（材料加工工程专业论文）旋转磁场作用下电弧特性和电弧行为的研究.pdf

摘要 摘要 随着焊接技术在工业生产中的广泛应用，各生产厂家为了增强市场竞争力，越来越 强烈要求降低成本，提高焊接生产效率。因此，高效、低成本的焊接方法已经成为焊接 工作者研究的热点。而采用外加磁场控制焊接过程，具有附加装置简单、投入成本低、 耗能少等特点，引起焊接工作者的重视。 本文通过对电弧的特点进行深入研究，利用带电粒子在磁场中运动的理论，建立了 磁场作用下电弧的稳态模型和电弧的动态模型，分析了磁场作用下电弧的运动行为和运 动机制，对磁场作用下电弧的运动过程进行了数学描述，为研究旋转磁场作用下电弧特 性和电弧的运动行为提供了坚实的理论基础。 采用a n s y s 有限元分析的方法，对各种情况下磁场的分布情况进行了仿真和计算。 分析了励磁线圈的形状、位置、励磁电流的大小、铁芯大小和导磁杆角度的变化等诸多 因素对磁场分布的影响。为选择和设计科学、合理的外加旋转磁场发生装置提供了，理论 上的支持。 在上述理论分析和计算基础上，建立了一套旋转磁场作用下电弧特性和电弧运动行 为研究的实验系统。主要包括性能优良的焊接电源，成本低廉的保护气体和简单实用、 灵活方便的旋转磁场发生装置。在上述实验系统的基础上，通过大量的实验，证明了夕f 加旋转磁场对t i g 电弧的控制作用，并且得到了外加旋转磁场作用下电弧静特性和电 弧运动行为的变化规律。为实现旋转磁场作用下m i g m a g 新工艺奠定一定的理论基 础。 本研究得到国家自然科学基金项目( n o 5 0 2 0 5 0 0 1 ) 的资助。 关键词旋转磁场；磁场分布； 电弧特性；电弧运动行为 北京工业大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ea p p l i c a t i o no ft h ew e l d i n gp r o c e s si nt h ei n d u s t r y , i no r d e rt os t r e n g t h e nt h e i r c o m p e t i t i o n ，m a n u f a c t u r e r ss c r e a m f o rt h el e s sc o s ta n d h i g h e re f f i c i e n c yw e l d i n gp r o c e s s a s ar e s u l t ，t h eh i g he f f i c i e n ta n dl o w - c o s tw e l d i n gp r o c e s sh a sb e e nt h er e s e a r c h i n gf o c u sf o r t h ew e l d i n gr e s e a r c h e r t oc o n t r o lt h ew e l d i n gp r o c e s sw i t ha d d i t i o n a lm a g n e t i cf i e l dh a s m a n ya d v a n t a g e ss u c h a si t sa f f i x t u r ee q u i pi ss i m p l e ，t h ec o s ti sl o w , a n di tc o n s u m e sl i t t l e e n e r g ye t c a l lo f t h e s e c a u s e st h ew e l d i n gr e s e a r c h e r se x t e n s i v ei n t e r e s t t h r o u g h t h er e s e a r c hf o rt h ec h a r a c t e r i s t i co ft h ea r ca n dw i mt h et h e o r ya b o u th o wt h e c h a r g e dp a r t i c l e sm o v e i nt h em a g n e t i cf i l e d ，t h es t a t i ca n d d y n a m i c m o d e la r ee s t a b l i s h e di n t h i sp a p e r a l s o ，i nt h i sp a p e r ，w ea n a l y s et h em o t i o na n di t sm e c h a n i s mo ft h em a g n e t i c c o n t r o la r c ，a n dd e s c r i b e si ti nm a t h t h e yl a yas o l i df o u n d a t i o nt or e s e a r c ht h ec h a r a c t e