新型磁控-TIG電弧熔-釬焊技術(shù)

陳杰，王小明，張振兵，馮建平，劉樹權(quán)

(1.重慶市特種設(shè)備質(zhì)量安全檢測(cè)中心，重慶401121；2.重慶大學(xué)機(jī)械傳動(dòng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶400030)

新型磁控-TIG電弧熔-釬焊技術(shù)

陳杰1，王小明2，張振兵2，馮建平2，劉樹權(quán)2

(1.重慶市特種設(shè)備質(zhì)量安全檢測(cè)中心，重慶401121；2.重慶大學(xué)機(jī)械傳動(dòng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶400030)

磁控－TIG電弧熔－釬焊是一種全新的焊接方法，是在常規(guī)的TIG電弧熔－釬焊基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)的一種新型工藝。簡(jiǎn)述了磁控－TIG電弧熔－釬焊的基本原理和特點(diǎn)，并對(duì)目前國內(nèi)外的電弧熔釬焊技術(shù)進(jìn)行全面分析，展望磁控技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)異種金屬焊接方法的發(fā)展起到了促進(jìn)作用。

磁場(chǎng)；電弧熔釬焊；技術(shù)發(fā)展

0 前言

在實(shí)際使用過程中，零部件各部分所承擔(dān)的載荷不一致，使得零件某一部分的工作條件較差，可能接近材料許用應(yīng)力的極限值，而零件另一部分的工作條件可能只承受很小的應(yīng)力。在這種情況下，應(yīng)用異種金屬焊接技術(shù)就比較合適，因?yàn)樗艹浞职l(fā)揮不同材料的性能優(yōu)勢(shì)，最大限度地利用材料各自的優(yōu)點(diǎn)。將不同性能的材料焊接成復(fù)合零部件，既能滿足各種性能的要求，又可節(jié)約各種貴重材料，降低成本[1]。

異種金屬的電弧熔釬焊是異種金屬焊接研究的一個(gè)熱門方向。該方法充分利用兩種金屬熔點(diǎn)的差異，嚴(yán)格控制焊接熱輸入，在保證高熔點(diǎn)母材金屬不發(fā)生熔化的前提下讓低熔點(diǎn)母材熔化，熔化的低熔點(diǎn)母材金屬與填充金屬一起在高熔點(diǎn)母材表面鋪展，與之形成熔釬焊連接，焊接過程兼?zhèn)淙酆负外F焊的雙重特點(diǎn)[2]。

目前主要的電弧熔釬焊的方法有：激光－脈沖MIG復(fù)合熱源熔－釬焊、CMT熔－釬焊、鎢極氬弧(TIG)熔－釬焊等[3－5]。然而在電弧動(dòng)態(tài)加熱過程中，電弧加熱時(shí)間短，溫度分布不均勻，液態(tài)釬料在鋼表面潤(rùn)濕鋪展性差，難以實(shí)現(xiàn)兩者的有效連接。

磁控－TIG電弧熔－釬焊是一種全新的焊接方法，是在常規(guī)的電弧熔－釬焊基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)的一種新型工藝。通過外加磁場(chǎng)在焊接區(qū)產(chǎn)生電磁力，推動(dòng)液態(tài)金屬在母材表面鋪展，并對(duì)液態(tài)金屬起到一定的攪拌作用，細(xì)化焊縫組織。在此深入分析了磁控電弧熔釬焊的基本原理和特點(diǎn)，為異種金屬焊接技術(shù)的發(fā)展起到很好的促進(jìn)作用。

1 磁控－TIG電弧熔－釬焊技術(shù)的基本原理與特點(diǎn)

磁控－TIG電弧熔－釬焊是在焊炬上安裝同軸空心圓柱勵(lì)磁線圈，產(chǎn)生磁場(chǎng)，通過連續(xù)送進(jìn)焊絲填充接頭，在熔點(diǎn)低的母材側(cè)為熔化焊結(jié)合，在熔點(diǎn)高的母材側(cè)為釬焊結(jié)合，其實(shí)質(zhì)是液態(tài)釬料與高熔點(diǎn)的母材通過界面反應(yīng)結(jié)合在一起，焊接過程兼?zhèn)淙酆负外F焊的雙重特點(diǎn)。為了進(jìn)一步提高釬料在母材側(cè)的潤(rùn)濕性，可以在高熔點(diǎn)母材側(cè)涂上合適的焊劑，其工作原理如圖1所示。

圖1 電弧熔釬焊的工作原理

外加磁場(chǎng)在焊接區(qū)產(chǎn)生電磁力，對(duì)液態(tài)金屬起到一定的攪拌作用，在焊接區(qū)域使用外加交變磁場(chǎng)控制焊接電弧的特性，對(duì)電弧熔－釬焊的液態(tài)釬料熔池進(jìn)行電磁攪拌與電磁激勵(lì)強(qiáng)化的輔助作用，促進(jìn)液態(tài)釬料有序流動(dòng)及其在熔點(diǎn)較高的金屬材料表面破膜、潤(rùn)濕、鋪展與擴(kuò)散，促進(jìn)液態(tài)釬料與熔點(diǎn)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(yōu)化釬焊焊縫組織與性能，提高釬焊接頭質(zhì)量，并且該設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，應(yīng)用靈活，成本較低，效果較好。

