[其他]磁场控制销钉电弧焊

说明书

用于销钉电弧焊的方法，特别是大截面黑色金属销钉的焊接。

各种销钉焊接方法中，用得最广泛的是电弧焊接。经验表明，电弧焊接销钉必须采用大电流、短持续时间的“硬”规范进行。随着销钉直径的增大，电流也须相应地加大。例如直径8毫米的销钉用500安、0.25秒，直径16毫米就要用1200安、0.8秒。这种“硬”规范工作方法要求焊接设备能迅速提供强大电流，然后又在短促时间后准确地切断。这些要求使电源和控制系统，特别焊大直径销钉时，变得复杂昂贵，因此限制了大直径销钉焊广泛应用实际上的可能。“硬”规范的急热急冷也使有淬火倾向的材料难以焊接。

降低电流的尝试表明在这种情况下电弧常自动短路熄灭，过程不稳定，接头质量低劣。图1为销钉焊小电流时过程不稳的示意图，其原因发现如下：当电弧在销钉端面某处引燃后，使局部金属熔化。熔化了的液态金属要淌下来，使此处间隙缩短，如图1a。缩短了的间隙为电弧的存在提供了良好条件，使电弧更愿意继续在这里燃烧下去。结果使这里的金属进一步熔化，形成大熔滴，而另外一些地方的金属没有被电弧直接接触，基本上不熔化（图1b）。这样，销钉端面发生了严重的熔化不均匀的现象，工件上的熔池也同样地偏离销钉中心线。这种情况的进一步发展或是使电弧被淌下来的大粒熔滴所短路而熄灭，焊接过程中断（图1C）。或是形成一边满溢一边却未熔合的接头（图1d）。

图2是大电流焊接过程示意图。提高电流使电弧对熔滴产生更大的压力，把熔滴液态金属推出去，推向别处（图2a）。此处电弧空间拉长，电弧自动移向别处距离较短的地方去（图2b）。电弧的不断移动使整个销钉端面得到较均匀的加热和熔化，保证了接头的质量，同时也避免了因短路而使电弧熄灭的可能。

在电弧处加上磁场也能使电弧运动。从而使工件端面熔化均匀、US-4511784是利用磁场驱动电弧使在两个管子端面间不断地旋旋转使管端均匀受热而达到焊接的一种方法。这种方法中的磁场是垂直于电弧的横向磁场。这种横向磁场由套在管子两边的二个电流方方向相反的线圈来产生。对于销钉和板材这样两个不同截面的配对体，无法加上这种线圈，也无法产生这种磁场。

本发明的目的在于利用磁场驱动销钉焊中的电弧。使大截面的销钉也能用较小的电流进行焊接，保证电弧燃烧稳定，销钉和母材熔化均匀充分，接头牢固可靠。

本发明的特点是在销钉（1）轴线方向上套了一个线圈（2），如图3a（磁场控制销钉电弧焊原理图）所示。线圈中通以直流电流，这样在销钉和工件（3）间的空气隙中将产生一个与销钉轴线平行的轴向恒定磁场（4）。当销钉和工件是黑色金属时，它们将成为磁路中的铁芯，使间隙处有更集中的磁力线分布。

在间隙处的磁场基本上是平行于销钉的轴向磁场（边缘处稍有外倾），而间隙处的电弧中的电流却像电弧本身形状一样是一个圆锥体分布，因此电弧中各处电流流线的方向与该处磁场的方向往往不一致。不一致的方向产生横向推力。当各处的推力方向都相同，电弧整体会被横推到另一个地方去，并进而沿销钉圆周移动，如图3b（销钉焊中轴向磁场对电弧作用图）中所示那样从原来位置A到虚线所示的位置A′上去。电弧各处的推力方向也可能相反，那末电弧会产生有转。要是方向相反的推力大小不相等，那末电弧除了自转以外也仍要发生移动。所有这一切运动的结果都促使电弧在销钉端面上不断地运动，决不静止地固定在一个地方，销钉及工件不均匀加热和熔化的现象即使在较低电流时也不致发生。

在销钉端部和熔池的液态金属中，电流的流线方向也不可能同该处磁力线方向完全一致，因此也会像电弧一样不断地旋转和移动，不会聚积在一个地方，而造成电弧的短路。因此，即使电弧电流较小，燃烧仍能稳定。

以前人们为了克服销钉焊中的磁偏吹现象，也采用施加与销钉轴线平行的轴向磁场的方法。但是为了达到使电弧和液态金属不断运动的目的，必须施加强得多的磁场。

为了使结合处成形良好，像其他电弧焊接销钉方法那样，最好采用陶瓷圈或焊剂圈以强迫成形。

磁场的作用使较大直径的销钉能用较小的电流进行焊接。

由于电流降低，销钉和工件受热减少，所以电流的持续时间必须相应延长，例如对于直径16毫米的销钉本来用1200安、0.8秒，在销钉上加上1500～2000安匝的磁场线圈后，只要400安就完全可以得到稳定的电弧和可靠的接头，但电流持续时间应延长到3.0秒。

由于在销钉焊接中辅助时间，如装夹销钉、对准等，远远超过电弧燃烧时间，所以燃弧时间即使延长了好几倍，对总的生产效率实际上影响甚微。