CN101862873A - 一种电磁激励tig电弧熔-钎焊复合焊接方法和设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电磁激励TIG电弧熔-钎焊复合焊接方法和设备，在焊接区域使用外加交变磁场控制焊接电弧的特性，对电弧熔-钎焊的液态钎料熔池进行电磁搅拌与电磁激励强化的辅助作用，促进液态钎料有序流动及其在熔点较高的金属材料表面破膜、润湿、铺展与扩散，促进液态钎料与熔点较低金属材料熔化的母材充分地混合，提高钎焊焊缝成分的均匀化程度，减少焊接缺陷，优化钎焊焊缝组织与性能，提高钎焊接头质量，并且该设备结构简单，应用灵活，成本较低，效果较佳，易于实现。
Description
技术领域
本发明涉及一种钎焊领域，特别是利用外加磁场辅助的电磁激励TIG电弧熔-钎焊复合焊接方法和设备。
背景技术
非熔化极惰性气体保护电弧熔-钎焊是以一种新型的以TIG电弧为热源的钎焊工艺，非熔化极惰性气体保护电弧钎焊(TIG电弧钎焊)，钎焊时电弧在电极与工件之间引燃，采用惰性气体进行保护，以熔点低于母材的焊丝作为焊接材料(钎料)，焊接时焊丝(钎料)熔化而母材局部或不熔化，实现同种或异种金属材料间的连接；2000年乌克兰巴顿焊接研究所和乌克兰海洋技术大学发明了TIG氩弧钎焊镍基合金工艺，并对镍基合金叶片进行电弧钎焊修复技术研究；德国、美国、日本等国在汽车部件制造及电器制造业种已经采用这种方法。电弧钎焊热输入小，接头变形与焊接热影响区小，操作方便且易于实现自动化，同时电弧能有效去除氧化膜，焊后接头不用清洗，是一种具有很高实用价值的焊接技术，有着广泛的发展空间。
电磁搅拌技术(EMS)，是近年来发展和逐渐完善起来的一种新型焊接技术，1971年Tseng和Savage深入研究了TIG焊时电磁搅拌对微观组织和性能的影响，随后，国内外开始对外加磁场作用下的焊接技术开展了广泛研究。电弧钎焊过程中利用焊接电弧作为热源且填充焊丝(钎料)发生了熔化和重新凝固，因此辅助电磁搅拌用于电弧钎焊过程中可以改变熔池金属柱状晶生长方向，细化组织，影响初生相与共晶组织的形貌和尺寸，促进成分均匀化以及控制界面形状。
焊接电弧是一种持续的气体放电现象，在外加磁场作用下其形态会发生明显变化。外加纵向磁场使电弧温度分布发散，温度场“矮而胖”，电弧中心的温度下降、径向温度梯度减小。由于焊接电弧的旋转扩张，焊缝熔宽增加而熔深减小，熔池中的液态金属受洛仑兹力的作用绕焊接电弧中心轴旋转，前端液态金属沿熔池一侧向尾部流动，相应的熔池尾部液态金属沿另一侧向前端流动，有利于电弧钎焊过程中液态钎料的流动及其对固态母材的润湿与铺展。
液态钎料充分流入并致密地填满全部钎缝间隙，又与母材发生很好的相互作用，是形成优质钎焊接头的前提。目前，单一钎焊方法在使用时常受到设备或工艺特点的限制，且一般都需要使用钎剂；复合钎焊方法已经逐渐受到重视并开展了相应的研究和应用，如电弧钎焊、激光钎焊等。
为防止母材熔化，电弧钎焊热输入通常较小，由填充金属形成的液态熔池保持时间较短，不利于液态金属在母材表面充分铺展和形成扩散层。将已经在电弧焊领域得到研究应用的电磁搅拌技术复合到电弧钎焊工艺中，通过在焊接区产生附加磁场影响焊接电弧特性来促进液态钎料流动及在母材上的润湿与铺展，促进钎料与母材间的相互扩散，可以有效地改善电弧钎焊连接质量。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有TIG电弧熔-钎焊技术不利于液态熔池金属的均匀混合及其在母材表面充分铺展和与母材相互扩散的问题，利用结构简单的电磁激励装置，在焊接区产生磁场影响焊接电弧特性，并对液态钎料熔池进行辅助电磁搅拌和电磁激励作用，从而促进液态钎料流动及在熔点较高母材上的润湿、铺展与扩散，促进液态钎料与熔点较低母材的熔化部分充分均匀混合，提高钎缝成分均匀化程度，减少焊接缺陷，优化钎缝组织与性能，改善电弧熔钎焊连接质量；该方法附加设备简单，易于实现，适用面广。
