專利名稱：一種電磁激勵tig電弧熔-釬焊復合焊接方法和設備的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種釬焊領域，特別是利用外加磁場輔助的電磁激勵TIG電弧熔-釬 焊復合焊接方法和設備。
背景技術：
非熔化極惰性氣體保護電弧熔-釬焊是以一種新型的以TIG電弧為熱源的釬焊 工藝，非熔化極惰性氣體保護電弧釬焊(TIG電弧釬焊)，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)熔化而母材局部或不熔化，實現同種或異種金屬材料間的連接；2000年烏克蘭巴頓焊 接研究所和烏克蘭海洋技術大學發明了 TIG氬弧釬焊鎳基合金工藝，并對鎳基合金葉片進 行電弧釬焊修復技術研究；德國、美國、日本等國在汽車部件制造及電器制造業種已經采用 這種方法。電弧釬焊熱輸入小，接頭變形與焊接熱影響區小，操作方便且易于實現自動化， 同時電弧能有效去除氧化膜，焊后接頭不用清洗，是一種具有很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。電弧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；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。為防止母材熔化，電弧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。將已經在電弧焊領域得到研 究應用的電磁攪拌技術復合到電弧釬焊工藝中，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 有效地改善電弧釬焊連接質量。
發明內容
本發明所要解決的技術問題是針對現有TIG電弧熔_釬焊技術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，電磁激勵TIG電弧熔_釬焊復合焊接方法和設備， 在TIG電弧熔-釬焊過程中，利用勵磁線圈或者其它磁場產生裝置，在焊接區域產生外加 交變混合磁場控制焊接電弧的特性，在釬料熔池中電磁力與其中的焊接電流分布相互作用 下，對釬焊的液態釬料熔池進行電磁攪拌與電磁激勵強化作用，促進液態釬料有序流動及 其在工件表面破膜、潤濕、鋪展與擴散，促進液態釬料與工件熔化的母材充分地混合形成釬 焊焊縫，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 高釬焊接頭的質量和壽命。作為釬料的焊絲接焊接電源的正極，焊槍鎢極接電源的負極，工件不與焊接電源 相連接；直流焊接時，將有利于作為釬料的焊絲熔化，而鎢極熱量較少，避免焊槍鎢極的嚴 重燒損，同時，因焊接工件的熱輸入少，防止焊接工件的大變形，形成低能量的TIG釬焊技 術；交流焊接時，作為釬料的焊絲與鎢極的焊接極性交替變化，特別有利于有色金屬材料的 TIG電弧熔_釬焊，焊接工件的熱輸入也較低，防止焊接工件因能量輸入過大而產生大變 形。電磁激勵TIG電弧熔-釬焊復合焊接方法的工藝參數為TIG電弧，鎢極直徑 Φ1. 6-3. 2mm,焊接電流40-280A，電弧長度l_4mm，焊接速度30-270mm/min，Ar氣流量 5-16L/min,釬料焊絲直徑Φ0. 8-3. 2mm,送絲速度80-360mm/min，輔助磁場強度為20 1200Gs,占空比為30-60%，磁場頻率為3_50Hz，釬料通過填絲方式進進行釬焊，與焊接前 進方法的夾角為10-30度。電磁激勵TIG電弧熔-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 TIG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 TIG電弧熔-釬焊的連接質量。電磁激勵TIG電弧熔-釬焊復合焊接方法和設備，適用于I型、V型、Y型、X型等 多種焊縫形式，接頭為對接、搭接、卷邊、點接頭等多種結構；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30-60°、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工件焊縫的單獨一側，形成半磁場的電磁激勵TIG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)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工件母材上的潤濕、鋪展與擴散，促進液態釬料與工件母材發生局 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 TIG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TIG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；(7)作為釬料的焊絲接焊接電源的正極，焊槍鎢極接電源的負極，工件不與焊接電 源相連接；直流焊接時，將有利于作為釬料的焊絲熔化，而鎢極熱量較少，避免焊槍鎢極的 嚴重燒損，同時，因焊接工件的熱輸入少，防止焊接工件的大變形，形成低能量的TIG釬焊 技術；交流焊接時，作為釬料的焊絲與鎢極的焊接極性交替變化，特別有利于有色金屬材料 的TIG電弧熔-釬焊，焊接工件的熱輸入也較低，防止焊接工件因能量輸入過大而產生大變 形。
圖1電磁激勵TIG電弧熔-釬焊復合焊接方法和設備示意圖；圖2電磁激勵TIG 電弧熔-釬焊復合焊接方法和設備的焊縫橫截面示意圖；圖3外加縱向輔助磁場施加在金 屬材料一側的示意圖；圖4外加輔助縱向磁場施加在工件底部的示意圖；圖5外加輔助橫 向磁場施加示意圖；圖6外加輔助磁場施加在高熔點金屬材料一側的示意圖。
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、鎢極；7、 焊接電弧；8、焊縫；9、工件；10、釬料焊絲；11、熔池；12、焊接電源。附圖給出的電磁激勵TIG電弧熔-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，并不限于此結構。
