專利名稱：一種磁控熔化極焊接方法及其拓展應用和通用設備的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及焊接領域，特別是一種磁控熔化極焊接方法及其拓展應用和通用設備。
背景技術：
以前(包括教科書)所言，旋轉(zhuǎn)射流熔滴過渡形式的熔化焊因為焊接過程飛濺大、焊縫成型差，被認為根本不可應用于實際的焊接生產(chǎn)過程之中。目前，國內(nèi)外被廣泛使用的同類技術是以高昂的氦氣為主要組元的混合氣體熔化極焊接技術(如TIME、RAPID MELT、LINFAST等)，同時該保護氣體配方也具有國際知識產(chǎn)權，使得工藝和設備的使用比較昂貴。目前，國內(nèi)公開了兩項該方面的專利申請一項是磁控高熔覆率熔化極混合氣體保護焊接(MAG)方法及專用設備(申請?zhí)?2116241.7)，其采用單個空心線圈固定于焊槍上、恒定勵磁電流，產(chǎn)生恒定磁場，能部分控制焊接電弧和熔滴過渡，只適用于中等焊接電流(焊接電流小于600A)、淺坡口、普通鋼材的部分黑色金屬的焊接需要。一項是可用于深坡口焊接的磁控大電流MAG焊接方法及設備(申請?zhí)?00410086897.0)，它是在前者的基礎上僅對空心勵磁線圈進行改進，添加和設計了導磁鐵芯，僅增加了對深坡口接頭形式工件的焊接。
雖然上述兩項專利能夠部分實現(xiàn)磁控高熔覆率MAG焊接，但它們均采用單個線圈產(chǎn)生的單一恒定磁場(非勻強磁場)進行焊接控制，由此帶來的缺陷是線圈只能固定于焊槍上，磁場施加方式不靈活；磁場可調(diào)節(jié)參數(shù)少，設備控制手段比較單一；產(chǎn)生的非勻強恒定磁場，實質(zhì)上僅能部分控制焊接電弧和熔滴過渡，對焊接熔池的攪拌作用和促進焊縫凝固、晶粒細化的作用不明顯；實踐證明，恒定勵磁電流產(chǎn)生的恒定外加磁場是無法應用于大多數(shù)的實際焊接過程之中的；焊接氣體配比低效，焊接電流低于600A，全方位的整體工藝技術不完整，適用的焊接工藝種類、材質(zhì)和接頭形式等焊接范圍受到很多局限，還無法滿足復雜的實際焊接需要。因此，需要更進一步的完善和發(fā)展，以真正實現(xiàn)完全意義上的高效、優(yōu)質(zhì)、低成本的此類焊接技術。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的基本原理是認為焊接熔滴過渡形式是熔滴所受的各種力綜合作用的最終結(jié)果。研究者普遍認為特殊的T.I.M.E.(Transfer Ionized Molten Energy Process Welding)焊接氣體能夠得到穩(wěn)定的旋轉(zhuǎn)射流過渡形式也是由于熔滴所受合力作用的結(jié)果，而合力的大小和方向與混合氣體的配比成分和組元種類都有著密切的關系。不同氣體成分對熔滴旋轉(zhuǎn)有著不同作用。其他研究者希望通過改變混合氣體配比這個單一途徑，采用無氦混合氣體，獲得穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)射流過渡形式，實踐證明這種單一措施目前還不能解決連續(xù)大電流區(qū)間熔滴過渡的穩(wěn)定性。本發(fā)明人認為電弧由帶電粒子組成，焊接電弧是一個典型的等離子體(包括帶電粒子和中性粒子)，旋轉(zhuǎn)射流過渡熔滴是一種高溫、高速運動的微細金屬液滴，其行為必定受粒子運動和外加磁場的影響，如果控制了電弧中粒子和細液滴的運動，也就直接或間接地控制了熔滴的過渡行為?；谶@種基本原理，本發(fā)明人在2001年公開提出了通過外部手段控制(電磁控制)電弧行為的方法，從而為實現(xiàn)無氦混合氣體保護的高熔敷率焊接方法提供了新的思路。
