CN101143401B - 中高强度厚件窄间隙磁控射流熔化焊接方法 - Google Patents

Abstract

一种中高强度大厚度构件电磁控制窄间隙或超窄间隙脉冲射流熔化极气体保护焊接方法与设备，使用电磁线圈(3)通过励磁电源(10)提供励磁电流，产生外加磁场，在窄间隙或超窄间隙、高送丝速度、熔滴射流过渡和脉冲焊接电流的条件下，对中高强度大厚度构件实现电磁控制高熔敷率脉冲旋转射流熔化极气体保护焊接过程。本发明的设备包括励磁电源、励磁设备、辅助设备和水冷系统，励磁设备是带导磁铁芯(5)或不带导磁铁芯的励磁线圈(3)，固定在焊炬喷嘴(6)上，位于工件(9)上方；通过励磁电源(10)提供励磁电流，产生时变或恒定电磁搅拌磁场，该磁场综合控制焊接电弧、焊丝熔化、熔滴过渡、熔池流动、焊缝凝固过程，最终形成优质焊缝。

Description

中高强度厚件窄间隙磁控射流熔化焊接方法

技术领域

本发明涉及焊接技术领域，特别是一种中高强度厚件窄间隙磁控射流熔化焊接方法与设备。

背景技术

随着国家大型工程项目和重点工程建设计划的制定与实施，如三峡工程，大飞机项目等，越来越多的重大装备采用中高强度材料和大厚度结构进行制造与生产，现代焊接技术的应用占据着重要的地位，起着较为关键的作用。

由于中高强度大厚度构件焊接工艺复杂，所以，如何防止焊缝产生缺陷、改善焊缝金属组织及焊接接头质量，提高焊接效率问题也就比较突出。目前，中高强度钢结构材料超厚大部件的焊接可选用的主要焊接方法包括以下三种：(1)埋弧焊；可供选择的埋弧焊技术主要有：窄间隙埋弧焊技术，窄间隙双丝埋弧焊技术，窄间隙脉冲埋弧焊技术。其技术特点是：焊接接头质量好，效率高。但无法实现全位置焊接，焊接过程较繁琐(需要清渣)，容易出现焊接缺陷(夹渣)。(2)电渣焊；可供选择的电渣焊技术主要有：机械振动电渣焊技术。其技术特点是：焊接效率高，提高了厚板焊接接头的侧弯性能和热影响区的冲击韧性，焊缝的机械性能较佳，降低了焊接残余应力。但需要附加机械振动装置，附加设备较大，焊接适应面较受局限。传统电渣焊的焊缝晶粒粗大，焊接接头韧性较差。(3)气体保护熔化焊。可供选择的气体保护熔化焊技术主要有：高熔敷率MAG焊接技术，多丝高效MAG焊接技术，复合熔化焊接技术。其技术特点是：焊接效率高，易操作，焊接接头质量好，自动化程度高。

目前，国内外研究者关于窄间隙焊接技术，公开了四项该方面的专利申请：一项是超窄间隙超低线能量熔化极气体保护自动弧焊方法与设备(专利申请号01138322.4)，它是采用熔化极气体保护电弧焊、单丝居中无电弧侧偏工艺及超低飞溅率波形控制脉冲逆变电源，使电流、电压波形输出与熔滴空间状态接近完全对应，实现小于等于6mm超窄间隙低线能量厚板焊接，该技术焊接速度不高，技术参数多而复杂。一项是高效单丝窄间隙活性气体保护焊接方法(专利申请号03129629.7)，它是在前者的基础上，采用氧气、氩气、二氧化碳组成的三元保护气体，焊丝居中布置，通过控制焊丝伸出长度、送丝速度与电压获得稳定的旋转喷射过渡方式，实现一定的间隙坡口内焊道与工件侧壁之间的良好熔合。第三项是空心轴电机驱动的旋转电弧窄间隙焊接方法及装置(专利号ZL200510038527.4)，它以机械方法使焊炬导电杆绕其自身轴线旋转，来带动从偏心导电嘴焊丝端部穿出的电弧作旋转扫描运动，从而得到均匀稳定的两侧壁熔深，但是其外置式箱形喷嘴形状与结构复杂，体积较大，电弧可观察性较差，外置式喷嘴没有采用水冷措施，且其高度调节装置调节精度较低。第四项是一种旋转电弧窄间隙焊接用气体保护方法及装置(专利申请号200610038184.6)，它是在前者的基础上，采用两个对称分布在电弧两侧的伸入型扁形喷嘴，使其中流出的保护气体以一定角度从旋转电弧的前后两侧同时导入，实施对焊缝保护；当导电嘴接近工件表面或露出坡口时，采用外置式套筒形喷嘴供气，为最后几层焊缝提供有效保护。以上在先专利或专利申请在窄间隙或超窄间隙焊接时，并未采用电磁控制的脉冲射流焊接技术，这些焊接技术效率较低，焊接工艺复杂，焊接成本较高，接头质量欠佳。

