CN114871535B - 一种外加混合磁场作用于异种钢的焊接装置及其工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种外加混合磁场作用于异种钢的焊接装置及其工艺，属于焊接设备技术领域，包括磁控装置，磁控装置包括横向磁控装置和尖角磁控装置，横向磁控装置包括左右两侧设置的内铁芯、缠绕在内铁芯上的励磁线圈Ⅰ、通过固定块与内铁芯相连的短导磁杆Ⅰ，励磁线圈Ⅰ与励磁电源Ⅰ相连，使两侧的励磁线圈Ⅰ产生横向磁场；尖角磁控装置包括前后两侧设置的外铁芯、缠绕在外铁芯上的励磁线圈Ⅱ、与外铁芯上端相连的长导磁杆，与外铁芯下端相连的短导磁杆Ⅱ，使两侧励磁线圈Ⅱ产生尖角磁场。本发明既能够对电弧实现偏转，同时又能够在偏转方向对电弧进行收束压缩，为实现异种钢焊接高质量化、高效化和低成本化奠定基础。

Description

一种外加混合磁场作用于异种钢的焊接装置及其工艺

技术领域

本发明属于焊接设备技术领域，具体涉及一种外加混合磁场作用于异种钢的焊接装置及其工艺。

背景技术

随着现代科学技术的高速发展，异种钢因其优良的综合性能和良好的成本控制被广泛的应用于航空航天、石油化工、锅炉核电等各个领域。由于异种钢焊接母材的热物理性差异较大，焊缝位置在焊接过程中会呈现不均匀的温度分布，进而得到焊接质量较差的焊接接头。为了得到焊接质量优异的焊接接头，通常依靠工人实时偏转焊枪的角度来实现热能量的分配。不但劳动强度大，而且控制精度低致使焊接质量不稳定，焊接效率低。

钨极惰性气体保护焊（英文Tungsten Inert Gas，以下简称TIG）技术因为具有成本低、效率高、易操作等优点而被广泛应用，尤其适合薄板或薄壁管件的焊接。但是TIG焊也存在一定的缺点，如：电弧热量分散、能量密度低、焊缝熔深浅和焊接速度低等，因此限制了TIG焊接方法在中厚板以及高效化方面的焊接应用。

综合上述两点，实际生产中急需一种既能偏转电弧实现热能量分配又能压缩电弧实现热能量收束集中的工艺方法，以实现高效高质量的异种钢焊接。

为了解决上述两点问题，有研究者提出了外加横向磁场作用于异种钢焊接的励磁装置。国内外学者对环形磁场约束电弧的行为做了很多研究。

异种钢焊接过程中外加横向磁场能够实现电弧的偏转，实现电弧热能量在焊缝两侧的分配。但电弧在磁场中受到了洛伦兹力的作用会产生垂直焊缝方向的偏转，电弧的偏转会使得电弧能量发生分散，进而降低电弧能量密度，降低焊接质量，焊接效率。因此，急需要在此基础上对电弧进行压缩，实现电弧能量的集中，提高焊接质量和效率。

在传统环形磁场压缩电弧的研究中我们不难发现绝大部分环形磁场装置结构复杂，不易装配，且大部分环形磁场异性磁极之间夹角为90°，不易灵活观察电弧和熔池的变化。

发明内容

本发明所要解决的是TIG焊枪在异种钢焊接过程中，由于异种钢焊接母材热物理性能不同导致的焊接热能量分配需求不同，且电弧偏转使得电弧能量分散进而影响焊接质量和效率的技术问题，提供一种外加混合磁场作用于异种钢焊接的焊接装置及其工艺，既能够对电弧实现偏转，同时又能够在偏转方向对电弧进行收束压缩。为实现异种钢焊接高质量化、高效化和低成本化奠定基础。

