專利名稱：一種全位置焊熔池穩(wěn)定成形的方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及焊接技術(shù)，具體是一種全位置焊熔池穩(wěn)定成形的方法及裝置。該方法及裝置基于外加電磁力的作用。
背景技術(shù)：
隨著石油化工、管道安裝以及造船等工業(yè)的飛速發(fā)展，采用全位置焊接工藝的場合越來越多。在保證焊接質(zhì)量的前提下，實(shí)現(xiàn)全位置的低成本、高率效焊接，無疑具有廣闊的應(yīng)用前景。但目前的全位置焊接工藝普遍存在焊接效率較低、成本較高的問題。究其原因，關(guān)鍵在于重力的影響，熔池容易失穩(wěn)，造成鐵水流淌，一方面影響焊接過程的穩(wěn)定，同時(shí)也容易出現(xiàn)熔合不良等焊接缺陷。為克服該缺點(diǎn)，一般采用比較小的焊接熔池，以依靠表面張力，保持熔池中的鐵水相對穩(wěn)定。但對于普通MIG/MAG焊工藝，小熔池就要求比較小的平均電流，結(jié)果導(dǎo)致全位置焊接的效率比較低；而目前廣泛采用的高效化弧焊技術(shù)如TIME 焊、多絲焊等，在采用全位置焊接時(shí)，熔池的穩(wěn)定成形存在著嚴(yán)重問題；采用高能密度焊接工藝技術(shù)(如激光焊、激光+電弧焊、電子焊等)，雖可以實(shí)現(xiàn)小熔池的全位置焊接，并提高焊接生產(chǎn)率，但其工藝復(fù)雜、設(shè)備投資成本高，對工件的裝配精度要求也比較高，現(xiàn)場使用適應(yīng)性差，難以大面積推廣應(yīng)用。目前MIG/MAG焊全位置熔池穩(wěn)定成形的控制主要依靠脈沖焊接電流、或者連續(xù)較小焊接電流(工程上一般小于200A)外加不同空間位置焊接速度的精確配合技術(shù)來解決。 雖然施加電磁外力不失為一種有效抵消全位置熔池重力影響的方法，但常規(guī)的外加磁場力只能用于全位置的特定形式即水平焊和橫焊。這方面國內(nèi)外的典型工作有(a)水平位置焊。日本學(xué)者^shidaT等通過外加縱向磁場與焊接電流作用，可使熔池金屬旋轉(zhuǎn)，攪拌熔池，達(dá)到細(xì)化晶粒改善焊縫性能的目的(Yoshida T等.，采用磁攪拌焊接的異向金屬結(jié)構(gòu)堆焊 Jnt Conf Nucl Eng Proc IC0NE, 2008 (1) :539-546) ；Ambrosy. G 等開展了外加縱向磁場作用于CO2激光焊的研究。該研究發(fā)現(xiàn)，在穩(wěn)定的磁場中，磁流體動(dòng)力對導(dǎo)電金屬熔體有2個(gè)基本作用，即修正流體速度曲線和把紊流變成層流，從而影響了激光熔池流場，抑制了駝峰焊道形成(Ambrosy. G等.激光誘導(dǎo)的密集等離子電流源在熔池中產(chǎn)生的電石茲力 0 Proceedings of SPIE-The International Society for Optical Engineering, ν 6346PART 1，2007 :332-339)；北京工業(yè)大學(xué)殷樹言等利用外加恒定縱向磁場作用于MAG 焊，使電弧和導(dǎo)電流體受到一個(gè)促使其旋轉(zhuǎn)力的作用，導(dǎo)電流體將圍繞著焊絲的軸線作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，可得到穩(wěn)定性較好的旋轉(zhuǎn)射流過渡(殷樹言等.縱向磁場作用下的旋轉(zhuǎn)射流過渡的機(jī)理.焊接學(xué)報(bào)，2005二6 (3))；沈陽工業(yè)大學(xué)常云龍等利用外加恒定縱向磁場應(yīng)用于 CO2焊短路過渡時(shí)，由于電弧收縮受到短路液橋縮頸處徑向向內(nèi)磁致壓力的作用，加速了縮頸的斷開，減少了能量積累，熔滴過渡速度提高，降低了電爆炸飛濺(常云龍等.外加縱向磁場在MIG焊中對金屬流動(dòng)性的影響.中國焊接，2008，17 ))。(b)橫向焊。日本學(xué)者Yukio Manabe在外加縱向磁場TIG焊的橫向焊接中，通過填充焊絲并通以預(yù)熱電流。這樣預(yù)熱電流與縱向磁場相互作用，產(chǎn)生與重力方向相反的向上洛侖茲力作用在熔池金屬上，來抑
