（机械工程专业论文）全位置焊新型外加电磁场及电磁力的数值模拟.pdf

摘要 随着石油、管道、电力、化工以及造船等工业的快速发展，要求采用全位置 焊接的场合越来越多。针对目前全位置m a g 焊大电流焊接时熔池金属下淌且焊 接效率低的问题，对全位置焊进行了深入的研究。 分析了全位置熔池重力失稳的机理，通过借鉴基于电涡流效应的电磁连铸理 论，提出了一种新型外加高频交变磁场控制全位置焊焊缝成形的方法及其励磁结 构。 利用m a x w e l l3 d 电磁场仿真软件对新型励磁结构进行建模，通过改变安匝 数、电流频率和励磁结构底端到焊接工件上表面的距离等参数，对磁感应强度、 电涡流强度和电磁力进行了大量的模拟计算，分析得到这些参数与磁感应强度、 电涡流强度和电磁力的关系，进而选取了合理的参数范围。 对全位置焊典型位置角度下熔池自身的重力及其分量进行计算，对仿真计算 得到的电磁力及其分量与熔池自身重力及其分量进行对比，比较结果证明了在合 理的参数范围下，熔池所受电磁力的分量能够平衡熔池自身重力的分量。 采用s g 4 l 型特斯拉计对外加高频交变磁场进行测量，通过对测量值与仿真 计算值进行比较，说明了所建立的三维模型符合实际情况。 进行实际焊接实验，对比未加磁场和加磁场的焊后工件，可以看出这种新型 外加高频交变磁场对全位置焊的焊缝成形具有良好的促进作用。 这些大量的仿真模拟结果与实验的验证，对进一步开展全位置焊的相关研究 具有重要的参考价值。 关键词：全位置焊；m a g 焊；电磁力；高频交变磁场；数值模拟 a b s t r a c t a l lp o s i t i o nw e i d i n gi s o n e0 fi m p o r t a n tp r o c e s s e si ne n e 。g y ，p e t r o l e u m ， c h e m i c a l ，s h i p b u i i d i n ga n do t h e ri n d u s t r i e s h o w e v e r ，w h e nw e l d i n gc u r r e n t 2 0 0 a i na lip o s i t i o nw e l d i n g ，t h eg r a v i t ym a k e sm o l t e nm e t a lf l o w d o w n w a r d i tm a k e s w e l d i n gp r o c e s si n e 币c i e n t i no r d e rt os o i v et h i sp r o b l e m ，an e w k i n do fu t y p e e x c i t a t i o n 蚰r u c t u r ew a sd e s i g n e d m e c h a n i s mo ft h eg r a v i t ) ，o fm o l t c nm e t a li na i lp o s i t i o nw e l d i n gw a s r e s e a r c h e d i nh e l po ft h et h e o 叫o fe l e c t r o m a g n e t i cc o n t i n u o u sc a s t i n g ，an e wk i n do fw e l d f 0 n 1 1 a t i o ni na l lp o s i t i o nw e l d i n gw a sp i 。o p o s e d t h i ss i m u i a t i o na n a l y s i sw a sd o n eb ye l e c t m m a g n e t i c6 e l ds i m u l a t i o ns o 觚a r c m a x w e i i3 d a m p e r et u m s ，c u 眦n tf r e q u e n c ya n dt h ed i s t a n c e 舶mt h eb o t t o m0 f e x c i t a t i o ns t r u c t u r et ot h es u r f a c eo f t h ew o r kp j e c ew e r ec h a n c e d m a g n e t i ci n d u c t i o n i n t e n s i t y ，e d d yc u r r e n ta n de l e c t r o m a g n e t i cf o r c ew a s s i m u l a t e da n dc a l c u l a t e d t h e r e i a t i o n s h i pb e t w e e nt h e s ep a r a m e t e r sa n dt h e m 、 ，a so b t a i n e d 0 n t h eb a s i s ，t h e a p p r o p r i a t ep a r a m e t e r so f u t y p