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1、毕业设计（论文）题 目： 磁控TIG焊电弧特性的研究 学 院： 航空制造工程学院专业名称： 焊接技术与工程班级学号： 9090学生姓名： 908898989898898989指导教师： 56t二O一O 年 六 月 磁控TIG焊电弧特性的研究学生姓名：- 班级：-指导老师：- 摘要：电磁作用焊接技术是近年来完善起来的一种新的焊接技术，应用日趋广泛。利用外加磁场控制焊接过程，其磁控装置具有附加装置简单，投入成本低、耗能少等特点。焊接电弧作为电弧焊的能量来源，能有效的把弧焊电源电能转变成热能和机械能，供焊接使用。因此，了解焊接电弧及其特性，对焊缝成形及焊接过程的稳定性都有着重要的意义。通过外加磁场可
2、以改变电弧的形态和运动特性; 影响焊缝熔池和熔滴过渡形式，从而改善焊接工艺，提高焊接生产率。本课题采用水冷铜柱作为阳极，在外加恒定纵向磁场条件下进行TIG焊接。用数码相机拍摄不同磁感应强度的外加磁场条件下的电弧形态，并测量相应的焊接电流和电弧电压值。对实验结果进行对比分析。实验结果表明，外加纵向磁场对TIG焊电弧形态、焊接电流和电弧电压有影响。在外加纵向磁场的作用下，电弧中的带电粒子做高速旋转运动，并向弧柱边缘移动。电弧呈“钟罩”形，且具有轴对称性。随着磁场强度增大，电弧向外扩张，电弧电流减小，电弧电压升高。关键词：TIG焊 外加磁场 电弧特性 指导老师签名：Studies on the ch
3、aracteristics of TIG weldingarc inlongitudinal magnetic fieldStudent:name:- Class:- Supervisor:Jiang shu yuan Abstract：Welding magnetic field is more perfect in recent years as a new welding technology，its application is becoming increasingly widespread，its aPPlieation is becoming increasingly wides
4、preadTo control the welding Proeess with additional magnetic field has many advantages such as its affixture equip is simple，the cost is low, and it consumes little energy etThe Arc is the energy source of welding arc that can effectively and easily Change the arc welding power energy into heat ener
5、gy and mechanical energy，used for weldingTherefore， understanding the welding arc and its characteristics has a great effect on Weld shape and welding process stabilityExterior magnetic field can affect shape and movment of welding arc.And the welding bead and drops transfer can also be changed to i
6、mprove the welding process and advanced the productivityThe subject is to use a water-cooled copper pillar for the anode and under conditions of the applied longitudinal magnetic field for TIG weldingShooting the conditions of arc shape under different magnetic induction of magnetic field With a dig
