CN1269603C - 金属惰性气体钎焊电源 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种金属惰性气体钎焊电源，其具有同心式变压器和感应器。变压器和感应器每个都具有磁心和具有特定参数的线圈。变压器含有硅，感应器具有磁心，该磁心含有碳、锰和硅。

Description

金属惰性气体钎焊电源

【技术领域】

本发明涉及一种电源。更具体地说，本发明涉及一种具有特定的变压器和感应器结构的金属惰性气体(MIG)钎焊电源。

【背景技术】

镀锌钢板由于其具有防腐蚀性已广泛地用于焊接领域中。但是，焊接镀锌钢板所面临的一个重要问题是在高温下加热时锌会发生气化。锌在大约420℃温度下就开始熔化且在大约907℃的温度下就开始气化。这些性能对于电弧焊接来说是不利的，因为当产生电弧时，就形成锌蒸气，使得电弧不稳定，并导致其它问题例如气孔和过度喷溅。高温所产生的热量会烧穿并破坏镀锌层，从而降低了防腐蚀性能。由于存在这些问题，因此在镀锌钢板焊接过程中必须减小电弧柱所产生的热量。为了取得这种结果，不仅必须将适当的焊丝和保护气体进行组合，而且还必须使用具有特殊性能的焊接电源。

由热量所引起的问题限制了使用气体保护金属电弧焊接(GMAW)法来对这些材料进行焊接，并确定采用MIG钎焊作为另一种焊接方法对镀锌钢板进行焊接。

在设备方面，MIG钎焊看起来与GMAW类似，但它却基于一个完全不同的原理。GMAW的目标是由基底金属和填充金属熔化而形成焊接接缝，而MIG钎焊是通过润湿和毛细作用而不使基底材料发生熔化来对材料进行焊接。在MIG钎焊过程中，采用低熔点填充金属要求较低的热输入量，因此减小了对镀锌层的损坏。但是，为了获得该优点，必须选择最佳的金属转移状态以避免发生喷溅和烧穿镀层。设备参数在控制金属转移中起到重要作用。因此，进行MIG钎焊的电源对热分布和电弧性能具有不同的要求。希望将MIG钎焊电源定制成可进行这样的工作，而不使用与GMAW相同的设备。

现有技术中已存在一些电子设备，其性能参数可满足对厚度大于0.8mm的钢板进行MIG钎焊。但是，它们对过程参数的控制非常复杂，而且价格非常昂贵，维护费用较高。另外，现有的电磁设备不具有可满足MIG钎焊需要的适当输出性能参数。这些限制条件都使得采用MIG钎焊对镀锌钢板进行焊接被限制到用于不太复杂的场合以及用于较小的材料/镀层厚度。如今，可从市场上购买到三种MIG钎焊设备。第一种采用与普通GMAW相同的电磁电源，如上所述，这是不适当的。第二和第三种依赖于非常复杂的电子电源，脉冲式或非脉冲式，它们价格非常昂贵且难于选择最佳的参数。脉冲电源的另一个困难在于镀锌层超过20毫米且板厚低于0.8毫米时就会遇到困难。仅管存在这些限制，用于MIG钎焊来焊接镀锌钢板仍主要采用利用脉冲电弧的电子电源提供电流。这对于自动化过程是适合的，因此，证明在这种电源上进行高投资是正确的，并可以以薄板脉冲喷射电弧钎焊所需的较高移动速度进行操纵。但是，使用电子电源特别是脉冲电弧模式下的电子电源不能满足镀锌钢板的MIG钎焊的要求。

电子设备的高成本以及它们在焊接薄板和/或厚镀层时所遇到的困难导致许多使用者试图采用电磁电源作为一种选择来进行MIG钎焊。

US5611950公开了电磁焊接电源为了可提供稳定的焊接电流而做出的一些设计变化，该稳定的焊接电流具有平滑的波形和足够的短路电流。该专利所用的方法包括与整流电路并联另外的整流器和电容器以使电流和电压波形的波动最小。除了增大了制造成本以外，该方法在电弧稳定性和MIG钎焊过程所需的输出参数方面没有获得令人满意的结果。

因此，本发明的一个目的就是开发一种用于MIG钎焊特别是，用于镀锌钢板(但其并不限于这些材料)的MIG钎焊的普通专用电源，其不仅具有电子电源的优点，也就是，具有良好的电弧稳定性和较小的喷溅量，而且还具有电磁电源的优点，也就是，便于调节参数、投资小且维护费用低。

