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近年来,随着石油化工、管道工程、造船等工业的飞速发展,采用全位置焊接工艺的场合越来越多,在保证焊接质量的前提下实现全位置的低成本高效焊接,无疑具有广阔的应用前景。
本文针对全位置焊MAG焊熔池受重力影响容易失稳的问题,提出焊接中施加高频交变磁场在熔池内产生电涡流,该电涡流与外部交变磁场相作用产生电涡流力来抵消重力分量的方法,对其促进熔池成形的作用机理开展相关研究。
研究了重力对全位置熔池失稳机理的影响,提出重力对熔池的失稳主要来自其径向分量和切向分量。利用热力学滞后张力理论,研究了全位置MAG焊熔池这一特殊液滴的失稳问题,建立全位置熔池失稳力学平衡判据,利用该判据合理解释了重力、电弧力、大气压力等力在不同位置对熔池失稳的影响。
设计加工了一种E型线圈励磁结构,通过在线圈通入不同相位高频电流,在熔池内可产生克服重力分量的电涡流力。采用计算机模拟研究了不同材质磁芯对熔池内磁感应强度和涡流场强度的影响,并最终选取了锰锌铁氧体材质。模拟研究了不同励磁载荷、频率和气隙(E型线圈与焊接工件之间间距)条件下熔池内磁感应强度和涡流场强度大小和分布规律。研究了不同励磁参数时熔池内电涡流力变化规律,建立了电磁力与上述参数的回归方程,为电涡流力控制提供了必要条件。
分析了励磁感性负载对高频交变电源功率输出的制约问题,研究了功率补偿措施,提出采用电路串联谐振方案,提高了高频交变电源有用功率的输出。研究了不同气隙、频率对负载等效电阻R和等效电感L的影响规律,为控制电源功率输出和提高励磁电路效率奠定了基础。
为验证外加高频交变磁场对熔池作用的理论分析,针对全位置中5个特征位置开展了8组焊接实验研究。结果表明了高频交变磁场对熔池流淌具有抑制作用,采用电涡流技术克服全位置MAG焊中的熔池失稳方案是可行的。