3制熔池金屬的下淌(Yukio M等，橫向位置的焊接方法及設(shè)備.United States :6023043, 2000)；北京工業(yè)大學(xué)的陳樹君等提出在外加縱向磁場MAG立橫向焊接時(shí)，通過控制熔池中焊接電流的分布使之在熔池內(nèi)部形成焊接電流方向與焊接方向相同，熔池中焊接電流與磁場作用，就可以控制熔池下淌(王軍等.磁場控制橫向MAG焊接焊縫成型工藝的研究.北京工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2003，29 (2) 147-15)。顯然，上述研究情況都是在特定或理想情況下的結(jié)論。在橫向焊時(shí)，熔池重力與熔池軸線夾角垂直等于90度不變；而在實(shí)際全位置焊接中，熔池重力與熔池軸線夾角隨著熔池空間位置的變化而變化。這意味著不同空間位置重力對熔池成形作用的大小和方向是變化的，這就要求施加的外力也要適應(yīng)這種變化。因此從機(jī)理來看，目前常規(guī)的外加磁場和熔池焊接電流相互作用，對在全位置焊接時(shí)由于重力引起的諸如熔池失穩(wěn)、金屬下淌等問題，無法進(jìn)行有效控制。

發(fā)明內(nèi)容
針對目前全位置MI6/MAG焊焊接時(shí)熔池容易流淌、平均電流小和效率低下的問題，本發(fā)明擬解決的技術(shù)問題是，提供一種全位置焊熔池穩(wěn)定成形的方法及裝置。該方法具有全位置、焊接電流大和效率高等特點(diǎn)；該裝置由中間帶空心鐵芯的線圈和兩個(gè)對稱的帶實(shí)心鐵芯的線圈組成，焊接時(shí)兩個(gè)對稱的帶實(shí)心鐵芯的線圈在焊接方向上一前一后提供所需要的磁場，進(jìn)而產(chǎn)生電磁力來抵抗熔池的重力，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定熔池的作用。本發(fā)明解決所述方法技術(shù)問題的技術(shù)方案是設(shè)計(jì)一種全位置焊熔池穩(wěn)定成形的方法，該方法由左線圈-中間線圈和中間線圈-右線圈構(gòu)成左右對稱的外加高頻交變磁場， 該磁場加裝在焊槍上，能使焊熔池內(nèi)鐵水產(chǎn)生電渦流，并使該電渦流與所述外加高頻交變磁場相互作用，產(chǎn)生電磁力，用所產(chǎn)生的電磁力來抵消影響焊熔池穩(wěn)定成形的部分或全部重力，保持全位置焊熔池的穩(wěn)定成形；所述各線圈的匝數(shù)是20匝 200匝，左線圈-中間線圈之間和中間線圈-右線圈之間的中心距離對稱為50mm 150mm，給所述各線圈施加的激勵(lì)電流為0. 5A 5A ；所述外加高頻交變磁場的強(qiáng)度為IKHZ 30KHZ。本發(fā)明解決所述裝置技術(shù)問題的技術(shù)方案是設(shè)計(jì)一種全位置焊熔池穩(wěn)定成形裝置，該裝置適用于本發(fā)明所述全位置焊熔池穩(wěn)定成形的方法，其特征在于該裝置主要包括中間線圈和中間鐵芯、右線圈和右鐵芯、左線圈和左鐵芯以及橫梁，所述的中間鐵芯固定在橫梁的中間位置，左鐵芯和右鐵芯以中間鐵芯為中心對稱固定在橫梁上；中間線圈的中間鐵芯為空心結(jié)構(gòu)，且焊槍可以從中間鐵芯的空心內(nèi)穿過，左線圈的左鐵芯和右線圈的右鐵芯均為實(shí)心結(jié)構(gòu)，中間線圈、左線圈和右線圈按設(shè)計(jì)要求分別緊密纏繞在各自鐵芯上，并與交變電源相連接；裝置利用橫梁用可拆卸和可調(diào)節(jié)的方式固定在焊槍上。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明全位置焊熔池穩(wěn)定成形的方法和裝置將磁場作用于焊熔池，且左右線圈具有對稱結(jié)構(gòu)，因而使其產(chǎn)生的電磁力抵消了熔池自身的重力，因而具有非接觸性，焊接電流大，效率高，且焊熔池空間全位置有效等特點(diǎn)。


