螺柱焊旋弧磁場仿真

馮陸洋,劉 嘉,朱孝祥,白立來

（北京工業(yè)大學機械工程與應用電子技術學院，北京100124）

螺柱焊旋弧磁場仿真

馮陸洋,劉 嘉,朱孝祥,白立來

（北京工業(yè)大學機械工程與應用電子技術學院，北京100124）

利用電磁仿真軟件Maxwell對螺柱焊的徑向?qū)ΨQ旋弧磁場的影響因素進行研究。結果表明：有無磁心、有無外殼、磁心高度、磁心直徑以及外殼上延伸與磁心之間的較小間隙，都會對電弧區(qū)磁場產(chǎn)生明顯影響，而螺線管直徑大小對磁場影響較?。淮判母叨仍叫?、磁心直徑越大或外殼上下延伸間隙越小，磁場越大。并以此來指導旋弧磁場裝置的結構設計和材料選擇，設計出一種磁場轉(zhuǎn)化效率較高的螺母焊接磁控旋弧裝置。

螺柱焊；旋弧磁場；徑向?qū)ΨQ

0前言

螺柱焊是用螺柱（或類似構件）和焊件表面之間引燃的電弧加熱并熔化結合部位，然后快速擠壓在一起形成焊接接頭的一種電弧焊接方法。螺柱焊在焊接螺母、空心螺柱或大直徑螺柱時，常施加旋弧磁場，使電弧沿焊接端面旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)焊接端面受熱熔化均勻[1-2]。旋弧磁場有徑向?qū)ΨQ磁場，螺線管端部的磁場是從中心向圓周發(fā)射出的徑向?qū)ΨQ磁場[3]，徑向?qū)ΨQ磁場受旋弧裝置導磁結構部分的影響很大，受螺線管電流和旋弧裝置體積的限制，提高徑向?qū)ΨQ磁場的轉(zhuǎn)化效率尤為重要。本研究利用電磁場仿真軟件Maxwell，研究螺柱焊旋弧磁場裝置對螺線管端部徑向?qū)ΨQ磁場的影響規(guī)律，用于指導旋弧磁場裝置的設計，從而設計出磁場轉(zhuǎn)化效率較高的螺母焊接旋弧磁場裝置。

1旋弧磁場原理與模型

假設螺母焊接時在如圖1所示的位置起弧，z為縱向，r為徑向，電弧電流為I，方向豎直向上；電弧區(qū)磁場B可分解為徑向分量Br和縱向分量Bz。根據(jù)左手定則，Bz與電弧電流方向一致，電弧不受力，

Br與電弧電流方向垂直，電弧受到垂直磁場方向的力（即垂直紙面向外的力），電弧會沿著螺母下端圓環(huán)面的切線方向運動，如圖2中的箭頭1。由于在電弧區(qū)產(chǎn)生了一個徑向?qū)ΨQ磁場，如圖2所示，在電弧運動的下一個位置，磁場的方向發(fā)生變化，電弧仍受到一個垂直磁場方向的力，電弧繼續(xù)沿著螺母下端圓環(huán)面的切線方向運動。如此隨著電弧運動位置的變化，電弧的受力方向也隨著變化，電弧一直受到垂直磁場方向的力，電弧一直沿圓環(huán)切線方向運動，如圖2箭頭所示，形成了電弧沿螺母下端圓環(huán)面的旋轉(zhuǎn)[4-5]。

圖1 電弧在徑向?qū)ΨQ磁場作用下的受力示意

圖2 電弧區(qū)的徑向?qū)ΨQ磁場的俯視圖

電弧的旋轉(zhuǎn)來自磁力，磁力為

式中Br為磁場B徑向分量；I為電弧電流；L為電弧的有效長度；θ為磁場B與豎直方向的夾角。

電弧旋轉(zhuǎn)會形成橫向電流，此電流在Bz作用下受到沿徑向的磁力，不利于電弧的旋轉(zhuǎn)，而徑向磁力為

式中Q為帶點粒子的電荷量；v是帶點粒子的旋轉(zhuǎn)速度。由于帶點粒子的旋轉(zhuǎn)速度遠小于電子的發(fā)射速度，而Q相同，Bz和Br相差不大，F(xiàn)r遠小于F，故Bz對橫向電流的徑向作用力影響可忽略，Bz可不考慮。

在磁場電流不變的情況下，要增加電弧旋轉(zhuǎn)的力，需增大θ角或增大磁場B。

根據(jù)影響電弧區(qū)磁場的因素和簡化替換原則，設計了如圖3所示的仿真模型。

圖3 磁場仿真實驗模型

仿真中螺線管電流300 A，外殼和磁心選用導磁材料iron，螺母和工件選擇stainless steel，夾頭選擇copper。仿真按照單因子變量設計，都是在標準模型基礎上改變單個變量設計，參考圖3，標準模型參數(shù)設置為：磁心下端面距工件上表面的距離h為3 mm，外殼上延伸與磁心之間的間隙圓環(huán)的環(huán)寬d為1 mm，外殼下延伸內(nèi)孔半徑與磁心半徑的差值δ為5.5 mm，螺線管直徑20 mm。

