磁场及金属蒸气对电弧特性的影响
发布时间：2021-12-18 08:04
随着制造业的迅猛发展,对焊接技术的效率、质量和控制的要求越来越高。气体保护电弧焊由于适应性强、操作简单方便、易于实现机械化和自动化等优点在生产中被广泛使用。但不论是GTAW还是GMAW在工业生产应用中都存在一定的局限性,如GTAW电弧能量不集中,易发生磁偏吹,焊接效率低;GMAW增大焊接电流后会产生不稳定的旋转射流过渡,焊接飞溅大、成形差,焊缝组织粗大等问题。由于焊接电弧是满足电磁规律的导电流体,可以通过外加磁场影响电弧与熔池行为,实现磁场控制焊接过程。因此,磁控电弧行为及其焊接过程研究成为近年来热点课题之一。本文使用钨极产生电弧,并通过自主研发的磁场发生装置在电弧区域施加纵向磁场,研究了磁场对电弧特性的影响规律。使用含铁镍元素的特殊钨极产生电弧,引入金属蒸气,研究了磁场和金属蒸气共同作用下的电弧特性变化规律。使用高速摄像拍摄磁场作用下的电弧形态,发现电弧在直流磁场中绕轴线做定向旋转,电弧旋转半径和旋转速度随磁感应强度增加而增加,电弧顶部收缩,底部扩张,电弧的刚度和稳定性提高。引入金属蒸气后,随磁感应强度增加,旋转的电弧变得发散,稳定性降低。在交变磁场中有无金属蒸气的电弧均跟随磁场频率...
【文章来源】：兰州理工大学甘肃省
【文章页数】：68 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
不同电流下He弧和Ar弧电弧压力[17]
硕士学位论文51.3磁控焊接技术研究现状1.3.1磁场形式自从Brown发现电磁搅拌可细化晶粒的现象以来，国内外学者便开始针对磁场作用下的焊接过程进行研究，并且相继提出了不同的磁场形式，如纵向磁尝尖角磁尝横向磁场以及旋转磁常纵向磁场是通过与安装在焊枪上的同轴通电线圈产生的，磁场方向与电弧轴线平行。根据通电形式的不同一般可分为直流磁场和交变磁场，根据交流电频率还可分为低频磁场和高频磁常纵向磁场作用下的带电粒子受力运动如图1.2所示，自由放电状态下的电弧中带电粒子是相对稳定的在阴极和阳极之间运动的，运动速度存在径向和轴向两个分量，由于径向分量与外加磁场的磁感线方向不平行，带电粒子便会受到洛伦兹力，洛伦兹力与电磁力、粘滞力等力形成合力使带电粒子做类圆周运动，加之粒子本身存在轴向运动分量，所以纵向磁场作用下的粒子实际在两极之间做螺旋运动，在宏观上则表现为电弧的旋转。纵向磁场控制电弧的优点在于使电弧形态变为旋转电弧在一定程度上提高了电弧的刚度和稳定性，并且可以通过调节磁场改变电弧作用形式和作用面积。图1.2纵向磁场中带电粒子受力运动[27]尖角磁场是1971年Arata和Maruo[28]在IIW（InternationalInstituteofWelding）年会上提出的，由于其椭圆形的特殊电弧形态，受到部分学者关注。尖角磁场作用下的焊接电弧如图1.3所示，当焊接电流方向为垂直于直面向上时，根据安培定律，电弧自身产生的磁场方向为逆时针，根据弗莱明左手定则，电磁力方向朝向弧柱中心。而四个磁极按图中的相对位置摆放，产生的外加磁场方向则是N-S-N-S。这样电弧自身磁场和外加磁场的方向在不同位置存在同向或反向，叠加后就交替产生了高磁区和低磁区。磁场增强的区域电弧所受电磁力增加，使电弧受到压缩，反之扩张。因
磁场及金属蒸气对电弧特性的影响6图1.3尖角磁场作用下的焊接电弧[29]横向磁场是指磁场方向垂直于电弧轴线方向的磁常也可根据通电形式的不同分为直流横向磁场和交变横向磁常横向磁场作用于电弧的机理如图1.4所示。电弧中电流方向自下而上，根据左手定则，施加直流磁场时电弧受力偏向一侧，施加交变磁场时电弧随着交变频率左右摆动。横向磁场控制电弧的优点在于可以增加电弧挺度，抑制电弧磁偏吹和高速焊接过程中的电弧拖尾现象。图1.4横向磁场作用下的焊接电弧[30]旋转磁场是由相差一定角度放置的几对绕组线圈磁极产生的，给每对线圈提供一定相位差的励磁电流，使之交替产生磁场，如图1.5所示。旋转磁场的发生装置一般安装在焊枪上，每对线圈工作时产生的磁场对电弧的作用与横向磁场类似。电弧会跟随磁场变化频率和方向绕轴线进行圆周运动。旋转磁场控制电弧的优点在于可以增加电弧的作用面积，改变电弧压力、电流密度和电弧温度的分布。图1.5旋转磁场发生装置示意图[31]