r i s t i c o fa r ca n di t sm o v e m e n tb e h a v i o ru n d e r r o t a t i n gm a g n e t i c b a s e do nt h ef i n i t ee l e m e n ts o f t w a r eo fa n s y s ，t h ed i s t r i b u t i o no ft h em a g n e t i cf i e l di s s i m u l a t e d t h ef a c t o r sw h i c ha f f e c tt h ed i s t r i b u t i o no ft h em a g n e t i cf i e l da r ed i s c u s s e d ，s u c h a st h es h a p ea n dt h e1 0 c a t i o no ft h ee x c i t a t i o nc o i l t h ev a l u eo ft h ee x c i t a t i o nc u r r e n t t l l es i z e o fi r o nc o r ea n dt h ec h a n g eo ft h ec o n d u c tm a g n e t i cp o l e sa n g l ee t c t h e yp r o v i d et h e t h e o r e t i cs u p p o r tt oc h o i c ea n dd e s i g nt h eo c c u r r e n c ee q u i ps c i e n t i f i c b a s e do nt h et h e o r e t i ca n a l y s i sa n ds i m u l a t i o n ，t h ee x p e r i m e n ts y s t e mf o rt h er e s e a r c ho f t h ec h a r a c t e r i s t i ca n dm o v e m e n tb e h a v i o ro fw e l d i n ga r cu n d e rr o t a t i n gm a g n e t i cf i e l di s e s t a b l i s h e d ，i n c l u d i n gt h eg o o dp e r f o r m a n c ep o w e rs o u r c e ，t h el e s sc o s tc o m m o ns h i e l d i n g g a sa n dt h es i m p l y , p r a c t i c a l a n dp o r t a b l eo c c u r r e n c ee q u i po f r o t a t i n gm a g n e t i cf i e l d b a s e do nt h e s ee x p e r i m e n ts y s t e m s ，i tp r o v e st h a tt h er o t a t i n gm a g n e t i cf i l e dd o e sc o n t r o l t h et i ca r c ，a n dt h ev a r i e t yl a wo ft h es t a t i cc h a r a c t e r i s t i co ft h er o t a t i n gm a g n e t i cc o n t r o l w e l d i n g a r ca n dm o v e m e n tb e h a v i o ro fw e l d i n ga r ca r ea l s og o r e nt h r o u g ht h eg r e a tq u a n t i t y e x p e r i m e n t s t h e yl a yat h e o r e t i cf o u n d a t i o nt o r e a l i z et h en e w t e c h n i q u eo ft h er e v o l v i n g m a g n e t i cc o n t r o lm i g m a g t h i sw o r ki sf i n a n c i a l l ys u p p o r t e db yt h en a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o np r o j i e c t ( n o 5 0 2 0 5 0 0 1 ) k e yw o r d sr o t a t i n gm a g n e t i cf i e l d ；d i s t r i b u t i o no f t h em a g n e t i cf i l e d ； a r cc h a r a c t e r i s t i c ；a r cm o v e m e n tb e h a v i o r - i i 独创- i 生声明 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 包含其他人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村料。