为解决上述问题，本发明所采用的技术方案是：一种外加混合磁场作用于异种钢的焊接装置，包括磁控装置，所述磁控装置包括横向磁控装置和尖角磁控装置，所述横向磁控装置包括左右两侧设置的内铁芯、缠绕在内铁芯上的励磁线圈Ⅰ、通过固定块与内铁芯相连的短导磁杆Ⅰ，所述励磁线圈Ⅰ与励磁电源Ⅰ相连，使两侧的励磁线圈Ⅰ产生横向磁场；所述尖角磁控装置包括前后两侧设置的外铁芯、缠绕在外铁芯上的励磁线圈Ⅱ、与外铁芯上端相连的长导磁杆，与外铁芯下端相连的短导磁杆Ⅱ，使两侧励磁线圈Ⅱ产生尖角磁场。

所述磁控装置安装于焊枪上，所述焊枪端部设置有钨极，两侧短导磁杆Ⅰ的底部位于钨极周围的同一水平面；短导磁杆Ⅰ将励磁线圈Ⅰ和内铁芯生的磁场导到指定的空间位置。

所述长导磁杆和短导磁杆Ⅱ的底部位于钨极周围的同一水平面，且该水平面与短导磁杆Ⅰ所在的水平面共面，将励磁线圈Ⅱ和外铁芯产生的磁场导到指定的空间位置。

优选地，一侧励磁线圈Ⅰ的电流流入端接励磁电源Ⅰ的正极，电流流出端连接另一侧励磁线圈Ⅰ的流入端，另一侧励磁线圈Ⅰ的电流流出端连接于励磁电源Ⅰ的负极。

优选地，一侧励磁线圈Ⅱ的电流流入端连接励磁电源Ⅱ的正极，电流流出端连接另一侧励磁线圈Ⅱ的流入端，另一侧励磁线圈Ⅱ的电流流出端连接于励磁电源Ⅱ的负极。

前后两侧外铁芯的上下方均设置有多个螺纹孔，分别用于安装长导磁杆和短导磁杆Ⅱ，能够满足尖角磁场θ从0°~90°的变化。

所述横向磁控装置由左右两侧短导磁杆Ⅰ组成相对磁极，两个相对的磁极形成N极-S极的横向磁场，该横向磁场的方向垂直于钨极的轴线方向，且平行于焊缝方向。通过改变励磁电流的方向和大小，改变横向磁场的方向和大小，进而调整电弧偏转的方向和角度，起到调节电弧热输入，改善异种钢焊缝焊接质量的作用。

所述尖角磁控装置由前后两侧长导磁杆、短导磁杆Ⅱ组成相邻磁极为异性的四个磁极，四个磁极形成N极-S极-N极-S极的尖角磁场，在尖角磁场的作用下，电弧截面由原来的圆形变为椭圆形，通过改变励磁电流的方向和大小，改变尖角磁场的方向和大小，进而调整电弧的压缩的方向和大小，起到收束电弧，能量集中的作用。通过改变尖角磁场的夹角θ，使电弧压缩程度改变，同样起到使电弧能量密度集中，穿透能力增强，改善焊接质量和效率的作用，同时由于尖角磁场夹角的可调节，使电弧和熔池的观察更加灵活。

优选地，所述两侧内铁芯的励磁线圈Ⅰ缠绕匝数均为130，所述的横向磁场励磁电流为1-4A，相对磁极间的距离为12-14mm；所述前后两侧外铁芯的励磁线圈Ⅱ缠绕匝数均为130，所述尖角磁场励磁电流为1-6A，两两相对磁极间的距离为12-14mm，磁极间夹角为0°-90°。

优选地，所述焊枪填充焊丝入射角度为45°-60°，送丝速度为3-12mm/s，填充焊丝的直径为0.8-1.6mm；所述钨极高度为3-6mm，焊接电流为80-180A，焊接速度为3mm/s，氩气流量12L/min。

另一方面，本发明提供了一种外加混合磁场作用于异种钢的焊接工艺，包括如下步骤：

步骤1)，将开好V型坡口的异种钢母材进行打磨清洗，并将两个异种钢母材进行对接装配；

步骤2)，通过机械臂程序使焊枪对中于两异种钢母材对接坡口中间；

步骤3)，开启横向磁控装置，设置一个方向的磁场，使TIG电弧在焊接过程中偏转，进而改变电弧热力分布，完成电弧热输入在焊缝两侧的能量分配；

步骤4)，开启尖角磁控装置，产生的尖角磁场能够使TIG电弧在焊接过程中实现压缩，消若由于电弧偏转造成的能量发散现象，实现电弧能量的集中，增加电弧的挺度，提高焊接质量和效率；

