基本信息
- 项目名称：
- 磁场控制电弧超窄间隙TIG小型焊接装置及研究
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 机械与控制
- 大类：
- 科技发明制作B类
- 简介：
- 本课题组基于哈工大（威海）特种焊接实验室对磁控电弧窄间隙TIG焊接设备的研究，设计直接用于标准焊枪上的小型磁控装置。其巧妙的伸缩装置可调节铁芯进入焊缝深处，设计紧凑简约；采用三路电源调节，光耦隔离，保证磁场的形态的稳定可控。本设备创造性地实现超窄间隙焊接和TIG焊的优势集成，磁控装置有效控制电弧形态，解决焊接时的侧壁熔合问题；小型化设备成本更低，能耗更小，绿色环保，方便灵活，利于工业化批量化生产。
- 详细介绍：
- 近年来，随着焊接结构大型化的发展，超窄间隙焊接因为其极高的焊接生产率，优良的接头力学性能，较小的残余应力和变形，所以其应用范围也越来越广泛。但是，该技术在厚板焊接领域的推广应用极其有限，本课题组就是基于此，设计磁场控制电弧左右摆动，以解决超窄间隙焊接中的重大难题——侧壁熔合问题。 本设计是直接用于标准焊枪上的小型磁控装置，灵活方便，降低成本，减小能耗，绿色环保。其巧妙的伸缩装置，可调节铁芯进入焊缝深处，可实现厚板的超窄间隙的焊接，将电磁铁进行了更为人性化与实用化的设计，缩小其体积并且与焊枪配合度更高，使调整电磁铁与钨极的相对位置更加简单、可靠，使用也更加方便；采用三路电源调节，利用光耦隔离来保护主控制器，达到磁场装置安全稳定可靠，抗干扰能力强的效果。 本设备可应用于大型钢结构、桥梁、舰船及核应堆上要求采用大厚度钢板连接的多个领域，满足生产建设中的应用，解决窄间隙焊接的难题。本设备具有低成本，高经济效益的优势，有利于这种新型的高效焊接推广。另外，将此设备应用到表面堆焊，表面改性领域，也具有相当的优势。
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 一、目的：在焊接小角度坡口时，侧壁熔合是关键的技术性难题。可控交变磁场外加在标准焊枪上，使焊接电弧左右摆动，扩大作用面积，从而解决侧壁融合的问题。焊接设备小型化设计，致力于减少能量消耗、节省材料、提高效率、降低成本等目的。二、基本思路： 为了使电弧能量分布更加合理而左右摆动，解决侧壁熔合这一厚板窄间隙焊接难题，本课题组确定了小型化磁场控制装置的基本思路，以标准TIG焊枪为参照，设计机械装置，满足磁场高度调节，并设计电路有效控制磁场形态，进行实验，整理参数，证明其可行性。三、创新点： 1、本设备创造性地实现超窄间隙焊接和TIG焊的优势集成。2、磁控装置有效控制电弧形态，解决焊接时的侧壁熔合问题。3、小型化设备成本更低，能耗更小，绿色环保，方便灵活，利于工业化批量化生产。 四、技术关键点和主要技术指标：1、磁场装置的铁芯垂直高度便于调整，保证受热在合理范围内。参照WS-200型焊枪，所设计的磁控装置外观尺寸为16*6*4cm，铁芯垂直高度调节范围为60mm，电磁铁尖端与钨极距离为20mm。2、装置产生磁场有效控制电弧形态。作用于电弧的磁场：6mT左右，线圈中电流范围为1-4A。3、电源的频率与电流大小一定范围内可调，并能消除阻抗等影响。所用主要芯片型号：驱动芯片IR2110 光耦LTP541 开关管45N20。4、磁场控制装置能够稳定工作。采用三路电源设计思路，所有控制部分与工作部分使用光耦隔离，保护控制器，以达到互不影响、稳定可靠的优良效果。5、装置整体小巧轻便，便于实际应用。
科学性、先进性