本发明人在研究中发现，采用熔滴射流过渡的熔化极气体保护焊具有以下作用：(1)有利于提高焊接效率和质量，减少缺陷，降低焊接成本；(2)可自动调节，劳动条件好；(3)可避免热裂纹和冷裂纹焊接缺陷；(4)避免了焊接产生的气孔和焊接变形，未熔合和未焊透；(5)焊接材料(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，有利于材料焊丝的选择与快速研制。

以前包括教科书所言，旋转射流熔滴过渡形式的熔化极混合气体保护(MAG)焊，因为焊接过程飞溅大、焊缝成型差，被认为根本不可应用于实际机械制造过程之中。目前，国内外被广泛使用的同类高效MAG焊接技术是以高昂的氦气为主要组元的混合气体焊接技术(如TIME、RAPID MELT、LINFAST等)，但这些技术的工艺和设备的使用都比较昂贵。

本发明者认为焊接熔滴过渡形式是熔滴所受的各种力综合作用的最终结果：特殊的TIME焊接(Transfer Ionized Molten Energy Process Welding)能够得到稳定的旋转射流过渡形式也是由于熔滴所受合力作用的结果，而合力的大小和方向与混合气体的配比成分和组元种类(富氦)都有着密切的关系；不同焊接保护气体成分对熔滴旋转有着不同的作用和效果。国内外其他研究者希望通过改变混合气体配比这个单一途径，希望采用某种无氦混合气体，以获得稳定旋转射流过渡形式的焊接，实践证明这种单一措施目前还不能解决连续大电流区间熔滴过渡的稳定性。本发明者认为：电弧由带电粒子组成，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)，旋转射流过渡时的熔滴是一种高温、高速运动的微细金属液滴，其行为必定受粒子运动和外加磁场的影响，如果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。基于这种基本原理，本发明者在2000年公开独立提出了通过外部手段控制(电磁控制)高效MAG焊接电弧行为的方法，从而为实现无氦混合气体保护的高熔敷率、低成本MAG焊接方法提供了新的思路与技术手段，并申请了国家发明专利(200510019637.6)。

本发明者在电磁控制焊接技术的基础理论与工程应用的研究中发现：采用外加纵向磁场可以促使焊接电弧旋转并改变电弧等离子流力和电流密度的分布，进而影响焊丝加热熔化、熔滴的过渡频率和过渡形式，减少液态金属细小熔滴的飞溅；另外，电磁控制焊接技术可以有效地搅拌焊接熔池，改变焊接熔池金属的凝固状况，细化焊缝金属的一次结晶组织，减小化学不均匀性，提高焊缝金属的塑性和韧性；同时，又能降低焊缝结晶裂纹和气孔的敏感性，改善奥氏体不锈钢焊缝金属抗晶间腐蚀的能力，全面提高焊接接头的质量。

因此，电磁控制焊接技术被认为是一种正在不断发展与完善的、高效、低耗、高质、先进的材料加工技术之一；而以窄间隙或超窄间隙脉冲射流过渡为特征的熔化极气体保护焊接方法是一种先进的中高强度大厚度构件的新型焊接技术。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种创新的中高强度厚件窄间隙磁控射流熔化焊接方法与设备，以便突破传统熔化焊接技术的局限对材料加工高昂的制造成本、苛刻的工艺条件、特别是较短的使用寿命的长期牵制，解决新型高效熔化焊接技术对氦气保护气体的依赖，完善熔化焊接控制手段，扩大高效焊接技术的应用领域，从而在厚板焊接工程领域为开拓新的高效、绿色、先进的焊接技术作出贡献。

本发明的技术方案是一种中高强度厚件窄间隙磁控射流熔化焊接方法，其具体要点是：

在窄间隙或超窄间隙条件下，通过固定在焊炬喷嘴外侧壁上、使用带导磁铁芯或不带导磁铁芯的励磁线圈，该励磁线圈与焊炬同轴，通过励磁电源提供励磁电流，产生时变或恒定的电磁搅拌外加磁场；该电磁场综合控制焊接电弧、焊丝熔化、熔滴过渡、流体流动、熔池搅拌、焊缝凝固过程，在高速送丝、长的焊丝外伸长度、惰性气体或混合气体保护、熔滴旋转射流过渡和脉冲焊接电流的条件下，对中高强度大厚度构件实现高熔敷率的电磁控制窄间隙或超窄间隙脉冲旋转射流熔化极气体保护焊接过程。

