專利名稱：一種異種材料電磁激勵電阻熔-釬焊復合焊接方法和設備的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種利用外加磁場輔助的電磁激勵電阻熔-釬焊復合焊接方法和設備。
背景技術：
釬焊技術是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，實現同種或異種金屬材料間的連接。電阻釬焊是利用電流通過焊件或與 焊件接觸的加熱塊所產生的電阻熱加熱焊件和熔化釬料的釬焊方法，釬焊時需對釬焊處應 施加一定的壓力。電阻釬焊的基本原理與電阻焊相同，與其他的釬焊方法相比，具有加熱迅 速、生產率高、熱影響區小等優點，且容易實現自動化，因此，常用于成分與性能差異較大的 異種金屬間連接，是一種具有較高實用價值的焊接技術，有著廣泛的發展空間。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。電阻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阻釬焊過程中可 以細化液態釬料結晶組織，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。在外加磁場作用下，熔池中的液態金屬受洛侖茲力的作用發生旋轉，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，有利于電阻釬 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； 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，如電弧釬焊、激光釬焊等。一般的電阻釬焊被加熱的只是零件的釬焊處，加熱速度較快，因而在釬焊過程中， 對零件釬焊面貼合緊密程度要求高，否則，易因接觸不良造成母材局部過熱或接頭嚴重未 釬透等缺陷。此外，為防止母材熔化，電阻釬焊過程中由釬料形成的液態熔池保持時間較 短，不利于液態釬料在母材表面充分鋪展和形成擴散層。將電磁攪拌技術復合到電阻釬焊 工藝中，通過在焊接區產生附加磁場來促進液態釬料流動及在母材上的潤濕與鋪展，促進 釬料與母材間的相互擴散，可以有效地改善電阻釬焊連接質量。
發明內容
本發明所要解決的技術問題是針對現有電阻釬焊技術由于釬料形成的液態熔池 保持時間較短，不利于液態釬料在母材表面充分鋪展和與母材相互擴散，以及接頭易產生 缺陷等問題，利用外加磁場輔助的異種材料電磁激勵電阻熔-釬焊復合焊接方法和設備， 在異種金屬材料電阻熔-釬焊過程中，利用勵磁線圈在焊接區域產生外加交變磁場，對液 態釬料進行輔助電磁攪拌和有序控制，對熔化的液態釬料進行電磁攪拌與電磁激勵強化的輔助作用，促進液態釬料方向性流動及其在熔點較高金屬材料表面破膜、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，促進釬料與母材間元素、成 份的相互擴散及其合金化，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，提高電阻釬焊接頭質量，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。
為解決上述技術問題，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，設計形式靈活的勵磁線圈；電源經導線向勵磁線 圈供電，產生頻率與強度可調的磁場對熔融態釬料進行輔助電磁攪拌，從而促進液態釬料 流動及在母材表面的潤濕與鋪展，促進釬料與母材間的相互擴散，提高電阻釬焊連接質量。 為保證焊接過程的穩定以及調節的可靠性，由單獨專用電源向勵磁線圈供電，產生的磁場 頻率與強度根據是可調的，配合電阻釬焊不同工藝條件使用。具體是異種材料電磁激勵電阻熔-釬焊復合焊接方法和設備，A、B異種金屬材料 連接的電阻熔-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釬焊的 液態釬料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熔化的 母材充分地混合，促進釬料與熔化的母材間元素、成份的相互擴散及其合金化，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；電磁激勵電阻點焊熔-釬焊的工藝參數為熔點較低的金屬材料置于熔點較高的 金屬材料上面，上電極端面面積大于下電極端面面積，電極端面為截錐形，上電極端面尺寸 為Φ10-40πιπι，下電極端面尺寸為Φ6-20πιπι ；焊接電流為0. 1-60ΚΑ ；焊接時間為0. 2_3s ；電 極壓力0. 1-6. 