專利名稱：一種異種材料電磁激勵電弧熔-釬焊復合方法和設備的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種異種材料電磁激勵電弧熔-釬焊復合方法和設備。
背景技術：
隨著新材料的出現及應用日新月異，不同材料焊接性的差別也越來越大，大多性 能差異大的異種金屬之間采用普通焊接方法難以實現連接。電弧釬焊是以一種新型的以電 弧為熱源的釬焊工藝，釬焊時電弧在電極與工件之間引燃，采用惰性氣體進行保護，以熔點 低于母材的焊絲作為焊接材料(釬料)，焊接時焊絲(釬料)熔化而母材不熔化，可以實現 同種或異種金屬材料間的連接。 電弧熔釬焊技術是在電弧釬焊技術的基礎上演化而來，主要用于熔點差異較大的 異種金屬間連接。焊接時，在電弧熱作用下，焊接區低熔點母材局部熔化并與液態釬料混 合；混合的液態金屬與高熔點母材發生潤濕、鋪展與相互擴散，最終實現連接。電弧熔釬焊可以分為非熔化極惰性氣體保護電弧熔釬焊(TIG電弧熔釬焊)和熔 化極惰性氣體保護電弧熔釬焊(MIG電弧熔釬焊)，具有加熱集中、加熱速度快、接頭在高溫 停留時間短、熱影響區的過熱度低、母材金屬不易產生晶粒長大、焊縫成形美觀、變形量小、 能有效去除氧化膜、焊后接頭不用清洗、接頭強度高和可以實現焊接過程自動化等優點，是 一種具有很高實用價值的焊接技術。電磁攪拌技術(EMS)，是近年來發展和逐漸完善起來的一種新型焊接技術，1971 年Tseng和Savage深入研究了 TIG焊時電磁攪拌對微觀組織和性能的影響，隨后，國內外 開始對外加磁場作用下的焊接技術開展了廣泛研究。電弧熔釬焊過程中利用焊接電弧作為 熱源且填充焊絲(釬料)發生了熔化和重新凝固，因此輔助電磁攪拌用于電弧熔釬焊過程 中可以改變熔池金屬柱狀晶生長方向，細化組織，影響初生相與共晶組織的形貌和尺寸，促 進成分均勻化以及控制界面形狀。焊接電弧是一種持續的氣體放電現象，在外加磁場作用下其形態會發生明顯變 化。外加縱向磁場使電弧溫度分布發散，溫度場“矮而胖”，電弧中心的溫度下降、徑向溫度 梯度減小。由于焊接電弧的旋轉擴張，焊縫熔寬增加而熔深減小，熔池中的液態金屬受洛侖 茲力的作用繞焊接電弧中心軸旋轉，前端液態金屬沿熔池一側向尾部流動，相應的熔池尾 部液態金屬沿另一側向前端流動，有利于電弧熔釬焊過程中液態釬料的流動及其對固態母 材的潤濕與鋪展。液態釬料充分流入并致密地填滿全部釬縫間隙，又與母材發生很好的相互作用， 是形成優質釬焊接頭的前提。目前，單一釬焊方法在使用時常受到設備或工藝特點的限制， 且一般都需要使用釬劑；對于性能差異較大(尤其是熔點)的異種金屬間連接，復合釬焊方 法已經逐漸受到重視并開展了相應的研究和應用，如TIG/MIG電弧熔釬焊、激光釬焊等。為防止母材過度熔化，電弧熔釬焊熱輸入通常較小，由填充金屬形成的液態熔池 保持時間較短，不利于液態金屬在母材表面充分鋪展和形成擴散層。將電磁激勵技術復合 到電弧熔釬焊工藝中，通過在焊接區產生附加磁場影響焊接電弧特性來促進液態釬料流動及在熔點較高母材上的潤濕、鋪展與擴散，促進液態釬料與熔點較低母材的熔化部分充分 均勻混合，提高釬縫成分均勻化程度，減少焊接缺陷，優化釬縫組織與性能，可以有效地改 善電弧熔釬焊連接質量。
發明內容
