[发明专利]用于减小周围磁场强度以便于电弧焊接的装置和方法

说明书

技术领域

本发明涉及在高的周围磁场（ambient megnetic field）中形成低磁场地带以便于电弧（arc）和带电粒子（charged particle）焊接。

背景技术

电弧焊接技术受到磁场的影响，当存在高磁场时焊接品质会降低。例如，对于手动金属电弧焊接，超过0.005Tesla的磁场通常是成问题的，会发生称为电弧漂移（arc wander）的过程。在较高的磁场中，电弧变得不稳定，从而导致称为电弧偏吹（arc blow）的过程。

用于提取金属（诸如锌和铝）的工业过程采用大的熔炼电流（smelting current），一般为350,000Amps。在这样的环境中，载有这样的电流的导杆的本地（local）磁场是0.2Tesla或更大。出于实际原因，不能关掉熔炼电流，所以焊接必须在高磁场中进行。在这样的环境中的焊接修理作业例行是需要的，但是因高的磁场强度而非常难以实现。结果是不稳定的电弧，从而导致低品质的焊接。电弧具有非常低的质量（mass），所以因本地磁场与焊接电流的相互作用而施加在电弧上的力产生高的加速度，从而导致电弧快速消失。

磁场中的电弧不稳定是一个已知问题。它例行出现在磁性材料（诸如管和盘）的焊接中。这样的材料被磁化，并且磁场变得集中在焊接准备的气隙中。解决该问题有几种方法。一种方法涉及使磁性部件退磁：要么通过使磁性部件穿过交流激励的线圈，要么通过施加改变符号并且幅值逐渐减小的大的磁场。然而，这样的退磁器是庞大的，并且该过程是缓慢的。

一种更实际的方法是按照Blakeley的美国专利No.4,761,536来消除焊接位置的磁场。这种方法使用霍尔器件（Hall device）来监测焊接位置的磁场，并且控制到线圈的电流以平衡焊接位置的磁场。Abdurachmanov的美国专利No.6,617,547提供了一种消除磁场的方法，这种方法与Blakeley的方法相似，除了没有直接测量磁场。Abdurachmanov提供了一种光学反馈方法，以将电流驱入线圈，从而确保电弧保持与工件正交。

在高场熔炼环境中，待焊接的区中不存在铁磁材料。从而，在按照Blakeley的技术中部署的线圈产生了如下的场，该场的一小部分被要求平衡由高电流产生的场。在没有磁性工件的情况下，磁场就没有预先限定的取向（orientation）。Abdurachmanov的技术会要求非常高的反向场（opposing field），从而需要非常快地动态控制非常高的电流，以防止电弧消失。克服来自熔炼导体的场所需的高场将要求许多匝，以在合理的电流下运行，这导致了高的线圈电感和低的响应，从而使得该技术不能跟踪和防止电弧偏吹。

发明内容

本发明提供了用于在存在周围磁场的情况下减小待进行电弧焊接的焊接区中的磁场的装置，包括：

磁场生成器，用于响应于输入电流来在所述焊接区中生成反向磁场；

磁场传感器，用于感测所述焊接区中在任何矢量方向上的周围磁场的方向和幅值，并且响应于所述方向和幅值来输出传感器信号；以及

控制器，被布置为接收所述传感器信号，并且响应于所述传感器信号来控制到所述磁场生成器的输入电流，以生成减小所述焊接区中的磁场的反向磁场。

体现本发明的装置使得能够通过减小并且优选地基本平衡或最小化在任何矢量方向上的周围场来在焊接区中形成低磁场地带，以使得能够形成更可靠和更好品质的焊接。所述装置尤其适于用在由载有高电流的非磁性导杆生成的高磁场环境中。

在本文中，用于感测在任何矢量方向上的周围磁场的方向和幅值的磁场传感器指的是能够输出如下传感器信号的传感器，从该传感器信号能够确定磁场的方向和幅值，不论所述场在三维空间中的方向如何。所述传感器可以包括三个正交定位的磁场传感器，例如三个霍尔效应器件。

在许多要求焊接的环境中，围绕焊接区的导体和焊接路径的几何形状确定了在焊接的每个阶段中周围磁场的方向。在许多情形中，不能去除周围磁场。为了评估待平衡的场，需要以对所有方向的场都敏感的方式来感测磁场的幅值和方向。这可以通过如下磁场传感器来实现，该传感器在三个正交方向上测量磁场，所得到的磁场幅值和方向是响应于从该传感器接收的传感器信号来在控制器内算得的。

优选地，所述磁场生成器包括：由磁性材料制成的芯，以及围绕所述芯的至少一个线圈。所述芯可以由例如钢制成。所述芯可以包括一对对置的（opposing）的极片（pole pieces），所述反向磁场形成在这一对极片之间。在一些实施方案中，这一对极片可以是可移除的，以使得能够采用不同的极片配置。