本发明采用了如下的技术方案：
根据工件具体情况和焊接位置，电磁激励TIG电弧熔-钎焊复合焊接方法和设备，在TIG电弧熔-钎焊过程中，利用励磁线圈或者其它磁场产生装置，在焊接区域产生外加交变混合磁场控制焊接电弧的特性，在钎料熔池中电磁力与其中的焊接电流分布相互作用下，对钎焊的液态钎料熔池进行电磁搅拌与电磁激励强化作用，促进液态钎料有序流动及其在工件表面破膜、润湿、铺展与扩散，促进液态钎料与工件熔化的母材充分地混合形成钎焊焊缝，提高钎焊焊缝成分的均匀化程度，减少焊接缺陷，优化钎焊焊缝组织与性能，以提高钎焊接头的质量和寿命。
作为钎料的焊丝接焊接电源的正极，焊枪钨极接电源的负极，工件不与焊接电源相连接；直流焊接时，将有利于作为钎料的焊丝熔化，而钨极热量较少，避免焊枪钨极的严重烧损，同时，因焊接工件的热输入少，防止焊接工件的大变形，形成低能量的TIG钎焊技术；交流焊接时，作为钎料的焊丝与钨极的焊接极性交替变化，特别有利于有色金属材料的TIG电弧熔-钎焊，焊接工件的热输入也较低，防止焊接工件因能量输入过大而产生大变形。
电磁激励TIG电弧熔-钎焊复合焊接方法的工艺参数为：TIG电弧，钨极直径Φ1.6-3.2mm，焊接电流40-280A，电弧长度1-4mm，焊接速度30-270mm/min，Ar气流量5-16L/min，钎料焊丝直径Φ0.8-3.2mm，送丝速度80-360mm/min，辅助磁场强度为20～1200Gs，占空比为30-60％，磁场频率为3-50Hz，钎料通过填丝方式进进行钎焊，与焊接前进方法的夹角为10-30度。
电磁激励TIG电弧熔-钎焊复合焊接方法和设备，所使用的励磁线圈单独由基于ARM微处理器的数字化专用励磁电源供给精准的励磁电流，其励磁电流波形为间歇变极性的长方波形，产生出相应的间歇交变混合磁场，外加磁场频率与强度精确可调，配合相应的TIG电弧熔-钎焊方法使用；外加辅助磁场的电磁激励和电磁搅拌作用使液态钎料在短暂的焊接过程中更充分地在固态母材基体上润湿与铺展，且与发生熔化的液态金属母材充分均匀混合，促进电弧熔钎焊工艺过程中钎料与母材间的相互扩散和成分均匀化，并能实现电磁净化、电磁热处理的独特功能，抑制有害物质的形成，提高钎焊接头的强度，综合改善TIG电弧熔-钎焊的连接质量。
电磁激励TIG电弧熔-钎焊复合焊接方法和设备，适用于I型、V型、Y型、X型等多种焊缝形式，接头为对接、搭接、卷边、点接头等多种结构；将励磁线圈安装在焊枪上，由焊缝正面垂直对液态钎料实施电磁激励作用；或者将励磁线圈安装在工件背面，由焊缝背面垂直对液态钎料实施电磁激励作用；或者安装两个励磁线圈，同时在焊缝正面和背面垂直对液态钎料实施电磁激励作用；或者外加辅助磁场倾斜施加于钎焊液态熔池，磁场与工件水平面的夹角为30-60°、以电极中心线为轴线的立体圆锥面的任意位置；或者外加纵向辅助磁场只施加在工件焊缝的单独一侧，形成半磁场的电磁激励TIG电弧熔-钎焊复合方式。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)利用外加辅助磁场影响焊接电弧特性，对液态钎料熔池进行辅助电磁搅拌，促进液态钎料流动及在工件母材上的润湿、铺展与扩散，促进液态钎料与工件母材发生局部熔化的金属相互充分均匀混合，从而调节凝固前沿形状，减少熔体中径向、轴向的温度梯度，提高钎缝成分均匀化程度。
