CN101032788A - 一种电磁复合场熔化极堆焊方法、设备及其拓展应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种电磁复合场堆焊方法、设备及其拓展应用，是电磁复合场控制粉芯焊丝熔滴射流过渡熔化极气体保护堆焊方法。本发明堆焊设备设有励磁电源、励磁设备、辅助电场设备和水冷系统；励磁设备设有电磁搅拌励磁线圈和电磁热处理励磁线圈；辅助电场设备为一对可以运动的正、负极辅助导电电极。其通过电磁搅拌、电磁热处理、辅助电场和焊炬的复合作用，实现高效、优质、低成本堆焊合金材料的过程；突破传统堆焊技术的局限性，降低了功能材料堆焊成本和苛刻的工艺条件，延长了使用寿命，解决高效堆焊技术对富氦保护气体的依赖，完善了堆焊控制手段，实现了堆焊功能层层高强硬性与高韧塑性的有效匹配，在表面工程领域开拓了新的应用范围。

Description

一种电磁复合场熔化极堆焊方法、设备及其拓展应用

技术领域

本发明涉及表面工程堆焊领域，特别是一种电磁复合场控制粉芯焊丝熔滴射流过渡熔化极气体保护堆焊方法、设备及其拓展应用。

背景技术

以熔滴旋转射流过渡为特征的熔化极气体保护焊接方法被视为是一种高效焊接技术之一。国内外被广泛使用的同类技术是以高昂的氦气为主要组元的混合气体熔化极焊接技术(如TIME、RAPID MELT、LINFAST等)，对于我国而言，氦气资源比较匮乏，成本较高；同时该保护气体配方也具有国际知识产权，使得其工艺和设备的使用比较昂贵。目前，国内研究者采用外加磁场焊接的方法取代氦气，实现了熔滴的稳定过渡，公开了三项该方面的专利申请：一项是磁控高熔覆率熔化极混合气体保护焊接(MAG)方法及专用设备(申请号02116241.7)，其采用单个空心线圈固定于焊枪上、恒定励磁电流，产生恒定磁场，能部分控制焊接电弧和熔滴过渡，只适用于中等焊接电流(焊接电流小于600A)、浅坡口、普通钢材的部分黑色金属的焊接需要。一项是可用于深坡口焊接的磁控大电流MAG焊接方法及设备(申请号200410086897.0)，它是在前者的基础上仅对空心励磁线圈进行改进，添加和设计了导磁铁芯，仅增加了对深坡口接头形式工件的焊接。第三项是本人提出的专利申请：一种磁控熔化极焊接方法及其拓展应用和通用设备(申请号200510019637.6)。

上述三项专利申请或授权都是针对焊接工程技术领域，而没有面向属于表面工程的堆焊领域。堆焊虽然属于焊接范畴，具有普通焊接技术的通用特性，但堆焊与常规焊接技术有一定程度的不同，其显著特点不是如普通焊接方法那样是为了连接零(部)件，而是利用焊接(连接)的方法(即堆焊层与母材具有典型的冶金结合)，根据特定的工件服役要求选择或设计相关的堆焊合金，在材料或工(部)件表面熔覆具有一定性能的功能层，使材料或工件表面具有特殊的功能(如高强度、高韧性、耐磨、抗氧化等)，以满足部件特定工作环境的需要。例如，高效混合气体保护熔化极(MAG)焊接技术(熔滴射流过渡形式)的研究侧重在获得高熔覆率和高熔合比(高稀释率)，而如果要进行高效MAG堆焊技术的研究则需要进行高熔覆率和低熔合比(低稀释率)的合理匹配控制。因此，堆焊技术具有自身的特殊要求。

新型堆焊技术主要考虑三个方面的因素：熔敷速度、稀释率和堆焊层性能，即较低的母材稀释率、较高的熔覆速率和优良的堆焊层性能。对于前两个因素“熔敷速度”和“稀释率”，在弧源堆焊时，一般采用以下途径来降低稀释率：(1)减小电弧对母材的热输入；(2)减小电弧对母材的集中加热程度；(3)减小电弧对母材的挖掘作用等。另一方面，为了提高熔敷率需要采用以下措施：(1)加大电弧热输入；(2)提高电弧集中程度；(3)提高送丝或送粉速度(堆焊速度)等途径。由此可见，高熔敷率和低稀释率往往是相互制约的，需要有效地协调二者之间存在的矛盾关系，使高熔敷率和低稀释率能够有机地统一起来。对于堆焊技术的第三个要素“堆焊层性能”所关注的核心内容，就是要获得优质堆焊功能层。但是，例如在普通材料上堆焊高温高强硬合金材料时，不同堆焊层之间(堆焊界面层间)，常常容易产生堆焊层开裂以及堆焊层与基体剥离的现象，这就涉及了高温高强硬合金堆焊层韧化的问题。而且，具有高耐磨性(高硬度)的堆焊层一般来说有较低的韧性，同时其要求的堆焊工艺或热处理条件都比较严格和复杂，往往也容易产生缺陷，甚至导致堆焊功能层失效。因此，新型堆焊技术需要协调好材料堆焊功能层的强硬性与韧塑性之间的矛盾关系。

目前，手工电弧堆焊和火焰堆焊因成本最低、简单灵活及适应面大等优点，是最常用的堆焊工艺，但是有自动化程度较低、劳动强度大、堆焊质量不易控制等缺点，其应用受到一定程度的限制。而现代堆焊技术的研究集中在等离子堆焊、埋弧(电渣)堆焊、气体保护堆焊、激光熔覆和摩擦搅拌堆焊等方面，在堆焊热源的选择上主要集中于电弧热源。相对而言，高效气体保护堆焊技术因具有较高的生产效率，较好的质量，较低的成本，易于实现自动化过程，能够充分发挥堆焊机器人优势，成为了堆焊技术发展的新方向之一。因此，需要更进一步的完善和发展，以真正实现完全意义上的高效、优质、低成本的新型堆焊技术。

发明内容

针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的是提供一种高效、低成本、高稳定性和优质堆焊功能的电磁复合场控制新型高效熔化极气体保护堆焊方法和通用设备，以便突破传统堆焊技术的局限性对功能材料堆焊高昂的制备成本、苛刻的工艺条件、(特别是)较短的使用寿命的长期牵制，解决新型高效堆焊技术对富氦多元保护气体的依赖，完善堆焊控制手段，实现堆焊功能层高强硬性与高韧塑性的有效匹配，打破高效焊接技术的使用局限，从而在表面工程领域开拓新的应用范围。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下：

1.本发明提供的电磁复合场堆焊方法，是电磁复合场控制粉芯焊丝熔滴射流过渡熔化极气体保护堆焊方法，具体方法是：在堆焊工件的上边，使用一对电磁搅拌励磁线圈和电磁热处理励磁线圈，电磁搅拌励磁线圈与焊炬同轴；通过励磁电源提供励磁电流，产生电磁搅拌和电磁热处理外加纵向磁场；在堆焊焊缝上施加可移动的两个辅助电场电极，产生辅助电场；焊接电源提供堆焊与辅助电场电流，一辅助电场电极与焊炬导电嘴同极性；该电磁复合场对焊接工件实现电磁复合场控制高熔覆熔化极气体保护堆焊。

