新型磁控-TIG电弧熔-钎焊技术

陈杰，王小明，张振兵，冯建平，刘树权

(1.重庆市特种设备质量安全检测中心，重庆401121；2.重庆大学机械传动国家重点实验室，重庆400030)

新型磁控-TIG电弧熔-钎焊技术

陈杰1，王小明2，张振兵2，冯建平2，刘树权2

(1.重庆市特种设备质量安全检测中心，重庆401121；2.重庆大学机械传动国家重点实验室，重庆400030)

磁控－TIG电弧熔－钎焊是一种全新的焊接方法，是在常规的TIG电弧熔－钎焊基础上进行改进的一种新型工艺。简述了磁控－TIG电弧熔－钎焊的基本原理和特点，并对目前国内外的电弧熔钎焊技术进行全面分析，展望磁控技术的发展趋势，对异种金属焊接方法的发展起到了促进作用。

磁场；电弧熔钎焊；技术发展

0 前言

在实际使用过程中，零部件各部分所承担的载荷不一致，使得零件某一部分的工作条件较差，可能接近材料许用应力的极限值，而零件另一部分的工作条件可能只承受很小的应力。在这种情况下，应用异种金属焊接技术就比较合适，因为它能充分发挥不同材料的性能优势，最大限度地利用材料各自的优点。将不同性能的材料焊接成复合零部件，既能满足各种性能的要求，又可节约各种贵重材料，降低成本[1]。

异种金属的电弧熔钎焊是异种金属焊接研究的一个热门方向。该方法充分利用两种金属熔点的差异，严格控制焊接热输入，在保证高熔点母材金属不发生熔化的前提下让低熔点母材熔化，熔化的低熔点母材金属与填充金属一起在高熔点母材表面铺展，与之形成熔钎焊连接，焊接过程兼备熔焊和钎焊的双重特点[2]。

目前主要的电弧熔钎焊的方法有：激光－脉冲MIG复合热源熔－钎焊、CMT熔－钎焊、钨极氩弧(TIG)熔－钎焊等[3－5]。然而在电弧动态加热过程中，电弧加热时间短，温度分布不均匀，液态钎料在钢表面润湿铺展性差，难以实现两者的有效连接。

磁控－TIG电弧熔－钎焊是一种全新的焊接方法，是在常规的电弧熔－钎焊基础上进行改进的一种新型工艺。通过外加磁场在焊接区产生电磁力，推动液态金属在母材表面铺展，并对液态金属起到一定的搅拌作用，细化焊缝组织。在此深入分析了磁控电弧熔钎焊的基本原理和特点，为异种金属焊接技术的发展起到很好的促进作用。

1 磁控－TIG电弧熔－钎焊技术的基本原理与特点

磁控－TIG电弧熔－钎焊是在焊炬上安装同轴空心圆柱励磁线圈，产生磁场，通过连续送进焊丝填充接头，在熔点低的母材侧为熔化焊结合，在熔点高的母材侧为钎焊结合，其实质是液态钎料与高熔点的母材通过界面反应结合在一起，焊接过程兼备熔焊和钎焊的双重特点。为了进一步提高钎料在母材侧的润湿性，可以在高熔点母材侧涂上合适的焊剂，其工作原理如图1所示。

图1 电弧熔钎焊的工作原理

外加磁场在焊接区产生电磁力，对液态金属起到一定的搅拌作用，在焊接区域使用外加交变磁场控制焊接电弧的特性，对电弧熔－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熔点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，减少焊接缺陷，优化钎焊焊缝组织与性能，提高钎焊接头质量，并且该设备结构简单，应用灵活，成本较低，效果较好。

磁控－TIG电弧熔－钎焊的主要特点[6－9]：

(1)外加磁场在焊接区产生电磁力，在电磁力的推动作用下，液态金属可以在润湿母材表面之前先在母材表面铺展开来，这样可以有效提高钎料的润湿铺展能力，尤其是对润湿性较差的母材效果更明显。

(2)可以在较小的热输入情况下，实现焊丝良好的铺展性，从而避免母材的过多溶蚀，形成很厚的金属间化合物。

(3)外加磁场装置由电源和电磁线圈两部分组成，各部分具有独立的结构，设备体积比较小，便于携带，适用于野外作业，使用简单灵活。外加磁场的种类较多，形式较丰富，能够较好地满足多种工况条件下对焊接工艺的要求，受限制较少。