本發(fā)明人在電磁控制電弧焊技術的基礎理論與工程應用的研究中發(fā)現(xiàn)采用外加縱向磁場可以促使焊接電弧旋轉(zhuǎn)并改變電弧等離子流力和電流密度的分布，進而影響焊絲加熱熔化、熔滴的過渡頻率和過渡形式，減少液態(tài)金屬的飛濺。另外，外加縱向磁場電弧焊接可以有效地攪拌焊接熔池，改變?nèi)鄢亟饘俚慕Y(jié)晶狀況，細化焊縫金屬的一次結(jié)晶組織，減小化學不均勻性，提高焊縫金屬的塑性和韌性。同時，又能降低結(jié)晶裂紋和氣孔的敏感性，改善奧氏體不銹鋼焊縫金屬抗晶間腐蝕的能力，全面提高焊接接頭的質(zhì)量。電磁控制電弧焊接技術被認為是一種正在不斷發(fā)展與完善的、低耗、高效、綠色的先進金屬材料加工技術之一。
本發(fā)明人在研究中發(fā)現(xiàn)調(diào)整無氦混合氣體成分和比例為Ar-N2(5％～25％)的磁控焊接具有輔助控制磁控焊接電弧形態(tài)、熔滴過渡形式、改善焊接過程的穩(wěn)定性及熔化金屬的濕潤情況、降低預熱溫度、改善焊后成形、減少飛濺、消除或防止氣孔等缺陷的形成、提高焊接接頭的綜合性能。Ar-N2的磁控鎢極惰性氣體保護焊接(TIG)焊接電弧的高熱性能與Ar-He的TIG焊接電弧具有同樣的高熱特性，而Ar-N2混合氣體的磁控焊接的成本只有Ar-He混合氣體焊接20～30％。Ar-N2混合氣體的磁控熔化極焊接電弧中，隨著氮氣的比例的增大(最大為30％)，磁控焊接電弧的靜特性、電場強度、電流密度都有顯著的上升。雖然，Ar-N2混合氣體磁控熔化極焊接電弧與Ar-He混合氣體TIME焊接電弧都具有高穩(wěn)定性、高能密的特性。但是，Ar-N2混合氣體為主體的磁控熔化極焊接電弧具有其自身的特點由于N2的密度比He大得多，在相同保護氣體流量的條件下，對電弧區(qū)的影響要大，電離后的氮原子遇到冷工件表面會重新復合放熱，使得工件熱輸入提高。另外，在氮氣比例小于20％時，沒有明顯的棕黃色煙霧，但與純氬弧有明顯的不同，具有明顯的氬氦弧特性，在Ar-N2混合氣體的磁控焊接時，此時需要加強焊接勞動保護措施。其特別適用于焊接對Ar-N2呈惰性的金屬及其合金，如銅及其合金的磁控焊接過程。
本發(fā)明所要解決的技術問題是提供一對極雙頻磁控無氦高效熔化極氣體保護焊接方法和通用設備，以便突破傳統(tǒng)的熔化極MIG/MAG焊接工藝對焊接電流的限制，解決新型高效焊接技術(如TIME焊接技術等)對富氦多元保護氣體的依賴，打破磁控焊接技術的使用局限，完善磁控高效氣體焊接技術的控制手段，從而為開拓新的高效、綠色、先進焊接技術領域作出貢獻。
本發(fā)明解決其技術問題所采用的技術方案如下本發(fā)明提供的磁控熔化極焊接方法，是一對極雙頻磁控無氦高效熔化極氣體保護焊接的方法，具體是在焊接工件的上下兩邊，使用一對帶導磁鐵芯或不帶導磁鐵芯且與焊炬同軸或不同軸的上下極勵磁線圈，通過勵磁電源提供勵磁電流，產(chǎn)生時變或恒定的、雙頻或單頻的外加縱向磁場，該外加縱向磁場綜合控制焊接電弧、焊絲熔化、熔滴過渡、熔池攪拌與凝固過程，在高送絲速度、大焊絲外伸長度、無氦混合的保護氣體和大焊接電流的配合下，實現(xiàn)雙頻磁控無氦高熔覆率熔化極氣體保護焊接過程。
本發(fā)明提供的磁控熔化極焊接設備，設有勵磁電源、勵磁設備和水冷系統(tǒng)。
勵磁設備的結(jié)構是設有一對上下極勵磁線圈，它們分別位于焊接工件的上下兩邊，或在焊接工件的某一邊使用單個勵磁線圈。上極勵磁線圈固定于焊炬上且與焊炬同軸。下極勵磁線圈與焊炬同軸或不同軸，不同軸時，該線圈產(chǎn)生與焊炬不同軸的外加縱向磁場，焊炬和下極勵磁線圈的軸間距離可以自由調(diào)節(jié)，根據(jù)焊接速度的大小，調(diào)節(jié)兩者的相對位置即偏離度，使落后于焊炬中心軸的焊接熔池中心位于該線圈的中心位置。
上述勵磁線圈均為軸對稱圓柱線圈結(jié)構，其帶或者不帶導磁鐵芯，其支架內(nèi)裝有水冷系統(tǒng)。這些勵磁線圈與焊炬同步同速運動，或靜止。
勵磁電源采用能夠產(chǎn)生多種頻率和不同強度的時變勵磁電流或恒流勵磁電流的電源。
本發(fā)明提供的磁控熔化極焊接方法和焊接設備在下述方面的拓展用途用于高熔覆率熔化極混合氣體保護焊接，或普通熔化極混合氣體保護焊接；用于下述材質(zhì)中的焊接低碳鋼，合金鋼，特種鋼，不銹鋼，銅及其合金，鋁及其合金，鈦及其合金等其它黑色和有色金屬及其合金；用于不開坡口或開坡口的對接、搭接、角接、全位置焊接多種焊接接頭形式。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比，具有如下的顯著效果其一.與傳統(tǒng)的熔化極MIG/MAG焊接工藝相比，突破了穩(wěn)定射流熔滴過渡形式對焊接電流的限制。
