CN106891074B - 一种具有磁聚电弧作用的磁控旋转电弧传感器 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种具有磁聚电弧作用的旋转电弧传感器，可用于复杂曲面的表面修复、自动化焊接的焊缝跟踪以及解决当前磁控旋转电弧传感器的电弧发散不稳、电弧过渡角大和电弧热量不集中等弊端。发明所述的传感器包括封盖体、取代气罩和固定磁极的倒锥形下壳体、输送冷却油的输油管、产生水平面上和竖直平面上横向磁场的磁极组以及套在磁极上的软铁套和固定磁极的胶木塞。本传感器结构呈倒锥形，故简单紧凑可达性好，可对电弧进行磁汇聚、机械压缩和热压缩，因而焊接时不仅使得电弧稳定偏转，还使得电弧在偏转的同时发生汇聚，提高电弧挺度，提升了传感器信号的稳定性以及焊接电弧的热效率，进而提升了生产率。

Description

一种具有磁聚电弧作用的磁控旋转电弧传感器

技术领域

本发明应用于焊接自动化和复杂曲面修复的再制造领域，具体涉及一种具有磁聚电弧作用的旋转电弧传感器。

背景技术

近年来，随着电磁作用焊接技术的不断完善，磁控电弧传感器在堆焊自由曲面特征识别和埋弧焊智能焊缝跟踪的研究具有巨大的应用前景和实用价值。

电弧是一种持续的气体放电现象，其组成成分的99.9％是电子。因此，在焊接时对电弧施加磁场使得电弧偏转，如磁偏吹现象就是由于电弧周围的磁场分布不均匀所造成的。目前常用的施加磁场的方式有：外加横向磁场和外加纵向磁场。横向磁场可控制电弧偏转和改善焊缝成形，纵向磁场可收缩电子螺旋运动的半径和搅拌焊接熔池提高焊接质量。

国外很早就已经研究磁场对焊接技术的影响。上世纪七、八十年代，乌克兰基辅工业大学的学者发现了外加纵向磁场可促进熔池金属流动和晶粒细化，提升焊缝性能；1980年， Takeda K等人提出电弧在横向磁场的作用下呈弯弧状的结论；2002年，Gavrilov等人发现电弧在横向磁场的作用下发生加速和偏转减速的现象，并对其原因进行了分析。

国内方面主要有：清华大学通过对电弧内部能量分布的研究，提出了一个横向磁场中动态电弧的近似计算模型；太原工业大学利用双尖角磁场把电弧压缩成椭圆形，并将其应用于等离子焊中；西安交通大学殷咸青研究了外加交变纵向磁场对LD10CS铝合金在He- TIG焊接下的焊缝组织细化机理；北京工业大学提出过一种基于三相电的磁控电弧旋转的发生装置，并将其应用于焊接电弧控制和焊接工艺改善。

综上所述，国内外学者多是研究磁场对焊接组织、熔池金属流动和改善焊接成形等。很少有将其应用到焊缝跟踪传感器上的，更没有提出一种具有磁场既能控制其偏转又可以使其在偏转的同时又汇聚的磁控旋转电弧传感器。

发明内容

磁场控制电弧偏转与电弧磁偏吹现象的机理类似，而磁偏吹本身就是电弧不稳的一种现象。因此为了解决磁控电弧，电弧不稳的问题，本发明提供了一种具有磁场既能控制其偏转又可以使其在偏转的同时汇聚的磁控旋转电弧传感器。可用于复杂曲面的表面修复、自动化焊接的焊缝跟踪以及解决当前磁控旋转电弧传感器的电弧发散不稳、电弧过渡角大和电弧热量不集中等弊端。发明所述的传感器包括封盖体、取代气罩和固定磁极的倒锥形下壳体、产生X和Y两个方向的横向磁场的磁极组以及固定磁极的胶木圈。

