一种异种材料电磁激励电阻熔-钎焊复合焊接方法和设备

摘要

本发明公开了一种利用外加磁场辅助的异种材料电磁激励电阻熔-钎焊复合焊接方法和设备，在异种金属材料电阻熔-钎焊过程中，利用励磁线圈在焊接区或产生外加交变磁场，对液态钎料进行辅助电磁搅拌和有序控制，对熔化的液态钎料进行电磁搅拌与电磁激励强化的辅助作用，促进液态钎料方向性流动及其在熔点较高金属材料表面破膜、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，促进钎料与母材间元素、成份的相互扩散及其合金化，提高钎缝成分均匀化程度，减少焊接缺陷，优化钎缝组织与性能，提高电阻钎焊接头质量，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。

说明书

技术领域

本发明涉及一种利用外加磁场辅助的电磁激励电阻熔-钎焊复合焊接方法和设备。

背景技术

钎焊技术是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)熔化而母材不熔化，实现同种或异种金属材料间的连接。电阻钎焊是利用电流通过焊件或与焊件接触的加热块所产生的电阻热加热焊件和熔化钎料的钎焊方法，钎焊时需对钎焊处应施加一定的压力。电阻钎焊的基本原理与电阻焊相同，与其他的钎焊方法相比，具有加热迅速、生产率高、热影响区小等优点，且容易实现自动化，因此，常用于成分与性能差异较大的异种金属间连接，是一种具有较高实用价值的焊接技术，有着广泛的发展空间。

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。电阻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阻钎焊过程中可以细化液态钎料结晶组织，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。

在外加磁场作用下，熔池中的液态金属受洛仑兹力的作用发生旋转，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，有利于电阻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。

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；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，如电弧钎焊、激光钎焊等。

一般的电阻钎焊被加热的只是零件的钎焊处，加热速度较快，因而在钎焊过程中，对零件钎焊面贴合紧密程度要求高，否则，易因接触不良造成母材局部过热或接头严重未钎透等缺陷。此外，为防止母材熔化，电阻钎焊过程中由钎料形成的液态熔池保持时间较短，不利于液态钎料在母材表面充分铺展和形成扩散层。将电磁搅拌技术复合到电阻钎焊工艺中，通过在焊接区产生附加磁场来促进液态钎料流动及在母材上的润湿与铺展，促进钎料与母材间的相互扩散，可以有效地改善电阻钎焊连接质量。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有电阻钎焊技术由于钎料形成的液态熔池保持时间较短，不利于液态钎料在母材表面充分铺展和与母材相互扩散，以及接头易产生缺陷等问题，利用外加磁场辅助的异种材料电磁激励电阻熔-钎焊复合焊接方法和设备，在异种金属材料电阻熔-钎焊过程中，利用励磁线圈在焊接区域产生外加交变磁场，对液态钎料进行辅助电磁搅拌和有序控制，对熔化的液态钎料进行电磁搅拌与电磁激励强化的辅助作用，促进液态钎料方向性流动及其在熔点较高金属材料表面破膜、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，促进钎料与母材间元素、成份的相互扩散及其合金化，提高钎缝成分均匀化程度，减少焊接缺陷，优化钎缝组织与性能，提高电阻钎焊接头质量，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。

为解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：

根据工件具体情况和焊接位置，设计形式灵活的励磁线圈；电源经导线向励磁线圈供电，产生频率与强度可调的磁场对熔融态钎料进行辅助电磁搅拌，从而促进液态钎料流动及在母材表面的润湿与铺展，促进钎料与母材间的相互扩散，提高电阻钎焊连接质量。为保证焊接过程的稳定以及调节的可靠性，由单独专用电源向励磁线圈供电，产生的磁场频率与强度根据是可调的，配合电阻钎焊不同工艺条件使用。

具体是异种材料电磁激励电阻熔-钎焊复合焊接方法和设备，A、B异种金属材料连接的电阻熔-钎焊过程中，利用励磁线圈在焊接区域产生外加交变混合磁场控制钎焊的液态钎料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熔点较高的金属材料B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A熔化的母材充分地混合，促进钎料与熔化的母材间元素、成份的相互扩散及其合金化，提高钎焊焊缝成分的均匀化程度，减少焊接缺陷，优化钎焊焊缝组织与性能，以提高钎焊接头质量；

电磁激励电阻点焊熔-钎焊的工艺参数为：熔点较低的金属材料置于熔点较高的金属材料上面，上电极端面面积大于下电极端面面积，电极端面为截锥形，上电极端面尺寸为Φ10-40mm，下电极端面尺寸为Φ6-20mm；焊接电流为0.1-60KA；焊接时间为0.2-3s；电极压力0.1-6.8KN，辅助磁场强度为20-8000Gs，占空比为30-80％，频率为20-200Hz；

或者电磁激励电阻缝焊熔-钎焊的工艺参数为：熔点较低的金属材料置于熔点较高的金属材料上面，滚轮宽度尺寸为3-20mm，滚轮直径为120-300mm，焊接电流为4-90KA；焊接速度150-300cm/min；电极压力1-12KN，辅助磁场强度为20-8000Gs，占空比为30-80％，频率为20-200Hz。

