（机械电子工程专业论文）磁控焊接电弧旋转磁场发生装置的设计.pdf

摘要 摘要 在焊接过程中引入磁场控制已成为一种正在发展的先进焊接技术，这种技术被 称作磁控电弧焊接技术。电弧作为一种等离子体，具有优良的导电性，用外部磁场 可以改变电弧的形态和运动特性，影响焊缝熔池和熔滴过渡形式，大大改善焊接工 艺，提高焊接生产效率。 传统的外加磁场形式主要包括横向磁场，纵向磁场和尖角磁场等几种，励磁方 式主要采用直流、交流以及脉冲励磁等。本文基于以上几种磁场形态和励磁方式的 特点，提出了“以动制动”的控制思想，即用动态变化的磁场来控制电弧的运动，研 制了一套新型旋转磁场发生装置，本装置包括磁头装嚣和励磁电源两部分。 磁头装置采用六磁极对称励磁方式设计，励磁线圈和励磁角度的设计使产生的 磁场恰好作用于焊接电弧区域以实现对电弧的有效控制；磁头的绝缘，冷却，密封 设计避免了焊接过程中外界因素对磁场的干扰；磁头整体的小型化使该装置可以实 现多种形式的焊接工艺。 励磁电源结合步进电机原理与脉宽调制技术，选用智能功率模块i p m 作为逆变 开关器件，输出交流脉冲励磁信号，以调节励磁转换频率和励磁电流大小为手段， 实现对磁场旋转频率和磁场强度大小的有效调节，并通过闭环反馈实现闭环恒流控 制。 通过对产生磁场的空间分布，形态特征，以及旋转频率和场强大小的测试证明 该磁场是一个高速旋转的磁场空间，而且磁场主要集中分布在焊接电弧区域内，磁 场的旋转频率和场强大小都可以通过励磁电源进行良好调节。通过大量t i g 焊接试 验证明该套装置能够实现对焊接电弧的控制，并且得出了外加旋转磁场作用下电弧 运动行为的变化规律，为该装置迸一步应用于m i g m a g 工艺提供了可靠的保障。 关键词：旋转磁场；i p m ；恒流控制；磁场分布；焊接电弧 a b s t r a c t a p p e n dm a g n e t i cn e l dc o n t 】d lo nw e l d j n gp f o c e s sf sa na d v a n c e dw e l d i n gt e c h l o 舒w h i c hi s d e v e l o p i n gn o wa sp l a s m a ，w e l d i n ga r ch a sw e i ie i e c t 订cc h a r a c t e le n e r i o rm a g n e t c 疗e l dc a na 行色c t s h a p ea n dm o v e m e n to fw e l d i n ga r c a n dt h ew e l d j n gb e a da n dd r o p st i 锄s f c rc a na l s ob ec h a n g e dt o i m p r o v et h ew e l d i n gp r o c e s sa n da d v a n c e dt h ep r 甜u c t i v i 吼 c o n v e n t i o n a lm a g n c t i cf i e l df b 蛳u s e d - nw e l d i n gt e c h l o g yi n c l u d i n gh o r j z o n t a lm a g n e t i c 西e l d v e r t i c a lm 哪e t i cn e l da n ds h a r p - 锄g i e dm a g n e d cf i e i d ，m a i n l ye x c i t e db yd c ，a ca n dp u l s ee x c i t a t i o n b a s e do nc h a r a c t e r j s t i c s 曲o v e ，an e wt h e o r yo f “c o m r 0 i n gm o v e m e n tb ym o v i n g i sp r o p o s e d ，w h i c h m e a n st h a tc o n 廿d i l i n gw e l d i n ga r cb ym o v i n gm a g n e t i c 矗e l d an e wd e v i c ef o rg e n e r a t i n gm t a t i n g m a g n e t i c 矗e l di sd e s i g n e d ；m a g n e t i ch e a da n de x c i t a t i o np o w e rs o u r c ea r ei n c l u d e d m a g i l e t i ch e a di sd e s i g n e db ys i xm a g n e t i cp o l e si ns y m m e 州c a id i s t r i b u “o n ，t h ed e s i g no f e x c i t a t i o ni o o pa i l de x c i t a l i o na n g l em a k e sm a g n