專利名稱：一種電磁復合場熔化極堆焊方法、設(shè)備及其拓展應用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及表面工程堆焊領(lǐng)域，特別是一種電磁復合場控制粉芯焊絲熔滴射流過渡熔化極氣體保護堆焊方法、設(shè)備及其拓展應用。
背景技術(shù)：
以熔滴旋轉(zhuǎn)射流過渡為特征的熔化極氣體保護焊接方法被視為是一種高效焊接技術(shù)之一。國內(nèi)外被廣泛使用的同類技術(shù)是以高昂的氦氣為主要組元的混合氣體熔化極焊接技術(shù)(如TIME、RAPID MELT、LINFAST等)，對于我國而言，氦氣資源比較匱乏，成本較高；同時該保護氣體配方也具有國際知識產(chǎn)權(quán)，使得其工藝和設(shè)備的使用比較昂貴。目前，國內(nèi)研究者采用外加磁場焊接的方法取代氦氣，實現(xiàn)了熔滴的穩(wěn)定過渡，公開了三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(shè)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(shè)備(申請?zhí)?00410086897.0)，它是在前者的基礎(chǔ)上僅對空心勵磁線圈進行改進，添加和設(shè)計了導磁鐵芯，僅增加了對深坡口接頭形式工件的焊接。第三項是本人提出的專利申請一種磁控熔化極焊接方法及其拓展應用和通用設(shè)備(申請?zhí)?00510019637.6)。
上述三項專利申請或授權(quán)都是針對焊接工程技術(shù)領(lǐng)域，而沒有面向?qū)儆诒砻婀こ痰亩押割I(lǐng)域。堆焊雖然屬于焊接范疇，具有普通焊接技術(shù)的通用特性，但堆焊與常規(guī)焊接技術(shù)有一定程度的不同，其顯著特點不是如普通焊接方法那樣是為了連接零(部)件，而是利用焊接(連接)的方法(即堆焊層與母材具有典型的冶金結(jié)合)，根據(jù)特定的工件服役要求選擇或設(shè)計相關(guān)的堆焊合金，在材料或工(部)件表面熔覆具有一定性能的功能層，使材料或工件表面具有特殊的功能(如高強度、高韌性、耐磨、抗氧化等)，以滿足部件特定工作環(huán)境的需要。例如，高效混合氣體保護熔化極(MAG)焊接技術(shù)(熔滴射流過渡形式)的研究側(cè)重在獲得高熔覆率和高熔合比(高稀釋率)，而如果要進行高效MAG堆焊技術(shù)的研究則需要進行高熔覆率和低熔合比(低稀釋率)的合理匹配控制。因此，堆焊技術(shù)具有自身的特殊要求。
新型堆焊技術(shù)主要考慮三個方面的因素熔敷速度、稀釋率和堆焊層性能，即較低的母材稀釋率、較高的熔覆速率和優(yōu)良的堆焊層性能。對于前兩個因素“熔敷速度”和“稀釋率”，在弧源堆焊時，一般采用以下途徑來降低稀釋率(1)減小電弧對母材的熱輸入；(2)減小電弧對母材的集中加熱程度；(3)減小電弧對母材的挖掘作用等。另一方面，為了提高熔敷率需要采用以下措施(1)加大電弧熱輸入；(2)提高電弧集中程度；(3)提高送絲或送粉速度(堆焊速度)等途徑。由此可見，高熔敷率和低稀釋率往往是相互制約的，需要有效地協(xié)調(diào)二者之間存在的矛盾關(guān)系，使高熔敷率和低稀釋率能夠有機地統(tǒng)一起來。對于堆焊技術(shù)的第三個要素“堆焊層性能”所關(guān)注的核心內(nèi)容，就是要獲得優(yōu)質(zhì)堆焊功能層。但是，例如在普通材料上堆焊高溫高強硬合金材料時，不同堆焊層之間(堆焊界面層間)，常常容易產(chǎn)生堆焊層開裂以及堆焊層與基體剝離的現(xiàn)象，這就涉及了高溫高強硬合金堆焊層韌化的問題。而且，具有高耐磨性(高硬度)的堆焊層一般來說有較低的韌性，同時其要求的堆焊工藝或熱處理條件都比較嚴格和復雜，往往也容易產(chǎn)生缺陷，甚至導致堆焊功能層失效。因此，新型堆焊技術(shù)需要協(xié)調(diào)好材料堆焊功能層的強硬性與韌塑性之間的矛盾關(guān)系。
目前，手工電弧堆焊和火焰堆焊因成本最低、簡單靈活及適應面大等優(yōu)點，是最常用的堆焊工藝，但是有自動化程度較低、勞動強度大、堆焊質(zhì)量不易控制等缺點，其應用受到一定程度的限制。而現(xiàn)代堆焊技術(shù)的研究集中在等離子堆焊、埋弧(電渣)堆焊、氣體保護堆焊、激光熔覆和摩擦攪拌堆焊等方面，在堆焊熱源的選擇上主要集中于電弧熱源。相對而言，高效氣體保護堆焊技術(shù)因具有較高的生產(chǎn)效率，較好的質(zhì)量，較低的成本，易于實現(xiàn)自動化過程，能夠充分發(fā)揮堆焊機器人優(yōu)勢，成為了堆焊技術(shù)發(fā)展的新方向之一。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)、低成本的新型堆焊技術(shù)。

發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，本發(fā)明的目的是提供一種高效、低成本、高穩(wěn)定性和優(yōu)質(zhì)堆焊功能的電磁復合場控制新型高效熔化極氣體保護堆焊方法和通用設(shè)備，以便突破傳統(tǒng)堆焊技術(shù)的局限性對功能材料堆焊高昂的制備成本、苛刻的工藝條件、(特別是)較短的使用壽命的長期牽制，解決新型高效堆焊技術(shù)對富氦多元保護氣體的依賴，完善堆焊控制手段，實現(xiàn)堆焊功能層高強硬性與高韌塑性的有效匹配，打破高效焊接技術(shù)的使用局限，從而在表面工程領(lǐng)域開拓新的應用范圍。
本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案如下1.本發(fā)明提供的電磁復合場堆焊方法，是電磁復合場控制粉芯焊絲熔滴射流過渡熔化極氣體保護堆焊方法，具體方法是在堆焊工件的上邊，使用一對電磁攪拌勵磁線圈和電磁熱處理勵磁線圈，電磁攪拌勵磁線圈與焊炬同軸；通過勵磁電源提供勵磁電流，產(chǎn)生電磁攪拌和電磁熱處理外加縱向磁場；在堆焊焊縫上施加可移動的兩個輔助電場電極，產(chǎn)生輔助電場；焊接電源提供堆焊與輔助電場電流，一輔助電場電極與焊炬導電嘴同極性；該電磁復合場對焊接工件實現(xiàn)電磁復合場控制高熔覆熔化極氣體保護堆焊。