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于光谱诊断的多丝熔化极气体保护焊电弧干扰分析[J]. 徐琛,华学明,叶定剑,马晓丽,李芳,黄晔. 光谱学与光谱分析. 2018(07)
[2]氦弧与氩弧电弧特性对比研究[J]. 赵红星,王国庆,宋建岭,刘宪力,周政,杨春利. 机械工程学报. 2018(08)
[3]厚板窄间隙磁控电弧TIG焊接自动控制系统设计[J]. 贾传宝,杜永鹏,武传松,袁新. 华南理工大学学报(自然科学版). 2017(09)
[4]外加磁场对高速GMAW电弧和熔池行为的主动调控效应[J]. 王林,武传松,杨丰兆,高进强. 机械工程学报. 2016(02)
[5]活性MAG焊电弧特征及熔池流动分析[J]. 路浩,邢敬伟,邢立伟,梁志敏. 焊接学报. 2014(10)
[6]傅里叶变换法计算焊接电弧光谱Stark展宽研究[J]. 潘成刚,华学明,张旺,李芳,肖笑. 光谱学与光谱分析. 2012(07)
[7]交变纵向磁场作用下MIG焊电弧行为研究[J]. 朱胜,王启伟,殷凤良,梁媛媛,王晓明,李显鹏. 材料热处理学报. 2011(11)
[8]纵向磁场控制高效MAG焊接工艺的试验研究[J]. 王军,王会霞,梁志敏,胡云岩. 河北科技大学学报. 2010(03)
[9]旋转磁场作用下的MAG焊电弧运动特征[J]. 陈树君,张晓亮,华爱兵,汤金蕾,白绍军. 电焊机. 2009(06)
[10]外加纵向磁场作用下的MIG焊电弧形态[J]. 常云龙,邵礼光,李多,李大用. 焊接技术. 2009(05)
博士论文
[1]电磁控制TIG焊电弧特性及焊缝成形机理研究[D]. 杨旭.沈阳工业大学 2012
[2]直流电弧等离子体炬的数值模拟[D]. 周前红.复旦大学 2009
[3]磁场控制高效MAG焊接旋转射流过渡稳定性的研究[D]. 王军.北京工业大学 2003
硕士论文
[1]磁控焊接电弧旋转磁场发生装置的设计[D]. 王学震.北京工业大学 2006
本文编号：3541974
【文章来源】：兰州理工大学甘肃省
【文章页数】：68 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
不同电流下He弧和Ar弧电弧压力[17]
硕士学位论文51.3磁控焊接技术研究现状1.3.1磁场形式自从Brown发现电磁搅拌可细化晶粒的现象以来，国内外学者便开始针对磁场作用下的焊接过程进行研究，并且相继提出了不同的磁场形式，如纵向磁尝尖角磁尝横向磁场以及旋转磁常纵向磁场是通过与安装在焊枪上的同轴通电线圈产生的，磁场方向与电弧轴线平行。根据通电形式的不同一般可分为直流磁场和交变磁场，根据交流电频率还可分为低频磁场和高频磁常纵向磁场作用下的带电粒子受力运动如图1.2所示，自由放电状态下的电弧中带电粒子是相对稳定的在阴极和阳极之间运动的，运动速度存在径向和轴向两个分量，由于径向分量与外加磁场的磁感线方向不平行，带电粒子便会受到洛伦兹力，洛伦兹力与电磁力、粘滞力等力形成合力使带电粒子做类圆周运动，加之粒子本身存在轴向运动分量，所以纵向磁场作用下的粒子实际在两极之间做螺旋运动，在宏观上则表现为电弧的旋转。纵向磁场控制电弧的优点在于使电弧形态变为旋转电弧在一定程度上提高了电弧的刚度和稳定性，并且可以通过调节磁场改变电弧作用形式和作用面积。