ee x c i t a t i o ns t r u c t u r cw e r ed e t e r n l i n e d t h eg r a v i t yo fm o l t e nm e t a li nd i 仃e r e n tp o s i t i o no fa l lp o s i t i o nw e l d i n gw a s c a l c u l a t e d ， t h et a n g e n t i a lg r a v i t yc o m p o n e n t o ft h em o l t e n p o o l a n dt h e e l e c 仃o m a g n e t i cf o r c ec o m p o n e n tw e r ec o m p a r e d t h er e s u l t sc o n f i n n e dt h a t e l e c t r o m a g n e t i cf o r c ec o u l db a l a n c et h et a n g e n t i a lg r a v 时c o m p o n e n to ft h em o i t e n p o o i a p p l i e dh i g h 舶q u e n c ya l t c m a t i n gm a g n e t i cn e l dw a s m e a s u r e db ys g 4lt e s l a a p p a r a t u s t h e m e a s u r ev a l u ea n ds i m u l a t i o nv a l u ew e r ec o m p a r e d t h er e s u i t s v e r i f i e dt h a t3 dm o d e lw a sa c c o r dw i t hm ep r a c t i c a ls i t u a t i o n w e l d n gt e s tw a sd e s i g n e d ，t h ew o n ( p i e c e st h a tn o ta p p l i e dm a g n e t i cf i e l d 踟d a p p l i e dm a g n e t i cf i e l dw e r ec o m p a r e d t h e r e s u l ts h o w nt h a tt h i sn e wk i n do fm e t h o d a p p l i e d h i 曲f r e q u e n c ya l t e m a t i n gm a g n e t i c 氍e l do n a l lp o s i t i o nw e l d i n gw a sh e l p f u l t ow e l df o r m a t i o n t h e s es i m u l 砒i o nr e s u l t sa n de x p e r i m e n t a lv e r i 6 c a t i o nh a v ei m p o r t a n tr c t e r c n c e f o rr e l a t e dr e s e a r c h k 叫r d s ： a l lp o s i t i o nw e l d i n g ；m a gw e i d i n g ；e l e c t r o m a g n e t i cf o r c e ；h i g h f 诧q u e n c ya l t e m a t i n gm a g n e t i cf i e l d ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n 学位论文的主要创新点 一、提出一种基于电涡流效应原理在熔池内部产生附加电磁力抵 消熔池自身重力影响的方法。 二、研制一种全位置焊新型外加高频交变磁场的励磁结构，对全 位置焊提供本课题所需要的磁场形式。 第一章绪论 1 1 课题的研究目的及意义 第一章绪论 近几年来，由于电力、化工、石油、管道以及造船等工业部门的飞速发展， 要求采用横焊、立焊和全位置焊接工艺的场合越来越多，迫切要求用全位置焊接 工艺代替手工电弧焊方法，用来满足产品的生产效率和质量的要求，熔化极气体 保护焊接( m a g ) 工艺，虽然己经成功地在工业生产中得到应用，但是对于仰 焊、立焊、横焊和全位置焊接却受到极大的限制，因为它必须在连续射流过渡状 态下工作，也就是说是在临界焊接电流以上进行工作，焊接电流较大，这样就造 成熔池过大，铁水过多，所以不能保持熔池，也就难以适应仰焊、立焊、横焊和 全位置焊接的要求【l 】【2 1 。 目前全位置焊接工艺存在的主要问题： ( 1 ) 焊缝成形不好，主要是由于当焊接电流大于2 0 0 a 时，焊接熔池过大， 造成铁水过多，铁水自身的重力加大，造成铁水沿着管壁向下流淌，使得焊缝不 均匀，焊缝上部发生咬边，下部结成焊瘤等现象，难以获得良好的焊缝形态。