一种磁压缩焊接电弧装置及焊接方法与流程

本发明涉及焊接电弧控制技术领域，特别是涉及一种磁压缩焊接电弧装置及焊接方法。

背景技术：

采用钨惰性气体(英文tungsteninertgas，以下简称tig)焊接方法可获得高质量焊缝，几乎可用于所有金属的连接，尤其适合薄板或薄壁管件的焊接。但是tig焊接方法同样也存在缺点，如电弧热量分散、能量密度低、电弧力小以及钨极受许用电流影响等缺点，因此限制了tig焊接方法在中厚板以及高效化方面的焊接应用。

为解决tig焊接方法上述存在的缺点，研究者从许多方面对tig焊接方法进行了改进和创新研究，如活性剂tig焊接方法(a-tig)、电流脉冲tig焊接方法和尖角磁场tig焊接方法等等。对磁控装置来说，从频率上看，绝大部分研究工作者都是采用静态或者低频磁场，对电弧形态的控制并不理想；另外，从磁场方向上看，多数研究工作者采用纵向磁场对电弧进行控制，但随之产生了电弧摆动问题，限制磁场压缩电弧效率。因此，如何在不影响tig焊接方法其他优点的前提下，提高电弧能量密度，是本领域急需解决的技术问题。

技术实现要素：

本发明的目的提供一种磁压缩焊接电弧装置及焊接方法，能够在不影响tig焊接方法其他优点的前提下，实现压缩电弧，提高电弧能量密度。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种磁压缩焊接电弧装置，与焊枪连接，所述磁压缩焊接电弧装置包括固定结构和与所述固定结构相连的四个弯折结构；其中，所述固定结构，用于与焊枪连接；所述弯折结构包括线圈缠绕部和与所述固定部相连的固定部；所述线圈缠绕部，用于缠绕线圈；多个所述线圈缠绕部位于同一个平面。

可选的，相邻所述弯折结构之间的夹角为90度；所述固定部与所述线圈缠绕部连接。

可选的，通过一根线圈将四个所述线圈缠绕部缠绕，使得当所述线圈通电时，相邻的所述线圈缠绕部的磁极极性相反。

可选的，所述平面与固定结构轴线之间的夹角为第一夹角；其中，所述第一夹角的角度值与90度的差值的绝对值小于设定值。

可选的，所述固定结构包括螺纹升降部和磁极夹持部；所述螺纹升降部与所述焊枪上连接；所述磁极夹持部与所述螺纹升降部连接。

可选的，所述固定部与所述磁极夹持部连接，用于消除无用气隙，减小磁阻。

可选的，所述螺纹升降部包括内套筒和外套筒；所述内套筒的外表面上设有外螺纹，所述外套筒的内表面上设有内螺纹；所述内螺纹和所述外螺纹相匹配；所述外套筒，通过所述内螺纹和所述外螺纹配合固定在所述内套筒上；所述内套筒通过紧固螺钉固定于焊枪上；其中，所述螺纹升降部，用于通过旋转所述内套筒和所述外套筒，调节所述磁压缩焊接电弧装置的高度。

可选的，所述磁极夹持部包括两个相同的半圆弧结构的套箍；所述套箍上连接两个所述弯折结构；所述套箍的两端设有连接耳；所述连接耳设有圆孔，并通过螺丝穿过所述圆孔将两个所述套箍固定在所述外套筒上。