2.本发明提供的电磁复合场堆焊方法，所述电磁搅拌励磁线圈和电磁热处理励磁线圈接用不同频率、不等强度、时变励磁电流，利用较高频和较弱强度相匹配的磁场进行电磁搅拌作用，以控制旋转射流过渡时焊接电弧、焊丝端部熔滴脱落和液流束的稳定性，并具有辅助感应加热的作用促使焊丝熔化和熔滴形成，并能使焊接熔池熔体充分搅拌；而采用较低频和较大强度相匹配的磁场进行电磁热处理作用，可以改变熔池金属的结晶状况，改变凝固过程和温度分布(组织、相结构也会改变)，促使焊缝晶粒细化，减小化学不均匀性，降低气孔的敏感性，有利于提高韧塑性，形成优质堆焊层；对堆焊工件实现符合堆焊要求的电磁复合场堆焊过程；

或者，电磁搅拌励磁线圈和电磁热处理励磁线圈同时施接励磁电源，产生同频、同相、同强度的时变纵向电磁场或均匀强度的恒定纵向电磁场，对工件实现符合堆焊工艺要求的电磁复合场堆焊过程；

或者，电磁搅拌励磁线圈和电磁热处理励磁线圈单独使用，并施接一个励磁电源，产生一个时变纵向电磁场或均匀强度的恒定纵向电磁场，进行单独的电磁搅拌或电磁热处理作用；

包括如下的工艺条件：堆焊焊接电流80～800A，送丝速度0～50m/min，焊丝直经0.8～6mm，保护气体流量1～50L/min，焊接电压1～60V，焊接速度0.01～6m/min，励磁电流0～60A，励磁频率0～100Hz，辅助电场电流0～300A。

3.本发明提供的电磁复合场控制熔化极气体保护堆焊设备，设有励磁电源、励磁设备、辅助电场设备和水冷系统；励磁设备为电磁搅拌励磁线圈和电磁热处理励磁线圈，电磁搅拌励磁线圈和电磁热处理励磁线圈通过励磁电源提供励磁电流；励磁电源采用能够产生多种频率和不同强度的时变励磁电流或恒流励磁电流的电源；电磁搅拌励磁线圈和电磁热处理励磁线圈均为轴对称圆柱线圈结构，分别设于两个支架上；电磁搅拌励磁线圈固定于焊炬上，且与焊炬同轴；在电磁搅拌励磁线圈的支架的端部设有与焊炬相连的夹持锁紧机构，其将励磁线圈固定在焊炬喷嘴上，使励磁线圈与工件有一定距离的自由调节度；焊炬和电磁热处理励磁线圈的距离可以调节，支架内装有水冷系统；

辅助电场设备主要由可移动的两根辅助电场电极构成，一根接负极，另一根接正极，由焊接电源或其他单独电源提供电流；一个辅助电场电极与焊炬同极性。辅助电场电极，可以由其他种类的堆焊焊炬所代替，形成复合焊炬堆焊方式。

辅助导电(场)设备的结构与使用方法是：采用一对可以运动的导电电极，以焊接方向为正(前)方，在熔池前部未熔化(未堆焊)的金属部位，根据堆焊焊炬极性选择或使用情况(如正极性或反极性)，决定相同极性的导电电极与熔池保持一定距离，随焊炬一起运动，或固定(在工件运动，焊炬不运动的情况下)；另一极性的导电电极，则在位于堆焊焊缝凝固低温金属的后部，这种情况下辅助导电场与堆焊焊缝一致(重合)，称为纵向辅助电场。辅助导电(场)，在堆焊过程中起到前预热、堆焊主电流分流以及后热处理等综合调控作用。

4.本发明提供的电磁复合场熔化极气体保护堆焊设备，所述电磁搅拌励磁线圈和电磁热处理励磁线圈内分别设有导磁铁芯；导磁铁芯活动安装在的电磁搅拌励磁线圈和电磁热处理励磁线圈中，可以自由调节其在励磁线圈中的位置直至全部从线圈中去除；导磁铁芯端部的形状呈漏斗型、直桶型、圆锥型或曲面型；导磁铁芯的下端面形状收缩，以便于磁力线更集中作用于堆焊焊缝。

5.本发明提供的电磁复合场熔化极气体保护堆焊设备，所述电磁热处理励磁线圈通过一可调节式固定臂与励磁线圈、焊炬刚性连接为一体，可调节式固定臂可以改变焊炬和励磁线圈的距离，实现不同焊接速度下合理的电磁复合场堆焊施加方式；

或者，将电磁搅拌励磁线圈不通过支架而直接与焊炬喷嘴集成为一体，采用绝缘材料使焊炬喷嘴的外壁与线圈的线匝保持绝缘状态，并且通过焊炬喷嘴内部构建的水冷系统进行冷却。

6.本发明提供的电磁复合场控制熔化极气体保护堆焊设备，电磁搅拌励磁线圈的支架和电磁热处理励磁线圈的支架内的水冷系统采用盖板式矩形脉冲形冷凝水流模式，两个支架内设有水流沟槽和错开排列的两排水流隔壁，两排水流隔板分别与水流沟槽两侧的外挡板相连；

所述焊炬喷嘴内的水冷系统可采用盖板式螺旋形冷凝水流流动模式，其结构是：焊炬喷嘴壁内设计有螺旋状的螺纹水流沟槽，结合焊炬喷嘴挡板形成了焊炬喷嘴内全方位的冷凝水通道，使冷凝水围绕焊炬喷嘴呈螺旋形流动，到达焊炬喷嘴的端部，焊炬不变形。

本发明提供的电磁复合场堆焊方法和堆焊设备在下述方面的用途：

用于高熔覆率(高速)熔化极气体保护堆焊，或普通熔化极气体保护堆焊，或非熔化极气体保护堆焊，或等离子堆焊，或激光堆焊；

用于下述材料(或合金粉末)的堆焊：中高碳耐磨合金(铸铁)，高温硬质合金，不锈钢及其合金等其它金属及其合金(或合金粉末)；

用于单一材料的单层堆焊、多层堆焊，或多种材料的单层堆焊、多层堆焊，或梯度材料的多层堆焊；

本发明提供的电磁复合场堆焊方法和堆焊设备在下述焊接方面的拓展用途：

用于下述材质中的焊接：低碳钢，合金钢，特种钢，不锈钢，铜及其合金，铝及其合金，镁及其合金，钛及其合金等其它黑色和有色金属及其合金；

用于实心焊丝，药芯焊丝和粉芯焊丝的焊接；

用于对接、搭接、角接、全位置焊接多种焊接接头形式；

用于单一气体保护熔化极焊接，或二元或多元混合气体保护熔化极焊接领域；

用于高熔覆率(高速)熔化极气体保护焊接，或普通熔化极气体保护堆焊，或普通熔化极气体保护焊接，或等离子焊接，或激光焊接，或复合焊接技术(如TIG+MIG)；

本发明与现有技术相比，具有如下的显著效果：

其一.与传统的气体保护焊接工艺相比，突破了稳定射流熔滴过渡形式对焊接电流的限制。与传统的药芯焊丝或粉芯焊丝气体保护焊接工艺相比，利于实现稳定的熔滴旋转射流过渡，焊缝成形好，成本低。

其二.与国外高效焊接技术(如TIME焊接技术等)相比，解决了对富氦多元保护气体的依赖，采用无氦保护气体(如二氧化碳气体)显著降低焊接成本。

其三.与磁控MAG焊接技术相比，增加了外加电磁复合场控制焊接过程的手段和方法，提高了磁控焊接工艺参数的灵活性，增强了高效、低成本磁控焊接技术的适用性。

其四.打破磁控焊接技术的使用局限，开拓了新的使用空间。

其五.与其它常规堆焊技术相比，集成相关技术与研究成果，稳定实现高熔敷率、低稀释率协调匹配的电磁复合场高效气体保护堆焊的创新方法，为解决堆焊的“两难”问题提供了新途径。