本發明所要解決的技術問題是針對現有電弧熔-釬焊技術由于熱輸入小所以不 利于液態熔池金屬的均勻混合及其在母材表面充分鋪展和與母材相互擴散的問題，利用結 構簡單的電磁激勵裝置，在焊接區產生磁場影響焊接電弧特性，并對液態釬料熔池進行輔 助電磁攪拌和電磁激勵作用，從而促進液態釬料流動及在熔點較高母材上的潤濕、鋪展與 擴散，促進液態釬料與熔點較低母材的熔化部分充分均勻混合，提高釬縫成分均勻化程度， 減少焊接缺陷，優化釬縫組織與性能，改善電弧熔釬焊連接質量；該方法附加設備簡單，易 于實現，適用面廣。本發明采用了如下的技術方案根據工件具體情況和焊接位置，在異種金屬材料連接的電弧熔-釬焊過程中，利 用勵磁線圈在焊接區域產生外加交變混合磁場控制焊接電弧的特性，對釬焊的液態釬料熔 池進行電磁攪拌與電磁激勵強化的輔助作用，促進液態釬料有序流動及其在熔點較高的金 屬材料表面破膜、潤濕、鋪展與擴散，促進液態釬料與熔點較低金屬材料熔化的母材充分地 混合，提高釬焊焊縫成分的均勻化程度，減少焊接缺陷，優化釬焊焊縫組織與性能，以提高 釬焊接頭質量。具體是異種材料電磁激勵電弧熔-釬焊復合方法和設備，在兩種異種金屬材料連 接的電弧熔-釬焊過程中，利用勵磁線圈在焊接區域產生外加交變混合磁場控制焊接電弧 的特性，對釬焊的液態釬料熔池進行電磁攪拌與電磁激勵強化的輔助作用，促進液態釬料 有序流動及其在熔點較高的金屬材料表面破膜、潤濕、鋪展與擴散，促進液態釬料與熔點較 低金屬材料熔化的母材充分地混合，提高釬焊焊縫成分的均勻化程度，減少焊接缺陷，優化 釬焊焊縫組織與性能，以提高釬焊接頭質量；使用電磁激勵TIG電弧熔-釬焊的工藝參數為交流TIG電弧，鎢極直徑 Φ 1.6-3. 2mm，焊接電流40-160Α，電弧長度3_4mm，焊接速度100-150mm/min，Ar氣流量 5-8L/min,焊絲直徑Φ 1. 2mm,送絲速度200-300mm/min，輔助磁場強度為20 800Gs，占 空比為30-70%，頻率為3-24Hz，釬料通過填絲的方式進入釬縫熔池，與母材夾角為10-30 度；使用電磁激勵MIG電弧熔-釬焊的工藝參數為直流MIG反接極性，焊接電流 60-200A,電弧電壓18-21V，焊接速度300-600mm/min，Ar氣流量10_15L/min，焊絲直徑 Φ0. 8-1. 6mm，輔助磁場強度為100 800Gs，占空比為30-70%，頻率為3_24Hz。異種材料電磁激勵電弧熔-釬焊復合方法和設備，所使用的勵磁線圈單獨由基于 ARM微處理器的數字化專用勵磁電源供給精準的勵磁電流，其勵磁電流波形為間歇變極性 的長方波形，產生出相應的間歇交變混合磁場，外加磁場頻率與強度精確可調，配合相應的 電弧熔_釬焊方法使用；外加輔助磁場的電磁激勵和電磁攪拌作用使液態釬料在短暫的焊 接過程中更充分地在固態母材基體上潤濕與鋪展，且與發生熔化的液態金屬母材充分均勻 混合，促進電弧熔釬焊工藝過程中釬料與母材間的相互擴散和成分均勻化，并能實現電磁凈化、電磁熱處理的獨特功能，抑制有害物質的形成，提高釬焊接頭的強度，綜合改善電弧熔-釬焊的連接質量。在具體實施過程中，也不局限于線圈勵磁，采用其它電磁產生裝置或 永磁場也可以實現本發明目的。異種材料電磁激勵電弧熔-釬焊復合方法和設備，適用于I型、V型、Y型、X型的焊 縫形式；將勵磁線圈安裝在焊槍上，由焊縫正面垂直對液態釬料實施電磁激勵作用；或者 將勵磁線圈安裝在工件背面，由焊縫背面垂直對液態釬料實施電磁激勵作用；或者安裝兩 個勵磁線圈，同時在焊縫正面和背面垂直對液態釬料實施電磁激勵作用；或者外加輔助磁 場傾斜施加于釬焊液態熔池，磁場與工件水平面的夾角為15-80°、以電極中心線為軸線的 立體圓錐面的任意位置；或者外加縱向輔助磁場只施加在焊縫一種金屬材料的單獨一側， 形成半磁場的電磁激勵電弧熔_釬焊復合方式。