8KN，輔助磁場強度為20-8000Gs，占空比為30-80 %，頻率為20_200Hz ；或者電磁激勵電阻縫焊熔-釬焊的工藝參數為熔點較低的金屬材料置于熔 點較高的金屬材料上面，滾輪寬度尺寸為3-20mm，滾輪直徑為120_300mm，焊接電流為 4-90KA ；焊接速度150-300cm/min ；電極壓力1-12KN，輔助磁場強度為20_8000Gs，占空比為 30-80 %，頻率為 20-200Hz。異種材料電磁激勵電阻熔-釬焊復合焊接方法和設備，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 應的電阻熔_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、合金化和成分均勻化， 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；對于活性金屬的焊接，采用氣罩或噴嘴對焊接區進行 局部氣體保護，防止焊縫金屬氧化，保護氣體的流量為15-30L/min。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阻熔-釬焊復合焊接方法和設備，適用搭接、折邊、凸點、凸 環、T型、塔邊、對接的接頭形式；將勵磁線圈安裝在上電極上，在工件正面對液態釬料實施 電磁激勵作用；或者將勵磁線圈安裝下電極上，在工件背面對液態釬料實施電磁激勵作用； 或者在上下電極上同時安裝勵磁線圈，在正面和背面對液態釬料實施電磁激勵作用；或者將焊接區置于勵磁線圈的中心空腔內進行焊接；或者外加輔助磁場傾斜施加于焊點，磁場 與工件母材水平面的夾角為25-75°、以電極中心線為軸線的立體圓錐面的任意位置；或 者外加橫向輔助磁場，工件母材平行，形成電磁激勵電弧熔_釬焊復合方式，改善電阻釬焊 連接質量；用于異種材料或同種材料間電阻熔釬焊的連接，根據焊機結構形式進行調整，使 其可以用于普通的電阻焊機，也可用于專門的電阻釬焊設備，半自動/自動電阻釬焊焊接 工藝。
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阻熔-釬焊過程中，利用外加輔助磁場對液態釬料 進行電磁有序控制，對液態釬料熔池進行輔助電磁攪拌和電磁處理作用，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，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 分均勻化程度以及合金化焊縫，形成高質量的焊縫組織。(2)外加輔助磁場的電磁激勵、電磁攪拌、電磁處理、電磁凈化作用使液態釬料在 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，促進電阻熔釬-焊工藝過程中釬料與母材間的相互擴散和成分均勻化，并 能實現電阻焊的焊前電磁預熱和焊后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，消除或減少電阻焊飛濺，降低電極的 熱磨損，提高電極的使用壽命。(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；能夠減小偏析和電阻釬縫裂紋傾向，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；且適用于搭接、折邊、凸 點、凸環、T型、塔邊、對接的接頭形式等多種常用接頭形式。可用于同種或異種材料間電阻 釬焊連接。(5)在異種金屬材料連接的電阻熔-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、縱向磁場和橫向磁場以及混合磁場等多種形式靈 活地對液態釬料熔池實施電磁激勵作用，以滿足不同的要求；特別是單側輔助磁場可以單 獨有效控制使低熔點活性金屬母材不至于過熱，加快焊縫氣孔溢出，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、電弧焊等；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。(7)本發明利用外加磁場輔助電阻釬焊的復合焊接方法，可以根據需要將通電線 圈安裝在電極或焊機特定位置由工件正面或背面對液態釬料實施輔助電磁作用；本發明 可根據焊機結構形式調整勵磁線圈具體結構和固定方式，可用于半自動/自動電阻釬焊工 藝，使其可以用于普通的電阻焊機，也可用于專門的電阻釬焊設備。本發明也不局限于線圈 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。
圖1異種材料電磁激勵電阻熔-釬焊復合焊接方法和設備橫截面示意圖(磁場線 圈位于上電極)；圖2勵磁線圈位于下電極的示意圖；圖3焊接區置于勵磁線圈的中心空腔 內的示意圖；圖4外加輔助橫向磁場施加的示意圖；圖5外加輔助磁場傾斜施加的示意圖。圖中1、導線；2、勵磁線圈；3、絕緣層；4、水冷電極；5、A材料工件；6、釬料；7、B材 料工件。附圖給出的異種材料電磁激勵電阻熔-釬焊復合焊接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，不限于此結構和形式。