其六.与其他磁控堆焊技术(如等离子堆焊)相比，采用电磁复合场高效气体保护堆焊新技术，低成本地实现高强硬性与韧性有机协调统一的优质堆焊层，降低了其对堆焊技术和热处理工艺的严格要求，实现了堆焊功能层的技术创新。

其七.与常规堆焊或焊接工艺相比，使用药芯焊丝或粉芯焊丝堆焊或焊接时，或者在二氧化碳气体保护堆焊或焊接时，熔滴过渡稳定性提高，飞溅减小，焊缝成形好，质量提高。

其八.应用范围广泛，所需设备简单，易于推广使用。促进了先进堆焊技术领域绿色、可持续、满足循环经济需求的高技术工艺与设备的发展，完善和丰富了堆焊表面工程的基础理论和技术实践能力。

本发明开拓了表面工程领域新型、先进堆焊技术，其包括：突破了高熔覆率和低稀释率的两个相互矛盾的限制，实现了高硬度与高韧性堆焊层性能的有效协调与合理统一，降低了对堆焊工艺以及后处理环节的苛刻要求，采用完善的电磁复合场技术成功克服了单一外加磁场的使用局限，从而在可持续、满足循环经济需求的先进堆焊技术工艺与设备的开发与实际利用方面作出了贡献。本发明在模具制造与再制造，机械设备的循环制造与利用，关键部件修复，材料制备，资源循环利用，以及绿色循环制造与装备等领域具有广阔的应用价值与发展前景。本发明实现高效、低成本、高质量、高稳定性、多适用性、多方式综合易控的堆焊过程。

总之，本发明通过电磁搅拌、电磁热处理、辅助电场和焊炬的复合作用，实现高效、优质、低成本、高稳定性地堆焊合金材料或梯度材料的过程；突破传统堆焊技术的局限性对高性能材料堆焊时高昂的制备成本、苛刻的工艺条件、较短的使用寿命的长期牵制，解决新型高效堆焊技术对富氦多元保护气体的依赖，完善堆焊控制手段，实现堆焊功能层高强硬性与高韧塑性的有效匹配，在表面工程领域开拓新的应用范围。

附图说明

图1是本发明焊接方法和设备示意图；

图2是电磁搅拌和电磁热处理励磁线圈支架水冷系统结构和冷却水流向示意图；

图3是堆焊焊矩喷嘴水冷系统结构和冷却水流向示意图。

图中，1.支架；2.焊炬喷嘴；3.焊炬导电嘴；4.导磁铁芯；5.焊接与辅助电场电源；6.焊丝；7.工件；8.电磁搅拌励磁线圈；9.电磁热处理励磁线圈；10.励磁电源；11.导磁铁芯；12.支架；13.辅助电场电极；14.辅助电场电极；15.连接定位支架；16.水流沟槽；17.外挡板；18.支架内水流隔板；19.焊炬喷嘴挡板；20.焊炬喷嘴壁；21.螺纹水流沟槽。

具体实施方式

本发明主要包含一种电磁复合场熔化极气体保护堆焊的外加新型电磁复合场控制方法和相关通用设备，以及在其它堆焊与焊接工艺技术中的应用。

下面结合实施例及附图对本发明作进一步说明。

一.电磁复合场控制熔化极堆焊方法

本方法是一种电磁复合场控制熔滴射流过渡的无氦高熔覆熔化极气体保护堆焊方法。具体方法如下：

如图1所示：在堆焊工件7的上边，使用一对带导磁铁芯4和11或不带导磁铁芯4和11的电磁搅拌励磁线圈8和电磁热处理励磁线圈9，电磁搅拌励磁线圈8与焊炬3同轴，通过相同的励磁电源10或不同的励磁电源分别提供励磁电流，产生时变或恒定的、双频或单频的、同强度或不同强度的电磁搅拌和电磁热处理的两个外加纵向磁场；根据需要，同时或不同时在堆焊焊缝纵向或横向上施加可移动的辅助电极13和14，产生辅助电场，电源5提供堆焊与辅助电场电流，辅助电场电极13与焊炬导电嘴3(或焊丝6)同极性。该电磁复合场综合控制焊接电弧、焊丝熔化、熔滴过渡、熔池搅拌、焊缝凝固、焊前预热与焊后热处理过程，在高送丝速度、无氦混合的保护气体和大电流的配合下，实现电磁复合场控制无氦高熔覆熔化极气体保护堆焊过程。

电磁复合场通过六个方面来实现综合控制堆焊过程：改变磁场的种类(时变磁场或恒定磁场、单频磁场或双频磁场)，改变磁场的频率(不同频率)，改变电磁场的强度(不同强度的电场和磁场)，改变电磁场的施加方式(焊缝纵向施加电场、或焊缝横向施加电场、或焊缝正上方施加磁场、或焊缝上方两侧施加磁场、或工件上下两边不同时或同时施加、或与焊炬不同轴的磁场施加方式)，根据堆焊对象改变堆焊保护气体的成分和配比(Ar+20％CO₂，或CO₂，或Ar，或其它多元气体成分和配比)以及与堆焊工艺参数(焊接电流、送丝速度、焊丝直径、气体流量、焊接速度、焊接电压等)的合理调节和匹配。

1.电磁搅拌励磁线圈8和电磁热处理励磁线圈9与励磁电源10配对使用，有下述三种方式：

(一)电磁搅拌励磁线圈8和电磁热处理励磁线圈9可同时接用励磁电源10所产生双频、不等强度、时变励磁电流，其好处是：在不影响熔滴稳定旋转射流过渡的电磁场条件下，可以运用多工艺参数和手段的方式，灵活、可靠、有效地控制堆焊的温度场、熔滴形成过程、液流束的运动状态、熔池搅拌程度、焊缝凝固条件和堆焊组织生成，以实现磁控高效无氦熔化极堆焊温度场、流场和力场的最佳耦合，最终形成优质堆焊焊缝、符合堆焊层的质量要求；同时，这种多工艺参数控制条件下的可靠堆焊控制方式，能够实现不同特定材质、不同堆焊材料和堆焊功能层需要的堆焊过程。其原理是：利用较高频和较弱强度相匹配的磁场进行电磁搅拌作用，以控制旋转射流过渡时焊接电弧、焊丝端部熔滴脱落和液流束的稳定性，并具有辅助感应加热的作用促使焊丝熔化和熔滴形成，并能使焊接熔池熔体充分搅拌。而采用较低频和较大强度相匹配的磁场进行电磁热处理作用，可以改变熔池金属的结晶状况，改变凝固过程和温度分布(组织、相结构也会改变)，促使焊缝晶粒细化，减小化学不均匀性，降低气孔的敏感性，有利于提高韧塑性，形成优质堆焊层；对堆焊工件7实现符合堆焊焊接要求的电磁复合场堆焊过程。

(二)电磁搅拌励磁线圈8和电磁热处理励磁线圈9可同时施接励磁电源10，产生同频、同相、同强度的时变纵向电磁场或均匀强度的恒定纵向电磁场，对工件7实现符合堆焊工艺要求的电磁复合场堆焊过程。