与我一同工作的同志对本 研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名却彘度日期：王翌业：堑 关于论文使用授权的说明 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) 签名赶煎幺导师签名：遁缝 日期：迦生：哆 第l 章绪论 ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! 第1 章绪论 1 1 课题研究背景及课题意义 自从气体保护焊接出现以来，它以高效、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。目前，西欧、美国和日本等工业发达国家的m i g m a g 焊接工艺占所 有焊接工作量的6 0 一8 0 ，而中国只有4 0 1 “。进入上个世纪9 0 年代以来， 工业生产的发展、市场竞争越来越激烈和焊接自动化程度的提高，各生产厂家为 了增强市场竞争力，越来越强烈要求提高生产效率，降低生产成本。高效、优质、 低耗是制造业振兴和发展的一项基本战略。对于制造业重要组成部分的焊接生 产，面临我国每年近2 亿吨的钢材和其它金属材料消耗量( 如表1 1 所示，占世 界的2 0 左右) 的经济和社会发展形式，从效率和质量上均提出了紧迫的需求0 1 。 表【i 九五期间中国的钢材产量 ( 单位：万吨) 因此，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。 众所周知，由于电弧弧柱区，是由自由电子和带正、负电荷的离子组成的等 离子体。它具有导电性、电中性和与磁场的可作用性，所以通过外加磁场可以控 制电弧的位置、形状和运行状态，也就能实现改善焊接工艺的目的。另外对于气 体保护焊接时，电弧中存在大量高电离气体( 等离子体) ，当外加磁场作用于电 弧时，就应该对电弧的形态和电弧的运动行为产生影响，从而影响焊接过程“。 基于这种基本原理，将电磁控制电弧焊接机理研究和高效m i g m a g 焊接技术结合 起来，积极利用外加磁场控制m i g m a g 焊接电弧行为和熔滴过渡，进行磁场控制 下的高效m i g m a g 焊接电弧行为和熔滴过渡机理的研究，具有极大的现实意义。 另外，采用外加磁场控制焊接过程，具有附加装置简单、投入成本低、耗能 少等特点，引起焊接工作者的重视，长期以来，学术界针对磁场对电弧的作用进 行了不懈的研究【5 1 。在七、八十年代，国外的学者对磁场与电弧的相互作用进行 北京工业大学i 学硕士学位论文 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 t i 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；巴顿焊接研究所研究了低压等离子体在磁场中的收缩特性；英国利兹大 学和美国耶鲁大学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：日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 a g 焊接工艺的不同影响；等等( 6 - 3 1 。在八、九十年代， 国内的学者对磁场在焊接领域中的应用也进行了卓有成效的研究。西安交通大学 针对纵向问歇磁场对 f i g 焊的焊接熔池的晶粒细化进行了深入的研究；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；北京工业大学对纵向磁场对电 弧的压缩作用进行了研究，并将其应用到大电流高熔敷率的旋转射流过渡的 m a g 焊接工艺中，取得了较好的效果。 上述内容综合起来，采用磁场控制焊接电弧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，进行管道全位置焊接) 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。而且， 通常通过外加磁场对电弧进行控制，所施加的磁场方式主要有三种：一是外加横 向磁场：二是外加纵向磁场：三是外加尖角磁场。 