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阻熔-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。如圖1所示外加磁場輔助復合電阻釬焊工藝中，可以將勵磁線圈2套在上側水冷 電極4外，之間絕緣層3起到絕緣和輔助夾緊的作用。勵磁電源經導線1向勵磁線圈供電， 產生頻率與強度可調的磁場，對熔化的液態釬料6進行輔助電磁攪拌、電磁激勵等作用，從 而促進液態釬料流動及在兩種焊接金屬材料工件5和7表面的潤濕與鋪展，促進釬料與金 屬材料母材間的相互擴散，提高電阻釬焊連接質量。在具體實施過程中，異種材料電磁激勵電阻熔_釬焊復合方法和設備，A、B異種金 屬材料連接的電阻熔_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 制釬焊的液態釬料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B金屬材料7表面破膜、潤濕、鋪展與擴散，促進液態釬料與熔點較低A金 屬材料5熔化的母材充分地混合，促進釬料與熔化的母材間元素、成份的相互擴散及其合 金化，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，如果采用電阻點焊包括凸焊和對焊，其電磁激勵電阻點焊熔_釬焊的工 藝參數為熔點較低的金屬材料置于熔點較高的金屬材料上面，上電極端面面積大于下 電極端面面積，電極端面為截錐形，上電極端面尺寸為Φ10-40·，下電極端面尺寸為 O6-20mm ；焊接電流為0. 1-60KA ；焊接時間為0. 2_3s ；電極壓力0. 1-6. 8KN，輔助磁場強度 為 20-8000Gs,占空比為 30-80%，頻率為 20_200Hz ；其中，如果采用電阻縫焊，其電磁激勵電阻縫焊熔-釬焊的工藝參數為熔點 較低的金屬材料置于熔點較高的金屬材料上面，滾輪寬度尺寸為3-20mm，滾輪直徑為 120-300mm，焊接電流為4-90KA ；焊接速度150-300cm/min ；電極壓力1-12KN，輔助磁場強度 為 20-8000Gs，占空比為 30-80%，頻率為 20_200Hz。異種材料電磁激勵電阻熔-釬焊復合焊接方法和設備，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 應的電阻熔_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、合金化和成分均勻化，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；對于活性金屬的焊接，采用氣罩或噴嘴對焊接區進行 局部氣體保護，防止焊縫金屬氧化，保護氣體的流量為15-30L/min。異種材料電磁激勵電阻熔-釬焊復合焊接方法和設備，其特征在于適用搭接、折 邊、凸點、凸環、T型、塔邊、對接的接頭形式；將勵磁線圈安裝在上電極上，如圖1所示，在工 件正面對液態釬料實施電磁激勵作用；或者將勵磁線圈安裝下電極上，如圖2所示，在工件 背面對液態釬料實施電磁激勵作用；或者在上下電極上同時安裝勵磁線圈，在正面和背面 對液態釬料實施電磁激勵作用；或者將焊接區置于勵磁線圈的中心空腔內進行焊接，如圖 3所示；或者外加輔助磁場傾斜施加于焊點，磁場與工件母材水平面的夾角為25-75°、以 電極中心線為軸線的立體圓錐面的任意位置，如圖5所示或者外加橫向輔助磁場，工件母 材平行，如圖4所示，形成電磁激勵電弧熔_釬焊復合方式，改善電阻釬焊連接質量。本發明利用所設計的外加磁場輔助電阻釬焊的復合焊接方法，利用外加磁場對液 態釬料熔池進行輔助電磁作用，其具體工作原理與常規電阻釬焊有所不同；可用于異種材 料或同種材料間電阻熔釬焊的連接，根據焊機結構形式進行調整，使其可以用于普通的電 阻焊機，也可用于專門的電阻釬焊設備，半自動/自動電阻釬焊焊接工藝。本發明也不局限 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。