(三)电磁搅拌励磁线圈8和电磁热处理励磁线圈9可单独使用，并施接一个励磁电源10，产生一个时变纵向电磁场或均匀强度的恒定纵向电磁场，进行单独的电磁搅拌或电磁热处理作用，对工件7实现符合堆焊工艺要求的电磁复合场堆焊过程。

2.辅助电场电极13和辅助电场电极14，以及堆焊焊炬导电嘴3与电源5配合使用，有下述五种主要方式：

(一)辅助电场电极13和焊丝6同极性，并由电源5同时提供不等强度的电流，辅助电场电极13较弱，而堆焊焊接电流较强，而辅助电场电极14与辅助电场电极13和焊丝6是不同极性的，其好处是：在堆焊相同的熔深条件下，可以降低主堆焊电流的大小，减小电弧对堆焊基材的集中加热程度和挖掘作用，有利于降低稀释率，减少熔滴过渡飞溅，提高熔覆率，并形成良好的堆焊焊接电流回路，对工件7实现符合堆焊工艺要求的电磁复合场堆焊过程。

(二)辅助电场电极13和辅助电场电极14形成的辅助电场流线，可以与堆焊焊缝重合，即形成纵向辅助电场；也可以与焊缝交叉垂直，即形成横向辅助电场，而横向辅助电场的电流线与焊缝可以在熔池或熔池前后不同位置处产生交汇点；辅助电场电极13和辅助电场电极14与电源5配合使用，可以产生一个脉冲时变电流场，或恒定均匀强度的电流场，对工件7实现符合堆焊工艺要求的电磁复合场堆焊过程。

(三)辅助电场电极13和辅助电场电极14产生的辅助电场可以同时或不同时与电磁搅拌励磁线圈8产生的电磁搅拌磁场和电磁热处理励磁线圈9产生的电磁热处理磁场一起，或两两组合，或单独在堆焊过程中产生作用，对工件7实现符合堆焊工艺要求的电磁复合场堆焊过程。

(四)辅助电场电极13和辅助电场电极14，可以由其他种类的堆焊焊炬(电极)所代替，形成复合堆焊方式，如辅助电场电极13被一个TIG堆焊焊炬(电极)所替代，形成TIG+MAG/MIG或TIG+CO₂共单个熔池形式的复合堆焊方式，对工件7实现符合堆焊工艺要求的电磁复合场堆焊过程。

(五)辅助电场电极13和辅助电场电极14，可以是棒状，条状等多种形式；与工件可以是滑动摩擦，也可以是滚动摩擦；可以是铜合金材料，也可以是其他材料。对工件7实现符合堆焊工艺要求的电磁复合场堆焊过程。

本发明采用电磁复合场熔化极气体保护堆焊过程可采用包括如下的工艺条件：堆焊焊接电流80～800A，送丝速度0～50m/min，焊丝直经0.8～6mm，保护气体流量1～50L/min，焊接电压1～60V，焊接速度0.01～6m/min，励磁电流0～60A，励磁频率0～100Hz，辅助电场电流0～300A。

上述保护气体可采用磁控气体a，或磁控气体b，或磁控气体c，或磁控气体d，或磁控气体e，具体如下：

磁控气体a由100％二氧化碳组成，此种气体广泛应用于高碳耐磨合金的堆焊；

磁控气体b由100％氩气组成。此种气体广泛应用于多种金属及合金材料的堆焊；

磁控气体c由氩气和二氧化碳混合组成，其体积百分比是：10～20％二氧化碳+剩余百分比的氩气。此种气体广泛应用于多种金属及合金材料的堆焊；

磁控气体d是以氩气为主导，三元气体混合组成，其体积百分比是：80～90％氩气+1～2％氧气+剩余百分比的二氧化碳气。此种气体广泛应用于多种金属及合金材料的堆焊；

磁控气体e由氩气和氮气混合组成，其体积百分比是：5～25％氮+剩余百分比的氩气。此种气体典型应用于对该气体呈惰性的金属及其合金堆焊，如铜及其合金的堆焊。

上述保护气体也可采用其他普通保护气体成份或有氦气加入的二元或多元保护气体。

上述堆焊焊丝可以使用实心焊丝，或药芯焊丝，或金属粉芯焊丝。

本发明提供的电磁复合场堆焊方法，粉芯焊丝可以采用焊丝a，或焊丝b，或焊丝c，具体配方如下：

焊丝a由C、Cr、Ni、Mo、Mn、Si、N合金粉末组成金属粉芯，其成分范围是(Wt％)：C0.28～0.40％、Cr12.1～14.2％、Ni2.9～5.2％、Mo 0.78～0.91％、Mn 0.65～1.61、Si 0.16～0.96％、S≤0.01％、P≤0.025％、N0.02～0.04％、稀土0.01～3.2％。采用氩气和氮气混合组成的保护气体，其体积百分比是：10～30％氮+剩余百分比氩气，具有原位复合氮化物堆焊功能；

焊丝b由C、Cr、Ni、Si、B、Mn合金粉末组成金属粉芯，其成分范围是(Wt％)：C0.08～0.17％、Cr10.2～18.3％、Ni3.4～5.8％、Si0.38～0.81％、B0.14～0.34％、Mn0.68～1.61％。保护气体采用二氧化碳和氩气混合组成，其体积百分比是：10～20％二氧化碳+剩余百分比的氩气，具有高效二氧化碳混合气体保护堆焊功能；

焊丝c由C、Cr、W、Mo、V、Nb合金粉末组成金属粉芯，其成分范围是(Wt％)：C 0.4～0.9％、Cr16.2～26.4％、W2.9～6.2％、Mo 0.38～3.41％、V0.24～0.38％、Nb2.3～5.8％、稀土0.01～4.6％。保护气体采用100％氩气，具有硬质合金材料的高效堆焊功能。

二.电磁复合场控制熔化极气体保护堆焊通用设备

本设备是电磁复合场控制无氦高效熔化极气体保护焊接的通用设备，如图1所示：设有励磁电源、励磁设备、辅助电场设备和水冷系统，励磁设备设有电磁搅拌励磁线圈8和电磁热处理励磁线圈9。

1.电磁搅拌励磁线圈8和电磁热处理励磁线圈9：

根据实际焊接需要，所述励磁线圈可以同时或单独使用，它们的距离可调，电磁搅拌励磁线圈8与焊矩2同轴。与之配套的励磁电源10采用四通道数字逆变电源或两套独立的数字逆变电源或普通电源，可以产生无级连续可调的恒定励磁电流和时变励磁电流(如间歇交变双向脉冲电流，其频率、占空比和幅值均可调节)。

下面结合附图说明上述励磁线圈的结构、连接关系及作用：

如图1所示：一对电磁搅拌励磁线圈8和电磁热处理励磁线圈9分别位于工件7上方，以堆焊正方向为参考系，电磁搅拌励磁线圈8在前，电磁热处理励磁线圈9在后。

电磁搅拌励磁线圈8固定于焊炬3上，且与焊炬3同轴。焊炬3和电磁热处理励磁线圈9的距离可以自由调节，根据焊接速度的大小，调节两者的相对位置，使电磁热处理励磁线圈9位于焊接熔池后部紧邻、已凝固的高温固态金属位置。

上述励磁线圈均为轴对称圆柱线圈结构，其带导磁铁芯4和导磁铁芯11或者不带导磁铁芯4，或者导磁铁芯11是中心全截面的，其支架1和12内装有水冷系统；这些励磁线圈与焊炬3同步同速运动，或静止(在工件7运动的状况下)。