本发明所述的励磁电流采用恒定电流，励磁线圈产生恒定外加磁场，励磁电流的调节范围是1～80A；或者，励磁电流采用时变电流，励磁线圈产生不同频率、不同强度、正反方向交替变化的时变外加磁场。励磁电流的调节范围是励磁电流强度1～80A，频率1～150Hz，占空比20～80％。利用该外加磁场控制焊接电弧的旋转，焊丝端部熔滴脱落，形成稳定的熔滴旋转射流过渡，从而无需摆动焊炬，就能实现窄间隙两边厚板侧壁的焊接熔透，并且控制和克服工件侧壁打弧现象；同时，利用该外加磁场使焊接熔池的金属熔体充分搅拌，改善焊接熔池金属的结晶状况，改变焊接凝固过程和温度场的分布，控制焊缝组织、相和微观结构生成，促使焊缝晶粒细化，减小化学不均匀性，降低焊缝气孔的敏感性；不需要象埋弧焊那样进行清渣工序，减少了焊接缺陷，提高焊缝韧塑性，形成优质焊接接头，对中高强度大厚度构件实现电磁控制窄间隙和超窄间隙脉冲旋转射流熔化极气体保护焊接过程。

本发明所述的焊接方法包括以下的工艺条件：中高强度材料屈服强度为300MPa以上，窄间隙或超窄间隙构件的厚度与间隙比为4～20∶1；焊丝使用实心焊丝，或药芯焊丝，或粉芯焊丝；保护气体使用单独的体积百分比为100％的氩气，或100％的氦气，或100％二氧化碳，或10～20％二氧化碳和剩余百分比的氩气的混合气体，或0.1～5％氧气和剩余百分比的氩气的混合气体，或0.1～8％氧气和剩余的二氧化碳，或80～95％氩气和剩余百分比的氦气的混合气体，或2～15％二氧化碳、8～30％氦气和剩余百分比的氩气的混合气体，或2～15％二氧化碳、6～30％氦气、0.1～3％氧气和剩余百分比氩气的混合气体；底面采用水冷铜衬垫的强制底面成形方法或先行打底焊接工艺。

还包括与电磁控制的外加磁场参数相配合的、窄间隙或超窄间隙熔化极气体保护焊接工艺条件：焊接电流180～1500A，送丝速度0.8～50m/min，焊丝直经0.8～6mm，保护气体流量10～50L/min，焊接电压8～65V，焊接速度0.01～2m/min，焊丝干伸长度12～50mm，焊接电流的频率1～150Hz，占空比20～80％。

中高强度厚件窄间隙磁控射流熔化焊接设备，包括熔化极气体保护焊接系统，焊接电源，送丝系统，熔化极气体保护焊的焊炬，焊炬内装配的焊炬喷嘴，导电嘴，以及通过导电嘴的焊丝，其关键在于在现有普通熔化极气体保护焊接设备的基础上增设电磁控制熔化焊接装置。

该装置包括励磁电源、励磁设备、辅助装置和水冷系统，以实现电磁控制窄间隙或超窄间隙脉冲射流熔化极气体保护焊接过程。其具体要点是：

励磁设备主要由励磁线圈组成，励磁线圈固定于焊炬喷嘴外侧上、与焊炬同轴，例如励磁线圈通过支架端部的夹持锁紧机构，固定于焊炬喷嘴外侧上、与焊炬同轴。该励磁线圈位于工件窄间隙或超窄间隙的中间上方，可以调节励磁线圈在焊炬上的位置，由励磁电源提供励磁电流，产生外加磁场，实现多种电磁控制的焊接方式。

励磁线圈带导磁铁芯，导磁铁芯由单个中空的矩形整体或两个半月形的导磁铁芯构成，这一对导磁铁芯对接后，在其中央构成一个圆圈，焊炬从圆圈中穿过，导磁铁芯活动安装在励磁线圈中，可以自由调节其在励磁线圈中的位置，形成了一个横截面为矩形的励磁线圈结构；

或者，励磁线圈带导磁铁芯，导磁铁芯由单个环形整体或两个半环形的导磁铁芯构成，形成一个横截面为圆形的励磁线圈结构；

或者，励磁线圈带导磁铁芯，焊炬喷嘴内无冷却系统的情况下，将构成励磁线圈的金属线缠绕在具有蛇形细空心铜管或螺旋形细空心铜管冷却的焊炬喷嘴外侧壁上，并与细空心铜管和焊炬喷嘴绝缘，形成一种磁控焊接设备；