因為螺線管磁場在以螺線管為軸心的圓周上對稱分布，故可以研究過螺線管軸心的一個截面上的磁場。因為只有電弧區(qū)的磁場對電弧有作用，因此

只研究截面上電弧區(qū)部分的磁場，放大圖3中的電弧區(qū)，如圖4所示，線1距上表面1 mm，線2過螺母下端面圓環(huán)的中心，線1與線2的交點為A。

圖4 仿真模型電弧區(qū)放大

2仿真

仿真軟件Maxwell能以數(shù)據(jù)的形式輸出任一點的磁場大小，而磁場的方向角度采用測角度軟件Protractor測出，本研究中的結果都是通過多組數(shù)據(jù)求平均值的方式給出。

電弧區(qū)磁矢量的分布如圖5所示，在電弧區(qū)磁場的變化不存在突變。由圖6可知，電弧區(qū)磁場在縱向上從上到下B和θ都減小，在橫向上從中心向外B減小、θ增大。通過多種情況下多組仿真可知，電弧區(qū)磁場的整體變化規(guī)律一致，因此可通過一點的分布規(guī)律得出電弧區(qū)磁場的變化規(guī)律，本仿真選擇如圖6所示電弧區(qū)內(nèi)的A點做參考。

圖5 仿真模型電弧區(qū)磁場分布

2.1磁心的影響

有無中心磁心、磁心下端面距工件上表面的高度h和磁心直徑s都會對電弧區(qū)磁場產(chǎn)生影響。下面分三種情況分別進行仿真，結果如表1～表3所示。

圖6 仿真模型電弧區(qū)縱向、徑向線上磁場分布

表1 有無磁心時A點的磁場情況

表2 磁心高度h不同時磁場的分布結果

表3 磁心直徑s不同時磁場的分布結果

根據(jù)仿真結果可知，有無磁心、磁心高度和磁心直徑都會對電弧區(qū)磁場產(chǎn)生明顯影響，磁心高度h越小或磁心直徑s越大，徑向磁場Br越大。

2.2外殼導磁結構影響

除磁心會影響電弧區(qū)磁場的分布外，有無外殼導磁回路與形狀也會影響電弧區(qū)磁場的分布。下面通過有無外殼、外殼上延伸與磁心之間間隙環(huán)寬d（簡稱外殼上延伸間隙d）和外殼下延伸的內(nèi)孔半徑與磁心的半徑差δ（簡稱外殼下延伸間隙δ）三個方面進行仿真，結果如表4～表6所示。

由表中結果可知，有無外殼對磁場影響明顯，

外殼上延伸與磁心之間間隙較小時影響明顯，上下延伸間隙增大，磁場Br減小。

表4 有無外殼時A點的磁場情況

表5 外殼上延伸間隙d不同時磁場的情況

表6 外殼下延伸間隙δ不同時磁場的情況

2.3螺線管尺寸的影響

螺線管尺寸也可能對磁場的分布產(chǎn)生影響?？紤]到焊接螺母的夾頭尺寸、螺線管的保護和散熱通氣等，選擇最小的螺線管內(nèi)徑為16 mm，在此基礎上每組內(nèi)徑增大2 mm，共分五組，仿真結果如表7所示。

表7 螺線管內(nèi)徑?不同時磁場的情況

由表7可知，螺線管直徑大小對磁場影響較小，故設計旋弧裝置時作為次要參數(shù)。

3仿真結果及分析

有無磁心、有無外殼、磁心高度、磁心直徑和較小的上延伸間隙d都會對電弧區(qū)磁場產(chǎn)生明顯影響，而螺線管直徑大小對磁場影響較小。磁通勢NI不變的情況下，增加磁心和外殼等導磁結構，使導磁回路的等效磁阻減小，磁通量增大，磁感應強度B也就越大，Br也就越大。導磁結構磁心和外殼的存在改變了磁場的分布，大部分磁感線從外殼上延伸進入磁心，受導磁外殼影響，磁力線出磁心下端后，通過更短的路徑快速進入到外殼下延伸，增加磁場與豎直方向夾角θ，導致電弧區(qū)內(nèi)θ變大，Br增大。由于空氣介質(zhì)的磁阻比較大，在間隙較大時，磁路的磁阻大小主要受空氣隙影響，間隙的變化對磁通量的影響不明顯，而間隙較小時，除空氣隙的影響外，導磁結構的磁阻對磁路等效磁阻的影響也表現(xiàn)出來，磁通量變化明顯，磁場變化才明顯。螺線管直徑變大，受導磁結構影響和螺線管內(nèi)部空間變大，磁場在電弧區(qū)基本沒有變化。

磁心高度h越小、磁心直徑s越大或外殼上下延伸間隙越小，徑向磁場Br越大。磁心高度h越小或是磁心直徑s越大，相當于電弧區(qū)離磁心下端越近，從磁心發(fā)散出去的磁感線經(jīng)過電弧區(qū)的也越多，磁場也越強。外殼上下延伸間隙越小，相當于導磁結構在磁回路中所占比例越大，磁路的磁阻越小，磁通勢NI相同情況下，磁通越大，磁場強度B越大，徑向磁場Br也越大。

