CN115815749B - 一种基于五磁极的异型尖角磁场磁控电弧控制方法及装置 - Google Patents
一种基于五磁极的异型尖角磁场磁控电弧控制方法及装置 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及磁控电弧焊接领域，具体的说，是涉及一种基于五磁极的异型尖角磁场磁控电弧控制方法及装置，本发明公开了一种在焊接过程中基于五磁极产生异型尖角磁场调节焊接电弧的非轴对称拉伸与压缩效应的方法，设计了一种结构简单、自带水冷且磁极易拆卸安装的磁控电弧装置，研究在利用磁控电弧控制器控制励磁电流波形的同时，调节各个磁极之间的磁极角大小，调控所产生的非轴对称分布的异型尖角磁场，提出了一种基于五磁极的异型尖角磁场磁控电弧控制方法及装置，更加有效的调控焊缝成型和焊缝质量，且适用于多种焊接方法及焊接工况。
Description
技术领域
本发明涉及磁控电弧焊接领域，具体的说，是涉及一种基于五磁极的异型尖角磁场磁控电弧控制方法及装置，通过非均匀非轴对称分布的励磁线圈产生异型尖角磁场，调节焊接电弧的非轴对称拉伸与压缩效应，进而调控焊缝成型和焊缝质量。
背景技术
磁控焊接技术其原理是在传统电弧焊中引入不同方式的磁场，通过外加磁场对焊接电弧、熔滴和熔池内液态金属进行偏转、摆动、压缩及拉伸，改变焊接电弧的形状与运动方式，搅拌熔池、细化晶粒，进而改善焊缝成型、提高焊接质量。
外加磁场分为横向磁场、纵向磁场以及尖角磁场，但在大量学者长期的研究下发现尖角磁场对电弧的压缩能力比横向、纵向磁场更强；且尖角磁场早在上世纪八十年代，由林杰才、赵国华等人开始研究尖角磁场对细丝CO2焊接电弧的影响，发现尖角磁场对焊接电弧的压缩和拉伸效应，降低飞溅，使焊缝美观；再有赵彭生、祝树燕等人率先引入双尖角磁场对等离子弧进行二次压缩；后有K.Nomura、K.Morisaki等国外学者研究了在TIG中使用四个永磁体产生尖角磁场，电弧在尖角磁场作用下由圆形压缩为椭圆形，获得了良好的焊缝形态。
中国专利CN202210007359.6公开了一种双模式异型尖角磁场磁控电弧控制方法及装置，通过四个磁极极性相邻切换的激励线圈产生非轴对称的异型尖角磁场，来调控焊接电弧整体的拉伸与压缩效应，且还设有两种工作模式，一种交变，通过四个磁极电流的大小及正负的交替变换来改变产生非均匀分布的异型尖角磁场；一种非交变，通过直接给四个磁极通入大小不等、正负相等的电流，产生非均匀的异型尖角磁场。但是该发明采用的四个磁极沿电弧均匀分布，磁场对电弧的作用空间范围固化，磁控电弧的调控模式和效果仍然有限。
基于以上不足之处，为了有效解决磁控焊接技术中，焊接电弧的拉伸及压缩分布空间不可控的问题，本发明提出了一种基于五磁极的异型尖角磁场磁控电弧控制方法，并优化设计了磁控电弧控制装置。
发明内容
本发明的目的是提供一种在焊接过程中基于五磁极产生异型尖角磁场调节焊接电弧的非轴对称拉伸与压缩效应的方法，设计了一种结构简单、自带水冷且磁极易拆卸安装的磁控电弧装置,研究在利用磁控电弧控制器控制励磁电流波形并同时调节各个磁极之间的磁极角大小,提出了一种基于五磁极的异型尖角磁场磁控电弧控制方法及装置，更加有效的调控焊缝成型和焊缝质量，且适用于多种焊接方法。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