與現有技術相比，本發明具有以下優點(1)在異種金屬材料連接的電弧熔-釬焊過程中，利用外加輔助磁場影響焊接電 弧特性，對液態釬料熔池進行輔助電磁攪拌，促進液態釬料流動及在高熔點母材上的潤濕、 鋪展與擴散，促進液態釬料與低熔點母材發生局部熔化的金屬相互充分均勻混合，從而調 節凝固前沿形狀，減少熔體中徑向、軸向的溫度梯度，提高釬縫成分均勻化程度。(2)外加輔助磁場的電磁激勵和電磁攪拌作用使液態釬料在短暫的焊接過程中更 充分地在固態母材基體上潤濕與鋪展，且與發生熔化的液態金屬母材充分均勻混合，促進 電弧熔釬焊工藝過程中釬料與母材間的相互擴散和成分均勻化，并能實現電磁凈化、電磁 熱處理的獨特功能，抑制有害物質的形成，提高釬焊接頭的強度，綜合改善電弧熔_釬焊的 連接質量。(3)外加輔助磁場產生的電磁攪拌能夠細化接頭晶粒，改變結晶方向，使釬縫出現 等軸晶，促進第二相化合物細小彌散分布；能夠減小偏析和釬縫結晶裂紋傾向，抑制焊接氣 孔和減少縮孔縮松，有助于提高接頭的力學性能。(4)所使用的附加勵磁裝置結構簡單，采用基于ARM微處理器的勵磁電源性能可 靠，輸出波形形式多樣，精度較高，功能穩定，成本不高，易于實現；適用于I型、V型、Y型、X 型等多種常用焊縫形式。(5)在異種金屬材料連接的電弧熔-釬焊過程中，外加輔助磁場可以通過焊縫正 面或背面、垂直或傾斜、單個或多個復合、以及半側面磁場等多種形式靈活地對液態熔池實 施電磁激勵作用，以滿足不同的要求；特別是施加半側輔助磁場可以單獨控制使低熔點金 屬母材不至于過熱，加快焊縫氣孔溢出，防止咬邊，也可以單獨控制釬料在高熔點金屬母材 上的破膜、鋪展、潤濕和流動等作用。(6)本發明可以采用多種焊接熱源，如TIG、MIG、激光焊、等離子弧焊、變極性等離 子弧焊、真空電子束焊接、非真空電子束焊、軸向摩擦焊、徑向摩擦焊、電阻焊等；本發明也 可應用于同種材料、復合材料、非金屬材料等領域的熔-釬焊連接技術。
圖1異種材料電磁激勵TIG電弧熔_釬焊復合方法和設備的焊縫橫截面示意圖； 圖2異種材料電磁激勵TIG電弧熔-釬焊復合方法和設備的縱截面示意圖；圖3異種材料電 磁激勵MIG電弧熔-釬焊復合方法和設備的焊縫橫截面示意圖；圖4外加輔助磁場施加在低熔點金屬材料一側的示意圖；圖5外加輔助磁場施加在高熔點金屬材料一側的示意圖； 圖6外加輔助磁場傾斜施加的示意圖。在圖中，1、勵磁線圈導線；2、勵磁線圈；3、絕緣層；4、噴嘴；5、導電嘴；6、高熔點金 屬母材B ；7、鎢極；8、填充焊絲；9、熔池；10、焊接電弧；11、低熔點金屬母材A ；12、焊縫；13、 工件；14、熔滴。附圖給出的異種材料電磁激勵TIG電弧熔_釬焊復合方法和設備的示意圖，僅為 幫助理解本發明的要點，在實際應用時可根據具體情況進行改造，并不限于此結構。
具體實施例方式本發明主要包含一種異種材料電磁激勵電弧熔_釬焊復合方法和設備。下面結合 附圖和具體實施方式
對本發明做進一步詳細說明。異種材料電磁激勵電弧熔_釬焊復合方法和設備，在A、B兩種異種金屬材料連接 的電弧熔_釬焊過程中，利用勵磁線圈2或其他勵磁裝置在焊接區域產生外加交變混合磁 場控制焊接電弧10的特性，對釬焊的液態釬料熔池9進行電磁攪拌與電磁激勵強化的輔助 作用，促進液態釬料有序流動及其在熔點較高的金屬材料B6表面破膜、潤濕、鋪展與擴散， 促進液態釬料與熔點較低金屬材料All熔化的母材充分地混合，提高釬焊焊縫成分的均勻 化程度，減少焊接缺陷，優化釬焊焊縫組織與性能，以提高釬焊接頭質量；其中，如果外加電弧為非熔化極的TIG焊電弧如圖1所示，電磁激勵TIG電弧 熔-釬焊的工藝參數為交流TIG電弧，鎢極直徑Φ 1.6-3. 