上述导磁铁芯4和导磁铁芯11分别活动安装在电磁搅拌励磁线圈8和电磁热处理励磁线圈9中，可以自由调节其在励磁线圈中的位置直至全部从线圈中去除。导磁铁芯4和导磁铁芯11端部的形状可根据实际使用需要设计成不同的形状，例如呈漏斗型、直桶型、圆锥型或曲面型等。励磁线圈8和励磁线圈9使用的导磁铁芯4和导磁铁芯11形状可以相同，也可以有所不同。导磁铁芯4和导磁铁芯11可以由单个回转体整体构成，或者由多个条块状的独立体合理、有机地分布于线圈的不同位置组合构成。同时，根据堆焊过程的实际需要可综合调节励磁线圈、导磁铁芯、堆焊工件、堆焊焊炬喷嘴和焊丝之间的距离。导磁铁芯11距离工件的位置比导磁铁芯4距离工件的的位置要近许多，并使用全截面铁芯形式，导磁铁芯11的下端面形状收缩，以便于磁力线更集中作用于堆焊焊缝。

2.励磁线圈8和励磁线圈9与焊炬3的几种连接及水冷方式：

(1)电磁搅拌励磁线圈8通过夹持锁紧机构(图中省略)与焊炬3固定连接：

在电磁搅拌励磁线圈8的支架1的端部设有与焊炬3相连的夹持锁紧机构，其将励磁线圈固定在焊炬喷嘴2上，使励磁线圈8与工件7有一定距离的自由调节度。

电磁搅拌励磁线圈8的支架1内的水冷系统采用盖板式矩形脉冲形冷凝水流模式，其结构如图2所示：支架1内设有水流沟槽16和错开排列的两排水流隔壁18，两排水流隔板18分别与水流沟槽16两侧的外挡板17相连，它们构成了上下折返循环冷凝水流模式的支架内高效、简单水冷系统。图2所示的精巧结构，尽管其整个集成空间设计结构简单，但冷却作用强烈，完全能够适应熔滴射流过渡形式大电流堆焊的需要。图中箭头表示水流的通道与方向。

励磁线圈线圈内水冷系统的作用是保护线圈在大电流堆焊时线圈散热和正常的工作，为在有限的几何空间内实现有效的冷却保护作用。

(2)电磁搅拌励磁线圈8和焊炬喷嘴2集成式直接连接：

为了满足中小堆焊焊接电流条件下手工堆焊焊矩或大焊接电流条件下自动堆焊焊矩良好的空间可达性，可以省掉支架1，直接将电磁搅拌励磁线圈8与焊炬喷嘴2集成为一体，采用绝缘材料使焊炬喷嘴2的外壁与线圈的线匝保持绝缘状态，并且通过焊炬喷嘴2内部构建的水冷系统进行冷却，使焊矩和励磁线圈均处于良好的工作状态。

焊炬喷嘴2内的水冷系统可采用盖板式螺旋形冷凝水流流动模式，其结构如图3所示：焊炬喷嘴壁21内设计有螺旋状的螺纹水流沟槽20，结合焊炬喷嘴挡板19形成了焊炬喷嘴内全方位的冷凝水通道，使冷凝水围绕焊炬喷嘴呈螺旋形流动，到达焊炬喷嘴的端部。这种水冷系统，具有空间结构紧凑、设计简单、冷却作用强烈的优点，可保证大电流条件下，焊炬3不变形，完全能够适应高熔覆、大电流堆焊的需要。

(3)电磁热处理励磁线圈9通过可调节固定臂15与励磁线圈8和焊炬喷嘴2刚性连接：

电磁热处理励磁线圈9通过一可调节式固定臂15与励磁线圈8焊炬3刚性连接为一体，可调节式固定臂15可以改变焊炬3和励磁线圈9的距离，实现不同焊接速度下合理的电磁复合场堆焊施加方式。

3.辅助电场施加设备：

采用一对可以运动的辅助电场电极13和辅助电场电极14，一根接负极，另一根接正极，由焊接电源5提供电流。运动的辅助电场电极13和辅助电场电极14与工件具有良好的接触性能，具有一定的耐高温磨损能力和良好的导电性，结构简单易于更换。

辅助电场电极13，可以由钨极氩弧焊炬(TIG)，或等离子焊炬(PAW)，或激光焊炬(EBW)，或电子束焊炬(EBW)等其他种类的堆焊焊炬代替电极，形成复合焊炬堆焊方式。如辅助电场电极13被一个TIG堆焊焊炬所替代，形成TIG+MAG/MIG或TIG+CO₂两个焊炬共单个堆焊熔池形式的复合焊炬堆焊方式；如辅助电场电极13由熔化极焊炬(MAG/MIG/CO2)所代替，形成双丝复合堆焊方式。

4.励磁电源10和焊接电源5：

可采用能够产生多种频率和不同强度的时变励磁电流或恒流励磁电流的电源。

可采用能够产生多种波形的数字逆变式焊接电源，并提供合适的辅助电场电流。

三.上述电磁复合场控制熔化极堆焊方法和通用设备的拓展应用

1.在下述熔化极气体保护焊接方面的拓展应用：

(1)用于高效熔化极焊接，或普通熔化极焊接领域。

(2)用于下述材质中的焊接：低碳钢，合金钢，特种钢，不锈钢，铜及其合金，铝及其合金，镁及其合金，钛及其合金等其它黑色和有色金属及其合金。

(3)用于不开坡口或开坡口的对接、搭接、角接、全位置焊接多种焊接接头形式。

(4)用于单一气体保护熔化极焊接，或二元或多元混合气体保护熔化极焊接领域。

2.在其它焊接工艺方面的应用：

在电磁搅拌励磁线圈8不直接与焊炬喷嘴2集成为一体，或不采用焊炬喷嘴2内的水冷系统，使用或不使用焊丝6和保护气体，并在更换焊炬3(如采用等离子弧焊炬、埋弧焊炬等其它焊接工艺方法的特定焊炬)的条件下，将励磁电源10、励磁设备以及位于励磁线圈支架1内的水冷系统，用于以下的焊接工艺中，对工件7实现其他电磁复合场焊接工艺过程：

采用电磁复合场实施：熔化极惰性气体保护焊接(MIG)，或熔化极活性气体保护焊接(MAG)，或钨极惰性气体保护焊接(TIG)，或埋弧焊接(SAW)，或二氧化碳焊接(CO₂)，或电渣焊接(ESW)，或等离子弧焊接(PAW)，或电子束焊接(EBW)，或电阻焊(RW)，或摩擦焊(FW)，或搅拌摩擦焊(FSW)，或激光焊接(LBW)。

3.在其它堆焊方面的应用：

(1)用于高熔覆率(高速)熔化极气体保护堆焊，或普通熔化极气体保护堆焊，或非熔化极气体保护堆焊，或等离子堆焊，或激光堆焊，或搅拌摩擦堆焊，或焊条电弧堆焊；

(2)用于下述材料(或合金粉末)的堆焊：中高碳耐磨合金(铸铁)，高温硬质合金，不锈钢及其合金等其它金属及其合金(或合金粉末)；

(3)用于单一材料的单层堆焊、多层堆焊，或多种材料的单层堆焊、多层堆焊，或梯度材料的多层堆焊；

其中有关电磁复合场控制熔化极堆焊方法参考的工艺参数如下：

(1)电磁复合场控制熔化极气体保护堆焊工艺参数是：焊接电流60～800A；电磁搅拌磁场强度0.01～10T，电磁搅拌磁场频率1～20Hz；辅助电场电流0～50A，辅助电场电流(作复合焊炬用时)0～300A；电磁热处理磁场强度0.01～20T，电磁热处理磁场频率1～100Hz，堆焊速度0.01～5m/min，气体流量1～40L/min；

