CN106964873A - 一种用于弧焊成形控制的磁场发生装置 - Google Patents

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李亮玉
刘海华
卓义民
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    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • B23K9/00—Arc welding or cutting
    • B23K9/08—Arrangements or circuits for magnetic control of the arc
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F7/00—Magnets
    • H01F7/02—Permanent magnets [PM]
    • H01F7/0273—Magnetic circuits with PM for magnetic field generation

Abstract

本发明涉及一种用于薄壁件弧焊成形控制的磁场发生装置，其特征在于：包括夹具体(1)、所述夹具体上打有螺纹孔，工件(2)将由顶丝(4)进行固定；线圈放置在夹具体上，线圈包括：线圈骨架(5)、铁芯(6)，漆包线(7)，所述线圈骨架套在铁芯上，并在两侧的线圈骨架上缠绕同样匝数的漆包线；夹具体两侧放置两个高度相同的线圈；将上述两个线圈串联接在励磁电源(8)上，通过调节励磁电源的电流和频率来控制磁感应强度，然后用焊枪(3)进行焊接。本发明可完成对薄壁件堆焊的成形控制，利用该磁场发生装置产生的磁场在工件表面产生感应电流，进而产生电磁力控制堆焊层形貌。

Description

一种用于弧焊成形控制的磁场发生装置
技术领域
本发明涉及一种焊接磁场发生装置，通过产生的交变磁场进而在工件上产生感应电流及感应电磁力，从而对焊接过程中的弧焊成形进行控制。
背景技术
近年来，在飞机、火箭等航空航天器及动车、仓储罐等民用产品上，薄板和薄壁构件开始被越来越多地采用，这类结构重量轻、强度高。其中很多冲压薄板件和薄壁构件都是通过焊接工艺来生产制造的。但在弧焊成形过程中熔融金属容易向两侧流淌，导致了堆焊层的成形质量很难得以准确控制，因此有必要对弧焊成形的控制进行研究。
在流体流动的驱动力中，表面张力是熔池中流体流动的主要驱动力，也是熔池下塌的主要作用源。通过对熔池的液态金属施加附加电磁力来抵消一部分表面张力的作用，从而达到抑制熔池下塌的目的，实现弧焊成形的控制。
研究者们开展过外加磁场控制电弧形态、熔滴过渡和熔池稳定性的研究。山东大学的王林等人在Q235低碳钢板上开展焊接工艺试验，获得了不同磁感应强度下的焊缝表面成形，试验结果表明，外加横向磁场能有效抑制驼峰焊道和咬边等缺陷，显著改善焊缝成形(参见王林，武传松，杨丰兆，等.外加磁场对高速GMAW电弧和熔池行为的主动调控效应[J].机械工程学报，2016，02：1-6.)M.Bachmann对20mm厚AISI 304不锈钢的大功率激光熔透焊接进行了研究.发现熔池内的液态金属下塌可以通过交变电磁场产生的洛伦兹力进行抵消(参见Bachmann M，Avilov V，Gumenyuk A，et al.Experimental and humericalinvestigation of an electromagnetic weld pool support system for high powerlaser beam welding of austenitic stainless steel[J].Journal of MaterialsProcessing Technology，2014，214(3)：578-591.)岳建锋等针对下向MAG焊中熔池受重力因素影响，造成熔池失稳的问题进行了研究，利用外加高频交变磁场产生的电涡流力来抵消熔池液态金属重力分量，克服了下向焊接的失稳问题。(参见岳建锋，李亮玉，刘文吉，等.基于外加高频交变磁场下向MAG焊熔池成形控制，机械工程学报，2013，49(8)：65-70)。
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，当导体处在交变磁场的环境下时，就会在其中产生感应电流，即涡流。利用外加的交变磁场在熔池内产生涡流，该涡流与外部磁场相互作用，进而对在熔池内产生一定大小和方向的电磁力，用于抑制熔融金属向工件两侧流淌，从而实现对弧焊成形的精确控制。
