CN108890102B - 一种磁控等离子弧摆动的方法 - Google Patents

Abstract

一种磁控等离子弧摆动的方法，将等离子弧焊与磁控摆动电弧两种技术融合，发明了一种磁控等离子弧装置，提供一种利用磁场在半封闭空间中控制等离子弧摆动的方法。其技术方案要点是：综合了等离子弧与自由电弧的优点，改变等离子弧的约束，形成半自由的等离子弧，再借鉴磁控自由电弧的方式，在等离子弧装置内部控制等离子弧的摆动，实现磁场控制温度较高，但挺度较小的等离子弧。

Description

一种磁控等离子弧摆动的方法

技术领域

本发明具体涉及一种利用磁场在半封闭的空间控制等离子弧摆动的方法，该方法属于焊接自动化领域。

背景技术

等离子弧与自由电弧的物理本质相同，主要由带电的粒子组成，当施加与带电粒子的运动方向有夹角的磁场时，带电粒子将会受到电磁力的作用，从而改变运动的方向。目前磁控自由电弧的技术已趋成熟，结合焊接参数制作的电弧传感器在焊缝跟踪方面也已经取得很多成果。近些年在自由电弧焊接的基础上发展起来了一种等离子焊。等离子焊通过机械压缩将电弧柱的横截面减小，加上水冷作用，磁收缩作用，使得电弧的弧柱收缩，具有能量高、挺度大、焊接速度快等特点。

两者不足之处在于：自由电弧的弧柱区比较散，一般呈现钟罩状，能量不够集中、温度较低、挺度比较小；而等离子焊对弧柱区约束太多，形成的等离子弧挺度大，不易控制，单纯利用自由电弧的相关焊接参数难以有效进行焊缝跟踪与搅拌熔池成形。

发明内容

本发明的目的是提供一种利用磁场控制温度较高、挺度较小的等离子弧在半封闭的空间摆动的方法，设计一种能形成半自由的等离子弧并提供半封闭空间的等离子弧装置。综合等离子弧与自由电弧的优点，减小等离子弧的约束，增加等离子弧的可控性，以横向的交变磁场代替减少的约束条件，实现磁控等离子弧摆动，进而应用到焊缝跟踪，搅拌成形等领域。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：利用带电粒子运动时切割磁感线将会受到电磁力的作用的，进而改变运动方向的物理定律，通过改变等离子的运动速度、增加电弧通道的长度、减少等离子弧柱区的约束，形成半自由的等离子弧，借鉴磁场控制自由电弧的方式，施加横向交变磁场控制等离子弧在半封闭的空间内摆动，实现磁控等离子弧摆动。

本发明利用机械、磁场对等离子弧进行约束。如图1所示，目前的等离子焊所采用的焊炬喷嘴部分都是圆形1，将这个喷嘴口做小，形成机械压缩，就可以实现对弧柱区360度的全压缩，使整个电弧变成一个直径较小的圆柱形。而本发明将圆形压缩条件适当减小，在Y轴方向，以圆的直径作为新约束的短边，在X 轴方向不施加约束，形成长边压缩，短边自由的方形约束2，从电弧弧柱区的截面来看，由原来的圆形变成方的运动场形3。

本发明设计一种上圆下方，增加电弧通道长度，逐步过渡的控弧装置8。上面进口处通调配的离子气，在钨极棒附近电离成等离子体，通过圆形口压缩弧柱区，增加等离子体的挺度，集中能量，圆形口下方的电弧通道的一边逐渐变宽，形成长边，弧柱在长边方向发散，形成温度较高，挺度较小的半自由等离子弧。将电弧通道(控弧装置的高度)适当增长，相对应的方形口的长度要增加，这样弧柱区受到磁场控制的面积变大，增加电弧摆动的幅度与可控性，而控弧装置上圆下方、四周封闭的结构形成了半封闭的空间，减小了外界因素对等离子弧的干扰。

所述的电磁装置5，由励磁线圈和磁化材料组成，在Y轴方向上能利用励磁电流产生可控的横向交变磁场，外接单独的电路，可控制磁场交变的频率和大小。

所述的水冷系统6，能包裹整个等离子弧装置，它的作用有：一是，对电弧具有水冷收缩作用，进一步压缩电弧，集中能量。二是，保护装置不受高温毁坏。由于等离子弧是将能量集中起来，温度相对于自由电弧要高很多，因此会将装置融化，而选用传热性好的材料可以让比热容大的水很好的吸收装置壁的热量来保护装置。