(2)电磁复合场控制非熔化极气体保护堆焊工艺参数是：焊接电流60～300A，电磁搅拌磁场强度0.01～6T，电磁搅拌磁场频率1～20Hz，辅助电场电流0～50A，辅助电场电流(作复合焊炬用时)0～250A，电磁热处理磁场强度0.01～10T，电磁热处理磁场频率1～100Hz，堆焊速度0.01～2m/min，气体流量2～30L/min；

(3)电磁复合场控制激光堆焊工艺参数是：激光堆焊功率0.1KW～10KWA，电磁搅拌磁场强度0.01～8T，电磁搅拌磁场频率1～20Hz，辅助电场电流0～50A，辅助电场电流(作复合焊炬时)0～300A，电磁热处理磁场强度0.01～10T，电磁热处理磁场频率0～50Hz，堆焊速度0.1～5m/min；

(4)电磁复合场控制电阻焊工艺参数是：电磁搅拌磁场强度0.02～10T，电磁搅拌磁场频率1～20Hz，其它为普通电阻焊参数；

(5)电磁复合场控制搅拌摩擦堆焊工艺参数是：电磁搅拌磁场强度0.01～10T，电磁搅拌磁场频率1～20Hz，辅助电场电流0～200A，电磁热处理磁场强度0.01～20T，电磁热处理磁场频率1～100Hz，其它为搅拌摩擦堆焊参数；

(6)电磁复合场控制埋弧堆焊工艺参数是：焊接电流200～800A，电磁搅拌磁场强度0.01～8T，电磁搅拌磁场频率1～30Hz，辅助电场电流0～80A，电磁热处理磁场强度0.01～20T，电磁热处理磁场频率1～100Hz，焊接速度0.1～5m/min，不采用保护气体。

下面简述一下本设备的工作过程：

如图1所示，本发明电磁搅拌励磁线圈8和电磁热处理励磁线圈9通过相同或不同的励磁电源10提供励磁电流，产生时变或恒定的、双频或单频的外加纵向磁场；本发明辅助电极通过相同或不同的电源5提供焊接电流和辅助电流，产生多种波形的焊接电流和合适的辅助电场电流。其中：电磁搅拌励磁线圈8产生的纵向磁场主要用于控制焊接电弧的周期性的旋转运动、焊丝熔化、焊丝末端熔滴的形成与脱离、液流束的运动状态，形成熔滴周期性、稳定的旋转射流过渡状态；同时也控制熔池内熔体的流动方式和熔池的搅拌强度，改变熔池金属的凝固状况。电磁热处理励磁线圈9产生的纵向磁场可以有效控制焊缝凝固组织的转变过程，起到热处理作用，促进晶粒细化，减小化学不均匀性，提高焊缝的塑性和韧性，改善焊缝组织的晶粒大小、分布和结构状态，利用综合参数的系统控制作用达成优质的堆焊功能层。

实际堆焊时，根据不同的堆焊工艺、堆焊母材材质、堆焊材料和堆焊形式等，采用本发明提供的堆焊控制方法和堆焊设备，综合考虑电磁复合场和堆焊工艺参数的合理匹配，并对这些主要工艺参数进行系统优化，即可保证高效、优质、低成本堆焊过程的实施。

四.具体实施例：

下述实施例是按照本发明提供的堆焊方法和设备实施的。

例1：外加间歇交变纵向磁场控制二氧化碳堆焊药芯焊丝Fe-Cr-Mn-W-V系高碳高铬合金时，堆焊工艺参数如下可以获得良好堆焊功能层：电磁搅拌磁场励磁电流为3～20A，电磁搅拌磁场频率为1～6Hz，焊接电流为100～200A，焊接速度0.3～0.8m/min，100％二氧化碳保护气体5～20L/min，送丝速度3.5～0.8m/min。

例2：外加电磁复合场控制MAG堆焊Cr-W-Co系硬质合金时，堆焊工艺参数如下可以获得良好堆焊功能层：焊接电流为120～180A，，电磁搅拌磁场频率为1～4Hz，辅助电场强度电流10A～40A，焊接速度0.3～1m/min。电磁热处理磁场强度为0.01T～0.2T，电磁热处理磁场频率为1～20Hz，保护气体(100％纯氩气)流量5～20L/min。

例3：外加电磁复合场控制高效MAG堆焊Fe-Ni-Cr-B-Si系合金时，堆焊工艺参数如下可以获得良好堆焊功能层：焊接电流为350～700A，电磁搅拌磁场励磁电流为5～30A，电磁搅拌磁场频率为1～8Hz，辅助电场强度电流5A～30A，焊接速度0.8～4m/min。电磁热处理磁场励磁电流为15～40A，电磁热处理磁场频率为1～25Hz，；保护气体(100％纯氩气)流量20～30L/min。

例4.外加间歇交变纵向磁场控制埋弧自动堆焊Fe-Cr-Si-B系合金时，堆焊工艺参数如下可以获得良好堆焊功能层：焊接电流为280～450A，电磁搅拌磁场励磁电流为2～35A，电磁搅拌磁场频率为1～12Hz，焊接速度为0.1～3.6m/min。

例5.外加电磁复合场控制MAG堆焊时，采用粉芯焊丝a，堆焊工艺参数如下可以获得良好堆焊功能层：焊接电流为100～250A，电磁搅拌磁场励磁电流为5～30A，电磁搅拌磁场频率为1～8Hz，辅助电场强度电流3A～20A，焊接速度0.1～2m/min，电磁热处理磁场励磁电流为10～35A，电磁热处理磁场频率为1～32Hz，10～30％氮+剩余百分比的氩气保护气体，流量8～20L/min。

例6.外加电磁复合场控制二氧化碳混合气体高速堆焊时，采用粉芯焊丝b，堆焊工艺参数如下可以获得良好堆焊功能层：焊接电流为200～450A，电磁搅拌磁场励磁电流为3～28A，电磁搅拌磁场频率为1～10Hz，辅助电场强度电流2A～34A，焊接速度0.4～2.5m/min，电磁热处理磁场励磁电流为16～42A，电磁热处理磁场频率为1～32Hz，10～20％保护气体为二氧化碳+剩余百分比的氩气，流量5～30L/min。

例7.外加电磁复合场控制MAG堆焊时，采用粉芯焊丝c，堆焊工艺参数如下可以获得良好堆焊功能层：焊接电流为120～280A，电磁搅拌磁场励磁电流为2～24A，电磁搅拌磁场频率为1～10Hz，辅助电场强度电流6A～30A，焊接速度0.1～2.4m/min。电磁热处理磁场励磁电流为10～38A，电磁热处理磁场频率为1～28Hz，保护气体为100％氩气，流量4～30L/min。

由上述实例可知，应该综合考虑电磁复合场和堆焊工艺参数的合理匹配，如焊丝长度、保护气体成份、焊接电弧电压、辅助电场强度和方式、电磁搅拌磁场强度和频率、电磁热处理磁场强度和频率等，并根据实际堆焊对象和材料对这些主要工艺参数进行系统优化，这样才能保证获得高质量的堆焊功能层。