该方法采用由异型固定卡盘(1)、水冷磁极(2)、励磁线圈(3)、励磁电源(4)、磁控电弧控制器(5)组成的焊接系统，通过对五个沿焊枪中心以特定角度非均匀分布的所述励磁线圈(3)在周期为T的时间内交替通入(-I、I、0、-I、I)和(O、-I、I、-I、I)的励磁电流在焊接电弧空间产生交变非轴对称分布的异型尖角磁场，并且通过所述异型固定卡盘(1)自由调节所述水冷磁极(2)之间的磁极角大小来调控交变非轴对称分布异型尖角磁场对焊接电弧的非轴对称拉伸与压缩效应，进而调控焊缝成型和焊缝质量。
所述异型固定卡盘(1)、水冷磁极(2)、励磁线圈(3)之间的结构特征如下：所述异型固定卡盘(1)由上下两组腰孔卡盘(1-1)、筒体(1-2)与焊枪固定孔(1-3)组成，每组腰孔卡盘上由两对大小不一的内外腰孔组成,用于固定所述水冷磁极；所述水冷磁极(2)由异‘L’形磁极(2-1)、水冷接头(2-2)、水冷铜柱(2-3)、水冷铜块(2-4)和固定螺母(2-5)组成，所述水冷铜柱(2-3)内开有两组沿中心对称分布的通孔，一组用于通入所述异‘L’形磁极(2-1)并与所述腰孔卡盘(1-1)的内腰孔相配合，另一组通孔用于与水冷接头(2-2)配合并与所述腰孔卡盘(1-1)的外腰孔相配合；所述水冷铜柱(2-3)的柱体侧面绕制有所述励磁线圈(3)，所述水冷铜块(2-4)为内凹形圆柱体，内部设有通孔与所述异‘L’形磁极相配合连接，所述水冷铜块(2-4)的圆柱体上端表面与所述水冷铜柱(2-3)下端表面相配合连接；所述水冷磁极(2)通过固定螺母(2-5)与异型固定卡盘(1)固定，异型固定卡盘(1)通过焊枪固定孔(1-3)与焊枪固定；所述励磁线圈(3)由五个励磁线圈①②③④⑤以焊枪中心成非均匀非轴对称分布，通过腰孔卡盘(1-1)自由调节所述五个励磁线圈之间的磁极角大小。
所述一种基于五磁极的异型尖角磁场磁控电弧控制方法及装置的工作过程如下：以焊接电流正极性为例，励磁线圈(3)的五个励磁线圈①②③④⑤在周期为T的时间内分别交替通入(-I、I、0、-I、I)和(O、-I、I、-I、I)的励磁电流，以交替产生磁极极性为S-N-0-S-N和0-S-N-S-N的非轴对称分布异型尖角磁场，焊接方向与励磁线圈④与⑤的连线方向垂直，具体工作过程为：
在0-T/2时间段，向励磁线圈①②③④⑤分别通入励磁电流(-I、I、0、-I、I)，在焊接电弧工作区域产生S-N-0-S-N的非轴对称分布异型尖角磁场，励磁线圈①与⑤、②与④之间的磁场分布皆对电弧产生压缩效应，励磁线圈④与⑤之间的磁场分布对电弧产生拉伸效应，励磁线圈①与②之间的磁场分布对焊接电弧产生一个向左后方的拉伸效应，使焊接电弧整体向左后方发生磁偏转，从而搅动熔池使得熔池的流场分布更倾向于焊接方向的左后方；
在T/2-T时间段，向励磁线圈①②③④⑤分别通入励磁电流(O、-I、I、-I、I)，在焊接电弧工作区域产生0-S-N-S-N的非轴对称分布异型尖角磁场，励磁线圈②与⑤、③与④之间的磁场分布皆对电弧产生压缩效应，励磁线圈④与⑤之间的磁场分布对电弧产生拉伸效应，励磁线圈②与③之间的磁场分布对焊接电弧产生一个向右后方的拉伸效应，使焊接电弧整体向右后方发生磁偏转，从而搅动熔池使得熔池的流场分布更倾向于焊接方向的右后方；
以T为时间周期，励磁线圈①②③④⑤按上述工作方式重复交替变化，通过调节五磁极的励磁电流波形和磁极角来调控非轴对称异型尖角磁场分布，进而对焊接电弧后端产生周期性的非轴对称压缩拉伸效应，调控电弧搅拌作用和熔池流场分布，进而调控焊缝成型和焊缝质量。