圖1是本發(fā)明涉及的重力影響全位置焊熔池穩(wěn)定成形的原理示意圖；圖1中，1代表熔池，A表示焊接方向，θ表示熔池重力的徑向分量角；
圖2是本發(fā)明全位置焊熔池穩(wěn)定成形的方法和裝置一種實(shí)施例的外加高頻交變電磁場的結(jié)構(gòu)原理圖；圖2中，1表示熔池，2表示焊槍，31表示中間線圈，32表示右線圈，33 表示左線圈；41表示中間的空心鐵芯，42表示右邊的實(shí)心鐵芯，43表示左邊的實(shí)心鐵芯；5 表示橫梁，6表示焊件，7表示在該位置處的電磁合力；圖3是本發(fā)明全位置焊熔池穩(wěn)定成形的方法和裝置一種實(shí)施例的附加的右電磁合力巧和左電磁合力^方向的示意圖；其中，圖3(a)為中間高頻交變電流、和右高頻交變電流I1反相；圖3(b)為中間高頻交變電流、和左高頻交變電流i2反相；圖4是本發(fā)明全位置焊熔池穩(wěn)定成形的方法和裝置一種實(shí)施例的附加電磁合力分量示意圖。圖4中，瓦代表重力徑向分量角在θ =0° 180°時(shí)的電磁合力，P1JPP10 分別代表 的切向分量和徑向分量；巧代表重力徑向分量角在θ =180° 360°時(shí)的電磁合力，和Ρ2。分別代表巧的切向分量和徑向分量；圖5是本發(fā)明全位置焊熔池穩(wěn)定成形的方法和裝置一種實(shí)施例的ANSOFT磁場仿真圖。圖5中，根據(jù)所設(shè)計(jì)的模型，1 1仿真出模型，對模型的左線圈和中心線圈施加大小為3Α方向相反的高頻(10ΚΗΖ)交變電流得到的磁場場圖；圖6是本發(fā)明全位置焊熔池穩(wěn)定成形的方法和裝置一種實(shí)施例的ANSOFT仿真電磁力的數(shù)值結(jié)果圖。圖6中，數(shù)值模擬出的電磁力單位是牛頓，所施加的頻率是10ΚΗΖ，電流是3Α，Mag(F)代表電磁合力，F(xiàn)(X)、F(y)和F(Z)分別代表合力在xyz方向上的分力。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合實(shí)施例進(jìn)一步敘述本發(fā)明本發(fā)明的全位置焊熔池穩(wěn)定成形的方法(簡稱方法，參見圖1-6)，該方法由左線圈33-中間線圈31和中間線圈31-右線圈32構(gòu)成左右對稱的外加高頻交變磁場，該磁場加裝在焊槍2上，能使焊熔池內(nèi)鐵水產(chǎn)生電渦流，并使該電渦流與所述外加高頻交變磁場相互作用，產(chǎn)生電磁力，用所產(chǎn)生的電磁力來抵消影響焊熔池穩(wěn)定成形的部分或全部重力， 保持全位置焊熔池的穩(wěn)定成形；所述各線圈的匝數(shù)分別是20匝 200匝，左線圈-中間線圈之間和中間線圈-右線圈之間的中心距離對稱為50mm 150mm，給所述各線圈施加的激勵(lì)電流為0. 5A 5A ；所述外加高頻交變磁場的強(qiáng)度為IKHZ 30KHZ。研究表明(參見圖1)，除重力G外，在空間不同位置的其它作用于熔池1的各種力的大小和方向相對于熔池1的位置基本不變，而作用于熔池1的重力δ的切向分量δ,和徑向分量Stl的大小和方向相對于熔池1的位置始終是變量。研究還表明(參見圖2)，當(dāng)給中間線圈31和右線圈32分別施加方向相反的中間高頻交變電流io和右高頻交變電流I1時(shí)，會分別產(chǎn)生對應(yīng)的中間高頻交變磁場Btl和右高頻交變磁場B1 ；通過合適的電流、頻率和線圈匝數(shù)參數(shù)設(shè)計(jì)，可使在熔池1內(nèi)部的中間高頻交變磁場Btl的強(qiáng)度和右高頻交變磁場B1基本接近，因此會在熔池1內(nèi)部產(chǎn)生閉合的磁場回路。該磁場作用于熔池1，就會產(chǎn)生渦流7。