e t i cn e l da c to nw e l d i n ga r cr e g i o nw h i c hc o u l d c o n 订o lw e l d n ga r ce 彘c t i v e l y n ei n s u l a t i 彻，c o o i 订ga n d h e 册e t i z a t i o no fm a g n e t j ch e a da v o dt h e i n n u e n c eo nm a g n e t i cf i e l do f o u t s i d e ；m i n j 枷r i z a t i o nd e s i g no f m a g n e t i ch e a dc o u l da c h i e v ed i f r e r e n t w e l d i n gp r o c e s s t h ed e s i g no fe x c i t a t i o np o w e rs o u r c e do np r i n c i p l eo ft h r e ep h 鹤es t e pm o t o ra n dp u l s e w i d l hm o d u la i o n ( p w m ) t e c h n o l o 必i n t e l l i g e n tp o w e rm o d e l ( i p di su s e df o ri n v e r t e rs w i t c h e s ，t h e o u t p u ta cp u l s eu s e da s e x c i 协t i o ns i g n a l s ，t h es p e e do fr o t a t i o na n dm a g n e t i ci n t e n s i t yc 8 nb e c h a n g e db yr e g u l a t ct h ee x c i t j n gc d n v e r t e df r e q u e n c ya n dm a g n i t u d eo fe x c i t i n gc u r r 它n t c 0 n s t a n t c u r r e n ti sa c h i e v e db yc i o s e d1 0 0 pf e e db a c k b y 铂e t e s to f t h r e e d i m e n s j o n a id i s t r i b u t i o n ，f o m lc h a m c t e hr o 诅t j n gf r e q u e n c y 柚dm a g ne t i cf i e l d i n t e n s i t yo fm t a t i n gm a g n e t i cn e i d ，i ts h o w e dt h a it h em a g n e t i cn e l dp r o d u c e di sah i g h l yr o t a t i n g m a 船e t i cn e i da n dm a i n l yd i s t r i b u t eo nw e l d l n ga r cr e g i o n ，f o t a t i 玎g 骶q u e n c y 锄dm a g n e t j ci n t e n s i t y c a nb er e g u l a t e dt 1 1 r o u g he x c i t a t i o np a w e rs o u r c e b 髂e do nl o t so ft i ge x p e r i m e n 拓，i tc a nb e c o n c l u d e dt h a tw e l d i f 培a r cc 蛆b ew e uc o n 仃d l l e d ，t h ec h a r a 曲。r i s t i co fm o v e m e n tb e h a v i o ro fw e l d i n g a r ca r eg o n e n ，w h i c hl a yr e l i 曲l eg u 跏t e eo n 印p l i c a t i o no f m i g m a gw e l d n gt e c h n o i o g x k e y w o r d sr o t a t i n gm a g n e t i cf i e l d ；i p m ；c o n s t a n tc u 兀弓n tc o n t m l ；d i s m b u t i o no ft h em a 驴e t i cf i l e d ； w e l d n ga r c 1 i i 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他入已经 发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 签名：至整煎 日期签名：查! 