具體實施例方式本發明主要包含一種電磁激勵TIG電弧熔_釬焊復合焊接方法和設備。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和圖2所示，電磁激勵TIG電弧熔-釬焊復合焊接方法和設備，在TIG電弧 熔_釬焊過程中，利用勵磁線圈2或者其它磁場產生裝置，其特征在于焊接區域產生外加交 變混合磁場控制焊接電弧7的特性，在釬料熔池中電磁力與其中的焊接電流分布相互作用 下，對釬焊的液態釬料熔池11進行電磁攪拌與電磁激勵強化作用，促進液態釬料有序流動 及其在工件9表面破膜、潤濕、鋪展與擴散，促進液態釬料與工件熔化的母材充分地混合形 成釬焊焊縫8，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， 以提高釬焊接頭的質量和壽命；如圖1所示，作為釬料的焊絲10接焊接電源12的正極，焊槍鎢極6接電源的負 極，工件9不與焊接電源相連接；直流焊接時，將有利于作為釬料的焊絲熔化，而鎢極熱量 較少，避免焊槍鎢極的嚴重燒損，同時，因焊接工件的熱輸入少，防止焊接工件的大變形，形 成低能量的TIG釬焊技術；交流焊接時，作為釬料的焊絲與鎢極的焊接極性交替變化，特別 有利于有色金屬材料的TIG電弧熔_釬焊，焊接工件的熱輸入也較低，防止焊接工件因能量 輸入過大而產生大變形；電磁激勵TIG電弧熔-釬焊復合焊接方法的工藝參數為TIG電弧，鎢極直徑 Φ1. 6-3. 2mm,焊接電流40-280A，電弧長度l_4mm，焊接速度30-270mm/min，Ar氣流量 5-16L/min,釬料焊絲直徑Φ0. 8-3. 2mm,送絲速度80-360mm/min，輔助磁場強度為20 1200Gs,占空比為30-60%，磁場頻率為3_50Hz，釬料通過填絲方式進進行釬焊，與焊接前 進方法的夾角為10-30度，如圖1所示；電磁激勵TIG電弧熔-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 TIG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 TIG電弧熔-釬焊的連接質量。電磁激勵TIG電弧熔-釬焊復合焊接方法和設備，其特征在于適用于I型、V型、 Y型、X型的焊縫形式，接頭為對接、搭接、卷邊、點結構；將勵磁線圈安裝在焊槍上，如圖2 所示，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，如 圖4所示，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30-60°、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工件焊縫的單獨一側，形成半磁場的電磁 激勵TIG電弧熔_釬焊復合方式，如圖3所示；或者外加橫向輔助磁場，如圖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TIG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。本發明可應用 于異種、或同種材料的熔_釬焊領域。實施例1 鍍鋅鋼板Q345B材料電磁激勵TIG電弧熔-釬焊復合焊接方法和設備，利用外加 磁場輔助橫向磁場TIG電弧熔-釬焊復合焊接方法，焊接工件厚度為1.2mm，對接接頭，釬 焊工藝參數為直流，工件不接焊接電源，釬料焊絲接正極，鎢極接焊接電源負極，鎢極直徑 Φ 2. 4mm ；焊接電流50-160A ；輔助磁場強度300-720Gs ；釬料焊絲直徑Φ1. 2mm，通過參數 優化，達到所需的接頭性能。
權利要求
一種電磁激勵TIG電弧熔-釬焊復合焊接方法和設備，在TIG電弧熔-釬焊過程中，利用勵磁線圈(2)或者其它磁場產生裝置，其特征在于焊接區域產生外加交變混合磁場控制焊接電弧(7)的特性，在釬料熔池中電磁力與其中的焊接電流分布相互作用下，對釬焊的液態釬料熔池(11)進行電磁攪拌與電磁激勵強化作用，促進液態釬料有序流動及其在工件(9)表面破膜、潤濕、鋪展與擴散，促進液態釬料與工件熔化的母材充分地混合形成釬焊焊縫(8)，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，以提高釬焊接頭的質量和壽命；作為釬料的焊絲(10)接焊接電源(12)的正極，焊槍鎢極(6)接電源的負極，工件(9)不與焊接電源相連接；直流焊接時，將有利于作為釬料的焊絲熔化，而鎢極熱量較少，避免焊槍鎢極的嚴重燒損，同時，因焊接工件的熱輸入少，防止焊接工件的大變形，形成低能量的TIG釬焊技術；交流焊接時，作為釬料的焊絲與鎢極的焊接極性交替變化，特別有利于有色金屬材料的TIG電弧熔-釬焊，焊接工件的熱輸入也較低，防止焊接工件因能量輸入過大而產生大變形；電磁激勵TIG電弧熔-釬焊復合焊接方法的工藝參數為TIG電弧，鎢極直徑Φ1.6-3.2mm，焊接電流40-280A，電弧長度1-4mm，焊接速度30-270mm/min，Ar氣流量5-16L/min，釬料焊絲直徑Φ0.8-3.2mm，送絲速度80-360mm/min，輔助磁場強度為20～1200Gs，占空比為30-60％，磁場頻率為3-50Hz，釬料通過填絲方式進進行釬焊，與焊接前進方法的夾角為10-30度；
2.根據權利要求1所述的電磁激勵TIG電弧熔-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，外加磁場 頻率與強度精確可調，配合相應的TIG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TIG電弧熔-釬焊的連接質量。
3.根據權利要求1和2所述的電磁激勵TIG電弧熔-釬焊復合焊接方法和設備，其特 征在于適用于I型、V型、Y型、X型的焊縫形式，接頭為對接、搭接、卷邊、點結構；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30-60°、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工件焊縫的單獨一側，形成半磁場的電磁激勵TIG電 弧熔-釬焊復合方式。
全文摘要
本發明公開了一種電磁激勵TIG電弧熔-釬焊復合焊接方法和設備，在焊接區域使用外加交變磁場控制焊接電弧的特性，對電弧熔-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B23K3/00GK101862873SQ20101017135
公開日2010年10月20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