7、ital camera，And measure the corresponding values of welding current and arc voltageThe experimental results were comparedThe results show that，Longitudinal magnetic field has en influence on TIG welding arc characteristics,welding current and arc voltageThe charged particles of arc at high speed rot
8、ation and move to the edge of the arc column under the longitudinal magnetic field，The TIG welding arc was bell shape also is with axial symmetryAnd increasing as the magnetic field strength，arc outward expands，welding current decreases，and the arc voltage increasesKeyword：TIG welding longitudinal m
9、agnetic field Arc Characteristics Signature of supervisor:目 录1 前言1.1 选题的依据及意义11.2 电磁作用焊接技术的特点21.3 国内外研究现状及发展趋势21.4 本课题的研究目的51.5 本课题的研究内容62 电磁作用TIG焊电弧特性的相关理论2.1外加纵向磁场作用TIG焊的基本原理62.2 电弧的运动机制92.2.1 无外加磁场时电弧区域带电粒子的运动92.2.2 纵向磁场作用下电弧的运动102.3引入纵向磁场时电弧形态的变化102.3.1 纵向磁场较弱时电弧的形态102.3.2 纵向磁场增强时电弧的形态113 实验设备及内
10、容3.1 实验设备123.2 实验内容173.2.1 外加纵向磁场对TIG焊电弧形态影响的实验173.2.2 外加纵向磁场TIG焊接电流和电弧电压变化的实验184 实验结果与分析4.1 外加纵向磁场对TIG焊电弧形态的影响184.2 外加纵向磁场TIG焊接电流和电弧电压的变化204.3 外加纵向磁场对TIG焊电弧特性的影响机理分析225 结论25参考文献26致谢281 前言1.1 选题的依据及意义焊接作为一种实现材料永久性连接的方法，被广泛地应用于机械制造、石油化工、桥梁、船舶、建筑、动力工程、交通车辆、航空、航天等各个工业部门，已成为现代机械制造工业中不可缺少的加工工艺方法。而且，随着国民经
11、济的发展，其应用领域还将不断地拓展。TIG焊的应用很广泛，它可以用于几乎所有金属和合金的焊接，比如钢铁材料、有色金属及其合金，和金属基复合材料等。特别是对铝、镁、铜等有色金属及其合金、不锈钢、耐热钢、高温合金和钼、铌等难溶金属等的焊接最具优势1。焊接电弧是一种气体放电现象，是带电粒子通过两电极之间气体空间的一种导电过程。电弧能放出强烈的光和大量的热，电弧焊接就是利用它的热能来熔化母材和填充金属。在磁控TIG焊接时，外加纵向磁场可以改变熔池金属的结晶状况，细化焊缝的一次结晶组织，减小化学不均匀性，提高焊缝金属的塑性和韧性，降低结晶裂纹和气孔的敏感性，全面改善焊接接头的质量，在航空、航天、冶金、机
