一种电磁电流耦合场辅助的激光-TIG电弧复合熔钎焊方
法和设备
技术领域
[0001] 本
发明涉及一种钎焊领域，特别是利用外加
磁场和
电场辅助的激光-TIG电弧复合熔钎焊方法和设备。
背景技术
[0002] 激光焊是利用高
能量密度的
激光束作为
能源进行
焊接的一种高效精密的焊接方法，激光焊具有高
能量密度、深穿透、高
精度、适应性强等优点而受到各发达国家的重视。激光焊对于一些特殊的材料及结构的焊接具有非常重要的作用，在航天航空、
电子、
汽车制造、核动
力等高新技术领域中得到应用，并日益受到工业发达国家的重视；激光钎焊技术运用激光的高密度能量可实现高区域局限性，短时间的加热，避免对热敏感元件的热冲击，高的加热冷却速度还将获得组织细密的钎焊接头，因此，激光钎焊技术具有广阔的应用前景；激光-电弧复合热源焊接技术具有焊接
质量好、焊接速度快等优点，已经广泛地应用于汽车、航空等工业的薄壁金属焊接中。
[0003] 关于激光钎焊技术方面的
专利，如中国专利号为200710144908.X，发明创造名称为“
超声波辅助激光钎(熔)焊方法”，公开了一种在激光钎焊低熔点
镀层金属或者激光钎(熔)焊异种金属过程中，同时在即将
凝固的
焊缝区域内施加高
频率振动的
超声波。利用超声波的高频振动达到搅拌熔融钎料的目的，从而改善焊接质量；另外，中国专利号为01131094.4，发明创造名称为“多种异质复合结构侧极的丝网辅助激光钎焊方法”，公开了一种多种异质复合结构侧极的丝网辅助激光钎焊方法，该方法为先在元件侧面涂钎料，再在钎料中放置金属丝网，最后用激光束加热，使钎料
熔化，之后冷却凝固后形成元件的侧极。
[0004] 非熔化极惰性气体保护电弧熔-钎焊是以一种新型的以TIG电弧为热源的钎焊工艺，非熔化极惰性气体保护电弧钎焊(TIG电弧钎焊)，钎焊时电弧在
电极与
工件之间引燃，采用惰性气体进行保护，以熔点低于
母材的
焊丝作为焊接材料(钎料)，焊接时焊丝(钎料)熔化而母材局部或不熔化，实现同种或异种金属材料间的连接；2000年乌克兰巴顿焊接研究所和乌克兰海洋技术大学发明了TIG氩弧钎焊镍基
合金工艺，并对镍基合金
叶片进行电弧钎焊修复技术研究；德国、美国、日本等国在汽车部件制造及电器制造业种已经采用这种方法。电弧钎焊热输入小，接头
变形与焊接热影响区小，操作方便且易于实现自动化，同时电弧能有效去除
氧化膜，焊后接头不用清洗，是一种具有很高实用价值的焊接技术，有着广泛的发展空间。
[0005]
电磁搅拌技术(EMS)，是近年来发展和逐渐完善起来的一种新型焊接技术，1971年Tseng和Savage深入研究了TIG焊时电磁搅拌对微观组织和性能的影响，随后，国内外开始对外加磁场作用下的焊接技术开展了广泛研究。电弧钎焊过程中利用焊接电弧作为热源且
填充焊丝(钎料)发生了熔化和重新凝固，因此辅助电磁搅拌用于电弧钎焊过程中可以改变熔池金属柱状晶生长方向，细化组织，影响初生相与共晶组织的形貌和尺寸，促进成分均匀化以及控制界面形状。
[0006] 焊接电弧是一种持续的气体放电现象，在外加磁场作用下其形态会发生明显变化。外加纵向磁场使电弧
温度分布发散，温度场“矮而胖”，电弧中心的温度下降、径向温度梯度减小。由于焊接电弧的旋转扩张，焊缝熔宽增加而熔深减小，熔池中的液态金属受洛仑兹力的作用绕焊接电弧中
心轴旋转，前端液态金属沿熔池一侧向尾部流动，相应的熔池尾部液态金属沿另一侧向前端流动，有利于电弧钎焊过程中液态钎料的流动及其对固态母材的润湿与铺展。
[0007] 液态钎料充分流入并致密地填满全部钎缝间隙，又与母材发生很好的相互作用，是形成优质钎焊接头的前提。目前，单一钎焊方法在使用时常受到设备或工艺特点的限制，且一般都需要使用钎剂；复合钎焊方法已经逐渐受到重视并开展了相应的研究和应用，如电磁电场复合钎焊、激光电弧复合钎焊等。
发明内容
[0008] 本发明所要解决的技术问题是针对现有
激光焊接过程中由于工件上方的高温