本发明的另一个目的是开发一种用于MIG钎焊的普通专用电源，其对于在电子脉冲和现有的电磁电源中所遵循的最小板厚度和最大镀层厚度都没有任何限制。

本发明的再一个目的是开发一种用于MIG钎焊的普通专用电源，其价格便宜，便于对过程参数进行控制，维护费用低，且可获得优良的钎焊焊接质量。

【发明内容】

本发明一方面涉及一种MIG钎焊电源，其包括同心式变压器和感应器，该变压器具有特定的磁心和具有特定参数的某种线圈，该感应器包括具有特定参数的磁心和具有特定参数的某种线圈。

本发明另一个方面是涉及一种MIG钎焊电源，其包括同心式变压器，该变压器具有特定的磁心和特定的线圈。

本发明的再一个方面是涉及一种MIG钎焊电源，其包括感应器，该感应器具有特定的磁心和特定的线圈。

【附图说明】

图1a是普通MIG电源、脉冲MIG电源以及本发明的MIG电源的焊接电流与时间的波形图；

图1b是普通MIG电源、脉冲MIG电源以及本发明的MIG电源的电弧电压与时间的波形图；

图2a是焊接电流的波形图，其示出了通过本发明的短路进行的金属转移控制；

图2b是电弧电压的波形图，其示出了通过本发明的短路进行的金属转移控制；

图3是静态电弧电压与本发明的焊接电流的关系图；

图4a是本发明的利用氩作为保护气体通过试验机完成的MIG钎焊焊缝的宏观放大纵向图；

图4b是本发明的利用氩作为保护气体通过试验机完成的MIG钎焊焊缝的宏观放大横截面图。

【具体实施方式】

MIG钎焊是一种利用气体保护的低熔点连续进给自耗式丝状电极进行的电弧焊接过程。填充金属通常是铜合金，其包括带有大约3％或8％铝的硅酮，熔点大约是900-1100℃。由于熔化填充金属所必需的能量较低，因此，与普通的钎焊类似，可减少或完全消除了基底金属的熔化。但是，MIG钎焊与普通钎焊的焊接机理不同。前者以润湿效应作为其主要的焊接机理，后者则通过毛细作用来进行。MIG钎焊的接缝结构的间隙大于普通钎焊。采用MIG钎焊的优点是：(a)热输入量小，因此，与电弧焊接和普通钎焊相比，变形和热影响区较小；(b)没有焊缝腐蚀；(c)在紧邻焊缝的区域存在基底金属阴极保护；(d)在焊接镀层钢板时，镀层较少烧穿；(e)焊接移动速度较高，自动化的可能性较高。

MIG钎焊过程主要用于对镀锌钢板进行焊接。该过程的特点确保了对镀锌层损坏最小，并保持了其较高的防腐性。通常，推荐的保护气体是氩。但是，一些试验表明在氩中添加少量的氧或二氧化碳可提高电弧的稳定性并降低喷溅。由于喷溅会损坏镀层，因此，必须避免发生喷溅。另一个问题是在钎焊过程中产生的热量会导致镀锌层熔化。

根据现有技术的这种情况，因此建议采用与GMAW非常类似的设备，但所需的热输入量大约是GMAW的一半。可采用普通的短路脉冲电弧电源将材料从填充金属转移到焊缝中。短路非常便于进行调节，但对于普通的设备，强烈的焊接熔池动态变化会产生微小的喷溅，并且不能避免不规则熔滴的脱落。通常，与脉冲喷射电弧相比，短路向工件输入的能量较少。

脉冲电弧需要大约40或50安培的本底电流来保持接通电弧。与平均电流相比，本底电流较大，通常薄钢板(厚度小于约0.8mm)所需的平均电流大约为52或55安培。通常，较厚的镀锌层(厚度大于15mm)会产生大量的锌蒸气，并导致电弧不稳定。为此，推荐将通常采用较短的电弧长度的脉冲喷射电弧用于这些应用。选择短的电弧长度可使电弧保持得更为稳定。通过选择本底和峰值电流的适当参数可对金属转移进行控制。这可通过使每个脉冲有一个填充金属熔滴脱离丝状电极来实现。这就形成一个无喷溅的过程。

本发明的MIG钎焊电源由具有内装喂丝机的MIG-MAG步进调节直流电源构成，其在低能量范围内可产生特别稳定的电弧，在所述能量范围内可进行钎焊。为保持较短的电弧长度，电源必须能够提供较低的本底电流强度，以便于根据电弧长度的变化而迅速作出反应。该电源的新颖之处在于可以稳定的方式，且不通过价格昂贵且结构复杂的电子控制装置，而是通过其特殊的几何结构并通过在其自身的变压器和相应的感应器中采用特殊材料对焊接电流值、短路电流值、其波形形状及随时间的再现性(熔滴频率)进行控制。