可选的，所述线圈缠绕部采用的是软磁材料。

本发明还提供了一种焊接方法，所述焊接方法包括：

将所述磁压缩焊接电弧装置安装在所述焊枪上；

将供电装置与所述线圈连接，用于为所述线圈提供交流电；

调节所述供电装置的频率和所述磁压缩焊接电弧装置的高度，使电弧的跨度与焊缝的宽度相匹配；

采用调节后的所述供电装置以及所述磁压缩焊接电弧装置进行焊接。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明提供一种磁压缩焊接电弧装置及焊接方法；该装置包括固定结构和四个弯折结构；其中，所述固定结构，用于与焊枪连接；所述弯折结构包括固定部和线圈缠绕部；所述固定部与所述固定结构连接；所述线圈缠绕部，用于缠绕线圈，且多个所述线圈缠绕部位于同一个平面；当线圈缠绕部缠绕着线圈且该线圈通电时，所述磁压缩焊接电弧装置就会产生类似于磁聚焦四极透镜的横向尖角磁场；所述横向尖角磁场垂直于电弧弧柱轴线，对电弧产生力的作用，从而实现电弧压缩，提高电弧能量密度；同时这种所述横向尖角磁场也会提高电弧的压力，改善电弧的形态，且当电弧受到力的作用压缩变窄时，也会提高电弧的挺度。其中，横向尖角磁场中的横向表示电弧轴线垂直于磁极布置平面，横向尖角磁场中的横向中的尖角表示磁场以四个磁极为四个尖角，大致形状为四个角被拉长被拉长后的正方形。因此，本发明提供装置能够在不影响tig焊接方法其他优点的前提下，能够实现电弧压缩，提高电弧能量密度和电弧挺度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例磁压缩焊接电弧装置的主视图；

图2为本发明实施例磁极夹持部的结构示意图；

图3为本发明实施例为高频磁控装置第一部分结构示意图；

图4为本发明实施例为高频磁控装置第二部分结构示意图；

图5为本发明实施例不加磁场时的电弧形态图；

图6为本发明实施例在激磁电流3a、激磁频率500hz条件下的电弧形态图；

图7为本发明实施例在激磁电流4a、激磁频率1000hz条件下的电弧形态图；

图8为本发明实施例在激磁电流5a、激磁频率1500hz条件下的电弧形态图；

图9为本发明实施例焊接方法的流程示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种磁压缩焊接电弧装置及焊接方法，能够在不影响tig焊接方法其他优点的前提下，实现压缩焊接电弧，提高焊接电弧能量密度。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明实施例磁压缩焊接电弧装置的主视图；如图1所示，本发明提供的磁压缩焊接电弧装置包括四个弯折结构1和固定结构2；

所述弯折结构1包括固定部101和线圈缠绕部102。

所述固定部101一端与所述固定结构2连接。

所述线圈缠绕部102，用于缠绕线圈；所述线圈缠绕部102采用的是软磁材料；其中，在本发明实施例中线圈缠绕部102采用的软磁材料为q235低碳钢。

多个所述线圈缠绕部102位于同一个平面；所述平面与固定结构2轴线之间的夹角为第一夹角，所述第一夹角的角度值与90度的差值小于设定值。

相邻所述弯折结构1之间的夹角为90度；所述固定部101的另一端与所述线圈缠绕部102连接，优先的，所述固定部101和所述线圈缠绕部102之间的夹角为45度，并通过一根线圈将四个所述线圈缠绕部102缠绕，使得当所述线圈通电时，相邻的所述线圈缠绕部102的磁极极性相反。具体为，当线圈通入交流电，相邻的所述线圈缠绕部102的磁极极性相反，相邻的所述线圈缠绕部102的磁极极性交替变换；从宏观上看等效于横向尖角旋转磁场。其中，通过调节交流电的占空比来控制横向尖角旋转磁场的旋转速度。

所述固定结构2，用于与焊枪连接。

所述固定结构2包括螺纹升降部和磁极夹持部。

所述螺纹升降部与所述焊枪上连接。

所述磁极夹持部与所述螺纹升降部连接。

将所述固定部101与所述磁极夹持部连接，用于消除无用气隙，减小磁阻，具体为，将所述固定部101与所述磁极夹持部连接，当在线圈通电产生的一定磁动势时，所述固定部101磁压降大幅度减小，磁密集中于靠近所述线圈缠绕部102，加强磁压缩效果。