(2)外加辅助磁场的电磁激励和电磁搅拌作用使液态钎料在短暂的焊接过程中更充分地在固态母材基体上润湿与铺展，且与发生熔化的液态金属母材充分均匀混合，促进TIG电弧熔钎焊工艺过程中钎料与母材间的相互扩散和成分均匀化，并能实现电磁净化、电磁热处理的独特功能，抑制有害物质的形成，提高钎焊接头的强度，综合改善电弧熔-钎焊的连接质量。
(3)外加辅助磁场产生的电磁搅拌能够细化接头晶粒，改变结晶方向，使钎缝出现等轴晶，促进第二相化合物细小弥散分布；能够减小偏析和钎缝结晶裂纹倾向，抑制焊接气孔和减少缩孔缩松，有助于提高接头的力学性能。
(4)所使用的附加励磁装置结构简单，采用基于ARM微处理器的励磁电源性能可靠，输出波形形式多样，精度较高，功能稳定，成本不高，易于实现；适用于I型、V型、Y型、X型等多种常用焊缝形式。
(5)在异种金属材料连接的TIG电弧熔-钎焊过程中，外加辅助磁场可以通过焊缝正面或背面、垂直或倾斜、单个或多个复合、以及半侧面磁场等多种形式灵活地对液态熔池实施电磁激励作用，以满足不同的要求；特别是施加半侧辅助磁场可以单独控制使低熔点金属母材不至于过热，加快焊缝气孔溢出，防止咬边，也可以单独控制钎料在高熔点金属母材上的破膜、铺展、润湿和流动等作用。
(6)本发明可以采用多种焊接热源，如TIG、MIG、激光焊、等离子弧焊、变极性等离子弧焊、真空电子束焊接、非真空电子束焊、轴向摩擦焊、径向摩擦焊、电阻焊等；本发明也可应用于同种材料、复合材料、非金属材料等领域的熔-钎焊连接技术；
(7)作为钎料的焊丝接焊接电源的正极，焊枪钨极接电源的负极，工件不与焊接电源相连接；直流焊接时，将有利于作为钎料的焊丝熔化，而钨极热量较少，避免焊枪钨极的严重烧损，同时，因焊接工件的热输入少，防止焊接工件的大变形，形成低能量的TIG钎焊技术；交流焊接时，作为钎料的焊丝与钨极的焊接极性交替变化，特别有利于有色金属材料的TIG电弧熔-钎焊，焊接工件的热输入也较低，防止焊接工件因能量输入过大而产生大变形。
附图说明
图1电磁激励TIG电弧熔-钎焊复合焊接方法和设备示意图；图2电磁激励TIG电弧熔-钎焊复合焊接方法和设备的焊缝横截面示意图；图3外加纵向辅助磁场施加在金属材料一侧的示意图；图4外加辅助纵向磁场施加在工件底部的示意图；图5外加辅助横向磁场施加示意图；图6外加辅助磁场施加在高熔点金属材料一侧的示意图。
在图中，1、励磁线圈导线；2、励磁线圈；3、绝缘层；4、喷嘴；5、导电嘴；6、钨极；7、焊接电弧；8、焊缝；9、工件；10、钎料焊丝；11、熔池；12、焊接电源。
附图给出的电磁激励TIG电弧熔-钎焊复合焊接方法和设备的示意图，仅为帮助理解本发明的要点，在实际应用时可根据具体情况进行改造，并不限于此结构。
具体实施方式
本发明主要包含一种电磁激励TIG电弧熔-钎焊复合焊接方法和设备。下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细说明。