所述的维弧系统7，一是能起引弧作用。在喷嘴与钨极棒之间施加高频电压，在钨极棒附近把离子气电离形成等离子体。二是能在喷嘴口与钨极棒之间维持电弧不熄灭。由于是控制等离子弧的摆动，喷嘴口的等离子弧的位置是不断变化的，容易熄弧，因此工作时喷嘴应带电，在喷嘴与钨极棒之间有一定的电势差，并且由于摆动，电势差值是动态的，有一定的数值区间，通过实时控制检测钨极棒与喷嘴之间的电势差，稳定电弧不熄灭，同时输出电压数据。

本发明的工作原理是：将调配好的等离子气通入到等离子弧装置中去，在钨极棒附近受高压高频影响，被电离成等离子体，即引弧。由于电弧通道入口的圆的直径很小，加上水冷作用和自磁收缩作用，等离子体在此被完全压缩成直径很小的圆柱形弧柱。在经过结构特殊的控弧装置时，长边压缩，短边自由。在没有约束的方向，等离子体迅速向两边扩散，形成运动场状的弧柱，此时的等离子弧处在半压缩状态，在没有约束的方向是自由电弧的特性，具有可控性，而在约束的方向具有等离子的特性，能量集中，加上控弧装置的电弧通道相对较长，增加了等离子弧的长度，增加了等离子弧的受控面积，形成了能量相对集中，在单方向可控的半自由等离子弧。然后在与等离子弧垂直的、短边平行的方向施加交变磁场，运动的等离子切割磁感线受到洛仑磁力，而受力的方向与长边平行，因此整个等离子弧将在长方条内沿长边摆动。

本发明的有益效果是：第一、将等离子弧与自由电弧的优点结合起来，改变了约束条件，形成了温度较高、具有可控性的半自由等离子弧。第二、设计了一种新型等离子弧装置，由圆到方的逐步过渡的方形喷嘴，提供了一种电弧在焊炬内部摆动、减少干扰的新思路。第三、通过加长电弧通道、对等离子弧半约束，实现在半封闭空间内，利用横向交变磁场控制等离子弧在指定方向横向摆动。第四、可将等离子弧焊用于增加熔池深度的同时搅拌熔池成型以及焊缝扫描跟踪领域。

尽管由于各种因素，焊接自动化的直接应用并不广泛，但自动焊接是大势所趋，而能量高，具有可控性的等离子弧在自动焊接领域具有广阔前景。

附图说明

图1是喷嘴示意图

图2是约束条件示意图

图3是等离子弧装置平面示意图

图4、图5是原理图

图6是焊缝跟踪系统流程图

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明：

参见图1，本发明是通过改变约束条件来形成半自由等离子弧的，圆形压缩 1变成长边压缩、短边自由的方形压缩2。等离子弧的截面也随之发生变化，由圆形1变成运动场形3。通过这种方式，将电弧的能量集中的同时在单一方向留有摆动的空间。

参见图2、图3、图4，本发明提供了一种磁控等离子弧的方法，此方法可在特定的等离子弧装置中来实现。此装置包括钨极棒4、电磁系统5、水冷系统 6、维弧系统7、控弧装置8。电磁系统可在X轴方向产生交变磁场，水冷系统可以对等离子弧冷却压缩的作用，同时吸收装置壁的热量保护装置，维弧系统可在钨极棒与喷嘴之间进行引弧和维弧，保持等离子弧的稳定，控弧装置可形成半封闭的空间，同时将等离子体压缩成半自由的等离子弧。

参见图4、图5，输入的离子气在维弧系统的控制下，在钨极棒附近被电离成等离子体，等离子通过控弧装置时，形成半自由的等离子弧，此时电磁系统在 Y轴方向产生横向交变磁场，磁场控制等离子弧在半封闭的装置内的X轴方向来回摆动。

参见图6，在本发明中。等离子弧在不断进行摆动，加上电弧通道较长，在钨极棒与喷嘴之间要维持电弧的稳定需要一定的维弧电压，因此维弧系统中的电压值也是可变量，加上焊接电流，选取这两个量作为焊缝信息提取的中间变量，利用霍尔元件得到相应的数据，输入到数据分析系统，在数据分析系统中分析计算得到焊缝信息，将这些焊缝偏差信息输入到调节机构，利用调节机构对焊炬进行位置调整。

由于本发明综合了等离子弧与自由电弧的优点，利用磁场控制等离子弧的摆动，能量高的同时具有可控性是其显著特点，因此用途广泛，整体应用方向可分为两大类：无跟踪焊接和自动跟踪焊接。

