陈树君等：横向旋转磁场对TIG焊接过程的影响横向旋转磁场对TIG焊接过程的影响陈树君，汤金蕾，华爱兵，殷树言（北京工业大学机械工程与应用电子技术学院北京100022）摘要：根据电机学设计了一种横向旋转磁场发生装置，分别利用励磁电流和励磁频率的大小来调节横向旋转磁场的强弱和旋转频率。将该装置应用于TIG焊，结合理论分析和试验手段，研究了横向旋转磁场对TIG焊电弧形态和运动特征、电弧电压的影响特点，同时根据TIG焊电弧的瞬时形态，分析了横向旋转磁场作用TIG焊电弧能量分布特点。关键词：旋转磁场TIG焊旋转电弧众所周知，旋转电弧具有改善焊缝成形、对焊件装配间隙不敏感等优点，特别适用于表面堆焊、薄板焊接、角焊缝等场合。目前获取旋转电弧的主要手段包括旋转电极法[1]、T.I.M.E.焊接工艺[2]、脉冲电流控制法[3]、施加纵向磁场[4]等。这些方法各有优缺点，有的已经应用于生产上。本文是在消化、吸收纵向磁场旋转电弧的研究成果的基础之上，设计了一种调制横向旋转磁场来带动焊接电弧的旋转，并对这种磁场作用下的TIG焊电弧特性进行了深入细致的分析，获取了很多有意义的结论。1横向旋转磁场的形成机理根据电机学原理，在空间相差一定角度的几对磁极，并在磁极上装有线圈绕组，当线圈中通过几组相差一定相位的励磁电流时，这几对磁极所包围的空间内就会产生旋转磁场，其中旋转磁场的形态主要由铁芯的安装位置决定，旋转磁场的频率取决于线圈的励磁转换频率，而旋转磁场的强弱可由励磁电流的大小来调节。图1励磁装置简图图2励磁电压示意图（1）（2）（3）（4）（5）（6）（7）图3横向旋转磁场的产生过程依据上述原理，本研究采用三对磁极（见图1）匀布在同一圆周上，并对磁极上的励磁线圈采用三相单六拍的励磁顺序供电（见图2），将产生如图3所示的旋转磁场，其中（1）、（2）、（3）、（4）、（5）、（6）、(7)分别表示一个周期内各个时刻的磁场方向示意图，例如（1）表示当电流从U流进、U′流出时，根据右21第五届全国计算机在焊接中的应用学术与技术交流会论文集，2008年10月29日-11月3日，广西南宁手螺旋定则所确定的磁场方向，而（2）表示下一个时刻到来时，励磁电流发生切换，从V流进、V′流出，相应地磁场方向顺时针旋转了60°，依次类推，当励磁电流相位变化360°，磁场方向恰好也变化360°。由此可见，该装置产生的旋转磁场与励磁电流的相位变化同步，也就是说可通过改变励磁电流的转换频率来改变旋转磁场的转速。2横向磁场作用下TIG焊电弧运动特征为了验证横向旋转磁场对TIG焊电弧的控制效果，同时为了揭示励磁参数（励磁频率与励磁电流）对电弧旋转半径和旋转速度的影响规律，本试验采用高速摄像研究焊接电弧的形态和运动特点。试验条件为：焊接电流为80A，钨极直径为Φ3.2mm，弧长为6mm，气体流量为8l/min，阳极采用水冷铜。图4、图5和图6是在保持焊接参数不变、仅改变励磁条件下的三组高速摄像片断。相机速度500幅/秒每两幅图片之间间隔时间2微秒图4f=50Hz、I=10A时TIG焊电弧的一个周期的运动片断相机速度500幅/秒每两幅图片之间间隔时间2微秒图5f=50Hz，I=15A时TIG焊电弧的一个周期的运动片断相机速度3000幅/秒每两幅图片之间间隔时间0.33微秒图6f=400Hz、I=10A时TIG焊电弧一个周期的运动片断由图可知：22陈树君等：横向旋转磁场对TIG焊接过程的影响（1）横向旋转磁场作用下的TIG焊电弧不再保持相对“静止”状态，而是偏离了电极一定角度并绕电极作圆周运动；（2）随着励磁电流的增大（励磁频率不变）或者励磁频率的减小（励磁电流不变），TIG焊电弧的旋转半径逐渐增大；（3）TIG焊电弧的旋转频率与外加磁场的励磁转换频率完全相同，也就是说电弧与外加磁场作同步圆周运动。外加横向旋转磁场后，TIG焊电弧在洛伦茨力的驱动下将偏离电极轴线，并且电弧偏离电极轴线的程度随着洛伦茨力的增大而增大。显然，当励磁电流增大时，电弧所受到的洛伦茨力提高，因此电弧偏离电极轴线的程度加强，相应地电弧旋转半径增大。在保持励磁电流不变的情况下提高励磁频率，这说明TIG焊电弧所受到的洛伦茨力不变，但是电弧的旋转速度提高，因此周围气体对TIG焊电弧的冷却作用加强，根据最小电压原理，旋转电弧将自动收缩以减小散热面积，使得电弧电场强度在该条件下增加到最小限度，所以电弧的旋转半径相应减小。3横向旋转磁场对TIG焊电弧电压的影响图7给出了施加横向旋转磁场前后的TIG焊电弧电压的实测波形。由图可知