2.本發(fā)明提供的電磁復合場堆焊方法，所述電磁攪拌勵磁線圈和電磁熱處理勵磁線圈接用不同頻率、不等強度、時變勵磁電流，利用較高頻和較弱強度相匹配的磁場進行電磁攪拌作用，以控制旋轉(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，并能使焊接熔池熔體充分攪拌；而采用較低頻和較大強度相匹配的磁場進行電磁熱處理作用，可以改變?nèi)鄢亟饘俚慕Y(jié)晶狀況，改變凝固過程和溫度分布(組織、相結(jié)構(gòu)也會改變)，促使焊縫晶粒細化，減小化學不均勻性，降低氣孔的敏感性，有利于提高韌塑性，形成優(yōu)質(zhì)堆焊層；對堆焊工件實現(xiàn)符合堆焊要求的電磁復合場堆焊過程；或者，電磁攪拌勵磁線圈和電磁熱處理勵磁線圈同時施接勵磁電源，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，對工件實現(xiàn)符合堆焊工藝要求的電磁復合場堆焊過程；或者，電磁攪拌勵磁線圈和電磁熱處理勵磁線圈單獨使用，并施接一個勵磁電源，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，進行單獨的電磁攪拌或電磁熱處理作用；包括如下的工藝條件堆焊焊接電流80～800A，送絲速度0～50m/min，焊絲直經(jīng)0.8～6mm，保護氣體流量1～50L/min，焊接電壓1～60V，焊接速度0.01～6m/min，勵磁電流0～60A，勵磁頻率0～100Hz，輔助電場電流0～300A。
3.本發(fā)明提供的電磁復合場控制熔化極氣體保護堆焊設(shè)備，設(shè)有勵磁電源、勵磁設(shè)備、輔助電場設(shè)備和水冷系統(tǒng)；勵磁設(shè)備為電磁攪拌勵磁線圈和電磁熱處理勵磁線圈，電磁攪拌勵磁線圈和電磁熱處理勵磁線圈通過勵磁電源提供勵磁電流；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；電磁攪拌勵磁線圈和電磁熱處理勵磁線圈均為軸對稱圓柱線圈結(jié)構(gòu)，分別設(shè)于兩個支架上；電磁攪拌勵磁線圈固定于焊炬上，且與焊炬同軸；在電磁攪拌勵磁線圈的支架的端部設(shè)有與焊炬相連的夾持鎖緊機構(gòu)，其將勵磁線圈固定在焊炬噴嘴上，使勵磁線圈與工件有一定距離的自由調(diào)節(jié)度；焊炬和電磁熱處理勵磁線圈的距離可以調(diào)節(jié)，支架內(nèi)裝有水冷系統(tǒng)；輔助電場設(shè)備主要由可移動的兩根輔助電場電極構(gòu)成，一根接負極，另一根接正極，由焊接電源或其他單獨電源提供電流；一個輔助電場電極與焊炬同極性。輔助電場電極，可以由其他種類的堆焊焊炬所代替，形成復合焊炬堆焊方式。
輔助導電(場)設(shè)備的結(jié)構(gòu)與使用方法是采用一對可以運動的導電電極，以焊接方向為正(前)方，在熔池前部未熔化(未堆焊)的金屬部位，根據(jù)堆焊焊炬極性選擇或使用情況(如正極性或反極性)，決定相同極性的導電電極與熔池保持一定距離，隨焊炬一起運動，或固定(在工件運動，焊炬不運動的情況下)；另一極性的導電電極，則在位于堆焊焊縫凝固低溫金屬的后部，這種情況下輔助導電場與堆焊焊縫一致(重合)，稱為縱向輔助電場。輔助導電(場)，在堆焊過程中起到前預熱、堆焊主電流分流以及后熱處理等綜合調(diào)控作用。
4.本發(fā)明提供的電磁復合場熔化極氣體保護堆焊設(shè)備，所述電磁攪拌勵磁線圈和電磁熱處理勵磁線圈內(nèi)分別設(shè)有導磁鐵芯；導磁鐵芯活動安裝在的電磁攪拌勵磁線圈和電磁熱處理勵磁線圈中，可以自由調(diào)節(jié)其在勵磁線圈中的位置直至全部從線圈中去除；導磁鐵芯端部的形狀呈漏斗型、直桶型、圓錐型或曲面型；導磁鐵芯的下端面形狀收縮，以便于磁力線更集中作用于堆焊焊縫。
5.本發(fā)明提供的電磁復合場熔化極氣體保護堆焊設(shè)備，所述電磁熱處理勵磁線圈通過一可調(diào)節(jié)式固定臂與勵磁線圈、焊炬剛性連接為一體，可調(diào)節(jié)式固定臂可以改變焊炬和勵磁線圈的距離，實現(xiàn)不同焊接速度下合理的電磁復合場堆焊施加方式；或者，將電磁攪拌勵磁線圈不通過支架而直接與焊炬噴嘴集成為一體，采用絕緣材料使焊炬噴嘴的外壁與線圈的線匝保持絕緣狀態(tài)，并且通過焊炬噴嘴內(nèi)部構(gòu)建的水冷系統(tǒng)進行冷卻。
6.本發(fā)明提供的電磁復合場控制熔化極氣體保護堆焊設(shè)備，電磁攪拌勵磁線圈的支架和電磁熱處理勵磁線圈的支架內(nèi)的水冷系統(tǒng)采用蓋板式矩形脈沖形冷凝水流模式，兩個支架內(nèi)設(shè)有水流溝槽和錯開排列的兩排水流隔壁，兩排水流隔板分別與水流溝槽兩側(cè)的外擋板相連；所述焊炬噴嘴內(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(gòu)是焊炬噴嘴壁內(nèi)設(shè)計有螺旋狀的螺紋水流溝槽，結(jié)合焊炬噴嘴擋板形成了焊炬噴嘴內(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，焊炬不變形。
本發(fā)明提供的電磁復合場堆焊方法和堆焊設(shè)備在下述方面的用途用于高熔覆率(高速)熔化極氣體保護堆焊，或普通熔化極氣體保護堆焊，或非熔化極氣體保護堆焊，或等離子堆焊，或激光堆焊；用于下述材料(或合金粉末)的堆焊中高碳耐磨合金(鑄鐵)，高溫硬質(zhì)合金，不銹鋼及其合金等其它金屬及其合金(或合金粉末)；用于單一材料的單層堆焊、多層堆焊，或多種材料的單層堆焊、多層堆焊，或梯度材料的多層堆焊；本發(fā)明提供的電磁復合場堆焊方法和堆焊設(shè)備在下述焊接方面的拓展用途用于下述材質(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，鎂及其合金，鈦及其合金等其它黑色和有色金屬及其合金；用于實心焊絲，藥芯焊絲和粉芯焊絲的焊接；用于對接、搭接、角接、全位置焊接多種焊接接頭形式；用于單一氣體保護熔化極焊接，或二元或多元混合氣體保護熔化極焊接領(lǐng)域；用于高熔覆率(高速)熔化極氣體保護焊接，或普通熔化極氣體保護堆焊，或普通熔化極氣體保護焊接，或等離子焊接，或激光焊接，或復合焊接技術(shù)(如TIG+MIG)；本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下的顯著效果其一.與傳統(tǒng)的氣體保護焊接工藝相比，突破了穩(wěn)定射流熔滴過渡形式對焊接電流的限制。與傳統(tǒng)的藥芯焊絲或粉芯焊絲氣體保護焊接工藝相比，利于實現(xiàn)穩(wěn)定的熔滴旋轉(zhuǎn)射流過渡，焊縫成形好，成本低。
其二.與國外高效焊接技術(shù)(如TIME焊接技術(shù)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(如二氧化碳氣體)顯著降低焊接成本。
其三.與磁控MAG焊接技術(shù)相比，增加了外加電磁復合場控制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(shù)的適用性。
其四.打破磁控焊接技術(shù)的使用局限，開拓了新的使用空間。
其五.與其它常規(guī)堆焊技術(shù)相比，集成相關(guān)技術(shù)與研究成果，穩(wěn)定實現(xiàn)高熔敷率、低稀釋率協(xié)調(diào)匹配的電磁復合場高效氣體保護堆焊的創(chuàng)新方法，為解決堆焊的“兩難”問題提供了新途徑。
其六.與其他磁控堆焊技術(shù)(如等離子堆焊)相比，采用電磁復合場高效氣體保護堆焊新技術(shù)，低成本地實現(xiàn)高強硬性與韌性有機協(xié)調(diào)統(tǒng)一的優(yōu)質(zhì)堆焊層，降低了其對堆焊技術(shù)和熱處理工藝的嚴格要求，實現(xiàn)了堆焊功能層的技術(shù)創(chuàng)新。