其二.與國外高效焊接技術(如TIME焊接技術等)相比，解決了對富氦多元保護氣體的依賴，采用無氦保護氣體顯著降低焊接成本。
其三.打破磁控焊接技術的使用局限，開拓了新的使用空間。
其四.與其它磁控MAG焊接相比，增加了外加磁場控制MAG焊接過程的手段和方法，提高了磁控焊接工藝參數(shù)的靈活性，增強了高效、低成本磁控焊接技術的適用性，促進了先進焊接技術領域綠色、可持續(xù)、滿足循環(huán)經(jīng)濟需求的高技術工藝與設備的發(fā)展，完善和豐富了磁控高效材料加工工程的基礎理論和技術實踐能力。
其五.技術應用范圍廣泛，所需設備簡單，易于推廣使用。
本發(fā)明開拓了新的先進焊接技術領域，其包括創(chuàng)造突破了大焊接電流和必須使用特殊氦氣的兩個極限，采用完善的磁控技術成功克服了外加磁場的使用局限，從而在可持續(xù)、滿足循環(huán)經(jīng)濟需求的先進焊接技術工藝與設備的開發(fā)與實際利用方面作出了貢獻?？梢灶A期，本發(fā)明必將在建筑鋼結(jié)構、船舶、橋梁、化工、機械制造、航天技術和裝備等領域具有廣闊的應用價值與發(fā)展前景。
總之，本發(fā)明實現(xiàn)高效(高熔覆率)、低成本、高質(zhì)量、高穩(wěn)定性、多適用性、多方式綜合易控的綠色、近凈焊接過程。


圖1是本發(fā)明焊接方法和設備示意圖1.支架；2.焊炬噴嘴；3.焊炬；4.導磁鐵芯；5.勵磁電源；6.焊絲；7.焊接工件；8.下極勵磁線圈；9.上極勵磁線圈。
圖2是勵磁線圈支架水冷系統(tǒng)結(jié)構和冷卻水流向示意圖10.水流溝槽；11.外擋板；12.水流隔壁。
圖3是焊矩噴嘴水冷系統(tǒng)結(jié)構和冷卻水流向示意圖13.焊炬噴嘴擋板；14.焊炬噴嘴壁；15.螺紋水流溝槽。
具體實施例方式
本發(fā)明主要包含一對極雙頻磁控無氦高熔覆率熔化極氣體保護焊接的外加新型磁場控制方法和相關通用設備，以及在其它焊接工藝技術中的應用。
下面結(jié)合實施例及附圖對本發(fā)明作進一步說明。
一.磁控熔化極焊接方法本方法是一對極雙頻磁控無氦高熔覆率熔化極氣體保護焊接的方法。具體方法如下如圖1所示在焊接工件7的上下兩邊，使用一對帶導磁鐵芯4或不帶導磁鐵芯4且與焊炬3同軸或不同軸的上下極勵磁線圈9和8，通過勵磁電源5提供勵磁電流，產(chǎn)生時變或恒定的、雙頻或單頻的外加縱向磁場，該外加縱向磁場綜合控制焊接電弧、焊絲熔化、熔滴過渡、熔池攪拌與凝固過程，在高送絲速度、大焊絲外伸長度、無氦混合的保護氣體和大焊接電流的配合下，對焊接工件實現(xiàn)雙頻磁控無氦高熔覆率熔化極氣體保護焊接過程。
外加縱向磁場通過六個方面來實現(xiàn)綜合控制焊接過程改變磁場的種類(時變磁場或恒定磁場、單頻磁場或雙頻磁場)，改變磁場的頻率(不同頻率)，改變磁場的強度(不同強度)，改變磁場的施加方式(工件上方施加、或工件下方施加、或工件上下兩邊同時施加、或與焊炬不同軸的磁場施加方式)，根據(jù)焊接對象改變焊接保護氣體的成分和配比(Ar+CO2，或Ar+N2，或其它多元氣體成分和配比)以及與焊接工藝參數(shù)(焊接電流、送絲速度、焊絲直徑、氣體流量、焊接速度、焊接電壓等)的合理調(diào)節(jié)和匹配。
上下極勵磁線圈9和8與勵磁電源5配對使用，有下述三種方式一是上下極勵磁線圈可同時接用雙頻、不等強度、時變勵磁電流，其好處是在不影響熔滴穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)射流過渡電磁場的條件下，可以運用多工藝參數(shù)和手段的方式，靈活、可靠、有效地控制磁控焊接區(qū)溫度場、熔滴形成過程、液流束的運動狀態(tài)、熔池攪拌程度、焊縫凝固條件和接頭組織，以實現(xiàn)磁控無氦高效熔化極氣體保護焊接中溫度場、流場和力場的最佳耦合，最終形成優(yōu)質(zhì)焊縫、符合焊接質(zhì)量的要求；同時，這種多工藝參數(shù)控制條件下的可靠焊接控制方式，能夠?qū)崿F(xiàn)滿足不同特定焊接工藝、不同焊接材質(zhì)和焊接接頭形式需要的焊接過程。