專利名稱：隨焊電磁感應加熱控制焊接熱裂紋的方法和裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種在焊接時用于控制焊接熱裂紋的方法和裝置，特別涉及一種采用電磁感應加熱方法控制焊接熱裂紋的方法和裝置，屬于焊接技術領域。
背景技術：
焊接熱裂紋是焊接過程中的存在的常見問題，是焊接構件的主要缺欠。焊接熱裂紋主要是指焊接過程中，焊縫和熱影響區金屬冷卻到固相線附近的高溫區時所產生的裂紋，其中以結晶裂紋最為常見。結晶裂紋只存在于焊縫上，一股呈縱向分布于焊縫中心線， 或呈弧形分布于中心線兩側，這些裂紋都是沿一次結晶的晶界分布，尤其是柱狀晶，結晶裂紋主要是由結晶偏析引發。為了防治焊接熱裂紋，一股可以從冶金因素方面和力學因素方面著手。從冶金因素方面，主要通過調整焊縫合金系統或向金屬中添加變質劑，這種方法周期較長，成本高。 從力學因素方面進行控制，主要是通過改善焊接時的應力狀態來達到控制焊接熱裂紋的目的。適當增加焊接線能量和提高預熱溫度都能降低焊縫金屬的熱裂紋傾向，但是增加焊接線能量會使近縫區的金屬過熱，提高預熱溫度又會惡化勞動條件。此外，為解決這一問題，國內外還有采用其它一些控制焊接熱裂紋的方法，如靜態和動態溫差拉伸法、隨焊碾壓法、隨焊沖擊碾壓法等，但這幾種方法也都存在各自的缺點。 如靜態溫差拉伸法，為達到所需的溫差，需要較長的加熱時間，容易引起加熱區金屬的軟化，生產效率低，生產成本高。動態溫差拉伸法，如果噴水冷卻會污染焊接熔池，導致焊縫缺欠，影響焊接接頭質量，而用液氮柔性接觸式冷卻，則導致成本太高。隨焊碾壓法，設備復雜，制造成本高，對被焊件形狀要求比較嚴格，碾壓輪容易與焊槍干涉產生打弧現象。隨焊沖擊碾壓法，只適用于薄板焊接，且能量無法精確控制，并且隨著焊接規范及焊接材料的變化，沖擊輾壓輪的尺寸需要重新設計及制備。
發明內容
本發明主要目的在于解決上述問題和不足，提供一種能有效控制焊接熱裂紋，大幅度提高生產效率，實現降低成本、節能環保目的的隨焊電磁感應加熱控制焊接熱裂紋的方法。本發明的另一個目的在于，提供一種結構簡單、生產效率高、成本低、節能環保的隨焊電磁感應加熱控制焊接熱裂紋的裝置。為實現上述目的，本發明的技術方案是一種隨焊電磁感應加熱控制焊接熱裂紋的方法，是在焊接前，首先確定待焊接工件的脆性溫度區間TB，同時，確定脆性溫度區間Tb的上限溫度Tl和下限溫度T2對應位置距待焊接工件的焊接熔池中央的距離L1和L2 ；在焊槍的前方設置一預熱線圈，在焊槍的后方設置一后熱線圈，所述焊槍、預熱線圈及后熱線圈均設置在焊縫的正上方位置，其中使預熱線圈位于起焊點；焊接過程中，所述預熱線圈首先對待焊接工件的焊縫進行預熱，當焊槍
3移至焊接起始點時，引燃電弧，開始焊接，同時，檢測焊縫的溫度，當焊縫溫度處于脆性溫度區間Tb范圍內時，移動后熱線圈至所述距離L1到L2之間的范圍內，對正在冷卻的焊縫進行加熱實現緩冷，直至全部焊接完成。其中，確定待焊接工件的焊接熔池中央與脆性溫度區間上限溫度Tl和下限溫度 T2間的距離L1和L2的方法，是在焊接前，取一個能夠反映實際待焊接工件溫度場的試驗件， 在實際焊接工藝下對該試驗件施焊，測量該試驗件的焊接溫度場，確定試驗件上焊接熔池中央與脆性溫度區間上限溫度Tl和下限溫度T2間的距離L1和L2，從而確定待焊接工件的焊接熔池中央與脆性溫度區間上限溫度Tl和下限溫度T2間的距離L1和L2。一種采用上述方法的裝置，包括焊槍，在所述焊槍的前方設置一預熱線圈，在所述焊槍的后方設置一后熱線圈，所述焊槍、預熱線圈及后熱線圈均設置在焊縫的正上方位置， 在所述焊槍、預熱線圈及后熱線圈上分別固定連接一走行機構，所述走行機構均由操作機進行控制，所述預熱線圈及后熱線圈分別與相應的線圈加熱設備連接，在所述后熱線圈上再設置一個溫度傳感器，所述溫度傳感器與控制機的輸入端連接，所述控制機的輸出端與所述操作機及后熱線圈的加熱設備連接。