所 以，为了获得好的焊缝成形，就一定要使得熔池中的铁水能够保持住1 3 j 。 ( 2 ) 焊接效率低，因为在全位置焊接时，由于受到焊接位置的限制，焊接 电流过大，熔池中的铁水过多，造成铁水下淌，这就要求用小电流进行焊接，而 小的焊接电流在工程实际应用中严重限制了焊接的效率，所以为了在工程实际应 用中提高全位置焊接的效率，必须在增加焊接电流的情况下，能够使得熔池铁水 不会向下流淌。 ( 3 ) 焊接成本高，采用高能密度焊接工艺技术( 激光焊、激光+ 电弧焊、电 子束焊【4 】【5 】，可以实现小熔池的全位置焊接和提高焊接生产率，但成本高，现场 适应性差，难以大面积推广应用。 由上可知，在全位置焊接中要想得到良好成形的焊缝，又使得焊接效率提高， 关键在于阻止焊接熔池中的铁水向下流淌。为了克服重力的影响，国内外学者对 全位置熔池控制进行了研究，目前解决这一问题主要策略可归纳为两种：一种是 线能量控制策略，另外一种是磁场控制策略。 线能量控制策略是以较小的线能量保证较小熔池体积和较快的冷却速度，减 少熔池重力对熔池稳定成形的影响，主要方法是采用短路过渡、脉冲焊和提高焊 接速度等。 天津工业人学硕士学位论文 磁控焊接技术是近些年来完善起来的一种新的焊接技术，其应用也日渐广 泛。磁控焊接一般采用外加励磁设备对焊接过程提供外加磁场来控制焊缝成形。 目前磁控焊接的外加磁场主要分为外加横向磁场和外加纵向磁场两种。在外加横 向磁场的情况下，焊接电弧会产生横向的摆动，直接导致结晶方向的周期性变化， 以此来增大结晶裂纹的扩展阻力，在一定程度上提高金属的塑性和韧性f 6 】【7 1 。外 加纵向磁场是通过改变熔池本身其它作用力来降低不同空间位置熔池重力的影 响，辅助焊缝稳定成形。 本课题研究的是在全位置焊接中外加高频交变磁场控制焊接成形，外加的高 频交变磁场是一种纵向磁场，与以往的外加纵向磁场控制焊缝成型的不同之处在 于本课题是首次利用外加纵向磁场作用于熔池，使得熔池感应出电涡流，利用感 应出的电涡流与该外加纵向磁场作用产生电磁力，利用该电磁力平衡熔池自身重 力的切向分量，使得熔池铁水不会向下流淌，从而实现焊缝的稳定成形。本文提 出了一种新型全位置焊的励磁结构，利用三维电磁场仿真软件a n s o f tm a x w e l l3 d 对该励磁结构进行了仿真，分析了磁感应强度、电涡流强度和电磁力的影响因素， 对励磁结构的参数进行了优化，得到了平衡熔池重力的电磁力数值，并通过实验 测量励磁结构产生的磁感应强度，对比实验所得磁感应强度与仿真出的磁感应强 度，得到两者之间的误差，最后进行焊接实验，实际验证全位置焊新型外加高频 交变磁场原理的正确性，为后续的研究提供理论基础。 1 2 国内外发展的概况 ( 1 ) 全位置焊能量控制策略：目前全位置焊较小能量输入的主要方法是采 用短路过渡、脉冲焊和提高焊接速度等。 7 0 年代初国外学者l r v i n g 研制了专用的短路过渡焊丝，通过控制燃弧期和短 路时的能量，实现了汽轮机叶片的全位置焊接l 引。7 0 年代日本出现了脉冲横向焊 接( p a w h b ) 方法，周期性控制电流大小，达到熔池加热i 脚歇性，从而来控制 熔池冷却凝固，得到良好横向焊缝成形【9 】。s t t 型电源适宜于全位置根焊【1 0 】，这 是由美国林肯公司2 0 世纪9 0 年代推出的一种新型的半自根焊新技术，该方法具有 燃烧稳定、操作容易、飞溅小、焊缝成型美观、焊接成本低和焊接效率高等特点， 法国焊接研究所学者t r a n t i e n 应用s t t 技术实现了大型容器的横向焊接，现在国 内将s t t 焊己广泛应用于全位置管道焊接的根焊中】。国内学者杜庆河采用射流 和短路过渡方法交替的焊接工艺实现了厚壁管的全位置多层多道焊接【l2 1 。国内学 者唐德渝的研究结果表明，在全位置管道焊接中，在使用焊接平均电流1 5 0 a 2 0 0 a 左右时，不同空间位置就必须与不同焊接速度和焊枪角度精确配合，才能 保证熔池的成形，即保证电弧始终在熔池的前方，电弧运动速度要大于熔池流淌 第一章绪论 速度，电流大于2 0 0 a 时，熔池稳定成形变得困难i 3 j i l 4 j 。2 0 0 4 年的西安石油大学 的石凯等人利用德国o r b l m a t i c 管管自动焊机对校口径薄壁钢管在全位置对 接焊时，对焊缝的成型控制和组织调控进行了研究，结果表明对小口径薄壁钢管 环缝全位置对接焊分两步走，第一步控制成型，获得美观的焊接接头：第二步进 行组织调控，细化晶粒l i5 1 。2 0 0 5 年陈炯分析了s t t 型c 0 2 半自动焊在管道全位置 焊中对焊缝根焊层焊接的特点，保证了焊缝根焊接质量良好，在其上进行填充焊 和盖面焊，焊缝的焊接质量可以得到可靠的保证【】。2 0 0 7 年北京石油化工学院蒋 力培研究水下焊全位置打底焊缝质量及焊接参数受到空气环境压力的影向规律， 研究表明，焊接熔深受到环境压力的一定影响，打底焊电流在平焊时需要相应地 线性递减，接头力学性能受到环境压力的影响较大，焊接接头的冲击韧度和抗拉 强度随着环境压力的增大有下降的趋势，而热影响区和焊缝的硬度则有上升的趋 势l 】。