所述螺纹升降部包括内套筒201和外套筒202；所述内套筒201的外表面上设有外螺纹，所述外套筒202的内表面上设有内螺纹；所述内螺纹和所述外螺纹相匹配；所述外套筒202，通过所述内螺纹和所述外螺纹配合固定在所述内套筒201上；所述内套筒201通过紧固螺钉固定于焊枪上；其中，所述螺纹升降部，用于通过旋转所述内套筒201和所述外套筒202，调节所述磁压缩焊接电弧装置的高度，找到电弧最佳压缩点。

图2为本发明实施例磁极夹持部的结构示意图，如图2所示，所述磁极夹持部包括两个相同的半圆弧结构的套箍203；所述套箍203上连接两个所述弯折结构1；所述套箍203的两端设有连接耳301；所述连接耳301设有圆孔302，并通过螺丝穿过所述圆孔302将两个所述套箍203固定在所述外套筒202上。

由于本发明需要不断的改变电源输出量，比较各种数据，最后择优确定焊接参数，所以本发明需要一个即可以产生交流电又可以产生直流电，且该直流电的大小可调，交流电的输出频率、电流有效值、输出占空比可调。因此在本发明实施例中为线圈通电的供电装置采用的是高频磁控装置。通过高频磁控装置将磁场频率调至高频(大于1000hz为高频)，并用高频磁控装置给线圈通以恒定相位差的方波电流，线圈缠绕部随电流方向同步交替变化，产生旋转的横向尖角磁场。

图3为本发明实施例为高频磁控装置第一部分结构示意图；图4为本发明实施例为高频磁控装置第二部分结构示意图。

在高频磁控装置结构中，主电路是高频磁控装置的骨架，它是将具有平特性的工频电转换为具有陡降特性且可控的输出曲线，通过磁头流过电流的改变来产生满足不同试验所需要的不同特性的磁场，在电路中主要起到能量的转换作用，其设计的是否合理决定着设备的安全可靠性和电能的利用效率。

本发明实施例提供的高频磁控装置采用双逆变技术。高频磁控装置可以输出交直流电源并且能产生与焊接电压波形匹配的交变间歇方波脉冲，频率、电流幅值均连续可调，且具有体积小、重量轻、调节方便等特点。高频磁控装置采用线性霍尔传感器，实现与焊接电源的监测与同步，并具有电磁隔离的功能。其中，线性霍尔传感器具有体积小、外围电路简单、频带宽、动态特性好、寿命长的优点，得到广泛应用。

如图3-4所示，所述高频磁控装置包括：

输入模块401：与电网直接相连，输入220v交流电。

直流控制模块402：通过改变可变电阻大小实现对输出直流电流大小的控制。

一次整流模块403：利用单相桥式逆变电路实现交流对直流的一次整流。控制系统的芯片需要电压，驱动放大电路需要电压，软启动继电器需要电压。并且它要求供电电压稳定，不受负载变化和其它干扰的影响，但电网中不稳定的谐波在本装置中不可以忽略，故仅靠单一的供电不能满足要求。在本设计中供电电源均采用在整流电路输出端串联三端集成稳压器的稳压供电模式。在整流之后采取大容量的电解电容进行电压滤波整形。高频磁控装置采取了并联若干个电容的方法，以此来获取更大容量的电解电容。

软启动模块404：为防止浪涌电流设计的软启动电路。输出的1、2两个端口串接到主回路。本电路采用晶体管时间继电器实现延时作用，其基本原理是利用rc电路充放电时,电容器上的电压不能突变,而只能缓慢变化,从而实现电路改变比较平缓。继电器连接电网一端，当电源开通瞬间，继电器的开关延时导通，从而保护了电路中的器件,具体延时时间晶体管连接的电解电容c1和电阻r2确定。由于n沟道结型场效应晶体管的特点是输入阻抗高,并属耗尽型,即当栅极与源极间电压过零时,仍有漏极电流存在,使该电路延时范围广,开关特性好。当电源合闸瞬间，电解电容上的电压为0，场效应晶体管的栅极与源极间电压为负，晶体管截止。直流电压vdd通过r2不断向c1充电，c1上的电压由0依指数规律上升,栅源极负压不断减小,直到电压大于晶体管的夹断电压时，晶体管开始有漏极电流产生,继电器j吸合,电源实现延时启动。从开始充电到继电器吸合的这段时间即为通电延时动作时间。继电器吸合后,场效应晶体管截止,当电源切断时,继电器j才释放,电路恢复到原来状态。

