焊接电源中横向磁通感应线圈的研究与设计.doc

焊接电源中横向磁通感应线圈的研究与设计 ?焊接设备与材?焊接技术第卷第期?月一（）一焊接电源中横向磁通感应线圈的研究与设计吴?，?锦飞，颜文旭，惠晶（江南大学控制科学与工程研究中心，江苏无锡）摘要对高频感应加热电源中的线圈进?了研究与设计。 电源加热采用横向磁通感应式它能有效克服线圈对工件大小、形状等的束缚，尤其适合无磁性材?的加热处?。 首先分析了纵向磁通与横向磁通感应加热的区别。 在对横向磁通涡流场及温度场分析的基础上，建立了横向磁通感应加热的数学模型。 根据实际要求，设计出满足铜排焊接要求的线圈结构通过试验验证了设计的横向磁通感应线圈在铜排焊接电源应用中的可?性与合?性。 从而进一步改进了传统的铜排焊接工艺。 关键词焊接电源；横向磁通感应线圈；铜排焊接瞄磁性带钢。 而对于非铁金属及要求加热温度高于居?点的带钢概述的退火及热处?则需要采用另外的横向磁通感应加热方法【”。 横向磁通感应加热是一种适合金属板材热处?的感应加热通常的高频感应加热电源大多采用纵向磁通方式，横向磁通感方式。 近?来，随着冶金?业的发展，横向磁通感应加热逐渐应加热与传统的纵向磁通感应加热相比主要有以下方面优成为众多交叉学科研究的热门。 传统的纵向磁通适用于加热铁点在较低的频率下，横向磁通即可对金属板进?涡流感应加热，例如，当钢板厚度为，加热温度为时，采一修回日期用横向磁通感应加热需要，而采用纵向磁通感应加热需?、断弧等现象，焊接过程也比较稳定。 当啦（本试验条件下的最佳值）时，熔滴在此阶段参考文献有足够的能?长大，而且?会因中值时闯太长而出现短?、断【】昏出弧等现象。 当熔滴长大到一定的尺寸时，电流立即上升到峰值叨“，（）阶段进?熔滴过渡。 此时焊接过程稳定，无声音无短?、断】鹪弧等现象，焊缝波纹均匀，质?好。 因此可以推断出熔滴直径珊）【刀，（）与焊丝直径相当，熔滴过渡的形式为射滴过渡形式，这种参数【】肌，胛，瑚的配合正是笔者所希望的。 咖植撕明，当。 时，由于中值电流小于喷射过渡临界电流值，（）中值时间必须很长才能出现熔滴过渡，此时的熔滴直径比焊丝【】砌，直径大，?出现大滴过渡。 中值时间过长熔滴来?及过渡就蛆忉，（）产生短?现象和断弧倾向。 呈现大颗粒的飞溅现象，可听见【】吴开源基于的焊逆变电源数字化智能控制系统的研“噼噼啪啪”的声音，这是因中值阶段热输入很大所致。 究（】广东广州华南?工大学，【】蒙永民焊熔滴过渡模糊控制的研究【】广东广州华结论南?工大学。 中值电流比较小时，焊接过程?稳定，?产生短?或断弧【】强蚰啪现象；中值电流较大时，中值阶段的作用与峰值阶段的作用相跎翻龇，同，达?到所预设的效果；中值电流为时焊接效果比较，（）?想。 在确定中值电流为的基础上改变中值时间中值时间较短时，?足以过渡熔滴；中值时间过长?产生短?作奢简介柯利涛（一），男，在读硕士，研究方向为电?电子过渡；中值时间为左右时焊接效果较?想。 技术、弧焊逆变电源及其智能控制等万方数据盯?焊接设备与材?要；无功功率很低，节约能源；线圈?围绕工件，这种加热装置包括对称放置在金属带材两侧的组线圈，线圈中同相的交变电流产生垂直于工件表面的交变磁通横向磁通），感应出的涡流平?于板材表面，在板材截面上涡流并?存在相互抵消的问题，因此，对电流频率的要求大大降低了。 因此尤其适合连续热处?生产过程脚。 通过从?论上对横向磁通感应加热线圈进?的研究与分析，根据实际要求设计满足铜排焊接的线圈结构，在此基础上对采用横向磁通感应加热线圈的铜排焊接高频感应焊接电源进?了试验分析，以此来验证横向磁通感应加热线圈在焊接电源中的正确性和可?性。 横向磁通涡流场及温度场分析横向磁通感应加热是感应加热方式的一种，因此其研究内横向磁通感应加热的工作原?容也必然涉及涡流场和温度场以及材?特性非线性模型等方面，但由于这种感应加热方式有其自身的特点，经研究表明，横向磁通感应加热实质上是三维非线性耦合问题。 当金属板的距离足够小且远小于线圈所包围的面积时，可以认为投影处与线圈内部的磁感应强度近似相等。 而在金属板中涡流密度具有连续性，并且涡流在线圈的投影处密度值最大，且远大于其他位置的涡流。 因此，横向磁通的涡流分布可以近似为线圈在金属板上的投影，称之为“线圈投影规?”【习。 但由于涡流场分布复杂，难以给出具体的数学表达式，对其求解只能采用有限元，感应加热的重要应用领域之一是对金属板坯、中厚板或带材的加热，其加热方式可分为纵向磁通感应加热与横向磁通感应加热，种加热方式各有?