等离子体通过吸收、散射和折射作用对激光产生屏蔽效应从而降低激光利用率、影响焊缝成形甚至导致焊接困难，并针对现有激光钎焊技术不利于液态熔池金属的均匀混合及其在母材表面充分铺展和与母材相互扩散的问题，利用结构简单的电磁激励装置，在
焊接区域使用外加交变磁场控制激光-电弧-母材
金属离子化所共同形成的等离子体的特性，提高激光的利用率，在电场辅助的综合作用下，增大焊缝熔深，并对激光-电弧熔钎焊的液态钎料熔池进行电磁搅拌与电磁激励强化的辅助作用，促进液态钎料有序流动及其在较高的金属材料表面破膜、润湿、铺展与扩散，促进液态钎料与熔点较低金属材料熔化的母材充分地混合，提高钎焊焊缝成分的均匀化程度，稳定焊接过程，减少焊接
缺陷，提高焊接速度，改善焊缝成形，优化钎焊焊缝组织与性能，提高钎焊接头质量，充分发挥激光-电弧复合焊接效率高、质量好优势，并且该设备结构简单，应用灵活，成本较低，效果较佳，易于实现。
[0009] 本发明采用了如下的技术方案：
[0010]
一种电磁电流耦合场辅助的激光-TIG电弧复合熔钎焊方法和设备，在焊接区域使用外加交变磁场控制激光束-TIG电弧-工件金属
离子化所共同形成的等离子体的特性，降低对激光束的屏蔽作用，提高激光的利用率，并且在电场辅助的综合作用下，增大焊缝熔深，同时对激光-TIG电弧熔钎焊的液态钎料熔池进行电磁搅拌与电磁激励强化的辅助作用，促进液态钎料有序流动及其在较高的金属材料表面破膜、润湿、铺展与扩散，促进液态钎料与熔点较低金属材料熔化的母材充分地混合，提高钎焊焊缝成分的均匀化程度，稳定焊接过程，减少焊接缺陷，提高焊接速度，改善焊缝成形，优化钎焊焊缝组织与性能，以提高钎焊接头的质量和寿命；
[0011] 作为钎料的焊丝通过送丝装置连接
焊接电源的正极，
焊枪钨极接电源的负极，工件不与焊接电源相连接；直流TIG焊接时，将有利于作为钎料的焊丝熔化，而钨极热量较少，避免焊枪钨极的严重烧损，同时，焊接电流在熔池中从钎料焊丝流入钨极，与激光束垂直，最终形成电磁电流耦合场辅助的激光-TIG电弧复合熔钎焊技术；交流焊接时，作为钎料的焊丝与钨极的焊接极性交替变化，特别有利于有色金属材料的激光-TIG电弧复合熔-钎焊，增强了熔钎焊过程的
稳定性；
[0012] 电磁电流耦合场辅助的激光-TIG电弧复合熔钎焊方法的工艺参数为：TIG电弧，钨极直径Φ1.6-3.2mm，焊接电流40-500A，电弧长度1-5mm，焊接速度30-5000mm/min，Ar或者He气流量10-50L/min，钎料焊丝直径Φ0.8-3.2mm，送丝速度60-1200mm/min，辅助磁场强度为80～9700Gs，占空比为40-80％，磁场频率为5-100Hz，钎料通过填丝方式进进行钎焊，外加磁场与焊接前进方法的夹
角为15-30度角，激光功率为1-8KW。
[0013] 电磁电流耦合场辅助的激光-TIG电弧复合熔钎焊方法和设备，使用的励磁线圈单独由基于ARM
微处理器的数字化专用励磁电源供给精准的励磁电流，其励磁电流
波形为间歇变极性的长方波形，产生出相应的间歇交变混合磁场，外加磁场频率与强度精确可调，配合相应的激光-TIG电弧复合熔钎焊方法；外加辅助磁场、电场的电磁激励和电磁搅拌作用使液态钎料在焊接过程中更充分地在固态母材基体上润湿与铺展，且与发生熔化的液态金属母材充分均匀混合，促进钎料与母材间的相互扩散和成分均匀化，并能实现电磁
净化、电磁
热处理、激光焊接的独特功能，抑制有害物质的形成，提高钎焊接头的强度，综合改善熔-钎焊的连接质量。
[0014] 电磁电流耦合场辅助的激光-TIG电弧复合熔钎焊方法和设备，适用于I型、V型、Y型、X型的焊缝形式，接头为对接、搭接、卷边、点结构；将励磁线圈安装在焊枪上，由焊缝
正面垂直对液态钎料实施电磁激励作用；或者将励磁线圈安装在工件背面，由焊缝背面垂直对液态钎料实施电磁激励作用；或者安装两个励磁线圈，同时在焊缝正面和背面垂直对液态钎料实施电磁激励作用；或者外加辅助磁场倾斜施加于钎焊液态熔池，磁场与工件
水平面的夹角为15-30°、以激光束中心线为轴线的立体圆锥面的任意