步骤5)，启动焊接设备，完成异种钢焊接，并最终形成高质量焊缝。

进一步的，步骤1）中的异种钢母材对接装配后采用夹具进行固定及定位，防止焊后变形。

进一步的，步骤4）中尖角磁场的磁极夹角θ可调节，可以更加便利的观察焊接过程中的电弧和熔池变化。

由于采用上述技术方案，本发明结构简单，磁控装置产生横向磁场和尖角磁场组成的混合磁场。其中横向磁场的方向垂直于钨极的轴线方向，且平行于焊缝方向。通过改变励磁电流的方向和大小，改变横向磁场的方向和大小，进而调整电弧偏转的方向和角度，起到调节电弧热输入，改善异种钢焊缝焊接质量的作用。在尖角磁场的作用下，电弧截面由原来的圆形变为椭圆形，通过改变励磁电流的方向和大小，改变尖角磁场的方向和大小，进而调整电弧的压缩的方向和大小，起到收束电弧，能量集中的作用。通过改变尖角磁场的夹角θ，使电弧压缩程度改变，同样起到使电弧能量密度集中，穿透能力增强，改善焊接质量和效率的作用，同时由于尖角磁场夹角的可调节，使电弧和熔池的观察更加灵活。

附图说明

下面通过参考附图并结合实例具体地描述本发明，在附图中：

图1是本发明的结构示意图

图2是本发明尖角磁场夹角θ的结构示意图

图3是本发明横向磁场偏转电弧的原理示意图

图4a是本发明电弧等离子体横截面原理示意图

图4b是本发明尖角磁场的原理示意图

图4c是本发明电弧压缩的原理示意图

图5是本发明内铁芯的结构示意图

图6是本发明外铁芯的结构示意图

图7是本发明短导磁杆的结构示意图

图8是本发明长导磁杆的结构示意图

图9是本发明固定块的结构示意图

图中：

1、第一母材金属；2、TIG电弧；3、短导磁杆Ⅰ；4、固定块；5、内铁芯；6、外铁芯；7、长导磁杆；8、励磁电源Ⅰ；9、励磁电源Ⅱ；10、励磁线圈Ⅰ；11、填充焊丝；12、第二母材金属；13、钨极；14、励磁线圈Ⅱ；15、短导磁杆Ⅱ

具体实施方式

下面结合实施例及其附图进一步描述本发明。

如图1至图9所示，本发明的一种外加混合磁场作用于异种钢的焊接装置，包括磁控装置、焊枪、钨极13、填充焊丝11，钨极13用于产生TIG电弧2，本发明设置在待焊异种钢母材对接坡口的正上方。

待焊异种钢母材对接坡口包括第一金属母材1和第二金属母材12。

磁控装置同时由励磁电源Ⅰ8和励磁电源Ⅱ9控制。其中励磁电源Ⅰ8控制横向磁场的方向和大小，励磁电源Ⅱ9控制尖角磁场的方向和大小。

磁控装置的横向磁控装置包括左右两侧内铁芯5、励磁线圈Ⅰ10、左右两侧固定块4、左右两侧短导磁杆Ⅰ3和励磁电源Ⅰ8，励磁线圈Ⅰ10缠绕在左右两侧内铁芯5上，左右两侧缠绕匝数均为130匝。其中一侧励磁线圈Ⅰ10的电流流入端接励磁电源Ⅰ8的正极，电流流出端连接另一侧励磁线圈Ⅰ10的流入端，另一侧励磁线圈Ⅰ10的电流流出端连接于励磁电源Ⅰ8的负极。左右两侧励磁线圈Ⅰ10从上往下看分别为顺时针缠绕和逆时针缠绕。为其通电后，由安培定则可以知道，左右两侧励磁线圈Ⅰ10产生方向相反的磁场，且磁场强度随接入的励磁电流而变化。左右两侧固定块4分别安装在左右两侧内铁芯5的正下方，固定块4与短导磁杆Ⅰ3通过螺钉连接，左右两侧短导磁杆Ⅰ3的底部位于钨极13周围的同一水平面。左右两侧短导磁杆Ⅰ3将左右两侧励磁线圈Ⅰ10和左右两侧内铁芯5产生的磁场导到指定的空间位置。