异种材料电磁激励电阻熔-钎焊复合焊接方法和设备，所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，配合相应的电阻熔-钎焊方法使用；外加辅助磁场的电磁激励和电磁搅拌作用，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，促进电弧熔钎焊工艺过程中钎料与母材间的相互扩散、合金化和成分均匀化，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，综合改善电弧熔-钎焊的连接质量；对于活性金属的焊接，采用气罩或喷嘴对焊接区进行局部气体保护，防止焊缝金属氧化，保护气体的流量为15-30L/min。在具体实施过程中，也不局限于线圈励磁，采用其它电磁产生装置或永磁场也可以实现本发明目的。

异种材料电磁激励电阻熔-钎焊复合焊接方法和设备，适用搭接、折边、凸点、凸环、T型、塔边、对接的接头形式；将励磁线圈安装在上电极上，在工件正面对液态钎料实施电磁激励作用；或者将励磁线圈安装下电极上，在工件背面对液态钎料实施电磁激励作用；或者在上下电极上同时安装励磁线圈，在正面和背面对液态钎料实施电磁激励作用；或者将焊接区置于励磁线圈的中心空腔内进行焊接；或者外加辅助磁场倾斜施加于焊点，磁场与工件母材水平面的夹角为25-75°、以电极中心线为轴线的立体圆锥面的任意位置；或者外加横向辅助磁场，工件母材平行，形成电磁激励电弧熔-钎焊复合方式，改善电阻钎焊连接质量；用于异种材料或同种材料间电阻熔钎焊的连接，根据焊机结构形式进行调整，使其可以用于普通的电阻焊机，也可用于专门的电阻钎焊设备，半自动/自动电阻钎焊焊接工艺。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)在异种金属材料连接的电阻熔-钎焊过程中，利用外加辅助磁场对液态钎料进行电磁有序控制，对液态钎料熔池进行辅助电磁搅拌和电磁处理作用，促进液态钎料流动及在高熔点母材上的润湿、铺展与扩散，促进液态钎料与低熔点母材发生局部熔化的金属相互充分均匀混合，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以及合金化焊缝，形成高质量的焊缝组织。

(2)外加辅助磁场的电磁激励、电磁搅拌、电磁处理、电磁净化作用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，促进电阻熔钎-焊工艺过程中钎料与母材间的相互扩散和成分均匀化，并能实现电阻焊的焊前电磁预热和焊后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，综合改善电弧熔-钎焊的连接质量，消除或减少电阻焊飞溅，降低电极的热磨损，提高电极的使用寿命。

(3)外加辅助磁场产生的电磁搅拌能够细化接头晶粒，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；能够减小偏析和电阻钎缝裂纹倾向，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。

(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；且适用于搭接、折边、凸点、凸环、T型、塔边、对接的接头形式等多种常用接头形式。可用于同种或异种材料间电阻钎焊连接。

(5)在异种金属材料连接的电阻熔-钎焊过程中，外加辅助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、纵向磁场和横向磁场以及混合磁场等多种形式灵活地对液态钎料熔池实施电磁激励作用，以满足不同的要求；特别是单侧辅助磁场可以单独有效控制使低熔点活性金属母材不至于过热，加快焊缝气孔溢出，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。

(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、电弧焊等；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。

(7)本发明利用外加磁场辅助电阻钎焊的复合焊接方法，可以根据需要将通电线圈安装在电极或焊机特定位置由工件正面或背面对液态钎料实施辅助电磁作用；本发明可根据焊机结构形式调整励磁线圈具体结构和固定方式，可用于半自动/自动电阻钎焊工艺，使其可以用于普通的电阻焊机，也可用于专门的电阻钎焊设备。本发明也不局限于线圈励磁，采用其它电磁产生装置或永磁场也可以实现本发明目的。

附图说明

图1异种材料电磁激励电阻熔-钎焊复合焊接方法和设备横截面示意图(磁场线圈位于上电极)；图2励磁线圈位于下电极的示意图；图3焊接区置于励磁线圈的中心空腔内的示意图；图4外加辅助横向磁场施加的示意图；图5外加辅助磁场倾斜施加的示意图。

图中：1、导线；2、励磁线圈；3、绝缘层；4、水冷电极；5、A材料工件；6、钎料；7、B材料工件。

附图给出的异种材料电磁激励电阻熔-钎焊复合焊接方法和设备的示意图，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，不限于此结构和形式。

具体实施方式

本发明主要包含一种异种材料电磁激励电阻熔-钎焊复合方法和设备。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。

如图1所示外加磁场辅助复合电阻钎焊工艺中，可以将励磁线圈2套在上侧水冷电极4外，之间绝缘层3起到绝缘和辅助夹紧的作用。励磁电源经导线1向励磁线圈供电，产生频率与强度可调的磁场，对熔化的液态钎料6进行辅助电磁搅拌、电磁激励等作用，从而促进液态钎料流动及在两种焊接金属材料工件5和7表面的润湿与铺展，促进钎料与金属材料母材间的相互扩散，提高电阻钎焊连接质量。