12、械等领域具有广阔的应用前景。在焊接技术发展过程中，电磁作用焊接技术是近年才完善起来的一种新兴的焊接技术。其中，外加纵向磁场作用焊接可以改变电弧形状，从而影响了电弧的热流密度的分布，进而使焊接温度场发生变化。并且细化焊缝组织，减少气孔和热裂纹的生成，全面提高焊接接头的质量。本文主要通过理论学习对外加纵向磁场TIG焊电弧特性的影响机理、影响程度及特点等相关知识有了一个基本的了解，学习探讨了焊接电弧的电流电压值测量的方法。希望本试验可为外加磁场焊接实际工程应用提供一个依据。电弧弧柱区是由自由电子和带正、负电荷的离子组成的等离子体。由于电弧等离子体的良好导电性、电中性和与磁场的可作用性，因此提供了外部
13、磁场对它的可作用性，也就是说可以通过外加磁场来改变电弧的形状和位置，或者是控制电弧的运动2。磁控电弧焊接工艺就是基于上述原理，根据不同的应用要求，对焊接电弧施加合理形式的外部磁场来控制电弧形态，从而影响电弧特性(热特性、力特性和电特性等)，改善焊接工艺性能3。外加磁场可以使电弧形态，包括电弧压力、电流密度、能量分布发生改变。因此，纵向磁场能对电弧形态进行控制，从而控制焊缝的熔宽和熔深。当磁场B交替变化时，因对熔池金属有搅拌作用，即可以控制熔池金属的结晶过程，改善焊缝的组织和性能。目前磁控电弧在国外已广泛地应用于TIG焊、CO2焊以及特殊结构的焊接4。国内目前尚处于研究阶段。外加磁场对电弧的作用
14、可分为外加横向磁场对电弧的作用、外加纵向磁场对电弧的作用和外加尖角磁场对电弧的作用。本文只研究外加恒定纵向磁场作用在TIG焊电弧上，外加纵向磁场对电弧的作用示意图如图1所示，外加磁场磁力线的方向与电弧的轴线方平行。纵向磁场可以限制电弧的扩散，使电弧能量更集中，可以增加焊缝熔深。纵向磁场对弧柱的压缩作用，可以增加弧柱的能量密度及弧柱的电场强度。 图外加纵向磁场对电弧的作用示意图1.2 电磁作用焊接技术的特点外加磁场作用焊接技术主要有以下6个特点：(1)外加磁场能量的输入是无触点控制的，保证了能量输入变化快，无触点损耗，使得磁场控制焊接过程较为灵敏。(2)外加磁场装置简单、投入的成本低、效益高。(
15、3)外加磁场的种类比较多，有横向磁场、纵向磁场、尖角磁场以及交变磁场等。能够很好地满足多种工况条件下不同焊接工艺的要求。(4)外加磁场所需功率一般不大，电能损耗很少，外加磁场强度较小，频率较低，对环境不产生电磁污染，无接触控制，无噪音。(5)外加磁场控制的焊接技术所应用的焊接方法包括TIG焊接、等离子焊接、MIG焊接、CO2焊接等多种焊接方法。(6)外加磁场控制的焊接技术适用材料较为广泛，除可以应用在普通金属材料外，也可以应用在其他金属及其合金材料中。1.3 国内外研究现状及发展趋势在电弧焊过程中，引入外加纵向磁场能促使焊接电弧中带电粒子产生高速旋转的螺旋运动，改变电弧的形态与静特性并通过电磁
16、搅拌作用，改变焊接熔池液态金属结晶过程中的传质和传热过程，从而影响母材熔化、焊缝成形以及焊接质量。国内外很多专家学者对外加纵向磁场作用下的焊接技术进行了广泛地研究。将外加磁场应用到焊接领域已有很久的历史，可以追溯到1941年AMiunger等人5开始研究电磁搅拌对电焊的作用。1966年Hickcn等人6通过对不锈钢、铝台金以及合金钢等材料进行试验后，发现电弧前倾改善焊缝成形的效果取决于磁场强度和母材的磁特性，指出电弧前倾能使液态金属均匀、自由地流淌。他们推测电弧前倾所产生的预热效果以及电弧等离子体的物理变化对于改善焊缝成形也有一定的效果。1968年Ando等人7认为TIG焊未加磁场时，等离子流
17、能够排开液态金属，并且熔池底部的熔化层厚度随着焊接速度的增加逐渐变薄，最终裸露出一个固体表面，该固体表面阻碍了液态金属的自由流动，恶化焊缝成形。当施加磁场使电弧前倾后，液态金属向前流淌，这样熔池底部就难以出现固体表面。倘若磁场反向，液态金属将向后流动，这样固体表面更易产生，焊缝成形恶化加剧。1971年，Tseng和Savage8对TIG焊时电磁搅拌对微观组织和性能的影响进行了研究，发现在电磁作用下焊接高强钢时，有助于降低了热裂纹的敏感性。1976年Hicken等人9采用不同截面形式的磁靶控制TIG焊接电弧，试验结果表明磁摆弧工艺不但能够有效地抑制偏吹、提高焊接速度，还能够改善焊缝成形、抑制咬边