1、应用在无跟踪焊接。

参见图2、图3、图4。此类焊接，无需对焊缝信息进行自动识别，装置也更简单，由于从经济、装置设计、技术难度等考虑，当前的市场占有比例更大。

实施案例1、无外加材料的焊接。

将本发明单纯作为高温摆动热源进行焊接。接通电源，利用维弧系统对等离子电弧装置进行引弧，产生半自由的等离子弧，接着电磁系统开始运行，在控弧装置内产生横向交变磁场，控制等离子弧摆动，将方形喷嘴的长边与焊缝位置垂直然后按着焊缝的位置移动装置。由于有压缩作用，电弧的能量比较集中，温度高，电弧的高温将焊缝附近的材料熔化形成熔池，由于电弧不断在摆动，可增加熔池的面积，熔池冷却后两部件重新连在一起。由于电弧温度高、扫描范围广，焊接速度将显著提高。但只是简单的将焊缝附近的材料熔化，然后冷却凝固在一起，会有凹陷，不平整。可用于熔点较高、极窄间隙、精度要求不高的领域。

实施案例2、外加材料的焊接。

本发明可外加送丝机构或送粉机构，将焊丝(金属粉)伸入到方形喷嘴附近，作为填充料，将焊丝(金属粉)与母材一起熔化，达到焊接目的。由于等离子弧的温度比自由电弧焊时温度高很多，所以需调节好送丝(送粉)的速度，也增加了焊接速度。工作过程与上叙无外加材料焊接类似，为了增加焊接性能，可适当调节送气速率、焊接电流的大小，同时在周围可增设保护气装置。

实施案例3、本发明可同时外加焊剂应用在埋弧焊。由于等离子弧摆动是在装置内部进行，且受磁场的控制，属于非机械式摆动，受到外部的干扰很小，因此添加焊剂对等离子弧的摆动影响较小，抗干扰能力大大增加。等离子弧不断在摆动，扫描的范围更广，熔池的面积更大，也适用于焊缝较宽的焊接，温度较自由电弧大幅提升，因而提高焊接的速度，使埋弧焊的应用更加广泛。

无论焊接时是否外加材料，都起改善焊缝成型的优点。通过相关的文献以及实验可知，电弧对熔池进行一定程度的搅拌能改善焊缝成型。本发明中等离子弧受磁场的控制在方形喷嘴的长边不断进行非机械式摆动，通过调节焊炬的移动速度，能有效增加扫描面积，增大熔池的同时对熔池不断的搅拌，通过控制离子气的送气速度，加大等离子弧的挺度，还可有效加大熔深。

2、应用在自动跟踪焊接。

由于本发明可以实现等离子弧的可控摆动，而等离子弧在摆动的过程中，焊接的同时还会扫描焊缝与附近的母材，电弧在不同的位置时的焊接电流不相同，根据焊接电流的变化可以得到焊缝偏差信息，因此可应用在焊缝自动跟踪。

实施案例4、焊缝扫描自动跟踪。参见图4、图5、图6。

本发明需外加数据分析系统与调节机构，数据分析系统能对霍尔元件等敏感器件得到的电流电压数据进行处理分析得到焊缝偏差信息。调节机构得到输入的相关的数据命令后能对焊炬作出机动调节。

接通焊接电源和维护系统进行引弧，在钨极棒附近将送入的离子气电离成等离子体，等离子经过控弧装置产生半自由的等离子弧，然后接通电磁系统的电源，在控弧装置的空间内产生横向交变的磁场，利用交变的磁场控制等离子弧的横向摆动，对焊缝进行扫描，同时利用相关的霍尔元件得到焊接电流和和维弧电压的数据，将这些数据输入到数据分析系统中对这些数据进行处理分析得到焊缝偏差信息，将得到的焊缝偏差信息输入到调节机构，调节机构接收到焊缝偏差信息后作出机动调节命令，最后调节焊炬的位置，实现焊缝自动跟踪扫描。

Claims (3)

1.一种磁控等离子弧摆动的方法，将等离子弧焊与磁控摆动电弧两种技术融合，其特征是：该方法是通过磁控半约束等离子弧装置来实现的，等离子弧在该磁控半约束等离子弧装置的具有半封闭空间的特形喷嘴内部受到一方向的机械压缩，同时在另一方向受到电磁力的控制，使等离子弧以半自由的形式在电磁力的方向上受控摆动。

2.根据权利要求书1所述的磁控等离子弧摆动的方法，其特征是：一种磁控半约束等离子弧装置，该装置包括钨极棒(4)、电磁装置(5)、水冷系统(6)、实时控制检测电势差值的维弧系统(7)、带有特形喷嘴的控弧装置(8)，特形喷嘴内部是一个四周封闭的，上方为圆形口，下方为方形口的半封闭空间。

3.根据权利要求书1所述的磁控等离子弧摆动的方法，其特征是：改变等离子弧的约束条件，将圆形机械压缩(1)变为长边压缩、短边自由的方形约束(2)，同时在短边方向施加横向交变磁场，将等离子运动受到的电磁力作为长边方向的新约束。

Images