馮陸洋,劉 嘉,朱孝祥,白立來(lái)

（北京工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程與應(yīng)用電子技術(shù)學(xué)院，北京100124）

螺柱焊旋弧磁場(chǎng)仿真

馮陸洋,劉 嘉,朱孝祥,白立來(lái)

（北京工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程與應(yīng)用電子技術(shù)學(xué)院，北京100124）

利用電磁仿真軟件Maxwell對(duì)螺柱焊的徑向?qū)ΨQ(chēng)旋弧磁場(chǎng)的影響因素進(jìn)行研究。結(jié)果表明：有無(wú)磁心、有無(wú)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(huì)對(duì)電弧區(qū)磁場(chǎng)產(chǎn)生明顯影響，而螺線(xiàn)管直徑大小對(duì)磁場(chǎng)影響較小；磁心高度越小、磁心直徑越大或外殼上下延伸間隙越小，磁場(chǎng)越大。并以此來(lái)指導(dǎo)旋弧磁場(chǎng)裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和材料選擇，設(shè)計(jì)出一種磁場(chǎng)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(chǎng)；徑向?qū)ΨQ(chēng)

0前言

螺柱焊是用螺柱（或類(lèi)似構(gòu)件）和焊件表面之間引燃的電弧加熱并熔化結(jié)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(shí)，常施加旋弧磁場(chǎng)，使電弧沿焊接端面旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)焊接端面受熱熔化均勻[1-2]。旋弧磁場(chǎng)有徑向?qū)ΨQ(chēng)磁場(chǎng)，螺線(xiàn)管端部的磁場(chǎng)是從中心向圓周發(fā)射出的徑向?qū)ΨQ(chēng)磁場(chǎng)[3]，徑向?qū)ΨQ(chēng)磁場(chǎng)受旋弧裝置導(dǎo)磁結(jié)構(gòu)部分的影響很大，受螺線(xiàn)管電流和旋弧裝置體積的限制，提高徑向?qū)ΨQ(chēng)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)化效率尤為重要。本研究利用電磁場(chǎng)仿真軟件Maxwell，研究螺柱焊旋弧磁場(chǎng)裝置對(duì)螺線(xiàn)管端部徑向?qū)ΨQ(chēng)磁場(chǎng)的影響規(guī)律，用于指導(dǎo)旋弧磁場(chǎng)裝置的設(shè)計(jì)，從而設(shè)計(jì)出磁場(chǎng)轉(zhuǎn)化效率較高的螺母焊接旋弧磁場(chǎng)裝置。

1旋弧磁場(chǎng)原理與模型

假設(shè)螺母焊接時(shí)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(chǎng)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(chǎng)方向的力（即垂直紙面向外的力），電弧會(huì)沿著螺母下端圓環(huán)面的切線(xiàn)方向運(yùn)動(dòng)，如圖2中的箭頭1。由于在電弧區(qū)產(chǎn)生了一個(gè)徑向?qū)ΨQ(chēng)磁場(chǎng)，如圖2所示，在電弧運(yùn)動(dòng)的下一個(gè)位置，磁場(chǎng)的方向發(fā)生變化，電弧仍受到一個(gè)垂直磁場(chǎng)方向的力，電弧繼續(xù)沿著螺母下端圓環(huán)面的切線(xiàn)方向運(yùn)動(dòng)。如此隨著電弧運(yùn)動(dòng)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(chǎng)方向的力，電弧一直沿圓環(huán)切線(xiàn)方向運(yùn)動(dòng)，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(chēng)磁場(chǎng)作用下的受力示意

圖2 電弧區(qū)的徑向?qū)ΨQ(chēng)磁場(chǎng)的俯視圖

電弧的旋轉(zhuǎn)來(lái)自磁力，磁力為

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

電弧旋轉(zhuǎn)會(huì)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(diǎn)粒子的電荷量；v是帶點(diǎn)粒子的旋轉(zhuǎn)速度。由于帶點(diǎn)粒子的旋轉(zhuǎn)速度遠(yuǎn)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(yuǎn)小于F，故Bz對(duì)橫向電流的徑向作用力影響可忽略，Bz可不考慮。

在磁場(chǎng)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(chǎng)B。

根據(jù)影響電弧區(qū)磁場(chǎng)的因素和簡(jiǎn)化替換原則，設(shè)計(jì)了如圖3所示的仿真模型。

圖3 磁場(chǎng)仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

仿真中螺線(xiàn)管電流300 A，外殼和磁心選用導(dǎo)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(shè)計(jì)，都是在標(biāo)準(zhǔn)模型基礎(chǔ)上改變單個(gè)變量設(shè)計(jì)，參考圖3，標(biāo)準(zhǔn)模型參數(shù)設(shè)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(xiàn)管直徑20 mm。