丞日期 关于论文使用授权的说明 0 6 凌6 莰 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保 留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅：学校可以公布论文的全部或部分内 容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：兰拯导师签名 第1 章绪论 1 1 引言 第1 章绪论 弧焊技术是现代焊接技术的重要组成部分，其应用范围几乎涵盖了所有的焊接生产 领域。近年柬随着市场竞争的日趋激烈，提高焊接生产效率、保证产品质量、实现焊接 生产自动化、智能化越来越得到焊接生产企业的蓐视，而人工智能技术、计算机视觉技 术、数字化信息处理技术、机器人技术等现代高新技术的融入也促使弧焊技术正朝着焊 接 ：艺高效化、焊接电源控制数字化、焊接质量控制智能化、焊接生产过程机器人化的 方向发展l l j 。熔化极气体保护焊以其高效、节能、操作简单方便、便于实现机械化和自 动化等特点，在实际生产中得到广泛的应用，并已经成为手工电弧焊的替代工艺1 2 - ”。 近几年在气体保护电弧焊接领域中，对于如何改善焊接质量和提高焊接生产率两个方 面，都进行了大量的研究。鉴于当今各工业国的焊接技术工人队伍呈逐年减少，而焊接 生产中的劳动力费用逐渐增高之势，因而对于如何实现焊接工艺的智能化、如何减少辅 助工时、如何提高焊接速度和如何提高焊丝熔敷速率的问题就更为重视【4 4 j 。 实践表明，倘单地通过提高焊接电流而不采取相应的控制措施，焊接生产效率的提 高是有一定限度的。当焊接电流超过临界电流时会带来一些与常规速度焊接时不同的 问题。其中最主要的是过渡过程进入到不稳定的旋转射流过渡，这时焊接过程中的飞溅 非常之大，焊缝成型非常之差，很难在生产中使用。由于电弧等离子体的良好导电性， 网此提供了外部磁场对它的可作用性，也就是通过外部磁场可以改变电弧的形状和位 置，或者控制电弧的运动【8 - 。这就为通过外部磁场对焊接工艺进行控制提供了可能性。 研究发现；外加磁场作用下的焊接技术改变了电弧焊的电弧形态，影响母材熔化和焊缝 成形；通过电磁搅拌作用，改变焊接熔池液态金属结晶过程中的传质和传热过程，从而 改变晶粒的结晶方向，细化一次组织，减小偏析，提高焊缝的力学性能，降 氐气孔、裂 纹等焊接缺陷的敏感性o 。在商效焊接领域，采用外加磁场来控制焊丝端部液流束和 焊接电弧的运动形式，以提高送丝速度( 焊接电流) 是一种目前比较先进的控制方法， 它可以提高液流束旋转过程的稳定性，较好地实现在连续大电流区间内获得磁场作用下 无氦保护的低成本、高效m a g 焊接新工艺i l ”。 将外加磁场应用到焊接领域已经有很长的历史，最好可以追溯到1 9 4 1 年a m i i l l l g e r 等人开始研究电磁搅拌对点焊的作用【l q 。而随着人们研究的深入，逐步将磁场形式集中 在横向磁场，纵向磁场和尖角磁场上。在七、八十年代，国外学者( 特别是前苏联学者) 对磁场与电弧的相互作用进行了比较多的研究，如前苏联的基辅工业大学研究了纵向 磁场作用下的薄板脉冲1 1 g 焊接的熔池流动和细化晶粒规律，通过电场和磁场共同作 用控制熔池凝固结晶过程；巴顿焊接研究所口”研究了低压等离子体在磁场中的收缩特 用控制熔池凝固结晶过程；巴顿焊接研究所口”研究了低压等离子体在磁场中的收缩特 。：，。，：。，。，。，! ! 塑；些：釜! ：鲨鎏i 鎏，。，。：，。，。，。 性：英国利兹大学和美国耶鲁大学阱】研究了磁场作用下旋转电弧的电极烧损问题：英国 利物浦大学的研究结果表明在磁场作用下电弧旋转速度可大大增加；f f 本大阪大学】 研究了闪光对焊时电弧的在整个焊接过程中旋转速度的变化问题；德国汉诺威大学研究 了磁场作用的焊接行为与焊丝熔滴的形成过程，指出各种形式的纵向磁场( 直流、交流、 脉冲) 对m i g m 俄g 焊接工艺的不同影响等等。 1 2 磁场控制焊接技术发展现状 随着材料科学与工程技术的发展各种新型焊接工艺不断涌现，在焊接过程中引入磁 场控制成为一种正在发展的先进焊接技术，这种技术被称作电磁搅拌焊接技术、电磁作 用焊接技术或磁控电弧焊接技术【l ”。在八、九十年代，国内的学者对磁场在焊接领域中 的应用进行了卓有成效的研究。西安交通大学针对纵向间歇磁场对t i g 焊熔池的晶粒 细化进行了深入的研究1 2 5 】；太原工业大学对双尖角磁场对等离子弧的二次压缩作用进行 了出色的研究，将电弧压缩成椭圆形，在穿孔等离子焊接中得到较好的应用口5 。2 7 】；北京 工业大学对纵向磁场对电弧的作用进行了比较系统的研究，并将其应用到大电流高熔敷 率旋转射流过渡的m a g 焊接工艺中，取得了较好的效果。 电弧等离子体具有良好的导电性、电准中性和与磁场的可作用性等特点，因此为磁 场控制焊接电弧的位置、形状以及运动提供了可能。而电弧弧柱和熔滴内部存在电流的 流动，那么，当把它们置于外加磁场中时，必将会发生磁场与焊接电流的相互作用，产 生使电弧或熔池金属运动的洛伦兹力，从而改变电弧和熔池金属的受力状态和运动状 态，而且这种变化会随着外加磁场的变化而变化。