18、、确保余高均匀一致。1979年前苏联的Budnik等人10指出，当横向分量的大小超过总磁场大小的3时，电弧发散，焊缝熔深减小；当横向分量的大小低于上述值时，电弧收缩，焊缝熔深增大。在20世纪八十年代，国外的学者对磁场与电弧的相互作用进行了比较多的研究，如Masuda等人11进行电磁搅拌TIG焊焊接时，电磁搅拌频率与磁场强度相匹配时能够显著细化焊缝晶粒组织，降低热裂倾向。1982年前苏联的Boldyrev和Birzhev12采用横向分量不超过3的近似均匀纵向磁场强度进行TIG焊时，发现随着磁感应强度的增加，电弧收缩程度加大，同时电弧的气动压力增大，电弧下端液态层的厚度减小，电弧向母材的传热条件得
19、以改善，因而焊缝熔深提高。试验结果还表明，当磁感应强度为从0.1T增加到0.3T时，熔深提高了2倍。1985年SKou和YLe13研究了低频(频率在1Hz左右)电弧摆动对2046-T6焊缝结晶组织和热裂纹的影响，并从宏观角度分析了磁弧摆动产生的“交错柱状晶”是减少热裂纹的原因。2003年Y.H.Kang和S.J. Na14发现当场强不变时，侧壁熔深随着摆动频率缓慢增加，而底板熔深却减小；当频率不变时，侧壁熔深随着磁场强度的增加而增加，但当场强超过50Gs时，侧壁出现未熔合现象。他们还发现间隙为10mm时，摆动电弧出现在尖角处，控制效果好，而当间隙为8mm时，摆动电弧只发生在焊丝端部和侧壁上，效
20、果很差。国内对磁控技术在焊接中的应用研究虽然比较晚，但也取得了优异的成果，国内学者对磁场在焊接领域中的应用也进行了卓有成效的研究。1983年西安交通大学吴启东15-16较早地利用磁摆弧工艺来解决窄间隙T1G焊的侧壁熔合问题，将磁路与焊枪组成一体，采用脉冲焊接电流与脉冲控制磁场相结合的方式，可在较宽的范围内调节侧壁与底板的加热与熔透情。1987年成焊所的康健等人17首次将纵向磁场应用于真空等离子弧(所谓真空电弧实际上是指低压气氛中的电弧，如压力范围在1.0110513.33Pa的自由电弧)焊接方法，采用几十分之一T的磁场就能将大幅度扩展的真空电弧压缩到与电极直径近似相同，大大提高了真空等离子弧的
21、熔透能力。1990年哈尔滨工业大学张九海、王其隆等18研究了小电流TIG焊电弧的磁控特性，发现当磁场频f850Hz时，电弧形态与不加磁场的自由电弧相似，但电弧稳定性提高；当f=l5kHz时，电弧基本保持这种形态；当f5kHz时，电弧发生收缩，而且随着磁场频率的提高，电弧更加收缩。1991年，我国的卢晔19从微观角度分析了磁弧摆动减少热裂纹的机理，认为磁弧摆动消除了焊缝中偏析严重的羽毛晶组织，使低熔共晶物具有弥散、细小、断续的特征，从而阻止了结晶裂纹的产生和扩展。1997年西安交通大学吴丰顺、王士元等20等对纵向磁场作用下的电弧的运动机制进行了深入研究。加入纵向磁场可引起电弧区域电弧压力和电流密
22、度的变化，从而改变了能量密度的分布；磁场较弱时，电弧变化不大；磁场增强，电弧扩张；磁场强度大于临界值时，电弧变成空心电弧。2001年西安交通大学贾昌申、罗建等21针对外加纵向磁场对GTAW焊接过程采用红外热像伪着色法测定了外加纵向磁场GTAW焊接电弧的温度场，并建立了外加纵向磁场GTAW焊接电弧热流密度径向分布模型，对焊接电弧外形的变化，焊接电弧电流、电压与外加纵向磁场强度变化的关系进行了研究。2006年南昌航空工业学院的江淑园22通过对外加磁场对CO2焊接焊缝成形的影响的研究得出了以下结论：外加纵向磁场作用CO2焊接，使电弧形态改变，电弧中带电粒子绕电弧轴线作螺旋式运动，致使电弧旋转且扩张和
23、电弧中心能量密度降低，最后使得熔深减小，熔宽增加。2007年北京工业大学陈树君、华爱兵等23将旋转磁场应用于TIG焊电弧，用高速摄影仪拍摄了励磁转换频率、励磁电流大小以及励磁相序的改变时TIG焊电弧的形态，并且研究了它对电弧运动特征的影响规律，分析了这些磁场参数改变电弧运动行为的原因。国内进行了利用高频磁场分离铝熔体中非金属夹杂的研究24，利用频率小于20KHz的电磁场，主要是利用它的电磁搅拌作用来改变传质和传热过程，从而细化晶粒、提高接头性能。当磁场频率大于20KHz时，高频磁场产生超声作用，能进一步细化晶粒，改善力学性能。而且，在高频磁场作用下，焊接熔池中的液态金属产生涡流，由涡流产生的热