本课题就是在前面三种外加磁场对电弧的控制作用取得初步结论的前提下， 综合三种磁场施加方式的特点，同时具有新的特点，进行外加旋转磁场作用下电 弧的物理特性( 如电特性、力特性和热特性等) ，以及旋转磁场作用下电弧形态 和电弧运动行为的研究工作。本课题是国家自然科学基金项目：“旋转磁场作用 下的电弧特性和熔滴过渡机制”的前期工作，本课题将具有重要的理论研究意义； 另外对开发我国具有自主知识产权的焊接新工艺，对于提高我国生产技术水平、 增强我国制造业在国际市场上的竞争能力，具有极大的现实意义。 1 。2 磁场控制焊接技术的发展现状 1 2 1 外加磁场控制的焊接技术特点 如前所述，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 第1 章绪论 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。而电弧孤 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。 综合而言，外加磁场控制的焊接技术有以下特点： 1 ) 外加磁场的种类较多，形式较丰富。外加磁场包括纵向磁场、横向磁场、 尖角磁场以及交变磁场等多种形式。能够较好地满足多种工矿条件下不 同焊接工艺的要求。 2 ) 外加磁场装置由电源和电磁线圈两部分组成，各部分具有相对独立的结 构，设备体积比较小，使用十分简单灵活。 3 ) 外加磁场所需的功率一般不大，电能损耗很少，外加磁场强度较小，频 率较低对环境不产生电磁污染，无接触控制，无噪音。 4 ) 外加磁场控制的焊接技术适用材料的范围较广，除了普通的金属材料外， 也可以一应用在合金钢、不锈钢、铝合金、钛合金、铜及其合金等金属 材料。 5 ) 外加磁场控制的焊接技术所应用的焊接方法包括g t a w 、等离子焊接、 m i g m a g 、c 0 2 焊接等焊接工艺方法。 总之，磁场控制的焊接技术及其附加装置简单、投入的成本低、效益高等优 点，在冶金、化工、压力容器、锅炉、热能、电力、航空和航天等部门和领域得 到了广泛的应用。 电磁作用焊接是一种逐渐完善起来的焊接技术。根据控制对象的不同，可以 把磁场控制的焊接技术分为以下三类： 1 ) 针对焊接电弧的磁场控制技术 2 ) 针对焊缝熔池金属的磁场控制技术 3 ) 针对熔滴过渡的磁场控制技术 1 2 2 外加磁场对焊接电弧的控制作用 如前所述，由于气体放电的雪崩效应和电弧弧柱的自磁收缩使电弧的能量集 中在很小的区域内，这意味着弧柱中的电流密度和温度分布是很陡的。等离子焊 接和等离子切割等工艺正是利用这种特点而优于其它工艺。但是，对于某些高温 加工工艺，如表面清理和表面处理等，并不希望热源过分集中，而需要宽广的“软” 的等离子电弧，以获得高的工艺质量和高的工作效率。所谓软的等离子体是指等 北京工业大学工学硕士学位论文 ! ! 皇! ! ! ! ! 曼! ! ! ! ! ! 曼! ! ! ! ! ! 皇! ! ! ! ! 曼! ! ! ! ! ! 曼! ! ! ! ! ! 皇! ! ! ! ! 曼! ! ! ! ! ! 曼! 曼 离子体流或等离子体射流的速度比较低的等离子体。这时便可以采用外加磁场使 电弧截面积加大，使弧柱内的电流密度和温度的分布平坦化，降低等离子体的 流动速度。这种工艺成为磁匀弧。 t a k e d a 以横向交变磁场作用于电弧，达到了使电弧截面加宽的目的。图1 1 为横向交变磁场使电弧摆动的示意图。 当对焊接电弧施加纵向磁场时，焊接电弧将发生一系列令人感兴趣的变化， 在纵向磁场的作用下，电弧将高速旋转，随着磁感应强度的加大，转速将加快， 当磁感应强度达到一定数值时，电弧由原来的圆锥形( t i g 弧) 变成钟罩形，其 钟罩面是一个高速旋转的封闭形的导电面。即电弧变成了空心电弧。在纵向磁场 作用下，焊接电弧发生上述变化的原因，是由于磁场与弧柱中带电粒子的相互作 用，使之产生旋转运动的结果。在弧柱中如果带电粒子存在径向运动，那么纵向 磁场与具有径向运动的带电粒子相互作用，产生洛伦兹力，驱使这些带电粒子旋 转，进而促使焊接电弧旋转。由于焊接电弧的旋转，改变了电弧弧柱等离子流和 电流密度的径向分布，进而影响到对母材的加热熔化和对焊缝成型产生影响【”】。 图1 1 横向交变磁场作用下的摆动等离子弧 1 阴极2 阳极3 线圈4 摆动电弧 1 2 3 夕l j j n 磁场对焊缝熔池金属的控制作用 1 ) j l - d n 磁场可以改善焊接接头质量。 改善焊缝金属次组织是提高焊接接头质量的途径之一。现有的改善一次组 织的方法可以分为三类。与调节焊接热循环和焊接熔池形状有关的方法属于第 一类。认为加快焊接熔池的冷却速度或减小体积，能够细化焊缝金属的柱状组 织。改变熔池形状能够保证有利的结晶方式。第二类包括与冶金作用和改变焊 缝金属化学成分有关的方法。象合金化、微合金化、变质处理和精炼等这样一 些方法，可归为这类。与对焊接熔池熔化金属施加外加作用的有关方法，例如 第1 章绪论 机械振动、超声波振动和磁场控制等方法，列为第三类【1 6 。 利用外加磁场对熔池熔体施加作用是控制焊缝金属一次组织的一种新方法。 