其七.與常規(guī)堆焊或焊接工藝相比，使用藥芯焊絲或粉芯焊絲堆焊或焊接時，或者在二氧化碳氣體保護堆焊或焊接時，熔滴過渡穩(wěn)定性提高，飛濺減小，焊縫成形好，質(zhì)量提高。
其八.應用范圍廣泛，所需設(shè)備簡單，易于推廣使用。促進了先進堆焊技術(shù)領(lǐng)域綠色、可持續(xù)、滿足循環(huán)經(jīng)濟需求的高技術(shù)工藝與設(shè)備的發(fā)展，完善和豐富了堆焊表面工程的基礎(chǔ)理論和技術(shù)實踐能力。
本發(fā)明開拓了表面工程領(lǐng)域新型、先進堆焊技術(shù)，其包括突破了高熔覆率和低稀釋率的兩個相互矛盾的限制，實現(xiàn)了高硬度與高韌性堆焊層性能的有效協(xié)調(diào)與合理統(tǒng)一，降低了對堆焊工藝以及后處理環(huán)節(jié)的苛刻要求，采用完善的電磁復合場技術(shù)成功克服了單一外加磁場的使用局限，從而在可持續(xù)、滿足循環(huán)經(jīng)濟需求的先進堆焊技術(shù)工藝與設(shè)備的開發(fā)與實際利用方面作出了貢獻。本發(fā)明在模具制造與再制造，機械設(shè)備的循環(huán)制造與利用，關(guān)鍵部件修復，材料制備，資源循環(huán)利用，以及綠色循環(huán)制造與裝備等領(lǐng)域具有廣闊的應用價值與發(fā)展前景。本發(fā)明實現(xiàn)高效、低成本、高質(zhì)量、高穩(wěn)定性、多適用性、多方式綜合易控的堆焊過程。
總之，本發(fā)明通過電磁攪拌、電磁熱處理、輔助電場和焊炬的復合作用，實現(xiàn)高效、優(yōu)質(zhì)、低成本、高穩(wěn)定性地堆焊合金材料或梯度材料的過程；突破傳統(tǒng)堆焊技術(shù)的局限性對高性能材料堆焊時高昂的制備成本、苛刻的工藝條件、較短的使用壽命的長期牽制，解決新型高效堆焊技術(shù)對富氦多元保護氣體的依賴，完善堆焊控制手段，實現(xiàn)堆焊功能層高強硬性與高韌塑性的有效匹配，在表面工程領(lǐng)域開拓新的應用范圍。


圖1是本發(fā)明焊接方法和設(shè)備示意圖；圖2是電磁攪拌和電磁熱處理勵磁線圈支架水冷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和冷卻水流向示意圖；圖3是堆焊焊矩噴嘴水冷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和冷卻水流向示意圖。
圖中，1.支架；2.焊炬噴嘴；3.焊炬導電嘴；4.導磁鐵芯；5.焊接與輔助電場電源；6.焊絲；7.工件；8.電磁攪拌勵磁線圈；9.電磁熱處理勵磁線圈；10.勵磁電源；11.導磁鐵芯；12.支架；13.輔助電場電極；14.輔助電場電極；15.連接定位支架；16.水流溝槽；17.外擋板；18.支架內(nèi)水流隔板；19.焊炬噴嘴擋板；20.焊炬噴嘴壁；21.螺紋水流溝槽。
具體實施例方式
本發(fā)明主要包含一種電磁復合場熔化極氣體保護堆焊的外加新型電磁復合場控制方法和相關(guān)通用設(shè)備，以及在其它堆焊與焊接工藝技術(shù)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.電磁復合場控制熔化極堆焊方法本方法是一種電磁復合場控制熔滴射流過渡的無氦高熔覆熔化極氣體保護堆焊方法。具體方法如下如圖1所示在堆焊工件7的上邊，使用一對帶導磁鐵芯4和11或不帶導磁鐵芯4和11的電磁攪拌勵磁線圈8和電磁熱處理勵磁線圈9，電磁攪拌勵磁線圈8與焊炬3同軸，通過相同的勵磁電源10或不同的勵磁電源分別提供勵磁電流，產(chǎn)生時變或恒定的、雙頻或單頻的、同強度或不同強度的電磁攪拌和電磁熱處理的兩個外加縱向磁場；根據(jù)需要，同時或不同時在堆焊焊縫縱向或橫向上施加可移動的輔助電極13和14，產(chǎn)生輔助電場，電源5提供堆焊與輔助電場電流，輔助電場電極13與焊炬導電嘴3(或焊絲6)同極性。該電磁復合場綜合控制焊接電弧、焊絲熔化、熔滴過渡、熔池攪拌、焊縫凝固、焊前預熱與焊后熱處理過程，在高送絲速度、無氦混合的保護氣體和大電流的配合下，實現(xiàn)電磁復合場控制無氦高熔覆熔化極氣體保護堆焊過程。
電磁復合場通過六個方面來實現(xiàn)綜合控制堆焊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)，改變電磁場的強度(不同強度的電場和磁場)，改變電磁場的施加方式(焊縫縱向施加電場、或焊縫橫向施加電場、或焊縫正上方施加磁場、或焊縫上方兩側(cè)施加磁場、或工件上下兩邊不同時或同時施加、或與焊炬不同軸的磁場施加方式)，根據(jù)堆焊對象改變堆焊保護氣體的成分和配比(Ar+20％CO2，或CO2，或Ar，或其它多元氣體成分和配比)以及與堆焊工藝參數(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。
1.電磁攪拌勵磁線圈8和電磁熱處理勵磁線圈9與勵磁電源10配對使用，有下述三種方式(一)電磁攪拌勵磁線圈8和電磁熱處理勵磁線圈9可同時接用勵磁電源10所產(chǎn)生雙頻、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)射流過渡的電磁場條件下，可以運用多工藝參數(shù)和手段的方式，靈活、可靠、有效地控制堆焊的溫度場、熔滴形成過程、液流束的運動狀態(tài)、熔池攪拌程度、焊縫凝固條件和堆焊組織生成，以實現(xiàn)磁控高效無氦熔化極堆焊溫度場、流場和力場的最佳耦合，最終形成優(yōu)質(zhì)堆焊焊縫、符合堆焊層的質(zhì)量要求；同時，這種多工藝參數(shù)控制條件下的可靠堆焊控制方式，能夠?qū)崿F(xiàn)不同特定材質(zhì)、不同堆焊材料和堆焊功能層需要的堆焊過程。其原理是利用較高頻和較弱強度相匹配的磁場進行電磁攪拌作用，以控制旋轉(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，并能使焊接熔池熔體充分攪拌。而采用較低頻和較大強度相匹配的磁場進行電磁熱處理作用，可以改變?nèi)鄢亟饘俚慕Y(jié)晶狀況，改變凝固過程和溫度分布(組織、相結(jié)構(gòu)也會改變)，促使焊縫晶粒細化，減小化學不均勻性，降低氣孔的敏感性，有利于提高韌塑性，形成優(yōu)質(zhì)堆焊層；對堆焊工件7實現(xiàn)符合堆焊焊接要求的電磁復合場堆焊過程。
(二)電磁攪拌勵磁線圈8和電磁熱處理勵磁線圈9可同時施接勵磁電源10，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，對工件7實現(xiàn)符合堆焊工藝要求的電磁復合場堆焊過程。
