一种提高TIG焊电弧能量密度的方法和装置.pdf

本发明一种提高TIG电弧能量密度的方法及设备，属于一种焊接电弧特性控制技术领域，其特征在于：通过激磁电流供给TIG焊枪上的磁头线圈，使其在电弧区产生磁场；把产生的磁场作用于电弧，使电弧收缩；通过调整激磁电流大小和磁场频率以及脉冲电流大小来调节电弧形态、电弧压力分布、电弧能量密度分布、电弧温度，从而获得最大限度的提高电弧中心能量密度的参数。本发明的目的是通过提高电弧中心能量密度而提高焊缝的熔敷率，提高焊接效率。

权利要求书
1.  一种提高TIG焊电弧能量密度的方法，其特征在于：该方法是按照如下步骤进行：
步骤一：通过高频磁控装置（1），将磁场频率调至高频，由高频磁控装置（1）产生的激磁电流，激磁电流供给安装在TIG焊枪（2）上的高频磁头（4），使其在电弧区产生纵向磁场；
步骤二：由高频磁控装置（1）产生一个平行于电弧弧柱轴线的高频磁场作用于电弧，产生的磁场对TIG焊接电弧产生力的作用从而使电弧出现磁压缩作用，提高电弧能量密度；
步骤三：这种磁压缩作用会提高TIG焊接电弧的压力，改善TIG焊接电弧的形态，焊接电弧受压缩变窄，同时提高TIG焊接电弧的挺度；
步骤四：通过调节激磁电流的大小和频率来调整其对TIG电弧压缩作用大小，存在压缩效应最明显的焊接参数。

2.  根据权利要求1所述的一种提高TIG焊电弧能量密度的方法，其特征在于：在步骤1中的焊接速度的调节范围为：3.5~5.5m/min；激磁电流的调节范围为：1~300A；磁场频率调节范围为：1~8KHz；磁场强度范围为10mT~100mT；焊接电流调节范围：1~500A。

3.  根据权利要求1所述的一种提高TIG焊电弧能量密度的方法，其特征在于：当磁场强度为30mT、磁脉冲频率为1500Hz，此时电弧热量较自由电弧相比，提升幅度为11.5%，且熔深增加47.1%，熔宽降低3.52%。

4.  一种如权利要求1所述的提高TIG焊电弧能量密度的装置，其特征在于：该装置由高频磁控装置（1）、TIG焊机（2）、TIG焊枪（3）、高频磁头（4）和钨极（5）组成；高频磁控装置（1）与钨极（5）连接，高频磁头（4）安装在TIG焊枪（3）上，钨极（5）设置在高频磁头（4）的相对位置处，TIG焊枪（3）的正负极分别与高频磁头（4）和工件（6）相连。

5.  根据权利要求4所述的提高TIG焊电弧能量密度的装置，其特征在于：高频磁头（4）符合TIG焊枪（3）的尺寸，两者呈一体状，且相互绝缘。

6.  根据权利要求4所述的提高TIG焊电弧能量密度的装置，其特征在于：所述高频磁控装置（1）的激磁电流的调节范围为：1~300A；磁场频率调节范围为：1~8KHz；磁场强度范围为10mT~100mT；焊接电流调节范围：1~500A。