滤波模块405：配合电解电容对整流流输出进行滤波。用高频电容对电路中的高频干扰进行滤除，在输出端并联电容,可以改变负载两端的瞬态响应,抑制瞬变噪声干扰。

一次逆变模块406：利用igbt搭建单相桥式全控逆变电路，通过控制igbt的通断时间控制输出交流电流的大小、频率。

隔离谐波模块407：利用变压器隔离逆变器产生的三次以及三的倍数次谐波。

采集信号模块408：霍尔电流传感器采集的是高频变压器经整流后的直流信号。本系统采用的霍尔电流传感器,其额定电流为500a,输出电流100ma,响应时间小于1μs,采用±15v供电。霍尔电流传感器输出的微小电流信号首先经过i/v转换成电压信号。很好的实现了电气隔离。

二次逆变模块409：实现双逆变。

输出模块410：直流、交流输出。

本发明实施例的工作原理：

参考电子加速器的原理，将四个线圈附着端间隔90度分布布置，并通过一根线圈缠绕着线圈附着端，当线圈通电时，相邻的线圈附着端的磁极极性相反，进而放置形成横向尖角磁场，产生磁聚焦的效果。并通过改变线圈中的电流大小、频率等参数来调节磁场，利用运动电子在横向尖角磁场中切割磁感线所受到的径向洛伦兹力，对电弧产生压缩效应，以改善电弧形态，从而使电弧在相对挺直的状态下工作。

本发明实施例的工作过程：

将所述磁压缩焊接电弧装置安装在所述焊枪上，通过调节线圈电流、频率的大小以及螺旋升降部的高度来调整对电弧压缩作用大小，获取焊接电弧压缩效应最明显的焊接参数。具体为，通过高频磁控装置将磁场频率调至高频，产生高频激磁电流，并此高频激磁电流传输给线圈；高频激磁电流为恒定相位差的方波电流，使每个线圈附着端的磁极极性交替变化，产生类似于磁聚焦四极透镜的横向尖角磁场，该横向尖角磁场垂直于电弧弧柱轴线，并作用于电弧，从而对电弧产生磁压缩作用，提高电弧能量密度，这种磁压缩作用会提高电弧的压力，改善电弧的形态，使焊接电弧受压缩变窄，提高tig焊接电弧的挺度。

通过调节激磁电流、激磁频率的大小以及螺旋升降部的高度来调整对电弧压缩作用大小，获取焊接电弧压缩效应最明显的焊接参数。

综上所述，本发明实施例提供一种磁压缩焊接电弧装置，能够线圈通电时，产生类似于磁聚焦四极透镜的尖角磁场，并且可以沿电弧方向进行升降，实现电弧压缩，提供电弧能量密度。

下面通过具体实施例来验证本发明提供的磁压缩焊接电弧装置能够实现电弧压缩，提供电弧能量密度。

采用本发明提供的磁压缩焊接电弧装置的焊接实施方法，具体包括以下操作步骤：

步骤一：根据焊接工件的材质、板厚(或壁厚)以及焊接速度要求，选择焊接工艺参数，如焊接电流、电弧电压、保护气(氩气)流量、钨极直径及端部形状、钨极端部与工件的距离等。本实施例采用tig316型焊机，焊接试件选用1cr18ni9ti不锈钢板，板厚10mm，焊接电流300a。