渦流7與高頻交變磁場相互作用產(chǎn)生附加電磁力，由于集膚效應(yīng)的影響，靠近熔池上部磁力線密度大，作用力可近似看作與磁感應(yīng)強(qiáng)度平方成正比，產(chǎn)生的合力方向只= Λ-72與Λ方向相同，即在熔池內(nèi)部產(chǎn)生附加電磁合力珂, 同理，如果當(dāng)、和i2同相位，而與I1反相時(shí)，在熔池內(nèi)部產(chǎn)生磁場強(qiáng)度Btl和化同相而與B1反相，在熔池內(nèi)部產(chǎn)生附加電磁合力F2，如圖2所示。在重力徑向分量角θ =0° 180°時(shí)，中間線圈31的中間高頻交變電流、與左線圈33的左高頻交變電流i2反相(參見圖3(a))，在熔池1內(nèi)部產(chǎn)生的附加右電磁合力^ 的切向分量瓦參見圖4)與重力δ的切向分量δ,方向(參見圖1)正好相反，力的大小相等，因此附加右電磁合力可抵消或部分抵消重力的切向分量^·作用，使熔池1穩(wěn)定成形； 同樣道理，在重力徑向分量角θ =180° 360°，中間線圈31的中間高頻交變電流、與右線圈32的右高頻交變電流I1反相(參見附圖3(b))，在熔池內(nèi)部產(chǎn)生的左電磁合力^的切向分量P2,和徑向分量P2e同理可抵消或部分抵消重力δ的作用，實(shí)現(xiàn)熔池1穩(wěn)定成形，因此通過傾角傳感器控制重力徑向分量θ角的空間位置，可以使重力徑向分量角θ =0° 360°的任意位置或全位置，即實(shí)現(xiàn)焊熔池1的穩(wěn)定成形。本發(fā)明同時(shí)設(shè)計(jì)了一種全位置焊熔池穩(wěn)定成形的裝置(簡稱裝置，參見圖1-6)， 其特征在于該裝置適用于本發(fā)明所述的全位置焊熔池穩(wěn)定成形的方法，主要包括中間線圈 31和中間鐵芯41、右線圈32和右鐵芯42、左線圈33和左鐵芯43以及橫梁5，所述的中間鐵芯41固定在橫梁5的中間位置，左鐵芯43和右鐵芯42以中間鐵芯41為中心對稱固定在橫梁5的兩端；中間線圈31的中間鐵芯41為空心結(jié)構(gòu)，且焊槍2可以從中間鐵芯41的空心內(nèi)穿過，左線圈33的左鐵芯43和右線圈32的右鐵芯42均為實(shí)心結(jié)構(gòu)，中間線圈31、 左線圈33和右線圈32按設(shè)計(jì)要求分別緊密纏繞在各自鐵芯上，并與交變電源外接；利用橫梁5用可拆卸和可調(diào)節(jié)的方式可以把裝置固定在焊槍2上。實(shí)施例的橫梁5中間安裝有固定環(huán)(圖中未畫出)，固定環(huán)的徑向打有3或4個(gè)螺紋孔，工作時(shí)利用與螺紋孔配套的螺釘可以把裝置固定在焊槍2上，同時(shí)方便拆卸與調(diào)節(jié)。所述的調(diào)節(jié)包括固定環(huán)或中間鐵芯41 與焊槍2的同心度調(diào)節(jié)(徑向同心度調(diào)節(jié))和裝置底端與焊件之間距離大小的調(diào)節(jié)(軸向高低位置調(diào)節(jié))。本發(fā)明方法和裝置根據(jù)研究的全位置熔池失穩(wěn)機(jī)理，基于交變磁場產(chǎn)生電渦流， 渦流與磁場相互作用產(chǎn)生的作用力可以部分甚至全部抵消全位置熔池成形重力，克服焊接時(shí)的重力不利影響，解決全位置焊熔池不能穩(wěn)定成形的問題。申請人:利用ANSOFT仿真軟件對所述的方法和裝置進(jìn)行了相關(guān)內(nèi)容的研究，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)參數(shù)要求如下給各線圈施加的激勵(lì)電流大小范圍是0. 5Α 5Α，頻率范圍是IKHZ 30ΚΗΖ，各線圈匝數(shù)范圍是20匝 200匝，相鄰線圈之間的中心距離是50mm 150mm。工作時(shí)，本發(fā)明裝置的底端與待焊工件之間的距離調(diào)節(jié)為Imm 10mm。實(shí)施例的實(shí)驗(yàn)條件為中間線圈31的電流大小為3A，中間線圈31的匝數(shù)為100 匝，右線圈32和左線圈33的電流大小均為3A，右線圈32和左線圈33的線圈匝數(shù)均為105 匝，左線圈33與中間線圈31兩個(gè)線圈之間和中間線圈31與右線圈32兩個(gè)線圈之間的中心距離分別為70mm，三個(gè)線圈的線徑均為1mm，工作時(shí)鐵芯(裝置)下端與焊件的距離為 5mm，右線圈32和左線圈33的鐵芯半徑均為10mm，中間線圈31的空心圓筒形鐵芯的內(nèi)徑為12. 