中大直径空心螺柱旋转电弧焊接方法与工艺研究(2)
1.2 螺柱焊接技术随着现代工业的快速发展，螺柱使用率越来越高，提高螺柱连接效率势在必行。螺柱焊接技术具有快速、可靠、操作简便、成本低等众多优点，能够代替铆接、手工电弧焊等螺柱的连接工艺[6-7]。螺柱焊接是指将螺柱一端与待焊接工件表面接触，在两者之间产生一定的电弧，然后再施加一定的压力，形成牢固的连接结构的焊接工艺方法。螺柱焊接方式分为储能式和拉弧式两种焊接方式[8]。两者的主要区别是：储能式焊接熔深小，主要用于薄板焊接；拉弧式焊接熔深较大，广泛用于军工企业等。本文研究的主要目的是为了实现工厂大规模焊接空心螺柱，采用的是拉弧式的螺柱焊接方式[9-10]。螺柱焊接技术发展速度很快，焊接电源从最初的晶闸管控制的焊接电源升级到逆变式的焊接电源，焊枪的发展方向则是趋向电子控制[11]，本文研究的目的之一就是实现全自动控制空心螺柱焊接。螺柱焊接技术由产生到投入使用不过几十年，但由于其自身高效、经济、快速便捷等优势，已经在越来越多的领域得到使用[12]。
1.3 空心螺柱焊接旋转电弧机理
1.3.1 单一带电粒子在磁场中的运动电弧中含有大量的等离子体，等离子体是电离的气态物质，由自由电子和带正、负电荷的离子组成，在较小的空间和时间尺度上，粒子所带的正电荷数和负电荷数是相等的。正粒子和负粒子会受到磁场的作用，本文的研究基础是纵向磁场对螺柱电弧的作用。图 1.1 外加纵向磁场对电弧的作用 图1.2 外加纵向磁场下电子受力示意图外加同轴纵向磁场时如图 1.1 所示，磁场由缠绕的线圈产生，通过调节加在线圈两端的电压可以控制磁场的大小。如果电弧中带电粒子的运动方向与磁场方向严格平行，此时带电粒子在磁场中不受力的作用；当带电粒子和磁场方向有夹角时，带电粒子能够在磁场中受到洛伦兹力的作用，这样带电粒子就有可能在磁场中做垂直于磁场的旋转运动。如图 1.2所示，当一个电子在磁场B中以速度 v 进行运动时，垂直磁场方向的速度为vx，平行磁场方向的速度为vy。其中垂直磁场方向的速度vx将在磁场的作用下受到洛伦兹力，力的方向为垂直 vx方向指向圆心，力的大小为：F=e·vx×B。其中 e为电子的电荷量，vx为电子运动速度垂直于磁场的分量，B 为磁感应强度并且平行于磁场方向，电子也会受到作用力的影响，这样电子的运动是沿着螺旋方向运动的。经过计算可以发现，带电粒子螺旋半径的大小和外加纵向磁场有密切的关系，外加磁场越大，螺旋半径越小。换句话说，磁场越大，对带电粒子的约束也就越大，通过选用合适的外加磁场，能够使电子沿着合适的半径进行旋转[13]。
1.3.2 空心螺柱电弧在磁场作用下的旋转由于电弧是由带电粒子构成的，因此电弧在磁场的作用下也有可能发生旋转，只是在电弧中，我们可以把电弧简化成一条条电流束，电流束之间会产生相互作用[14]。两个载流导体之间有电磁力的存在，如果电流方向相同，则是吸引力，如果电流方向相反，则是排斥力[15]。电弧的形状在纵向磁场的作用下会发生变化。与此同时，运动的电弧会受到空气的阻力作用，速度越快阻力越大，当安培力与螺柱电弧受到的空气阻力相等而达到平衡时，这个时候能够达到最大的运动速度。
1.4 课题的主要研究内容本课题在与实心螺柱焊接工艺进行比较的基础上，在空心螺柱焊接焊枪夹持部分的底部添加螺旋线圈，生成纵向磁场，控制电弧在磁场作用下能够均匀稳定的沿着空心螺柱的切线壁旋转。通过设计对比试验，确定空心螺柱焊接的工艺参数，并且分析不同参数对焊接质量的影响。本课题主要包括的研究内容有：（1）分析磁场对电弧的作用，并对产磁线圈进行分析；（2）进行机器人的程序设计，实现螺柱焊接自动化；（3）设计正交试验，确定空心螺柱焊接的工艺参数；（4）进行对比试验，对优化工艺参数下获得的空心螺柱的接头性能进行分析。
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