接中，外加磁场促使电弧周期性、间歇式地正反向旋转，改变电弧等离子流力和电流密度的径向分布，影响母材熔化和焊缝成形（参见罗键,贾涛,殷咸青等.GTAW外加间歇交变纵向磁场的数值计算及其焊接行为的影响.金属学报，1999，35(3)：330-333.）；Ryzhov R.N等将恒定横向磁场作用于焊接电弧时，使电弧偏向一侧。典型的横向磁场控制电弧的方法是通过外加横向低频交变磁场，使电弧摆动，焊缝熔宽增加，熔深减少（参见Ryzhov R.N and Kuznetsov V.D.Choice of optimal parameters of external electromagnetic action in arc methods of welding[C].Avtomaticheskaya Svarka,2005(6)：27-31.）；赵彭生等使用双尖角横向磁场对等离子弧二次压缩时，增加电弧能量使用密度，使弧柱成椭圆形，可用于厚板焊接及表面堆焊（参见赵彭生,祝树燕,赵国华.双尖角磁场再压缩等离子弧的物理特征及焊接工艺性能[J].焊接学报，1986,7（1）：7-14.）；华爱兵,陈树君等把横向旋转磁场应用于TIG焊，利用磁场的旋转带动TIG电弧的旋转，电弧的瞬时形态发生了变化，从而改变了电弧热和电弧力在工件上的分布（参见华爱兵,陈树君,殷树言等.横向旋转磁场对TIG焊焊缝成形的影响[J].焊接学报，2008，29(1)：5-8.）。

电涡流效应是一种自然界基本的物理现象。它的主要原理是，在导体中如果存在变化的磁场，就会在介质中产生感生电流，即涡流。利用外加高频交变磁场在熔池内产生涡流，该涡流与外部磁场相互作用，进而在熔池内产生一定大小和方向的电涡流力，用于抵消熔池重力对全位置熔池失稳造成的不利影响。

在实验研究过程中，发现当励磁电源工作在2KHz以上时，随着频率的增加，输出电流急剧降低，导致励磁装置激发的磁场强度严重不足，直接影响到了熔池内电涡流力产生的大小。在申请人检索的范围内，尚未见到有关全位置MAG焊外加交变磁场励磁电源提高功率输出的解决方法。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是，提供一种提高全位置MAG焊电源功率输出的方法，该方法可解决目前全位置MAG焊焊接时，熔池容易流淌、平均电流小和效率低下的问题，具有工艺简单，操作方便的特点。

本发明解决所述技术问题的技术方案是：设计一种提高全位置MAG焊电源功率输出的方法，其特征在于该方法是在外加的高频交变励磁装置或电路中串联电容，并选择电容的大小，使其与高频交变励磁装置等效电感匹配，实现并保持励磁电路在谐振方式下工作，使励磁感应电路负载特性呈现出纯阻性，大幅提高全位置MAG焊中外加交变电源的功率输出；所述串联电容的大小依照下式计算选择：

C = \frac{1}{L {(2 π f_{0})}^{2}}

上式中，L为励磁回路的等效电感，f₀为谐振频率。

与现有技术相比，本发明提高全位置MAG焊电源功率输出的方法克服了现有在高频工作时，交变电源有功功率输出低，导致在焊接工件熔池内感应的电涡流小和生成的电磁力弱的问题。串联谐振技术的采用，可使全位置MAG焊中外加的交变电源功率大幅提高，从而有效提高熔池内产生的电涡流力，增强克服熔池重力造成的熔池流淌等不利因素。

附图说明

图1是本发明方法一种实施例中在全位置MAG焊中，外加高频交变磁场，在工件熔池内产生电涡流，该电涡流与外加磁场相互作用，产生克服重力的外加电磁力F1的工作原理示意图。6表示焊枪，7表示熔池。

图2是本发明方法一种实施例中励磁装置示意图。在全位置MAG焊中外加交变磁场的励磁装置中，用于产生串联谐振的电路，该电路中通过串入电容1，在谐振频率工作时，实现高频交变电源2输出有用功率的提高。线圈3缠绕在励磁磁芯5上。

图3是本发明方法一种实施例中串联谐振效果示意图；其中，图3（a）是频率低于谐振频率时交变电源电压和电流输出示意图；图3（b）是频率等于谐振频率时交变电源电压和电流输出示意图；图3（c）是频率高于谐振频率时交变电源电压和电流输出示意图。

图4是本发明方法一种实施例中45度焊接时励磁电源工作在谐振频率状态时，对应不同工作频率时焊接效果示意图，其中图4（a）是电源频率工作在1576Hz时焊接效果示意图；图4（b）是电源频率工作在3290Hz时焊接效果示意图；图4（c）是电源频率工作在4860Hz时焊接效果示意图。

具体实施方式

下面结合实施例及其附图进一步叙述本发明：

本发明设计的提高全位置MAG焊电源功率输出的方法（简称方法，参见图1-4），是一种在全位置MAG焊熔池稳定成形控制中，外加交变磁场，使励磁交变电源2功率输出提高的方法。该方法是在外加的高频交变励磁装置或电路中串联电容1，并选择电容1的大小，使其与高频交变励磁装置等效电感匹配，实现并保持励磁电路在谐振方式下工作，使励磁感应电路负载特性呈现出纯阻性，大幅提高全位置MAG焊中外加交变电源的输出功率。因为励磁回路的感性负载会产生不利的无功功率，为此需要串联一定大小的容性负载，从而使电路工作在谐振状态时，减弱直至消除感性负载对励磁电源有功功率输出的不利影响。所需串联电容的大小，按照如下公式进行计算选择：