所述磁极角的优选角度调节范围为：励磁线圈①与②、②与③的磁极角调节范围为40-80°。
本发明的有益成果是：本发明提供了一种基于五磁极的异型尖角磁场磁控电弧控制方法及装置，该方法可通过磁控电弧控制器控制调节励磁电流波形并同时自由调节各个磁极之间的磁极角大小，利用五个非均匀分布的水冷磁极产生所需要的非轴对称分布异型尖角磁场，对焊接电弧进行空间非均匀按需调控。与普通四磁极尖角磁场相比，该异型尖角磁场对焊接电弧的前后端产生差异性、非均匀性的压缩与拉伸效应，从而调控电弧对焊接熔池的搅拌作用和熔池流场分布，进而调控焊缝成型和焊缝质量。同时该装置结构简单、易拆卸并可外接水冷系统，可通入更大程度上的励磁电流，更好的适应了高电流焊接工况下励磁线圈发热、发烫严重的情形，大大增加了对不同焊接方法以及焊接需求的适用性，为进一步调控焊接电弧夯实基础。
附图说明
图1是本发明方法的系统框图
图2是本发明装置的示意图
图中：(1)为异型固定卡盘，(2)为水冷磁极
图3是本发明的异型固定卡盘结构示意图
图中：(1-1)为腰孔卡盘，(1-2)为筒体，(1-3)为焊枪固定孔
图4是本发明的水冷磁极结构示意图
图中：(2-1)为磁极，(2-2)为水冷接头，(2-3)为水冷铜柱，(2-4)为水冷铜块，
(2-5)为固定螺母
图5是本发明的磁极分布示意图
图6是本发明励磁电流波形示意图
图7是本发明励磁电流0-T/2波形下焊接电弧受力示意图
图8是本发明励磁电流T/2-T波形下焊接电弧受力示意图
具体实施方式
为了更好地表达整个发明的技术方案、技术特点及有益成果，下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。
实施例1，如图1所示为本发明方法的系统框图，该方法采用由异型固定卡盘(1)、水冷磁极(2)、励磁线圈(3)、励磁电源(4)、磁控电弧控制器(5)组成的焊接系统，通过对五个沿焊枪中心以特定角度非均匀分布的所述励磁线圈(3)在周期为T的时间内交替通入(-I、I、0、-I、I)和(O、-I、I、-I、I)的励磁电流在焊接电弧空间产生交变非轴对称分布的异型尖角磁场，并且通过所述异型固定卡盘(1)自由调节所述水冷磁极(2)之间的磁极角大小来调控交变非轴对称分布异型尖角磁场对焊接电弧的非轴对称拉伸与压缩效应，进而调控焊缝成型和焊缝质量。
实施例2，结合如图2、图3、图4所示，分别为本发明装置的示意图、异型固定卡盘结构示意图、水冷磁极结构示意图，所述异型固定卡盘(1)、水冷磁极(2)、励磁线圈(3)之间的结构特征如下：所述异型固定卡盘(1)由上下两组腰孔卡盘(1-1)、筒体(1-2)与焊枪固定孔(1-3)组成，每组腰孔卡盘上由两对大小不一的内外腰孔组成,用于固定所述水冷磁极；所述水冷磁极(2)由异‘L’形磁极(2-1)、水冷接头(2-2)、水冷铜柱(2-3)、水冷铜块(2-4)和固定螺母(2-5)组成，所述水冷铜柱(2-3)内开有两组沿中心对称分布的通孔，一组用于通入所述异‘L’形磁极(2-1)并与所述腰孔卡盘(1-1)的内腰孔相配合，另一组通孔用于与水冷接头(2-2)配合并与所述腰孔卡盘(1-1)的外腰孔相配合；所述水冷铜柱(2-3)的柱体侧面绕制有所述励磁线圈(3)，所述水冷铜块(2-4)为内凹形圆柱体，内部设有通孔与所述异‘L’形磁极相配合连接，所述水冷铜块(2-4)的圆柱体上端表面与所述水冷铜柱(2-3)下端表面相配合连接；所述水冷磁极(2)通过固定螺母(2-5)与异型固定卡盘(1)固定，异型固定卡盘(1)通过焊枪固定孔(1-3)与焊枪固定；所述励磁线圈(3)由五个励磁线圈①②③④⑤以焊枪中心成非均匀非轴对称分布，通过腰孔卡盘(1-1)自由调节所述五个励磁线圈之间的磁极角大小。