步骤二：将tig316型焊机的正负极分别接至焊接工件和焊枪。

步骤三：将磁压缩焊接电弧装置安装在所述焊枪上。

步骤四：将高频磁控装置与线圈连接；

步骤五：打开tig316型焊机电源，电流调至脉冲形式，并设置电流值，开始起弧焊接。焊接时，tig316型焊机不动，工件运动。工件运动速度即焊接速度。

步骤六：通过改变高频磁控装置的激磁电流大小和磁场频率大小，得到不同的电弧形态。

图5为本发明实施例不加磁场时的电弧形态图，如图5所示，电弧由于没有外加磁场约束，总体呈发散状，电流密度由上至下递减，电弧的底端能量不够集中，焊缝较宽，且达到一定熔深需要的时间较长，因此，限制了焊接效率。

图6为本发明实施例在激磁电流3a、激磁频率500hz条件下的电弧形态图，如图6所示，电弧外围光晕状部分由于电流密度小，其具有的能量小，对实际的焊接效果影响不大，可以忽略不计；主要由电弧中心部分(明亮的光柱)所具有的能量对焊接件进行融化。由实验照片可见中心电弧部分相对于不加磁场时的形态已有明显的收缩趋势。

图7为本发明实施例在激磁电流4a、激磁频率1000hz条件下的电弧形态图，如图7所示，电弧中心的收缩趋势更加明显，电子流在磁场的作用下收到洛伦兹力向轴线靠拢，中心电弧接近竖直，电流密度增加，对能量的传递效率大大提高，基本达到了期望效果，这时的中心电弧能量集中度与不加磁场约束的电弧相比有了较大的提升，达到相同熔深需要的时间更短。

图8为本发明实施例在激磁电流5a、激磁频率1500hz条件下的电弧形态图，如图8所示，此时电弧相对于上次实验没有明显的变化，中心电弧没有发生明显的收缩，可能的原因是两对磁极产生的磁场会相互排斥，磁场线无法达到电弧所在的中心区域，只能影响到电弧的外围部分，对于电弧中心区域的一小块部分，也可认为两对磁极的磁场产生的作用在这里抵消，可以看作没有磁场作用或者说作用很小。

通过图5-图8可知，通过调节激磁电流和激磁频率的大小，能够调整对电弧压缩作用大小，获取焊接电弧压缩效应最明显的焊接参数；另外，也可以根据实际需要，在调节激磁电流和激磁频率的大小基础上，调节螺旋升降部的高度，达到调整对电弧压缩作用大小的目的，获取焊接电弧压缩效应最明显的焊接参数。

综上，本发明是提供一种磁压缩焊接电弧装置，能够在不影响tig焊接方法其他优点的前提下，实现压缩电弧，提高电弧能量密度。

为了使用本发明提供的装置，本发明还提供了一种焊接方法。

图9为本发明实施例焊接方法的流程示意图，如图9所示，所述焊接方法包括：

步骤901：将所述磁压缩焊接电弧装置安装在所述焊枪上；

步骤902：将供电装置与所述线圈连接，用于为所述线圈提供交流电；

步骤903：调节所述供电装置的频率和所述磁压缩焊接电弧装置的高度，使电弧的跨度与焊缝的宽度相匹配；

步骤904：采用调节后的所述供电装置以及所述磁压缩焊接电弧装置进行焊接。

通过本发明提供一种应用于磁压缩焊接电弧装置的焊接方法，当线圈线圈通电时，所述磁压缩焊接电弧装置就会产生类似于磁聚焦四极透镜的尖角磁场；所述尖角磁场垂直于电弧弧柱轴线，对电弧产生力的作用，从而实现电弧压缩，提高电弧能量密度；同时所述尖角磁场也会提高电弧的压力，改善电弧的形态，且当电弧受到力的作用压缩变窄时，也会提高电弧的挺度。因此，本发明实施例提供焊接方法，不仅能够实现电弧压缩，提高电弧能量密度，也能提高电弧的挺度。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。