梁次陵等人通过实验制订了填充焊丝送给技术，如图1 1 所示，应用此技 术可在提高熔敷率的同时获得平滑的全位置焊缝，此技术是给填充焊丝通以直流 电流以使钨极电弧向前方偏斜提高了作用于熔池的吹力，减小了重力影响，最终 在一定程度上提高了熔敷效率i l 引。 一焊接舶 图卜lg t a 焊焊机导电嘴及主回路的布置 2 0 0 6 年中国石油集团工程技术研究院唐德渝等人在全位置焊接中，将管道的 圆周划分为左右半圆对称的2 4 个区间，分别按顺、逆时针方向进行向下焊接，如 图1 2 所示，将通过工艺试验来确定焊接参数，编制成焊接参数表，并在计算机 的控制下自动切换，对不同位置的焊接输入和熔池状态进行精确控制【l9 1 。该方法 在一定程度上可改善焊缝成形，但改变焊丝与焊道夹角有一定限度，过大反而会 影响焊缝的成形。 天津工业人学硕士学位论文 愆殓 簿黟 图1 2 全位置焊区段划分示意 全位置焊熔池能量控制存在的问题：多年来能量控制全位置熔池研究进展不 大，其关键原因是该策略主要围绕如何以小的线能量热输入，生成小的熔池，来 控制熔池下榻的趋势，焊接平均电流一般控制在2 0 0 a 以内。尽管进一步提高焊 接电流时，同时提高速度能保证小的线能量，但同时会出现驼峰焊道、融合不良 等焊缝成形缺陷。因此从现有焊接控制机理来看还无法解决提高焊接效率所需的 较大能量和降低焊接热输入即要求小熔池这一矛盾。 ( 2 ) 磁场控制策略：目前在这一策略上发展起来抵消焊接熔池重力影响的 方法主要是改变熔池电弧力的大小和方向。 外加磁场在焊接方面的应用已有很长的历史，从1 9 4 1 年迄今，人们对外加磁 场焊接技术的研究范围越来越广，程度也越来越深入【2 0 j 。根据外加磁场对焊枪的 相对位置，可以分为外加纵向磁场焊接和外加横向磁场焊接【2 。对于外加横向磁 场的焊接而言，人们做过很多的研究，目前，学者们普遍认为在横向磁场的作用 下，电弧会产生横向摆动，这样导致结晶方向的周期性变化，形成了交错柱状晶， 从而结晶裂纹的扩展阻力会增加，有效地控制了结晶裂纹的扩展，在一定程度上 提高焊缝金属的韧性和塑性【6 l 【7 】。国内学者杨春利将旋转电弧应用在窄间隙横向 焊接中，发现由于电弧的旋转电弧力的影响区域扩大，旋转电弧力周期性影响了 焊接电弧边缘，改善了横向焊接中焊缝边缘的融合【2 2 1 。但是由于焊接电弧的摆动 会造成焊道宽度周期性的变化，影响焊缝成形的质量，这使得横向磁场焊接技术 的应用受到了极大的限制。 早在六十年代，国外学者们对外加纵向磁场焊接工艺就展开了研究，针对外 加纵向磁场对焊接电弧和焊缝结晶组织性能的影响进行了深入的探讨，取得了大 量重要的结论。6 0 年代，g k h i c k e n 和c e j a c k s o n 对外加纵向磁场焊接对电弧的 影响进行了较早的研究1 2 3 1 。7 0 年代，v d k u z n e t s o v 和r u a b d u r a k h m a n v 分别对 第一章绪论 外加纵向磁场对钨极氩弧焊焊缝成型和焊缝金属结晶组织的机械性能的影响进 行了研究，并认为这种方法能够细化晶粒提高焊缝接头的强度【2 4 】【2 5 】。目前，传 统外加纵向磁场只能用于全位置焊接的特定形式：水平焊、横焊和立焊。日本学 者m o t o m ik a n o 在立焊向上、向下焊接中利用外加磁场作用于焊接熔池，产生向 上的作用力，减弱了重力对熔池失稳的影响，改善了焊缝成形，提高了立焊生产 效纠2 叭。日本学者y u k i om a n a b e 在外加纵向磁场t l g 焊的横向焊接中，通过填充 焊丝并通以预热电流，这样预热电流与纵向磁场相互作用，产生与重力方向相反 的向上洛仑兹力作用在熔池金属上，来抑制金属的下淌【2 7 1 【2 8 j 。y o s h i d at 等通过 外加纵向磁场与焊接电流作用，如图1 3 所示，可使熔池金属旋转，搅拌熔池， 达到细化晶粒改善焊缝性能的目的等方面【2 9 】。 图1 3 外加电磁力的横焊机理 a m b r o s y g 等开展了外加纵向磁场作用于c 0 2 激光焊的研究。如图l 一4 所示， 发现在稳定的磁场中，磁流体动力对导电金属熔体具有2 个基本的作用，即修正 流体速度曲线和把紊流变成层流，从而影响了激光熔池流场，抑制了驼峰焊道形 成【3 0 j 1 3 1 l 。 因囟 ，。 ”、 、 ? j 考 匕：糍 l j7 筒7 i ； ， 繁 ：窆!翌 图1 4c 0 2 激光焊外加纵向磁场示意图 上世纪9 0 年代，哈尔滨工业大学的学者们研究了小电流t l g 焊电弧的磁控特 性，发现当激励磁场的频率小于8 5 0 h z 的时候，焊接电弧沿着焊缝的中心左右摆 天津工业人学硕士学位论文 动，电弧的直径随着频率增大而减少；当激励磁场的频率吠于8 5 0 h z 的时候，电 弧的形态与不加磁场的时候相似，但是，电弧的稳定性提高；当激励磁场的频率 在l 5 k h z 的时候，电弧的形态基本保持不变；当激励磁场的频率大于5 k h z 的时 候，焊接电弧发生了收缩，而且随着激励磁场频率的提高，电弧收缩加剧1 3 2 】。