一种用于螺柱焊电弧的交-直流复合驱动装置及利用方法

专利名称：一种用于螺柱焊电弧的交-直流复合驱动装置及利用方法

专利类型：发明专利

专利申请号：CN202210658074.9

专利申请（专利权）人：南京理工大学
权利人地址：江苏省南京市孝陵卫街200号

专利发明（设计）人：张德库,朱鑫锴,王克鸿,周琦,王海风

专利摘要：本发明公开了一种用于螺柱焊电弧的交‑直流复合驱动装置及使用方法。本发明中的外部励磁线圈由6个磁极在同一圆周上均匀分布，其中单个磁极由励磁线圈顺时针缠绕于励磁铁芯上，将其与三相调压器、三相变频器、外置交流电相连接；内部励磁线圈由励磁线圈顺时针缠绕于紫铜框架上，将其与滑动变阻器和外置直流电相连接。装置启动后使得螺柱焊电弧处于内、外励磁线圈交互作用下形成的交‑直流复合磁场中，其中外部线圈使得电弧绕螺柱端面均匀运动，内部线圈使得电弧能量集中并加深熔池。该装置结构简单、安装方便、易使用与调节，在复合磁场的作用下，有效使用电弧能量，维持电弧在端面处的运动，减少电弧偏弧现象，最终实现螺柱高质量焊接的目标。