在外加磁场的作用下，焊接熔池的熔化金属作复杂的循环运动和涡旋运动，这就 导致了对熔池金属的搅拌。在电磁搅拌过程中，由于焊接熔池中的温度变得均衡， 因而提高了结晶前沿之前的温度梯度。在搅拌场合，由于提高了结晶前沿之前的 温度。使熔池结晶前沿不断受到冲刷。这种电磁作用一方面使得晶粒细化，另一 方面打乱枝晶的生长方向，改变结晶状态。焊接过程中施加外加磁场，除了能够 改善焊缝结晶组织之外，还会降低焊接接头的残余应力，提高焊接接头的性能， 特别是对刚性大的承力构件焊接，具有很大的优越性。 文献m 1 8 】采用外加交变纵向磁场作用下的l d l 0 c s 铝合金焊接接头组织和 性能进行了研究。研究结果表明，采用电磁搅拌h e 弧t i g 焊接时，可以有效的 消除焊缝金属种粗大的、方向性强的“羽毛晶”组织。粗大、连续的低熔点共晶 组织以弥散、断续的球状形态重新分布于晶界上，减小了低熔点共晶物及杂质的 偏析程度。使得熔合区及热影响区宽度减小，固熔区晶粒粗化程度减弱，减小了 铝合金焊接接头的弱化区间。 2 ) 外加磁场可以控制熔池金属的流动，改善焊缝成型 磁控横向焊接控制焊缝成型焊接工艺与传统的磁场控制焊接工艺有很大的 不同，传统的磁控焊接工艺主要通过外加磁场控制焊接电弧，通过外加纵向磁场 使电弧旋转、通过外加横向交变磁场使电弧摆动使焊缝熔宽增加，熔深减少，以 及通过外加磁场使熔池金属旋转，从而搅拌熔池，达到细化晶粒改善焊缝性能的 目的等方面。但是上述方法对在全位置焊接时由于重力引起的各种问题，诸如熔 池金属下淌、焊缝下部形成焊瘤、焊缝上部形成咬边等却无法进行控制。文献州 则是利用外加磁场作用在熔池上，当熔池内部流过电流时，该电流与磁场相互作 用，产生洛伦兹力作用在熔池金属上，我们可以通过控制磁场强度的方向和熔池 中流过电流的方向，便可以在焊缝熔池的内部产生的洛伦兹力的方向与重力的方 向相反，来抑制熔池金属的下淌，最终实现稳定的焊接过程和实现控制焊缝成型 的目的。 如图1 7 所示为横焊磁场控制焊缝成型的原理示意图。在横向焊接时，通过 控制熔池中焊接电流的分布使之在熔池内部形成如图1 2 所示焊接电流，磁场 是通过在焊枪外部的同轴线圈产生的，磁场强度b 的方向如图1 2 所示。这样焊 接电流和磁场曰相互作用产生洛伦兹力f f = ，x b ( 1 1 ) f 的方向与重力的方向相反。这样就可以控制熔池金属的流动，达到控制焊 缝成型的目的。 北京工业大学丁学硕士学位论文 图1 2 磁场控制焊缝成型的原理示意图 1 、焊缝熔池2 、熔池金属受力方向3 、熔池中电流方向 4 、弧坑5 、磁场强度方向6 、励磁线圈7 、电弧8 、丁件9 、焊枪 1 2 4 外加磁场对气体保护焊熔滴过渡的控制作用 在采用熔化极气体保护焊接时，除了高电离气体( 等离子体) 外，弧柱中还 存在着焊丝金属熔滴，当采用外加磁场作用于焊接电弧时，就应对电弧中的金属 过渡产生影响。文献【1 6 i 为了研究外加纵向磁场对电弧中金属过渡特性的作用，作 者采用高速摄影机研究了直径为16 m m 的焊丝，在c 0 2 保护下焊接不锈钢时的 电弧燃烧过程。试验结果表明，在外加磁场的作用下，熔滴尺寸和它们在焊丝端 部的存在时间平均减少了1 3 至1 2 。这同样导致了熔滴经过电弧区的过渡频率 增加，这一点被电弧电压和电流的波形所证实。在电磁作用焊接时，电流和电压 曲线峰值次数增多，表明过渡频率增加。在熔滴脱落瞬间，电弧区间长度急剧减 小，导致电弧电压降低和电弧电流增加，具有电磁作用的电弧电压和电流的波动 小于无磁场作用的波动。这是因为在在第一种情况下，由于熔滴尺寸减小，因而 在焊丝端部形成金属熔滴时的弧长波动幅度小。电磁作用对熔化极气体保护焊熔 滴过渡频率的影响的效果，如图l t 3 所示，随着焊接电流的提高而增加。纵向外 加磁场在稳定电弧放电和减小焊丝金属熔滴尺寸的同时，有利于减少液态金属的 飞溅。在最佳的外加磁场参数时，c 0 2 气体保护焊接的金属飞溅系数减少了一 倍，如图1 4 所示。 i ， 幽i 3 不同磁场作用下的过渡频率 图1 4 不同磁场作用下的飞溅率 第1 章绪论 ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! - 1 3 磁场对焊接电弧控制的研究现状 由前面的叙述，磁场会对电弧产生力的作用，焊接时为了达到一定的工艺目 的，可以人为的通过外加磁场来控制电弧的形态和电弧的运动行为，满足特殊的 焊接工艺要求。通常利用外加磁场对电弧进行控制的方式有三种：外加横向磁场； 夕b d i l 纵向磁场：外加尖角磁场。 1 31 外加横向磁场对电弧的作用 外加横向磁场是指磁力线垂直通过电弧轴线的磁场。如图1 5 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 5 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。 