24、量可以融化母材金属，减小焊接电流；此外，涡流加快了熔核中的液态金属的旋转，进一步地改变熔核金属结晶过程中的传质和传热过程，细化晶粒；在凝固过程中涡流产生的热量可对淬硬性的材质进行回火、缓冷，改善焊接接头性能。磁控高效焊接工艺技术可以在某些场合代替埋弧焊接工艺，并且在钢结构焊接、石油储罐焊接等领域有很好的应用前景25。随着人们对磁控技术研究的深入，磁控技术的应用将会越来越广泛，其发展趋势可概括为以下几点：（1）磁控装置的精确控制，为获得更好的焊接质量而实现磁控装置的精确控制。（2）数值模拟是发展磁控技术强有力的工具，需要建立适应性更广、更为精确的数学模型，因此磁流体动力学的研究将会具有更为重要的
25、地位。（3）随着磁控技术所应用的焊接方法和合金种类的日益广泛及电磁搅拌凝固理论的发展，也将为金属凝固基础理论的研究开辟一个崭新的局面。1.4 本课题的研究目的 近年来，随着材料科学与工程技术的发展，各种新焊接工艺不断涌现，以满足现代结构材料的焊接要求。在电弧焊接中引入磁场控制技术就是满足这种需要的正在发展的先进焊接技术。外加纵向磁场的引入可以促使焊接电弧旋转，改变焊接电弧特性，影响焊缝成形。实践表明，外加纵向磁场电弧焊接技术可以有效地搅拌焊接熔池，改变熔池金属的结晶状况，细化焊缝金属的一次结晶组织，减小化学部均匀性，提高焊缝金属的塑性和韧性；降低结晶裂纹和气孔的敏感性；提高奥氏体不锈钢焊缝抗晶
26、间腐蚀的能力，全面提高焊接质量。它以附加装置简单、投入成本低、效益高等优点在冶金、热能、电力、航空航天等部门和领域都得到了广泛地应用，发展前景较为广阔。目前，国内外关于外加纵向磁场TIG焊接电弧特性方面的研究比较薄弱，研究并不十分深入。在实际应用中，难免会因缺乏理论依据而产生一定的盲目性，从而影响了这种技术的发展和推广。因此，开展外加纵向磁场TIG焊接电弧特性的研究，从本质上认识电磁作用弧焊技术的机理，为电磁作用电弧焊接技术的工程应用提供理论借鉴，无疑具有十分重要的理论研究意义和广阔的工程应用价值。1.5 本课题的研究内容电磁作用焊接技术主要分为对焊接电弧的控制、对熔滴过渡的控制和对熔池金属的
27、控制。本课题的研究内容如下：（1）利用相机拍摄外加纵向磁场作用下TIG焊接电弧形态，研究并分析纵向磁场作用下电弧的形态。（2）有无外加磁场和外加磁场强度变化时，焊接电流和电弧电压的变化。2 电磁作用TIG焊电弧特性的相关理论2.1外加纵向磁场作用TIG焊的基本原理以外加纵向磁场TIG焊接电弧为研究对象，在焊接电弧弧柱中，带电粒子的径向浓度梯度和弧柱高温等离子流的热扩张作用所产生的热扩张力，驱使带电粒子作径向运动，那么纵向磁场与具有径向运动的带电粒子相互作用，产生洛仑兹力，驱使这些带电粒子转动，进而促使焊接电弧旋转。在纵向磁场作用下，带电粒子由于径向运动所产生的洛仑兹力FL为： （2.1）式中：
28、q为带电粒子的电量，为磁感应强度，为带电粒子的热运动速度，洛仑兹力FL将促使带电粒子旋转，在匀强磁场中，若不考虑带电粒子的浓度梯度和电弧弧柱温度梯度的影响，单个带电粒子的回转半径为： （2.2）这里m为带电粒子的质量。在实际焊接电弧的截面上，带电粒子不仅受洛仑兹力FL的作用，同时还会受到焊接电弧径向电场力、热扩张力、电磁收缩力、以及由于旋转产生的离心力等径向力的作用，设这些径向力的合力为F，那么在电弧弧柱某一横截面上，一个带电粒子所受到的总作用力为： （2.3）径向力F促使带电粒子沿径向运动，而洛仑兹力FL驱使带电粒子作圆周运动，在F和FL的综合作用下，弧柱横截面内的带电粒子的运动不再是一个简
29、单的圆周式运动，而是一个较为复杂的、围绕电弧轴线的飘移旋转运动。为了分析方便起见，假设径向力只有电场力，那么单个带电粒子的运动轨迹如图2.1所示。根据图2.1(a)中带电粒子的运动情况，可以把它分为A-B-C-D-E几个阶段，设在某瞬时带电粒子的运动速度为，那么： （2.4）式中：为径向运动速度，为圆周方向初速度。（1）当带电粒子运动到A点时，由于无圆周方向初速度，只有径向运动速度，过A点后由于受外加直流纵向磁场的洛仑兹力的作用，带电粒子径向速度逐渐减小，而周向速度逐渐增大，带电粒子运动方向与径向电场力方向相同且总的速度将增大。（2）带点粒子运动到B点位置时，且，经过B点位置后带电粒子的周向速