(三)電磁攪拌勵磁線圈8和電磁熱處理勵磁線圈9可單獨使用，并施接一個勵磁電源10，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，進行單獨的電磁攪拌或電磁熱處理作用，對工件7實現(xiàn)符合堆焊工藝要求的電磁復合場堆焊過程。
2.輔助電場電極13和輔助電場電極14，以及堆焊焊炬導電嘴3與電源5配合使用，有下述五種主要方式(一)輔助電場電極13和焊絲6同極性，并由電源5同時提供不等強度的電流，輔助電場電極13較弱，而堆焊焊接電流較強，而輔助電場電極14與輔助電場電極13和焊絲6是不同極性的，其好處是在堆焊相同的熔深條件下，可以降低主堆焊電流的大小，減小電弧對堆焊基材的集中加熱程度和挖掘作用，有利于降低稀釋率，減少熔滴過渡飛濺，提高熔覆率，并形成良好的堆焊焊接電流回路，對工件7實現(xiàn)符合堆焊工藝要求的電磁復合場堆焊過程。
(二)輔助電場電極13和輔助電場電極14形成的輔助電場流線，可以與堆焊焊縫重合，即形成縱向輔助電場；也可以與焊縫交叉垂直，即形成橫向輔助電場，而橫向輔助電場的電流線與焊縫可以在熔池或熔池前后不同位置處產(chǎn)生交匯點；輔助電場電極13和輔助電場電極14與電源5配合使用，可以產(chǎn)生一個脈沖時變電流場，或恒定均勻強度的電流場，對工件7實現(xiàn)符合堆焊工藝要求的電磁復合場堆焊過程。
(三)輔助電場電極13和輔助電場電極14產(chǎn)生的輔助電場可以同時或不同時與電磁攪拌勵磁線圈8產(chǎn)生的電磁攪拌磁場和電磁熱處理勵磁線圈9產(chǎn)生的電磁熱處理磁場一起，或兩兩組合，或單獨在堆焊過程中產(chǎn)生作用，對工件7實現(xiàn)符合堆焊工藝要求的電磁復合場堆焊過程。
(四)輔助電場電極13和輔助電場電極14，可以由其他種類的堆焊焊炬(電極)所代替，形成復合堆焊方式，如輔助電場電極13被一個TIG堆焊焊炬(電極)所替代，形成TIG+MAG/MIG或TIG+CO2共單個熔池形式的復合堆焊方式，對工件7實現(xiàn)符合堆焊工藝要求的電磁復合場堆焊過程。
(五)輔助電場電極13和輔助電場電極14，可以是棒狀，條狀等多種形式；與工件可以是滑動摩擦，也可以是滾動摩擦；可以是銅合金材料，也可以是其他材料。對工件7實現(xiàn)符合堆焊工藝要求的電磁復合場堆焊過程。
本發(fā)明采用電磁復合場熔化極氣體保護堆焊過程可采用包括如下的工藝條件堆焊焊接電流80～800A，送絲速度0～50m/min，焊絲直經(jīng)0.8～6mm，保護氣體流量1～50L/min，焊接電壓1～60V，焊接速度0.01～6m/min，勵磁電流0～60A，勵磁頻率0～100Hz，輔助電場電流0～300A。
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，或磁控氣體d，或磁控氣體e，具體如下磁控氣體a由100％二氧化碳組成，此種氣體廣泛應用于高碳耐磨合金的堆焊；磁控氣體b由100％氬氣組成。此種氣體廣泛應用于多種金屬及合金材料的堆焊；磁控氣體c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+剩余百分比的氬氣。此種氣體廣泛應用于多種金屬及合金材料的堆焊；磁控氣體d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多種金屬及合金材料的堆焊；磁控氣體e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堆焊，如銅及其合金的堆焊。
上述保護氣體也可采用其他普通保護氣體成份或有氦氣加入的二元或多元保護氣體。
上述堆焊焊絲可以使用實心焊絲，或藥芯焊絲，或金屬粉芯焊絲。
本發(fā)明提供的電磁復合場堆焊方法，粉芯焊絲可以采用焊絲a，或焊絲b，或焊絲c，具體配方如下焊絲a由C、Cr、Ni、Mo、Mn、Si、N合金粉末組成金屬粉芯，其成分范圍是(Wt％)C0.28～0.40％、Cr12.1～14.2％、Ni2.9～5.2％、Mo 0.78～0.91％、Mn 0.65～1.61、Si 0.16～0.96％、S≤0.01％、P≤0.025％、N0.02～0.04％、稀土0.01～3.2％。采用氬氣和氮氣混合組成的保護氣體，其體積百分比是10～30％氮+剩余百分比氬氣，具有原位復合氮化物堆焊功能；焊絲b由C、Cr、Ni、Si、B、Mn合金粉末組成金屬粉芯，其成分范圍是(Wt％)C0.08～0.17％、Cr10.2～18.3％、Ni3.4～5.8％、Si0.38～0.81％、B0.14～0.34％、Mn0.68～1.61％。保護氣體采用二氧化碳和氬氣混合組成，其體積百分比是10～20％二氧化碳+剩余百分比的氬氣，具有高效二氧化碳混合氣體保護堆焊功能；焊絲c由C、Cr、W、Mo、V、Nb合金粉末組成金屬粉芯，其成分范圍是(Wt％)C 0.4～0.9％、Cr16.2～26.4％、W2.9～6.2％、Mo 0.38～3.41％、V0.24～0.38％、Nb2.3～5.8％、稀土0.01～4.6％。保護氣體采用100％氬氣，具有硬質(zhì)合金材料的高效堆焊功能。
二.電磁復合場控制熔化極氣體保護堆焊通用設(shè)備本設(shè)備是電磁復合場控制無氦高效熔化極氣體保護焊接的通用設(shè)備，如圖1所示設(shè)有勵磁電源、勵磁設(shè)備、輔助電場設(shè)備和水冷系統(tǒng)，勵磁設(shè)備設(shè)有電磁攪拌勵磁線圈8和電磁熱處理勵磁線圈9。
1.電磁攪拌勵磁線圈8和電磁熱處理勵磁線圈9根據(jù)實際焊接需要，所述勵磁線圈可以同時或單獨使用，它們的距離可調(diào)，電磁攪拌勵磁線圈8與焊矩2同軸。與之配套的勵磁電源10采用四通道數(shù)字逆變電源或兩套獨立的數(shù)字逆變電源或普通電源，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，其頻率、占空比和幅值均可調(diào)節(jié))。
下面結(jié)合

上述勵磁線圈的結(jié)構(gòu)、連接關(guān)系及作用如圖1所示一對電磁攪拌勵磁線圈8和電磁熱處理勵磁線圈9分別位于工件7上方，以堆焊正方向為參考系，電磁攪拌勵磁線圈8在前，電磁熱處理勵磁線圈9在后。
電磁攪拌勵磁線圈8固定于焊炬3上，且與焊炬3同軸。焊炬3和電磁熱處理勵磁線圈9的距離可以自由調(diào)節(jié)，根據(jù)焊接速度的大小，調(diào)節(jié)兩者的相對位置，使電磁熱處理勵磁線圈9位于焊接熔池后部緊鄰、已凝固的高溫固態(tài)金屬位置。
上述勵磁線圈均為軸對稱圓柱線圈結(jié)構(gòu)，其帶導磁鐵芯4和導磁鐵芯11或者不帶導磁鐵芯4，或者導磁鐵芯11是中心全截面的，其支架1和12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(在工件7運動的狀況下)。