位置；或者外加辅助磁场只施加在工件焊缝的单独一侧，形成半磁场的电磁电流耦合场辅助的激光-TIG电弧复合熔钎焊复合方式。
[0015] 与
现有技术相比，本发明具有以下优点：
[0016] (1)突破了传统的激光钎焊方法，提供了一种改进激光钎焊的新思路，利用外加辅助磁场影响影响激光等离子体和焊接电弧特性，在发挥激光-电弧复合焊接效率高、质量好优势的前提下，能有效地提高激光利用率、增大熔深、稳定焊接过程；同时，对液态熔池进行辅助电磁搅拌以细化晶粒、改善焊缝组织，并减少焊缝中的裂纹、气孔、夹杂等缺陷，提高接头的力学性能。
[0017] (2)外加辅助磁场和电场的作用对液态钎料熔池进行辅助电磁搅拌，促进液态钎料流动及在工件母材上的润湿、铺展与扩散，促进液态钎料与工件母材发生局部熔化的金属相互充分均匀混合，从而调节凝固前沿形状，减少熔体中径向、轴向的温度梯度，提高钎缝成分均匀化程度；使液态钎料在短暂的焊接过程中更充分地在固态母材基体上润湿与铺展，且与发生熔化的液态金属母材充分均匀混合，促进TIG电弧熔钎焊工艺过程中钎料与母材间的相互扩散和成分均匀化，并能实现电磁净化、电磁热处理的独特功能，抑制有害物质的形成，提高钎焊接头的强度，综合改善熔-钎焊的连接质量。
[0018] (3)外加辅助电场、磁场能够细化接头晶粒，改变结晶方向，使钎缝出现等轴晶，促进第二相化合物细小弥散分布；能够减小偏析和钎缝结晶裂纹倾向，抑制焊接气孔和减少
缩孔缩松，有助于提高接头的力学性能。
[0019] (4)所使用的附加励磁装置结构简单，采用基于ARM微处理器的励磁电源性能可靠，输出波形形式多样，精度较高，功能稳定，成本不高，易于实现；适用于I型、V型、Y型、X型等多种常用焊缝形式。
[0020] (5)在异种金属材料连接熔-钎焊过程中，外加辅助
电磁场可以通过焊缝正面或背面、垂直或倾斜、单个或多个复合、以及半侧面磁场等多种形式灵活地对液态熔池实施电磁激励作用，以满足不同的要求；特别是施加半侧辅助磁场可以单独控制使低熔点金属母材不至于
过热，加快焊缝气孔溢出，防止咬边，也可以单独控制钎料在高熔点金属母材上的破膜、铺展、润湿和流动等作用。
[0021] (6)本发明可以采用多种焊接热源，如TIG、MIG、激光焊、等离子弧焊、变极性等离子弧焊、
真空电子束焊接、非真空电子束焊、轴向摩擦焊、径向摩擦焊、
电阻焊等；本发明也可应用于同种材料、
复合材料、非金属材料等领域的熔-钎焊连接技术；
[0022] (7)作为钎料的焊丝通过送丝装置连接焊接电源的正极，焊枪钨极接电源的负极，工件不与焊接电源相连接；直流TIG焊接时，将有利于作为钎料的焊丝熔化，而钨极热量较少，避免焊枪钨极的严重烧损，同时，焊接电流在熔池中从钎料焊丝流入钨极，与激光束垂直，最终形成电磁电流耦合场辅助的激光-TIG电弧复合熔钎焊技术；交流焊接时，作为钎料的焊丝与钨极的焊接极性交替变化，特别有利于有色金属材料的激光-TIG电弧复合熔钎焊，增强了熔钎焊过程的稳定性；
[0023] (8)TIG焊接电流就是辅助电场的电流，不需要附加其它的电流装置；TIG焊接的保护气体
对焊接区域进行保护，无需要专用的保护气体喷管结构；辅助电流与激光束垂直，有利焊接过程的问题、焊缝增深，焊接接头质量的提高，降低对工件焊接前的装配要求。
附图说明
[0024] 图1电磁电流耦合场辅助的激光-TIG电弧复合熔钎焊方法和设备示意图；
[0025] 在图中，1、激光束；2、钨极；3、导电嘴；4、保护气体；5、
喷嘴；6、电弧；7、焊缝；8、熔池；9、工件；10、送丝装置；11、钎料焊丝；12、焊接电源。
[0026] 附图给出的电磁电流耦合场辅助的激光-TIG电弧复合熔钎焊方法和设备示意图，仅为帮助理解本发明的要点，在实际应用时可根据具体情况进行改造，并不限于此结构。
具体实施方式
[0027] 本发明主要包含一种电磁电流耦合场辅助的激光-TIG电弧复合熔钎焊方法和设备示意图。下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细说明。