30、度将呈现减小而径向速度呈增大的趋势，总速度降低。（3）带点粒子运动到C点位置时，过C点后带电粒子运动惯性作用下，带电粒子仍逆电场方向运动，在周向速度增大的同时总速度逐渐降低。（4）带电粒子运动到D点位置时总速度达到最小值，且运动方向与相反，过D点后带电粒子又获得沿电场方向的分速度，所以总的运动速度得到提高。（5）E点后带电粒子重新返回到A点位置的运动状态。然后重复上述飘移旋转过程，由此形成了围绕电弧轴线的飘移旋转运动，其它径向力的作用与径向电场力的作用相似。上面叙述的是单个带电粒子的飘移旋转过程，实际电弧弧柱中带电粒子非常多，不但有电子，还有带正电荷的正离子，更有众多中性粒子，所有带电粒子均可
31、能产生上述飘移旋转运动，只是由于它们的电荷性质相反，飘移旋转方向也相反，而且由于它们的质量相差甚大，所以它们的运动速度也会不一样，图中2.1(a)所示只是其中一种带电粒子的运动。（b）纵截面(a) 横截面EAVABVBEVECVCDVDO图2.1 带电粒子的飘移旋转过程示意图 由于在电弧轴线方向上带电粒子还受到更大的轴向电场力的作用，所以带电粒子在弧柱截面内飘移旋转的同时，还会沿着电场方向高速运动，总体上形成了螺旋式运动，如图2.1(b)所示。由于旋转运动的离心力，促使带电粒子向弧柱边缘某个区域汇集，导致电弧中心的电流密度减小，边缘某区域的电流密度增大。磁感应强度B值越大，电弧旋转速度越大，带
32、电粒子向边缘集中的趋势越明显，直到电弧中心的电流密度接近零26。与此同时，由于弧柱中气体粒子之间的粘滞力，带电粒子的回转必将带动中性粒子旋转，由此形成了弧柱等离子流体的旋转，旋转所产生的离心力也驱使中心区的中性粒子向边缘区域汇集，当磁感应强度足够大时，离心力促使整个电弧等离子流偏离电弧轴线，焊接电弧由原来的圆锥形变为钟罩形，其钟罩面是一个高速旋转的封闭导电面，即焊接电弧变成了空心式的27。由于电弧等离子流的旋转，产生所谓“旋风式”效应，使边缘区域的等离子流力增大，中心区域的等离子流力减小；当外加磁场磁感应强度较大时，电弧中心的等离子流力又变小。当磁控电弧弧柱的内外压力差与旋转所产生的离心力达到
33、平衡时，焊接电弧等离子流体处于力平衡状态28-29，这样保持了磁控电弧等离子流体以一个稳定速度旋转的特性。由外加磁场作用焊接机理可知，在外加磁场作用下焊接电弧等离子体向外漂移，使电弧电流密度分布发生变化，电弧外缘的电流密度增加，中心轴线上的电流密度减小；最后导致焊接电弧磁场的重新分布。2.2 电弧的运动机制2.2.1 无外加磁场时电弧区域带电粒子的运动图2.2为TIG电弧，Ar保护，工件为水冷铜板，采用直流正接。电弧中的带电粒子有电子、正离子、负离子，其中起主要作用的是电子和正离子。电弧区域带电粒子的运动有（1）带电粒子的热运动由于电弧温度较高，带电粒子本身存在杂乱无章的热运动，运动速度的大小
34、与温度有关，但热运动的平均速度为零。（2）外加电场作用下带电粒子的运动带电粒子在外加的轴向(纵向)电场中受到电场力的作用，电场力为FEz=Ezq，其中Ez为电场强度；q为电荷量。在电场力作用下，正离子向阴极即钨极移动，电子向阳极即工件运动，带电粒子在电场中的势能转换为动能。（3）带电粒子在电弧自身径向(横向)电场作用下的运动电弧自身存在径向电场30，该电场在阳极附近从外围指向电弧中心，在阴极附近从中心指向外围。因此，在此径向电场作用下，带电粒子受电场力作用运动。在阳极附近正离子向中心区运动，电子向外围运动，在阴极区刚好相反。因此，无外加磁场作用时电弧呈锥状电弧。（4）因径向带电粒子浓度差异引起