这样我们就可以根据不同的目的和要 求，选择不同形式的磁场来控制焊接电弧、熔滴过渡以及熔池金属的运动1 2 ”0 j 。 电磁作用焊接是一种逐渐完善起来的焊接技术，根据磁场的作用对象不同，可以把 磁场控制焊接技术主要分为以下三类： ( 1 ) 外加磁场对焊缝熔池的影响； ( 2 ) 外加磁场对焊接电弧的控制； ( 3 ) 外加磁场对熔滴过渡的影响。 1 2 1 外加磁场对焊缝熔池的影响 当磁场交替变化时会对熔池金属有搅拌作用，即可以影响熔池金属的结晶过程，改 善焊缝的组织和性能。当有磁场作用时，电磁搅拌细化晶粒主要是通过三个途径增加了 形核率：1 ) 熔池尾部的树枝晶碎片；2 ) 熔池边缘半熔化晶粒的分离；3 ) 异质形核粒 子口”。形成晶核后在长大过程中，电磁作用可改变熔池形状，也可改变传热方向，从而 使最大散热方向不断变化。这样，一个树枝晶晶粒沿最大散热反方向生长的时问很短， 另一个枝晶晶粒沿另一最大散热反方向长大，因此每个枝晶晶粒生长时间很短，从而减 小了晶粒尺寸i j “。 在9 0 年代，西安交通大学殷咸青、罗键等通过对外加间歇交变纵向磁场作用下 l d l o c s 铝合金h e t i g 焊缝组织的分析，发现磁场参数中磁感应强度b 、磁场交变频 率f 和磁场断通比q 对焊缝组织细化效果影响很大。磁感应强度b 与磁场交变频率f 不能单独选择，必须恰当匹配，同时还必须与焊接规范参数相适应才能获得最佳细化效 果口4 。3 5 1 ，如图1 1 所示。 f = 2 h zb = = o 0 4 t f = 5 h zb = o 0 4 t 图1 1 不同磁场频率作用f 焊缝金属的微观组织 f i g 1 _ lm i c r o c o s m i cf b 加o f w e l d i n gb e a di nd i 脯r e n tm a g n e t i cf i e i df r c q u e n c y 1 2 2 外加磁场对焊接电弧的控制 外加磁场的形态不同对焊接电弧的控制效果也不同，横向磁场是指磁力线垂直通过 电弧轴线的磁场。图1 2 a 为外加直流横向磁场，根据左手法则，可以使电弧偏向一侧。 若外加一个交变的横向磁场，则在交变横向磁场的作用下，电弧也按照横向磁场的交变 频率发生摆动，相当于把电弧的加热区加宽，如图1 2 b 所示。这种方法可以用来焊接 薄板，也可以用来控制堆焊电弧，得到较浅的熔深p 8 】。 a ) 直流横向磁场 a ) h o r i z o n t a lm a g n e t i c n e l do f d c b ) 交变横向磁场 b ) h o r i z o n t a lm a g n e t i c f i e i do f a c 图1 2 横向磁场对电弧的作用 f 嘻l - 2t h ee 腩c to na r cb yh o r i z o n t a lm a g n e t i cf i e l d 北京工业大学工学项上学位论文 外加纵向磁场时如图1 3 所示，外加磁场磁力线的方向与电弧的轴线方向平行，如 果电弧中带电质点运动的方向也与电弧轴线的方向保持严格的平行，此对外加纵向磁场 对电弧不产生任何作用。如果电弧中带电质点运动的方向与外磁场磁力线不平行，带电 质点将受到磁场的作用，因电弧主要是电子流，则作用力的向量为： f ：p ；西 式中e 电子电荷量 ；电子运动速度向量 b 磁感应强度向量 图1 3 纵向磁场对电弧作用 f 一3 t h e e 虢c t o na r cb y v e r t i c a l 新向 图1 4 电子在磁场中的运动 f - 4 t h e m o v e m e m0 f e l e c t m n i n m a g n c t i ct i e i d m a g n e t j cf i e l d 如果一个电子在磁场b 中以速度v 运动，如图1 4 所示，电子垂直于磁力线方向 的速度分量1 ，将产生磁场作用力f ，其方向垂直于v 一，电子的速度方向与受力 方向互相垂直，结果使电子产生圆周运动。这个电子除了有v ，运动速度外，还有v y 运动速度，所以电子的实际运动路线是一条螺旋线3 叫2 1 。 因此在外加纵向磁场作用下，电弧中带电粒子的运动将变成平行磁力线的螺旋运 动。外加磁场强度越大，螺旋的半径越小。因此纵向磁场可以限制电弧的扩散，使电弧 能量更集中，可以增加焊缝熔深【4 3 小】。 外加尖角磁场是由相对为n 极和s 极的两对磁极产生的，在外加尖角磁场作用下， 电弧弧柱的形状变为椭圆形，如图1 5 所示，这种情况下，焊接电弧能量密度和电场强 度都得到提高 4 5 4 7 1 。 图1 - 5 外加尖角磁场对电弧的作用 f i g 1 - 5 t h ee f r e c t o na r cb ys h a r p a n 9 1 e d m a g n e t i c f i e l d 1 2 3 外加磁场对熔滴过渡的影响 北京工业大学徐鲁宁采用纵向磁场控制焊接电弧，以无h e 混合保护气体，在连续 大电流区间获得了稳定的旋转射流过渡形式；解决了连续大电流区间熔滴过渡稳定性问 题，实现了无h e 混合保护气体的高熔敷率m a g 焊接工艺。如图1 6 所示。 ( a ) 无磁场控制 ( b ) 有磁场控制 ( a ) w 汕o u ta d d i 矗o n a lm a g n e t i cn e l d( b ) w 油a d 曲i o f l a im a g n e t i cf i e l d 图1 6 纵向磁场作用前后的电弧形态以及熔滴过渡 f i g 1 - 6t h ea r cm o d a l i i y 柚dd r 叩st f 哪船e 恐c tb yv e 帕c a lm a g n 鲥cf i e l d 从高速摄像照片上看，在外加磁场作用前，电弧没有固定形态；熔滴过渡也极不稳 定，向四周甩出，形成大量飞溅。外加磁场作用之后，电弧形态及熔滴过渡行为发生了 明显变化。电弧形态由不稳定形状变成稳定的锥形，而且锥顶角基本保持不变：同时， 熔滴过渡形式由不稳定的旋转射流过渡转变为稳定的旋转射流过渡。由此可见，外加磁 场能够控制电弧形态，进而影响控制熔滴过渡过程1 4 ”o 】。 北京工业大学王军对纵向磁场控制高效m a g 焊接旋转射流过渡的稳定性做了进一 步的探讨，图1 7 和图1 8 所示分别为采用不同的励磁装置进行焊接的过程。从试验结 果可以看出，在相同的焊接规范情况下，采用没有导磁铁芯的励磁装最进行控制的焊接 过程，焊接电弧以及液流束的旋转半径比较大，焊接电弧的烁亮区包围液流束的部分仍 然比较少，所以液流束受到的电弧力使得液流束有较大的旋转半径。而采用带有导磁铁 芯的励磁装置进行控制的焊接过程，焊接电弧以及液流束的旋转半径比较小，这时焊接 电弧的烁亮区包围液流束的部分比较多，焊接电弧与液流束之间位置和形态的上述变 化，改变了作用在液流束上的受力状况，使得焊接过程更加稳定而有规律【5 1 5 2 1 。 图1 7 采用不带有导磁铁芯的励磁装置焊接过程 f 皓1 7t h ew e l d l n gp r o c e s sc o n t m l l e db yt h em a g 玎e t i c 疗e l d w i t h o u ta d d j t i o n a lm a g n e n cc o r e 图1 8 采用带有导磁铁芯的励磁装置焊接过程 f i g 。l 一8 t h e w e i d i n g p r o c e s s c o n t r o n e db y t h e m a g n e c f i e l d w n ha d d i t i o na 1m a g n e t i cc o r e 第l 章绪论 1 3 磁场控制焊接技术发展所面临的问题 目前，对磁场作用下焊接技术的研究大多局限在电弧焊领域，随着人们对电磁场理 论的进一步了解，人们尝试把磁场控制技术应用在其他焊接方法中，并且取得了一定成 绩，如电磁场作用的电阻焊、c 0 2 激光焊。对于磁场形态，国内外学者主要将精力集 中在横向、纵向和尖角磁场等几种磁场形态上，励磁形式主要采用直流、交流、脉冲等 几种，通过长期的实践取得了卓有成效的研究成果。对于控制电弧和焊缝成型，横向磁 场具有较大的可能性；对控制金属一次结晶过程和管道焊接，纵向磁场有较大的可能性； 而尖角磁场可以压缩和拓宽电弧，使用于切割和堆焊工艺。但目前采用磁场控制焊接电 弧也存在着一定的局限性，主要集中在三个方面，一是局限于电弧整体运动行为的研究， 如磁偏弧( 电弧摆动) 、磁旋弧( 电弧在磁场作用下旋转，进行管道全位舞焊接) 等； 二是局限于电磁力搅拌熔池、细化焊缝晶粒的作用，即通过电磁力的搅拌作用搅拌熔池， 强迫液态金属流动，对成长的晶粒进行冲刷、剪切而破碎；三是局限于静态磁场对非熔 化极电弧的拘束作用，如通过纵向磁场和尖角磁场对电弧的拘束作用，提高非熔化极电 弧的能量密度1 5 ”。随着电力电子技术和磁控焊接技术的发展，人们更寄予对新型磁场 发生装置的开发，希望通过对空间磁场的合理分布与控制，获得理想的磁场形态，从而 更有效的控制焊接电弧，完善焊接工艺。 1 4 本文的研究意义 传统的磁场形式即横向磁场，纵向磁场，尖角磁场等都是静态磁场，在焊接时都是 通过调节励磁电流大小来改变磁场强度大小，进而控制焊接电弧，这样，电弧的旋转频 率只取决于励磁电流的频率，一般无法调节，而励磁电流的频率一般较低只有几十至几 百赫兹。本文所研究的旋转磁场是在结合以上几种磁场特点的前提下研制的一种新型磁 场形式，其采用的是“以动制动”的控制思想，产生一个旋转频率和场强大小都可以 调节的旋转磁场空问，即通过调节磁场旋转频率和磁场强度大小两种方式相结合的方法 来控制电弧，使电弧能在磁场的控制下以不同的速率和半径旋转，更有效的控制焊接电 弧，改善焊接工艺。 1 5 本文的主要研究内容 通过对国内外磁控技术的研究发现，影响焊接质量的重要因素是磁场形态，如何产 生理想的磁场形态达到稳定拘束和控制电弧的目的是磁控焊接技术未来发展的方向。因 此，本课题将着重从改变磁场形态出发，研制一种新型旋转磁场发生装景，通过调节励 北京工业大学t 学硕士学位论文 磁线圈的励磁转换频率和励磁电流大小来控制磁场旋转频率和磁场强度，产生一个转速 和场强都可调的旋转磁场空间，同时采用磁头与焊枪结合的设计方式，将产生的旋转磁 场完全导入电弧区域用来控制电弧，进而实现弧焊工艺控制。