a ) 直流横向磁场b ) 交变横向磁场 图1 5 外加横向磁场对电弧的作用 1 3 2 外加纵向磁场对电弧的作用 外加同轴纵向磁场时如图1 6 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， 此时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： 一f ：e ；一7 ( 1 - 2 ) 式中p 一电子电荷量 v 一电子运动速度向量 北京工业人学工学硕士学位论文 否一磁感应强度向量 lii liii w 审中w w v w iillili i i ，磁场方向 ，i i i l i ii i i i i l l 图1 6 外加纵向磁场对电弧作用 图1 7 电子在磁场中的运动 如果一个电子在磁场b 中以速度v 运动，如图1 7 ，电子垂直于磁力线方向 的速度分量u ，将产生磁场作用力f ，其方向垂直于u ，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。这个电子除了有协运动速度外，还 有v ，运动速度，所以电子的实际运动路线是一条螺旋线。 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。纵向磁场对弧柱的压缩作用，可以 增加弧柱的能量密度及弧柱的电场强度。 1 3 3 外加尖角磁场对电弧的作用 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 8 所示，这种情况下，焊接电弧能 量密度和电场强度都提高。 图1 8 外加尖角磁场对电弧的作用 第1 覃绪论 实际生产应用中，用磁场控制焊接电弧的形式是很多的。可以是恒定的磁场， 也可以用脉动的磁场，所加的磁场强度和磁场脉动频率根据焊接工艺要求，可以 在很大范围内变化，用来控制电弧形态和电弧运动行为，以达到改善焊接工艺， 消除焊接缺陷的目的，以保证得到高质量的焊缝。 1 4 本文的主要研究内容 前已述及，采用磁场控制焊接电弧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、磁旋弧等；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。 而且，通常通过外加磁场对电弧进行控制，所施加的磁场方式主要有三种：一是 外加横向磁场；二是外加纵向磁场；三是外加尖角磁场”。 本课题就是在前面三种外加磁场对电弧的控制作用取得初步结论的前提下， 综合三种磁场施加方式的特点，同时具有新的特点，本研究中采用“内疏外密” 的旋转磁场对t i g 电弧进行作用，进行外加旋转磁场作用下电弧的物理特性， 以及旋转磁场作用下电弧形态和电弧运动行为的研究工作。综合起来本课题的主 要研究内容是： 1 ) 在建立外加磁场作用下焊接电弧的稳态和动态模型基础上，分析外加磁 场作用下焊接电弧的运动行为和运动机理，为旋转磁场作用下电弧运动行为的研 究提供一定理论指导。 2 ) 外加磁场分布和外加磁场强度大小的有限元分析，为选择科学、合理的 磁场发生装置提供理论依据。 在弄清楚外加磁场作用下电弧运动机理之后，为了得到最佳的控制效果，我 们还需要对外加磁场进行优化设计，确定科学合理的外加旋转磁场发生装置，为 此，我们基于a n s y s 为研究手段，对影响磁场分布和磁场强度大小的各种因素， 诸如励磁线圈安装位置、铁芯的大小和位置、励磁电流和导磁杆的角度等因素对 磁场分布和磁场强度大小的影响情况进行有限元分析和计算，为设计科学合理的 外加磁场发生装置提供理论基础。 3 ) 在上述理论分析和计算的基础上，建立一套研究旋转磁场作用下电弧特 性和电弧行为的实验系统，主要包括性能优良的焊接电源和简单实用的旋转磁场 发生装置。 4 ) 以高速摄像为主要研究手段，对上述理论分析进行实验验证。分析外加 旋转磁场作用下电弧静特性的变化规律，分析外加旋转磁场作用下电弧形态以及 北京工业大学工学硕士学位论文 运动行为的变化规律，为实现旋转磁场作用下m i g m a g 焊接新工艺奠定一定的 理论基础。 第2 章磁控电弧的电弧模型及其运动机理分析 第2 章磁控电弧的电弧模型及其运动机理分析 2 1 引言 电弧弧柱区又称电弧等离子体，等离子体就是指电离的气态物质，它被称为 物质第四态【2 。它由自由电子和带正、负电荷的离子组成，在足够小的空间和时 间尺度上，粒子所带的正电荷数总是等于负电荷数，所以具有导电性、电准中性 和与磁场的可作用性等基本特点【l 。采用外加磁场控制等离子弧的位置、形状和 运行状态的方法被广泛应用于生产实践。所加的磁场有横向磁场、纵向磁场和尖 角磁场。主要目的是改变等离子弧的能量分布，改善等离子弧切割的加工质量。 在电弧焊中所普遍认知的是外加磁场对熔池的电磁搅拌作用【2 9 】。电磁搅拌有利于 熔池金属的冶金反应，以及熔渣和气体的析出，从而改善焊缝组织和性能，而关 于在外加磁场作用下弧柱等离子体运动机理的研究则较少。 尽管磁控电弧已部分用于生产实际，但其作用机理，特别是引起电弧能量密 度和电弧力的重新分布的根本原因，依然还没解释清楚p 饥”j 。