主权利要求：
1.一种用于螺柱焊电弧的交‑直流复合驱动装置，其特征在于：该装置包括：设置励磁线圈顺时针缠绕在励磁铁芯上组成单个磁极，线圈匝数为550匝，并由6个磁极均匀分布在同一圆周上组成外部励磁线圈，外部励磁线圈是由3组磁极，相对2个磁极为一组构成，对外部励磁线圈提供交流电源，外部励磁线圈与三相调压器、三相变频器装置相连接；内部励磁线圈是将励磁线圈顺时针层层缠绕在紫铜框架上，线圈匝数为500匝，通过连接直流稳压电源进行供电，设置滑动变阻器改变励磁电流，在内部励磁线圈和外部励磁线圈的交互作用下形成交‑直流复合磁场的焊接环境，使得焊接时电弧在洛伦兹力的作用下运动，在外部励磁线圈的磁场作用下电弧绕螺柱端面均匀运动，在内部励磁线圈的作用下电弧能量集中；
对外部励磁线圈通入外置三相交流电，三组对称的励磁线圈进行励磁，构成一个循环的磁场使得焊接电弧随磁场转动；对内部励磁线圈通入外置直流电源，产生与焊接电弧轴向平行的磁场，限制电弧扩散，使电弧能量变集中；
外部励磁线圈中的六个磁极通过螺栓与上挡板紧密连接，上挡板的内壁车内螺纹来连接内部励磁线圈；
对于外部励磁线圈，励磁电流范围是0 0.85A、励磁频率范围是0 80Hz；对于内部励磁~ ~线圈，励磁电流范围是0 0.85A。
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2.根据权利要求1所述的一种用于螺柱焊电弧的交‑直流复合驱动装置，其特征在于：在内部励磁线圈和外部励磁线圈中设置冷却系统，在装置顶部有冷却空气进出口，打开门阀后对励磁线圈进行循环冷却。
3.一种权利要求1‑2任一项所述的一种用于螺柱焊电弧的交‑直流复合驱动装置的使用方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤一：在进行交‑直流复合驱动螺柱焊接前，检查外部励磁线圈、三相调压器、三相变频器和外置三相交流电源是否形成回路，检查内部励磁线圈是否可以正常启动，检查线圈装置与焊枪夹爪是否过盈紧密装配；
步骤二：使用焊枪夹爪夹取螺柱并移动到指定基板位置处；
步骤三：打开线圈空冷系统，使其正常工作；
步骤四：启动外置三相交流电源，通过连接的三相变频器来调整外部励磁线圈转动频率、调整三相调压器来控制外部励磁线圈产生的磁场大小；
步骤五：启动外置直流电源，通过滑动变阻器改变内部励磁线圈的励磁电流，从而调整内部磁场大小；
步骤六：对螺柱通电进行焊接，焊接时熔池处于外部励磁线圈和内部励磁线圈产生的复合磁场作用下，螺柱下压熄弧后关闭外置交流电源和外置直流电源，交‑直流复合驱动螺柱焊电弧焊接结束。 说明书 : 一种用于螺柱焊电弧的交‑直流复合驱动装置及利用方法技术领域[0001] 本发明涉及螺柱焊电弧的交‑直流复合驱动装置及利用方法，具体地说是一种采用以交流电供电的外部励磁线圈和直流电供电的内部励磁线圈复合驱动电弧的装置来进行螺柱焊接的方法，属于焊接技术领域。背景技术[0002] 在船体船舱中、兵器装甲车辆车体内部、各种压力容器内外壁、桥梁及其它领域均广泛应用钢基体与钢、铝、铜螺柱的焊接，螺柱焊接涉及的领域日益广泛。所谓螺柱焊是指通过在螺柱与工件间通过电流或形成电弧的方法使金属熔化将螺柱焊接在板上的技术。目前对于螺柱的焊接通常采用单纯电容储能、电弧螺柱焊接技术、手工电弧焊、杆板埋弧压力焊、电渣压力焊等技术。随着现代工业的快速发展，螺柱的使用率越来越高，需要焊接的螺柱数量也随之增加。现代机械制造技术要求螺柱焊接应具有快速、可靠、简化、操作简便、降低成本等特点。[0003] 按照电弧螺柱焊接过程中焊机能量的提供方式的不同来分类，可以分为普通电弧螺柱焊和电容储能电弧螺柱焊两种基本方法。其中电弧螺柱焊是一种高效、稳定的焊接方法，通过起弧融化将螺柱快速焊接在机体上，该方法焊接简单、成型快，一旦与基体熔融，焊接性能卓越。