2 0 0 1 年西安交通大学的罗键对于外加纵向磁场的焊接过程，采用了钨极探针法和小孔 气体微压传感器分别测定外加纵向磁场g t a w 焊接的电弧在水冷c u 阳极板上的 电流密度和等离子流力的分布，并针对它的规律进行了深入的研究，研究得到外 加恒定纵向弱磁场小电流焊接电弧电流密度双峰分布物理模型【3 3 】【3 4 】。2 0 0 2 年南 昌航空工业学院的江淑园对磁控技术在焊接中的应用进行了研究，如图1 5 所示， 研究表明，在一定的焊接规范下，外加纵向磁场能有效地抑制c 0 2 焊短路过渡中 的飞溅，获得较好的工艺效果【3 5 j 。 图1 5 电磁作用装置原理图 2 0 0 3 年北京工业大学的殷树言教授等人利用磁场控制横向m a g 焊接焊缝成 型，利用外加磁场和控制焊接电流在熔池中的分布，使它们相互作用产生洛伦兹 力，平衡由于重力引起的熔池金属下淌，从而可以有效地控制焊缝成型，提高焊 接效率，消除由于重力影响引起的焊缝下垂以及熔透偏心等现剩3 6 1 。 图l - 6 横焊磁场控制焊缝成型的原理示意图 第一章绪论 2 0 0 6 年清华大学的黄士卫通过实验研究了焊接试板在经不同磁场方向的磁 场处理前后的残余应力分布，发现磁场方向垂直于最大应力方向时最有利于残余 应力的降低1 3 7 1 。 图1 7 磁处理装置示意 2 0 0 8 年北京工业大学华爱兵等人设计了一种横向旋转磁场发生装置，利用载 波和高频调幅波分别控制励磁电流和励磁频率的大小，并将该磁场应用于t i g 焊，利用磁场的旋转带动t l g 焊接电弧的旋转，考察了磁场参数对焊缝成型的影 响规律，分析了横向旋转磁场作用下t i g 焊电弧瞬时形态的特点，论述了横向磁 场影响焊缝成型的机理，结果表明合理设置横向旋转磁场的磁参数可简便、有效 地控制焊缝成型，能够满足不同场合的焊接要求i j 引。 vv 图1 8 旋转磁场发生装置 2 0 l o 年沈阳工业大学的常云龙利用外加纵向磁场作用t i g 焊接电弧，发现在 外加纵向磁场的作用下，t i g 焊电弧发生了明显的收缩，励磁电流一定时，励磁频 率越高，电弧收缩越明剧3 9 1 。 址 天津工业大学硕士学位论文 上述通过外加纵向或横向磁场对水平位置焊、横焊和立焊的应用，对全位置 焊接熔池的控制有着一定的借鉴作用，但是在横焊和立焊时，焊接熔池的重力与 熔池轴线夹角为垂直的9 0 度不变；而在实际全位置焊接中，熔池重力与熔池轴线 夹角随着熔池空间位置变化而变化，这意味着不同空间位置重力对熔池成形作用 的大小和方向是变化的，要求施加外力也要适应这种变化。因此从机理来看目前 传统外加磁场和焊接熔池电流互相作用对在全位置焊接时由于重力引起的各种 问题，诸如熔池失稳、金属下淌等问题无法进行有效的控制。 综合国内外全位置熔池控制方法可以看出：熔池的能量控制策略还无法突破 小熔池这一局限；从磁控焊接的角度，改变电弧力的大小和方向有一定程度的作 用，但其范围有限，而传统的外加磁场与焊接电流作用产生附加电磁力无法解决 全位置熔池控制的问题。 ( 3 ) 电磁成型技术 电磁成型技术始创于5 0 年代末期，在6 0 7 0 年代得到了快速发展，8 0 年代在 美国、前苏联电磁成型机己经标准化、系列化【4 0 】。在国内，7 0 年代末期，哈尔滨 工业大学开始研究电磁成型的基本理论及工艺，并于1 9 8 6 年成功研制了我国首台 生产用电磁成形机【4 1 1 。电磁成形的应用非常广泛，如平板毛坯成形、管坯成形、 连接、粉末成形等，如图1 9 所示。 ( a ) 电磁平板成形设备( b ) 电磁管坯成形设备 ， ( c ) 电磁铆接设备 ( d ) 电磁粉末成形设备 图1 9 电磁成型的应用 第一章绪论 目前，铸造行业兴起了电磁软连铸技术，这项技术的原理是在连铸的过程中， 如图1 1 0 所示，通过安装在连铸结晶器弯月面附近的线圈，将高频交变电磁场施 加于钢液，使其内部产生感应电流，由于集肤效应的影响，这种感应电流产生在 靠近结晶器壁的钢液区域，而钢液中心附近的感应电流比较小，此感应电流与交 变磁场相互作用，在靠近结晶器壁的钢液区域产生指向铸坯中心的电磁力，此电 磁力可以抵消钢液的净压力，减小了坯壳与结晶器壁间的接触应力和滑动摩擦 力，使它们之间呈现软接触的状态，使铸坯表面的质量得到明显改善1 4 2 | 。在此背 景下，结合在其它行业目前广泛应用的基于电涡流效应原理的技术提出了一种全 位置焊新型外加高频交变磁场，该磁场在熔池内感应出的电涡流与外加磁场的作 用，进而产生可抵消重力作用的附加电磁力来解决全位置焊稳定成形问题的思 想。 糯8 1 3 课题研究的主要内容 图1 1 0 电磁连铸工作原理 本文以全位置m a g 焊为研究对象，对外加高频交变磁场的励磁结构产生的 磁感应强度和电磁力进行了深入的研究。主要进行以下几方面的工作： 1 分析全位置焊熔池重力失稳的机理，找出影响全位置焊焊缝成形的原因。 2 提出一种新型外加高频交变磁场控制全位置焊焊缝成形的方法及其励磁 结构，使得所提供的高频交变磁场对全位置焊的焊缝成形起到良好的促进作用。 3 利用m a x w e l l 3 d 电磁场仿真软件对全位置焊励磁结构进行了仿真分析。通 过改变安匝数、电流频率和全位置焊励磁结构底端到焊接工件上表面的距离等参 天津工业人学硕士学位论文 数，分析这些参数对磁感应强度、电涡流强度和电磁力的影响规律，以此得到全 位置焊励磁结构的合理参数范围。 