上述導磁鐵芯4和導磁鐵芯11分別活動安裝在電磁攪拌勵磁線圈8和電磁熱處理勵磁線圈9中，可以自由調(diào)節(jié)其在勵磁線圈中的位置直至全部從線圈中去除。導磁鐵芯4和導磁鐵芯11端部的形狀可根據(jù)實際使用需要設(shè)計成不同的形狀，例如呈漏斗型、直桶型、圓錐型或曲面型等。勵磁線圈8和勵磁線圈9使用的導磁鐵芯4和導磁鐵芯11形狀可以相同，也可以有所不同。導磁鐵芯4和導磁鐵芯11可以由單個回轉(zhuǎn)體整體構(gòu)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(gòu)成。同時，根據(jù)堆焊過程的實際需要可綜合調(diào)節(jié)勵磁線圈、導磁鐵芯、堆焊工件、堆焊焊炬噴嘴和焊絲之間的距離。導磁鐵芯11距離工件的位置比導磁鐵芯4距離工件的的位置要近許多，并使用全截面鐵芯形式，導磁鐵芯11的下端面形狀收縮，以便于磁力線更集中作用于堆焊焊縫。
2.勵磁線圈8和勵磁線圈9與焊炬3的幾種連接及水冷方式(1)電磁攪拌勵磁線圈8通過夾持鎖緊機構(gòu)(圖中省略)與焊炬3固定連接在電磁攪拌勵磁線圈8的支架1的端部設(shè)有與焊炬3相連的夾持鎖緊機構(gòu)，其將勵磁線圈固定在焊炬噴嘴2上，使勵磁線圈8與工件7有一定距離的自由調(diào)節(jié)度。
電磁攪拌勵磁線圈8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(gòu)如圖2所示支架1內(nèi)設(shè)有水流溝槽16和錯開排列的兩排水流隔壁18，兩排水流隔板18分別與水流溝槽16兩側(cè)的外擋板17相連，它們構(gòu)成了上下折返循環(huán)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(gòu)，盡管其整個集成空間設(shè)計結(jié)構(gòu)簡單，但冷卻作用強烈，完全能夠適應熔滴射流過渡形式大電流堆焊的需要。圖中箭頭表示水流的通道與方向。
勵磁線圈線圈內(nèi)水冷系統(tǒng)的作用是保護線圈在大電流堆焊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)電磁攪拌勵磁線圈8和焊炬噴嘴2集成式直接連接為了滿足中小堆焊焊接電流條件下手工堆焊焊矩或大焊接電流條件下自動堆焊焊矩良好的空間可達性，可以省掉支架1，直接將電磁攪拌勵磁線圈8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(gòu)建的水冷系統(tǒng)進行冷卻，使焊矩和勵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(gòu)如圖3所示焊炬噴嘴壁21內(nèi)設(shè)計有螺旋狀的螺紋水流溝槽20，結(jié)合焊炬噴嘴擋板19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(gòu)緊湊、設(shè)計簡單、冷卻作用強烈的優(yōu)點，可保證大電流條件下，焊炬3不變形，完全能夠適應高熔覆、大電流堆焊的需要。
(3)電磁熱處理勵磁線圈9通過可調(diào)節(jié)固定臂15與勵磁線圈8和焊炬噴嘴2剛性連接電磁熱處理勵磁線圈9通過一可調(diào)節(jié)式固定臂15與勵磁線圈8焊炬3剛性連接為一體，可調(diào)節(jié)式固定臂15可以改變焊炬3和勵磁線圈9的距離，實現(xiàn)不同焊接速度下合理的電磁復合場堆焊施加方式。
3.輔助電場施加設(shè)備采用一對可以運動的輔助電場電極13和輔助電場電極14，一根接負極，另一根接正極，由焊接電源5提供電流。運動的輔助電場電極13和輔助電場電極14與工件具有良好的接觸性能，具有一定的耐高溫磨損能力和良好的導電性，結(jié)構(gòu)簡單易于更換。
輔助電場電極13，可以由鎢極氬弧焊炬(TIG)，或等離子焊炬(PAW)，或激光焊炬(EBW)，或電子束焊炬(EBW)等其他種類的堆焊焊炬代替電極，形成復合焊炬堆焊方式。如輔助電場電極13被一個TIG堆焊焊炬所替代，形成TIG+MAG/MIG或TIG+CO2兩個焊炬共單個堆焊熔池形式的復合焊炬堆焊方式；如輔助電場電極13由熔化極焊炬(MAG/MIG/CO2)所代替，形成雙絲復合堆焊方式。
4.勵磁電源10和焊接電源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。
可采用能夠產(chǎn)生多種波形的數(shù)字逆變式焊接電源，并提供合適的輔助電場電流。
三.上述電磁復合場控制熔化極堆焊方法和通用設(shè)備的拓展應用1.在下述熔化極氣體保護焊接方面的拓展應用(1)用于高效熔化極焊接，或普通熔化極焊接領(lǐng)域。
(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，鎂及其合金，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。
(4)用于單一氣體保護熔化極焊接，或二元或多元混合氣體保護熔化極焊接領(lǐng)域。
2.在其它焊接工藝方面的應用在電磁攪拌勵磁線圈8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10、勵磁設(shè)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，對工件7實現(xiàn)其他電磁復合場焊接工藝過程采用電磁復合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)，或鎢極惰性氣體保護焊接(TIG)，或埋弧焊接(SAW)，或二氧化碳焊接(CO2)，或電渣焊接(ESW)，或等離子弧焊接(PAW)，或電子束焊接(EBW)，或電阻焊(RW)，或摩擦焊(FW)，或攪拌摩擦焊(FSW)，或激光焊接(LBW)。
3.在其它堆焊方面的應用(1)用于高熔覆率(高速)熔化極氣體保護堆焊，或普通熔化極氣體保護堆焊，或非熔化極氣體保護堆焊，或等離子堆焊，或激光堆焊，或攪拌摩擦堆焊，或焊條電弧堆焊；(2)用于下述材料(或合金粉末)的堆焊中高碳耐磨合金(鑄鐵)，高溫硬質(zhì)合金，不銹鋼及其合金等其它金屬及其合金(或合金粉末)；
(3)用于單一材料的單層堆焊、多層堆焊，或多種材料的單層堆焊、多層堆焊，或梯度材料的多層堆焊；其中有關(guān)電磁復合場控制熔化極堆焊方法參考的工藝參數(shù)如下(1)電磁復合場控制熔化極氣體保護堆焊工藝參數(shù)是焊接電流60～800A；電磁攪拌磁場強度0.01～10T，電磁攪拌磁場頻率1～20Hz；輔助電場電流0～50A，輔助電場電流(作復合焊炬用時)0～300A；電磁熱處理磁場強度0.01～20T，電磁熱處理磁場頻率1～100Hz，堆焊速度0.01～5m/min，氣體流量1～40L/min；(2)電磁復合場控制非熔化極氣體保護堆焊工藝參數(shù)是焊接電流60～300A，電磁攪拌磁場強度0.01～6T，電磁攪拌磁場頻率1～20Hz，輔助電場電流0～50A，輔助電場電流(作復合焊炬用時)0～250A，電磁熱處理磁場強度0.01～10T，電磁熱處理磁場頻率1～100Hz，堆焊速度0.01～2m/min，氣體流量2～30L/min；(3)電磁復合場控制激光堆焊工藝參數(shù)是激光堆焊功率0.1KW～10KWA，電磁攪拌磁場強度0.01～8T，電磁攪拌磁場頻率1～20Hz，輔助電場電流0～50A，輔助電場電流(作復合焊炬時)0～300A，電磁熱處理磁場強度0.01～10T，電磁熱處理磁場頻率0～50Hz，堆焊速度0.1～5m/min；(4)電磁復合場控制電阻焊工藝參數(shù)是電磁攪拌磁場強度0.02～10T，電磁攪拌磁場頻率1～20Hz，其它為普通電阻焊參數(shù)；(5)電磁復合場控制攪拌摩擦堆焊工藝參數(shù)是電磁攪拌磁場強度0.01～10T，電磁攪拌磁場頻率1～20Hz，輔助電場電流0～200A，電磁熱處理磁場強度0.01～20T，電磁熱處理磁場頻率1～100Hz，其它為攪拌摩擦堆焊參數(shù)；(6)電磁復合場控制埋弧堆焊工藝參數(shù)是焊接電流200～800A，電磁攪拌磁場強度0.01～8T，電磁攪拌磁場頻率1～30Hz，輔助電場電流0～80A，電磁熱處理磁場強度0.01～20T，電磁熱處理磁場頻率1～100Hz，焊接速度0.1～5m/min，不采用保護氣體。