或者，励磁线圈不带导磁铁芯，形成常规的有励磁线圈的并与焊炬复合的磁控焊接设备；

或者，励磁线圈不带导磁铁芯，直接将构成励磁线圈的金属线缠绕在焊炬喷嘴外侧壁上，并与焊炬喷嘴绝缘，形成一种集成式紧凑型的磁控焊接设备。

导磁铁芯由多个独立体合理、有机地分布于线圈的不同位置组合构成，导磁铁芯的下端面形状收缩形成圆锥型或尖嘴型，以便于磁力线更集中作用于焊缝；

在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上，自由调节励磁线圈在焊炬上的位置，实现不同焊接速度，间隙大小合理的电磁控制脉冲射流焊接施加方式；

励磁电源能够提供多种频率和多种强度的时变励磁电流或恒流励磁电流，焊接电源采用能够产生多种波形的脉冲大功率电源，上述电源为数字逆变式或普通式电源；

励磁线圈与焊炬同步同速运动，或静止。

带励磁线圈的焊炬可以与另一个相同种类的焊炬，或其他种类的焊炬同时工作，形成复合焊接方式，或使用双丝或多丝进行高效焊接。

在焊接过程中，根据需要可综合调节励磁线圈、导磁铁芯、工件、焊炬喷嘴和焊丝之间的相对位置或距离。

焊接设备包括新型双向水冷系统对焊炬、励磁设备进行循环水冷却，在焊接过程中起到保护作用，具体是：

焊炬喷嘴的内壁上设有螺旋状的螺纹水流沟槽，在该水流沟槽外侧盖有喷嘴挡板，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；

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，该水冷系统设有水流沟槽和错开排列的两排水流隔板，两排水流隔板分别与水流沟槽两侧的外挡板相连，保护励磁设备不变形；

焊炬的导电嘴中也设计有水冷系统，可以满足大电流焊接的需要，带走焊炬内部的热量，保持焊炬良好的工作状态；

在上述的集成式紧凑型的励磁方式中，焊炬喷嘴的内壁不带水冷系统的条件下，根据需要励磁线圈与焊炬喷嘴之间设有一层竖向排列的蛇形细空心铜管或螺旋形排列的细空心铜管，保护焊炬和励磁设备不变形，焊炬尺寸较小，满足窄间隙高密度焊接电流的需要。

辅助设备包括固定支架、绝缘部件和蛇形细空心铜管等，对设备的相对空间位置、安装形式或安全保护等进行综合调控作用。

本发明提供的电磁控制焊接方法和焊接装置在下述方面的的拓展应用：

用于窄间隙焊接，或超窄间隙焊接，或普通工件宽度的焊接；

用于高熔敷率熔化极气体保护焊，或高速熔化极气体保护焊，或低成本的纯二氧化碳气体保护焊，或普通熔化极气体保护焊，或大电流的熔化极气体保护焊，或粗丝熔化极气体保护焊，或双丝熔化极气体保护焊，或复合熔化极气体保护焊；

用于直流，交流和脉冲熔化极气体保护焊焊接；

用于碳钢、合金钢、高强钢、特种钢、不锈钢、铝镁合金，或者锅炉钢、桥梁钢、船舶用钢、压力容器钢的多种黑色和有色金属材料的焊接；

用于单层焊、多层焊，或单道焊、多道焊；

用于实心焊丝，药芯焊丝和粉芯焊丝的焊接；

用于工件不开坡口，或者开V形坡口，或者开X形坡口，或者T形接头的焊接；

用于直缝，立缝，环缝的对接，角接，搭接，全位置焊接；

用于底面强制成形的单面焊双面成形工艺，或单面焊，或双面焊；

用于机械制造，船舶，桥梁，建筑，冶金，石油，水利，化工，航空工业领域；

在更换焊炬的条件下，将励磁电源、励磁设备、辅助设备和特殊的水冷系统，拓展应用于其他焊接或堆焊工艺中，对工件实现其它种类的电磁控制焊接过程：

用于非熔化极气体保护焊接(TIG)，埋弧焊接(SAW)，电渣焊接(ESW)，等离子弧焊接(PAW)，堆焊(SW)，电子束焊接(EBW)，电阻焊(RW)，激光焊接(LBW)领域。

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，有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，实现了焊接热输入和分布的有效控制，并在焊层间具有热处理作用。

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场高效气体保护焊接的创新方法，为解决堆焊焊接的“两难”问题提供了新途径。

其六.与其他磁控焊接技术(如等离子堆焊)相比，采用电磁场控制高效气体保护焊接新技术，提高了焊接质量和焊接速度，实现了厚板焊接技术的创新。

其七.与常规焊接工艺相比，使用药芯焊丝或粉芯焊丝焊接时，或者在二氧化碳气体保护焊接时，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。促进了先进焊接技术领域绿色、可持续、满足循环经济需求的高技术工艺与设备的发展，完善和丰富了中高强度大厚板构件焊接的基础理论和技术实践能力。