4 模拟计算熔池内附加电磁力的数值，并与熔池自身重力的切向分量进行对 比，验证外加电磁力平衡熔池自身重力的可行性。 5 通过具体实验对励磁结构产生的磁感应强度进行测量，并与仿真的磁感应 强度进行对比，以此分析仿真模型与实际情况是否相符。 6 进行实际焊接实验，通过对加磁场与未加磁场的焊接对比，验证新型外加 高频交变磁场对全位置焊的作用效果。 第二章全位置焊励磁结构的基本原理 第二章全位置焊励磁结构的基本原理 2 1 外加高频交变磁场的全位置焊的原理 2 1 1 全位置焊熔池重力影响焊缝成形的基本原理 在全位置焊接时，熔池重力的方向始终垂直向下，与水平位置焊接相比而言， 可以将重力g 分解为切向分量g ，和径向分量g o 来分析，如图2 1 所示： 图2 一l 重力影响熔池稳定成形原理图 从图2 1 中可以看出，在全位置焊接时在圆周的上半部，重力g 的切向分量 g ，是造成熔池失稳的主要原因；而在圆周下半部，重力g 的切向分量g ，和径向 分量g o 都对熔池力学平衡产生了影响，失稳现象更加严重，这也就是仰焊最难 焊接的重要原因。 因此全位置焊时要想实现熔池稳定成形，必须在焊接上半部时，给熔池施加 一个与重力g 的切向分量g ，相反的作用力。而在下半部，就必须产生一个与重 力g 的切向分量g ，和径向分量g o 相反的作用力。本课题正是以此思想作为熔池 稳定成形的基本方法，为焊接熔池提供一个外加的电磁力平衡熔池自身的重力。 2 1 2 基于电涡流效应原理的熔池附加电磁力 电涡流效应是一种自然界基本的物理现象，它的主要原理是在铁磁性介质中 天津工业人学硕：l 学位论文 如果存在变化的磁场就会在介质中产生感生电流即涡流，此感生电流与磁场相互 作用，可产生指向介质内部的电磁作用力【4 4 j 1 4 5 1 。 图2 2 电涡流效应示意图 那么如何给全位置熔池施加一个与重力分量相反的作用力，来保持熔池稳定 成形? 在其它行业广泛应用的基于电涡流效应原理的技术给我们提供一个很好 的思路。 目前在铸造行业广泛兴起的基于电涡流效应的电磁软连铸技术给我们提供 了一个很好的思路。如图2 3 和图2 4 所示，该项技术的原理是在连铸过程中， 通过安装在连铸结晶器弯月面附近的线圈，将高频交变电磁场施加于钢液，使其 内部产生感生电流，由于集肤效应的影响，这种感生电流主要产生在靠近结晶器 壁的钢液区域，此感生电流与高频交变磁场相互作用，在靠近结晶器壁的钢液区 域产生指向铸坯中心的电磁力，此电磁力可部分的抵消钢液的净压力，减小了坯 壳与结晶器壁间的接触应力和滑动摩擦力，使它们之间呈现“软接触状态，使 铸坯表面的质量得到明显改善1 4 6 1 1 4 7 1 。 图2 3 结晶器电磁搅拌示意图 结晶器 电磁搅拌器 冷却水 镪本 图2 4 旋转搅拌原理 第二章全位置焊励磁结构的基本原理 将上述技术原理应用于全位置熔池稳定成形控制中，如图2 5 所示，当给u 型励磁结构的左线圈1 和右线圈2 分别施加大小相等且方向相反的高频交变电流 i 1 和i 2 时，会分别产生对应的左高频交变磁场b l 和右高频交变磁场b 2 ；通过合适 的电流、频率和线圈匝数等参数的设计，可以使得在熔池内部的左高频交变磁场 b 的磁感应强度强度和右高频交变磁场b 2 的磁感应强度强度基本接近，磁场经 过线圈、铁芯、间隙空气、焊接工件与熔池形成闭合的磁场回路。该磁场作用于 熔池，就会产生电涡流。电涡流与通过该熔池的高频交变磁场相互作用从而产生 附加电磁力。由于集肤效应的影响，靠近熔池上部的磁感应强度大，而下部的磁 感应强度小，电磁力的大小可以近似地看作与磁感应强度大小的平方成正比，因 而导致熔池内产生的电磁作用力上大下小；熔池内部产生附加电磁合力f = f l - f 2 ( 其中f l 和f 2 分别为熔池内涡流环上部和下部受到的电磁力) ，合力f 的方向 与f l 的方向相同，用所产生的附加电磁合力克服影响焊接熔池稳定成形的重力。 图2 5 全位置焊外加高频交变磁场原理图 2 1 3 熔池附加电磁力克服重力分量的方法 将在熔池内部产生电磁合力曩分解为切向分量f - ，和径向分量f t o ，电磁合 力五分解为切向分量，2 ，和径向分量f 2 0 ，如下图2 6 所示： 天津工业大学硕士学位论文 焊接方向 ，、 旷 、一 叮玎 触 一勿 p 7 ，幻、 1 7；、 - 2 ，一7 、删旃。 ，- ， - _ i 图2 6 附加电磁力分量示意图 在臼= 0 6 9 0 。时，附加电磁力f 的切向分量f - ，与重力g 的切向分量g ，方向 ( 见图2 1 所示) 相反，可用于抵消重力的分量作用，使熔池稳定成形；在 口= 9 0 。1 8 0 。时，五的切向分量f - ，和径向分量，- o 与重力g 的切向分量g ，和径 向分量g o 方向( 见图2 1 所示) 相反，同样可抵消重力的作用。 在p = 1 8 0 。3 6 0 。时，在熔池内部产生合力e 的切向分量f 2 ，和径向分量f 2 0 同理可抵消重力的作用，实现熔池稳定成形。 这样在全位置焊接中，可使附加电磁力的分量用于抵消重力的分量，使熔池 稳定成形。 