虽然，有关文献已 从纵向磁场作用下的等离子体中带电粒子的运动出发，分析了电弧的运动机制 3 0 , 3 l l ，并且给出了纵向磁场作用下电弧形态及等离子体电流密度分布的示意图 口“，但在某些观点的阐述上有失偏颇。我们在磁控t i g 电弧的研究过程中，对 外加磁场施于电弧等离子体的作用进行了深入分析，并阐述了外加磁场作用下电 弧等离子体的运动机理。 2 2 磁场作用下电弧的稳态模型 在焊接电弧中，大量的带电粒子集中在电弧烁亮区，使之成为焊接电弧的 主要导电通道，集中通过了绝大部分焊接电流，是焊接电弧的主要部分。可以认 为，在外加磁场作用下的烁亮区的运动规律决定了整个焊接电弧的运动行为。 以钨极端头为原点o 建立直角坐标系( r ，a ，z ) ，r 轴、z 轴的方向如图 2 1 所示，p 轴的正向为垂直纸面向外。对于具有不稳定旋转形式的焊接电弧， 其烁亮区的主要运动形式是在过z 轴的平面内来回摆动。这个轴平面是随机出现 的，没有规律性，带电粒子不是定向移动，所以不能形成环绕z 轴的电流。为了 便于分析问题，仅将这一过z 轴的轴平面绕z 轴旋转某个角度，使之与r o z 平面 重合。根据坐标变换，烁亮区的运动规律不会因旋转丽发生改变，它的形状和位 置如图2 1 所示。可以看出，它并不是稳定在电弧中轴线上，而与中轴线成一定 角度，并且此角度不断变化。所以，具有不稳定旋转形式的电弧烁亮区运动为在 北京工业大学工学硕士学位论文 随机轴平面内的摆动运动。因此，焊接电流矢量i ，可以分解为如图2 1 中所 示的轴向分量，：和径向分量，。 ， j l 4 图2 1 磁场控制电弧稳态模型 l 钨极2 保护气罩3 烁亮区4 工件5 磁场发生装置 外加磁场产生的磁感应强度b 必然存在轴向分量b ，和径向分量b ，。为了便 于分析讨论，我们规定，电流矢量i 与其轴向分量? ，之间的夹角为矽，磁感应强 度矢量b 与其纵向分量b ，之间的夹角为庐。 由于大部分焊接电流通过电弧烁亮区，而且烁亮区的锥度变化不是很大，所 以我们假设：( 1 ) 全部焊接电流通过烁亮区：( 2 ) 烁亮区垂直于轴线的截面为圆。 由以上两点假设可知，具有旋转形式的焊接电弧模型可以简化为，通过电流 大小为i ，与轴线夹角为的圆锥体。由于焊接电弧为轴对称图形，在数学上可 写成二维形式，直角坐标形式为( ，：) ，极坐标形式为( ，y ) 。同理， 外加磁场模型的数学表示式的直角坐标形式为( 占，吃) ，极坐标形式为( l ， ) 。因此，外加磁场作用下的电弧可由电流矢量( ，y ) 和磁感应强度矢量 ( f ，) 表示。 2 3 外加磁场作用下电弧的运动行为 2 3 1 烁亮区沿电弧截面圆周的旋转运动 电弧等离子体的良导电性使得采用外部磁场对它进行控制成为可能，也就是 说可以通过外加磁场来控制电弧的运动行为和形态，进而达到控制焊接过程的目 的。现在分析在外加磁场作用下的电弧的运动行为【3 2 】。 第2 章磁控电弧的电弧模型及其运动机理分析 在外加磁场作用下，烁亮区受安培力的驱动发生旋转，速度由慢交快。同时， 由于任何物体在空气中运动时都要受到气体的阻力，而且运行速度越快，所受阻 力越大。所以，随着烁亮区运动速度的不断加快，所受阻力不断增大，当安培力 与烁亮区所受的气动阻力相等时达到平衡。此时烁亮区的运动速度为y 。，是这 种平衡状态下所能达到的最大运动速度。 在外加磁场作用下单位弧柱长度上的安培力为 f = b( 2 1 ) 由图2 1 可知，对于不稳定旋转电弧形式，焊接电流的轴向分量和径向分 量，必然要分别受到磁感应强度的径向分量口，和轴向分量b ，的作用。 我们规定，磁感应强度轴向分量b ，与电弧电流径向分量，相作用产生的力 为吒，而磁感应强度径向分量耳与电弧电流轴向分量t 相作用产生的力为圪则 瓦= i ，x b z ( 2 2 ) e = ，z b ， ( 2 3 ) 很明显i ，、b z 、i z 和b r 都处在同一平面上，所以瓦、圪在同一条直线上， 方向相反，则旋转电弧的运动平衡方程式如下： l 一只= f d ( 2 - 4 ) 因为 瓦= s i n b c o s ( 2 5 ) e = i c o s 矿b s i n # i ( 2 - 6 ) 巴一e = i s i n y b o o s # 一c o s 矿s i n 庐 = i b ( s i nc o s 口l | - c o s v s i n # ) = i b s i n ( p , 一庐) ( 2 - 7 ) 对于单位弧柱长度，它所受的气动阻力为 = c d 去p 矿2 a ( 2 8 ) 其中，f ，是气动阻力，c 。是气动阻力系数，p 是电荷密度，v 是弧柱的运 动速度，a 是单位长度弧柱的迎风面积【3 3 1 。对于锥形烁亮区，单位长度弧柱的迎 风面积随着与钨极端头距离的加长而增大，为此距离的函数。设此距离为l ，则 此面积a ：爿( ) 。因此，随着单位弧柱到钨极端头的距离增加，它所受的气动阻 力增大。