其原理是利用較高頻磁場或較大強度的磁場控制旋轉(zhuǎn)射流過渡時焊接電弧、焊絲端部熔滴脫落和液流束的穩(wěn)定性，并具有輔助感應加熱的作用促使焊絲熔化和熔滴形成；而較低頻磁場或較弱強度的磁場，使焊接熔池熔體充分攪拌，改變?nèi)鄢亟饘俚慕Y(jié)晶狀況，促使焊縫晶粒細化，減小化學不均勻性，降低氣孔的敏感性，提高接頭質(zhì)量，對焊接工件7實現(xiàn)符合焊接工藝要求的磁控焊接過程。
二是上下極勵磁線圈可同時施接單個勵磁電源5，產(chǎn)生同頻、同相、同強度的時變縱向電磁場或均勻強度的恒定縱向電磁場，對焊接工件7實現(xiàn)符合焊接工藝要求的磁控焊接過程。
三是上下極勵磁線圈可單獨使用、并施接一個勵磁電源5，產(chǎn)生一個時變縱向電磁場或均勻強度的恒定縱向電磁場，對焊接工件7實現(xiàn)符合焊接工藝要求的磁控焊接過程。
本發(fā)明利用外加時變縱向磁場熔化極氣體保護焊接過程可采用包括如下的工藝條件焊接電流80～1000A，送絲速度2～50m/min，焊絲直經(jīng)0.8～2.4mm，保護氣體流量10～50L/min，焊接電壓10～60V，焊接速度800～5000mm/min，勵磁電流10～60A，勵磁頻率1～50Hz。
上述保護氣體可采用磁控氣體a，或磁控氣體b，或磁控氣體c，具體如下磁控氣體a由氬氣和氮氣混合組成，其體積百分比是5～25％氮+剩余百分比的氬氣。此種氣體典型應用于對該氣體呈惰性的金屬及其合金，如銅及其合金；磁控氣體b由或氬氣和二氧化碳混合組成，其體積百分比是10～20％二氧化碳+剩余百分比的氬氣。此種氣體廣泛應用于黑色或有色金屬及合金的焊接；磁控氣體c是以氬氣為主導，三元氣體混合組成，其體積百分比是80～90％氬氣+1～2％氧氣+剩余百分比的二氧化碳氣。此種氣體廣泛應用于黑色或有色金屬及合金的焊接。
二.磁控焊接通用設備本設備是一對極雙頻磁控無氦高效熔化極氣體保護焊接的通用設備，如圖1所示設有勵磁電源、勵磁設備和水冷系統(tǒng)，勵磁設備設有一對上下極勵磁線圈9和8。
1.一對上下極勵磁線圈9和8根據(jù)實際焊接需要，所述勵磁線圈可以同時或單獨使用，它們與焊矩同軸；或者下極勵磁線圈8與焊矩不同軸而存在稍大或稍小的偏離度，以便在焊接過程中對熔池熔體形成如洗衣機偏心波輪所產(chǎn)生的更高效率、更合適的的攪拌作用。與之配套的勵磁電源5采用兩套數(shù)字電源，可以產(chǎn)生無級連續(xù)可調(diào)的恒定勵磁電流和時變勵磁電流(如間歇交變雙向脈沖電流，其斷通比和幅值均可調(diào)節(jié))。
下面結(jié)合

上述勵磁線圈的結(jié)構、連接關系及作用如圖1所示一對上下極勵磁線圈9和8分別位于焊接工件7的上下兩邊，或在焊接工件7的某一邊使用單個勵磁線圈。
上極勵磁線圈9固定于焊炬3上，且與焊炬3同軸。下極勵磁線圈8與焊炬3同軸或不同軸；不同軸時，該線圈產(chǎn)生與焊炬3不同軸的外加縱向磁場；焊炬3和該線圈的軸間距離可以自由調(diào)節(jié)，根據(jù)焊接速度的大小，調(diào)節(jié)兩者的相對位置，使落后于焊炬中心軸的焊接熔池中心位于該線圈的中心位置附近。
上述勵磁線圈均為軸對稱圓柱線圈結(jié)構，其帶導磁鐵芯4或者不帶導磁鐵芯4，其支架1內(nèi)設計有水冷系統(tǒng)；這些勵磁線圈與焊炬3同步同速運動，或靜止。
上述導磁鐵芯4活動安裝在上下極勵磁線圈9和8的線圈中，可以自由調(diào)節(jié)其在勵磁線圈中的位置直至去除。導磁鐵芯4端部的形狀可根據(jù)實際使用需要設計成不同的形狀，例如呈漏斗型、直桶型、圓錐型或曲面型等。上下極勵線圈9和8使用的導磁鐵芯4形狀可以相同，也可以有所不同。導磁鐵芯4可以由單個回轉(zhuǎn)體整體構成，或者由多個條塊狀的獨立體合理、有機地分布于線圈的不同位置組合構成。同時，根據(jù)焊接過程的實際需要可綜合調(diào)節(jié)勵磁線圈、導磁鐵芯、焊接工件、焊炬噴嘴和焊絲之間的矩離。