如图1和图2所示，电磁激励TIG电弧熔-钎焊复合焊接方法和设备，在TIG电弧熔-钎焊过程中，利用励磁线圈2或者其它磁场产生装置，其特征在于焊接区域产生外加交变混合磁场控制焊接电弧7的特性，在钎料熔池中电磁力与其中的焊接电流分布相互作用下，对钎焊的液态钎料熔池11进行电磁搅拌与电磁激励强化作用，促进液态钎料有序流动及其在工件9表面破膜、润湿、铺展与扩散，促进液态钎料与工件熔化的母材充分地混合形成钎焊焊缝8，提高钎焊焊缝成分的均匀化程度，减少焊接缺陷，优化钎焊焊缝组织与性能，以提高钎焊接头的质量和寿命；
如图1所示，作为钎料的焊丝10接焊接电源12的正极，焊枪钨极6接电源的负极，工件9不与焊接电源相连接；直流焊接时，将有利于作为钎料的焊丝熔化，而钨极热量较少，避免焊枪钨极的严重烧损，同时，因焊接工件的热输入少，防止焊接工件的大变形，形成低能量的TIG钎焊技术；交流焊接时，作为钎料的焊丝与钨极的焊接极性交替变化，特别有利于有色金属材料的TIG电弧熔-钎焊，焊接工件的热输入也较低，防止焊接工件因能量输入过大而产生大变形；
电磁激励TIG电弧熔-钎焊复合焊接方法的工艺参数为：TIG电弧，钨极直径Φ1.6-3.2mm，焊接电流40-280A，电弧长度1-4mm，焊接速度30-270mm/min，Ar气流量5-16L/min，钎料焊丝直径Φ0.8-3.2mm，送丝速度80-360mm/min，辅助磁场强度为20～1200Gs，占空比为30-60％，磁场频率为3-50Hz，钎料通过填丝方式进进行钎焊，与焊接前进方法的夹角为10-30度，如图1所示；
电磁激励TIG电弧熔-钎焊复合焊接方法和设备，所使用的励磁线圈单独由基于ARM微处理器的数字化专用励磁电源供给精准的励磁电流，其励磁电流波形为间歇变极性的长方波形，产生出相应的间歇交变混合磁场，外加磁场频率与强度精确可调，配合相应的TIG电弧熔-钎焊方法使用；外加辅助磁场的电磁激励和电磁搅拌作用使液态钎料在短暂的焊接过程中更充分地在固态母材基体上润湿与铺展，且与发生熔化的液态金属母材充分均匀混合，促进电弧熔钎焊工艺过程中钎料与母材间的相互扩散和成分均匀化，并能实现电磁净化、电磁热处理的独特功能，抑制有害物质的形成，提高钎焊接头的强度，综合改善TIG电弧熔-钎焊的连接质量。
电磁激励TIG电弧熔-钎焊复合焊接方法和设备，其特征在于适用于I型、V型、Y型、X型的焊缝形式，接头为对接、搭接、卷边、点结构；将励磁线圈安装在焊枪上，如图2所示，由焊缝正面垂直对液态钎料实施电磁激励作用；或者将励磁线圈安装在工件背面，如图4所示，由焊缝背面垂直对液态钎料实施电磁激励作用；或者安装两个励磁线圈，同时在焊缝正面和背面垂直对液态钎料实施电磁激励作用；或者外加辅助磁场倾斜施加于钎焊液态熔池，磁场与工件水平面的夹角为30-60°、以电极中心线为轴线的立体圆锥面的任意位置，如图6所示；或者外加纵向辅助磁场只施加在工件焊缝的单独一侧，形成半磁场的电磁激励TIG电弧熔-钎焊复合方式，如图3所示；或者外加横向辅助磁场，如图5所示。
在具体实施过程中，可根据工件具体情况和焊接位置，设计形式灵活的励磁线圈；为保证焊接过程的稳定以及调节的可靠性，由单独专用电源向线圈或其他励磁设备供电，配合TIG电弧熔-钎焊不同工艺条件使用。施加半侧辅助磁场可以单独控制使低熔点金属母材不至于过热，加快焊缝气孔溢出，防止咬边，也可以单独控制钎料在高熔点金属母材上的破膜、铺展、润湿和流动等作用。
本发明可以采用其它焊接热源所代替，如激光焊、等离子弧焊、变极性等离子弧焊、真空电子束焊接、非真空电子束焊、轴向摩擦焊、径向摩擦焊、电阻焊等。本发明可应用于异种、或同种材料的熔-钎焊领域。
实施例1：