(4)外加磁场所需功率一般不大，电能消耗很少；外加磁场强度较小、频率较低，对环境不产生电磁污染；无接触控制，无噪声，是一种环保型的焊接技术。

2 电弧熔－钎焊技术在国内外的现状

近年来，在国内外电弧熔－钎焊主要应用于铝／钢异种金属的连接上，如哈尔滨工业大学杨春利、林三宝、张洪涛等[10－13]人利用氩弧做热源，成功地实现了铝／钢的焊接。利用激光及其复合热源做热源在最近几年也是研究热点，哈尔滨焊接研究所雷振、秦国梁等人[14]采用激光－电弧复合热源焊接方法，成功地实现了5A02铝合金板与镀锌钢板的高效连接。研究结果表明，接头钢母材未发生熔化，焊缝与钢母材为钎焊连接，接头断裂于铝合金母材热影响区，接头的抗拉强度与铝合金电弧熔焊接头强度相当，还提出了可实现铝与钢熔钎连接的大光斑激光－电弧复合热源焊接方法。哈尔滨焊接研究所林尚扬、游爱卿等人[15]发明了一种适合于铝与钢异种金属激光与MIG复合熔－钎焊的专用钎剂，研究发现Zn、Sn等活性元素可以增强钎料在钢表面的流动性，Sb可以提高接头的强度，稀土中La可以改善金属间化合物的塑性。冯吉才、石常亮等人[16]采用CMT技术对纯铝和镀锌钢板异种材料进行了熔－钎焊连接，研究发现接头界面区组织为α－Fe和FeAl3化合物混合层，接头断裂于铝母材的热影响区，最高抗拉强度达72.09 MPa。董红刚等人[17]用四种不同的钎料对铝钢异种金属进行搭接电弧熔钎焊。研究结果表明由于硅元素能够抑制铁元素的扩散，钎料的含硅量越高金属间化合物的尺寸越小，抗拉强度越大。

C.Dharmendra等人[18]采用激光电弧熔－钎焊焊接了(DP600)钢和(AA6016)铝合金，主要从激光能量、送料速度、焊接速度等方面进行接头的宏观和微观组织的分析。研究结果表明，随着焊接速度的改变，界面层的金属间化合物层的厚度在3～23 μm内变化。最高显微硬度为348 HV，焊接线能量在60～110 J／mm内时，接头的抗拉强度达到220 MPa，焊接速度在0.5～0.8 mm／min变化时，金属间的化合物厚度为8～12 μ m。

德国的Vranakova等人[19]通过试验证明采用MIG氩弧焊方法，同时填充A1Si5合金焊丝，通过控制焊接热输入，可以连接铝合金AlMg0.4Si1.2／镀锌钢板DX53Z异种金属接头。接头实质上由两个部分组成，一是与铝板相连的熔焊接头，二是与钢板相连的钎焊接头。通过拉剪试验测试接头的静力强度，焊接接头无论断裂在母材还是断裂在焊缝金属上，其抗拉强度都超过了150MPa，大部分接头都断裂在铝母材的热影响区处。

日本大阪大学的Murakami等人[20]采用MIG电弧钎焊方法成功连接了冷轧普通碳钢板和纯铝板搭接接头，在钢板和熔化金属的界面上生成了矩阵状的α－Al、网状的Al－Si共晶体和片状的Al－Fe－Si金属间化合物Al7.4Fe2Si。当金属间化合物层的厚度小于2.5 μ m时，接头的结合性能良好，其横向拉伸强度约为80MPa，断裂位于铝母材的热影响区处。

3 磁控焊接技术的发展现状

在焊接过程中引入磁场控制成为一种先进焊接技术，这种技术被称作电磁搅拌焊接技术、电磁作用焊接技术或磁控电弧焊接技术。

在20世纪70、80年代，国外的学者对磁场与电弧的相互作用进行了研究，如Tseng和Savage等人[21]深入研究了在TIG焊时电磁搅拌对微观组织和性能的影响，发现在电磁作用下焊接高强钢时，降低了热裂纹的敏感性。前苏联的基辅工业大学[22]研究了纵向磁场作用下的薄板脉冲TIG焊接的熔池流动和细化晶粒规律，通过电场和磁场共同作用控制熔池凝固结晶过程。

从20世纪80、90年代开始，国内的学者对磁场在焊接领域中的应用也进行了卓有成效的研究[23]。重庆大学罗键教授等针对外加纵向磁场对GTAW电弧形态[24－25]、熔池流动[26]、焊缝中气孔的形成[27]和焊缝中组织的影响[28]进行了深入而全面的研究。结果表明，外加磁场不仅可以改变电弧的形态，还对焊接熔池产生附压，控制熔池的流动，改变焊接熔池熔体的结晶条件，细化焊缝金属的一次结晶组织明显改善，还可以改变焊丝金属的过渡特性，在适当的焊接参数下可以有效的抑制焊缝中气孔的形成。

4 发展趋势

由于采用外加磁场控制焊接质量，具有附加装置简单、投入成本低、效益高、耗能少等特点。近年来，电磁作用电弧焊技术得到了快速发展，应用日益广泛。积极开展外加磁场与电弧和焊接熔池相互作用机制的研究，从本质上认识电磁作用电弧和熔池的焊接技术的机理，为了电磁作用电弧焊接技术的工程应用提供理论借鉴,所以其研究和应用前景非常乐观，必将成为日后发展的一个重要方向。

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A new TIG－brazing welding technique by electromagnetic controlling

CHEN Jie1，WANG Xiao－ming2，ZHANG Zhen－bin2，FENG 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

陈杰(1966—)，男，重庆人，学士，主要从事特种设备质量安全管理的科研工作。