[0028] 如图1所示，电磁电流耦合场辅助的激光-TIG电弧复合熔钎焊方法和设备，在焊接区域使用外加交变磁场控制激光束1-TIG焊接电弧6-工件9金属离子化所共同形成的等离子体的特性，降低对激光束的屏蔽作用，提高激光的利用率，并且在电场辅助的综合作用下，增大焊缝7熔深，同时对激光-TIG电弧熔钎焊的液态钎料熔池8进行电磁搅拌与电磁激励强化的辅助作用，促进液态钎料有序流动及其在较高的金属材料表面破膜、润湿、铺展与扩散，促进液态钎料与熔点较低金属材料熔化的母材充分地混合，提高钎焊焊缝成分的均匀化程度，稳定焊接过程，减少焊接缺陷，提高焊接速度，改善焊缝成形，优化钎焊焊缝组织与性能，以提高钎焊接头的质量和寿命；
[0029] 作为钎料的焊丝11通过送丝装置10连接焊接电源12的正极，焊枪钨极2接电源的负极，工件9不与焊接电源12相连接；直流TIG焊接时，将有利于作为钎料的焊丝熔化，而钨极热量较少，避免焊枪钨极的严重烧损，同时，焊接电流在熔池中从钎料焊丝11流入钨极，与激光束1垂直，最终形成电磁电流耦合场辅助的激光-TIG电弧复合熔钎焊技术；交流焊接时，作为钎料的焊丝与钨极的焊接极性交替变化，特别有利于有色金属材料的激光-TIG电弧复合熔-钎焊，增强了熔钎焊过程的稳定性；
[0030] 电磁电流耦合场辅助的激光-TIG电弧复合熔钎焊方法的工艺参数为：TIG电弧，钨极直径Φ1.6-3.2mm，焊接电流40-500A，电弧长度1-5mm，焊接速度30-5000mm/min，Ar或者He气流量10-50L/min，钎料焊丝直径Φ0.8-3.2mm，送丝速度60-1200mm/min，辅助磁场强度为80～9700Gs，占空比为40-80％，磁场频率为5-100Hz，钎料通过填丝方式进进行钎焊，外加磁场与焊接前进方法的夹角为15-30度角，激光功率为1-8KW。
[0031] 电磁电流耦合场辅助的激光-TIG电弧复合熔钎焊方法和设备，使用的励磁线圈单独由基于ARM微处理器的数字化专用励磁电源供给精准的励磁电流，其励磁电流波形为间歇变极性的长方波形，产生出相应的间歇交变混合磁场，外加磁场频率与强度精确可调，配合相应的激光-TIG电弧复合熔钎焊方法；外加辅助磁场、电场的电磁激励和电磁搅拌作用使液态钎料在焊接过程中更充分地在固态母材基体上润湿与铺展，且与发生熔化的液态金属母材充分均匀混合，促进钎料与母材间的相互扩散和成分均匀化，并能实现电磁净化、电磁热处理、激光焊接的独特功能，抑制有害物质的形成，提高钎焊接头的强度，综合改善熔-钎焊的连接质量。
[0032] 电磁电流耦合场辅助的激光-TIG电弧复合熔钎焊方法和设备，适用于I型、V型、Y型、X型的焊缝形式，接头为对接、搭接、卷边、点结构；将励磁线圈安装在焊枪上，由焊缝正面垂直对液态钎料实施电磁激励作用；或者将励磁线圈安装在工件背面，由焊缝背面垂直对液态钎料实施电磁激励作用；或者安装两个励磁线圈，同时在焊缝正面和背面垂直对液态钎料实施电磁激励作用；或者外加辅助磁场倾斜施加于钎焊液态熔池，磁场与工件水平面的夹角为15-30°、以激光束中心线为轴线的立体圆锥面的任意位置；或者外加辅助磁场只施加在工件焊缝的单独一侧，形成半磁场的电磁电流耦合场辅助的激光-TIG电弧复合熔钎焊复合方式。本发明可应用于异种、或同种材料的熔-钎焊领域。
[0034]
镀锌钢板Q345B与7075
铝合金材料的电磁电流耦合场辅助的激光-TIG电弧复合熔钎焊，利用外加磁场辅助激光-直流TIG电弧熔钎焊复合焊接方法，焊接工件厚度为2.8mm，对接接头，钎焊工艺参数为：直流TIG焊接，工件不接焊接电源，钎料焊丝接正极，钨极接焊接电源负极，钨极直径Φ2.4mm；焊接电流100-180A；辅助磁场强度1200-2600Gs；
ROFIN-DC030二氧化
碳激光器，功率3500W，光斑直径0.3mm，焊接速度0.1-2m/min，钎料焊丝直径Φ1.2mm，通过参数优化，达到所需的接头性能。