35、的扩散运动电弧中心区域带电粒子浓度较高，边缘带电粒子浓度较低，引起带电粒子的扩散运动。图2.2 无外加磁场时电弧形态 图2.3 纵向电场作用下电子受力图vr为径向速度；vz为轴向速度；电弧形态为圆锥状综上所述，没有外加磁场作用时，带电粒子由于纵向电场、横向(径向)电场以及浓度差异产生定向运动。设引起运动的等效力分别为FEz、FEr、FKs，在忽略带电粒子重力及微观区域带电粒子之间引力和斥力的情况下，带电粒子的受力和带电粒子运动方向如图2.3所示。2.2.2 纵向磁场作用下电弧的运动引入纵向磁场，由于带电粒子(以电子为例进行分析)电子存在径向运动，速度为vr，即电子作切割磁力线运动，因而产生洛仑
36、兹力FLt。在FLt作用下，电子产生切向速度分量vt，电子的这种切向运动，是因为切割磁力线的运动而在径向产生一洛仑兹力FLr，同时，电子在切向速度vt作用下绕轴线旋转，因旋转便产生离心力FLx，各力大小分别为：FLt=qvrB；FLr=qvtB；FLx= (mv2t)/r （2.5）式中 B为磁场强度；vr为径向速度；r为电子旋转半径。因此，电子在电场和磁场共同作用下的受力状况及电子运动的速度分量如图2.3所示。电子的运动轨迹为绕轴线的螺旋线，如图2.4所示。最后电子达到阳极。图2.3电子在电场和磁场共同作用下的受力图 图2.4 纵向磁场作用下电子运动轨迹图由以上分析可知，引入纵向磁场，电子的
37、运动为绕轴线作发散的螺旋管运动，也可以分析出正离子的运动为从阳极到阴极的绕轴线收缩的螺旋管运动，最后正离子在阴极(钨极)处集中。电子和正离子的螺旋管运动对外加纵向磁场有一定的削弱作用。2.3 引入纵向磁场时电弧形态的变化2.3.1 纵向磁场较弱时电弧的形态当B较小时，FLt=qvrB较小，由此产生的电子的切向速度vt较小，FLr=qvtB，则FLr因B和vt较小所以更小。这表明，与无外加磁场的情况相比，电子增加了慢速的绕轴线的旋转运动，因为，此时电子运动轴向速度vz较大，所以电子的旋转可能不到一周就达到电极区。另外，与无磁场时电弧相比，因B较小，电子在径向增加的FLr和离心力FLx非常小，因而
38、只能引起电弧的轻微发散。电弧中心区的压力Pmax以及中心区电流密度jmax略有下降，能量密度分布也只是稍有改变。总之，B较小时，电弧形态基本不变。2.3.2 纵向磁场增强时电弧的形态B增强时，FLt明显增大，vt增大，FLr增大，FLx= (mvt2)/r，即FLx增大更快，这样，电子在绕轴线高速旋转时产生离心运动，离心运动的结果使电子向电弧边缘集中。由于电子对正离子的吸引作用，正离子也向边缘集中，使得电弧中心压力和电流密度进一步降低，而边缘处则进一步增大。当B达到临界值B0，中心处压力p为零，BB0，电弧中带电粒子在离心力作用下在一圆环区域内集中，压力p出现明显的双峰，电弧形成空心电弧。空心
39、部分带电粒子极少，可视为零，此时电流密度也出现类似p的双峰。这时的能量密度分布同样地出现双峰而与无外加磁场作用时电弧能量密度分布有明显差别。电弧形态及压力分布如图2.5所示。 图2.5 纵向磁场作用下电弧形态3 实验设备及内容3.1 实验设备（1）外加磁场发生装置在磁场控制电弧的焊接过程中，外加磁场的产生方式、磁场的分布情况和磁场强度的大小直接对TIG焊接电弧形态和电弧的运动行为产生影响，关系到能否实现纵向磁场控制电弧焊接新工艺，因此，如何获得外加磁场分布是一个关键的问题。为了能实现外加纵向磁场对TIG电弧的控制作用，必须有合适磁场分布和合适磁场大小的纵向磁场，因此外加纵向磁场的选择显得尤为重
40、要，为此需要设计一套合适的纵向磁场发生装置。该装置既要考虑能满足纵向磁场对焊接电弧控制，又要易于制作、安装，并且能使焊接过程顺利进行。外加纵向磁场装置应具备一定的功率，应保证磁场的磁场强度能在一定的范围内进行调节。焊接条件下的外加磁场发生装置由主电源和励磁线圈组成。其中主电源用以产生稳定的电流，供给励磁线圈，励磁线圈产生所需的外加磁场。从外部几何形状来看，励磁线圈有许多种(例如圆形线圈、环形线圈、鞍形线圈等)，轴对称线圈是诸多种类中的一种。它具有许多优点：易于制作、绕线作业比较容易、和其它类型线圈相比每单位体积绕线所产生的磁场最大31-32 ，磁场的均匀性和对称性比较好，关键是只有它产生的磁场
