一种双模式异型尖角磁场磁控电弧控制方法及装置

1.本发明涉及磁控电弧焊接技术领域，具体涉及一种双模式异型尖角磁场磁控电弧控制方法及装置，通过产生非轴对称分布异型尖角磁场对电弧进行非轴对称拉伸与压缩，以调控电弧分布及熔池流场分布，进而调控焊缝成型与焊缝质量。


背景技术：

2.磁控焊接技术是利用外加磁场对焊接过程进行控制，达到改变电弧形态及其特性、控制熔滴过渡过程、调控熔池流动、优化焊缝成型、改善焊接质量、提高焊接效率的一种先进焊接技术。由于实际焊接生产工况的不同，电弧在不同类型的磁场作用下产生偏转、摆动、旋转、压缩及拉伸等现象，从而获得不同的焊接调控效果。
3.一般而言，电弧在横向磁场的作用下发生偏转，通过交替改变横向磁场分布，电弧可以产生摆动或旋转现象，从而能够调节电弧的形态和电弧特性，但仍存在一些问题；除了较高的交变频率，横向磁场对电弧的压缩效应很少，电弧的能量密度和穿透能力较低，应用范围受到限制。
4.电弧在纵向磁场的作用下发生偏转与旋转现象，电弧等离子体的旋转运动使电弧弧柱区受到压缩，电弧的能量密度和穿透能力增加；交变纵向磁场具有更佳的电弧压缩效果，交变激磁频率越高，电弧收缩越强，电弧集中度和电弧指向性更好。
5.理论和实验研究表明，尖角磁场对电弧的压缩能力比纵向磁场更强，电弧在尖角磁场的作用下被压缩成能量密度更高的椭圆形，国内外学者对此进行了很多研究。赵彭生等人将双尖角磁场用于等离子弧焊接，电弧截面缩小，电流密度、电弧中心压强明显提高，实现了更大焊接厚度的一次焊双面成形。kazufumi等人采用四个永磁体产生的尖角磁场对tig电弧形状进行控制，电弧在尖角磁场作用下由圆形压缩为椭圆形，将获得优良焊缝成型的焊接速度由100cm/min提高至180cm/min。
6.目前，交变纵向磁场和尖角磁场对改善焊接熔深、优化焊缝成型、提高焊接效率等方面具有更好的调控性能，在研究和应用上受到更多关注，但也存在一些不足。交变纵向磁场在设计上往往采用与焊枪同轴环形分布，电弧压缩效果明显，由于电弧以电弧中心呈轴对称分布，电弧加热集中，磁场对电弧的调控效果比较单一，应用场景受限。尖角磁场在设计上一般采用以焊枪为中心呈均匀圆周分布的四个磁极，各个磁极的磁场强度的大小相同但磁极极性相邻切换，电弧在尖角磁场作用下压缩为椭圆形，根据使用场合的不同，可以沿椭圆形电弧长轴或短轴方向进行焊接，由于电弧以电弧中心呈奇对称分布，磁场对电弧分布形态的调控效果仍比较有限，应用场景仍然受到不少限制，难以满足实际焊接生产需要。


技术实现要素：

7.为了解决现有方法或技术方案存在的不足，更好地发展磁控电弧焊接的技术优势，针对目前磁场对电弧的调控效果有限、应用场景较少的问题，提出了一种双模式异型尖角磁场磁控电弧控制方法及装置，通过改变异型尖角磁场分布调节焊接电弧的非轴对称拉
伸与压缩效应，以调控电弧对焊接熔池的搅拌作用和熔池流场分布，进而调控焊缝成型和焊缝质量。所述磁控电弧控制方法及装置能够有效消除驼峰、咬边等焊接缺陷，提高焊接生产效率，适用于多种焊接方法的焊缝质量控制，为实现磁控电弧焊接技术优质化、高效化、自动化发展提供参考。
8.为了解决上述技术问题，本发明通过以下的技术方案予以实现：