下面簡述一下本設(shè)備的工作過程如圖1所示，本發(fā)明電磁攪拌勵磁線圈8和電磁熱處理勵磁線圈9通過相同或不同的勵磁電源10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；本發(fā)明輔助電極通過相同或不同的電源5提供焊接電流和輔助電流，產(chǎn)生多種波形的焊接電流和合適的輔助電場電流。其中電磁攪拌勵磁線圈8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)，形成熔滴周期性、穩(wěn)定的旋轉(zhuǎn)射流過渡狀態(tài)；同時也控制熔池內(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。電磁熱處理勵磁線圈9產(chǎn)生的縱向磁場可以有效控制焊縫凝固組織的轉(zhuǎn)變過程，起到熱處理作用，促進晶粒細化，減小化學不均勻性，提高焊縫的塑性和韌性，改善焊縫組織的晶粒大小、分布和結(jié)構(gòu)狀態(tài)，利用綜合參數(shù)的系統(tǒng)控制作用達成優(yōu)質(zhì)的堆焊功能層。
實際堆焊時，根據(jù)不同的堆焊工藝、堆焊母材材質(zhì)、堆焊材料和堆焊形式等，采用本發(fā)明提供的堆焊控制方法和堆焊設(shè)備，綜合考慮電磁復合場和堆焊工藝參數(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)、低成本堆焊過程的實施。
四.具體實施例下述實施例是按照本發(fā)明提供的堆焊方法和設(shè)備實施的。
例1外加間歇交變縱向磁場控制二氧化碳堆焊藥芯焊絲Fe-Cr-Mn-W-V系高碳高鉻合金時，堆焊工藝參數(shù)如下可以獲得良好堆焊功能層電磁攪拌磁場勵磁電流為3～20A，電磁攪拌磁場頻率為1～6Hz，焊接電流為100～200A，焊接速度0.3～0.8m/min，100％二氧化碳保護氣體5～20L/min，送絲速度3.5～0.8m/min。
例2外加電磁復合場控制MAG堆焊Cr-W-Co系硬質(zhì)合金時，堆焊工藝參數(shù)如下可以獲得良好堆焊功能層焊接電流為120～180A，，電磁攪拌磁場頻率為1～4Hz，輔助電場強度電流10A～40A，焊接速度0.3～1m/min。電磁熱處理磁場強度為0.01T～0.2T，電磁熱處理磁場頻率為1～20Hz，保護氣體(100％純氬氣)流量5～20L/min。
例3外加電磁復合場控制高效MAG堆焊Fe-Ni-Cr-B-Si系合金時，堆焊工藝參數(shù)如下可以獲得良好堆焊功能層焊接電流為350～700A，電磁攪拌磁場勵磁電流為5～30A，電磁攪拌磁場頻率為1～8Hz，輔助電場強度電流5A～30A，焊接速度0.8～4m/min。電磁熱處理磁場勵磁電流為15～40A，電磁熱處理磁場頻率為1～25Hz，；保護氣體(100％純氬氣)流量20～30L/min。
例4.外加間歇交變縱向磁場控制埋弧自動堆焊Fe-Cr-Si-B系合金時，堆焊工藝參數(shù)如下可以獲得良好堆焊功能層焊接電流為280～450A，電磁攪拌磁場勵磁電流為2～35A，電磁攪拌磁場頻率為1～12Hz，焊接速度為0.1～3.6m/min。
例5.外加電磁復合場控制MAG堆焊時，采用粉芯焊絲a，堆焊工藝參數(shù)如下可以獲得良好堆焊功能層焊接電流為100～250A，電磁攪拌磁場勵磁電流為5～30A，電磁攪拌磁場頻率為1～8Hz，輔助電場強度電流3A～20A，焊接速度0.1～2m/min，電磁熱處理磁場勵磁電流為10～35A，電磁熱處理磁場頻率為1～32Hz，10～30％氮+剩余百分比的氬氣保護氣體，流量8～20L/min。
例6.外加電磁復合場控制二氧化碳混合氣體高速堆焊時，采用粉芯焊絲b，堆焊工藝參數(shù)如下可以獲得良好堆焊功能層焊接電流為200～450A，電磁攪拌磁場勵磁電流為3～28A，電磁攪拌磁場頻率為1～10Hz，輔助電場強度電流2A～34A，焊接速度0.4～2.5m/min，電磁熱處理磁場勵磁電流為16～42A，電磁熱處理磁場頻率為1～32Hz，10～20％保護氣體為二氧化碳+剩余百分比的氬氣，流量5～30L/min。
例7.外加電磁復合場控制MAG堆焊時，采用粉芯焊絲c，堆焊工藝參數(shù)如下可以獲得良好堆焊功能層焊接電流為120～280A，電磁攪拌磁場勵磁電流為2～24A，電磁攪拌磁場頻率為1～10Hz，輔助電場強度電流6A～30A，焊接速度0.1～2.4m/min。電磁熱處理磁場勵磁電流為10～38A，電磁熱處理磁場頻率為1～28Hz，保護氣體為100％氬氣，流量4～30L/min。
由上述實例可知，應該綜合考慮電磁復合場和堆焊工藝參數(shù)的合理匹配，如焊絲長度、保護氣體成份、焊接電弧電壓、輔助電場強度和方式、電磁攪拌磁場強度和頻率、電磁熱處理磁場強度和頻率等，并根據(jù)實際堆焊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)量的堆焊功能層。
本發(fā)明人在電磁復合場焊接技術(shù)的基礎(chǔ)理論與工程應用的研究中發(fā)現(xiàn)，電磁復合場堆焊技術(shù)具有下述主要有利作用(1)改變電弧力和電流密度分布，減小電弧對母材的集中加熱程度和挖掘作用，有利于降低稀釋率；(2)可以實現(xiàn)粉芯焊絲熔滴穩(wěn)定射流過渡，有利于提高熔覆率；(3)有效地攪拌熔池，改變凝固過程和溫度分布(組織、相結(jié)構(gòu)也會改變)，細化晶粒，均勻成分，減少堆焊層缺陷，有利于提高韌塑性，形成優(yōu)質(zhì)焊縫；(4)降低堆焊層的殘余應力水平，促進堆焊層熱應力分布的合理，影響堆焊層二次結(jié)晶組織與結(jié)構(gòu)，有利于促進碳化物硬質(zhì)相的彌散分布，韌化組織形成以及析出相球化結(jié)構(gòu)形態(tài)的生成，減少堆焊層缺陷(如氣孔、夾雜等)，提高韌塑性，形成優(yōu)質(zhì)堆焊層。(5)減少高效氣體保護堆焊的飛濺，提高堆焊成形質(zhì)量，有利于低成本地實現(xiàn)高效優(yōu)質(zhì)堆焊過程，取消或降低對堆焊工藝的技術(shù)要求(包括對焊接材料和焊前預熱的要求)和熱處理的苛刻條件。(6)焊接熔滴過渡行為是熔滴所受的各種力綜合作用的最終結(jié)果，而高效氣體保護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電磁場的影響，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，因此就能取代氦氣，實現(xiàn)穩(wěn)定的旋轉(zhuǎn)射流熔滴過渡過程。(7)更有利于實現(xiàn)梯度材料的堆焊。本發(fā)明的基本原理是認為在電磁復合場的作用下，堆焊過程以及堆焊層受到綜合誘導，產(chǎn)生有利轉(zhuǎn)變與影響，使得堆焊的高強硬性和韌塑性、高熔覆率和低稀釋率合理的協(xié)調(diào)，實現(xiàn)有機統(tǒng)一。