本发明实现了中高强度大厚构件焊接领域新型、高效、优质、先进焊接技术，其包括：突破了电渣焊高效率和低焊接韧性的两个矛盾限制，也突破了埋弧焊高效率和工艺繁琐的两个矛盾限制，同时实现了高焊接质量性、工艺简单性、高效率性、全位置性等多个优秀品质的有效协调与合理统一，降低了焊接成本，提高了竞争力；采用完善的中高强度大厚构件窄间隙或超窄间隙脉冲射流熔化极焊接技术成功克服了单一普通焊接或磁控焊接的使用局限，从而在可持续、满足循环经济需求的先进焊接技术工艺与设备的开发与实际利用方面作出了贡献。可以预期，本发明必将在模具制造与再制造、大型成套装备、机械制造、材料加工、超大型工程建设以及绿色制造等领域具有广阔的应用价值与发展前景。总之，本发明实现高效、低成本、高质量、高稳定性、多适用性、多方式综合易控的焊接过程。

附图说明

图1是带有导磁铁芯的磁控焊矩结构示意图，图中：1.水冷铜衬垫(或打底层)；2.夹持锁紧机构；3.励磁线圈；4.支架；5.导磁铁芯；6.焊炬喷嘴；7.导电嘴；8.焊丝；9.窄间隙工件；10.励磁电源；11.焊接电源；12.隔热层。

图2是支架4和导电嘴7内的水冷系统示意图，其中：13.水流沟槽；14.外挡板；15.水流隔板。图中箭头表示冷却水流向。

图3是焊矩喷嘴6内水冷系统示意图，其中：16.挡板；17.内壁；18.螺纹水流沟槽。图中箭头表示冷却水流向。

图4是一种紧凑型磁控焊矩示意图，其中：19.励磁线圈金属线(丝)；20.蛇形细空心水冷铜管。

图5是蛇形细空心水冷铜管20的结构示意图，其中：21.进水口；22.出水口。

图6是励磁线圈3和焊炬装配的横截面示意图，图中有带矩形截面导磁铁芯5的励磁线圈3和蛇形细空心水冷铜管20，焊炬喷嘴6无冷却系统。

图7是一种励磁线圈3和焊炬装配的横截面示意图，图中有带矩形截面导磁铁芯5的励磁线圈3和螺旋形细空心水冷铜管23，焊炬喷嘴6无冷却系统。

图8是一种紧凑型磁控焊矩的横截面示意图，图中没有导磁铁芯，无独立的励磁线圈，焊炬喷嘴6无冷却系统，带有蛇形细空心水冷铜管20，形成上下脉冲式水冷系统。

图9是一种紧凑型磁控焊矩的横截面示意图，图中不带导磁铁芯，无独立的励磁线圈，焊炬喷嘴无冷却系统，带有螺旋形细空心水冷铜管23，形成螺旋式水冷系统。

具体实施方式

本发明是一种中高强度厚件窄间隙磁控射流熔化焊接方法和设备。下面结合实施例及附图对本发明作进一步的说明。

一.电磁控制窄间隙或超窄间隙脉冲射流熔化极气体保护焊接方法

本方法是一种中高强度厚件窄间隙磁控射流熔化焊接方法，具体如下：

如图1所示：在工件9窄间隙或超窄间隙条件下，底面强制成形的水冷铜衬垫1(或打底层)上，通过固定在焊炬喷嘴6外侧上、使用带导磁铁芯5或不带导磁铁芯的励磁线圈3，该励磁线圈3与焊炬同轴，通过励磁电源10提供励磁电流，产生时变或恒定的外加磁场，焊接电源11提供脉冲焊接电流或普通焊接电流；该电磁场综合控制焊接电弧、焊丝熔化、熔滴过渡、流体流动、熔池搅拌、焊缝凝固过程，在高速送丝、长的焊丝外伸长度、惰性气体或混合气体保护、熔滴旋转射流过渡和脉冲焊接电流的条件下，对中高强度大厚度构件，实现高效优质的电磁控制熔化极气体保护焊接过程。

电磁场通过五个方面来实现综合控制焊接过程：改变磁场的种类(时变磁场或恒定磁场)，改变磁场的频率(不同频率)，改变电磁场的强度(不同强度的电磁场)，改变电磁场的施加方式(纵向或横向施加)，改变电磁场的方向(正向或反向)；并根据焊接对象改变焊接保护气体的成分和配比(CO₂，或Ar，或He，或Ar+CO₂，或其它多元气体成分和配比)以及与焊接工艺参数(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.励磁线圈3和励磁电源10配对使用。

