一种基于三磁极磁控电弧双侧前后摆动的焊缝成型调控方法

本发明属于磁控焊接，具体涉及镜像横向磁场控制电弧的方法，尤其适用于一种基于三磁极镜像横向磁场控制电弧双侧前后摆动的焊缝成型调控方法。

背景技术：

1、电弧等离子体具有导电性，在不同类型的外加磁场作用下，电弧的形态、空间位置、电弧运动的特点会发生改变，进而改变电弧行为，影响熔滴过渡过程，减少飞溅，对熔池流动也有重要影响。具体表现为外加纵向磁场和横向磁场可以使电弧向一侧偏转；轴向磁场能改变电弧形状，使电弧压缩；旋转磁场能驱动电弧的同步旋转，导致形状和位置的明显变化；尖角磁场的作用是使电弧的形貌由圆锥变为平锥，电弧的圆截面转变为椭圆形，达到特定的拉伸和压缩目的。

2、利用各类磁场控制焊接电弧技术已有多年的发展历史，其能够有效解决焊接时出现的咬边、驼峰焊道、气孔、裂纹等各种焊接缺陷，并通过改变电弧形态进一步得到所需焊缝成型效果。在实践中，根据具体焊接场景和使用需要选择不同类型的磁场，通过改变磁场强度和磁极分布等焊接参数来控制焊缝成形效果。在上述磁场类型中，尖角磁场适用于对焊接方向性需求较小的场景，例如曲率小的钢板焊接等，适用场景有限；旋转磁场在实践中操作要求较高，难以控制。因此目前对磁控电弧焊接领域的研究主要集中于轴向磁场、横向磁场与纵向磁场。

3、针对磁控电弧应用于焊缝跟踪的问题，专利文献cn105149738b提供了一种双向磁控电弧式焊缝跟踪传感器，该传感器通过空间双向磁场控制焊接电弧，其中通过轴向磁场和横向磁场同时作用于焊接电弧，轴向磁场使电弧收缩度和稳定性增强，横向交变磁场使焊接电弧横向规律性摆动，根据电弧弧长的改变而引起的电流信号的变化获取更加精确的焊缝信息。针对铝合金激光-mig复合焊接过程中焊接塌陷问题，专利文献cn113102891b提供了一种外加磁场抑制铝合金激光-mig复合焊接塌陷的方法及装置，在待焊焊缝处设置垂直于焊缝的横向磁场，利用磁场与流动的导电熔池流体相互作用产生的电磁力，形成一个对焊缝背部的托举力，有效抑制铝合金焊接塌陷。

4、上述专利方案虽然都利用外加磁场有效提高了焊接效果，但是仍然存在一些不足：首先是对多种磁场组合使用后的效果表述和实践不明确，着重于单类磁场的作用效果，难以高效利用组合磁场的效果和优势；其次上述专利文献所述焊缝成型效果提升有限，单一轴向磁场或横向磁场对熔池的搅拌效果较差，进而最终的焊缝成型效果难以达到预期；最后上述横向磁场的两个磁极极性大多不同，作用范围为整个焊接电弧，对电弧局部的调控不够灵活。

技术实现思路

1、本发明改善了上述专利方案中存在的问题，主要目的在于提供一种基于三磁极磁控电弧双侧前后摆动的焊缝成型调控方法，通过三个激励线圈产生镜像横向磁场，进而将焊接电弧自然划分为左右两个区域，两个区域的摆动方向受磁场影响恰好相反，从而优化搅拌效果，进一步从局部调控电弧实现所需焊缝成型效果。

2、本发明提出的一种基于三磁极磁控电弧双侧前后摆动的焊缝成型调控方法，通过以下技术方案予以实现：

3、本发明涉及镜像横向磁场控制电弧的方法，采用的装置主要包括环绕焊枪的第一激励线圈、分布于焊枪左侧的第二激励线圈、分布于焊枪右侧的第三激励线圈、第一励磁电源、第二励磁电源、第三励磁电源、焊缝成型控制器，三个激励线圈在焊接电弧左右两侧产生沿焊接方向对称分布的镜像横向磁场，通过镜像横向磁场对焊接电弧左右两侧电弧等离子体产生作用方向相反的电磁摆动，从而调控电弧对焊接熔池左右两侧的搅拌作用和焊接熔池前后两端的液态金属回流作用，进而调控焊缝成型效果。

4、进一步地，所述第二激励线圈和第三激励线圈产生的磁场极性相同，第一激励线圈产生的磁场极性和第二激励线圈、第三激励线圈产生的磁场极性相异，以此产生以焊接方向为中线的镜像磁场效果。