本发明具有以下优点：结构简单紧凑，而且由于磁极组成倒锥形排列，既可以增强传感器的可达性又能减少角焊缝两侧工件对磁场的阻碍，以及焊接时不仅使得电弧稳定旋转，还使得电弧在偏转的同时发生汇聚，提高电弧挺度。这大大提升了传感器信号的稳定性以及焊接电弧的热效率，进而提升了生产率。

本发明解决以上技术问题所采用的技术方案，一种具有磁聚电弧作用的旋转电弧传感器，包括封盖体、下壳体、胶木塞和磁极组。本发明为了使得传感器产生可使得电弧既偏转又在偏转中发生汇聚，同时又考虑了传感器的可达性，遂将本传感器的结构设计成倒锥形。其特点有：下壳体呈倒锥形，内部底端设有八个浅凹槽和胶木塞的八个夹角为45度的孔一起固定磁极组，并使得磁极组的磁极轴线与壳体母线平行，呈倒锥式排列，所述锥形的圆锥角为70度到80度；壳体的内孔壁与焊枪采用螺纹连接，既可固定传感器又能取代气罩的功能；传感器设有进油口和出油口，可用于对磁极直接冷却；下壳体与封盖体通过 M4螺钉连接进行封盖和防止胶木塞松动。

所述的磁极组，由呈倒锥式排列的磁极组成，磁极所绕的线圈表面涂上散热胶并套有软铁套，一方面可以保护磁极的线圈短路和屏蔽干扰，另一方面使得轴向的磁场线密度增加，磁极上端有竖直方向上的短折弯且与胶木塞的采用间隙配合和使用M3螺钉紧固，磁极底端套有绝缘套，所述螺钉底部设有密封垫圈。

所述的胶木塞上设有八个夹角为45度用于固定磁极组的孔、中间区域的两个导线通孔和两个输油管的通孔，其与下壳体采用过盈配合连接，通过封盖体防松；所述的导线通孔、进油口和出油口分别接有导线管和输油管，且二者结构相同；所述的输油管和导线管与胶木塞均采用间隙配合连接，螺母和轴肩配合紧固，设有密封垫圈密封。

本发明的创新性主要体现在两个方面：

第一：电弧在磁场中汇聚

本传感器采用磁场、机械压缩和热压缩对电弧进行压缩汇聚。具体分析是：假设对2、 3磁极施加N极和对7、8磁极施加S极，则电弧向1号方向偏转(如图5-a所示)，其中 3号磁极和7号磁极之间会形成竖直平面方向的横向磁场，而2号磁极和8号磁极之间会形成倾斜的横向磁场B，其分解如图6所示；图6中的竖直平面方向的磁场分量BV和3、7 之间的竖直平面方向的磁场促使电弧偏转，而水平面方向的磁场分量BL会使得电弧在偏转的时候进行汇聚，其汇聚的分析图如图7所示。根据图7可知，电子束在水平面方向的磁场BL中受到的向心力，由左手定则可推出其交于一点，故电弧在偏转的同时会进行汇聚，同理其它方向电弧偏转的同时也会进行汇聚；而且本传感器还可以在机械结构上，通过对保护气流的机械压缩和冷却进而对电弧进行机械压缩和热压缩。二者共同作用使得电弧在偏转的同时进行了汇聚。