镀锌钢板Q345B材料电磁激励TIG电弧熔-钎焊复合焊接方法和设备，利用外加磁场辅助横向磁场TIG电弧熔-钎焊复合焊接方法，焊接工件厚度为1.2mm，对接接头，钎焊工艺参数为：直流，工件不接焊接电源，钎料焊丝接正极，钨极接焊接电源负极，钨极直径Φ2.4mm；焊接电流50-160A；辅助磁场强度300-720Gs；钎料焊丝直径Φ1.2mm，通过参数优化，达到所需的接头性能。
Claims (3)
1.一种电磁激励TIG电弧熔-钎焊复合焊接方法和设备，在TIG电弧熔-钎焊过程中，利用励磁线圈(2)或者其它磁场产生装置，其特征在于焊接区域产生外加交变混合磁场控制焊接电弧(7)的特性，在钎料熔池中电磁力与其中的焊接电流分布相互作用下，对钎焊的液态钎料熔池(11)进行电磁搅拌与电磁激励强化作用，促进液态钎料有序流动及其在工件(9)表面破膜、润湿、铺展与扩散，促进液态钎料与工件熔化的母材充分地混合形成钎焊焊缝(8)，提高钎焊焊缝成分的均匀化程度，减少焊接缺陷，优化钎焊焊缝组织与性能，以提高钎焊接头的质量和寿命；
作为钎料的焊丝(10)接焊接电源(12)的正极，焊枪钨极(6)接电源的负极，工件(9)不与焊接电源相连接；直流焊接时，将有利于作为钎料的焊丝熔化，而钨极热量较少，避免焊枪钨极的严重烧损，同时，因焊接工件的热输入少，防止焊接工件的大变形，形成低能量的TIG钎焊技术；交流焊接时，作为钎料的焊丝与钨极的焊接极性交替变化，特别有利于有色金属材料的TIG电弧熔-钎焊，焊接工件的热输入也较低，防止焊接工件因能量输入过大而产生大变形；
电磁激励TIG电弧熔-钎焊复合焊接方法的工艺参数为：TIG电弧，钨极直径Φ1.6-3.2mm，焊接电流40-280A，电弧长度1-4mm，焊接速度30-270mm/min，Ar气流量5-16L/min，钎料焊丝直径Φ0.8-3.2mm，送丝速度80-360mm/min，辅助磁场强度为20～1200Gs，占空比为30-60％，磁场频率为3-50Hz，钎料通过填丝方式进进行钎焊，与焊接前进方法的夹角为10-30度；
2.根据权利要求1所述的电磁激励TIG电弧熔-钎焊复合焊接方法和设备，其特征在于所使用的励磁线圈单独由基于ARM微处理器的数字化专用励磁电源供给精准的励磁电流，其励磁电流波形为间歇变极性的长方波形，产生出相应的间歇交变混合磁场，外加磁场频率与强度精确可调，配合相应的TIG电弧熔-钎焊方法使用；外加辅助磁场的电磁激励和电磁搅拌作用使液态钎料在短暂的焊接过程中更充分地在固态母材基体上润湿与铺展，且与发生熔化的液态金属母材充分均匀混合，促进电弧熔钎焊工艺过程中钎料与母材间的相互扩散和成分均匀化，并能实现电磁净化、电磁热处理的独特功能，抑制有害物质的形成，提高钎焊接头的强度，综合改善TIG电弧熔-钎焊的连接质量。
3.根据权利要求1和2所述的电磁激励TIG电弧熔-钎焊复合焊接方法和设备，其特征在于适用于I型、V型、Y型、X型的焊缝形式，接头为对接、搭接、卷边、点结构；将励磁线圈安装在焊枪上，由焊缝正面垂直对液态钎料实施电磁激励作用；或者将励磁线圈安装在工件背面，由焊缝背面垂直对液态钎料实施电磁激励作用；或者安装两个励磁线圈，同时在焊缝正面和背面垂直对液态钎料实施电磁激励作用；或者外加辅助磁场倾斜施加于钎焊液态熔池，磁场与工件水平面的夹角为30-60°、以电极中心线为轴线的立体圆锥面的任意位置；或者外加纵向辅助磁场只施加在工件焊缝的单独一侧，形成半磁场的电磁激励TIG电弧熔-钎焊复合方式。
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