说明书一种提高TIG焊电弧能量密度的方法和装置
技术领域
本发明属于一种焊接电弧控制技术领域，特别涉及一种利用外加高频纵向磁场压缩TIG焊电弧，提高TIG焊接能量密度的装置和方法。
背景技术
传统TIG焊是一种可获得高质量焊缝的焊接方法，在现代工业中应用广泛，几乎可用于所有金属的连接，特别适合薄板或薄壁管件的焊接。但是TIG焊电弧热量分散、能量密度低、电弧力小以及钨极受许用电流影响，限制了该方法在中厚板以及高效化方面的应用。为了解决传统TIG焊熔深浅、效率低的问题，人们从许多方面对TIG焊进行了改型和创新研究。如活性剂TIG焊（A-TIG）、电流脉冲TIG焊、超音频脉冲TIG焊和尖角磁场TIG等等，其中A-TIG焊可以大幅度地增加焊缝熔深，提高焊接生产率，大大的拓展了其应用领域，但是A-TIG焊接技术的许多方面仍有待于进一步完善，比如不同用途开发系列活性焊剂仍处于反复试验、摸索的阶段。有学者提出脉冲TIG焊对电弧会有一定的压缩作用，压缩原理主要为电弧自身的电磁压缩效应。有学者将通过超音频脉冲电流进行焊接，取得良好的焊接效果，但对焊接电源的要求相对较高。有学者通过对焊接电弧施加尖角磁场，在电磁力的作用下压缩焊接电弧提高电弧能量。本发明通过在焊枪上安装磁场装置，产生平行焊枪轴向的纵向磁场。而本发明是在传统TIG焊电弧周围通过施加外加高频纵向磁场使电弧产生“压缩效应”，提高焊接电弧能量，增大焊缝熔深，提高焊缝质量。
发明内容
发明目的：本发明提供一种提高TIG焊电弧能量密度的方法和装置，其目的在于对中厚板的焊接方法中存在TIG焊电弧热量分散、能量密度低、电弧力小、TIG焊熔浅等方面存在的问题。  
技术方案：
一种提高TIG焊电弧能量密度的方法，其特征在于：该方法是按照如下步骤进行：
步骤一：通过高频磁控装置，将磁场频率调至高频，由高频磁控装置产生的激磁电流，激磁电流供给安装在TIG焊枪上的高频磁头，使其在电弧区产生纵向磁场；
步骤二：由高频磁控装置产生一个平行于电弧弧柱轴线的高频磁场作用于电弧，产生的磁场对TIG焊接电弧产生力的作用从而使电弧出现磁压缩作用，提高电弧能量密度；
步骤三：这种磁压缩作用会提高TIG焊接电弧的压力，改善TIG焊接电弧的形态，焊接电弧受压缩变窄，同时提高TIG焊接电弧的挺度；
步骤四：通过调节激磁电流的大小和频率来调整其对TIG电弧压缩作用大小，存在压缩效应最明显的焊接参数。
在步骤1中的焊接速度的调节范围为：3.5~5.5m/min；激磁电流的调节范围为：1~300A；磁场频率调节范围为：1~8KHz；磁场强度范围为10mT~100mT；焊接电流调节范围：1~500A。
当磁场强度为30mT、磁脉冲频率为1500Hz，此时电弧热量较自由电弧相比，提升幅度为11.5%，且熔深增加47.1%，熔宽降低3.52%。
一种如上所述的提高TIG焊电弧能量密度的装置，其特征在于：该装置由高频磁控装置、TIG焊机、TIG焊枪、高频磁头和钨极组成；高频磁控装置与钨极连接，高频磁头安装在TIG焊枪上，钨极设置在高频磁头的相对位置处，TIG焊枪的正负极分别与高频磁头和工件相连。
高频磁头符合TIG焊枪的尺寸，两者呈一体状，且相互绝缘。
所述高频磁控装置的激磁电流的调节范围为：1~300A；磁场频率调节范围为：1~8KHz；磁场强度范围为10mT~100mT；焊接电流调节范围：1~500A。
优点及效果：焊接过程中高频磁脉冲作用使得焊缝成形良好，熔宽减小，熔深显著增大，且磁场脉冲频率存在着一个最佳的参数范围。可以使焊接电弧形态发生改变，由自由电弧的钟罩形态，压缩为柱形，同时可以提高焊接电弧温度，并且电弧热量更加集中，大幅提高焊接电弧压力，使焊缝的熔深增加、熔宽减小。此种工艺附加装置成本低，体积小，使用方便，而且能够改善电弧形态与电弧行为。
附图说明：
图1为本发明装置的结构示意图。
图中标记：高频磁控装置1、TIG焊机2、TIG焊枪3、高频磁头4、钨极5、工件6。
具体实施方式：下面结合附图1对本发明的具体实施方式进行详细说明：
如图1所示，本发明的装置主要由高频磁控装置1（同时也是励磁电源）、TIG焊机2（也是钨极氩弧焊机）、与TIG焊机2连接的TIG焊枪3、安装在TIG焊枪3上的高频磁头4组成。焊接电弧通过钨极3传递到工件6上，高频磁头4由连接法兰、螺线管、隔热板、励磁线圈、励磁线圈挡板组成。高频磁控装置1是由激磁电流显示器、励磁线圈温度显示器、激磁电流和频率调节部分组成，与TIG焊枪3上的高频磁头4连接，高频磁头4符合TIG焊枪3的尺寸，两者呈一体状，且相互绝缘。TIG焊采用正极性焊接。
TIG焊机2的正极接焊接工件6，负极接TIG焊枪3，焊接电流调节范围为1~500A。高频磁控装置1的输入电压是220V交流电，输出是1~300A的直流电，负载是励磁线圈。高频磁控装置1的功能是提供可以连续调节的脉冲磁场。高频磁脉冲作用于焊接区域提高电弧能量密度。
实施例：
步骤一：根据焊接工件6的材质、板厚（或壁厚）以及焊接速度要求，选择TIG焊接工艺参数，如焊接电流、电弧电压、保护气（氩气）流量、钨极5直径及端部形状、钨极5端部与工件6的距离等。
步骤二：将TIG焊机2的正负极分别接至焊接工件6和TIG焊枪3；将高频磁控装置的输出接到励磁线圈，要保证TIG焊枪3垂直于工件6。打开TIG焊机2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，TIG焊枪3不动，工件6运动。工件6运动速度即焊接速度。
步骤三：激磁电流由高频磁控装置产生，并供给励磁线圈；励磁线圈产生纵向磁场；等离子从钨极5运动到工件6的过程中做切割磁力线的运动，从而产生洛伦兹力。
步骤四：通过改变激磁电流大小和磁场频率大小，使得洛伦兹力的合力尽量纵向，从而使电弧压缩，电弧中心能量密度、电弧压力增大。
其中，在步骤三中的纵向磁场强度范围是：磁场强度可分为10mT~100mT。
在步骤四中的激磁电流的调节范围为：1~300A；磁场频率的调节范围：1~8KHz。
试验及测试结果：
实验：采用的焊接电流有效值为80A，钨电极尖锥角45度，直径Φ3.2mm，氩气流量10L/min，拍摄速度设定为1/4000s，磁感应强度30mT，磁脉冲频率分别为1000Hz、1500Hz、2000Hz。实验后，分别对比焊接电弧形态，电弧热量，焊缝熔深、熔宽。
如表1所示，随着磁感应强度（B）的增大，电弧热量分布系数达到峰值时所对应的磁脉冲频率随之变大。即磁感应强度为10mT时，TIG焊电弧热量分布系数峰值为49.61%，对应的磁脉冲频率为1000Hz；当磁感应强度为20mT时，电弧热量分布系数最大值为50.18%，磁脉冲频率为1200Hz；当磁感应强度为30mT时，电弧热量分布系数峰值为50.84%，此时的磁脉冲频率为1500Hz；当磁感应强度为40mT时，TIG焊电弧热量分布系数为50.31%，相应的磁脉冲频率为1800Hz。由比较可知，在磁感应强度为30mT，磁脉冲频率为1500Hz的情况下，电弧热量最为集中，热量分布系数最大，较自由电弧相比提升最为明显，升高幅度近11.5%。另外，在磁脉冲频率达到2500Hz时，随着磁脉冲频率的增加，不同磁感应强度的电弧热量分布系数差异逐渐减小；当频率达到6000Hz以后时，不同磁感应强度下的电弧热量分布系数值基本相同。

