一种外加磁场装置控制TIG焊接残余应力及降低残余应力峰值的系统；本系统是由外加磁场发生装置产生纵向磁场作用于TIG焊接的电弧，电弧中的带电粒子在外加磁场的作用下向电弧边沿旋转，电弧由圆锥形变为钟罩形，电弧能量及电流密度成双峰状分布，从而导致焊接温度场梯度降低，致使焊接残余应力的分布得到了优化，且降低了焊缝处残余应力峰值。试验表明，在一定磁场强度范围内，TIG焊接残余应力分布和焊接残余应力峰值明显得到优化；对于不同的TIG焊接工艺规范，外加磁场强度有一相应的最佳匹配值。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种利用外加磁场作用于TIG焊接，实现对焊接残余应力的分布控制及降低焊接残余应力峰值，具体为一种外加磁场装置控制TIG焊接残余应力的系统。
技术背景
焊接过程中不均匀的温度场与温度梯度的存在，将不可避免的产生焊接残余应力，而残余应力直接影响着焊接结构承载能力、抗应力腐蚀、疲劳强度，以及后续加工过程中焊接残余应力的释放而导致的变形，最终影响结构的尺寸稳定性与精度。
基于此，本专利引入外加直流纵向磁场，以TIG焊接电弧为控制对象，通过改变磁场强度来调节电弧带电粒子的旋转半径，达到控制电弧中电流密度及电弧能量的分布，调节焊接过程中温度场的温度梯度，实现焊接残余应力分布的优化，降低残余应力峰值。
对焊接残余应力的控制提供一新途径有着重要的现实意义。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提出了一种外加磁场装置控制TIG焊接残余应力的系统，该系统通过外加磁场发生装置作用于TIG焊接过程中，从而改善了残余应力分布和降低了焊缝残余应力峰值，为焊接残余应力的控制开辟了一种新的控制途径。
本专利技术采用如下技术方案，一种外加磁场装置控制TIG焊接残余应力的系统，主要包括外加磁场装置和TIG焊接系统；外加磁场装置由磁控稳压电源、滑动变阻器、励磁线圈组成；其特征在于：磁控稳压电源、滑动变阻器、励磁线圈串联组成回路，励磁线圈套在焊枪上并与焊枪刚性固定，且保证与焊枪同轴。
本专利技术磁控稳压电源采用了GCA-5A/6-36V的稳压电源，其最大输出电流为5A,输出电压的变化率不大于±0.1%，输出的直流电压必须脉动很小，以保持磁场的稳定性。
本专利技术所述滑动变阻器是通过调节其电阻值来调节励磁电流的大小。
本专利技术所述励磁线圈采用轴对称空心圆柱型，主要为一圆筒上由直径为1.25mm的绝缘铜导线绕制而成，线圈匝数为1600匝，线圈的内直径为50mm,外直径为90mm，高度为150mm。绕制螺线管线圈时应该保证导线一匝一匝紧密挨连，线匝在径向和轴向均匀缠绕，呈圆形同轴回路，每层线圈之间由绝缘纸隔离，以防止线圈连续通电烧坏绝缘层。考虑到焊接过程中电弧的辐射热量及线圈发热，在励磁线圈底部加石棉层来达到隔热效果。
一种外加磁场控制TIG焊接残余应力的系统，其特征方法如下：
（1）利用磁场发生装置产生纵向磁场；具体为通过滑动变阻器调节电流大小实现无级调节，一个较宽的范围内改变外加磁场的大小，磁控稳压电源输出稳定的电流来激发励磁线圈产生稳定的纵向磁场；
（2）外加纵向磁场作用于TIG焊接电弧中的带电粒子，驱使这些带电粒子向电弧边沿做旋转运动，促使焊接电弧旋转，电弧发生扩张，使电弧形态发生了改变，由锥形变成钟罩形，电弧能量及电流密度成双峰状分布，避免了能量集中，从而导致焊接温度场变化，改变了焊接残余应力分布，，降低了焊缝处残余应力峰值。
（3）通过改变磁场强度来调节电弧带电粒子的旋转半径，达到控制电弧中电流密度及电弧能量分布，调节焊接过程中温度场，实现焊接残余应力分布的优化，降低残余应力峰值。试验表明，在一定磁场强度范围内，TIG焊接残余应力分布和焊接残余应力峰值明显得到优化；对于不同的TIG焊接工艺规范，外加磁场强度有一相应的最佳匹配值。
本专利技术从以下方面来阐述外加纵向磁场控制TIG焊接残余应力的机理：
（1）TIG焊接电弧中的带电粒子由阴极向阳极做迁移运动，外加直流纵向磁场与具有径向运动的带电粒子相互作用的洛仑兹力驱使带电粒子旋转，从而促使焊接电弧旋转，带点粒子多集中在电弧边沿，中心减少，电弧发生扩张，电弧形态由锥形变成钟罩形。改变了电弧能量及电流密度的分布，调节了焊接过程中的温度场及温度梯度。
（2）焊接过程中不均匀的温度场与温度梯度，将导致工件产生焊接残余应力。温度场的改变及温度梯度的减低将有利于焊接残余应力的优化和残余应力峰值的降低。
（3）在电磁搅拌作用下，使得熔池中液态金属快速流动，产生强迫对流，与常规的对流相比，这种强迫对流非常激烈，冲刷熔池中凝聚晶粒，松弛了焊缝中的残余应力。