2.上下極勵磁線圈9和8與焊炬3的幾種連接及水冷方式(1)上極勵磁線圈9通過夾持鎖緊機構的連接在上極勵磁線圈9的支架1的端部設有與焊炬3相連的夾持鎖緊機構，其將勵磁線圈固定在焊炬噴嘴2上，使勵磁線圈與焊接工件7有一定距離的自由調(diào)節(jié)度。
上極勵磁線圈9的支架1內(nèi)的水冷系統(tǒng)采用蓋板式矩形脈沖形冷凝水流模式，其結(jié)構如圖2所示支架1內(nèi)設有水流溝槽10和錯開排列的兩排水流隔壁12，兩排水流隔壁12分別與水流溝槽10兩側(cè)的外擋板11相連，它們構成了脈沖形冷凝水流模式的支架內(nèi)高效、簡單水冷系統(tǒng)。圖2所示的精巧結(jié)構，盡管其整個集成空間設計結(jié)構簡單，但冷卻作用強烈，完全能夠適應大電流焊接的需要。圖中箭頭表示水流的通道。
勵磁線圈線圈水冷系統(tǒng)的作用是保護線圈在大電流焊接時線圈散熱和正常的工作，為在有限的幾何空間內(nèi)實現(xiàn)有效的冷卻保護作用。
(2)上極勵磁線圈9和焊炬噴嘴2集成式直接連接為了滿足中小焊接電流條件下手工焊矩或大焊接電流條件下自動焊矩良好的空間可達性，可以省掉支架1，直接將上極勵磁線圈9與焊炬噴嘴2集成為一體，采用絕緣材料使焊炬噴嘴2的外壁與線圈的線匝保持絕緣狀態(tài)，并且通過焊炬噴嘴2內(nèi)部構建的水冷系統(tǒng)進行冷卻，使焊矩和激磁線圈均處于良好的工作狀態(tài)。
焊炬噴嘴2內(nèi)的水冷系統(tǒng)可采用蓋板式螺旋形冷凝水流流動模式，其結(jié)構如圖3所示焊炬噴嘴壁14內(nèi)設計有螺旋狀的螺紋水流溝槽15，結(jié)合焊炬噴嘴擋板13形成了焊炬噴嘴內(nèi)全方位的冷凝水通道，使冷凝水圍繞焊炬噴嘴呈螺旋形流動，到達焊炬噴嘴的端部。這種水冷系統(tǒng)，具有空間結(jié)構緊湊、設計簡單、冷卻作用強烈的優(yōu)點，可保證大焊接電流條件下，焊炬3不變形，完全能夠適應高熔覆率、大電流焊接的需要。
(3)下極勵磁線圈8通過可調(diào)節(jié)式固定臂和焊炬3剛性連接下極勵磁線圈8通過一可調(diào)節(jié)式固定臂與焊炬3剛性連接為一體，可調(diào)節(jié)式固定臂可以改變焊炬3和下極勵磁線圈8的軸間距離，實現(xiàn)不同軸外加縱向磁場的施加方式。
3.勵磁電源5可采用能夠產(chǎn)生多種頻率和不同強度的時變勵磁電流或恒流勵磁電流的電源。
三.上述磁控熔化極焊接方法和磁控焊接通用設備的拓展應用1.在下述方面的應用(1)用于高熔覆率熔化極氣體保護焊接，或普通熔化極氣體保護焊接。
(2)用于下述材質(zhì)中的焊接低碳鋼，合金鋼，特種鋼，不銹鋼，銅及其合金，鋁及其合金，鈦及其合金等其它黑色和有色金屬及其合金。
(3)用于不開坡口或開坡口的對接、搭接、角接、全位置焊接多種焊接接頭形式。
2.其它磁控焊接的應用在上極勵磁線圈9不直接與焊炬噴嘴2集成為一體，或不采用焊炬噴嘴2內(nèi)的水冷系統(tǒng)，使用或不使用焊絲6和保護氣體，并在更換焊炬3(如采用等離子弧焊炬、埋弧焊炬等其它焊接工藝方法的特定焊炬)的條件下，將勵磁電源5、勵磁設備以及位于勵磁線圈支架1內(nèi)的水冷系統(tǒng)，用于以下的焊接工藝中，對焊接工件7實現(xiàn)磁控焊接過程采用外加間歇交變縱向磁場實施熔化極惰性氣體保護焊接(MIG)，或熔化極活性氣體保護焊接(MAG)，或鎢極活性氣體保護焊接(TAG)，或鎢極惰性氣體保護焊接(TIG)，或埋弧焊接(SAW)，或二氧化碳焊接，或電渣焊接(ESW)，或等離子弧焊接(PAW)，或激光焊接(LBW)。
其中有關參考的工藝參數(shù)如下(1)熔化極惰性氣體保護焊接紫銅工藝參數(shù)是焊接電流300～500A，磁場強度0.01～0.1T，磁場頻率1～10Hz，焊接速度300～500mm/min，采用磁控氣體a。
(2)熔化極或鎢極活性氣體保護焊接有色或黑色金屬及其合金時，采用磁控氣體b，或磁控氣體c，或磁控氣體d。
磁控氣體d以氬氣為主導，與小于10％的氦氣，二氧化碳氣或氧氣中的一種或兩種混合組成，其體積百分比是80～90％氬氣+小于10％氦氣+剩余百分比的二氧化碳氣或氧氣。