磁控装置的尖角磁控装置包括前后两侧外铁芯6、励磁线圈Ⅱ14、前后两侧长导磁杆7、前后两侧短导磁杆Ⅱ15和励磁电源Ⅱ9。励磁线圈Ⅱ14缠绕在前后两侧外铁芯6上，前后两侧缠绕匝数均为130匝。其中一侧励磁线圈Ⅱ14的电流流入端连接励磁电源Ⅱ9的正极，电流流出端连接另一侧励磁线圈Ⅱ14的流入端，另一侧励磁线圈Ⅱ14的电流流出端连接于励磁电源Ⅱ9的负极。前后两侧励磁线圈Ⅱ14从上往下看分别为顺时针缠绕和逆时针缠绕。为其通电后，由安培定则可以知道，前后两侧励磁线圈Ⅱ14产生了方向相反的磁场，且磁场强度随接入的励磁电流而变化。外铁芯6与长导磁杆7、短导磁杆Ⅱ15均通过螺钉连接。前后两侧的四个长导磁杆7和短导磁杆Ⅱ15的底部位于钨极13周围的同一水平面，且该水平面与左右两侧短导磁杆3所在的水平面共面。前后两侧长导磁杆7和短导磁杆Ⅱ15将前后两侧励磁线圈10和前后两侧外铁芯6产生的磁场导到指定的空间位置。

如图6所示，前后两侧外铁芯6的上下方设置有多个螺纹孔，每侧外铁芯6通过上下两两螺纹孔的组合，能够满足尖角磁场θ（如图2所示）从0°~90°的变化，这样的设计能够比传统两两磁极之间成90°的尖角磁场更加方便灵活的观察电弧和熔池的形态变化。

如图3所示，钨极13产生TIG电弧2，设置磁控装置中的励磁电源Ⅰ8产生横向磁场。电弧2作为一种导电的磁流体，由高温等离子体构成，具有磁场可作用性。当受到外部横向磁场B作用电弧时，根据毕奥萨伐电磁力定律会形成电磁力F，偏转电弧形态。根据左手定则判定电磁力F的方向。

F=BIL (1)

式中，F为电磁力，B为横向磁场强度，I为电流大小，L为电流的有效长度。

由公式（1）可以知道，横向磁场强度B越大，作用在电弧上的电磁力F也将越大，电弧2偏转的越厉害，直接影响到异种金属焊缝两侧的能量密度分布和热力分布。

如图4a至图4c所示，为尖角磁场压缩电弧的原理示意图。钨极13产生TIG电弧2，设置磁控装置中的励磁电源Ⅱ9产生尖角磁场。产生的磁场强弱由励磁电流来调节，电流越大，磁场越强。尖角磁场能压缩电弧2截面，首先（a）表示电弧2自身会产生磁场，当电流的方向为垂直直面向外时，由安培定理可知，磁场的方向为逆时针，再根据手定则可以判断电弧2受到均匀的电磁收缩力；而四个相对的磁极产生如图（b）所示的磁场方向。由（a）和（b）可知，电弧2自身产生的磁场和磁控装置产生的尖角磁场，上下方向相反互相抵消，左右方向相同相互增强，根据公式（1）可知，叠加后的电磁力F使得电弧2左右方向被压缩，上下方向被放大，最终电弧2截面被压缩为椭圆形，如图（c）所示。压缩电弧10能够提高电弧能量密度，增强电弧挺度，提高焊接质量和效率。如图2所示，尖角磁场的磁极夹角θ可以在0°-90°任意偏转，均可以使电弧2发生不同程度的压缩，且夹角θ的的调整可以不同程度的压缩电弧，实际生产中可以根据需要调整磁极夹角，以便在压缩电弧2的基础上更加灵活便利的观察电弧和熔池形态。