同的特点与应用范围口一。 传统的纵向磁通感应加热方式是线圈围绕工件，交变电流产生沿工件轴向的交变磁通，其所引起的涡流平?于金属板横截面，利用涡流的焦耳热使板材温度升高。 由于磁通方向平?于被加热工件的轴向，因此这种加热方式被称为纵向磁通感应加热。 随着金属冶金工业的发展，对金属板材进?加热的需求越来越广泛纵向磁通感应加热方式自身的局限性也日益明显。 涡流分布方式及透入深度公式为等现代数值分析方法。 金属板表面的涡流分布可以近似为线圈形状在薄板表面的秸、墨，厂（）那么涡流及其引起的功率损耗（热源）在薄板上的投影可近似为图所示的条形区域，图中，曰，是和金属板边缘平?的条直线，其中与曰之间的距离等于与之间的距离。 曰和区域内的阴影小区域为线圈在金属板表面产生的涡流域的近似形状。 接近金属板边缘的区域内的热源数倍于薄板内部曰区域内的热源。 这种线圈形状造成热源的分布很?均匀，最终会导致温度的分布?均匀。 因此，?要得到均匀的温度分布，就要求金属板表面热源的分布均匀也就是要在金属板上的线圈投影面积相等。 投影。 以长方形线圈为例，如图所示。 线圈平?于金属板，式中为电流分布的透人深度；为金属的电阻率；以为金属的相对磁导率；厂为电流频率。 由该式可知，如果要得到较高的加热效率必须使带材厚度与集肤深度占之比大于，否则，会因涡流的相互抵消而导致加热效率降低。 因此对于一定厚度的带材，要提高加热效率，就要增大频率以减小集肤深度。 被加热的带材愈薄，则要求集肤深度愈小而要减小集肤深度则要增大频率。 事实上，对于带材，?采用纵向磁通感应加热其频率要超过。 在拥很小的情况下，即?增大加热的频率与电流，也难以达到所需要的温度。 例如，采用纵向磁通感应加热，对于铁磁性板材能够加热的最小厚度为，铝板为，而非铁磁性钢板只能达到。 因此纵向磁通感应加热主要应用于中厚板。 而横向磁通感应加热能有效地避免上述限制，其感应加热装置的结构如图所示。 图长方形线圈的横向感应加热示意圈圈横向磁通瞎应加热装置示意圈圈工件上热源分布近似投影图万方数据?焊接设备与材?目前横向磁通感应加热的线圈基本上采用如图所示的形状。 通过上述分析可知，此类线圈形状存在一定的缺陷，难以得到均匀的温度分布，仍然需要在实际生产应用中?断改进。 电流焊接技术第卷第期?月定则，相隔线圈在金属板材表面产生方向相反的感应磁通（图），磁通相互抵消，使得感应的涡流大大减小，也使其产生的焦耳热大大降低。 在实际生产过程中，无法实现有效的感应加热。 横向磁通感应加热的数学模型下面通过三维有限元数值求解及耦合场分析建立横向磁通感应加热的数学模型。 ?涡流场涡流场的数学模型是基于麦克斯韦方程组的正弦似稳态问题，是由复矢?磁位芽和复标景电位的时间积分蒂来描述的。 图形横向磁通礞应线圈图形横向磁通感应线圈涡流分布古。 ?（吉两徊詹贯萄萎，（）式中一黟（吉蜀一项是为了保证复矢?磁位芽解的惟一性采用库仑规范而插入的罚函数项；为电源产生的电场强度；为磁导率；矗为电导率。 同时，涡流密度的散度必须为。 后掣咖），（）圈环形横向磁通感应线圈对方程（）和（）进?有限元求解即可得出复矢?磁位万和复标?电位岙。 电流密度的表达式为卢和似币）最，热源。 （焦耳热，功率损耗）是由上式决定的，表达式为（）产单，由此看出，热源的分布近似与电流密度的分布一致。 温度场痧（菇，；，）的计算基于傅立叶热传导方程图环形横向磁通感应线圈涡流分布丝些秽）印。 ，优、。 （）由图可知，线圈两面流过方向相同的激励电流，在金属板上产生方形的环绕磁通，且磁通方向一致，但由于线圈在金属板上产生的磁通分布?均匀，其感应出来的涡流产生的焦耳热也分布?均（图），无法连续均匀加热工件，因此，在设计式中为比热容；为热导率；为物体的密度；温度是三维坐标（茹，）和时间的函数。 横向磁通感应加热线圈的设计上述结论是基于简化的模型，在实际的线圈设计中，必须综合考虑电磁场边缘效应与温度场的边缘效应，因此，在实际线圈中应该遵循如下的方法（）在金属板上，线圈的投影面积?变；（）由于金属板边缘散热快，因此，线圈的宽度应该大于金属板的宽度；（）由于结构参数中线圈宽度对边缘温度的影响最大，因此，在设计时必须对线圈宽度进?优化。 应用上述结论。 笔者设计了以下几种形状的线圈，如图和图所示，其涡流分布如图和图所示。 由图可知线圈两面流过相同方向的激励电流，由于线圈设计为形，根据右手此类线圈的时候要考虑线圈内部的距离分布问题。 此外，还有圆盘形、蝴蝶形等?