(3)鎢極惰性氣體保護焊接鋁合金工藝參數(shù)是焊接電流80～200A，磁場強度0.01～0.1T，磁場頻率1～10Hz，焊接速度100～500mm/min，弧長0.5～1.5mm。
采用磁控氣體e，其體積百分比是90～95％氬氣+5～10％氦氣。
(4)埋弧自動焊接鍋爐鋼工藝參數(shù)是焊接電流500～800A，磁場強度0.01～0.1T，磁場頻率1～10Hz，焊接速度200～600mm/mi；不采用保護氣體。
下面簡述一下本設備的工作過程如圖1所示，本發(fā)明勵磁線圈通過勵磁電源5提供勵磁電流，產(chǎn)生時變或恒定的、雙頻或單頻的外加縱向磁場。其中上極勵磁線圈9產(chǎn)生的縱向磁場主要用于控制焊接電弧的周期性的旋轉(zhuǎn)運動、焊絲熔化、焊絲末端熔滴的形成與脫離、液流束的運動狀態(tài)等，形成熔滴周期性、穩(wěn)定的旋轉(zhuǎn)射流過渡狀態(tài)。下極勵磁線圈8產(chǎn)生的縱向磁場可以有效控制熔池內(nèi)熔體的流動方式和熔池的攪拌強度，改變?nèi)鄢亟饘俚哪虪顩r，促進晶粒細化，減小化學不均勻性，提高焊縫的塑性和韌性，利用綜合參數(shù)的系統(tǒng)控制作用達成優(yōu)質(zhì)的焊接接頭。
實際焊接時，根據(jù)不同的焊接工藝、焊接材質(zhì)和焊接接頭形式，采用本發(fā)明提供的焊接方法和焊接設備，綜合考慮磁場和焊接工藝參數(shù)的合理匹配，并對這些主要工藝參數(shù)進行系統(tǒng)優(yōu)化，即可保證高效、優(yōu)質(zhì)、低成本焊接過程的實施。
四.具體實施例下述實施例是按照本發(fā)明提供的焊接方法和設備實施的。
例1LD10CS鋁合金(美國牌號2014-T6)外加間歇交變縱向磁場控制TIG焊接時，焊接工藝參數(shù)如下可以獲得良好焊縫成形外加磁場強度為0.01～0.05T，磁場頻率為1～4Hz，焊接電流為100～140A，焊接速度300～400mm/min，弧長1～1.5mm。
例21Cr16Ni9Ti(美國牌號AISI 340)外加間歇交變縱向磁場控制TIG焊接時，焊接工藝參數(shù)如下可以獲得良好焊縫成形外加磁場強度為0.01T，磁場頻率為1.5Hz，焊接電流為140A，焊接速度150mm/min，弧長1mm。
例3Q235鋼(舊國標A3鋼)外加間歇交變縱向磁場控制高熔覆率MAG焊接時，在焊接工藝參數(shù)如下可以獲得良好焊縫成形保護氣體為Ar+20％CO2組元，氣體流量為20～30L/min，勵磁電流為10～30A，勵磁頻率為1～10Hz，焊接電流為500～800A，電弧電壓為30～50V，焊絲直徑0.8～1.6mm，送絲速度20～35m/min。
例4.20G鍋爐鋼(美國牌號SA414D)外加間歇交變縱向磁場控制埋弧自動焊接時，在焊接工藝參數(shù)如下可以獲得良好焊縫成形焊接電流的為500～800A，磁場強度為0.01～0.1T，磁場頻率為1～10Hz，焊絲直徑為4mm，焊接速度為400～500mm/min。
例5.TUP紫銅外加間歇交變縱向磁場混合氣體保護焊接時，在焊接工藝參數(shù)如下可以獲得良好焊縫成形保護氣體為Ar+20％N2組元，預熱溫度為500～600℃，焊接電流的為350～450A，磁場強度為0.02～0.08T，磁場頻率為1～6Hz，焊接速度為300～500mm/min。
由上述實例可知，應該綜合考慮磁場和焊接工藝參數(shù)的合理匹配，如焊絲長度、保護氣體成份、焊接電弧電壓、磁場頻率、磁場強度等，并根據(jù)實際焊接對象和材料對這些主要工藝參數(shù)進行系統(tǒng)優(yōu)化，這樣才能保證獲得高質(zhì)量的焊接接頭。
權利要求
1.一種磁控熔化極焊接方法，其特征是一對極雙頻磁控無氦高熔覆率熔化極氣體保護焊接的方法，具體是在焊接工件(7)的上下兩邊，使用一對帶或不帶導磁鐵芯(4)且與焊炬(3)同軸或不同軸的上下極勵磁線圈(9)和(8)，通過勵磁電源(5)提供勵磁電流，產(chǎn)生時變或恒定的、雙頻或單頻的外加縱向磁場，該外加縱向磁場綜合控制焊接電弧、焊絲熔化、熔滴過渡、熔池攪拌與凝固過程，在高送絲速度、大焊絲外伸長度、無氦混合的保護氣體和大焊接電流的配合下，對焊接工件(7)實現(xiàn)雙頻磁控無氦高熔覆率熔化極氣體保護焊接過程。