本文还要研究旋转磁场对 t i g 电弧的控制作用，分析外加旋转磁场作用下电弧的静特性，电弧形态和电弧的运动 行为。综合起来本课题的研究内容如下： ( 1 ) 研制一台旋转磁场励磁电源，使其能够在一定范围内实时调节磁场旋转频率 和磁场强度大小。 ( 2 ) 设计与焊枪合为一体的磁头装置，确保该装置励磁可靠，同时绝缘、冷却， 密封性能良好。 ( 3 ) 对旋转磁场进行测试，研究旋转磁场的分布、形态特点以及变化规律。 ( 4 ) 通过t i g 焊接试验，分析外加旋转磁场作用下电弧形态的变化规律，以及焊 接电弧的运动行为。 第2 章旋转磁场的产生机理 第2 章旋转磁场的产生机理 研究旋转磁场的目的是为了用动态变化的磁场来控制焊接电弧，以实现“以动制动” 的控制思想，旋转磁场与以往的静态磁场最大不同在于不仅其场强大小可以调节，而且 磁场的旋转频率也可以调节，这种动态变化的磁场对电弧具有更好的拘束控制作用，可 以改善焊接工艺。本章将阐述旋转磁场的产生依据，同时对这种新型磁场的实现过程和 控制特点做出科学论断。 2 1 旋转磁场的产生依据 通常所说的旋转磁场是指交流电机气隙中的磁场，因其沿定子、转子铁芯圆柱面不 断旋转而得名。旋转磁场是电能和机械能之间互相转换的基本条件。通常三相交流电机 的定子都有三相绕组，将绕组嵌入在定子铁芯槽内，按一定规律连接成三相对称结构。 任意一相绕组通以交流电流时产生的是脉振磁场。但若以平衡的三相电流通入三相对称 绕组，就会产生一个在空间旋转的磁场1 5 5 4 ”。通过对励磁绕组励磁方式的控制可以实现 对转子旋转角度和旋转频率的控制，从而实现了将电信号变换为机械旋转运动的控制方 式。励磁线圈有多种励磁控制方式，常用的有三相单三拍，三相双三拍，以及三相六拍 等，每种方式都有其各自的优点，一般根据工作要求来选择不同的控制形式。 在磁控焊接技术中所说的旋转磁场是根据上述交流电机旋转磁场的工作原理，将焊 接电弧视为电机中转予，即将定子产生的旋转磁场作用于焊接电弧，由于电弧具有导电 性、电准中性和与磁场的可作用性等基本特点。这样就可以实现通过控制外加旋转磁场 的方式来控制焊接电弧的旋转，同时根据焊接工艺的要求，采取合适的磁场控制方式来 调节焊接电弧的旋转频率和旋转速度，进而实现旋转磁场作用下的新型焊接工艺。 2 2 旋转磁场的产生过程 在空间相差定角度的几对磁极，在磁极上绕有励磁线圈绕组，当励磁线圈中通过 几组相差一定相位的励磁电流时，几对磁极所包围的空间内就会产生旋转的磁场p j 。在 这里我们用两对磁极的情况来分析旋转磁场的产生过程，如图2 一l 为旋转磁场发生装置 的示意图，如图2 2 为励磁绕组所旋加的励磁电压波形。这里我们把电压的一个周期分 成四个部分，分别为旋转磁场的四种静止状态，如图2 3 a 为在a 时间段内磁场的分布， 如图2 3 b 为在b 时间段内磁场的分布，如图2 3 c 为在c 时间段内磁场的分布，如图 2 3 d 为在d 时间段内磁场的分布。前面分析的是一个周期内磁场的本部情况，综合起 一：，一，：一。一一。苎鸯型奎兰鬈! 里：丝耋一。一一，：。，一一一一 来，如果励磁绕组中通过连续的电流时候，在磁极包围的空间内就会产生连续的旋转磁 场。 围2 1 旋转磁场发生装置原理图 f i g 2 1t h es c h e m a t i cd i a g r a mo f r 0 诅t j n g m a g n e t j c 仃e l dg e n e r a “n gd e v i c e 图2 2 励磁电压 f 培2 - 2t h ev o i t a g eo f m a g r i e t ke x c i t i n g 圈2 3 旋转磁场产生过程 f 唔2 - 3g e n e r 撕n gp r o c e s so f m 协t i n gm a g n e t i cf i e i d 2 3 旋转磁场的特点 ( d ) 本课题所研究的旋转磁场仍然根据上述旋转磁场的产生依据，但采用的是三对磁极 励磁的方式，这是由于两对磁极励磁时磁场旋转个周期需要换向四次，每次旋转 9 0 。，电弧在磁场的作用下每次也旋转9 0 。，很容易造成电弧旋转的不稳定，甚至可 能出现断弧，而三对磁极励磁时磁场每次旋转6 0 。，电弧在磁场的作用下每次也旋转 6 0 。，大大提高了电弧的旋转稳定性，同时按照三相步进电机原理，以三相单三拍方式 对三对磁极励磁，这样更提高了励磁精度和励磁稳定性。 第2 章旋转磁场的产生机理 例2 4 旋转磁场发生装置简图 f i g 2 4s k e l c ho f g e n e r a t i n gd e v i c eo f r o 协t i n gm a g n e t i cf i e l d 将三对磁极匀布在同一圆周上，如图2 4 所示，对磁极上的励磁线圈以交流三相单 三拍的顺序供电，图2 5 为旋转磁场产生过程原理图，其中( a ) 、( b ) 、( c ) 、( d ) 、( e ) 、 ( f ) 、( g ) 分别表示一个周期内各个时刻的磁场方向示意图，例如( a ) 表示当电流从 u 流进、u7 流出时，根据右手螺旋定则确定的磁场方向，而( b ) 表示下一个时刻到来 时，电流发生切换，从v 流迸、v 流出，相应地磁场方向顺时针旋转了6 0 。