实施例3，如图5所示为本发明的磁极分布示意图，所述磁极角的大小可由腰孔卡盘自由调节，所述磁极角的优选角度调节范围为励磁线圈①与②、②与③的磁极角调节范围为40-80°,励磁线圈④与⑤之间的磁极角调节范围为30-120°，励磁线圈⑤与腰孔卡盘的角度调节范围为15-45°。
实施例4，如图6所示为本发明励磁电流励磁波形示意图，图7、图8是本发明不同励磁波形下的焊接电弧受力示意图，以焊接电流正极性为例，既焊接电流的方向为垂直纸面向外时，励磁线圈①②③④⑤以磁极极性为S-N-0-S-N和0-S-N-S-N的分布在周期为T的时间内交替变化，由安培左手定则可以判断磁场对焊接电弧的电磁作用力，焊接方向与励磁线圈④与⑤的连线方向垂直，具体工作过程为：
在0-T/2时间段，结合图6及图7所示，向励磁线圈①②③④⑤分别通入励磁电流(-I、I、0、-I、I)，在焊接电弧工作区域产生S-N-0-S-N的非轴对称分布异型尖角磁场，励磁线圈①与⑤、②与④之间的磁场分布皆对电弧产生压缩效应，励磁线圈①与②之间的磁场分布对焊接电弧产生一个向左后方的拉伸效应，使焊接电弧整体向左后方发生磁偏转，从而搅动熔池使得熔池的流场分布更倾向于焊接方向的左后方；
在T/2-T时间段，结合图6及图8所示,向励磁线圈①②③④⑤分别通入励磁电流(O、-I、I、-I、I)，在焊接电弧工作区域产生0-S-N-S-N的非轴对称分布异型尖角磁场，励磁线圈②与⑤、③与④之间的磁场分布皆对电弧产生压缩效应，励磁线圈②与③之间的磁场分布对焊接电弧产生一个向右后方的拉伸效应，使焊接电弧整体向右后方发生磁偏转，从而搅动熔池使得熔池的流场分布更倾向于焊接方向的右后方；
以T为时间周期，励磁线圈①②③④⑤按上述工作方式重复交替变化，通过调节五磁极的励磁电流波形和磁极角来调控非轴对称异型尖角磁场分布，进而对焊接电弧后端产生周期性的非轴对称压缩拉伸效应，调控电弧搅拌作用和熔池流场分布，进而调控焊缝成型和焊缝质量。
以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的原理及其核心思想，以上所述仅是本发明的优选实施方式，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，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明原理和权利要求所保护范围的情况下，所作出的若干具体变换，都属于本发明的保护范围之内。
Claims (2)
1.一种基于五磁极的异型尖角磁场磁控电弧控制方法，其特征在于，该方法采用由异型固定卡盘(1)、水冷磁极(2)、励磁线圈(3)、励磁电源(4)、磁控电弧控制器(5)组成的焊接系统，通过对五个沿焊枪中心非均匀分布的所述励磁线圈(3)在周期为T的时间内交替通入(-I、I、0、-I、I)和(O、-I、I、-I、I)的励磁电流在焊接电弧空间产生交变非轴对称分布的异型尖角磁场，并且通过所述异型固定卡盘(1)自由调节所述水冷磁极(2)之间的磁极角大小来调控交变非轴对称分布异型尖角磁场对焊接电弧的非轴对称拉伸与压缩效应，进而调控焊缝成型和焊缝质量；