第二：磁场控制电弧旋转

如图5所示，分别给予相应偏转方向两边的2对磁极相应的励磁信号，使得电弧按照方向的顺序进行偏转汇聚，最终实现电弧旋转。具体实施是：首先对2、3号磁极输送N极励磁信号以及7、8号磁极输送S极励磁信号，由于电弧电子垂直向下运动，故电弧会向1 号方向偏转，如图5-a所示；接着撤销2和7的励磁信号，并对1号磁极输送S极励磁信号以及4号磁极输送N极励磁信号，由此电弧便会向2号方向偏转，如图5-b所示；再接着撤销3和8的励磁信号，并对2号磁极输送S极励磁信号以及5号磁极输送N极励磁信号，由此电弧便会向3号方向偏转，如图5-c所示；再接着撤销4和1的励磁信号，并对 3号磁极输送S极励磁信号以及6号磁极输送N极励磁信号，由此电弧便会向4号方向偏转，如图5-d所示；再接着撤销5和2的励磁信号，并对4号磁极输送S极励磁信号以及 7号磁极输送N极励磁信号，由此电弧便会向5号方向偏转，如图5-e所示；再接着撤销6 和3的励磁信号，并对5号磁极输送S极励磁信号以及8号磁极输送N极励磁信号，由此电弧便会向6号方向偏转，如图5-f所示；接着撤销4和7的励磁信号，并对5号磁极输送S极励磁信号以及1号磁极输送N极励磁信号，由此电弧便会向7号方向偏转，如图5- g所示；最后撤销8和5的励磁信号，并对7号磁极输送S极励磁信号以及2号磁极输送N 极励磁信号，由此电弧便会向8号方向偏转，如图5-h所示，然后，按照上述的励磁顺序循环，电弧就会不停的旋转。

传感器的相关参数分析：

1.轴线上的磁场大小B

如图8所示，从螺线管上取单元段dl，则该单元段线圈匝数ndl匝，对于p点而言，等效于电流强度为nIdl的圆形电流，由毕奥-萨伐尔定律可得该圆形电流在p点的磁感应强度为：

由积分可解得，

其中，μ₀为真空磁导率，L为螺线管的长度，R为螺线管的半径，n为绕线圈匝数，z为螺线管端面到测量点的距离。

2.偏转半径r

结合本传感器结构由洛伦兹力公式可得出：

其中，m_e为电子的质量(m_e＝9.11×10^-31kg)，e为电子的电荷量(e＝1.6×10^-19C)，B为磁场强度，V为电子的运动速度(V＝I/neS，S为电弧平均截面积)。

3.传感器的圆锥角Θ

为了使得传感器的磁极组可以产生使得电弧既偏转又在偏转中发生汇聚的磁场，以及增强传感器的可达性，遂将传感器设计成倒锥形，其圆锥角为Θ；同时又为了使得磁场更好对电弧产生作用，本传感器将磁场的主要作用区域置在电弧弧柱中间，即磁极组的轴线交于平均焊接弧长(一般为8到10mm)的中心。故可利用几何关系可确定圆锥角Θ，如果取弧长为8mm(焊接时常用弧长)，那么当焊丝生出长度为10mm是圆锥角为79度左右，当焊丝伸出长度为15mm时圆锥角为72度左右。因此，为了使得传感器更好的适应不同的焊接电弧长度和焊丝生出长度，故取圆锥角度为70到80度之间， 75度左右最为适宜。

附图说明

图1为本发明的磁控旋转电弧传感器的结构示意图

其中，1——焊枪，2——封盖体下突出圆柱，3——密封垫圈，4——出油管，5——导电嘴，6——下壳体，7——下壳体底部凹槽，8——封盖体，9——螺母，10——胶木塞，11——进油管，12——磁极，13——软铁套，14——绝缘套，A-A——下壳体凹槽截面