同形状的线圈，根据加热工件形状的?同，可以有?同的选择，大大提高了金属热处?中的灵活性。 试验结果为了验证所设计的横向磁通感应加热线圈的正确性对采用横向磁通感应加热线圈的铜排焊接高频感应电源进?了试验。 铜排焊接高频感应电源主电?如图所示，采用了三相?可控整流电?。 并结合了负载?联谐振型单相桥式逆变器脚胁直流斩波功率调节电?。 焊接电源工作频率为工作电压。 ，万方数据业，中小变压器和发电机铜排绕组焊接工艺主要采用电阻焊其缺点是热效率低，焊接时间长，并且加热的温度?均匀，影响焊接质?。 而大功率变压器和发电机铜排绕组焊接主要采用气焊，这种焊接工艺由于是外部加热，存在焊接时间长、内外焊接温度?均匀等缺点。 采用高频感应横向磁通钎焊工艺，铜排绕组和母线铜排固定在一起，中间嵌入钎?，然后放人高频感应逆变焊机的环形感应线圈内，钎焊时在两边加压使嵌在铜排内的钎?熔化后均匀地填满空隙（图）。 当环形感应线圈通以以上的高频电流时，绕组铜排连同钎?一起在感应涡图铜排焊接面频?应电源主电?流的作用下迅速加热左右。 铜排连同钎?加热到左右时，钎?熔化。 然后经短时间保温后自然冷却，钎焊完成。 采用形感应线圈，对厚度为，宽为的根铜排。 分列叠放进?加热焊接试验，如图所示。 将厚度为的块铜排叠放进?加热焊接试验，如图所示。 采用环形感应线圈对以上种铜排进?加热焊接试验，如图，所示。 试验结果表明加热时间，形线圈加热效果?明显，铜板温度未有明显变化；环形线圈仅通电，铜板开始发热，由于存在加热?均匀及边缘效应。 后铜板部分区域发红，可以达到加热要求。 结论主要对横向磁通感应加热进?了分析与研究。 在分析横向磁通感应加热工作原?的基础上，建立了横向磁通感应加热的数学模型，从而为实际应用与设计提供一定的?论依据。 设计多种线圈的形状，通过试验对比分析得出最佳的设计方案，试验结果验证了所设计的横向磁通感应线圈在铜排焊接电源中应用的可?性与合?性。 该加热方式?但改进了传统的母线铜排及铜排钎焊工艺。 而且为设计?好的横向磁通感应加热设备奠定了基础。 参考文献【】（）豳形线圈加热试验约翰?戴维斯（英）感应加热手册嗍?京国防工业出版社，杨晓光，汪友华横向磁通感应加热装置中线圈形状对涡流及温度的影响】金属热处?，（）【】【】，锄叨，（）【】萨而珊【】飓试砒，（）（）圈环影线圈加热试验【】粕锄，）（锄，糟采用环形线圈对?同规格的铜排进?焊接试验，证明了该焊接电源具有较宽的频率跟踪范围，对于各种规格的铜母排以及在冷态和热态条件下均可以良好地适应。 使用粕叨蛐印，（）的铜母排与根每根规格为的铜排进【】，）【?搭接钎焊，有效钎焊面积为（咖）印时逆变器的驱动频率与负载谐振中心频率均为【。 使用根每根规格为蚰五丌珊?的铜排进?搭接钎焊。 有效钎焊）时，逆变器的驱动频率与啪【】，（）面积为（。 负载谐振中心频率均为环形线圈横向磁通在大功率变压器和发电机铜排绕组焊接的实际生产中得到了应用。 目前国内的变压器和发电机生产?作者简介吴?（一），女，辽宁大连人，硕士研究生，主要研究方向为电?电子与电气传动万方数据焊接电源中横向磁通感应线圈的研究与设计作者刊名英文刊名年，卷(期)被引用次数吴丹，沈锦飞，颜文旭，惠晶江南大学,控制科学与工程研究中心,江苏,无锡,214122焊接技术WELDING TECHNOLOGYxx，35 (5)1次参考文献(6条)1.约翰戴维斯感应加热手册19852.杨晓光.汪友华横向磁通感应加热装置中线圈形状对涡流及温度分布的影响期刊论文-金属热处理xx (07)3.Andree W.Zanming Wang3D eddycurrent putationin thetransverse fluxinduction heatingequipment1994 (05)4.Fukushima.Shunji High-performance edgeheater forthe hotstrip mill1993 (05)5.Wang Zanming.Yang Xiaoguang.Wang YouhuaEddy currentand temperaturefield putationintransverse fluxinduction heatingequipmentxx (05)6.Mai W.Henneberger GField andtemperature calculationsin transverseflux inductiveheati