CN107008999B - 一种电、磁场双控电弧的焊缝跟踪传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种采用电场和磁场同时控制电弧的焊缝跟踪传感器，该传感器属于由焊接电源、焊缝跟踪实时调节机构、送丝机、霍尔传感器等部分组成的焊缝跟踪系统。该传感器主要由电场激励电源、磁场激励电源、产生旋转电场的3对电场极板、产生纵向磁场的磁感线圈组成。焊枪起弧后，电场激励电源向3对电场极板输送一定交变频率和相位差的电压，使得3对电场极板的极性交替变换，磁场激励电源使磁感线圈产生恒定的纵向磁场。在磁场聚焦电弧形态的情况下利于电场控制电弧旋转摆动，从而扫描焊缝，经霍尔传感器提取电弧信息，再通过焊缝跟踪实时调节机构处理判断焊缝跟踪偏差，进而调整焊接路径和调节焊接参数，从而实现对焊缝的自动跟踪。

Description

一种电、磁场双控电弧的焊缝跟踪传感器

技术领域

本发明涉及一种利用外加电、磁场同时作用于焊接电弧上，实现对焊缝的自动跟踪和提高焊缝焊接质量的目的，具体为一种电、磁场双控电弧的焊缝跟踪传感器。

技术背景

电弧焊是工业生产中应用最广泛的焊接方法，针对近年来焊接自动化程度的不断提高，在焊接自动控制领域，主要是对弧焊电弧的控制以实现焊缝的自动跟踪。所谓焊缝跟踪就是在焊接时实时提取焊接电弧的信息，从而判断出焊枪与焊缝的相对位置，进而调整焊接路径和焊接参数，在保证焊接质量的可靠性同时实现焊缝跟踪。

电弧是一种持续的气体放电现象，是由大量的带电粒子组成，虽然宏观上呈电中性，但微观上是由等量的正负电荷组成。在电弧力的作用下电弧中带电粒子做规律的定向运动，在电场方向形成电流。根据这一特性，目前常通过外加磁场使焊接电弧中的带电粒子受到洛伦磁力的作用做相关的运动。一般外加磁场控制电弧的方式有三种：一是外加横向磁场，它可控制电弧摆动和改善焊缝成形；二是外加尖角磁场，它能改变电弧的形状，可以根据焊接工艺的需要对电弧进行压缩和拓宽；三是外加纵向磁场，它可聚焦电弧，搅拌焊接熔池，细化晶粒组织，提高焊接质量。但磁控电弧容易受到外界磁场的干扰，同时受居里点温度的影响，需要冷却装置对磁感线圈进行降温冷却。

综上所述，目前的磁控电弧传感器在焊缝跟踪上的应用有很多形式，但还存在一些缺陷，如何使磁感线圈长期稳定的工作是一个亟待解决的稳定，且目前还没有外加电场应用于焊缝跟踪的电弧传感器。

发明内容

本发明的目的在于提出一种电、磁场双控电弧的焊缝跟踪传感器，该传感器主要由纵向磁场激励电源、横向电场激励电源、产生纵向磁场的磁感线圈、产生横向旋转电场的3对电场极板组成；其特征在于：磁感线圈由漆包铜线自下而上紧密缠绕在焊枪气罩的绝缘隔热层外壁构成，磁感线圈外表面用绝缘材料包裹，纵向磁场激励电源使磁感线圈产生恒定的纵向磁场；3对电场极板固定于焊枪气罩的下端，每对电场极板以焊枪气罩为中心均匀对称分布，两相邻电场极板间成120°夹角环绕在焊枪四周，3对电场极板表面套有耐高温的陶瓷材料，横向电场激励电源使每对电场极板间形成横向的交变电场，两相邻电场极板所加正弦交变激励电压的相位差为π/3，使整个横向上形成旋转电场；在恒定的纵向磁场作用下使电弧聚焦成倒锥形电弧，再在横向旋转电场作用下使电弧绕焊枪中心呈旋转陀螺一样扫描焊缝，从而由霍尔传感器提取电弧的电流信息即可实现焊缝跟踪。