9.一种双模式异型尖角磁场磁控电弧控制方法及装置，该方法采用的装置包括沿焊枪中心均匀圆周分布的激励线圈(1)、(2)、(3)、(4)，励磁电源(5)、(6)、(7)、 (8)，磁控电弧控制器(9)；该方法采用四个磁极极性相邻切换的激励线圈(1)、(2)、 (3)、(4)形成尖角磁场，通过调节单个或多个激励线圈的励磁电流产生非轴对称分布的异型尖角磁场，通过改变异型尖角磁场分布来调节焊接电弧的非轴对称压缩与拉伸效应，从而调控电弧对焊接熔池的搅拌作用和熔池流场分布，进而调控焊缝成型和焊缝质量；所述异型尖角磁场磁控电弧控制方法提供两种工作模式：模式一为交变模式，模式二为非交变模式，分别如下：
10.工作模式一：激励线圈(1)、(2)、(3)、(4)以磁极极性为n-s-n-s与s-n-s-n 的分布在周期为t的时间内交替转变，焊接方向沿着激励线圈(1)与激励线圈(3) 连线方向；以焊接电流正极性为例，该模式具体工作过程是：在0-t/2时，激励线圈(1)、(2)、(3)、(4)分别通入i1、-i2、i2、-i2的励磁电流(其中i1》i2)并且在焊接电弧工作区域形成磁极极性为n-s-n-s的非轴对称分布的异型尖角磁场，激励线圈(1)与(4)之间磁场分布对焊接电弧的拉伸效应大于激励线圈(2)与(3)之间磁场分布对焊接电弧的拉伸效应，激励线圈(1)与(2)之间磁场分布对焊接电弧的压缩效应大于激励线圈(3)与(4)之间磁场分布对焊接电弧的压缩效应，此时的非轴对称分布异型尖角磁场驱使焊接电弧分布及熔池流场分布更倾向于焊接方向的左后方；在t/2-t时，激励线圈(1)、(2)、(3)、(4)分别通入-i1、i2、-i2、i2的励磁电流并形成磁极极性为s-n-s-n的非轴对称分布异型尖角磁场，激励线圈(1) 与(4)之间磁场分布对焊接电弧的压缩效应大于激励线圈(2)与(3)之间磁场分布对焊接电弧的压缩效应，激励线圈(1)与(2)之间磁场分布对焊接电弧的拉伸效应大于激励线圈(3)与(4)之间磁场分布对焊接电弧的拉伸效应，此时的非轴对称分布异型尖角磁场驱使焊接电弧分布及熔池流场分布更倾向于焊接方向右后方；以t 为时间周期，激励线圈(1)、(2)、(3)、(4)按上述过程以磁极极性为n-s-n-s与s
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n-s-n的分布交替变化，通过所述异型尖角磁场的交变作用对焊接电弧产生周期性侧后向摆动，调控电弧对焊接熔池的搅拌作用和熔池流场分布，进而调控焊缝成型和焊缝质量；
11.工作模式二：激励线圈(1)、(2)、(3)、(4)以磁极极性为n-s-n-s方式分布，焊接方向沿着激励线圈(1)、(2)连线的中点与激励线圈(3)、(4)连线的中点的连线方向；以焊接电流正极性为例，该模式具体工作过程是：激励线圈(1)、(2)、(3)、 (4)分别通入i3、-i3、i4、-i4的励磁电流(其中i3》i4)并且在焊接电弧工作区域形成磁极极性为n-s-n-s的非轴对称分布的异型尖角磁场，激励线圈(1)与(2)之间磁场分布对焊接电弧的压缩效应大于激励线圈(3)与(4)之间磁场分布对焊接电弧的压缩效应，激励线圈(1)与(4)之间磁场分布对焊接电弧的拉伸效应近似于激励线圈(2)与(3)之间磁场分布对焊接电弧的拉伸效应，此时非轴对称分布异型尖角磁场驱使焊接电弧分布及熔池流场分布同时朝着焊接方向左后方与右后方的双侧后方向分布，通过异型尖角磁场对焊接电弧沿着焊接方向左后方及右后方的双侧后拉伸效应，调控电弧对焊接熔池的搅拌作用和熔池流场分布，进而调控焊缝成型和焊缝
质量；
12.所述的磁控电弧控制器(9)可由单片机、dsp、arm、fpga、plc、工控机或计算机代替；