该工艺中将横向磁场和尖角磁场混合在一起实现在异种钢焊接中对电弧的一次偏转和二次压缩。

本发明还提供了一种外加混合磁场作用于异种钢的焊接工艺，包括如下步骤：。

步骤1），将开好V型坡口的第一母材金属1和第二母材金属12进行打磨清洗，并将两个异种钢母材进行对接装配；

步骤2），通过机械臂程序使焊枪对中于第一母材金属1和第二母材金属12的对接坡口中间；

步骤3），开启横向磁控装置，设置一个方向的磁场，使TIG电弧2在焊接过程中偏转，进而改变电弧热力分布，完成电弧热输入在焊缝两侧的能量分配；

步骤4），开启尖角磁控装置，产生的尖角磁场能够使TIG电弧2在焊接过程中实现压缩，消若由于电弧偏转造成的能量发散现象，实现电弧能量的集中，增加电弧的挺度，提高焊接质量和效率；

步骤5），启动焊接设备，完成异种钢焊接，并最终形成高质量焊缝。

其中，步骤1）中的异种钢母材对接装配后采用夹具进行固定及定位，防止焊后变形。

步骤4）中尖角磁场的磁极夹角θ可调节，可以更加便利的观察焊接过程中的电弧和熔池变化。

在上述装置和工艺中，填充焊丝的入射角度为45°-60°，送丝速度为3-12mm/s，填充焊丝的直径为0.8-1.6mm，所述的钨极高度为3-6mm，焊接电流为80-180A，焊接速度为3mm/s，氩气流量12L/min。

为了验证本发明所述的外加混合磁场作用于异种钢焊接装置和工艺的效果，进行如下实施例：

对尺寸为170mm×50mm×5mm的Q235碳钢和尺寸为170mm×50mm×5mm 的304L不锈钢进行对接焊接。采用V形坡口。所选用的设备为TZ自动焊接操作机，焊接送丝机构选用WF-007A多功能氩弧焊填丝机，填充焊丝的入射角度为45°，送丝速度为3mm/s，填充焊丝的直径为0.8mm的ER50-6低碳结构钢类焊丝，所述的钨极高度为6mm，焊接电流为90A，焊接速度为3mm/s，氩气流量12L/min。

本发明所述的一种外加混合磁场作用于异种钢的焊接工艺步骤如下：

步骤1），将开好V型坡口的Q235碳钢和304L不锈钢进行打磨清洗，并将两个异种钢母材进行对接装配。

步骤2），通过机械臂程序使焊枪对中于Q235碳钢和304L不锈钢的对接坡口中间。

步骤3），开启横向磁控装置，设置一个方向的磁场，使TIG电弧2在焊接过程中偏转，进而改变电弧热力分布，完成电弧热输入在焊缝两侧的能量分配。

在该实施例中设置横向磁场的励磁电流为3A，使TIG电弧2向Q235碳钢一侧偏转，实现焊缝两侧金属融化量趋于相等。

步骤4），开启尖角磁控装置，产生的尖角磁场能够使TIG电弧2在焊接过程中实现压缩，消若由于电弧偏转造成的能量发散现象，实现电弧能量的集中，增加电弧的挺度，提高焊接质量和效率。

在该实施例中设置尖角磁场的励磁电流分别为0A、2A、3A、4A、5A，尖角磁极间的夹角分别为45°、60°、90°，分别观察电弧在不同磁极夹角θ下的电弧压缩情况。

步骤5），启动焊接设备，完成异种钢焊接，并最终形成高质量焊缝。并用CameraLink接口的瑞士Photo Focus MV1-D1312C-160相机配合图像采集卡Micro EnableIV AD4-CL采集电弧图片。并对不同磁极夹角、不同励磁电流下的电弧尺寸进行测量。

对实施例中的不同尖角磁场磁极夹角、不同尖角磁场励磁电流的异种钢焊接电弧的长径、短径和电弧面积进行测量，测量结果如表1所示。

以上对本发明的实例进行了详细说明，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，凡依本发明范围所作的变化与改进等，均仍属于本发明的保护之内。

Claims (4)