但气动阻力的增加并不影响磁控电弧的运动规律。从( 2 8 ) 可知，若 烁亮区无周向运动，即v 为零，则为零，烁亮区不受气动阻力的作用。将( 2 7 ) 、 北京工业大学工学硕士学位论文 ( 2 - 8 ) 式代入( 2 - 4 ) 可得 1 i b s i n ( p 一庐) = c d y 2 ( 2 9 ) z 式( 2 - 9 ) 就是烁亮区在外加磁场作用下的周向运动的平衡方程式。在此状 态下，烁亮区各段以相同的m i 沿着各自所在的圆周作匀速圆周运动。这是因为 弧柱烁亮区与电弧轴线成一定夹角，如图2 2 所示。沿着z 轴方向，向量r 的模 不断增大。由v = 0 3 r 可知，当m l 不变时，恻l 将随着的增大而减小。即离钨 极端头越远，单位时间内弧柱烁亮区所扫过的角度越小，也就是烁亮区下部的运 动要滞后于上部的运动。再者，距离工件越近，弧段所受的气动阻力越大，轨迹 越向后拖。因此，在外加磁场作用下，弧柱烁亮区的形状为一条三维螺旋曲线， 且它位于锥顶角为v 的锥面上。 当烁亮区旋转时，沿着电弧横截面的圆周方向产生带电粒子的定向移动，从 而形成周向电流。如果吒大于瓦，所形成的周向电流l 的方向如图2 2 中所示； 当兀小于瓦时形成的周向电流与l 的方向相反，如图2 3 所示。两者相等时， 周向电流为零。 图2 2 瓦 e 时烁亮区受力分布 图2 3 瓦 时，电流矢量1 分布于磁感应强度矢量b 的外侧。根据式( 2 - 7 ) ， 北京： 业大学工学硕士学位论文 此时f u f ：，所形成的周向电流为，。由矢量关系可知，它与磁感应强度b 相 互作用所形成的安培力的轴向分量疋和径向分量e 的方向如图2 2 所示。在此 安培力的作用下，电流矢量i 逐渐靠近磁感应强度矢量b ，不断变小。从宏观 上看，电弧将逐渐收缩，当与矽相同时，j l - ；h n 磁场对电弧运动失去控制作用， 电弧运动处于稳定状态，形成锥项角为2 西的稳定锥体。 2 4 2 v 小于中时电弧运动机理 当妒 庐时，电流矢量1 分布于磁感应强度矢量b 的内侧。根据式( 2 7 ) ， 此时f 。 f ：，所形成的周向电流为。由矢量关系可知，它与磁感应强度b 相 互作用所形成的安培力的轴向分量e 和径向分量f 的方向如图2 3 所示。在此 安培力的作用下，电流矢量i 逐渐靠近磁感应强度矢量b ，矽不断变大。从宏观 上看，电弧将逐渐扩张，当与相同时，外加磁场对电弧运动失去控制作用， 电弧运动处于稳定状态，形成锥顶角为2 痧的稳定锥体。 从上述两种控制过程来看，不管电流矢量分布如何，只有与磁场分布相一致， 才能达到稳定状态。即磁场分布确定了电流矢量分布的最终状态。如果将磁控电 弧运动看作一个系统，则磁场分布是这个控制系统的给定量，电流矢量分布是这 个系统的被控量。当电流矢量分布与外加磁场分布达到一致时，系统达到稳定状 态。 外加磁场模型数学表达式的极坐标形式为( 1 i b i l ，) ，其中角确定了磁场 分布的形状，也就是磁力线的形状，恻i 则确定了该磁力线磁感应强度在数值上 的大小。由磁控电弧烁亮区运动的稳态方程可知，电弧烁亮区运动的稳定状态只 - 5 角有关，而与磁感应强度的模0 剧i 无关。亦印外加磁场的形状确定了在其作 用下的电弧运动的最终稳定状态。 2 5 磁场作用下电弧的动态模型 由外加磁场作用下具有旋转形式的电弧模型可知，j l - ；d l ：i 磁场作用下的焊接电 弧可以r = l i 电流矢量i 和磁感应强度矢量b 来表示。在圆柱坐标系( ，0 ，z ) 中，电流矢量i 的两个分量可表示为( ，：) ，磁感应强度矢量b 的两个分量 可表示为( b ，b ) 。在外加磁场作用焊接电弧之前，亦即f = 0 一时刻，用，和 ，两个向量来描述焊接电流矢量是完全足够的。这是因为，此时的旋转形式的电 弧为不稳定的旋转电弧，电弧烁亮区运动带有随机性，在p 方向上的变化完全是 随机的，没有规律可言，可以说，电弧烁亮区是在随机的轴平面内做摆动，在0 第2 章磁控电弧的电弧模型及其运动机理分析 ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! 方向上不能形成带电粒子的定向流动，也即没有周向电流。由于磁控电弧系统本 身的惯性，运动状态不能发生突变，所以，在f = 0 + 时刻，焊接电流矢量仍然可 以用它在r 和z 轴上的两个分量来表示。当外加磁场作用于焊接电弧之后，电弧 烁亮区在0 方向上的运动受轴向安培力和气动阻力支配，带电粒子产生定向移 动，形成周向电流，。而由外加磁场作用下电弧运动的稳态方程可知，在磁控 电弧运动达到稳态时，周向电流为零。所以，。只是一个中间变量。因此，在研 究磁控电弧运动机理时不考虑，。是可以的。但是，当研究磁控电弧运动的动态 过程时，。一直存在，而且它的变化将影响到电弧烁亮区沿轴向和径向的运动 速度，必须给予考虑。则电流矢量，可写为( ，。，i ：) 。外加磁场的磁感应 强度矢量曰表示为( b ，b o ，b ，) 。因为外加磁场关于z 轴呈轴对