，依次类 推，当励磁电流相位变化3 6 0 。，磁场方向恰好也变化3 6 0 。由此可见，该装置产生 的旋转磁场与励磁电流的相位变化同步，也就是说可通过改变励磁电流的转换频率来改 变旋转磁场的转速。 ( a )( b )( c )( d )( e )( f ) ( g ) 图2 _ 5 旋转磁场产生过程原理图 f i g 2 - 5s c h e m a t i cd j 鹄m mo f g e n e r a t n go f r o 谢e dm a g n e t i cn e l d 图2 6 为旋转磁场某对磁极励磁时的磁力线剖面图，可见，此时磁场恰好作用于焊 接电弧区，使电弧受到洛伦兹力的作用发生偏转，在下一对磁极励磁时，磁场旋转6 0 。， 电弧也旋转6 0 。，这样磁极励磁次序的连续转换也使得磁场发生旋转，同时带动电弧 以一定的半径旋转，励磁转换频率越快电弧的旋转频率也随之加快；励磁电流的大小可 以改变磁场强度大小进而改变了电弧的旋转半径。这样，通过调节励磁转换频率和磁场 强度大小就可以实现对焊接电弧旋转频率和旋转半径的控制，从而改变了电弧运动特 性，实现旋转磁场作用下的新型焊接工艺。 l j d 形 1j 1 公 h u 6 2 ， h f 一 千、t 由k 图2 6 旋转磁场磁力线剖面图 f i g 2 6c u t a w a yv i e wo f m a g n e t i cn u xo f f o t a 主i n gm a g n e t i cf i e l d 2 4 本章小节 ( 1 ) 旋转磁场的产生依据是异步电机工作原理，产生的磁场空间是一个高速旋转 的动态磁场。 ( 2 ) 采用六磁极设计方式产生旋转磁场，按照三相单三拍控制原理对旋转磁场进 行精确控制，使得磁场在一个周期内旋转3 6 0 。，每次旋转6 0 0 。 ( 3 ) 通过改变励磁转换频率和励磁电流的大小实现对磁场的旋转频率和场强大小 的调节。 ， 矍：耋堡董璧丝鳘鎏辇星墼墼兰 量， 3 1 引言 第3 章旋转磁场磁头装置的设计 如上文叙述可知，稳定可靠的磁场是控制焊接电弧的关键，而要得到良好的旋 转磁场形态必须有可靠的磁头装置作保证，将产生的旋转磁场很好的导入焊接电弧 区域，来对焊接电弧进行有效控制。在实际焊接时各种外部因素的影响，包括电弧 的高温辐射、焊接飞溅姒及周围的铁磁性物质等都可能使磁场的空间分布发生畸变， 因此在对磁头装置设计时要充分考虑到以上诸多因素，力争将不利因素的影响降到 最小；同时，为了适应焊接工艺的要求，整个磁头的设计必须趋于小型化而且能够 拆装方便。不仅可以适合平焊工艺，还要适合角焊缝的焊接工艺。可见，旋转磁场 的磁头设计直接关系到焊接电弧的形态和运动特性，关系到能否实现磁场控制电弧 焊接工艺。本章将详细论述旋转磁场的磁头装置设计，其中包括励磁装簧的设计和 磁头结构的设计，重点突出磁头的设计如何避免外部因素对磁场的影响，同时对磁 头工作的稳定性进行分析，为实现旋转磁场作用f 的焊接工艺提供可靠保障。 3 2 磁头设计的特点 通过外接励磁电源，旋转磁场的磁头装置将得到一个高速旋转的磁场空间，并 且将这个旋转磁场导出作用于焊接电弧，通过调节外接励磁电源参数可以对磁场旋 转频率和场强大小进行实时调节，进而实现外加旋转磁场对焊接电弧的控制作用。 根据旋转磁场的励磁方式和磁场空间的分布特点，以及对焊接工艺和抗外部干扰的 要求，本文在对旋转磁场磁头设计时突出了以下特点： ( 1 ) 磁头和焊枪合为一体。将焊枪置于各对励磁线圈的中心，使电极与线圈中 心线重台，这种设计既有利于磁头与焊枪的连接，同时还可将磁场可控区域控制在 电弧区域内，以实现对电弧的良好控制。 ( 2 ) 磁头设计小型化。在实际焊接时，电弧的高温辐射、焊接飞溅以及周囝铁 磁性物质的影响都可能引起空间磁场分布的畸变，如果磁场区域较大，磁场空间受 到的影响就更明显。因此将磁头体积尽量减小，只要保证电弧区域内充满旋转磁场 空间就可以，这样就可以大大减小外部因素对磁场空间的影响 此外，磁头设计的 小型化也可以使磁头的安装拆卸更加方便，不仅适用于平焊工艺也可以实现角焊缝 焊接工艺。 ( 3 ) 励磁线圈中心对称性。本设计采用六磁柱励磁线圈结构设计，依靠相对的 ( 3 ) 励磁线圈中心对称性。本设计采用六磁柱励磁线圈结构设计，依靠相对的 励磁线圈同时励磁产生磁场，而焊接电弧区就在相对励磁线圈中心的正下方。可见， 良好的励磁线圈中心对称性是对空间磁场合理分布的保证，更是控制焊接电弧的前 提。 ( 4 ) 优良的绝缘，冷却，密封设计。焊接时的高温辐射会对磁头内的励磁线圈 造成极大的损害，导致励磁不良磁头失效，本设计采用高压水箱对磁头进行循环水 冷却，保证线圈铁芯始终处于居里温度以下，同时对整个磁头采取多种密封结构设 计，如硅胶灌封，o 型圈密封，过盈配合等，以保证磁头的正常工作。 3 3 励磁装置的设计 旋转磁场的励磁装置包括励磁铁芯和励磁线圈，其中励磁铁芯的材料和结构尺 寸、励磁线圈的匝数和缠绕方向、线圈的布局方式和放置角度等都能影响磁场强度 和磁场形态，因此励磁装置的设计对产生的旋转磁场大小和磁场分布起着至关重要 的作用。 