磁控－TIG電弧熔－釬焊的主要特點(diǎn)[6－9]：

(1)外加磁場(chǎng)在焊接區(qū)產(chǎn)生電磁力，在電磁力的推動(dòng)作用下，液態(tài)金屬可以在潤(rùn)濕母材表面之前先在母材表面鋪展開來，這樣可以有效提高釬料的潤(rùn)濕鋪展能力，尤其是對(duì)潤(rùn)濕性較差的母材效果更明顯。

(2)可以在較小的熱輸入情況下，實(shí)現(xiàn)焊絲良好的鋪展性，從而避免母材的過多溶蝕，形成很厚的金屬間化合物。

(3)外加磁場(chǎng)裝置由電源和電磁線圈兩部分組成，各部分具有獨(dú)立的結(jié)構(gòu)，設(shè)備體積比較小，便于攜帶，適用于野外作業(yè)，使用簡(jiǎn)單靈活。外加磁場(chǎng)的種類較多，形式較豐富，能夠較好地滿足多種工況條件下對(duì)焊接工藝的要求，受限制較少。

(4)外加磁場(chǎng)所需功率一般不大，電能消耗很少；外加磁場(chǎng)強(qiáng)度較小、頻率較低，對(duì)環(huán)境不產(chǎn)生電磁污染；無接觸控制，無噪聲，是一種環(huán)保型的焊接技術(shù)。

2 電弧熔－釬焊技術(shù)在國內(nèi)外的現(xiàn)狀

近年來，在國內(nèi)外電弧熔－釬焊主要應(yīng)用于鋁／鋼異種金屬的連接上，如哈爾濱工業(yè)大學(xué)楊春利、林三寶、張洪濤等[10－13]人利用氬弧做熱源，成功地實(shí)現(xiàn)了鋁／鋼的焊接。利用激光及其復(fù)合熱源做熱源在最近幾年也是研究熱點(diǎn)，哈爾濱焊接研究所雷振、秦國梁等人[14]采用激光－電弧復(fù)合熱源焊接方法，成功地實(shí)現(xiàn)了5A02鋁合金板與鍍鋅鋼板的高效連接。研究結(jié)果表明，接頭鋼母材未發(fā)生熔化，焊縫與鋼母材為釬焊連接，接頭斷裂于鋁合金母材熱影響區(qū)，接頭的抗拉強(qiáng)度與鋁合金電弧熔焊接頭強(qiáng)度相當(dāng)，還提出了可實(shí)現(xiàn)鋁與鋼熔釬連接的大光斑激光－電弧復(fù)合熱源焊接方法。哈爾濱焊接研究所林尚揚(yáng)、游愛卿等人[15]發(fā)明了一種適合于鋁與鋼異種金屬激光與MIG復(fù)合熔－釬焊的專用釬劑，研究發(fā)現(xiàn)Zn、Sn等活性元素可以增強(qiáng)釬料在鋼表面的流動(dòng)性，Sb可以提高接頭的強(qiáng)度，稀土中La可以改善金屬間化合物的塑性。馮吉才、石常亮等人[16]采用CMT技術(shù)對(duì)純鋁和鍍鋅鋼板異種材料進(jìn)行了熔－釬焊連接，研究發(fā)現(xiàn)接頭界面區(qū)組織為α－Fe和FeAl3化合物混合層，接頭斷裂于鋁母材的熱影響區(qū)，最高抗拉強(qiáng)度達(dá)72.09 MPa。董紅剛等人[17]用四種不同的釬料對(duì)鋁鋼異種金屬進(jìn)行搭接電弧熔釬焊。研究結(jié)果表明由于硅元素能夠抑制鐵元素的擴(kuò)散，釬料的含硅量越高金屬間化合物的尺寸越小，抗拉強(qiáng)度越大。

C.Dharmendra等人[18]采用激光電弧熔－釬焊焊接了(DP600)鋼和(AA6016)鋁合金，主要從激光能量、送料速度、焊接速度等方面進(jìn)行接頭的宏觀和微觀組織的分析。研究結(jié)果表明，隨著焊接速度的改變，界面層的金屬間化合物層的厚度在3～23 μm內(nèi)變化。最高顯微硬度為348 HV，焊接線能量在60～110 J／mm內(nèi)時(shí)，接頭的抗拉強(qiáng)度達(dá)到220 MPa，焊接速度在0.5～0.8 mm／min變化時(shí)，金屬間的化合物厚度為8～12 μ m。