螺柱焊是单面焊接，它不需要额外使用钻孔、打洞、攻螺纹、铆接等连接技巧，也不需要对非焊接面进行再加工。在工业中起着不可替代的作用，广泛应用于汽车制造、航天航空、医疗器械、锅炉化工设备等行业。[0004] 螺柱一般包括空心螺柱与实心螺柱两种，其中实心螺柱在焊接过程中容易产生电弧的磁偏吹现象，致使螺柱四周的焊缝不对称，螺柱端面各个区域电弧燃烧不均衡，部分区域电弧明显没有充分燃烧，给该区域的螺柱和钢板金属提供的热量不够，造成金属未能充分熔化，熔深较浅，没有形成焊接凸台，而在另一侧电弧能量集中造成该区域的螺柱端面过度燃烧，将螺柱烧出缺口破坏其完整性，使得螺柱焊接处焊缝不连续。空心螺柱在焊接过程中会发现熔融金属液向螺柱内壁堆积，焊接完成后还需要对螺柱内部进行额外加工处理；而且空心螺柱端面处电弧产生的位置存在随机性和不可控性，而且熔深较浅，熔池铺展不均匀，加上焊接时间较短一般不超过2s，容易造成空心螺柱电弧无法蔓延至整个环形端面，难以形成完整的焊缝，焊接接头质量较差螺柱容易从焊接处断裂。在螺柱焊接过程中，电弧束是由自由电子和带正、负电荷的离子组成的等离子体。因为等离子体具有导电性、电中性、与磁场可作用性等特点，所以在外部施加磁场可以使焊接电弧移动到指定的位置、使焊接电弧达到预期的形状、使焊接电弧按照预定的速度和方向运动，从而达到提高焊接质量的目的。发明内容：[0005] 本发明的目的在于提供一种使螺柱和钢基体熔合率高、结合强度达到使用要求的电弧交‑直流驱动装置，以此来解决当前螺柱焊焊接过程中出现的局部未熔合导致螺柱端面不能完全燃烧问题，由于熔池铺展不均匀、熔深较浅，凝固后只有部分螺柱端面与钢板形成冶金结合，焊接接头强度较低，同时焊接过程中熔池飞溅，大量气体涌入，导致焊后外观成形差且有较多气孔，此外在空心螺柱焊焊接过程中熔化金属液还易向螺柱内汇集，形成“内涌”现象，破坏内螺纹，焊接过后需要二次加工浪费大量人力物力。[0006] 本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案为：[0007] 一种用于螺柱焊电弧的交‑直流驱动装置及利用方法。[0008] 该装置包括外部励磁线圈、内部励磁线圈、励磁铁芯、三相调压器、三相变频器、线圈空冷系统、滑动变阻器、外置直流电源及外置三相交流电。[0009] 该装置内部线圈是将励磁线圈顺时针缠绕在紫铜框架上，线圈匝数为500匝；外部线圈是由3组磁极(相对2个磁极为一组)构成，单个磁极是由励磁线圈顺时针缠绕在励磁铁芯上，线圈匝数为550匝，每个磁极呈60°分布；对外部励磁线圈通入外置三相交流电，三组对称的励磁线圈构成一个循环的磁场使得焊接电弧随磁场转动；对内部励磁线圈通入外置直流电源，产生与焊接电弧轴向平行的磁场，限制电弧扩散，使电弧能量变集中；在内部线圈和外部线圈中设计的冷却系统，在装置顶部有冷却空气进出口，打开门阀后对励磁线圈进行循环冷却；外部励磁线圈中的六个磁极通过螺栓与上挡板紧密连接，上挡板的内壁车内螺纹来连接内部励磁线圈；对于外部励磁线圈，励磁电流范围是0～0.85A、励磁频率范围是0～80Hz；对于内部励磁线圈，励磁电流范围是0～0.85A。[0010] 针对不同螺柱与钢板之间进行连接，焊接初始时将螺柱装入焊枪移动到指定焊接位置，在进行交‑直流复合磁场装置驱动螺柱焊接前，包括以下步骤：[0011] 步骤一：检查外部励磁线圈、三相调压器、三相变频器和外置三相交流电源是否形成回路，检查内部励磁线圈是否可以正常启动，检查线圈装置与焊枪夹爪是否过盈紧密装配；[0012] 步骤二：使用焊枪夹爪夹取螺柱并移动到指定基板位置处；[0013] 步骤三：打开线圈空冷系统，使其正常工作；[0014] 步骤四：启动外置三相交流电源，通过连接的三相变频器来调整外部线圈转动频率、调整三相调压器来控制外部线圈产生的磁场大小；[0015] 步骤五：启动外置直流电源，通过滑动变阻器改变内部励磁线圈的励磁电流，从而调整内部磁场大小；[0016] 步骤六：对螺柱通电进行焊接，焊接时熔池处于外部线圈和内部线圈产生的复合磁场作用下，螺柱下压熄弧后关闭外置交流电源和外置直流电源，焊接结束。