根據(jù)以上結論可知，要想獲得高效的旋弧磁場裝置，首先需有磁心和外殼等導磁結構。

其次，磁心下端盡可能靠近工件且磁心直徑盡可能大。若是工件上不做焊接孔，磁心下端最多與螺母下端面平齊，考慮到磁心不能導電起弧、與螺母導電和距螺母下端環(huán)面越近溫度越高，故磁心采用不導電、高居里點的磁性材料做成。

再次，外殼上延伸與磁心之間間隙d盡可能小。若做成內(nèi)漲式螺母裝夾機構，下端需做成空心，還要在表面開縫，縫隙存在會使發(fā)散狀橫向磁場在整個圈上分布不均，影響電弧旋轉(zhuǎn)，因而采用外夾式裝夾機構。然而外夾式裝夾機構的夾頭不能導磁，要想盡可能縮小間隙d，夾頭不能直接連接焊槍提升機構，需要有導磁導電的材料連接焊槍提升機構，而磁心又不能用導電材料，因而磁心分成兩部分構成，上端部分導磁導電，下端部分導磁不導電。這樣螺母裝夾機構由上磁心、下磁心和夾頭三部分構成?？紤]到磁心和外殼上延伸之間不能導電，故上延伸用不導電的導磁材料做成。

最后，外殼下延伸與磁心之間間隙盡可能小?？紤]到線圈直徑一般比較大，故下部要做成折彎結

構，減小外殼下延伸的內(nèi)孔直徑，盡可能靠近磁心。因電弧區(qū)熔池、飛濺和熱量的影響，選擇高居里點的導磁材料做成喇叭口結構。外殼下延伸靠近夾頭，考慮到外殼下延伸和夾頭之間導電的影響，故外殼下延伸使用非導電材料。

再考慮到其他非磁場因素，設計的磁控旋弧裝置如圖7所示。通過實驗，A點的磁場B為29.71 mT，角度53°，徑向磁場大小23.73 mT，在相同大小電流下，徑向磁場較大，磁場轉(zhuǎn)化效率高，證明設計的結構合理。

1—連接板；2—磁心上；3—夾頭；4—擋氣板；5—擋板；6—外殼；7—線圈；8—線筒；9—螺母；10—磁感線；11—電弧區(qū)；12—磁心下。圖7 磁控旋弧裝置結構

4結論

（1）有無磁心、有無外殼、磁心高度、磁心直徑以及較小的上外殼延伸與磁心之間間隙，都會對電弧區(qū)磁場產(chǎn)生明顯影響，而螺線管直徑對磁場影響較小。

（2）磁心高度h越小、磁心直徑s越大或外殼上下延伸間隙越小，磁場越大。

（3）旋弧磁場裝置要有磁心和導磁外殼，磁心高度h以及外殼上下延伸與磁心之間間隙盡可能小，磁心直徑盡可能大。

[1]鄭石雄.柱旋轉(zhuǎn)電弧焊接方法與工藝研究[D].江蘇：南京理工大學，2008.

[2]王克鴻，張德庫，鄭石雄，等.空心螺柱旋弧焊接方法[J].焊接學報，2008（12）：101-103，108，118.

[3]Cramer，Heidi.SRM stud welding—A new arc stud welding variant[J].Welding and Cutting，2014，13（5）：298-302.

[4]Soyer Heinz.Bolt welding method with magnetic light arc rotation using electromagnet on opposite side of carrier to workpiece welding point[P].Germany：DE10143220（C1），2003-01-30.

[5]Soyer Heinz.Process and system for welding a stud with conical contact surface with a support，with a lifting height from 1 to 2.5 mm and an angle for the conical surface of 4 DEG+-2.5 DEG[P].Germany：DE102004051389（A1），2006-05-04.

Simulation of stud welding rotary arc magnetic field

FENG Luyang，LIU Jia，ZHU Xiaoxiang，BAI Lilai
（College of Mechanical Engineering and Applied Electronics Technology，Beijing University of Technology，Beijing 100124，China）

Using electromagnetic simulation software Maxwell,the factors of weld stud radially symmetrical rotation arc magnetic field were studied.The results show that with or without the magnetic core and magnetic shell，the height of magnetic core，the diameter of magnetic core and the smaller gap between extending magnetic shell and magnetic core have significant impact on magnetic field，but the diameter of the solenoid has less impact on magnetic field.The smaller the height of the core，the larger the core diameter or the smaller the extending gap，the greater the magnetic field.The result guides the structural design and material selection of rotary arc magnetic field apparatus，and thus a high conversion efficiency rotary arc magnetic field apparatus is designed.

stud welding；rotary arc magnetic field；radial-symmetric

TG453+.3

A

1001-2303（2016）11-0060-05

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.11.12

獻

馮陸洋，劉嘉，朱孝祥，等.螺柱焊旋弧磁場仿真[J].電焊機，2016，46（11）：60-64.

2016-02-16；

2016-05-23

馮陸洋（1991—），男，河南周口人，碩士，主要從事嵌入式控制和螺柱焊裝置的研究。