- 超窄间隙焊接是近年来随着焊接结构大型化，焊接钢板越来越厚，对质量、生产效率和焊接接头性能能够的要求越来越高的条件下发展起来的一项新型焊接技术。在厚板结构的焊接中，如果能充分减小填充面积，则可极大的提高生产效率。超窄间隙焊解决的技术关键是侧壁熔合问题，我们采用利用电源及电磁线圈产生外加磁场，从而利用磁场强度的变化使电弧左右摆动，从而加宽了电弧作用区域，同时因电磁力的作用，电弧也不会往一方偏转，以有效解决侧壁熔合这一难题。
获奖情况及鉴定结果
- “磁场控制电弧超窄间隙TIG小型焊接装置及研究”在2011年4月哈尔滨工业大学（威海）举行的第十二届“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛哈尔滨工业大学（威海）选拔赛中获一等奖。
作品所处阶段
- 实验室阶段
技术转让方式
- 无
作品可展示的形式
- 实物
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 接残余应力和残余变形，更低的焊接生产成本等显著技术与经济优势，将其归为先进制造技术，当之无愧。然而，迄今为止，该技术在厚板焊接领域的推广应用仍极其有限，我国不少行业至今在应用上仍未实现零突破。 在实际应用方面，超窄间隙焊适用于所有用到厚板结构的行业及领域。鉴于该技术与设备的商品化等因素，迄今应用最多的是锅炉、压力容器（含深潜器、核反应容器等）领域，其次是大型产业机械（如大型压力机、鼓风机、电动机的中空轴、机身和壳体等），在电力行业的厚壁管道，压力管道，海洋结构，铁路建筑钢结构等领域都有一定应用。这也显示着超窄间隙焊接广阔的应用前景。
同类课题研究水平概述
- 窄间隙焊具有极高的焊接生产率，更优良的接头力学性能，更小的焊接残余应力和残余变形，更低的焊接生产成本等显著技术与经济优势，将其归为先进制造技术，当之无愧。然而，迄今为止，该技术在厚板焊接领域的推广应用仍极其有限，我国不少行业至今在应用上仍未实现零突破。其中难以应用的最大困难即是侧壁均匀熔合可靠性差这几关键性技术难题。 由于TIG焊本身的优点导致了在窄间隙TIG焊接过程在电弧稳定、加工精度高，这也吸引了众多的研究者，包括日本学者Yamada等人提出的超强双电弧TIG焊，加拿大学者的窄间隙双丝TIG焊，哈尔滨焊接研究所的激光-电弧复合热源窄间隙精密方法，这些新型焊接方法虽然也能对侧壁熔合问题起到一定的改进作用，但大多数设备装置较复杂，不方便对其进行小型化的改进。 本装置借鉴了乌克兰学者的研究成果，即磁场介入导致的电弧摆动对窄间隙中的侧壁熔合问题有积极的影响，虽然原理简单，但效果良好，且本装置体积小巧，操作简单，可直接加载到标准焊枪上进行焊接操作。 目前，在经济建设中，许多大型钢结构、桥梁、舰船及核反应堆上都要求采用大厚度钢板连接。我国焊接此类钢结构基本上停留于手工焊接水平，磁控电弧窄间隙TIG焊接应用极少，这不仅很难提高劳动生产率，而且焊接质量水平不高。当前，大厚度钢板越来越广泛地应用于生产中，我国在传统的手工焊基础上，加快利用窄间隙焊接的步伐。适用于厚板钛合金的窄间隙TIG焊接设备具有的优异性能可以实现其他金属材料的焊接，满足生产建设中的应用，解决窄间隙焊接的难题。本课题组从厚板钛合金磁控电弧窄间隙TIG为出发点，致力于对焊接设备进行小型化，模块化达到便于产业化的推广的目的，这也顺应我国当前的海洋大开发战略。本设备可应用于多个领域，不仅保证焊缝质量，同时可以提高焊接效率，能够为我国焊接领域做贡献，有广阔的应用前景和发展空间。