本发明的目的是通过以下的技术方案实现的：一种电、磁场双控电弧的焊缝跟踪传感器，该传感器属于由焊接电源、焊缝跟踪实时调节机构、送丝机、霍尔传感器等部分组成的焊缝跟踪系统。该传感器主要由电场激励电源、磁场激励电源、产生横向旋转电场的3对电场极板、产生纵向磁场的磁感线圈组成。

本发明提出的一种电、磁场双控电弧的焊缝跟踪传感器，其中的电场激励电源给3对电场极板提供正弦交变电压，使每对电场极板间产生正弦交变电场，两相邻间电场极板所加正弦交变激励电压的相位差为π/3，使整个横向上形成旋转电场，磁场激励电源给磁感线圈通恒定的电流，使磁感线圈产生稳定的纵向磁场，在这种外加电、磁场的作用下，电弧聚焦成倒锥形并旋转摆动对焊缝进行扫描，扫描焊缝时的电弧信息经霍尔传感器提取，再通过焊缝跟踪实时调节机构处理所得霍尔电流波形，进而判断焊缝跟踪偏差，根据跟踪误差再调整焊接路径和焊接参数，实现对焊缝的自动跟踪，同时纵向磁场可搅拌熔池，降低焊缝焊接残余应力，提高焊缝焊接质量。

本发明所述的电场激励电源和磁场激励电源可根据焊缝情况、焊接电源、坡口类型而调控电场激励电源电压大小、电压交变频率和磁场激励电源的电流大小，从而改变电场的大小、交变频率和磁场场强。

本发明所述的3对电场极板关于焊枪气罩中心对称均匀分布，并通过焊枪气罩内的直角卡槽和绝缘螺钉固定于焊枪气罩下端，再通过焊枪气罩内小孔直接将导线穿出连接到电场激励电源，电场极板表面包裹一层耐高温的陶瓷材料以隔绝电弧中的带电粒子和熔池飞溅，也起到保护安全的作用，同时3对电场极板底部延伸到电弧的弧柱区中部，有效避免电场极板与被焊工件的碰撞。

本发明所述的磁感线圈由漆包铜线自下而上紧密缠绕于焊枪气罩的绝缘隔热层外壁上，磁感线圈外壁包裹一层的绝缘材料，绝缘层外表面充满焊枪气罩的储水槽盛装的冷却水，焊枪气罩的储水槽顶部两侧有关于焊枪气罩中心对称的进出水口，在储水槽的冷却作用下，可确保励磁线圈工作温度低于居里点。

本发明的有益效果：通过将产生横向旋转电场的3对电场极板和恒定纵向磁场同时作用于弧焊电弧上，使二者与电弧本身产生的电磁场有效耦合，达到电弧形态聚焦和电弧旋转摆动的效果，提取相关电弧的信息即可实现焊缝跟踪，同时外加恒定纵向磁场搅拌熔池，可降低焊缝焊接残余应力，提高焊接质量，这种设计体积相对较小，结构简单，成本较低。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为3对电场极板排布示意图。

图3、图4、图5、图6、图7、图8为本发明工作时相对焊缝位姿关系和对应产生的霍尔电流波形图，其中，图3是传感器与焊缝对中的示意图，图4是对应图3的霍尔电流信号波形图；图5是传感器相对焊缝左偏时的位置示意图，图6是对应图5的霍尔电流波形图；图7是传感器相对焊缝右偏时的位置示意图，图8是对应图7的霍尔电流波形图。

图中，1—磁场激励电源，2—导线，3—进水口，4—绝缘隔热层1，5—螺纹，6—盖板，7—出水口，8—绝缘层，9—电场激励电源，10—导线，11—磁感线圈，12—电场极板，13—焊枪气罩，14—绝缘隔热层2，15—冷却水，16—螺纹孔，17—工件，18—电弧。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