表1 不同磁脉冲频率下的电弧热量分布
磁脉冲频率（Hz） 电弧热量(B=10mT) 电弧热量(B=20mT) 电弧热量(B=30mT) 电弧热量(B=40mT) 0 39.52 39.52 39.52 39.52 500 44.01 43.19 42.17 41.58 800 48.29 45.97 44.6 43.82 1000 49.61 48.38 47.47 45.37 1200 48.74 50.18 49.26 47.03 1500 45.83 48.83 50.84 49.32 1800 44.63 45.76 48.93 50.31 2000 44.12 45.01 46.1 48.72 2500 43.21 43.69 44.38 45.29 3000 44.08 44.88 45.27 44.37 4000 43.87 43.26 44.05 44.96 5000 44.67 44.77 45.26 43.76 6000 45.9 44.99 45.08 44.99 7000 44.71 45.3 45.09 45.79
如表2所示，在钨极氩弧焊施加高频脉冲纵向磁脉冲后，焊接电弧由自由状态发生改变，横向收缩钟罩横截面变小，收到压缩作用，且磁脉冲频率1500Hz左右时，磁感应强度为30mT时电弧横截面收缩到最小，电弧高度压缩作用显著。较自由电弧相比，当施加磁脉冲后电弧收缩，焊缝熔深增大，熔宽变小。当磁脉冲频率达到1500Hz时，焊缝熔深由原先的1.38mm增大到2.03mm，熔深增加47.1%。熔宽从4.26mm降低到4.11mm，熔宽降低3.52%。

表2 不同磁脉冲频率下的焊缝成形情况
磁脉冲频率（Hz） 焊缝熔宽（mm） 焊缝熔深（mm） 0 4.26 1.38 1000 4.2 1.54 1500 4.11 2.03 2000 4.18 1.57