在具体实施过程中，异种材料电磁激励电阻熔-钎焊复合方法和设备，A、B异种金属材料连接的电阻熔-钎焊过程中，利用励磁线圈2在焊接区域产生外加交变混合磁场控制钎焊的液态钎料9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熔点较高的B金属材料7表面破膜、润湿、铺展与扩散，促进液态钎料与熔点较低A金属材料5熔化的母材充分地混合，促进钎料与熔化的母材间元素、成份的相互扩散及其合金化，提高钎焊焊缝成分的均匀化程度，减少焊接缺陷，优化钎焊焊缝组织与性能，以提高钎焊接头质量；

其中，如果采用电阻点焊包括凸焊和对焊，其电磁激励电阻点焊熔-钎焊的工艺参数为：熔点较低的金属材料置于熔点较高的金属材料上面，上电极端面面积大于下电极端面面积，电极端面为截锥形，上电极端面尺寸为Φ10-40mm，下电极端面尺寸为Φ6-20mm；焊接电流为0.1-60KA；焊接时间为0.2-3s；电极压力0.1-6.8KN，辅助磁场强度为20-8000Gs，占空比为30-80％，频率为20-200Hz；

其中，如果采用电阻缝焊，其电磁激励电阻缝焊熔-钎焊的工艺参数为：熔点较低的金属材料置于熔点较高的金属材料上面，滚轮宽度尺寸为3-20mm，滚轮直径为120-300mm，焊接电流为4-90KA；焊接速度150-300cm/min；电极压力1-12KN，辅助磁场强度为20-8000Gs，占空比为30-80％，频率为20-200Hz。

异种材料电磁激励电阻熔-钎焊复合焊接方法和设备，所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，配合相应的电阻熔-钎焊方法使用；外加辅助磁场的电磁激励和电磁搅拌作用，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，促进电弧熔钎焊工艺过程中钎料与母材间的相互扩散、合金化和成分均匀化，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，综合改善电弧熔-钎焊的连接质量；对于活性金属的焊接，采用气罩或喷嘴对焊接区进行局部气体保护，防止焊缝金属氧化，保护气体的流量为15-30L/min。

异种材料电磁激励电阻熔-钎焊复合焊接方法和设备，其特征在于适用搭接、折边、凸点、凸环、T型、塔边、对接的接头形式；将励磁线圈安装在上电极上，如图1所示，在工件正面对液态钎料实施电磁激励作用；或者将励磁线圈安装下电极上，如图2所示，在工件背面对液态钎料实施电磁激励作用；或者在上下电极上同时安装励磁线圈，在正面和背面对液态钎料实施电磁激励作用；或者将焊接区置于励磁线圈的中心空腔内进行焊接，如图3所示；或者外加辅助磁场倾斜施加于焊点，磁场与工件母材水平面的夹角为25-75°、以电极中心线为轴线的立体圆锥面的任意位置，如图5所示：或者外加横向辅助磁场，工件母材平行，如图4所示，形成电磁激励电弧熔-钎焊复合方式，改善电阻钎焊连接质量。

本发明利用所设计的外加磁场辅助电阻钎焊的复合焊接方法，利用外加磁场对液态钎料熔池进行辅助电磁作用，其具体工作原理与常规电阻钎焊有所不同；可用于异种材料或同种材料间电阻熔钎焊的连接，根据焊机结构形式进行调整，使其可以用于普通的电阻焊机，也可用于专门的电阻钎焊设备，半自动/自动电阻钎焊焊接工艺。本发明也不局限于线圈励磁，采用其它电磁产生装置或永磁场也可以实现本发明目的。

实施例1：

1.2mm的与ZK60镁合金工件搭接电磁激励电阻熔-钎焊，焊接工艺参数为：上、下电极尺寸分别为Φ16mm和Φ8mm，把42CrMnSi钢放在下电极上，钎剂和钎料放置于42CrMnSi钢和ZK60镁合金工件之间，ZK60镁合金工件位于上电极；焊接电流为12KA；辅助磁场强度800Gs；焊接时间为0.2-0.6s；电极压力2.4-3.7KN。通过参数优化，达到所需电阻熔-钎焊组织与性能。

实施例2：

1.6mm的7075铝合金与AZ31B镁合金工件电磁激励电阻缝焊熔-钎焊，焊接工艺参数是：滚轮圆弧半径为100mm；焊接电流为36KA；辅助磁场强度800Gs；每分钟点数为120-150点；电极压力5.2-8.7KN。钎剂和钎料放置于7075铝合金和AZ31B镁合金工件之间，通过参数优化，实现高质量的电阻熔-钎焊接头的焊接。

实施例3：

3mm厚AZ91镁合金电磁激励电阻点焊熔-钎焊，焊接工艺参数是：上、下电极尺寸相同，电极球面半径均为200mm；焊接电流为12-32KA；辅助磁场强度1200Gs，方向为横向磁场；电极压力3.6-5.8KN，钎料为Zn-Al-Cu共晶成份，钎剂为KCl、NaCl、LiCl和NaF配制的氯化物钎剂。通过参数优化，实现高质量的电阻熔-钎焊接头的焊接。