本發(fā)明人在研究中發(fā)現(xiàn)采用粉芯焊絲堆焊具有以下作用(1)可以很方便靈活地調(diào)整材料合金成份與比例，獲得不同種類合金材料的堆焊層或梯度堆焊層，利于實現(xiàn)機械化和自動化，無須復雜的冶金制備過程和冶煉設(shè)備，突破時空等諸多限制；(2)有利于提高堆焊效率和質(zhì)量，減少缺陷，降低堆焊成本；(3)可避免等離子和激光堆粉熔覆受時間和空間等局限(包括埋弧堆焊)；(4)可避免堆粉熔覆(堆焊)因送粉不均勻而產(chǎn)生的缺陷，以及激光熔覆的高成本；(5)國內(nèi)外堆焊材料(焊條，焊絲，焊劑等)品種十分豐富，焊絲制造設(shè)備與工藝比較成熟，可供借鑒的研究成果很多，有利于材料堆焊粉芯焊絲成份的選擇與快速研制。
權(quán)利要求
1.一種電磁復合場熔化極堆焊方法，其特征在于是電磁復合場控制粉芯焊絲熔滴射流過渡熔化極氣體保護堆焊方法，具體方法是在堆焊工件(7)的上邊，使用一對電磁攪拌勵磁線圈(8)和電磁熱處理勵磁線圈(9)，電磁攪拌勵磁線圈(8)與焊炬(3)同軸；通過勵磁電源(10)提供勵磁電流，產(chǎn)生電磁攪拌和電磁熱處理外加縱向磁場；在堆焊焊縫上施加可移動的輔助電場電極(13)和輔助電場電極(14)，產(chǎn)生輔助電場；焊接電源(5)提供堆焊與輔助電場電流，輔助電場電極(13)與焊炬導電嘴(3)同極性；該電磁復合場對焊接工件(7)實現(xiàn)電磁復合場控制高熔覆熔化極氣體保護堆焊。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電磁復合場控制熔化極堆焊方法，其特征在于電磁攪拌勵磁線圈(8)和電磁熱處理勵磁線圈(9)接用不同頻率、不等強度、時變勵磁電流，利用較高頻和較弱強度相匹配的磁場進行電磁攪拌作用，以控制旋轉(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，并能使焊接熔池熔體充分攪拌；而采用較低頻和較大強度相匹配的磁場進行電磁熱處理作用，可以改變?nèi)鄢亟饘俚慕Y(jié)晶狀況，改變凝固過程和溫度分布(組織、相結(jié)構(gòu)也會改變)，促使焊縫晶粒細化，減小化學不均勻性，降低氣孔的敏感性，有利于提高韌塑性，形成優(yōu)質(zhì)堆焊層；對堆焊工件(7)實現(xiàn)符合堆焊要求的電磁復合場堆焊過程；或者，電磁攪拌勵磁線圈(8)和電磁熱處理勵磁線圈(9)同時施接勵磁電源(10)，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，對工件(7)實現(xiàn)符合堆焊工藝要求的電磁復合場堆焊過程；或者，電磁攪拌勵磁線圈(8)和電磁熱處理勵磁線圈(9)單獨使用，并施接一個勵磁電源(10)，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，進行單獨的電磁攪拌或電磁熱處理作用；包括如下的工藝條件堆焊焊接電流80～800A，送絲速度0～50m/min，焊絲直經(jīng)0.8～6mm，保護氣體流量1～50L/min，焊接電壓1～60V，焊接速度0.01～6m/min，勵磁電流0～60A，勵磁頻率0～100Hz，輔助電場電流0～300A；包括三種粉芯焊絲焊絲a，或焊絲b，或焊絲c；粉芯焊絲的具體配方如下焊絲a由C、Cr、Ni、Mo、Mn、Si、N合金粉末組成金屬粉芯，其成分范圍是(Wt％)C0.28～0.40％、Cr12.1～14.2％、Ni2.9～5.2％、Mo0.78～0.91％、Mn0.65～1.61、Si0.16～0.96％、S≤0.01％、P≤0.025％、N0.02～0.04％、稀土0.01～3.2％；采用氬氣和氮氣混合組成的保護氣體，其體積百分比是10～30％氮+剩余為氬氣；焊絲b由C、Cr、Ni、Si、B、Mn合金粉末組成金屬粉芯，其成分范圍是(Wt％)C0.08～0.17％、Cr10.2～18.3％、Ni3.4～5.8％、Si0.38～0.81％、B0.14～0.34％、Mn0.68～1.61％；保護氣體采用二氧化碳和氬氣混合組成，其體積百分比是10～20％二氧化碳+剩余為氬氣；焊絲c由C、Cr、W、Mo、V、Nb合金粉末組成金屬粉芯，其成分范圍是(Wt％)C0.4～0.9％、Cr16.2～26.4％、W2.9～6.2％、Mo0.38～3.41％、V0.24～0.38％、Nb2.3～5.8％、稀土0.01～4.6％；保護氣體采用100％氬氣。
3.一種電磁復合場熔化極堆焊設(shè)備，其特征在于設(shè)有勵磁電源、勵磁設(shè)備、輔助電場設(shè)備和水冷系統(tǒng)；勵磁設(shè)備為電磁攪拌勵磁線圈(8)和電磁熱處理勵磁線圈(9)，電磁攪拌勵磁線圈(8)和電磁熱處理勵磁線圈(9)通過勵磁電源(10)提供勵磁電流；勵磁電源(10)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；電磁攪拌勵磁線圈(8)和電磁熱處理勵磁線圈(9)均為軸對稱圓柱結(jié)構(gòu)，分別設(shè)于支架(1)、支架(12)上；電磁攪拌勵磁線圈(8)固定于焊炬(3)上，且與焊炬(3)同軸；在電磁攪拌勵磁線圈(8)的支架(1)的端部設(shè)有與焊炬(3)相連的夾持鎖緊機構(gòu)，其將勵磁線圈(8)固定在焊炬噴嘴(2)上，使勵磁線圈(8)與工件(7)有一定距離的自由調(diào)節(jié)度；焊炬(3)和電磁熱處理勵磁線圈(9)的距離可以調(diào)節(jié)，支架(1)和支架(12)內(nèi)裝有水冷系統(tǒng)；輔助電場設(shè)備主要由可移動的輔助電場電極(13)和輔助電場電極(14)構(gòu)成，一根接負極，另一根接正極，由焊接電源(5)提供電流；輔助電場電極(13)與焊炬導電嘴(3)同極性；輔助電場電極(13)，可以由鎢極氬弧焊炬(TIG)，或等離子焊炬(PAW)，或激光焊炬(EBW)，或電子束焊炬(EBW)所代替，形成熔化極和非熔化極復合焊炬堆焊方式；輔助電場電極(13)由熔化極焊炬(MAG/MIG/CO2)所代替，形成雙絲復合堆焊方式。