实施例1，参见图1和图2，该传感器主要由电场激励电源、磁场激励电源、产生横向旋转电场的3对电场极板、产生纵向磁场的磁感线圈组成。该传感器由焊枪气罩的螺纹孔将传感器固定于焊枪上，焊枪气罩外壁有一层耐高温的绝缘隔热层包裹，磁感线圈由漆包铜线由下至上紧密缠绕在焊枪气罩的绝缘隔热层上，缠绕完后在磁感线圈外壁包裹一层绝缘层，绝缘层与焊枪气罩外壁间形成一个储水槽可对磁感线圈进行冷却，储水槽上端有个盖板，盖板上有两个关于焊枪气罩中心对称的进出水口，方便储水槽内水受热后与外部冷却水进行交换。在焊枪气罩下端通过直角卡槽和陶瓷螺钉固定着3对电场极板，电场极板间互成120°均匀排布于焊枪气罩中心周围，电场极板外壁包裹着耐高温陶瓷，可防止电弧中带电粒子和熔池飞溅溅射至极板上，同时也起到保护安全的作用。

在焊枪起弧后传感器开始工作，电场激励电源给产生横向旋转电场的3对电场极板输送正弦交变的激励电压，每相邻电场极板之间的电压相位差为π/3，使焊接电弧中的带电粒子规律性的绕焊枪气罩中心旋转摆动，根据输送电压的交变频率和每对电场极板间的电压相位差就可知道电弧旋转摆动的频率，同时通过外加纵向磁场的作用可有效聚焦电弧，使得电弧呈旋转陀螺一样对焊缝进行扫描，纵向磁场还可搅拌熔池，降低焊缝焊接的残余应力，提高焊缝焊接质量。通过提取旋转摆动电弧的相关信息即可实现焊缝的精确跟踪。这种电弧的形成和对焊缝的扫描所涉及的理论公式如下：

V＝at ……(5)

2πR＝VT ……(7)

F_洛＝eVB ……(9)

其中V为带电粒子运动的速度，E为电场强度，U为电压，d为电场极板间距，A为电压幅值，ω为交变频率，

为相位，a为加速度，e为电子电荷量，m为电子质量，L为位移，t为运动时间，T为周期，R为半径，F_洛为洛伦磁力，F_电为电场力，F_向为电子做圆周运动的向心力。设定焊接时所接电压为24伏，保持焊丝距焊件的距离为12mm，每对电场极板间间距30mm，每对电场极板间的电压幅值为54伏，电场极板下端距焊丝6mm。根据公式(1)、(2)、(3)、(4)、(5)、(10)可求出在3对电场极板作用下电场强度、电子所受的横向电场力、电弧中电子横向加速度、横向速度、旋转半径和本身电场强、纵向所受的电场力、电子的纵向加速度、纵向速度、到达工件的时间等，根据公式(6)、(7)、(8)、(9)、(11)可求出磁场使电弧中电子受到的洛伦磁力、旋转半径、周期、向心力等。由上面的已知条件知，按电压幅值计算，在0～6mm内电子既受到横向电场的作用使其产生横向的加速度a₁，又受到纵向电场的作用产生一个向下的加速度a₂，由公式计算可知本段纵向产生6mm的位移时，电子向左产生的横向位移约等于5.4mm，在6～12mm内，横向电场不再对电子产生作用，此时电子只受纵向电场的作用，但由于前段位移内电场的作用，电子进入此区域时还是有一个横向的初速度和纵向的初速度，由公式可求出当电子到达焊件时，电子在这段区间产生的横向位移为4.5mm，所以当电子从焊丝到达焊件时向左所产生的横向位移为9.9mm，同理可知，当交流电压按一定频率交变引起的每对电场极板极性交换和相邻两对电场极板间的电压相位差为π/3时，电子朝各个方向所形成的最大位移都是9.9mm，这是按幅值电压计算的，显然按正弦交变电压的有效值计算有7mm的位移，即宏观上表现为电弧绕焊枪气罩中心旋转的半径为7mm，这样的旋转半径可以满足电弧旋转摆动扫描的要求。由于本发明还要考虑纵向磁场的作用，纵向磁场使电弧中的带电粒子旋转收缩，受焊枪气罩磁铁对磁场的加强作用，当电子越远离焊枪气罩中心时所受磁场越强，电子收缩半径越小，在宏观上表现为电弧聚焦成锥形，这样使电场控制电弧绕焊枪气罩中心旋转时更强劲。因此，电弧在这种电场、磁场的共同作用下，电弧呈旋转陀螺一样扫描焊缝，对相关电弧的提取即可实现焊缝的精确跟踪，同时纵向磁场可搅拌熔池，降低焊缝焊接残余应力，提高焊缝焊接质量。