其结果是基底金属上的热输入量较小，且减少了锌的气化。这对于焊缝的焊后加工(磨削)以及增强钎焊焊接强度是有利的。获得上述效果的最重要的结构部件是变压器和感应器。它们都制造成可有助于将电流波形控制在设计范围内，以便在MIG钎焊过程中获得较高的性能。

在本发明的MIG钎焊电源中，通过采用电磁方法而不是电子方法来实现低成本和方便地对参数进行设定。这种新电源对于镀锌钢板所具有的良好性能是通过对其输出的电参数进行优化设计来实现的。必须操纵这种焊接电源使填充金属以可控的方式向基底金属转移，且因此必须在不同的焊接情况下按电弧物理参数传输短路电流和焊接电流。

在短路转移过程中，只在电极与焊接熔池接触阶段金属从电极转移到工件中。而没有金属穿过电弧间隙进行转移。电极每秒大约20至200次以上地接触熔融的焊接熔池。当电流速度快速增大时就会产生喷溅并使金属熔滴剧烈脱落。通过调节电源的电感就可控制这种电流速度。最优的电感设定值取决于焊接电路的电阻和电极的熔解温度。当形成电弧时，在焊丝沿邻近短路的方向向前移动的同时，焊丝在顶端熔化。电源的开路电压必须低得使在焊丝顶端的熔融金属熔滴不接触基底金属时就不能进行转移。在短路过程中，电弧的维持能量部分由储存在感应器中的能量来提供。

由于恒定电势电源控制了短路电流量(电极与工件短接时流经的电流强度)，因此，恒定电势电源的静态电压-电流特性具有一定的梯度(ΔV/ΔI)，其主要对短路转移模式起作用。通过被称为电磁收缩效应的电现象来控制熔融金属熔滴从电极上的脱落。收缩是流经导体的电流在导体上所产生的磁“挤压”力。收缩效应与短路电流(由电源的电压-电流曲线斜率决定)成比例。

在短路转移过程中，由于产生的收缩效应决定了熔融熔滴从电极上脱落的方式，因此短路电流量是非常重要的。这又影响了电弧的稳定性。当供电电路的电压-电流曲线存在极小的斜度或不存在斜度时，短路电流就迅速升高到一个较高的水平上。本发明提供一种电压-电流曲线大致为0的电源。收缩效应也将很大，且熔融的熔滴将猛烈地从焊丝上脱落下来。过度的收缩效应会突然将金属挤压到一边，消除短路，并产生大量的喷溅。

当短路电流通过一个较大的斜度而被限制在一个较低的值时，电极将承载所有的电流，但收缩效应可能过低而使得熔滴不能脱落且不能恢复电弧。在这些情况下，电极会聚积在工件上或凝固到熔池中。当短路电流为可接受的值时，熔融熔滴就会平稳地从电极上脱落，且几乎没有喷溅。

瞬时收缩效应由瞬时电流控制，因此，电流时间曲线的形状就非常显著。电路的电感控制电流升高的速度。没有电感，收缩效应就迅速显现，且熔融熔滴将大量地从电极上挤下并产生大量的喷溅。较大的电感会导致每秒的短路次数减少且电弧接通时间延长。提高电弧接通时间就会使熔池更为流体化，并形成平直光滑的焊缝。

根据这些基本原理，本发明确定了在以非常稳定的电弧和较小的喷溅量形成MIG钎焊焊缝时的电源的电输出参数。产生本发明的研究包括普通和脉冲电源。电流和电压的波形图相比确定了理想的能量和电压水平以及在短路转移过程中可获得较高电弧稳定性的其它需求。图1示出了经过研究得出的普通电源和脉冲电源的波形图。

图2示出了焊接机是如何控制熔融填充焊丝熔滴脱落时(较高的值)的电流升高和电流下降以及控制在自由电弧时间内(较低的值)保持稳定和恒定的焊接电流值的能力。电流必须迅速得以升高以不引起喷溅，因此，焊接机必须工作使熔滴可平稳地从填充焊丝上脱落下来以避免喷溅和过热。

另外，电流应当缓慢和逐渐地下降，以便于在下一个熔滴脱落之前产生尽可能稳定的自由电弧，以避免产生气孔和发生锌气化。电源还应当能够在基底金属上沉积足够数目的熔滴：(a)在1.5mm厚的金属上每秒沉积大约120个熔滴；(b)在1.0mm厚的金属上每秒沉积大约90个熔滴；(c)在0.8mm厚的金属上每秒沉积大约45个熔滴；(d)并在整个焊接过程中保持其恒定。