图1.2纵向磁场中带电粒子受力运动[27]尖角磁场是1971年Arata和Maruo[28]在IIW（InternationalInstituteofWelding）年会上提出的，由于其椭圆形的特殊电弧形态，受到部分学者关注。尖角磁场作用下的焊接电弧如图1.3所示，当焊接电流方向为垂直于直面向上时，根据安培定律，电弧自身产生的磁场方向为逆时针，根据弗莱明左手定则，电磁力方向朝向弧柱中心。而四个磁极按图中的相对位置摆放，产生的外加磁场方向则是N-S-N-S。这样电弧自身磁场和外加磁场的方向在不同位置存在同向或反向，叠加后就交替产生了高磁区和低磁区。磁场增强的区域电弧所受电磁力增加，使电弧受到压缩，反之扩张。因
磁场及金属蒸气对电弧特性的影响6图1.3尖角磁场作用下的焊接电弧[29]横向磁场是指磁场方向垂直于电弧轴线方向的磁常也可根据通电形式的不同分为直流横向磁场和交变横向磁常横向磁场作用于电弧的机理如图1.4所示。电弧中电流方向自下而上，根据左手定则，施加直流磁场时电弧受力偏向一侧，施加交变磁场时电弧随着交变频率左右摆动。横向磁场控制电弧的优点在于可以增加电弧挺度，抑制电弧磁偏吹和高速焊接过程中的电弧拖尾现象。图1.4横向磁场作用下的焊接电弧[30]旋转磁场是由相差一定角度放置的几对绕组线圈磁极产生的，给每对线圈提供一定相位差的励磁电流，使之交替产生磁场，如图1.5所示。旋转磁场的发生装置一般安装在焊枪上，每对线圈工作时产生的磁场对电弧的作用与横向磁场类似。电弧会跟随磁场变化频率和方向绕轴线进行圆周运动。旋转磁场控制电弧的优点在于可以增加电弧的作用面积，改变电弧压力、电流密度和电弧温度的分布。图1.5旋转磁场发生装置示意图[31]
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于光谱诊断的多丝熔化极气体保护焊电弧干扰分析[J]. 徐琛,华学明,叶定剑,马晓丽,李芳,黄晔. 光谱学与光谱分析. 2018(07)
[2]氦弧与氩弧电弧特性对比研究[J]. 赵红星,王国庆,宋建岭,刘宪力,周政,杨春利. 机械工程学报. 2018(08)
[3]厚板窄间隙磁控电弧TIG焊接自动控制系统设计[J]. 贾传宝,杜永鹏,武传松,袁新. 华南理工大学学报(自然科学版). 2017(09)
[4]外加磁场对高速GMAW电弧和熔池行为的主动调控效应[J]. 王林,武传松,杨丰兆,高进强. 机械工程学报. 2016(02)
[5]活性MAG焊电弧特征及熔池流动分析[J]. 路浩,邢敬伟,邢立伟,梁志敏. 焊接学报. 2014(10)
[6]傅里叶变换法计算焊接电弧光谱Stark展宽研究[J]. 潘成刚,华学明,张旺,李芳,肖笑. 光谱学与光谱分析. 2012(07)
[7]交变纵向磁场作用下MIG焊电弧行为研究[J]. 朱胜,王启伟,殷凤良,梁媛媛,王晓明,李显鹏. 材料热处理学报. 2011(11)
[8]纵向磁场控制高效MAG焊接工艺的试验研究[J]. 王军,王会霞,梁志敏,胡云岩. 河北科技大学学报. 2010(03)
[9]旋转磁场作用下的MAG焊电弧运动特征[J]. 陈树君,张晓亮,华爱兵,汤金蕾,白绍军. 电焊机. 2009(06)
[10]外加纵向磁场作用下的MIG焊电弧形态[J]. 常云龙,邵礼光,李多,李大用. 焊接技术. 2009(05)
博士论文
[1]电磁控制TIG焊电弧特性及焊缝成形机理研究[D]. 杨旭.沈阳工业大学 2012
[2]直流电弧等离子体炬的数值模拟[D]. 周前红.复旦大学 2009
[3]磁场控制高效MAG焊接旋转射流过渡稳定性的研究[D]. 王军.北京工业大学 2003
硕士论文
[1]磁控焊接电弧旋转磁场发生装置的设计[D]. 王学震.北京工业大学 2006
本文编号：3541974
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