[0017] 本发明与现有的螺柱焊焊接技术相比，具有如下有益效果：[0018] 1、使用电弧交‑直流复合驱动装置来进行的螺柱焊接，焊接过程中形成的复合磁场环境帮助电弧在螺柱端面做均匀圆周运动的同时还可以集中电弧能量，使金属液铺展的更加均匀，改良了螺柱焊缝的质量。[0019] 2、在内部线圈和外部线圈的共同作用下，优化了螺柱端面处电弧的运动状况，解决了单一外部线圈驱动电弧时，螺柱熔深较浅焊接接头质量差的难题；也解决了单一内部线圈驱动电弧时，螺柱端面出现偏弧、焊缝不完整的问题。[0020] 3、采用螺柱焊电弧的交‑直流复合驱动装置时，设计冷却系统可以在焊接过程中为线圈降温，增加装置的使用寿命，提高工作效率。[0021] 4、该装置简单易操作，可以适用于自动螺柱焊枪和手动螺柱焊枪。附图说明[0022] 图1是本发明的用于螺柱焊电弧的交‑直流复合驱动装置中的外部线圈示意图[0023] 图2是本发明的用于螺柱焊电弧的交‑直流复合驱动焊接装置示意图。[0024] 图3是本发明的用于螺柱焊电弧的交‑直流复合驱动焊接装置连接框图。[0025] 图4是实施例1中使用螺柱焊电弧的交‑直流复合驱动装置后中大直径空心螺柱焊焊接效果图。[0026] 图5是对比例1中使用旋转磁场装置驱动螺柱焊电弧后中大直径空心螺柱焊焊接效果图。[0027] 图6是对比例2中使用纵向磁场装置驱动螺柱焊电弧后中大直径实心螺柱焊焊接效果图。[0028] 外部励磁线圈1、线圈空冷系统2、内部励磁线圈3、螺柱4、螺柱焊枪5三相调压器6、三相变频器7、三相交流电8、滑动变阻器9、直流电10。具体实施方式[0029] 下面结合附图对本发明作进一步详细描述。[0030] 对于本发明涉及的一种用于螺柱焊的电弧交‑直流复合驱动装置，使得电弧在焊接过程中可以在螺柱底面实现完整的电弧运动，减少偏弧现象，同时集中电弧能量，加大熔池深度，有利于提高螺柱焊接接头的力学性能。[0031] 结合图1和图2，本发明一种用于螺柱焊电弧的交‑直流复合驱动的装置，包括外部励磁线圈、内部励磁线圈、励磁铁芯、三相调压器、三相变频器、线圈空冷系统、滑动变阻器、外置恒流电源和外置三相交流电。在装置的结构中，外部励磁线圈1是通过六个磁极均匀分布在同一圆周上并通过螺栓连接固定到上挡板处，其中单个磁极由包裹着绝缘层的漆包线顺时针方向紧密在励磁铁芯上，外部励磁线圈中的三个磁极与三相调压器6的输出端相连接，另外相对的三个磁极接回到三相调压器6的零线，三相调压器6与三相变频器7连接，三相变频器7连接外置三相交流电8。内部励磁线圈3是将励磁线圈顺时针均匀的缠绕于紫铜框架上，使电流沿截面均匀分布，而且电流密度的方向构成右手螺旋关系。内部励磁线圈3与滑动变阻器9和直流电10相连，通过调节滑动变阻器9来控制内部励磁线圈3的磁场大小。内部励磁线圈和外部励磁线圈通过螺纹紧密连接在一起，焊枪与内部线圈连接，使得内外线圈与焊枪配套使用。[0032] 在本发明提供的一种用于螺柱焊电弧的交‑直流复合驱动装置的具体使用方法如下：在进行螺柱焊接过程前，检查外部励磁线圈1和三相调压器6、三相变频器7、三相交流电8是否连接正常，内部励磁线圈3与滑动变阻器9和直流电10是否形成回路，之后将钢板放在合适位置，用螺柱焊枪5夹取螺柱4移动到指定焊接位置处，打开外置直流电的开关使内部励磁线圈3正常工作。根据需求调整三相调压器6好三相变频器7的大小，控制外部励磁线圈1的磁场大小和频率。