3 3 1 励磁线圈的设计 本文将六个励磁线圈以一定距离为半径，采用与电极同轴的方式均匀分布在同 一个圆周上，使得各对励磁线圈的中心恰好处于电弧区域内，如图3 1 所示，这种布 局方式能保证相对磁头励磁时磁场中心恰好处于圆周的中心，可以有效作用于焊接 电弧，磁场旋转时整个磁场空间都具有良好的对称性。本文选用的线圈类型均为轴 对称线圈，线圈材料为直径为o 5 m m 的细铜导线，它易于制造，绕线作业比较容易， 和其它类型线圈相比，轴对称线圈每单位体积绕线所产生的磁场最大。因此，轴对 称线圈得到广泛的应用。实际的轴对称线圈，都是用导线一匝紧挨一匝地绕制而成 的，所以每匝均有螺旋性，而且由于导线外有绝缘层，因此无论采用方行线还是圆 形线，线圈的密度都是不均匀分布，分析磁场形态时如果把螺旋性和不稳定性考虑 在内，将给分析带来很大的困难。实践证明，忽略线圈的螺旋性和不稳定性后分析 的磁场形态与实测的磁场形态仅有很小的误差，因此为了有利于简化问题，我们做 如下的假设：( 1 ) 线圈的线匝都是同轴的圆形回路；( 2 ) 线匝之间有很薄的绝缘层， 所有线匝紧密地填充了线圈的全部空间；( 3 ) 线圈线匝在径向、轴向均为均匀缠绕， 电流沿截面均匀分布，而且电流密度的方向和对称轴的正向构成右手螺旋关系。 ，。一，：一。：一，薹登! ，耋丝型圣丝鳖坠一一一，。，一：一， 俘对 心影 图3 1 磁极分布示意图 f i g 3 1s k e t c ho f m a g n c t i cp 0 1 ed i s 研b u t i n g 3 3 2 励磁铁芯的设计 对于空心圆柱线圈，当线圈中存在一定厚度的激磁媒质( 铁芯) 时，外加磁场的 磁感应强度增大，磁场分布的均匀性受到一定程度的影响会有所下降当为全铁芯 线圈( 空心全部被激磁媒质填充) 时，外加磁场的分布重新变得比较均匀，空间磁 场的磁感应强度增大，图3 - 2 为磁感强度与铁芯直径变化曲线。从图中可以看出，铁 芯直径变化时，磁场在空间的分布有了明显的改变，随着铁芯直径的增加，在铁芯 附近，磁力线也越来越密集，在该处的磁场强度明显增大。由于铁芯直径的增大， 会引起磁场在铁芯附近的分布产生畸变，但是畸变的程度很小，对焊接电弧的影响 不会很大。 铁芯的直径l 。“ 图3 _ 2 磁感强度与铁芯直释变化曲线 f i g 3 2c u r v eo fm a g n e t i c i e l di n t e n s i t yw i t hm a g n e t i cc o r ed i 帅e t e r 1 5 帅 筋 幅 5 o 。越鹱但镣嚼帮 北京工业大学工学顺上学位论文 因此，根据旋转磁场的均匀分布和需要较大的磁场强度等要求，同时考虑到试 验成本等方面的条件，本文在设计时选择直径为8 m m ，长度为7 0 m m 的a 3 钢作为励 磁线圈的铁芯材料，在铁芯外按顺时针方向密绕1 4 0 匝直径为o 5 m m 的铜导线，构 成了磁头的励磁装置，这种设计既节省了磁头的内部空间又增加了励磁线圈的磁感 应强度，同时具有附加装置简单、投入成本低、安装方便等优点。 3 3 3 励磁角度的选择 励磁线圈的励磁角度直接会影响电弧区域内磁场的分布情况，为了有效控制焊 接电弧，必须选择一个合适的励磁角度。通常状况下都是利用导磁杆将励磁线圈产 生的磁场导入电弧区，但是这样常常会因导磁杆角度选择不当，以及导磁杆对中性 不好而造成空间磁场发生变形，破坏磁场的空间对称性，更严重的是焊接时的高温 辐射会使导磁杆温度急剧升高，当超过材料的居里温度后，导磁杆的磁性会消失无 法将磁场导出。本文充分考虑到这些问题，设计时不再利用导磁杆作为导磁介质而 是将整个磁头体积尽量减小，励磁线圈置于磁头内部，将每个励磁线圈与电极平行 安装，相对的励磁线圈之间距离减小，励磁线圈底端靠近电弧区，这样就可以将产 生的磁场直接导入焊接电弧区，同时磁头外接高压水箱对整个磁头进行冷却，保证 了线圈温度处于居里温度之下，能够正常励磁。图3 3 为磁头装置内部的三维结构示 意图。 图3 3 磁头装置的内部三维结构示意图 f 睡3 - 33 dv i e wo f j n s i d eo f t h em a g n e t i ch e a d 第3 章旋转磁场磁头鼗置的设计 3 4 磁头的结构设计 磁头工作时，实质上是利用磁头内部的励磁装置即六个励磁线圈来产生需要的 旋转磁场空间，而在实际焊接时产生的飞溅以及焊接电弧的高温都可能影响到磁头 内部励磁装置的正常工作，这就需要磁头具有良好的结构设计以对内部的励磁线圈 进行保护，同时磁头的结构设计又对磁头与焊枪的连接起到重要作用。因此，磁头 的结构设计是磁头正常工作的保证。 3 4 1 磁头锁紧设计 磁头装置的设计除了要考虑到其工作稳定性，同时又要非常重视磁头各部件的 安装，拆卸方便，如果在试验过程中磁头内部出现问题，磁头要能方便的被拆开以 更换部件。本文采用了双锁紧的磁头设计方式，在磁头内壁两端分别车有外螺纹， 使磁头两端均可以安装，拆卸，其中磁头内壁上端的螺纹也同时用来连接焊枪。图 3 4 为磁头锁紧方式原理图，磁头的上端盖与磁头内壁之间的连接依靠螺栓与上端盖 之间的压紧力，同时套在内壁轴肩上的o 型圈与上端盖之间的支持力将上端盖牢牢 固定在磁头内壁上，采用相同的原理将磁头下