本发明人在电磁复合场焊接技术的基础理论与工程应用的研究中发现，电磁复合场堆焊技术具有下述主要有利作用：(1)改变电弧力和电流密度分布，减小电弧对母材的集中加热程度和挖掘作用，有利于降低稀释率；(2)可以实现粉芯焊丝熔滴稳定射流过渡，有利于提高熔覆率；(3)有效地搅拌熔池，改变凝固过程和温度分布(组织、相结构也会改变)，细化晶粒，均匀成分，减少堆焊层缺陷，有利于提高韧塑性，形成优质焊缝；(4)降低堆焊层的残余应力水平，促进堆焊层热应力分布的合理，影响堆焊层二次结晶组织与结构，有利于促进碳化物硬质相的弥散分布，韧化组织形成以及析出相球化结构形态的生成，减少堆焊层缺陷(如气孔、夹杂等)，提高韧塑性，形成优质堆焊层。(5)减少高效气体保护堆焊的飞溅，提高堆焊成形质量，有利于低成本地实现高效优质堆焊过程，取消或降低对堆焊工艺的技术要求(包括对焊接材料和焊前预热的要求)和热处理的苛刻条件。(6)焊接熔滴过渡行为是熔滴所受的各种力综合作用的最终结果，而高效气体保护焊接电弧是一个典型的等离子体(包括带电粒子和中性粒子)，旋转射流过渡熔滴是一种高温、高速运动的微细金属液滴，其行为必定受粒子运动和外加电磁场的影响，控制了电弧中粒子和细液滴的运动，也就直接或间接地控制了熔滴的过渡行为，因此就能取代氦气，实现稳定的旋转射流熔滴过渡过程。(7)更有利于实现梯度材料的堆焊。本发明的基本原理是认为在电磁复合场的作用下，堆焊过程以及堆焊层受到综合诱导，产生有利转变与影响，使得堆焊的高强硬性和韧塑性、高熔覆率和低稀释率合理的协调，实现有机统一。

本发明人在研究中发现：采用粉芯焊丝堆焊具有以下作用：(1)可以很方便灵活地调整材料合金成份与比例，获得不同种类合金材料的堆焊层或梯度堆焊层，利于实现机械化和自动化，无须复杂的冶金制备过程和冶炼设备，突破时空等诸多限制；(2)有利于提高堆焊效率和质量，减少缺陷，降低堆焊成本；(3)可避免等离子和激光堆粉熔覆受时间和空间等局限(包括埋弧堆焊)；(4)可避免堆粉熔覆(堆焊)因送粉不均匀而产生的缺陷，以及激光熔覆的高成本；(5)国内外堆焊材料(焊条，焊丝，焊剂等)品种十分丰富，焊丝制造设备与工艺比较成熟，可供借鉴的研究成果很多，有利于材料堆焊粉芯焊丝成份的选择与快速研制。

Claims (8)

1.一种电磁复合场熔化极堆焊方法，其特征在于：是电磁复合场控制粉芯焊丝熔滴射流过渡熔化极气体保护堆焊方法，具体方法是：在堆焊工件(7)的上边，使用一对电磁搅拌励磁线圈(8)和电磁热处理励磁线圈(9)，电磁搅拌励磁线圈(8)与焊炬(3)同轴；通过励磁电源(10)提供励磁电流，产生电磁搅拌和电磁热处理外加纵向磁场；在堆焊焊缝上施加可移动的辅助电场电极(13)和辅助电场电极(14)，产生辅助电场；焊接电源(5)提供堆焊与辅助电场电流，辅助电场电极(13)与焊炬导电嘴(3)同极性；该电磁复合场对焊接工件(7)实现电磁复合场控制高熔覆熔化极气体保护堆焊。

2.根据权利要求1所述的电磁复合场控制熔化极堆焊方法，其特征在于：电磁搅拌励磁线圈(8)和电磁热处理励磁线圈(9)接用不同频率、不等强度、时变励磁电流，利用较高频和较弱强度相匹配的磁场进行电磁搅拌作用，以控制旋转射流过渡时焊接电弧、焊丝端部熔滴脱落和液流束的稳定性，并具有辅助感应加热的作用促使焊丝熔化和熔滴形成，并能使焊接熔池熔体充分搅拌；而采用较低频和较大强度相匹配的磁场进行电磁热处理作用，可以改变熔池金属的结晶状况，改变凝固过程和温度分布(组织、相结构也会改变)，促使焊缝晶粒细化，减小化学不均匀性，降低气孔的敏感性，有利于提高韧塑性，形成优质堆焊层；对堆焊工件(7)实现符合堆焊要求的电磁复合场堆焊过程；

或者，电磁搅拌励磁线圈(8)和电磁热处理励磁线圈(9)同时施接励磁电源(10)，产生同频、同相、同强度的时变纵向电磁场或均匀强度的恒定纵向电磁场，对工件(7)实现符合堆焊工艺要求的电磁复合场堆焊过程；

或者，电磁搅拌励磁线圈(8)和电磁热处理励磁线圈(9)单独使用，并施接一个励磁电源(10)，产生一个时变纵向电磁场或均匀强度的恒定纵向电磁场，进行单独的电磁搅拌或电磁热处理作用；

包括如下的工艺条件：堆焊焊接电流80～800A，送丝速度0～50m/min，焊丝直经0.8～6mm，保护气体流量1～50L/min，焊接电压1～60V，焊接速度0.01～6m/min，励磁电流0～60A，励磁频率0～100Hz，辅助电场电流0～300A；

包括三种粉芯焊丝：焊丝a，或焊丝b，或焊丝c；粉芯焊丝的具体配方如下：

焊丝a由C、Cr、Ni、Mo、Mn、Si、N合金粉末组成金属粉芯，其成分范围是(Wt％)：C0.28～0.40％、Cr12.1～14.2％、Ni2.9～5.2％、Mo0.78～0.91％、Mn0.65～1.61、Si0.16～0.96％、S≤0.01％、P≤0.025％、N0.02～0.04％、稀土0.01～3.2％；采用氩气和氮气混合组成的保护气体，其体积百分比是：10～30％氮+剩余为氩气；

焊丝b由C、Cr、Ni、Si、B、Mn合金粉末组成金属粉芯，其成分范围是(Wt％)：C0.08～0.17％、Cr10.2～18.3％、Ni3.4～5.8％、Si0.38～0.81％、B0.14～0.34％、Mn0.68～1.61％；保护气体采用二氧化碳和氩气混合组成，其体积百分比是：10～20％二氧化碳+剩余为氩气；

焊丝c由C、Cr、W、Mo、V、Nb合金粉末组成金属粉芯，其成分范围是(Wt％)：C0.4～0.9％、Cr16.2～26.4％、W2.9～6.2％、Mo0.38～3.41％、V0.24～0.38％、Nb2.3～5.8％、稀土0.01～4.6％；保护气体采用100％氩气。

3.一种电磁复合场熔化极堆焊设备，其特征在于设有励磁电源、励磁设备、辅助电场设备和水冷系统；励磁设备为电磁搅拌励磁线圈(8)和电磁热处理励磁线圈(9)，电磁搅拌励磁线圈(8)和电磁热处理励磁线圈(9)通过励磁电源(10)提供励磁电流；励磁电源(10)采用能够产生多种频率和不同强度的时变励磁电流或恒流励磁电流的电源；电磁搅拌励磁线圈(8)和电磁热处理励磁线圈(9)均为轴对称圆柱结构，分别设于支架(1)、支架(12)上；电磁搅拌励磁线圈(8)固定于焊炬(3)上，且与焊炬(3)同轴；在电磁搅拌励磁线圈(8)的支架(1)的端部设有与焊炬(3)相连的夹持锁紧机构，其将励磁线圈(8)固定在焊炬喷嘴(2)上，使励磁线圈(8)与工件(7)有一定距离的自由调节度；焊炬(3)和电磁热处理励磁线圈(9)的距离可以调节，支架(1)和支架(12)内装有水冷系统；