实施例2，参见图3、图4、图5、图6、图7、图8，是电、磁场双控电弧的焊缝跟踪传感器与焊接工件位置关系示意图和相应的霍尔电流波形图，图中虚线电弧为起弧瞬间的电弧形态，左侧电弧为旋转摆动到最左侧时的电弧位置和形态，右侧电弧为电弧旋转摆动到最右侧时的电弧位置和形态，其中，图3是传感器与焊缝对中的示意图，图4是对应图3的霍尔电流信号波形图；图5是传感器相对焊缝左偏时的位置示意图，图6是对应图5的霍尔电流波形图；图7是传感器相对焊缝右偏时的位置示意图，图8是对应图7的霍尔电流波形图。电、磁场双控电弧的焊缝跟踪传感器是通过电、磁场耦合达到外加恒定纵向磁场聚焦电弧的同时3对电场极板控制电弧绕焊枪气罩中心旋转摆动，使得电弧呈旋转陀螺一样扫描焊缝，在电弧旋转摆动扫描焊缝时经霍尔传感器提取电弧的相关信息，霍尔传感器提取的电弧信息就形成了霍尔电流变化波形图。在电、磁场控制电弧聚焦收缩和旋转摆动的过程中，电弧每旋转摆动到一个位置都会有一个对应的霍尔电流值与之对应。因此传感器对中焊缝、传感器相对焊缝左偏和传感器相对焊缝右偏时三者产生的霍尔电流波形图有明显的差别。如图4所示，是传感器对中焊缝时霍尔电流的变化呈典型的正弦波信号；如图6所示，是传感器相对焊缝左偏时霍尔电流正弦波，波形会有明显的左移，电流最大最小值的差值相对较大，且波峰较窄，波谷较宽；如图8所示，是传感器相对焊缝右偏时霍尔电流正弦波，波形会有明显的右移，电流最大最小值的差值相对较大，且波峰较宽，波谷较窄。所以，可以根据霍尔电流信号的波形直接判断传感器相对焊缝是左偏还是右偏。通过焊缝跟踪实时调节机构对霍尔电流信号进行处理，将处理的信号反馈给驱动控制系统，通过十字滑架的左右偏差纠正即可实现焊缝的自动跟踪。

Claims (1)

1.一种电、磁场双控电弧的焊缝跟踪传感器，该传感器主要由纵向磁场激励电源、横向电场激励电源、产生纵向磁场的磁感线圈、产生横向旋转电场的3对电场极板组成；其特征在于：磁感线圈由漆包铜线自下而上紧密缠绕在焊枪气罩的绝缘隔热层外壁构成，磁感线圈外表面用绝缘材料包裹，纵向磁场激励电源使磁感线圈产生恒定的纵向磁场；3对电场极板固定于焊枪气罩的下端，每对电场极板以焊枪气罩为中心均匀对称分布，两相邻电场极板间成120°夹角环绕在焊枪四周，3对电场极板表面套有耐高温的陶瓷材料，横向电场激励电源使每对电场极板间形成横向的交变电场，两相邻电场极板所加正弦交变激励电压的相位差为π/3，使整个横向上形成旋转电场；在恒定的纵向磁场作用下使电弧聚焦成倒锥形电弧，再在横向旋转电场作用下使电弧绕焊枪中心呈旋转陀螺一样扫描焊缝，从而由霍尔传感器提取电弧的电流信息即可实现焊缝跟踪。

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