5、该调控方法的具体工作过程如下：

6、第二激励线圈、第一激励线圈、第三激励线圈以磁极极性为s-n-s与n-s-n的分布在周期为t的时间内交替转变，以焊接电流负极性为例，在0-t/2时，第二激励线圈、第一激励线圈、第三激励线圈分别通入-i2、i1、-i3的励磁电流，从而在焊接电弧空间形成磁极极性为s-n-s并且沿焊接方向对称分布的镜像横向磁场，第二激励线圈与第一激励线圈之间磁场分布对焊接电弧左侧电弧等离子体产生作用方向向后的电磁摆动，第三激励线圈与第一激励线圈之间磁场分布对焊接电弧右侧电弧等离子体产生作用方向向前的电磁摆动，此时的镜像横向磁场驱使电弧对焊接熔池产生左后与右前的搅拌作用和逆时针的熔池流场分布；在t/2-t时，第二激励线圈、第一激励线圈、第三激励线圈分别通入i2、-i1、i3的励磁电流，从而在焊接电弧空间形成磁极极性为n-s-n且沿焊接方向对称分布的镜像横向磁场，第二激励线圈与第一激励线圈之间磁场分布对焊接电弧左侧电弧等离子体产生作用方向向前的电磁摆动，第三激励线圈与第一激励线圈之间磁场分布对焊接电弧右侧电弧等离子体产生作用方向向后的电磁摆动，此时的镜像横向磁场驱使电弧对焊接熔池产生左前与右后的搅拌作用和顺时针的熔池流场分布；以t为时间周期，第二激励线圈、第一激励线圈、第三激励线圈按上述过程以磁极极性为s-n-s与n-s-n的分布交替变化，通过所述镜像横向磁场的交变作用对焊接电弧产生周期性电磁摆动和对熔池流场产生周期性的搅拌作用与流场分布演变，从而调控焊缝成型效果。

7、本发明的有益效果表现为：(1)所加轴向磁场在压缩电弧的同时，还作为横向磁场的其中一个磁极发生作用，因此自然而然地将磁场作用区域沿焊接方向分为了左右两个区域，进一步提高磁场对电弧的局部调控能力，更好地适用于特殊的焊接场景。(2)由三个激励线圈产生的镜像横向磁场能够使焊接电弧产生不同方向的撕扯效果，本发明充分利用了镜像横向磁场的优势，大大提高了焊接熔池左右两侧的搅拌作用和焊接熔池前后两端的液态金属回流作用，进而调控焊缝成型效果。(3)由于轴向磁场所在的空间位置和发挥的作用，本发明在完成焊接任务的前提下，能够充分利用有限的磁场发生装置空间，进一步减小装置体积。

技术特征：

1.一种基于三磁极磁控电弧双侧前后摆动的焊缝成型调控方法，其特征在于：该方法采用的装置包括环绕焊枪的第一激励线圈(1)、分布于焊枪左侧的第二激励线圈(2)、分布于焊枪右侧的第三激励线圈(3)、第一励磁电源(4)、第二励磁电源(5)、第三励磁电源(6)、焊缝成型控制器(7)、磁场反馈系统(8)，其中，第二激励线圈(2)和第三激励线圈(3)产生的磁场极性相同，第一激励线圈(1)产生的磁场极性和第二激励线圈(2)、第三激励线圈(3)产生的磁场极性相异；该方法采用三个激励线圈在焊接电弧左右两侧产生沿焊接方向对称分布的镜像横向磁场，通过镜像横向磁场对焊接电弧左右两侧电弧等离子体产生作用方向相反的电磁摆动，从而调控电弧对焊接熔池左右两侧的搅拌作用和焊接熔池前后两端的液态金属回流作用，进而调控焊缝成型效果，所述三磁极磁控电弧双侧前后摆动的焊缝成型调控方法工作过程如下：

2.根据权利要求1所述的一种基于三磁极磁控电弧双侧前后摆动的焊缝成型调控方法，其特征在于：所述第二激励线圈(2)与第三激励线圈(3)的分布位置不固定，若焊接坡口类型改变或焊接环境特殊，第二激励线圈(2)则分布于焊枪前侧，第三激励线圈(3)则分布于焊枪后侧，第一激励线圈(1)环绕焊枪分布，由此三个激励线圈在焊接电弧前后两侧产生沿垂直于焊接方向的轴线对称分布的镜像横向磁场，通过镜像横向磁场对焊接电弧前后两侧电弧等离子体产生作用方向相反的电磁摆动，其调控方法与权利要求1所述调控方法相同。

技术总结
本发明公开了一种基于三磁极磁控电弧双侧前后摆动的焊缝成型调控方法，该方法采用的装置包括环绕焊枪的第一激励线圈(1)、分布于焊枪左侧的第二激励线圈(2)、分布于焊枪右侧的第三激励线圈(3)、第一励磁电源(4)、第二励磁电源(5)、第三励磁电源(6)、焊缝成型控制器(7)、磁场反馈系统(8)，该方法采用三个激励线圈在焊接电弧左右两侧产生沿焊接方向对称分布的镜像横向磁场，通过镜像横向磁场对焊接电弧左右两侧电弧等离子体产生作用方向相反的电磁摆动，从而调控电弧对焊接熔池左右两侧的搅拌作用和焊接熔池前后两端的液态金属回流作用，进而调控焊缝成型效果。本发明能够有效消除驼峰、咬边等焊接缺陷，提高焊缝质量和焊接效率，适用于各类焊接的焊缝质量控制。

技术研发人员：尹力,程浩冉
受保护的技术使用者：湘潭大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15