励磁线圈3接励磁电源10，产生的时变纵向电磁场或恒定纵向电磁场，进行电磁搅拌，对窄间隙工件9实现符合焊接工艺要求的电磁控制窄间隙或超窄间隙脉冲射流熔化焊焊接过程。

2.在正式开始进行电磁控制窄间隙或超窄间隙脉冲射流熔化焊接前，需要采用适当的焊接方式(如MAG焊，或MIG焊，或TIG焊)对窄间隙工件9的端部首先进行打底或封底焊，形成打底层1，再进行正式的焊接；或底面使用强制成形的水冷铜衬垫，实现单面焊双面成形(底面强制成形)焊接过程。

3.本发明所述的电磁控制窄间隙或超窄间隙脉冲射流熔化焊接过程包括如下的工艺条件：中高强度材料屈服强度为300MPa以上，窄间隙或超窄间隙构件的厚度与间隙比为4～20∶1，底面采用水冷铜衬垫的强制底面成形方法或先行打底焊接工序；焊丝使用实心焊丝，或药芯焊丝，或粉芯焊丝；保护气体使用体积百分比为100％的氩气，或100％的氦气，或100％二氧化碳，或10～20％二氧化碳和剩余百分比的氩气的混合气体，或0.1～5％氧气和剩余百分比的氩气的混合气体，或0.1～8％氧气和剩余的二氧化碳，或80～95％氩气和剩余百分比的氦气的混合气体，或2～15％二氧化碳、8～30％氦气和剩余百分比的氩气的混合气体，或2～15％二氧化碳、6～30％氦气、0.1～3％氧气和剩余百分比氩气的混合气体。

4.本发明还包括与外加磁场相配合的、窄间隙或超窄间隙熔化极气体保护焊接工艺条件：焊接电流180～1500A，送丝速度0.8～50m/min，焊丝直经0.8～6mm，保护气体流量10～50L/min，焊接电压8～65V，焊接速度0.01～2m/min，焊丝干伸长度12～50mm，焊接电流的频率1～150Hz，占空比20～80％。

特别需要指出的是应该根据实际材料的种类、尺寸和接头形式、间隙大小等，综合考虑外加磁场和熔化焊接工艺参数的合理匹配，如焊丝长度、焊接速度，保护气体成份、焊接电流，焊接电压、磁场施加方式、磁场强度和频率等，并根据实际对象和使用的焊接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接头。

二.电磁控制窄间隙或超窄间隙脉冲射流熔化极气体保护焊接设备

本设备是电磁控制熔化极气体保护焊接的通用设备，如图1所示：包括熔化极气体保护焊接系统，设有焊接电源11，送丝系统，一体式的熔化极气体保护焊的焊炬，焊炬内装配的焊炬喷嘴6，导电嘴7，以及通过导电嘴的焊丝8，其关键是在现有普通熔化极气体保护焊接设备的基础上增设电磁控制熔化焊接装置，由励磁电源10、励磁设备、辅助设备和水冷系统构成，励磁线圈3是励磁设备的主体。

1.励磁线圈3：

根据实际焊接需要，所述励磁线圈3与窄间隙工件的垂直距离可调，励磁线圈3与焊矩7同轴，励磁线圈3带或不带导磁铁芯5。与之配套的励磁电源10采用四通道数字电源或两套独立的数字电源或普通电源，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：励磁线圈3位于工件9窄间隙中间上方，通过支架4端部的夹持锁紧机构2固定于焊炬喷嘴6外侧壁上，且与焊炬同轴，可以调节励磁线圈3在焊炬上的位置，励磁线圈3与励磁电源10相连，由励磁电源10提供励磁电流，产生外加磁场。

如图1、图6和图7所示：励磁线圈3的横截面是长方形的结构，也可为轴对称的圆柱体结构；励磁线圈3带导磁铁芯，导磁铁芯由单个中空矩形整体或两个半月形的导磁铁芯5构成，这一对导磁铁芯对接后，在其中央构成一个圆圈，焊炬从圆圈中穿过，导磁铁芯5活动安装在励磁线圈3中，可以自由调节其在励磁线圈3中的位置，形成了一个横截面为矩形的励磁线圈结构，实现不同磁场强度的电磁控制脉冲射流焊接施加方式；在导磁铁芯5与励磁线圈3之间有支架4，支架4的端部设有与焊炬相连的夹持锁紧机构2，其将励磁线圈固定在焊炬上，支架4内装有水冷系统，在励磁线圈3的支架4的前端有隔热层12；励磁线圈与焊炬同速运动，或在窄间隙工件9运动的状况下保持静止。