本发明的电源通过开发了一个特定的变压器以及一个特殊设计的感应器来满足这些要求，该变压器具有内部电抗和电阻(参见简图1和2)。变压器和感应器中的每一个都为本发明的电源带来了一定的独特特点。它们一起使快速动态变化的参数和恒定的电压静态参数具有较小的电压/电流斜度。

变压器的一个实施方案是一种简单同心式变压器，也就是，次级线圈缠绕在初级线圈上。其具有下述的特点：(a)磁心(最好是铁心)：硅含量的重量百分比大约是0.95-1.2％；总厚度大约是43-47mm；(b)线圈：直径宽度大约是97-103毫米；长度大约是115-125毫米；初级线圈的最小匝数大约是310-330；初级线圈的最大匝数大约是610-670；次级线圈的匝数大约是18-22；初级线圈的卷绕厚度大约是13-16毫米；次级线圈的卷绕厚度大约是0.65-0.75毫米；初级线圈的电感(次级线圈处于短路)最小大约为3.5-4mH，最大大约为10-11mH；初级线圈的电感(次级线圈断开)最小大约为90-100mH，最大大约为370-395mH；初级线圈的电阻在18℃时大约为1.1-2.9Ohm；次级线圈的电感(初级线圈断开)大约为360-380mH；次级线圈的电阻在18℃时大约为9.2-9.8mOhm。这种卷绕线圈结构具有较低的感应泄漏。心部为“E”形，且具有长度为125毫米的短腿和一个从外部通过MIG-MAG焊接在其上的“I”。然后对整个组件进行MIG-MAG焊接。将线圈卷绕在卷轴上。该卷轴通过高耐热材料(250℃以上)模铸而成，并具有一些槽，且被压入到心部以避免卷绕电动力产生振动和噪声。内边缘被倒圆以避免在卷绕过程中发生丝线拉伸，两壁和结构都制成可提供由实际实施标准所给定的绝缘距离。

在一个实施方案中，由改性聚酰胺铝制成的初级线圈卷绕在卷轴上，并以一定的卷绕数设定分接头，以便于对每个不同的焊接叠层厚度调整焊接电流。在初级线圈上设置3个高熔点芳族聚酰胺层，其在初级线圈和次级线圈之间提供绝缘，同时给出变压器电抗泄漏值。次级线圈只在高熔点芳族聚酰胺层上卷绕一层。线圈用绝缘条带和本领域所公知的在高温(180℃)下干燥的一层或多层漆进行捆扎。

线圈的几何结构形成所需的电感，但其还必须产生电阻以便在电流交叉线路上具有电压降。电阻效应由线圈中所用的铝形成。铝的电阻率高于铜，且特别适合用于本发明。另外，线圈发热较大，因此必须采用具有较高热性能和机械性能的绝缘材料。而且，变压器铁心所用的磁性叠层板也已由具有不同性能的新磁性叠层板来代替。

除了变压器以外，还开发和制造了一种与直流输出装置串联的新平滑感应器。该感应器的一个实施方案具有以下的特点：(a)磁心(最好是铁心)：化学成分的重量百分比：碳大约为0.15-0.20％，锰大约为0.35-0.70％，硅大约为0.32-0.38％；尺寸：直径大约为45-55毫米，长度大约为155-165毫米；(b)线圈：宽度大约为73-79毫米；长度大约为145-150毫米；匝数(分接)大约为31-34；匝数(最大)大约为37-41；线圈电感(分接)大约为50-60mH；线圈电感(最大)大约为72-82mH；线圈电阻(分接)在18℃时大约为6.8-7.6mOhm；线圈电阻(最大)在18℃时大约为8.2-9.0mOhm。所用的铁心由Fe36制成，Fe36是一种具有特殊磁性能的材料，其形状和卷绕数使得允许获得一个与电流值成比例的电感值。

感应器的一个实施方案包括一个直径大约为50毫米且高度大约为160毫米的Fe36铁心。0.51mm厚的高熔点芳族聚酰胺板卷绕在铁心上，并将一个直径大约为5.8mm的33+6铝2高熔点芳族聚酰胺线圈卷绕在其上。这种感应器结构在与变压器适当组合后就可提供产生优良焊接效果所需的电流波形。

具有这些特点的试验机呈现出非常稳定的电弧状态和优良的热分布，对镀锌层损坏较小且没有喷溅。图3示出了该设备的静态电压-电流曲线，图4是采用氩作为保护气体通过试验机完成的MIG钎焊焊缝的宏观放大图。表1示出了用于测试板厚和镀锌层范围的MIG钎焊参数。