13.所述的磁控电弧控制方法适用于钨极氩弧焊(tig焊)、熔化极气体保护焊(包括mig焊、mag焊、co2焊)；
14.所述的磁控电弧控制方法可用于电弧传感器的电弧运动控制。
15.本发明的有益效果是：本发明提供了一种双模式异型尖角磁场磁控电弧控制方法及装置，所述异型尖角磁场的突出特征为焊接电弧工作区域的磁场分布不以焊枪中心呈轴对称分布或奇分布，该异形尖角磁场对焊接电弧不同区域产生差异化、非均匀的压缩与拉伸效应，通过改变异型尖角磁场分布来调节电弧不同区域的压缩与拉伸程度，从而调控电弧对焊接熔池的搅拌作用和熔池流场分布，进而调控焊缝成型和焊缝质量。本发明所述的异型尖角磁场充分保持了传统尖角磁场对电弧的压缩效应，并同时利用差异化、非均匀、非轴对称的尖角磁场分布，使焊接电弧不同区域产生压缩、偏转、拉伸的综合调控效果。本发明所述磁控电弧控制方法提供两种工作模式：交变模式和非交变模式，分别适用于不同焊接工艺条件，在实际焊接生产中，可综合考虑焊接工艺要求、控制难度、生产成本等方面加以选择。本发明有效克服传统磁控电弧技术方案的不足，电弧调控效果灵活多变，适用于多种焊接方法焊缝质量控制和焊接效率提升，为磁控电弧焊接技术的进一步发展提供了重要参考，具有重要的理论意义和实践价值。
附图说明
16.图1是本发明的系统框图；
17.图2是工作模式一的各激励线圈的励磁电流变化示意图；
18.图3是工作模式一在0-t/2时的磁场分布示意图；
19.图4是工作模式一在t/2-t时的磁场分布示意图；
20.图5是工作模式一在0-t/2时磁场对焊接电弧的作用原理示意图；
21.图6是工作模式一在t/2-t时磁场对焊接电弧的作用原理示意图；
22.图7是工作模式二的磁场分布示意图；
23.图8是工作模式二的磁场对焊接电弧的作用原理示意图；
具体实施方式
24.为了更好地表达整个发明的技术方案、技术特点及有益成果，下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。但是，本发明的实施方式不限于此。
25.本说明书所附图示所绘示的结构、比例、大小等，均仅用于配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的专业人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容能涵盖的范围内。
26.实施例1：本发明一种双模式异型尖角磁场磁控电弧控制方法及装置的系统框图如图1所示，包括沿焊枪中心均匀圆周分布的激励线圈(1)、(2)、(3)、(4)，励磁电源(5)、
(6)、(7)、(8)，磁控电弧控制器(9)；本发明采用四个磁极极性相邻切换的激励线圈(1)、(2)、(3)、(4)形成尖角磁场，通过调节单个或多个激励线圈的励磁电流产生非轴对称分布的异型尖角磁场，通过改变异型尖角磁场分布来调节焊接电弧的非轴对称压缩与拉伸效应，从而调控电弧对焊接熔池的搅拌作用和熔池流场分布，进而调控焊缝成型和焊缝质量；本发明所述的异型尖角磁场磁控电弧控制方法提供两种工作模式：模式一为交变模式，模式二为非交变模式。