德國的Vranakova等人[19]通過試驗(yàn)證明采用MIG氬弧焊方法，同時(shí)填充A1Si5合金焊絲，通過控制焊接熱輸入，可以連接鋁合金AlMg0.4Si1.2／鍍鋅鋼板DX53Z異種金屬接頭。接頭實(shí)質(zhì)上由兩個(gè)部分組成，一是與鋁板相連的熔焊接頭，二是與鋼板相連的釬焊接頭。通過拉剪試驗(yàn)測(cè)試接頭的靜力強(qiáng)度，焊接接頭無論斷裂在母材還是斷裂在焊縫金屬上，其抗拉強(qiáng)度都超過了150MPa，大部分接頭都斷裂在鋁母材的熱影響區(qū)處。

日本大阪大學(xué)的Murakami等人[20]采用MIG電弧釬焊方法成功連接了冷軋普通碳鋼板和純鋁板搭接接頭，在鋼板和熔化金屬的界面上生成了矩陣狀的α－Al、網(wǎng)狀的Al－Si共晶體和片狀的Al－Fe－Si金屬間化合物Al7.4Fe2Si。當(dāng)金屬間化合物層的厚度小于2.5 μ m時(shí)，接頭的結(jié)合性能良好，其橫向拉伸強(qiáng)度約為80MPa，斷裂位于鋁母材的熱影響區(qū)處。

3 磁控焊接技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

在焊接過程中引入磁場(chǎng)控制成為一種先進(jìn)焊接技術(shù)，這種技術(shù)被稱作電磁攪拌焊接技術(shù)、電磁作用焊接技術(shù)或磁控電弧焊接技術(shù)。

在20世紀(jì)70、80年代，國外的學(xué)者對(duì)磁場(chǎng)與電弧的相互作用進(jìn)行了研究，如Tseng和Savage等人[21]深入研究了在TIG焊時(shí)電磁攪拌對(duì)微觀組織和性能的影響，發(fā)現(xiàn)在電磁作用下焊接高強(qiáng)鋼時(shí)，降低了熱裂紋的敏感性。前蘇聯(lián)的基輔工業(yè)大學(xué)[22]研究了縱向磁場(chǎng)作用下的薄板脈沖TIG焊接的熔池流動(dòng)和細(xì)化晶粒規(guī)律，通過電場(chǎng)和磁場(chǎng)共同作用控制熔池凝固結(jié)晶過程。

從20世紀(jì)80、90年代開始，國內(nèi)的學(xué)者對(duì)磁場(chǎng)在焊接領(lǐng)域中的應(yīng)用也進(jìn)行了卓有成效的研究[23]。重慶大學(xué)羅鍵教授等針對(duì)外加縱向磁場(chǎng)對(duì)GTAW電弧形態(tài)[24－25]、熔池流動(dòng)[26]、焊縫中氣孔的形成[27]和焊縫中組織的影響[28]進(jìn)行了深入而全面的研究。結(jié)果表明，外加磁場(chǎng)不僅可以改變電弧的形態(tài)，還對(duì)焊接熔池產(chǎn)生附壓，控制熔池的流動(dòng)，改變焊接熔池熔體的結(jié)晶條件，細(xì)化焊縫金屬的一次結(jié)晶組織明顯改善，還可以改變焊絲金屬的過渡特性，在適當(dāng)?shù)暮附訁?shù)下可以有效的抑制焊縫中氣孔的形成。

4 發(fā)展趨勢(shì)

由于采用外加磁場(chǎng)控制焊接質(zhì)量，具有附加裝置簡(jiǎn)單、投入成本低、效益高、耗能少等特點(diǎn)。近年來，電磁作用電弧焊技術(shù)得到了快速發(fā)展，應(yīng)用日益廣泛。積極開展外加磁場(chǎng)與電弧和焊接熔池相互作用機(jī)制的研究，從本質(zhì)上認(rèn)識(shí)電磁作用電弧和熔池的焊接技術(shù)的機(jī)理，為了電磁作用電弧焊接技術(shù)的工程應(yīng)用提供理論借鑒,所以其研究和應(yīng)用前景非常樂觀，必將成為日后發(fā)展的一個(gè)重要方向。

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A new TIG－brazing welding technique by electromagnetic controlling

CHEN Jie1，WANG Xiao－ming2，ZHANG Zhen－bin2，F(xiàn)ENG Jian－ping2，LIU Shu－quan2
(1.Chongqing Special Equipment Quality Safe Inspection Center，Chongqing 401121，China；2.State Key Lab of Mechanical Transmission，Chongqing University，Chongqing 400030，China)

The TIG－brazing welding technique by electromagnetic controlling is a new welding method.The new welding can improve quality of the conventional TIG arc welding brazing welding joint.This paper outlines the basic principles and characteristics of TIG－brazing welding technique by electromagnetic controlling and carried out comprehensive analysis to arc welding－brazing technology at home and abroad.It will play a key role to the development of dissimilar metals welding.

electromagnetic field；TIG－brazing welding；development

book=6,ebook=59

TG444.9

A

1001－2303(2012)06－0129－04

2012－05－05

陳杰(1966—)，男，重慶人，學(xué)士，主要從事特種設(shè)備質(zhì)量安全管理的科研工作。