實施例1 1. 2mm的與ZK60鎂合金工件搭接電磁激勵電阻熔-釬焊，焊接工藝參數為上、 下電極尺寸分別為Φ16πιπι和Φ8πιπι，把42CrMnSi鋼放在下電極上，釬劑和釬料放置于 42CrMnSi鋼和ZK60鎂合金工件之間，ZK60鎂合金工件位于上電極；焊接電流為12KA ；輔助 磁場強度SOOGs ；焊接時間為0. 2-0. 6s ；電極壓力2. 4-3. 7KN。通過參數優化，達到所需電 阻熔_釬焊組織與性能。實施例2 1. 6mm的7075鋁合金與AZ31B鎂合金工件電磁激勵電阻縫焊熔-釬焊，焊接工 藝參數是滾輪圓弧半徑為IOOmm ；焊接電流為36KA ；輔助磁場強度SOOGs ；每分鐘點數為 120-150點；電極壓力5. 2-8. 7KN。釬劑和釬料放置于7075鋁合金和AZ31B鎂合金工件之 間，通過參數優化，實現高質量的電阻熔_釬焊接頭的焊接。實施例3 3mm厚AZ91鎂合金電磁激勵電阻點焊熔-釬焊，焊接工藝參數是上、下電極尺寸 相同，電極球面半徑均為200mm ；焊接電流為12-32KA ；輔助磁場強度1200Gs，方向為橫向磁 場；電極壓力3. 6-5. 8KN，釬料為Zn-Al-Cu共晶成份，釬劑為KCl、NaCl、LiCl和NaF配制的 氯化物釬劑。通過參數優化，實現高質量的電阻熔_釬焊接頭的焊接。
權利要求
一種異種材料電磁激勵電阻熔-釬焊復合焊接方法和設備，其特征在于A(5)、B(7)異種金屬材料連接的電阻熔-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釬焊的液態釬料(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(7)表面破膜、潤濕、輔展與擴散，促進液態釬料與熔點較低金屬材料A(5)熔化的母材充分地混合，促進釬料與熔化的母材間元素、成份的相互擴散及其合金化，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；電磁激勵電阻點焊熔-釬焊的工藝參數為熔點較低的金屬材料置于熔點較高的金屬材料上面，上電極端面面積大于下電極端面面積，電極端面為截錐形，上電極端面尺寸為Φ10-40mm，下電極端面尺寸為Φ6-20mm；焊接電流為0.1-60KA；焊接時間為0.2-3s；電極壓力0.1-6.8KN，輔助磁場強度為20-8000Gs，占空比為30-80％，頻率為20-200Hz；或者電磁激勵電阻縫焊熔-釬焊的工藝參數為熔點較低的金屬材料置于熔點較高的金屬材料上面，滾輪寬度尺寸為3-20mm，滾輪直徑為120-300mm，焊接電流為4-90KA；焊接速度150-300cm/min；電極壓力1-12KN，輔助磁場強度為20-8000Gs，占空比為30-80％，頻率為20-200Hz。
2.根據權利要求1所述的異種材料電磁激勵電阻熔-釬焊復合焊接方法和設備，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，夕卜 加磁場頻率與強度精確可調，配合相應的電阻熔_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、合金化和成分均勻化，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；對于活性金屬的 焊接，采用氣罩或噴嘴對焊接區進行局部氣體保護，防止焊縫金屬氧化，保護氣體的流量為 15_30L/mino
3.根據權利要求1和2所述的異種材料電磁激勵電阻熔_釬焊復合焊接方法和設備， 其特征在于適用搭接、折邊、凸點、凸環、T型、塔邊、對接的接頭形式；將勵磁線圈安裝在上 電極上，在工件正面對液態釬料實施電磁激勵作用；或者將勵磁線圈安裝下電極上，在工件 背面對液態釬料實施電磁激勵作用；或者在上下電極上同時安裝勵磁線圈，在正面和背面 對液態釬料實施電磁激勵作用；或者將焊接區置于勵磁線圈的中心空腔內進行焊接；或者 外加輔助磁場傾斜施加于焊點，磁場與工件母材水平面的夾角為25-75°、以電極中心線為 軸線的立體圓錐面的任意位置；或者外加橫向輔助磁場，工件母材平行，形成電磁激勵電弧 熔_釬焊復合方式，改善電阻釬焊連接質量；用于異種材料或同種材料間電阻熔釬焊的連 接，根據焊機結構形式進行調整，使其可以用于普通的電阻焊機，也可用于專門的電阻釬焊 設備，半自動/自動電阻釬焊焊接工藝。
全文摘要
本發明公開了一種利用外加磁場輔助的異種材料電磁激勵電阻熔-釬焊復合焊接方法和設備，在異種金屬材料電阻熔-釬焊過程中，利用勵磁線圈在焊接區或產生外加交變磁場，對液態釬料進行輔助電磁攪拌和有序控制，對熔化的液態釬料進行電磁攪拌與電磁激勵強化的輔助作用，促進液態釬料方向性流動及其在熔點較高金屬材料表面破膜、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，促進釬料與母材間元素、成份的相互擴散及其合金化，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，提高電阻釬焊接頭質量，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B23K3/00GK101844260SQ20101017134
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
發明者冷海波, 劉德佳, 羅鍵, 趙國際 申請人:重慶大學