图2为本发明传感器的封盖体的俯视图草图

图3为本发明传感器的胶木塞的俯视图草图

图4为本发明下壳体凹槽上截面A-A的草图

图5为本发明传感器控制电弧旋转的过程示意图

图6为本发明中施加磁场的分解示意图

图7为本发明中电弧汇聚的原理示意图

图8为单层螺线管磁场强度计算草图

具体实施方案

下面结合附图和实施方式对本发明所提出的传感器结构作进一步详细描述。

本发明所述的是一种具有汇聚电弧作用的磁控旋转电弧传感器，其中为了使得电弧在受磁场作用而在偏转中产生汇聚，本发明设计了一个磁极组和外形都呈倒锥形结构的传感器，所述磁场汇聚电弧的原理如图6和7所示，所述结构如图1所示。本发明所述的传感器结构包括封盖体8、下壳体6、胶木塞10、密封垫圈3、进油管11和出油管4、通线孔和磁极组12。其中封盖体底面上的四个下突出圆柱体2可对胶木塞进行防松，中间区域设有两个通线孔、进油口和出油口且分别与导线管和出油管4、进油管11间隙配合连接，边缘设有四个M4螺钉孔用于与下壳体进行螺钉连接，所述封盖体结构如图1与图2所示；下壳体上端面边缘设有四个M4螺钉孔，中间内壁攻有螺纹可与焊枪进行螺纹连接对传感器进行固定，底端设有八个凹槽用于对磁极组进行定位，所述下壳体结构如图1与图4；将套有绝缘套 14和软铁套13的磁极组的下端先放入下壳体底部凹槽7内，然后上端在与胶木塞间隙配合连接螺钉进行紧固，螺钉下垫有密封垫圈，所述的磁极组结构如图1与图4所示；胶木塞除了边缘设的用于固定磁极组的八个孔外，还设有与封盖体对应的进油口和出油口以及两个通线孔，其中胶木塞与下壳体、采用过盈配合连接，所述胶木塞结构如图3所示；所述的导线通孔、进油口和出油口分别接有导线管和输油管，且二者结构相同；所述的输油管和导线管与胶木塞均采用间隙配合连接，螺母和轴肩配合紧固，设有密封垫圈密封；其中导线管的出口处使用密封胶密封。

Claims (3)

1.一种具有磁聚电弧作用的旋转电弧传感器，主要包括封盖体、传感器固定结构和磁场发生器三个部分；其特征在于：封盖体由一块包含四个与下壳体上端连接的螺纹孔、四个用于对胶木塞防松的下突出圆柱体、两个输油口和两个通线孔的盖板组成；磁控旋转电弧传感器固定结构包含有下壳体和胶木塞，下壳体上端面边缘设有四个螺钉孔，中间内壁攻有螺纹可与焊枪进行螺纹连接对磁控旋转电弧传感器进行固定，底端设有八个凹槽与胶木塞联合固定磁场发生器，且通过对保护气流的机械压缩和冷却进而对电弧进行机械压缩和热压缩；磁场发生器由八个呈倒锥形排列的磁极组成，按照逆时针顺序进行循环励磁。

2.根据权利要求1所述的一种具有磁聚电弧作用的旋转电弧传感器，其特征在于：所述的磁场发生器，由八个呈倒锥形排列的磁极组成且所述倒锥形的圆锥角为70度到80度。

3.根据权利要求1所述的一种具有磁聚电弧作用的旋转电弧传感器，其特征在于：所述的磁场发生器按照逆时针顺序进行循环励磁；逆时针顺序循环励磁是磁场发生器最右侧为1号磁极并按照逆时针进行排序，首先对2、3号磁极输送N极励磁信号以及7、8号磁极输送S极励磁信号，由于电弧电子垂直向下运动，故电弧会向1号方向偏转，接着撤销2号和7号的励磁信号，并对1号磁极输送S极励磁信号以及4号磁极输送N极励磁信号，由此电弧便会向2号方向偏转，再接着撤销3号和8号的励磁信号，并对2号磁极输送S极励磁信号以及5号磁极输送N极励磁信号，由此电弧便会向3号方向偏转，再接着撤销4号和1号的励磁信号，并对3号磁极输送S极励磁信号以及6号磁极输送N极励磁信号，由此电弧便会向4号方向偏转，再接着撤销5号和2号的励磁信号，并对4号磁极输送S极励磁信号以及7号磁极输送N极励磁信号，由此电弧便会向5号方向偏转，再接着撤销6号和3号的励磁信号，并对5号磁极输送S极励磁信号以及8号磁极输送N极励磁信号，由此电弧便会向6号方向偏转，接着撤销4号和7号的励磁信号，并对5号磁极输送S极励磁信号以及1号磁极输送N极励磁信号，由此电弧便会向7号方向偏转，最后撤销8号和5号的励磁信号，并对7号磁极输送S极励磁信号以及2号磁极输送N极励磁信号，由此电弧便会向8号方向偏转，然后，按照上述的励磁顺序循环，电弧就会不停的旋转。