27.其中，工作模式一采用的励磁电流的调节方法如图2所示，在模式一的不同工作时段，激励线圈(1)、(2)、(3)、(4)所产生的非轴对称分布的异型尖角磁场如图3和图4所示。在工作模式一中，由于激励线圈(1)采用的励磁电流i1比激励线圈(2)、(3)、(4)采用的励磁电流i2更大，从图3和图4可以看出，激励线圈(1) 产生的磁场比激励线圈(2)、(3)、(4)产生的磁场更强，四个激励线圈所产生的整体磁场分布不以焊枪中心呈轴对称分布或奇分布，即本发明所述非轴对称分布的异型尖角磁场。非轴对称分布的异型尖角磁场对焊接电弧产生非轴对称压缩与拉伸效应，通过改变异型尖角磁场分布来调控电弧对焊接熔池的搅拌作用和熔池流场分布，进而调控焊缝成型和焊缝质量。
28.实施例2：本发明所述的工作模式一采用的技术方案为：激励线圈(1)、(2)、 (3)、(4)以磁极极性为n-s-n-s与s-n-s-n的分布在周期为t的时间内交替转变，焊接方向沿着激励线圈(1)与激励线圈(3)连线方向；以焊接电流正极性为例，该模式具体工作过程是：在0-t/2时，激励线圈(1)、(2)、(3)、(4)分别通入i1、-i2、 i2、-i2的励磁电流(其中i1》i2)并且在焊接电弧工作区域形成磁极极性为n-s-n
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s的非轴对称分布的异型尖角磁场；在t/2-t时，激励线圈(1)、(2)、(3)、(4)分别通入-i1、i2、-i2、i2的励磁电流并形成磁极极性为s-n-s-n的非轴对称分布异型尖角磁场；四个激励线圈的励磁电流调节方法如图2所示，工作模式一在0-t/2 时的磁场分布如图3所示，工作模式一在t/2-t时的磁场分布如图4所示。
29.在工作模式一中，由于激励线圈(1)采用的励磁电流i1比激励线圈(2)、(3)、 (4)采用的励磁电流i2更大，因此，激励线圈(1)与(2)之间的磁场、激励线圈(1)与 (4)之间磁场比激励线圈(2)与(3)之间的磁场、激励线圈(3)与(4)之间的磁场更强，四个激励线圈的磁场分布如图3、图4、图5、图6所示；其中，图3和图5为 0-t/2时的磁场分布，图4和图6为t/2-t时的磁场分布。
30.以焊接电流正极性为例，即焊接电流的方向为垂直纸面向外时，由安培左手定则可以判断磁场对焊接电弧的电磁作用力；在0-t/2时，激励线圈(1)与(4)之间磁场、激励线圈(2)与(3)之间磁场对焊接电弧的作用皆为使焊接电弧向外侧拉伸，并且激励线圈(1)与(4)之间磁场对焊接电弧的拉伸效应比激励线圈(2)与(3)之间磁场更大，激励线圈(1)与(2)之间磁场、激励线圈(3)与(4)之间磁场对焊接电弧的作用皆为使焊接电弧向内侧压缩，并且激励线圈(1)与(2)之间磁场对焊接电弧的压缩效应比激励线圈(3)与(4)之间磁场更大，此时的磁场分布及电磁作用如图5 所示；在此时异型尖角磁场作用下，焊接电弧分布及熔池流场分布更倾向于焊接方向的左后方。
31.在t/2-t时，激励线圈(1)与(4)之间磁场、激励线圈(2)与(3)之间磁场对焊接电弧的作用皆为使焊接电弧向内侧压缩，并且激励线圈(1)与(4)之间磁场对焊接电弧的压缩效应比激励线圈(2)与(3)之间磁场更大，激励线圈(1)与(2)之间磁场、激励线圈(3)与(4)之间磁场对焊接电弧的作用皆为使焊接电弧向外侧拉伸，并且激励线圈(1)与(2)之间磁场对
焊接电弧的拉伸效应比激励线圈(3)与(4)之间磁场更大，此时的磁场分布及电磁作用如图6所示；在此时异型尖角磁场作用下，焊接电弧分布及熔池流场分布更倾向于焊接方向的右后方。
32.以t为时间周期，激励线圈(1)、(2)、(3)、(4)按上述过程以磁极极性为n-s