因?yàn)槁菥€(xiàn)管磁場(chǎng)在以螺線(xiàn)管為軸心的圓周上對(duì)稱(chēng)分布，故可以研究過(guò)螺線(xiàn)管軸心的一個(gè)截面上的磁場(chǎng)。因?yàn)橹挥须娀^(qū)的磁場(chǎng)對(duì)電弧有作用，因此

只研究截面上電弧區(qū)部分的磁場(chǎng)，放大圖3中的電弧區(qū)，如圖4所示，線(xiàn)1距上表面1 mm，線(xiàn)2過(guò)螺母下端面圓環(huán)的中心，線(xiàn)1與線(xiàn)2的交點(diǎn)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(diǎn)的磁場(chǎng)大小，而磁場(chǎng)的方向角度采用測(cè)角度軟件Protractor測(cè)出，本研究中的結(jié)果都是通過(guò)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(chǎng)的變化不存在突變。由圖6可知，電弧區(qū)磁場(chǎng)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(guò)多種情況下多組仿真可知，電弧區(qū)磁場(chǎng)的整體變化規(guī)律一致，因此可通過(guò)一點(diǎn)的分布規(guī)律得出電弧區(qū)磁場(chǎng)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(diǎn)做參考。

圖5 仿真模型電弧區(qū)磁場(chǎng)分布

2.1磁心的影響

有無(wú)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(huì)對(duì)電弧區(qū)磁場(chǎng)產(chǎn)生影響。下面分三種情況分別進(jìn)行仿真，結(jié)果如表1～表3所示。

圖6 仿真模型電弧區(qū)縱向、徑向線(xiàn)上磁場(chǎng)分布

表1 有無(wú)磁心時(shí)A點(diǎn)的磁場(chǎng)情況

表2 磁心高度h不同時(shí)磁場(chǎng)的分布結(jié)果

表3 磁心直徑s不同時(shí)磁場(chǎng)的分布結(jié)果

根據(jù)仿真結(jié)果可知，有無(wú)磁心、磁心高度和磁心直徑都會(huì)對(duì)電弧區(qū)磁場(chǎng)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(chǎng)Br越大。

2.2外殼導(dǎo)磁結(jié)構(gòu)影響

除磁心會(huì)影響電弧區(qū)磁場(chǎng)的分布外，有無(wú)外殼導(dǎo)磁回路與形狀也會(huì)影響電弧區(qū)磁場(chǎng)的分布。下面通過(guò)有無(wú)外殼、外殼上延伸與磁心之間間隙環(huán)寬d（簡(jiǎn)稱(chēng)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(jiǎn)稱(chēng)外殼下延伸間隙δ）三個(gè)方面進(jìn)行仿真，結(jié)果如表4～表6所示。