所述線圈加熱設備均由感應線圈加熱裝置及為該加熱裝置提供水冷卻的循環水冷裝置組成。所述預熱線圈及后熱線圈均由紫銅材料制成。所述預熱線圈的中心至所述焊槍電弧的中心距離為25mm至60mm。所述后熱線圈的中心位于待焊接工件的焊接熔池中央與該焊接材料脆性溫度區間Tb上限溫度Tl和下限溫度T2對應位置間的距離L1和L2之間。所述預熱線圈及后熱線圈的下表面距離待焊接工件的上表面之間的距離為 l-5mm。所述預熱線圈及后熱線圈的直徑為30_50mm。綜上內容，本發明所述的隨焊電磁感應加熱控制焊接熱裂紋的方法和裝置，可以在焊接過程中實現預熱，不但不會惡化工作條件，還可以使用較小的電流進行焊接，降低了焊接熱裂紋傾向。同時，避免了為防治焊接熱裂紋而提高焊接線能量，不會使近縫區組織過熱，而降低近縫區組織力學性能。另外，本發明還在焊接過程中對正在冷卻的焊縫進行緩冷，減小焊縫在脆性溫度區間內的應變速率，從而滿足了控制焊接熱裂紋的力學條件。本發明由于在焊接過程的同時進行預熱和緩冷，能夠精確控制感應加熱功率，對于不同的材料可以精確控制預熱溫度和后熱溫度，使焊接工件整體或局部的溫度梯度減小，有益于防止粗大、結晶方向明顯的柱狀晶的產生，從冶金和力學兩個方面有效地控制了焊接熱裂紋的產生。本裝置結構簡單，易于實現，線圈與工件表面非接觸，不會污染焊縫，不影響焊縫的表面質量，還可大幅度提高生產效率，降低成本。
圖1是本發明結構示意圖；圖2是本發明焊縫與線圈相對位置示意圖；圖3是本發明冷卻曲線與常規焊冷卻曲線對比圖4是本發明焊接溫度場示意圖。如圖1至圖4所示，待焊接工件1，焊槍2，預熱線圈3，后熱線圈4，走行機構5、6、 7，操作機8，線圈加熱設備9、10，溫度傳感器11，控制機12，感應線圈加熱裝置13，循環水冷裝置14，焊接工作平臺15，焊接電源16。
具體實施例方式下面結合附圖與具體實施方式
對本發明作進一步詳細描述如圖1所示，一種隨焊電磁感應加熱控制焊接熱裂紋的裝置，包括焊槍2，在焊槍2 的前方設置一預熱線圈3，在焊槍2的后方設置一后熱線圈4，焊槍2、預熱線圈3及后熱線圈4均設置在焊縫的正上方位置，沿焊縫中心線縱向排列設置，焊槍2連接一焊接電源16。 焊接過程中，預熱線圈3首先對待焊接工件1的焊縫進行預熱，后熱線圈4對正在冷卻的焊縫進行加溫達到緩冷的目的，直至全部焊接完成，這種焊接方式，可使焊接工件整體或局部的溫度梯度減小，有益于防止粗大、結晶方向明顯的柱狀晶的產生，可以從冶金和力學兩個方面有效控制焊接熱裂紋的產生。在焊槍2上固定連接一走行機構5，在預熱線圈3上固定連接一走行機構6，在后熱線圈4上也固定連接一走行機構7，三個走行機構5、6、7均由操作機8進行控制，操作機 8控制走行機構5、6、7的移動方向及移動距離，在移動到位后，同時也起著固定的作用。行走機構5、6和7通過電機的帶動在操作機8懸臂的導軌上行走，行走機構5、6和7與焊槍 2、預熱線圈3和后熱線圈4的連接可通過走行機構5、6、7上的直徑可調的金屬環形夾持器 (圖中未示出)進行固定連接，金屬環形夾持器的內徑可根據焊槍2和預熱線圈3和后熱線圈4銅線管的直徑進行調整。操作機8可計算機自動控制，也可以采用手動控制的方式，此控制方式為公知技術，這里不再另做詳細描述。預熱線圈3配有一套線圈加熱設備9，后熱線圈4也相應配有一套線圈加熱設備 10，線圈加熱設備9、10分別控制預熱線圈3及后熱線圈4的感應加熱頻率、加熱溫度及加熱時間等，線圈加熱設備9、10均由感應線圈加熱裝置13及為該加熱裝置13提供水冷卻的循環水冷裝置14組成。