2.根據(jù)權利要求1所述的磁控熔化極焊接方法，其特征在于上下極勵磁線圈(9)和(8)同時接用雙頻、不等強度、時變勵磁電流，利用較高頻磁場或較大強度的磁場控制旋轉(zhuǎn)射流過渡時焊接電弧、焊絲端部熔滴脫落和液流束的穩(wěn)定性，并具有輔助感應加熱的作用促使焊絲熔化和熔滴形成；而較低頻磁場或較弱強度的磁場，使焊接熔池熔體充分攪拌，促使焊縫晶粒細化，對焊接工件(7)實現(xiàn)符合焊接工藝要求的磁控焊接過程，或者，上下極勵磁線圈(9)和(8)同時施接單個勵磁電源(5)，產(chǎn)生同頻、同相、同強度的時變縱向電磁場或均勻強度的恒定縱向電磁場，對焊接工件(7)實現(xiàn)符合焊接工藝要求的磁控焊接過程，或者，上下極勵磁線圈(9)和(8)單獨使用、并施接一個勵磁電源(5)，產(chǎn)生一個時變縱向電磁場或均勻強度的恒定縱向電磁場，對焊接工件(7)實現(xiàn)符合焊接工藝要求的磁控焊接過程。
3.根據(jù)權利要求1所述的磁控熔化極焊接方法，其特征在于焊接過程采用包括如下的工藝條件焊接電流80～1000A，送絲速度2～50m/min，焊絲直經(jīng)0.8～2.4mm，保護氣體流量10～50L/min，焊接電壓10～60V，焊接速度800～5000mm/min，勵磁電流10～60A，勵磁頻率1～50Hz。
4.根據(jù)權利要求3所述的磁控熔化極焊接方法，其特征在于保護氣體采用磁控氣體a，或磁控氣體b，或磁控氣體c，具體如下磁控氣體a由氬氣和氮氣混合組成，其體積百分比是5～25％氮+剩余百分比的氬氣；磁控氣體b由氬氣和二氧化碳混合組成，其體積百分比是10～20％二氧化碳氣+剩余百分比的氬氣；磁控氣體c是以氬氣為主導，三元氣體混合組成，其體積百分比是80～90％氬氣+1～2％氧氣+剩余百分比的二氧化碳氣。
5.一種磁控熔化極焊接設備，設有勵磁電源、勵磁設備和水冷系統(tǒng)，其特征是一對極雙頻磁控無氦高效熔化極氣體保護焊接的通用設備，其勵磁設備的結(jié)構是設有一對上下極勵磁線圈(9)和(8)，它們分別位于焊接工件(7)的上下兩邊，或在焊接工件(7)的某一邊使用單個勵磁線圈；上極勵磁線圈(9)固定于焊炬(3)上且與焊炬(3)同軸；下極勵磁線圈(8)與焊炬(3)同軸或不同軸，不同軸時，該線圈產(chǎn)生與焊炬(3)不同軸的外加縱向磁場，焊炬(3)和該線圈的軸間距離可以自由調(diào)節(jié)，根據(jù)焊接速度的大小，調(diào)節(jié)兩者的相對位置即偏離度，使落后于焊炬中心軸的焊接熔池中心位于該線圈的中心位置附近，上述勵磁線圈均為軸對稱圓柱線圈結(jié)構，其帶或者不帶導磁鐵芯(4)，其支架(1)內(nèi)裝有水冷系統(tǒng)；這些勵磁線圈與焊炬(3)同步同速運動，或靜止，勵磁電源(5)采用能夠產(chǎn)生多種頻率和不同強度的時變勵磁電流或恒流勵磁電流的電源。
6.根據(jù)權利要求5所述的磁控熔化極焊接設備，其特征在于所述的導磁鐵芯(4)，活動安裝在上下極勵磁線圈(9)和(8)的線圈中，可以自由調(diào)節(jié)其在勵磁線圈中的位置直至去除；導磁鐵芯(4)由單一回轉(zhuǎn)體構成，或由多個條塊狀的獨立體組合構成，并且，其端部具有相同或不同的外部形狀，該形狀呈漏斗型、直桶型、圓錐型或曲面型；上下極勵線圈(9)和(8)使用的導磁鐵芯(4)形狀可以相同，或有所不同。
7.根據(jù)權利要求6所述的磁控熔化極焊接設備，其特征在于在上極勵磁線圈(9)的支架(1)的端部設有與焊炬(3)相連的夾持鎖緊機構，其將勵磁線圈固定在焊炬噴嘴(2)上，使勵磁線圈與焊接工件(7)有一定距離的自由調(diào)節(jié)度；而下極勵磁線圈(8)通過一可調(diào)節(jié)式固定臂與焊炬(3)剛性連接為一體，可調(diào)節(jié)式固定臂可以改變焊炬(3)和下極勵磁線圈(8)的軸間距離，實現(xiàn)不同軸外加縱向磁場的施加方式，或者，將上極勵磁線圈(9)不通過支架(1)而直接與焊炬噴嘴(2)集成為一體，采用絕緣材料使焊炬噴嘴(2)的外壁與線圈的線匝保持絕緣狀態(tài)，并且通過焊炬噴嘴(2)內(nèi)的水冷系統(tǒng)進行冷卻。