41、为纵向磁场。因此，本研究所用的励磁线圈采用轴对称空心圆柱线圈。励磁线圈如图3.1所示，具体的参数为：磁控线圈内直径为20mm，外直径为40mm，磁控线圈高度为110mm，采用绝缘铜导线饶制，铜导线直径为1.25mm，线圈匝数为1599 匝。 图3.1励磁线圈示意图 图3.2 磁控装置示意图本课题中，提供外加磁场的磁场发生装置是自行研制的(如图3.2)，由两个主要部件组成：磁控电源和线圈。磁控电源用以产生按要求规律变化的直流稳压电源，线圈产生其特点和电源输出电压相符合的磁场。实际应用的轴对称线圈，都是用绝缘铜线一匝一匝紧挨着绕制而成的，所以每匝均有螺旋性。而且导线外有绝缘层，匝与匝之间存在间隙。
42、在分析磁场时，如果把螺旋性和不均匀性都考虑在内，那么磁场计算将是极其困难的。实践表明，忽略线圈的螺旋性和不均匀性后，不仅可以省略计算，而且计算的结果和实测数值之间仅有极小的误差31。因此，本文在设计和制作外加纵向磁场装置时假定：(1) 线圈的线匝都是同轴圆形回路；(2) 线匝间具有无限薄的绝缘层，所有线匝紧密地填充了线圈的全部空间；(3) 线圈线匝在径向、轴向均为均匀缠绕，电流沿截面均匀分布；在电磁作用焊接时，如果使用横向磁场，在外加磁场、等离子体和电弧自身磁场作用下，弧柱会产生偏移，工件上的活性斑点也会产生移动；当给电弧施加纵向磁场时，可以促使电弧旋转并改变电弧弧柱等离子流力和电流密度的径向
43、分布，电弧具有更大的刚性和稳定性。所以，根据外加磁场与焊接电弧的相互作用过程，为了使外加磁场对TIG焊接电弧过程行为施以最大的作用，本研究确定对TIG焊接过程施加恒定直流纵向磁场，设计将空心的励磁线圈套在焊枪喷嘴的外面，其中心线与焊枪喷嘴中心线重合。 图3.3 励磁电源示意图因为主电源的作用是产生稳定的电流，提供给励磁线圈，以产生所需的恒定外加磁场，所以为尽量保证外加磁场的稳定性，主电源的输出电流必须是脉动非常小的直流电，。综合各种参考资料，确定本研究所需外加磁场的磁感应强度的范围大致为012mT，通过励磁线圈的最大电流为4安培。励磁电源如图3.3所示。利用实验室的现有条件，本文所设计的外加磁
44、场发生装置由稳压电源(最大直流输出为5安培)、励磁线圈(自制单个轴对称空心圆柱线圈)、滑动变阻器(全电阻为107欧姆，额定电流为6安培)、电流表(量程为4安培)串联组成。稳压电源的最大直流输出为4安培，输出直流电压的变化率不大于0.15mV，电源稳定度为级精度，自身具有反馈调节系统，输出电压的脉动非常小，并且适合长期连续工作，比较符合本研究实验中对设备的要求。为了使外加磁场的大小能够在一个比较宽的范围内变动，在回路中串联了一个滑动变阻器。由于在磁场模拟及励磁线圈设计公式中采用的都是回路电流值，因此在本电磁发生装置中串联了一个电流表，以便于实验中比较直观、方便地确定和调节实验过程中励磁线圈中的回
45、路电流值。（2）外加磁场的测量 本实验为了达到科学严谨的效果，分别外加几组不同磁感应强度大小的磁场，所以必须调节并测量磁场强度大小，本实验采用HT100数字式特斯拉计来测量磁场强度大小（如图3.4）。 图3.4 HT100系列数字式特斯拉计示意图 磁场强度测量是研究与电磁现象有关的物理过程的重要手段。近年来，由于各种物理效应和物理定律在磁场测量中的大量应用，磁场测量技术有了很大的发展。本文采用上海亨通磁电科技有限公司生产的HT100数字式特斯拉计测量轴对称空心圆柱线圈在恒定直流电流作用下场点的磁感应强度。霍尔传感器则通过一个套筒安装在带有刻度的支架上，线圈和支架平放在上面压有一块玻璃的坐标纸上
46、，套筒可通过旋动旋钮在支架上自由移动，这样，就可比较准确地通过移动线圈、支架以及调节套筒高度来测量某一点的磁感应强度。HT100系列数字式特斯拉计是检测磁体直流磁感应强度的专用仪器，是磁性测量领域中用途最为广泛的测量仪器之一，它与以往的同类产品相比具有独特的稳定性、操作使用方便、显示清晰读数可靠等优点。本系列仪器采用了霍尔效应原理制成的传感器，传感器有纵向、轴向，可根据需求选择或另配，电路采用精密恒流源，低漂移的放大器，高稳定度的供电电源，最后由数字电压表显示测量值。当元件中通过工作电流IH，并被置于磁场B中时，元件就会产生霍尔电势UH，有UH = KH IH B cos （3.1）式中：kH-霍尔系数