导磁铁芯5端部的形状可根据实际使用需要设计成不同的形状，如图1中导磁铁芯5的下端面形状收缩，形成的尖嘴型，以便于磁力线更集中作用于焊缝。励磁线圈3使用的导磁铁芯5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，根据焊接过程的实际需要可综合调节励磁线圈、导磁铁芯、焊接工件、焊炬喷嘴和焊丝之间的矩离。

如图4所示：直接将涂有绝缘材料或经绝缘处理的构成励磁线圈的金属线19缠绕在焊炬喷嘴6外侧，并与焊炬喷嘴之间设有绝缘层产生绝缘作用，形成一种集成式紧凑型的励磁方式，满足有特定空间尺寸限制的窄间隙电磁控制焊接的需要。

2.水冷系统：

焊接设备包括新型双向水冷系统对焊炬、励磁设备等进行循环水冷却，在焊接过程中起到保护作用，下面结合附图说明设备的水冷系统：

如图2所示：励磁线圈3的支架4内的水冷系统采用盖板式矩形脉冲形冷凝水流模式，该水冷系统设有水流沟槽13和错开排列的两排水流隔板15，两排水流隔板15分别与水流沟槽13两侧的外挡板14相连，保护励磁设备不变形，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，尽管其整个空间设计集成的结构简单，但冷却作用强烈，完全能够适应熔滴射流过渡形式的大电流焊接的需要。图中箭头表示水流的通道与方向。焊炬的导电嘴7中也设计有该水冷系统，可以满足大电流焊接的需要，带走焊炬内部的热量，保持焊炬良好的工作状态。

如图3所示：焊炬喷嘴6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6的内壁17上设有螺旋状的螺纹水流沟槽18，在该水流沟槽18外侧盖有喷嘴挡板16，形成了焊炬喷嘴6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。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，焊炬不变形，完全能够适应高效磁控焊接的需要。

如图5、图8和图9所示所示：上述的集成式紧凑型励磁方式中，焊炬喷嘴6的内壁17不带水冷系统的条件下，根据需要励磁线圈3与焊炬喷嘴6之间设有一层竖向排列的蛇形细空心铜管20或螺旋形排列的细空心铜管23，这样使整个焊矩的横截面直径较小，保护焊炬、导磁铁芯和励磁设备不变形，焊炬尺寸较小，均处于良好的工作状态，满足超窄间隙高密度焊接电流的需要。

如图5、图6和图7所示：设有矩形导磁铁芯5，焊炬喷嘴6内无冷却系统，将构成励磁线圈的金属线缠绕在具有细空心铜管冷却系统的焊炬喷嘴6外侧壁上，并与细空心铜管和焊炬喷嘴绝缘，形成一种磁控焊接设备；

因此，设备具有三重水冷结构形成双向强制冷却体系，其作用是设备在大电流、长时间连续焊接时，设备的散热和正常工作，为在有限的几何空间内实现有效的冷却保护作用。

3.辅助设备：

辅助设备包括支架4，夹持锁紧机构2，隔热层12，导磁铁芯5，底面强制成形的水冷铜衬垫1，水冷循环系统；辅助设备具有一定的耐高温能力，结构简单易于更换。

4.励磁电源10和焊接电源11：

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脉冲波形的数字式焊接电源。

所以，在焊接过程中，根据需要可综合调节励磁线圈、导磁铁芯、工件、焊炬喷嘴和焊丝之间的相对位置或距离。

三.简述本方法和设备的工作过程与作用原理

如图1所示，本发明励磁线圈3通过相同或不同的励磁电源10提供励磁电流，产生时变或恒定的外加纵向磁场；本发明励磁线圈3产生的外加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，熔滴形成稳定的、周期性旋转射流过渡状态，从而无需摆动焊炬，就能实现窄间隙两边厚板侧壁的焊接熔透，并且控制和克服工件侧壁打弧现象；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，并在窄间隙或超窄间隙的多层或多道焊接时，起到热处理作用，促进晶粒细化，减小化学不均匀性，改善焊缝组织的晶粒大小、分布和结构状态，不需要象埋弧焊那样进行清渣工序，减少了焊接缺陷，提高焊缝韧塑性，形成优质焊接接头，对中高强度大厚度构件实现电磁控制窄间隙和超窄间隙脉冲旋转射流熔化极气体保护焊接过程。

实际焊接时，根据不同的焊接工艺、焊接母材材质、焊接材料和接头坡口形式等，采用本发明提供的中高强度厚件窄间隙磁控射流熔化焊接方法和设备，综合考虑电磁场和窄间隙或超窄间隙焊接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，保证了高效、优质、低成本中高强度大厚度构件焊接过程的实施。