表1：利用具有以下化学组成：97％Cu+0.2％Sn+0.2％Fe+0.8％Mn+1.3％Si且直径为0.8mm的填充金属来评价电源的MIG钎焊参数。

保护气体(流量)	板厚(mm)	钎焊电流(A)	电弧电压(V)	移动速度(cm/min)
					氩(12l/min)	0.65	50	13.5	60.0
0.95	60	16.5	42.0
				1.25		65	17.9	38.4
1.5	110	14.5	60.0
				0.95		54	16.0	26.4
1.25	70	17.5	27.2

测试结果表明接缝具有优良的焊缝几何形状，基底材料没有发生熔化，喷溅很少且基本上对镀层没有损坏。根据该结果，所确定的电输出参数特定值(电感和静态电压-电流性能参数)使得允许对普通专用电源进行改进以便进行MIG钎焊，特别是对于镀锌钢板进行MIG钎焊，与价格昂贵且结构复杂的电子电源相比，其具有显著的优点。甚至是在对具有大厚度范围的板/镀层的镀锌钢板进行钎焊时，所开发的电源也具有较高的性能，电弧稳定性较高，不产生喷溅，在电弧区域具有最佳的热量分布，且对镀层基本上没有损坏。

仅仅是为了方便将本发明的特定特征在一个或多个附图中进行了说明，因为本发明的每一个特征都可与本发明的其它特征进行组合。本领域技术人员可以认识到还有另外的实施方案，它们都应认为是包含在权利要求书所限定的范围内。

Claims (10)

1、一种MIG钎焊电源，其包括：

a.同心式变压器，其包括：

(1)磁心，其硅含量的重量百分比是0.95-1.2％；总厚度是43-47mm；

(2)线圈，其直径宽度是97-103毫米；长度是115-125毫米；初级线圈的匝数是310-670；次级线圈的匝数是18-22；初级线圈的卷绕厚度是13-16毫米；次级线圈的卷绕厚度是0.65-0.75毫米；初级线圈的电感在次级线圈处于短路时为3.5-11mH；初级线圈的电感在次级线圈断开时为90-395mH；初级线圈的电阻在18℃时为1.1-2.9Ohm；次级线圈的电感在初级线圈断开时为360-380mH；次级线圈的电阻在18℃时为9.2-9.8mOhm；

b.感应器，其包括：

(1)磁心，其具有碳为0.15-0.20％，锰为0.35-0.70％，硅为0.32-0.38％，均为重量百分数；其直径为45-55毫米，长度为155-165毫米；

(2)线圈，其宽度为73-79毫米；长度为145-150毫米；匝数为31-41；线圈电感为50-82mH；线圈电阻在18℃时为6.8-9.0mOhm。

2、根据权利要求1所述的电源，其中，所述变压器磁心为铁心。

3、根据权利要求1所述的电源，其中，所述感应器磁心为铁心。

4、根据权利要求1所述的电源，其中，所述感应器磁心为Fe36铁心，其直径为50毫米，高度为160毫米。

5、根据权利要求4所述的电源，其中，高熔点芳族聚酰胺板卷绕在所述铁心周围。

6、一种MIG钎焊电源，其包括同心式变压器，所述变压器包括：

(a)磁心，其硅含量的重量百分比是0.95-1.2％；总厚度是43-47mm；

(b)线圈，其直径宽度是97-103毫米；长度是115-125毫米；初级线圈的最小匝数是310-670；次级线圈的匝数是18-22；初级线圈的卷绕厚度是13-16毫米；次级线圈的卷绕厚度是0.65-0.75毫米；初级线圈的电感在次级线圈处于短路时为3.5-11mH；初级线圈的电感在次级线圈断开时为90-395mH；初级线圈的电阻在18℃时为1.1-2.9Ohm；次级线圈的电感在初级线圈断开时为360-380mH；次级线圈的电阻在18℃时为9.2-9.8mOhm。

7、根据权利要求6所述的电源，其中，所述变压器磁心为铁心。

8、一种MIG钎焊电源，其包括感应器，所述感应器包括：

a)磁心，其具有碳为0.15-0.20％，锰为0.35-0.70％，硅为0.32-0.38％，均为重量百分数；其直径为45-55毫米，长度为155-165毫米；

b)线圈，其宽度为73-79毫米；长度为145-150毫米；匝数为31-41；线圈电感为50-82mH；线圈电阻在18℃时为6.8-9.0mOhm。

9、根据权利要求8所述的电源，其中，所述感应器磁心为铁心。

10、根据权利要求8所述的电源，其中，所述感应器磁心为Fe36铁心，其直径为50毫米，高度为160毫米。

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