C = \frac{1}{L {(2 π f_{0})}^{2}}

上式中，L为励磁回路的等效电感，f₀为谐振频率。

在全位置MAG焊接过程中，施加高频交变磁场，从而在熔池内产生电涡流力，以减轻重力的对熔池成形的不利影响（工作原理参见图1），通过外加交变磁场，在熔池内产生一定方向的外加电磁力，该电磁力可用于克服熔池重力）。但在频率超过2KHz时，存在励磁电源功率输出严重降低，导致励磁装置生成的交变磁场强度变弱，在焊接熔池内产生克服熔池重力的电磁力降低。

本发明针对外加交变磁场的励磁感应器负载高频工作时感性负载急剧增加，制约交变电源有功功率输出，提出利用串联谐振技术来实现在某一频率励磁时，使整个工作电路呈现阻性负载，阻抗降至最低，从而在某一频率工作时交变电源输出功率最大。

本发明在一定的焊接条件下，当励磁负载回路中励磁交变电源工作在一定频率时，在励磁回路中串联一定大小的电容，从而减弱直至消除励磁负载回路中感性负载对励磁交变电源功率输出的不利影响。为了实现在不同频率状态下，交变电源2功率输出都能保持在较高的水平上，需要在不同工作频率时，调整串联在谐振电路中的电容1大小，保持电路谐振，使励磁感应电路负载特性呈现出纯阻性，从而克服电感感抗对交变电源2功率输出的限制，降低无功功率。

本发明在励磁回路中，串联耐高压电容1，当在一定频率下励磁工作时，调整串联耐高压电容1的大小，使励磁回路工作在谐振状态，此时励磁回路的负载由感性负载转变为纯阻性负载，交变电源2输出电流和功率达到最大值，从而在熔池内可产生最大的磁感应强度和涡流强度，进而生成最大的电涡流力，促进全位置焊接熔池成形。

为了验证前面的分析，在施加电容1为0.29uF的情况下，改变在频率情况下进行实验。在励磁装置距离焊接工件20mm时，分别施加正弦交变信号，频率f₁、f₂和f₃为：3160Hz，3660Hz，4260Hz，电压源信号峰峰值分别为：U_1p‐p=22V，U_2p‐p=14V和U_3p‐p=16V，检测到的电流分别为：I₁p‐p=0.4A，I₂p‐p=2.5A和I₃p‐p=0.4A。在气隙中距离工件1mm处测量磁场强度，磁场强度分别为：0.4mT，1mT，0.4mT，实验电压和电流波形如图3所示。

从图3（b）中可以看出，在电源频率为3660Hz时，接近了负载谐振频率，电压波形和电流波形实现了相位一致，此时感性负载XL与容性负载Xc大小相等，相位相反，负载电路中只有阻性负载，阻抗最小，电流最大，峰峰值Ip-p为2.5A，输出有功功率P达到最大，为5.342w；从图3（a）中可以看出，在电源频率为3160Hz时，电压波形超前电流波形，说明此时感性负载XL要比容性负载Xc大，负载电路总体呈现出了感性特征，电流峰峰值Ip-p降低为0.4A，输出有功功率P降为0.053w；从图3（c）中可以看出，在电源频率为4260Hz时，电流波形超前电压波形，说明此时容性负载Xc要比感性负载XL大，负载电路总体呈现出了容性特征，电流峰峰值Ip-p降低为0.4A，输出有功功率P降为0.0565w。

上述试验表明，在不同励磁频率时，匹配一定电容时，可使励磁电路呈现出容性、纯阻性和感性负载特性，同时交变电源有功功率输出大小也不同，在谐振频率工作时，交变电源2功率输出远远大于非谐振状态。

研究表明，本发明方法可以有效提高外加交变励磁电源2的有功功率输出，提高了励磁装置产生的磁场强度，并最终在熔池内获得高的电磁作用力。在45°下向焊接时，在焊接规范为：焊接电流I=190A，焊接电压U=18V，焊接速度V=6mm/S，送丝速度wfs=200IPM(Inch per minute)。在励磁电流为Ip-p=5A时，气隙mx=16mm，改变励磁频率f大小，同时串入不同谐振电容1.698pF,0.403pF和0.197pF。在实验过程中励磁频率f分别定为，1576Hz，3290Hz，4860Hz，进行焊接(参见图4（a）至（c）)。

采用本发明方法，可以大幅提高励磁交变电源功率的输出，从而在焊接过程中在熔池内产生更高的电磁力，以克服重力对熔池成形的不利影响，获得良好的效果。

Claims

1.一种提高全位置MAG焊电源功率输出的方法，该方法是在全位置MAG焊熔池稳定成形控制中，外加交变磁场，使励磁交变电源功率输出提高的方法，其特征在于在外加的高频交变励磁装置或电路中串联电容，并选择电容的大小，使其与高频交变励磁装置等效电感匹配，实现并保持励磁电路在谐振方式下工作，使励磁感应电路负载特性呈现出纯阻性，大幅提高全位置MAG焊中外加交变电源的输出功率；所需串联电容的大小，按照如下公式进行计算选择：

上式中，L为励磁回路的等效电感，f ₀为谐振频率。