四.具体的工艺参数

下述实施例是按照本发明提供的焊接方法和设备实施的，并进行常规的焊前工件清理工序：

例1：外加纵向磁场控制40mm厚20G钢10mm宽窄间隙脉冲射流焊接，焊接工艺参数如下可以获得良好的焊接接头：外加磁场强度为0.01～0.05T，磁场频率为1～5Hz(即励磁电流的强度8～40A，励磁电流频率为1～5Hz)，磁场占空比20～80％，焊接电流为300～600A，焊接电流的频率1～50Hz，焊接电流的占空比30～70％，焊接速度0.4～5m/min，氩气保护气体15L/min，送丝速度1～60m/min，焊丝干伸长度12～25mm，焊丝直径1.2mm，焊丝牌号H08A。

例2：外加纵向磁场控制50mm厚A3钢超窄间隙4.5mm宽脉冲射流焊接，焊接工艺参数如下可以获得良好的焊接接头：外加磁场强度为0.01～0.06T，磁场频率为1～8Hz(即励磁电流的强度10～50A，励磁电流频率为1～8Hz)，磁场占空比20～80％，焊接电流为200～600A，焊接电流的频率1～20Hz，焊接电流的占空比30～70％，焊接速度0.3～7m/min，氩气保护气体18L/min，送丝速度15～50m/min，焊丝干伸长度18～28mm，焊丝直径1.2mm，焊丝牌号H08A。

由上述实例可知，应该综合考虑电磁场和焊接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、电磁搅拌磁场强度和频率等，并根据实际焊接对象和材料对主要工艺参数进行系统优化，这样才能保证获得高质量的焊接接头。

Claims (2)

1.一种中高强度厚件窄间隙磁控射流熔化焊接方法，包括普通的熔化极气体保护焊接方法，其特征在于：在窄间隙条件下，通过固定在焊炬喷嘴(6)外侧壁上、使用带导磁铁芯或不带导磁铁芯的励磁线圈(3)，该励磁线圈(3)与焊炬同轴，通过励磁电源(10)提供励磁电流，产生时变的电磁搅拌外加磁场；该电磁场综合控制焊接电弧、焊丝熔化、熔滴过渡、流体流动、熔池搅拌、焊缝凝固过程，在高速送丝、长的焊丝外伸长度、惰性气体或混合气体保护、熔滴旋转射流过渡和脉冲焊接电流的条件下，对中高强度大厚度构件实现高熔敷率的电磁控制窄间隙脉冲旋转射流熔化极气体保护焊接过程；所述焊接的工艺条件：

(A)中高强度材料屈服强度为300MPa以上，大厚度构件的窄间隙参数是构件厚度与间隙比为4～20∶1；底面采用水冷铜衬垫的强制底面成形方法或先行打底焊接工艺；

(B)焊丝使用实心焊丝，或药芯焊丝；

(C)保护气体使用体积百分比为100％的氩气，或100％的氦气，或100％二氧化碳，或10～20％二氧化碳和剩余百分比的氩气的混合气体，或0.1～5％氧气和剩余百分比的氩气的混合气体，或0.1～8％氧气和剩余的二氧化碳，或80～95％氩气和剩余百分比的氦气的混合气体，或2～15％二氧化碳、8～30％氦气和剩余百分比氩气的混合气体，或2～15％二氧化碳、6～30％氦气、0.1～3％氧气和剩余百分比氩气的混合气体；

(D)焊接电流180～1500A，送丝速度0.8～50m/min，焊丝直经0.8～6mm，保护气体流量10～50L/min，焊接电压8～65V，焊接速度0.01～2m/min，焊丝干伸长度12～50mm，焊接电流的频率1～150Hz，占空比20～80％。

2.根据权利要求1所述的中高强度厚件窄间隙磁控射流熔化焊接方法，其特征在于：励磁电流采用时变电流，所述励磁线圈(3)产生不同频率、不同强度、正反方向交替变化的时变外加磁场，励磁电流的调节范围是励磁电流强度1～80A，励磁电流频率1～150Hz，占空比20～80％；

在所述的外加磁场作用下，焊接电弧是周期正反向旋转式电弧，熔滴过渡形式为稳定的脉冲旋转射流，不需摆动焊炬，实现窄间隙两边厚板侧壁的焊接熔透，并且控制和克服工件侧壁打弧现象；

同时，在所述的外加磁场作用下，焊接熔池熔体作规律性正反向强制对流运动，轴向和径向熔池熔体充分搅拌，温度场分布和焊接凝固过程不同于普通焊接状况，焊缝细小晶粒生成，化学不均匀性减小，焊缝气孔敏感性降低，不需要象埋弧焊那样进行清渣工序，焊接缺陷减少，焊缝韧塑性提高，对中高强度大厚度构件实现电磁控制窄间隙脉冲旋转射流熔化极气体保护焊接过程。

Images