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的電磁復合場控制熔化極堆焊設(shè)備，其特征在于所述電磁攪拌勵磁線圈(8)和電磁熱處理勵磁線圈(9)分別內(nèi)設(shè)有導磁鐵芯(4)和導磁鐵芯(11)；導磁鐵芯(4)和導磁鐵芯(11)活動安裝在的電磁攪拌勵磁線圈(8)和電磁熱處理勵磁線圈(9)中，可以自由調(diào)節(jié)其在勵磁線圈中的位置直至全部從線圈中去除；導磁鐵芯(4)和導磁鐵芯(11)端部的形狀呈漏斗型、直桶型或圓錐型。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的電磁復合場控制熔化極堆焊設(shè)備，其特征在于所述電磁熱處理勵磁線圈(9)通過一可調(diào)節(jié)式固定臂(15)與勵磁線圈(8)焊炬(3)剛性連接為一體，可調(diào)節(jié)式固定臂(15)可以改變焊炬(3)和勵磁線圈(9)的距離，實現(xiàn)不同焊接速度下合理的電磁復合場堆焊施加方式；或者，將電磁攪拌勵磁線圈(8)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)部構(gòu)建的水冷系統(tǒng)進行冷卻。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的電磁復合場熔化極堆焊設(shè)備，其特征在于電磁攪拌勵磁線圈(8)的支架(1)和電磁熱處理勵磁線圈(9)的支架(12)內(nèi)的水冷系統(tǒng)采用蓋板式矩形脈沖形冷凝水流模式，支架(1)和(12)內(nèi)分別設(shè)有水流溝槽(16)和錯開排列的兩排水流隔壁(18)，兩排水流隔板(18)分別與水流溝槽(16)兩側(cè)的外擋板(17)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(gòu)是焊炬噴嘴壁(21)內(nèi)設(shè)計有螺旋狀的螺紋水流溝槽(20)，結(jié)合焊炬噴嘴擋板(19)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。
7.一種將權(quán)利要求1或2所述電磁復合場控制熔化極堆焊方法，以及將權(quán)利要求3、4、5或6所述的電磁復合場控制熔化極堆焊設(shè)備，在下述方面的用途用于高熔覆率(高速)熔化極氣體保護堆焊，或普通熔化極氣體保護堆焊，或非熔化極氣體保護堆焊，或等離子堆焊，或激光堆焊，或攪拌摩擦堆焊，或焊條電弧堆焊；用于下述材料(或合金粉末)的堆焊鑄鐵，中高碳耐磨合金，鎳基合金，鐵基合金，鈷基合金，硬質(zhì)合金，不銹鋼及其合金等其它金屬及其合金(或合金粉末)；用于單一材料的單層堆焊、多層堆焊，或多種材料的單層堆焊、多層堆焊，或梯度材料的多層堆焊；用于模具制造與修復，鑄件等機械設(shè)備的修復，軋輥等冶金設(shè)備，礦山設(shè)備的修復等工業(yè)領(lǐng)域。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的用途，其特征在于采用以下焊接工藝，對工件(7)實現(xiàn)其他電磁復合場焊接工藝過程用于高效熔化極焊接，或普通熔化極焊接領(lǐng)域；用于實心焊絲，藥芯焊絲和粉芯焊絲的焊接；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，鎂及其合金，鈦及其合金等其它黑色和有色金屬及其合金；用于對接、搭接、角接、全位置焊接多種焊接接頭形式；用于單一氣體保護熔化極焊接，或二元或多元混合氣體保護熔化極焊接領(lǐng)域；采用電磁復合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)，或鎢極惰性氣體保護焊接(TIG)，或埋弧焊接(SAW)，或二氧化碳焊接(CO2)，或電渣焊接(ESW)，或等離子弧焊接(PAW)，或電子束焊接(EBW)，或電阻焊(RW)，或摩擦焊(FW)，或攪拌摩擦焊(FSW)，或激光焊接(LBW)；其中(1)電磁復合場控制熔化極氣體保護堆焊工藝參數(shù)是焊接電流60～800A；電磁攪拌磁場強度0.01～10T，電磁攪拌磁場頻率1～20Hz；輔助電場電流0～50A，輔助電場電流(作復合焊炬用時)0～300A；電磁熱處理磁場強度0.01～20T，電磁熱處理磁場頻率1～100Hz，堆焊速度0.01～5m/min，氣體流量1～40L/min；(2)電磁復合場控制非熔化極氣體保護堆焊工藝參數(shù)是焊接電流60～300A，電磁攪拌磁場強度0.01～6T，電磁攪拌磁場頻率1～20Hz，輔助電場電流0～50A，輔助電場電流(作復合焊炬用時)0～250A，電磁熱處理磁場強度0.01～10T，電磁熱處理磁場頻率1～100Hz，堆焊速度0.01～2m/min，氣體流量2～30L/min；(3)電磁復合場控制激光堆焊工藝參數(shù)是激光堆焊功率0.1KW～10KWA，電磁攪拌磁場強度0.01～8T，電磁攪拌磁場頻率1～20Hz，輔助電場電流0～50A，輔助電場電流(作復合焊炬時)0～300A，電磁熱處理磁場強度0.01～10T，電磁熱處理磁場頻率0～50Hz，堆焊速度0.1～5m/min；(4)電磁復合場控制電阻焊工藝參數(shù)是電磁攪拌磁場強度0.02～10T，電磁攪拌磁場頻率1～20Hz，其它為普通電阻焊參數(shù)；(5)電磁復合場控制攪拌摩擦堆焊工藝參數(shù)是電磁攪拌磁場強度0.01～10T，電磁攪拌磁場頻率1～20Hz，輔助電場電流0～200A，電磁熱處理磁場強度0.01～20T，電磁熱處理磁場頻率1～100Hz，其它為攪拌摩擦堆焊參數(shù)；(6)電磁復合場控制埋弧堆焊工藝參數(shù)是焊接電流200～800A，電磁攪拌磁場強度0.01～8T，電磁攪拌磁場頻率1～30Hz，輔助電場電流0～80A，電磁熱處理磁場強度0.01～20T，電磁熱處理磁場頻率1～100Hz，焊接速度0.1～5m/min，不采用保護氣體。
全文摘要
本發(fā)明公開一種電磁復合場堆焊方法、設(shè)備及其拓展應用，是電磁復合場控制粉芯焊絲熔滴射流過渡熔化極氣體保護堆焊方法。本發(fā)明堆焊設(shè)備設(shè)有勵磁電源、勵磁設(shè)備、輔助電場設(shè)備和水冷系統(tǒng)；勵磁設(shè)備設(shè)有電磁攪拌勵磁線圈和電磁熱處理勵磁線圈；輔助電場設(shè)備為一對可以運動的正、負極輔助導電電極。其通過電磁攪拌、電磁熱處理、輔助電場和焊炬的復合作用，實現(xiàn)高效、優(yōu)質(zhì)、低成本堆焊合金材料的過程；突破傳統(tǒng)堆焊技術(shù)的局限性，降低了功能材料堆焊成本和苛刻的工藝條件，延長了使用壽命，解決高效堆焊技術(shù)對富氦保護氣體的依賴，完善了堆焊控制手段，實現(xiàn)了堆焊功能層層高強硬性與高韌塑性的有效匹配，在表面工程領(lǐng)域開拓了新的應用范圍。
文檔編號B23K35/30GK101032788SQ20071007843
公開日2007年9月12日 申請日期2007年4月28日 優(yōu)先權(quán)日2007年4月28日
發(fā)明者羅鍵 申請人:羅鍵