由表中結(jié)果可知，有無(wú)外殼對(duì)磁場(chǎng)影響明顯，

外殼上延伸與磁心之間間隙較小時(shí)影響明顯，上下延伸間隙增大，磁場(chǎng)Br減小。

表4 有無(wú)外殼時(shí)A點(diǎn)的磁場(chǎng)情況

表5 外殼上延伸間隙d不同時(shí)磁場(chǎng)的情況

表6 外殼下延伸間隙δ不同時(shí)磁場(chǎng)的情況

2.3螺線(xiàn)管尺寸的影響

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

表7 螺線(xiàn)管內(nèi)徑?不同時(shí)磁場(chǎng)的情況

由表7可知，螺線(xiàn)管直徑大小對(duì)磁場(chǎng)影響較小，故設(shè)計(jì)旋弧裝置時(shí)作為次要參數(shù)。

3仿真結(jié)果及分析

有無(wú)磁心、有無(wú)外殼、磁心高度、磁心直徑和較小的上延伸間隙d都會(huì)對(duì)電弧區(qū)磁場(chǎng)產(chǎn)生明顯影響，而螺線(xiàn)管直徑大小對(duì)磁場(chǎng)影響較小。磁通勢(shì)NI不變的情況下，增加磁心和外殼等導(dǎo)磁結(jié)構(gòu)，使導(dǎo)磁回路的等效磁阻減小，磁通量增大，磁感應(yīng)強(qiáng)度B也就越大，Br也就越大。導(dǎo)磁結(jié)構(gòu)磁心和外殼的存在改變了磁場(chǎng)的分布，大部分磁感線(xiàn)從外殼上延伸進(jìn)入磁心，受導(dǎo)磁外殼影響，磁力線(xiàn)出磁心下端后，通過(guò)更短的路徑快速進(jìn)入到外殼下延伸，增加磁場(chǎng)與豎直方向夾角θ，導(dǎo)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(shí)，磁路的磁阻大小主要受空氣隙影響，間隙的變化對(duì)磁通量的影響不明顯，而間隙較小時(shí)，除空氣隙的影響外，導(dǎo)磁結(jié)構(gòu)的磁阻對(duì)磁路等效磁阻的影響也表現(xiàn)出來(lái)，磁通量變化明顯，磁場(chǎng)變化才明顯。螺線(xiàn)管直徑變大，受導(dǎo)磁結(jié)構(gòu)影響和螺線(xiàn)管內(nèi)部空間變大，磁場(chǎng)在電弧區(qū)基本沒(méi)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(chǎng)Br越大。磁心高度h越小或是磁心直徑s越大，相當(dāng)于電弧區(qū)離磁心下端越近，從磁心發(fā)散出去的磁感線(xiàn)經(jīng)過(guò)電弧區(qū)的也越多，磁場(chǎng)也越強(qiáng)。外殼上下延伸間隙越小，相當(dāng)于導(dǎo)磁結(jié)構(gòu)在磁回路中所占比例越大，磁路的磁阻越小，磁通勢(shì)NI相同情況下，磁通越大，磁場(chǎng)強(qiáng)度B越大，徑向磁場(chǎng)Br也越大。

根據(jù)以上結(jié)論可知，要想獲得高效的旋弧磁場(chǎng)裝置，首先需有磁心和外殼等導(dǎo)磁結(jié)構(gòu)。

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(dǎo)電起弧、與螺母導(dǎo)電和距螺母下端環(huán)面越近溫度越高，故磁心采用不導(dǎo)電、高居里點(diǎn)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(jī)構(gòu)，下端需做成空心，還要在表面開(kāi)縫，縫隙存在會(huì)使發(fā)散狀橫向磁場(chǎng)在整個(gè)圈上分布不均，影響電弧旋轉(zhuǎn)，因而采用外夾式裝夾機(jī)構(gòu)。然而外夾式裝夾機(jī)構(gòu)的夾頭不能導(dǎo)磁，要想盡可能縮小間隙d，夾頭不能直接連接焊槍提升機(jī)構(gòu)，需要有導(dǎo)磁導(dǎo)電的材料連接焊槍提升機(jī)構(gòu)，而磁心又不能用導(dǎo)電材料，因而磁心分成兩部分構(gòu)成，上端部分導(dǎo)磁導(dǎo)電，下端部分導(dǎo)磁不導(dǎo)電。這樣螺母裝夾機(jī)構(gòu)由上磁心、下磁心和夾頭三部分構(gòu)成?？紤]到磁心和外殼上延伸之間不能導(dǎo)電，故上延伸用不導(dǎo)電的導(dǎo)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(xiàn)圈直徑一般比較大，故下部要做成折彎結(jié)

構(gòu)，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(diǎn)的導(dǎo)磁材料做成喇叭口結(jié)構(gòu)。外殼下延伸靠近夾頭，考慮到外殼下延伸和夾頭之間導(dǎo)電的影響，故外殼下延伸使用非導(dǎo)電材料。

再考慮到其他非磁場(chǎng)因素，設(shè)計(jì)的磁控旋弧裝置如圖7所示。通過(guò)實(shí)驗(yàn)，A點(diǎn)的磁場(chǎng)B為29.71 mT，角度53°，徑向磁場(chǎng)大小23.73 mT，在相同大小電流下，徑向磁場(chǎng)較大，磁場(chǎng)轉(zhuǎn)化效率高，證明設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)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(xiàn)圈；8—線(xiàn)筒；9—螺母；10—磁感線(xiàn)；11—電弧區(qū)；12—磁心下。圖7 磁控旋弧裝置結(jié)構(gòu)

4結(jié)論

（1）有無(wú)磁心、有無(wú)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(huì)對(duì)電弧區(qū)磁場(chǎng)產(chǎn)生明顯影響，而螺線(xiàn)管直徑對(duì)磁場(chǎng)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(chǎng)越大。

（3）旋弧磁場(chǎng)裝置要有磁心和導(dǎo)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(xué)，2008.

[2]王克鴻，張德庫(kù)，鄭石雄，等.空心螺柱旋弧焊接方法[J].焊接學(xué)報(bào)，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(xiàn)

馮陸洋，劉嘉，朱孝祥，等.螺柱焊旋弧磁場(chǎng)仿真[J].電焊機(jī)，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。