這樣，可以根據待焊接材料的性質、需要預熱的溫度、焊接材料的脆性溫度區間TB、焊接速度ν等參數，以最易出現焊接熱裂紋的最苛刻的條件為準進行計算確定，從而精確控制預熱線圈3和后熱線圈4的感應加熱頻率、加熱溫度及加熱時間等，提高生產效率，同時可以有效控制焊接熱裂紋的產生。用于控制預熱線圈3及后熱線圈4的感應線圈加熱裝置13，可分為幾檔設置，根據不同的焊接條件分檔控制，可以簡化工藝，易于操作。為檢測焊縫的溫度，在后熱線圈4上再設置一個溫度傳感器11，溫度傳感器11與控制機12的輸入端連接，控制機12的輸出端與操作機8連接，同時也與后熱線圈4的加熱設備10連接。溫度傳感器11將檢測到的溫度信號傳給控制機12，控制機12內預先存貯待焊接材料的脆性溫度區間Tb的相關參數，當溫度傳感器11檢測到焊縫溫度處于脆性溫度區間Tb內時，將信號反饋至控制機12，控制機12接到信號，給操作機8發出指令，操作機8 通過走行機構7將后熱線圈4移至焊接材料的脆性溫度區間Tb的上限溫度Tl和下限溫度 T2對應位置之間的范圍內，也就是如圖4所示，后熱線圈4位于L1至L2之間的范圍內，用于給快速降溫的焊縫加熱，進行緩冷，減小焊縫在脆性溫度區間Tb內的應變速率，從而滿足控制焊接熱裂紋的力學條件。如圖4所示，表示焊接材料的焊接溫度場，一股對于移動的熱源取橢圓高斯分布， 其中，Tl代表待焊接材料的脆性溫度區間Tb的上限溫度，T2代表待焊接材料的脆性溫度區間的下限溫度，L1代表脆性溫度區間Tb上限溫度Tl對應位置距待焊接工件1的焊接熔池中央的距離，L2代表脆性溫度區間Tb下限溫度T2對應位置距待焊接工件1的焊接熔池中央的距離。不同的焊接材料，其脆性溫度區間Tb是不同的，根據待焊接材料厚度的不同，待焊接工件1的焊接熔池中央與脆性溫度區間Tb上限溫度Tl和下限溫度T2間的距離L1和 L2也不同。焊接材料越厚，材料散熱性能越好，L1數值就越小，用于緩冷的后熱線圈4的加熱頻率就相對較高，加熱溫度和加熱時間也較長，后熱線圈4距離焊槍2的距離也較近。待焊接材料越薄，熱范圍影響較大，L1數值就越大，用于緩冷的后熱線圈4的加熱頻率就相對偏低，加熱溫度和加熱時間也較短，后熱線圈4距離焊槍2的距離也較遠。所以，該裝置可以適用焊接各種材料、各種厚度的金屬，只要焊接前精確確定L1和L2兩個數值，就可以有效控制焊接熱裂紋的產生。溫度傳感器11與后熱線圈4可以一體設置，也可以分開設置。分開設置時，控制更為精確，但結構和工藝復雜，而一體設置時，控制靈活方便，但精確度就稍差一些。預熱線圈3及后熱線圈4均由紫銅管制成，由于紫銅電阻較低對電能的損耗小，紫銅管內通循環水進行冷卻，外部用絕緣材料如漆包線等進行纏繞。如圖2所示，預熱線圈3及后熱線圈4的直徑一股選擇在30_50mm范圍內。預熱線圈3與焊槍2的距離越近越好，這樣可以使用較小的電流進行焊接，而且也可以能夠精確控制預熱線圈3的感應加熱功率，同時，可相應降低感應加熱功率，節能環保，但由于焊接時電弧溫度較高，預熱線圈3距離電弧過近，會使預熱線圈3燒化，一股情況下，要保證預熱線圈3的邊緣距離焊槍1電弧的邊緣IOmm以上。為保證焊接質量，預熱線圈3的中心至焊槍1電弧的中心距離至少要在25mm以上，但也不易超過60mm，可根據焊接材料、焊接溫度、焊接速度等參數選擇該范圍內的任意值。預熱線圈3及后熱線圈4與待焊接工件1不直接接觸，不會污染焊縫，也就不會影響焊縫的表面質量。預熱線圈3和后熱線圈4的下表面距離待焊接工件1的上表面之間的距離hi和h2分別為l_5mm，為了提高預熱及緩冷效果，該距離越近越好，所以hi和h2優選為l-2mm，hl和h2的數值可以相同，也可以不同，這需要根據焊接材料、焊接溫度場、焊接速度等參數分別控制。