2 2 励磁铁芯的选型 2 2 1 励磁铁芯材料的选择 励磁铁芯必须满足以下几个要求：在工频下，铁心的温度系数小，铁心损耗 小，饱和磁感应强度高，一般要求铁芯的磁感应强度随着温度的升高而降低的小， 温度特性好，如果饱和磁感应强度随着温度的升高而大幅度下降时，则会导致励 磁铁芯饱和，所以铁芯在使用的过程中有最高温度限制，衡量的标准是居里点， 铁芯材料的居里点越高，表明使用温度越高，材料的性能越好1 43 1 。 通常使用的励磁铁心材料有硅钢片，铁镍合金和铁氧体等，下面介绍几种材 料的性能。 硅钢片： 硅钢一般应用在传统的低频设备上，为了减小涡流损耗，一般做成片层的结 第二章全位置焊励磁结构的基本原理 构。但是在中高频条件下工作时，铁芯的涡流损耗大，所以当工作频率超过1 0 k h z 的时候一般不选用硅钢片作为励磁铁芯。 铁镍合金： 铁镍合金的优点是相对磁导率大、矫顽力低、电阻率低等特点，但是它的价 格非常昂贵，而且工艺性能较差，一般用作控制用微电机、控制变压器和高灵敏 度变压器等精密仪器的铁芯。 铁氧体： 铁氧体的成分一般是氧化铁或其他金属的组成物，适合几千到几百兆赫兹之 间。由于软磁铁氧体材料的相对磁导率很高，电导率又很低，高频损耗小，而且 产品的一致性好，它是目前高频设备中使用量最大的材料，是中高频励磁铁心的 首选材料。 综上比较，当工作频率在几千赫兹以上时，选用铁氧体作为励磁结构的铁芯 是非常适合的，它具有较高的相对磁导率和较低的电导率，符合励磁铁芯导磁性 能好又不产热的要求，此外，铁氧体的价格相对比较便宜，选择铁氧体作为励磁 结构的铁芯又具有很好的经济性。 2 2 2 励磁铁芯形状的选择 目前市场上符合尺寸要求的铁氧体铁芯，主要有r m 型、e 型和u 型铁芯三种 结构。 r m 型铁芯： 如图2 7 所示，r m 型铁芯有较大的出线窗口和较好的散热条件，虽然尺寸上 符合要求，但是其外形不适合在左右两个分支上缠绕线圈，所以不选择其作为励 磁结构的铁芯。 图2 7 删型铁芯 e 型铁芯： 如图2 8 所示，e 型铁芯窗口大，散热好，结构规则，左右两个分支也非常适 天津工业人学硕士学位论文 合缠绕线圈，但是在实际加工中需要在中间打孔，由于中间分支的厚度尺寸较大， 而且这种材料“既硬又脆”，这就给实际加工带来了很多的困难，所以不选择其 作为励磁结构的铁芯。 图2 8e 型铁j u 型铁芯： 如图2 9 所示，u 型铁芯一般用在l k h z 以上的场合，它有比e 型铁芯更大的窗 口，能够缠绕更多匝数的线圈，根据原理在右偏心处打孔使得焊枪和右分支在一 个相对比较近的位置能够实现和e 型铁芯一样的功能，而且在加工中打孔的厚度 大大降低，从加工方便又不影响其性能方面来考虑，选择u 型铁氧体作为励磁结 构的铁芯。 图2 9u 型铁芯 加工后的u 型励磁结构的铁芯如图2 10 所示： _ 图2 一1 0 加工后的u 型励磁铁：舔 1 6 第二章全位置焊励磁结构的基本原理 2 3 励磁结构的组成 全位置焊励磁结构的组成如图2 1 1 所示，主要由u 型励磁铁芯和两个线圈组 成，其特点是结构简单、拆卸方便、灵活性强。u 型励磁铁芯的横梁尺寸为1 3 0 m m 4 0 m m x 3 0 m m ，两个分支的尺寸为3 0 m m 4 0 m m 8 0 m m ；焊接工件的尺寸为 2 0 0 m m 1 0 0 m m 5 m m ；线圈的线径为l m m ，匝数为5 0 匝。在u 型铁芯中心线偏 右2 2 5 m m 的右偏心处打一个直径为2 5 m m ( 因为焊枪直径约为2 5 m m ) 通孔，使 得焊枪从该通孑l 中穿过，焊枪头距离u 型励磁结构的底端为5 m m 。 一 蠢 焊枪 1 3 0 3 日 】2 5 e 型铁芯一 线圈2 i 戋圈l 叉 1 又 【件 l： j、 、 i f l 2 0 0 图2 1 1 励磁结构的组成 表2 一l 材料参数 u 型铁芯、线圈和焊接工件的材料参数见表2 1 。u 型铁芯的材料为软性锰锌 铁氧体，这种材料的特点很符合励磁结构导电性好产热量低的设计要求；线圈的 材料用线径l m m 的铜导线，最高能承受的电流为6 a ；焊接的工件材料选择工业 管道最常使用的q 2 3 5 。 天津工业人学硕士学位论文 2 4 本章小结 1 分析了全位置焊熔池重力失稳的机理，分析得到在全位置焊接圆周的上半 部分重力的切向分量造成熔池失稳；而在圆周的下半部重力的切向分量和径向分 量造成熔池失稳。 2 提出了一种新型全位置焊外加高频交变磁场控制焊缝成形的方法，利用外 加高频交变磁场作用于熔池，使得熔池感应出电涡流，利用感应出的电涡流与该 外加纵向磁场作用产生电磁力，利用该电磁力平衡熔池自身重力的切向分量，使 得熔池铁水不会向下流淌，从而实现焊缝的稳定成形。 3 对励磁结构的铁芯进行选型，分别从励磁铁芯的材料和结构两方面对励磁 结构的铁芯进行考虑，分析了各种材料和形状的铁芯各自的优缺点，最后确定了 使用u 型铁氧体作为励磁结构的铁芯。 第三章电磁场的模拟仿真与分析 第三章电磁场的模拟仿真与分析 本章以美国a n s o r 公司研发的三维电磁场仿真软件m a x w e n3 d 作为工具，对 全位置焊外加高频交变磁场在参数变化的条件下的磁感应强度变化和电涡流变 化进行了仿真分析。 