打开直流电源10的开关，根据需求调整滑动变阻器的大小，控制内部励磁线圈3的磁场大小。为防止励磁线圈在励磁过程中放热损坏内外线圈，打开线圈空冷系统2。交‑直流复合磁场发生装置启动完毕后，螺柱焊枪在螺柱与钢板之间引燃电弧，电弧以螺柱的中心轴线做均匀的圆周运动，在螺柱端面与钢板基体之间发生局部熔化，螺柱和钢板之间进行局部挤压，电弧熄灭，焊接接头实现冶金结合，同时挤出部分液态金属，实现螺柱与钢板的焊接，焊接完毕。在该技术方案中，电弧是由外部交流线圈和内部直流线圈产生的复合磁场来驱动的，可以保障电弧在螺柱端面进行均匀的圆周运动，可以有效减少偏弧现象，集中电弧能量，加大熔池深度，有利于改善螺柱焊接接头的力学性能。[0033] 下面以实施例来详细描述本发明的一种用于螺柱焊电弧的交‑直流复合驱动的方法及装置。[0034] 实施例1[0035] 结合使用螺柱焊电弧的交‑直流复合驱动装置的焊接流程图图3，选用材料为Q235钢的空心螺柱，尺寸为Ф16mm×30mm，内径为Ф8mm，长度为30mm和尺寸为120mm×120mm×12mm的45#钢板材为例。将直径16mm，长度为30mm的空心螺柱夹在焊枪上并移动到指定焊接位置，启动交‑直流复合磁场发生装置，打开三相交流电开关向外部励磁线圈提供交流电源380V，随即调整三相变频器将外部线圈的转动频率控制为60Hz，调整三相调压器控制外部线圈的磁场大小，控制励磁电流为0.65A，打开直流电开关为内部励磁线圈提供稳定直流电，控制励磁电流0.3A，打开线圈空冷系统，随后螺柱焊枪下降到指定位置与钢板基体引燃电弧，进行焊接，焊接电流为800A，焊接时间1300ms。焊接完成后，焊枪抬升到指定高度，关闭恒直流电源和三相交流电源开关，关闭线圈空冷却系统，焊接过程完毕。焊接效果如图4，焊缝均匀美观，空心螺柱周围有完整的、高度均匀的凸台，焊接过程中熔池不仅向外铺而且熔池变深，焊接结束后空心螺柱不存在金属液向螺柱内壁堆积问题。[0036] 对比例1[0037] 使用旋转磁场装置直接进行螺柱焊接过程。选用材料为Q235的空心螺柱，尺寸为Ф16mm×30mm，直径为Ф16mm，长度为30mm和尺寸为120mm×120mm×12mm的45#钢板材为例。将直径为16mm，长度为30mm的空心螺柱夹在焊枪上，移动到指定焊接位置，启动旋转磁场发生装置，打开三相交流电开关，调整三相变频器控制外部线圈的转动频率为30Hz，调整三相调压器控制外部线圈的磁场大小，控制励磁电流为0.35A，将空心螺柱焊枪下降到指定位置与钢板引燃电弧，进行焊接，焊接电流为800A，焊接时间1300ms。焊接完成后，将焊枪上升到指定高度，关闭旋转磁场装置，焊接过程完毕。焊接效果如图5，螺柱周围出现完整的焊缝，但是螺柱熔深较浅，且大量金属液向螺柱内部堆积，造成焊接接头质量差。[0038] 对比例2[0039] 使用纵向磁场装置直接进行螺柱焊接过程。选用材料为Q235的空心螺柱，尺寸为Ф16mm×30mm，直径为Ф16mm，长度为30mm和尺寸为120mm×120mm×12mm的45#钢板材为例。将直径为16mm，长度为30mm的空心螺柱夹在焊枪上，移动到指定焊接位置，启动纵向磁场发生装置，打开直流电开关，控制励磁电流为0.4A，将空心螺柱焊枪下降到指定位置与钢板引燃电弧，进行焊接，焊接电流为800A，焊接时间1300ms。焊接完成后，将焊枪上升到指定高度，关闭旋转磁场装置，焊接过程完毕。焊接效果如图6，由于电弧起弧后在某一位置停留时间过长，螺柱端部燃烧不均匀，造成局部未熔合，同时熔池中部分熔融金属液进入螺柱空心处，破坏内螺纹结构。

专利地区：江苏

专利申请日期：2022-06-12

专利公开日期：2024-06-18

专利公告号：CN114951923B