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n-s与s-n-s-n的分布交替变化，通过所述异型尖角磁场的交变作用对焊接电弧产生周期性侧后向摆动，调控电弧对焊接熔池的搅拌作用和熔池流场分布，促进焊缝两侧熔合和熔池后方金属流动，进而调控焊缝成型和焊缝质量。
33.实施例3：本发明所述的工作模式二采用的技术方案为：激励线圈(1)、(2)、 (3)、(4)以磁极极性为n-s-n-s方式分布，焊接方向沿着激励线圈(1)、(2)连线的中点与激励线圈(3)、(4)连线的中点的连线方向；以焊接电流正极性为例，该模式具体工作过程是：
34.激励线圈(1)、(2)、(3)、(4)分别通入i3、-i3、i4、-i4的励磁电流(其中i3》i4) 并且在焊接电弧工作区域形成磁极极性为n-s-n-s的非轴对称分布的异型尖角磁场，四个激励线圈的磁场分布如图7所示；由于激励线圈(1)与(2)采用的励磁电流i3大于激励线圈(3)与(4)采用的励磁电流i4，激励线圈(1)与(2)产生的磁场比激励线圈(3)与(4)产生的磁场更强，具体而言，激励线圈(1)与(2)之间的磁场最强，激励线圈(1)与(4)之间、激励线圈(2)与(3)之间的磁场次之，激励线圈(3)与(4)之间的磁场最弱，四个激励线圈所产生的整体磁场分布不以焊枪中心呈轴对称分布或奇分布，即本发明所述非轴对称分布的异型尖角磁场，其磁场分布如图7、图8 所示。
35.当焊接电流方向为垂直纸面向外时，根据安培左手定则可以判断磁场对焊接电弧的电磁作用力；激励线圈(1)与(2)之间磁场、激励线圈(3)与(4)之间磁场对焊接电弧的作用皆为使焊接电弧向内侧压缩，并且激励线圈(1)与(2)之间磁场对焊接电弧的压缩效应远远大于激励线圈(3)与(4)之间磁场；激励线圈(1)与(4)之间磁场、激励线圈(2)与(3)之间磁场对焊接电弧的作用皆为使焊接电弧向外侧拉伸，两者对焊接电弧的拉伸效应相近，并且作用效果介于激励线圈(1)与(2)之间磁场和激励线圈(3)与(4)之间磁场之间；此时的磁场分布及电磁作用如图8所示；
36.在工作模式二中异型尖角磁场的作用下，焊接电弧分布及熔池流场分布同时倾向于朝着焊接方向的左后方与右后方的双侧后方向分布，通过异型尖角磁场对焊接电弧沿着焊接方向左后方及右后方的双侧后拉伸效应，调控电弧对焊接熔池的搅拌作用和熔池流场分布，促进焊缝两侧熔合和熔池后方金属流动，进而调控焊缝成型和焊缝质量。
37.实施例4：采用本发明所述的一种双模式异型尖角磁场磁控电弧控制方法及装置，磁控电弧控制器(9)可由单片机、dsp、arm、fpga、plc、工控机或计算机代替；
38.实施例5：采用本发明所述的一种双模式异型尖角磁场磁控电弧控制方法及装置，所述的磁控电弧控制方法适用于钨极氩弧焊(tig焊)、熔化极气体保护焊 (包括mig焊、mag焊、co2焊)；
39.实施例6：采用本发明所述的一种双模式异型尖角磁场磁控电弧控制方法及装置，所述的磁控电弧控制方法可用于电弧传感器的电弧运动控制。
40.以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的原理及其核心思想，以上所述仅是本发明的优选实施方式，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离
本发明原理和权利要求所保护范围的情况下，所作出的若干具体变换，都属于本发明的保护范围之内。