发明内容
针对现有技术的情况，本发明要解决的技术问题是，设计一种用于薄壁件弧焊成形控制的磁场发生装置，可以产生横向的交变磁场，能够抑制焊接过程中出现的熔融金属向两侧流淌的问题，对弧焊成形进行控制、使焊接质量更好。
本发明解决所述技术问题的技术方案是：设计了一种用于薄壁件弧焊成形控制的磁场发生装置，包括夹具体、工件、铁芯、线圈骨架、漆包线、励磁电源等
该磁场发生装置利用夹具体(1)作为机座，可以放置在焊接使用的工作台上；通过顶丝(4)将薄壁零件(5)进行定位装夹；夹具体两侧的线圈骨架(5)上绕有同样匝数的漆包线，且两个线圈高度相同，对称分布在夹具体两侧，通过调节两个线圈的相对位置也可以达到对弧焊成形的精确控制；
进一步的，焊接过程前，将上述两个线圈串联接在励磁电源上，接通电源后，在两个线圈之间产生平行于线圈轴线的磁场，通过调节励磁电源的电流和频率，以获得不同的磁感应强度；
更进一步的一种用于薄壁件弧焊成形控制的磁场发生装置的工作方法，将磁场发生装置固定在工作台上，对工件进行装夹定位，打开保护气体，打开焊机和励磁电源后，调节励磁电源的电流和频率，使线圈通入正弦交变电流，并用特斯拉计测量在焊接点处的磁感应强度，根据弧焊成形控制所需要的磁场进行调节，待调试完成之后，开始焊接。
本发明的有益效果是：在熔池外部采用励磁线圈施加高频交变磁场，利用电涡流效应在熔池内产生一定大小和方向的附加电磁力，改变其原有的受力条件，抵消一部分造成液态金属向两边流淌的表面张力，进而我们通过控制外加交变磁场就能达到抑制液态金属向两边流淌的目的，实现对弧焊成形的控制。
附图说明
图1是本发明的磁场发生装置的主视图；
图2是图1的侧视图；
图3是本发明磁场发生装置一种实例中薄壁零件弧焊成形时，对应不同磁感应强度时焊接效果示意图；
其中图3(a)是在3mT磁感应强度下焊接效果示意图；
其中图3(b)是在9mT磁感应强度下焊接效果示意图；
其中图3(c)是在12mT磁感应强度下焊接效果示意图.
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，但实施例不限制本发明的权利要求。
本发明设计的一种用于薄壁件弧焊成形控制的磁场发生装置，该装置包括夹具体(1)、工件(1)、铁芯(1)、线圈骨架(1)、漆包线(1)、励磁电源(1)等，装置示意图参见图1和图2。
本发明磁场发生装置所述的夹具体使用不锈钢或非磁性材料制作，这样可以消除夹具体对线圈产生磁场的影响。夹具体的两侧分别打有三个螺纹孔，利用顶丝可以对不同厚度的工件进行定位装夹，方便进行焊接过程。夹具体作为机座，可以放置在焊接使用的工作台或数控平台上。
本发明磁场发生装置所述的线圈由铁芯、线圈骨架、漆包线构成。将50mm×50mm的铁芯外部套上线圈骨架，调整合适距离后，将漆包线缠绕到线圈骨架上，漆包线缠绕的匝数根据试验所需而定。夹具体两侧的线圈将采用串联的方式接在励磁电源上，然后根据实验所需对线圈的摆放位置进行调节固定。
本发明磁场发生装置工作时，主要工作流程为：将磁场发生装置按实验所需进行摆放调节后，接通励磁电源，调节线圈中的频率和电流，并用特斯拉计测量焊接点处的磁感应强度，待调节完毕后，打开保护气体和焊机，进行焊接实验
本发明的有益效果是：在熔池外部采用励磁线圈施加高频交变磁场，利用电涡流效应在熔池内产生一定大小和方向的附加电磁力，改变其原有的受力条件，抵消一部分造成液态金属向两边流淌的表面张力，进而我们通过控制外加交变磁场就能达到抑制液态金属向两边流淌的目的，实现对弧焊成形的控制。

Claims (4)

1.一种用于弧焊成形控制的磁场发生装置，包括夹具体(1)、线圈骨架(5)、铁芯(6)、漆包线(7)、励磁电源、焊枪(3)。
夹具体两侧的线圈骨架(5)上绕有同样匝数的漆包线，且两个线圈高度相同，对称分布在夹具体两侧；
将上述两个线圈串联接在励磁电源上，接通电源后，在两组线圈之间产生平行于线圈轴线的磁场，通过调节励磁电源的电流和频率，以获得不同的磁感应强度。
2.根据权利要求1所述的用于弧焊成形控制的磁场发生装置，其特征在于：所述的两个线圈串联在励磁电源上，以保证通过两个线圈之间的电流相同，产生相同的磁感应强度。并且两个线圈绕有同样匝数的漆包线，高度相同，对称摆放在夹具体的两侧。
3.根据权利要求1所述的用于弧焊成形控制的磁场发生装置，其特征在于：所述的夹具体(1)为“凹”字型，且在两侧打有螺纹孔，用顶丝对工件进行定位。
4.根据权利要求3所述的夹具体，其特征在于：所述的夹具体(1)使用不锈钢或其他非磁性材料制造。
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