（4）通过改变外加磁场强度来调节电弧带电粒子的旋转半径，达到控制电弧中电流密度及电弧能量分布，调节焊接过程中温度场及降低温度梯度，实现焊接残余应力分布的调节，降低残余应力峰值的目的。
本专利技术创新的有益效果：一，通过专利技术一种外加磁场装置，并将此装置用于控制TIG焊接中，有效控制了焊接残余应力的分布和降低了残余应力峰值，为控制TIG焊接残余应力分布和降低应力峰值提供了一条新的途径；二，对外加磁场控制TIG焊焊接残余应力分布和降低残余应力峰值的机理有了明确的阐述。
附图说明
图1为本专利技术的外加磁场发生装置示意图。
图2为本专利技术的励磁线圈的结构设计图。
图中，1—磁控稳压电源，2—滑动变阻器，3—励磁线圈，4—铝合金，
5—纯铁，6—漆包线-绝缘纸，7—石棉。
具体实施方式
下面结合附图，如图1所示，一种外加磁场装置控制TIG焊接残余应力的系统，主要包括外加磁场装置和TIG焊接系统；外加磁场装置由磁控稳压电源1、滑动变阻器2、励磁线圈3组成；其特征在于：磁控稳压电源1、滑动变阻器2、励磁线圈3串联组成回路。励磁线圈3套在焊枪上与焊枪刚性固定，且保证与焊枪同轴。
如图2所示，励磁线圈设计有铝合金4、纯铁5、漆包线-绝缘纸6、石棉7；本专利技术所述励磁线圈的设计是本专利技术装置的关键，励磁线圈的设计既要考虑到满足磁场控制的要求，又要易于制作、安装，避免给焊接过程带来不便。本专利技术自制了一套用于磁控焊接的励磁线圈装置，所述励磁线圈采用轴对称空心圆柱型，主要为一圆筒上由直径为1.25mm的绝缘铜导线绕制而成，线圈匝数为1600匝，线圈的内直径为50mm,外直径为90mm，高度为150mm。绕制螺线管线圈时应该保证导线一匝一匝紧密挨连，线匝在径向与轴向均匀缠绕，呈圆形同轴回路，每绕完一圈后要用绝缘纸包住线圈起到隔离作用以防止线圈连续通电烧坏绝缘层。考虑到焊接过程中电弧的辐射热量及线圈发热，在励磁线圈底部加石棉层来达到隔热效果。
本系统的外加磁场发生装置由磁控稳压电源1，滑动变阻器2和励磁线圈3构成，通过滑动变阻器2来调节电流大小从而实现无级调节，磁控稳压电源1输出稳定的电流来激发励磁线圈3产生稳定的纵向磁场。
TIG焊接电弧中的带电粒子由阴极向阳极做迁移运动，外加直流纵向磁场与具有径向运动的带电粒子相互作用的洛仑兹力驱使带电粒子旋转，从而促使焊接电弧旋转，带点粒子多集中在电弧边沿，中心减少，电弧发生扩张，电弧形态由锥形变成钟罩形。改变了电弧能量及电流密度的分布，调节了焊接过程中的温度场及温度梯度，从而改善了焊接残余应力的分布和降低了焊缝处最大残余应力。
在电磁搅拌作用下，使得熔池中液态金属快速流动，产生强迫对流，与常规的对流相比，这种强迫对流非常激烈，冲刷熔池中凝聚晶粒，松弛了焊缝中的残余应力。
通过改变外加磁场强度来调节电弧带电粒子的旋转半径，达到控制电弧中电流密度、电弧力以及电弧能量分布，调节焊接过程中温度场及降低温度梯度，实现焊接残余应力分布的调节，降低残余应力峰值的目的。
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【技术保护点】
一种外加磁场装置控制TIG焊接残余应力的系统，主要包括外加磁场装置和TIG焊接系统；外加磁场装置由磁控稳压电源、滑动变阻器、励磁线圈组成；其特征在于：磁控稳压电源、滑动变阻器、励磁线圈串联组成回路，励磁线圈套在焊枪上并与焊枪刚性固定，且保证与焊枪同轴。
【技术特征摘要】
1.一种外加磁场装置控制TIG焊接残余应力的系统，主要包括外加磁场装置和TIG焊接系统；外加磁场装置由磁控稳压电源、滑动变阻器、励磁线圈组成；其特征在于：磁控稳压电源、滑动变阻器、励磁线圈串联组成回路，励磁线圈套在焊枪上并与焊枪刚性固定，且保证与焊枪同轴。
2.根据权利要求1所述的一种外加磁场装置控制TIG焊接残余应力的系统，其特征在于：所述磁控稳压电源采用了GCA-5A/6-36V的稳压电源，其最大输出电流为5A,输出电压的变化率不大于±0.1%，输出的直流电压必须脉动很小，以保持磁场的稳定性。
3.根据权利要求1所述的一种外加磁场装置控制TIG焊接残余应力的系统，其特征在于：所述励磁线圈采用轴对称空心圆柱型，主要为一圆筒上由直径为1.25mm的绝缘铜导线绕制而成；线圈匝数为1600匝，线圈的内直径为50mm,外直径为90mm，高度为150mm；绕制螺线管线圈时应该保证导线一匝一匝紧密挨连，线匝在径向和轴向均匀缠绕，呈同轴圆形回路，每一层线圈之间有绝缘纸包起到隔离作用以防止线圈连续通电烧坏绝缘层；考虑到焊接过程中电弧的辐射热量及线圈发热，在励磁线圈底部加石棉层来达到隔热效...
【专利技术属性】
技术研发人员：江淑园，韩琦，
申请(专利权)人：南昌航空大学，
类型：发明
国别省市：江西;36
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