其中，所述异型固定卡盘(1)、水冷磁极(2)、励磁线圈(3)之间的结构特征如下：所述异型固定卡盘(1)由上下两组腰孔卡盘(1-1)、筒体(1-2)与焊枪固定孔(1-3)组成，每组腰孔卡盘上由两对大小不一的内外腰孔组成,用于固定所述水冷磁极；所述水冷磁极(2)由异‘L’形磁极(2-1)、水冷接头(2-2)、水冷铜柱(2-3)、水冷铜块(2-4)和固定螺母(2-5)组成，所述水冷铜柱(2-3)内开有两组沿中心对称分布的通孔，一组用于通入所述异‘L’形磁极(2-1)并与所述腰孔卡盘(1-1)的内腰孔相配合，另一组通孔用于与水冷接头(2-2)配合并与所述腰孔卡盘(1-1)的外腰孔相配合；所述水冷铜柱(2-3)的柱体侧面绕制有所述励磁线圈(3)，所述水冷铜块(2-4)为内凹形圆柱体，内部设有通孔与所述异‘L’形磁极相配合连接，所述水冷铜块(2-4)的圆柱体上端表面与所述水冷铜柱(2-3)下端表面相配合连接；所述水冷磁极(2)通过固定螺母(2-5)与异型固定卡盘(1)固定，异型固定卡盘(1)通过焊枪固定孔(1-3)与焊枪固定；所述励磁线圈(3)由第一励磁线圈①、第二励磁线圈②、第三励磁线圈③、第四励磁线圈④及第五励磁线圈⑤以焊枪中心成非均匀非轴对称分布，通过腰孔卡盘(1-1)自由调节所述五个励磁线圈之间的磁极角大小；
其工作过程如下：以焊接电流正极性为例，励磁线圈(3)的五个励磁线圈在周期为T的时间内分别交替通入(-I、I、0、-I、I)和(O、-I、I、-I、I)的励磁电流，以交替产生磁极极性为S-N-0-S-N和0-S-N-S-N的非轴对称分布异型尖角磁场，焊接方向与第四励磁线圈④与第五励磁线圈⑤的连线方向垂直，具体工作过程为：
在0-T/2时间段，向励磁线圈分别通入励磁电流(-I、I、0、-I、I)，在焊接电弧工作区域产生S-N-0-S-N的非轴对称分布异型尖角磁场，第一励磁线圈①与第五励磁线圈⑤、第二励磁线圈②与第四励磁线圈④之间的磁场分布皆对电弧产生压缩效应，第一励磁线圈①与第二励磁线圈②之间的磁场分布对焊接电弧产生一个向左后方的拉伸效应，使焊接电弧整体向左后方发生磁偏转，从而搅动熔池使得熔池的流场分布更倾向于焊接方向的左后方；
在T/2-T时间段，向励磁线圈分别通入励磁电流(O、-I、I、-I、I)，在焊接电弧工作区域产生0-S-N-S-N的非轴对称分布异型尖角磁场，第二励磁线圈②与第五励磁线圈⑤、第三励磁线圈③与第四励磁线圈④之间的磁场分布皆对电弧产生压缩效应，第二励磁线圈②与第三励磁线圈③之间的磁场分布对焊接电弧产生一个向右后方的拉伸效应，使焊接电弧整体向右后方发生磁偏转，从而搅动熔池使得熔池的流场分布更倾向于焊接方向的右后方；
以T为时间周期，励磁线圈按上述工作方式重复交替变化，通过调节五磁极的励磁电流波形和磁极角来调控非轴对称异型尖角磁场分布，进而对焊接电弧后端产生周期性的非轴对称压缩拉伸效应，调控电弧搅拌作用和熔池流场分布，进而调控焊缝成型和焊缝质量。
2.根据权利要求1所述的一种基于五磁极的异型尖角磁场磁控电弧控制方法，其特征在于：所述磁极角的角度调节范围为：第一励磁线圈①与第二励磁线圈②、第二励磁线圈②与第三励磁线圈③的磁极角调节范围为40-80°。
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