辅助电场设备主要由可移动的辅助电场电极(13)和辅助电场电极(14)构成，一根接负极，另一根接正极，由焊接电源(5)提供电流；辅助电场电极(13)与焊炬导电嘴(3)同极性；辅助电场电极(13)，可以由钨极氩弧焊炬(TIG)，或等离子焊炬(PAW)，或激光焊炬(EBW)，或电子束焊炬(EBW)所代替，形成熔化极和非熔化极复合焊炬堆焊方式；辅助电场电极(13)由熔化极焊炬(MAG/MIG/CO2)所代替，形成双丝复合堆焊方式。

4.根据权利要求3所述的电磁复合场控制熔化极堆焊设备，其特征在于：所述电磁搅拌励磁线圈(8)和电磁热处理励磁线圈(9)分别内设有导磁铁芯(4)和导磁铁芯(11)；导磁铁芯(4)和导磁铁芯(11)活动安装在的电磁搅拌励磁线圈(8)和电磁热处理励磁线圈(9)中，可以自由调节其在励磁线圈中的位置直至全部从线圈中去除；导磁铁芯(4)和导磁铁芯(11)端部的形状呈漏斗型、直桶型或圆锥型。

5.根据权利要求3所述的电磁复合场控制熔化极堆焊设备，其特征在于：所述电磁热处理励磁线圈(9)通过一可调节式固定臂(15)与励磁线圈(8)焊炬(3)刚性连接为一体，可调节式固定臂(15)可以改变焊炬(3)和励磁线圈(9)的距离，实现不同焊接速度下合理的电磁复合场堆焊施加方式；

或者，将电磁搅拌励磁线圈(8)直接与焊炬喷嘴(2)集成为一体，采用绝缘材料使焊炬喷嘴(2)的外壁与线圈的线匝保持绝缘状态，并且通过焊炬喷嘴(2)内部构建的水冷系统进行冷却。

6.根据权利要求3所述的电磁复合场熔化极堆焊设备，其特征在于：电磁搅拌励磁线圈(8)的支架(1)和电磁热处理励磁线圈(9)的支架(12)内的水冷系统采用盖板式矩形脉冲形冷凝水流模式，支架(1)和(12)内分别设有水流沟槽(16)和错开排列的两排水流隔壁(18)，两排水流隔板(18)分别与水流沟槽(16)两侧的外挡板(17)相连；

焊炬喷嘴(2)内的水冷系统采用盖板式螺旋形冷凝水流流动模式，其结构是：焊炬喷嘴壁(21)内设计有螺旋状的螺纹水流沟槽(20)，结合焊炬喷嘴挡板(19)形成了焊炬喷嘴内全方位的冷凝水通道，使冷凝水围绕焊炬喷嘴呈螺旋形流动，到达焊炬喷嘴的端部。

7.一种将权利要求1或2所述电磁复合场控制熔化极堆焊方法，以及将权利要求3、4、5或6所述的电磁复合场控制熔化极堆焊设备，在下述方面的用途：

用于高熔覆率(高速)熔化极气体保护堆焊，或普通熔化极气体保护堆焊，或非熔化极气体保护堆焊，或等离子堆焊，或激光堆焊，或搅拌摩擦堆焊，或焊条电弧堆焊；

用于下述材料(或合金粉末)的堆焊：铸铁，中高碳耐磨合金，镍基合金，铁基合金，钴基合金，硬质合金，不锈钢及其合金等其它金属及其合金(或合金粉末)；

用于单一材料的单层堆焊、多层堆焊，或多种材料的单层堆焊、多层堆焊，或梯度材料的多层堆焊；

用于模具制造与修复，铸件等机械设备的修复，轧辊等冶金设备，矿山设备的修复等工业领域。

8.根据权利要求7所述的用途，其特征在于：采用以下焊接工艺，对工件(7)实现其他电磁复合场焊接工艺过程：

用于高效熔化极焊接，或普通熔化极焊接领域；

用于实心焊丝，药芯焊丝和粉芯焊丝的焊接；

用于下述材质中的焊接：低碳钢，合金钢，特种钢，不锈钢，铜及其合金，铝及其合金，镁及其合金，钛及其合金等其它黑色和有色金属及其合金；

用于对接、搭接、角接、全位置焊接多种焊接接头形式；

用于单一气体保护熔化极焊接，或二元或多元混合气体保护熔化极焊接领域；

采用电磁复合场实施：熔化极惰性气体保护焊接(MIG)，或熔化极活性气体保护焊接(MAG)，或钨极惰性气体保护焊接(TIG)，或埋弧焊接(SAW)，或二氧化碳焊接(CO₂)，或电渣焊接(ESW)，或等离子弧焊接(PAW)，或电子束焊接(EBW)，或电阻焊(RW)，或摩擦焊(FW)，或搅拌摩擦焊(FSW)，或激光焊接(LBW)；

其中：

(1)电磁复合场控制熔化极气体保护堆焊工艺参数是：焊接电流60～800A；电磁搅拌磁场强度0.01～10T，电磁搅拌磁场频率1～20Hz；辅助电场电流0～50A，辅助电场电流(作复合焊炬用时)0～300A；电磁热处理磁场强度0.01～20T，电磁热处理磁场频率1～100Hz，堆焊速度0.01～5m/min，气体流量1～40L/min；

(2)电磁复合场控制非熔化极气体保护堆焊工艺参数是：焊接电流60～300A，电磁搅拌磁场强度0.01～6T，电磁搅拌磁场频率1～20Hz，辅助电场电流0～50A，辅助电场电流(作复合焊炬用时)0～250A，电磁热处理磁场强度0.01～10T，电磁热处理磁场频率1～100Hz，堆焊速度0.01～2m/min，气体流量2～30L/min；

(3)电磁复合场控制激光堆焊工艺参数是：激光堆焊功率0.1KW～10KWA，电磁搅拌磁场强度0.01～8T，电磁搅拌磁场频率1～20Hz，辅助电场电流0～50A，辅助电场电流(作复合焊炬时)0～300A，电磁热处理磁场强度0.01～10T，电磁热处理磁场频率0～50Hz，堆焊速度0.1～5m/min；

(4)电磁复合场控制电阻焊工艺参数是：电磁搅拌磁场强度0.02～10T，电磁搅拌磁场频率1～20Hz，其它为普通电阻焊参数；

(5)电磁复合场控制搅拌摩擦堆焊工艺参数是：电磁搅拌磁场强度0.01～10T，电磁搅拌磁场频率1～20Hz，辅助电场电流0～200A，电磁热处理磁场强度0.01～20T，电磁热处理磁场频率1～100Hz，其它为搅拌摩擦堆焊参数；

(6)电磁复合场控制埋弧堆焊工艺参数是：焊接电流200～800A，电磁搅拌磁场强度0.01～8T，电磁搅拌磁场频率1～30Hz，辅助电场电流0～80A，电磁热处理磁场强度0.01～20T，电磁热处理磁场频率1～100Hz，焊接速度0.1～5m/min，不采用保护气体。

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