1.一种外加混合磁场作用于异种钢的焊接工艺，其特征在于：包括焊接装置，所述焊接装置包括磁控装置，所述磁控装置包括横向磁控装置和尖角磁控装置，所述横向磁控装置包括左右两侧设置的内铁芯、缠绕在内铁芯上的励磁线圈Ⅰ、与内铁芯相连的短导磁杆Ⅰ，所述励磁线圈Ⅰ与励磁电源Ⅰ相连，使两侧的励磁线圈Ⅰ产生横向磁场；所述尖角磁控装置包括前后两侧设置的外铁芯、缠绕在外铁芯上的励磁线圈Ⅱ、与外铁芯上端相连的长导磁杆，与外铁芯下端相连的短导磁杆Ⅱ，使两侧励磁线圈Ⅱ产生尖角磁场；

所述横向磁控装置由左右两侧短导磁杆Ⅰ组成相对磁极，两个相对的磁极形成N极-S极的横向磁场，该横向磁场的方向垂直于钨极的轴线方向，且平行于焊缝方向；所述尖角磁控装置由前后两侧长导磁杆、短导磁杆Ⅱ组成相邻磁极为异性的四个磁极，四个磁极形成N极-S极-N极-S极的尖角磁场；

所述磁控装置安装于焊枪上，所述焊枪端部设置有钨极，两侧短导磁杆Ⅰ的底部位于钨极周围的同一水平面；短导磁杆Ⅰ将励磁线圈Ⅰ和内铁芯生的磁场导到指定的空间位置；

所述长导磁杆和短导磁杆Ⅱ的底部位于钨极周围的同一水平面，且该水平面与短导磁杆Ⅰ所在的水平面共面，将励磁线圈Ⅱ和外铁芯产生的磁场导到指定的空间位置；

前后两侧外铁芯的上下方均设置有多个螺纹孔，分别用于安装长导磁杆和短导磁杆Ⅱ，能够满足尖角磁场θ从0°~90°的变化；

焊接工艺包括如下步骤：步骤1)，将开好V型坡口的异种钢母材进行打磨清洗，并将两个异种钢母材进行对接装配；步骤2)，使焊枪对中于两异种钢母材对接坡口中间；步骤3)，开启横向磁控装置，设置一个方向的磁场，使TIG电弧在焊接过程中偏转，进而改变电弧热力分布，完成电弧热输入在焊缝两侧的能量分配；步骤4)，开启尖角磁控装置，产生的尖角磁场能够使TIG电弧在焊接过程中实现压缩；步骤5)，启动焊接设备，完成异种钢焊接，并最终形成焊缝。

2.根据权利要求1所述的外加混合磁场作用于异种钢的焊接工艺，其特征在于：一侧励磁线圈Ⅰ的电流流入端接励磁电源Ⅰ的正极，电流流出端连接另一侧励磁线圈Ⅰ的流入端，另一侧励磁线圈Ⅰ的电流流出端连接于励磁电源Ⅰ的负极；一侧励磁线圈Ⅱ的电流流入端连接励磁电源Ⅱ的正极，电流流出端连接另一侧励磁线圈Ⅱ的流入端，另一侧励磁线圈Ⅱ的电流流出端连接于励磁电源Ⅱ的负极。

3.根据权利要求1或2所述的外加混合磁场作用于异种钢的焊接工艺，其特征在于：所述左右两侧设置的内铁芯的励磁线圈Ⅰ缠绕匝数均为130，所述横向磁场的励磁电流为1-4A，相对磁极间的距离为12-14mm；所述前后两侧设置的外铁芯的励磁线圈Ⅱ缠绕匝数均为130，所述尖角磁场的励磁电流为1-6A，两两相对磁极间的距离为12-14mm，磁极间夹角为0°-90°；所述焊枪填充焊丝入射角度为45°-60°，送丝速度为3-12mm/s，填充焊丝的直径为0.8-1.6mm；所述钨极高度为3-6mm，焊接电流为80-180A，焊接速度为3mm/s，氩气流量12L/min。

4.根据权利要求1所述的外加混合磁场作用于异种钢的焊接工艺，其特征在于：步骤1）中的异种钢母材对接装配后采用夹具进行固定及定位，防止焊后变形。