2mm，焊接電流40-160Α，電弧 長度3-4mm，焊接速度100-150mm/min，Ar氣流量5_8L/min，焊絲直徑Φ 1. 2mm,送絲速度 200-300mm/min，輔助磁場強度為20 800Gs，占空比為30-70%，頻率為3_24Hz，釬料通過 填絲的方式進入釬縫熔池，與母材夾角為10-30度，如圖2所示；其中，如果外加電弧為熔化極的MIG焊電弧如圖3所示，電磁激勵MIG電弧 熔_釬焊的工藝參數為直流MIG反接極性，焊接電流60-200A，電弧電壓8-21V，焊接 速度300-600mm/min，Ar氣流量10_15L/min，焊絲直徑Φ0. 8-1. 6mm,輔助磁場強度為 100-800Gs,占空比為30-70%，頻率為3_24Hz，焊絲為釬料。異種材料電磁激勵電弧熔-釬焊復合方法和設備，所使用的勵磁線圈單獨由基于 ARM微處理器的數字化專用勵磁電源供給精準的勵磁電流，其勵磁電流波形為間歇變極性 的長方波形，產生出相應的間歇交變混合磁場，外加磁場頻率與強度精確可調，配合相應的 電弧熔_釬焊方法使用；外加輔助磁場的電磁激勵和電磁攪拌作用使液態釬料在短暫的焊 接過程中更充分地在固態母材基體上潤濕與鋪展，且與發生熔化的液態金屬母材充分均勻 混合，促進電弧熔釬焊工藝過程中釬料與母材間的相互擴散和成分均勻化，并能實現電磁 凈化、電磁熱處理的獨特功能，抑制有害物質的形成，提高釬焊接頭的強度，綜合改善電弧 熔-釬焊的連接質量。異種材料電磁激勵電弧熔_釬焊復合方法和設備，適用于I型、V型、Y型、X型的 焊縫形式；將勵磁線圈安裝在焊槍上，由焊縫正面垂直對液態釬料實施電磁激勵作用；或 者將勵磁線圈安裝在工件背面，由焊縫背面垂直對液態釬料實施電磁激勵作用；或者安裝 兩個勵磁線圈，同時在焊縫正面和背面垂直對液態釬料實施電磁激勵作用；或者外加輔助 磁場傾斜施加于釬焊液態熔池，磁場與工件水平面的夾角為15-80°、以電極中心線為軸線的立體圓錐面的任意位置，如圖6所示；或者外加縱向輔助磁場只施加在焊縫一種金屬材料的單獨一側，形成半磁場的電磁激勵電弧熔-釬焊復合方式，如圖4和圖5所示。在具體實施過程中，可根據工件具體情況和焊接位置，設計形式靈活的勵磁線圈； 為保證焊接過程的穩定以及調節的可靠性，由單獨專用電源向線圈或其他勵磁設備供電， 配合電弧熔-釬焊不同工藝條件使用。施加半側輔助磁場可以單獨控制使低熔點金屬母材 不至于過熱，加快焊縫氣孔溢出，防止咬邊，也可以單獨控制釬料在高熔點金屬母材上的破 膜、鋪展、潤濕和流動等作用。本發明可以采用其它焊接熱源所代替，如激光焊、等離子弧焊、變極性等離子弧 焊、真空電子束焊接、非真空電子束焊、軸向摩擦焊、徑向摩擦焊、電阻焊等。本發明也可應 用于同種材料的熔_釬焊領域。實施例1 鋼-鋁合金異種材料電磁激勵TIG電弧熔_釬焊復合方法和設備，利用外加磁場 輔助電弧復合TIG釬焊方法，焊接厚度為3. 6mm Q345鋼與LDlO鋁合金工件對接，V型坡口， 坡口角度60°，工藝參數為交流手工TIG焊；鎢極直徑Φ 3. 2mm ；焊接電流60-140A ；輔助 磁場強度500-600GS ；釬料絲直徑Φ 1. 2mm，通過參數優化，達到所需的接頭性能。實施例2 鋼-鎂合金異種材料電磁激勵TIG電弧熔_釬焊復合方法和設備，利用外加磁場 輔助電弧復合MIG釬焊方法，焊接厚度為4. 2mm ZK60鎂合金與35CrMnSi鋼工件對接，Y型 坡口，根部高度1mm。工藝參數為焊接電流120-160A，直流反接；輔助磁場強度650_720Gs ； 釬焊焊絲直徑Φ1. 2mm，通過參數優化，達到所需組織與性能。