3 1 有限元分析 本文采用有限元方法对外加高频交变磁场进行计算和分析，为了使得计算和 分析问题简便，并做了如下的假设： ( 1 ) 线圈的线匝皆是同轴圆环回路； ( 2 ) 线圈的线匝紧密填充了线圈的全部空间，且具有无限薄的绝缘，即线 圈之间没有空气间隙； ( 3 ) 线圈的线匝在径向和轴向均为均匀缠绕，电流沿着对称轴截面均匀的 分布，且对称轴正向和电流密度方向构成右手螺旋关系； ( 4 ) 如果没有特殊说明，所有单位均采用国际单位制( s i ) 【4 引。 3 1 1 外加高频磁场的计算模型 全位置焊接外加高频交变磁场的计算模型为三维的，其三维视图如3 1 和图 3 2 所示，该模型具有以下特剧2 l 】： ( 1 ) 高频交变磁场计算模型的媒质较多 全位置焊外加高频交变磁场的计算模型所涉及的媒质有工件、两个通电线 圈、空气以及无限开放的空间，由于焊枪内部组成比较复杂，所以这里不考虑焊 枪进行简化处理。 ( 2 ) 高频交变磁场计算模型所涉及的区域大，但是之后进行磁场、电涡流 场、力场计算时所涉及的区域相对来说又非常小 全位置焊外加高频交变磁场的计算模型是无限开放的空间区域，励磁结构和 和工件都被空气所包围。带电线圈产生的高频交变磁场不能够在励磁结构和工件 之间形成闭合回路，因此，励磁结构和工件之间的磁场分布要受到周围空气介质 的影响，在进行磁场的计算的时候，计算模型周围必须包含空气介质层，由于计 算时不能够把周围所有的空气层全部包括进来，根据m a x w e l l 软件的规定，在进 行开放空间计算时，空气层选取计算模型的3 5 倍为宜，所以本文在选择空气层 天津工业大学硕士学位论文 厚度的时候，选择计算模型的3 倍，以使得励磁结构和焊接工件能够被空气包围。 图3 1 全位置焊接外加高频交变磁场的磁场分布计算模型 罕气超鼻 。尹铺 3 1 2 控制方程 图3 2u 型励磁结构示意图 所有宏观电磁场现象的数学模型，称之为麦克斯韦方程组，它是电磁场理论 的基础，也是工程电磁场数值分析的出发点，麦克斯韦方程组实际上是由四个定 律组成，分别是安培环路定律、法拉第电磁感应定律、高斯电通定律和高斯磁通 定律( 亦称磁通连续定律) 【4 9 l 。 麦克斯韦方程组基本变量为四个场向量：电场强度e ( v m ) ，磁感应强度a ( t ) ，电位移向量d ( c m 2 ) 和磁场强度何( 刖m ) ，及两个源变量：电流密 第三章电磁场的模拟仿真与分析 度( a m 2 ) 和电荷密度( c m 2 ) ，在静止的媒介中它的微分形式可以表示为【5 0 】： v 昏望 a ( 3 1 ) v a ：n 塑 a ( 3 - 2 ) v 肛妒 v b = o v j = 0 ( 3 3 ) ( 3 _ 4 ) ( 3 5 ) 为了表现在电磁场的作用下媒介的宏观电磁特性，还应该给出以下两个媒介 的构成关系表达式： j = 盯e ( 3 _ 6 ) b 叫h ( 3 7 ) d = 占e ( 3 8 ) 式中，是磁导率，仃是电导率。 对外加高频交变磁场全位置焊来说，分为涡流区和非涡流区，其中涡流区为 熔池和工件区域，非涡流区为空气和励磁结构区域，所以磁场的控制方程分别为： 涡流区( 熔池和焊件区域) ： 娑；v 矿上v 2 a 反 胪 ( 3 9 ) v 矽5 0 ( 3 1 0 ) 非涡流区( 空气和励磁结构区域) ： v 防a h 扣 ：j s 俘。， 式中，伊为标量磁位。 3 1 3 有限元网格剖分 在进行有限元数值模拟的过程中，有限元的选取及其网格的剖分是非常重要 的环节，如果运用错误的单元类型去计算将会导致计算结果的误差极大，使得计 天津工业大学硕士学位论文 算不准确；当网格剖分的时候，如果剖分方式和网格的密度选择不合理，将会对 计算的时间和计算的结果产生巨大的影响。下面针对外加高频交变磁场的全位置 焊的实际情况，分别加以阐述。 ( 1 ) 有限单元的选取 在三维模拟计算中，a n s o rm a x w e l l3 d 仅仅支持四面体单元，也称为三棱锥 单元，该单元的形状简单，对于复杂的三维实体和复杂的曲面实体来说，网格剖分 稳定，采用四面体单元作为网格剖分，可以使得所计算的模型有一个更稳定更真实 的结果。 图3 3m a 】【w e l l3 d 中的单元网格形状 ( 2 ) 有限元的网格剖分 在确定完有限元单元之后，就要用该单元对计算模型进行网格剖分了。对于 计算模型的剖分来说，我们关心的是焊接区域的模拟结果，所以焊接工件和熔池 部分应当剖分的细致一些，选取单元边长最长为0 1 m m ，单元数量为1 0 0 0 0 个， 对于非焊接区域的励磁结构部分，在保证计算精度的前提下，考虑到计算时间， 可以剖分的相对粗一些，在这里选取单元边长为l m m ，单元的数量为默认的1 0 0 0 个，剖分结果见图3 4 所示。 图3 4 外加高频交变磁场全位置焊计算模型的剖分结果 第三章电磁场的模拟仿真与分析 3 2 结构参数对磁感应强度的影响 3 2 1 安匝数对磁感应强度的影响 把电流频率和距离( 励磁结构底端到焊接工件上表而的距离) 设为定值，分 析安匝数的变化对磁感应强度的影响。电流频率设为1 0 k h z ，励磁结构底端到焊 接工