8.根據(jù)權利要求7所述的磁控熔化極焊接設備，其特征在于上極勵磁線圈(9)的支架(1)內(nèi)的水冷系統(tǒng)采用蓋板式矩形脈沖形冷凝水流模式，其結(jié)構是支架(1)內(nèi)設有水流溝槽(10)和錯開排列的水流隔壁(12)，兩排水流隔壁(12)分別與水流溝槽(10)兩側(cè)的外擋板(11)相連，焊炬噴嘴(2)內(nèi)的水冷系統(tǒng)采用蓋板式螺旋形冷凝水流流動模式，其結(jié)構是焊炬噴嘴壁(14)內(nèi)設計有螺旋狀的螺紋水流溝槽(15)，結(jié)合焊炬噴嘴擋板(13)形成了焊炬噴嘴內(nèi)全方位的冷凝水通道，使冷凝水圍繞焊炬噴嘴呈螺旋形流動，到達焊炬噴嘴的端部。
9.一種將權利要求1或2或3或4所述磁控熔化極焊接方法，以及將權利要求6或7或8所述的磁控熔化極焊接設備，在下述方面的用途用于高熔覆率熔化極混合氣體保護焊接，或普通熔化極混合氣體保護焊接；用于下述材質(zhì)中的焊接低碳鋼，合金鋼，特種鋼，不銹鋼，銅及其合金，鋁及其合金，鈦及其合金等其它黑色和有色金屬及其合金；用于不開坡口或開坡口的對接、搭接、角接、全位置焊接多種焊接接頭形式。
10.根據(jù)權利要求9所述的用途，其特征在于在上極勵磁線圈(9)不直接與焊炬噴嘴(2)集成為一體，或不采用焊炬噴嘴(2)內(nèi)的水冷系統(tǒng)，使用或不使用焊絲(6)和保護氣體，并在更換焊炬(3)的條件下，將勵磁電源(5)、勵磁設備以及位于勵磁線圈支架(1)內(nèi)的水冷系統(tǒng)，用于以下的焊接工藝中，對焊接工件(7)實現(xiàn)磁控焊接過程采用外加間歇交變縱向磁場實施熔化極惰性氣體保護焊接，或熔化極活性氣體保護焊接，或鎢極活性氣體保護焊接，或鎢極惰性氣體保護焊接，或二氧化碳焊接，或埋弧焊接，或電渣焊接，或等離子弧焊接，或激光焊接，其中(1)熔化極惰性氣體保護焊接紫銅工藝參數(shù)是焊接電流300～500A，磁場強度0.01～0.1T，磁場頻率1～10Hz，焊接速度300～500mm/min，采用磁控氣體a，(2)熔化極或鎢極活性氣體保護焊接有色或黑色金屬及其合金時，采用磁控氣體b，或磁控氣體c，或磁控氣體d，磁控氣體d以氬氣為主導，與小于10％的氦氣，二氧化碳氣或氧氣中的一種或兩種混合組成，其體積百分比是80～90％氬氣+小于10％氦氣+剩余百分比的二氧化碳氣或氧氣，(3)鎢極惰性氣體保護焊接鋁合金工藝參數(shù)是焊接電流80～200A，磁場強度0.01～0.1T，磁場頻率1～10Hz，焊接速度100～500mm/min，弧長0.5～1.5mm，采用磁控氣體e，其體積百分比是90～95％氬氣+5～10％氦氣，(4)埋弧自動焊接鍋爐鋼工藝參數(shù)是焊接電流500～800A，磁場強度0.01～0.1T，磁場頻率1～10Hz，焊接速度200～600mm/min；不需要保護氣體。
全文摘要
本發(fā)明磁控熔化極焊接方法是使用一對上下極勵磁線圈，通過勵磁電源提供勵磁電流，產(chǎn)生外加縱向磁場，該磁場綜合控制和實現(xiàn)對焊接工件的保護焊接。本方法用于高熔覆率或普通熔化極活性氣體和二氧化碳氣體等保護焊接。本發(fā)明焊接設備設有勵磁電源、勵磁設備和水冷系統(tǒng)，其中勵磁設備設有一對帶或者不帶導磁鐵芯(4)的上下極勵磁線圈(9)和(8)，它們分別位于焊接工件的上下兩邊，或在焊接工件的某一邊使用單個勵磁線圈；上極勵磁線圈與焊炬(3)相連且同軸；下極勵磁線圈與焊炬同軸或不同軸，不同軸時，該線圈產(chǎn)生與焊炬不同軸的外加縱向磁場，焊炬和該線圈的軸間距離可以自由調(diào)節(jié)。本發(fā)明可實現(xiàn)高效、低成本、高穩(wěn)定性和近凈焊接過程。
文檔編號B23K9/173GK1751834SQ20051001963
公開日2006年3月29日 申請日期2005年10月20日 優(yōu)先權日2005年10月20日
發(fā)明者羅鍵, 王穎 申請人:武漢理工大學