權利要求
一種異種材料電磁激勵電弧熔-釬焊復合方法和設備，其特征在于在A、B異種金屬材料連接的電弧熔-釬焊過程中，利用勵磁線圈(2)在焊接區域產生外加交變混合磁場控制焊接電弧(10)的特性，對釬焊的液態釬料熔池(9)進行電磁攪拌與電磁激勵強化的輔助作用，促進液態釬料有序流動及其在熔點較高的金屬材料B(6)表面破膜、潤濕、鋪展與擴散，促進液態釬料與熔點較低金屬材料A(11)熔化的母材充分地混合，提高釬焊焊縫成分的均勻化程度，減少焊接缺陷，優化釬焊焊縫組織與性能，以提高釬焊接頭質量；電磁激勵TIG電弧熔-釬焊的工藝參數為交流TIG電弧，鎢極直徑Φ1.6-3.2mm，焊接電流40-160A，電弧長度3-4mm，焊接速度100-150mm/min，Ar氣流量5-8L/min，焊絲直徑Φ1.2mm，送絲速度200-300mm/min，輔助磁場強度為20～800Gs，占空比為30-70％，頻率為3-24Hz，釬料通過填絲的方式進入釬縫熔池，與母材夾角為10-30度；或者電磁激勵MIG電弧熔-釬焊的工藝參數為直流MIG反接極性，焊接電流60-200A，電弧電壓18-21V，焊接速度300-600mm/min，Ar氣流量10-15L/min，焊絲直徑Φ0.8-1.6mm，輔助磁場強度為100～800Gs，占空比為30-70％，頻率為3-24Hz。
2.根據權利要求1所述的異種材料電磁激勵電弧熔-釬焊復合方法和設備，其特征在 于所使用的勵磁線圈單獨由基于ARM微處理器的數字化專用勵磁電源供給精準的勵磁電 流，其勵磁電流波形為間歇變極性的長方波形，產生出相應的間歇交變混合磁場，外加磁場 頻率與強度精確可調，配合相應的電弧熔-釬焊方法使用；外加輔助磁場的電磁激勵和電 磁攪拌作用使液態釬料在短暫的焊接過程中更充分地在固態母材基體上潤濕與鋪展，且與 發生熔化的液態金屬母材充分均勻混合，促進電弧熔釬焊工藝過程中釬料與母材間的相互 擴散和成分均勻化，并能實現電磁凈化、電磁熱處理的獨特功能，抑制有害物質的形成，提 高釬焊接頭的強度，綜合改善電弧熔-釬焊的連接質量。
3.根據權利要求1和2所述的異種材料電磁激勵電弧熔_釬焊復合方法和設備，其特 征在于適用于I型、V型、Y型、X型的焊縫形式；將勵磁線圈安裝在焊槍上，由焊縫正面垂直 對液態釬料實施電磁激勵作用；或者將勵磁線圈安裝在工件背面，由焊縫背面垂直對液態 釬料實施電磁激勵作用；或者安裝兩個勵磁線圈，同時在焊縫正面和背面垂直對液態釬料 實施電磁激勵作用；或者外加輔助磁場傾斜施加于釬焊液態熔池，磁場與工件水平面的夾 角為15-80°、以電極中心線為軸線的立體圓錐面的任意位置；或者外加縱向輔助磁場只 施加在焊縫一種金屬材料的單獨一側，形成半磁場的電磁激勵電弧熔-釬焊復合方式。
全文摘要
本發明公開了一種異種材料電磁激勵電弧熔-釬焊復合方法和設備在異種金屬材料連接的電弧熔-釬焊過程中，利用勵磁線圈在焊接區域產生外加交變磁場控制焊接電弧的特性，對釬焊的液態釬料熔池進行電磁攪拌與電磁激勵強化的輔助作用，促進液態釬料有序流動及其在熔點較高的金屬材料表面破膜、潤濕、鋪展與擴散，促進液態釬料與熔點較低金屬材料熔化的母材充分地混合，提高釬焊焊縫成分的均勻化程度，減少焊接缺陷，優化釬焊焊縫組織與性能，提高釬焊接頭質量，并且該設備結構簡單，應用靈活，成本較低，效果較佳，易于實現。
文檔編號B23K3/00GK101844259SQ201010171319
公開日2010年9月29日 申請日期2010年5月13日 優先權日2010年5月13日
發明者羅鍵 申請人:重慶大學