5mm、外徑為16. 5mm，中間線圈31、右線圈32和左線圈33的外加磁場交變頻率均為 10KHZ，焊件鐵板的厚度為3mm。模擬實(shí)驗(yàn)表明，本發(fā)明仿真出的磁場場圖符合設(shè)計(jì)要求，能夠形成所需要的磁場回路，在熔池內(nèi)部產(chǎn)生的電磁力大小和方向與實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)要求的一致(參見圖5、6)。本發(fā)明
6未述及之處適用于現(xiàn)有技術(shù) 。
權(quán)利要求
1.一種全位置焊熔池穩(wěn)定成形的方法，該方法由左線圈-中間線圈和中間線圈-右線圈構(gòu)成左右對稱的外加高頻交變磁場，該磁場加裝在焊槍上，能使焊熔池內(nèi)鐵水產(chǎn)生電渦流，并使該電渦流與所述外加高頻交變磁場相互作用，產(chǎn)生電磁力，用所產(chǎn)生的電磁力來抵消影響焊熔池穩(wěn)定成形的部分或全部重力，保持全位置焊熔池的穩(wěn)定成形；所述各線圈的匝數(shù)分別是20匝 200匝，左線圈-中間線圈之間和中間線圈-右線圈之間的中心距離對稱為50mm 150mm，給所述各線圈施加的激勵(lì)電流分別為0. 5A 5A ；所述外加高頻交變磁場的強(qiáng)度為IKHZ 30KHZ。
2.一種全位置焊熔池穩(wěn)定成形的裝置，適用于權(quán)利要求1所述全位置焊熔池穩(wěn)定成形的方法，其特征在于該裝置主要包括中間線圈和中間鐵芯、右線圈和右鐵芯、左線圈和左鐵芯以及橫梁，所述的中間鐵芯固定在橫梁的中間位置，左鐵芯和右鐵芯以中間鐵芯為中心對稱固定在橫梁上；中間線圈的中間鐵芯為空心結(jié)構(gòu)，且焊槍可以從中間鐵芯的空心內(nèi)穿過，左線圈的左鐵芯和右線圈的右鐵芯均為實(shí)心結(jié)構(gòu)，中間線圈、左線圈和右線圈按設(shè)計(jì)要求分別緊密纏繞在各自鐵芯上，并與交變電源連接；裝置利用橫梁用可拆卸和可調(diào)節(jié)的方式固定在焊槍上。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的全位置焊熔池穩(wěn)定成形的裝置，其特征在于所述左線圈、右線圈和中間線圈的匝數(shù)分別是20匝 200匝，左線圈-中間線圈之間和中間線圈-右線圈之間的中心距離對稱為50mm 150mm，給所述各線圈施加的激勵(lì)電流分別為0. 5A 5A ；所述外加高頻交變磁場的強(qiáng)度為IKHZ 30KHZ。
全文摘要
本發(fā)明公開一種全位置焊熔池穩(wěn)定成形的方法及裝置。該方法設(shè)計(jì)一個(gè)左右對稱的外加高頻交變磁場，該磁場加裝在焊槍上，能使焊熔池內(nèi)鐵水產(chǎn)生電渦流，并使該電渦流與所述外加高頻交變磁場相互作用，產(chǎn)生電磁力，用所產(chǎn)生的電磁力來抵消影響焊熔池穩(wěn)定成形的部分或全部重力，保持全位置焊熔池的穩(wěn)定成形。該裝置適用于本發(fā)明所述方法，主要包括中間線圈和中間鐵芯、右線圈和右鐵芯、左線圈和左鐵芯以及固定它們的橫梁，所述中間鐵芯為空心結(jié)構(gòu)，安裝在橫梁的中間，且焊槍可以從中間鐵芯的空心內(nèi)穿過，左鐵芯和右鐵芯均為實(shí)心結(jié)構(gòu)，對稱安裝在橫梁上；裝置利用橫梁用可拆卸和可調(diào)節(jié)的方式固定在焊槍上。
文檔編號B23K31/02GK102152011SQ20111002504
公開日2011年8月17日 申請日期2011年1月24日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月24日
發(fā)明者姜旭東, 岳建鋒, 李亮玉 申請人:天津工業(yè)大學(xué)