如圖3所示，圖中IY線液相線，Ts線固相線，Tb為脆性溫度區間，圖中曲線I為感應加熱冷卻曲線，曲線II為常規焊冷卻曲線，曲線III為不產生焊接熱裂紋的臨界冷卻曲線，曲線冷卻速度小于曲線III不會產生裂紋，曲線冷卻速度大于曲線III將會產生裂紋。 從圖3中可以明顯看出，采用本發明所述的焊接方法后，其焊接過程中溫度梯度減小且變形較小，也就代表可以有效控制焊接熱裂紋的產生。下面對本發明所述的焊接方法及步驟進行詳細描述。1、在焊接前首先確定待焊接材料的脆性溫度區間TB。2、如圖4所示，確定待焊接工件1的焊接溫度場。確定焊接溫度場的方法是，取一個能夠反映實際待焊接工件1溫度場的試驗件， 在實際焊接工藝下對該試驗件施焊，測量該試驗件的焊接溫度場，確定試驗件上焊接熔池
6中央與脆性溫度區間Tb上限溫度Tl和下限溫度T2間的距離L1和L2,從而確定待焊接工件的焊接熔池中央與脆性溫度區間Tb上限溫度Tl和下限溫度T2間的距離L1和L2。3、將待焊接材料的脆性溫度區間Tb預先存貯到控制機12中，將距離L1和L2的數值預先存貯至操作機8中。4、以最易出現焊接熱裂紋的最苛刻的條件為準，根據所要達到的預熱溫度以及距離L1和L2，在一定的焊接速度ν下選擇適當的預熱線圈3和后熱線圈4的感應加熱參數，參數包括預熱線圈3的感應加熱頻率、預熱線圈3與焊槍2間的距離、預熱線圈3與待焊接工件1間的距離Ii1、后熱線圈4與焊槍2間的距離、后熱線圈4與待焊接工件1間的距離h2、 后熱線圈4的感應加熱頻率、預熱線圈3的直徑和后熱線圈4的直徑等，這些參數可以選擇前述各參數范圍內的任意值。鐵路車輛車廂內的地板，一股是兩個鋁合金薄板的對接，相應所需要的焊接參數如下鋁合金的脆性溫度區間為476°C -635°C距離L1為根據熱輸入量、焊接材料、焊接速度等因素改變會有所差異，可以通過測量焊接熱循環，根據鋁合金的脆性溫度區間得到距離L2為根據熱輸入量、焊接材料、焊接速度等因素改變會有所差異，可以通過測量焊接熱循環，根據鋁合金的脆性溫度區間得到焊接速度ν為視待焊材料、板厚、熱輸入量而定預熱線圈3的感應加熱頻率30-100kHz預熱線圈3的中心與焊槍2中心的距離25-60mm預熱線圈3與待焊接工件1間的距離Ii1 1 5mm
后熱線圈4與待焊接工件1間的距離Ii2 1 5mm后熱線圈4的感應加熱頻率30-100kHz預熱線圈3的直徑30-50mm后熱線圈4的直徑30-50mm5、將待焊接工件1通過焊接卡具固定在焊接工作平臺15上，打開兩個循環水冷裝置14，分別對兩個感應線圈加熱裝置13通循環水進行冷卻，接通操作機8、感應線圈加熱裝置13、控制機12、焊接電源16、及溫度傳感器11的電源。將預熱線圈3、焊槍2、后熱線圈4通過操作機8上的走行機構6、5、7分別移至起焊位置，其中，預熱線圈3位于焊縫正上方且位于焊槍2的前方，后熱線圈4位于焊縫正上方且位于焊槍2的后方，預熱線圈3位于起焊點。6、開始焊接過程時，預熱線圈3的線圈加熱設備9給預熱線圈3通電，同時，焊接工作平臺15帶動待焊接工件1以速度ν平穩移動，預熱線圈3首先對待焊接工件1的焊縫進行預熱。當焊槍2移至位于焊接起始點時，引燃電弧，開始焊接。同時，溫度傳感器11檢測焊縫的溫度，當焊縫溫度處于待焊接工件1的脆性溫度區間Tb內時，將信號反饋至控制機12，控制機12接到信號，給操作機8發出指令，操作機8 通過走行機構7將后熱線圈4移到距離L1至L2之間的范圍內，同時，控制機12給后熱線圈 4的感應線圈加熱裝置13發出指令，其中的感應線圈加熱裝置13給后熱線圈4通電，用于給快速降溫的焊縫加熱，進行緩冷。
當預熱線圈3離開待焊接工件1時，切斷預熱線圈3的線圈加熱設備9的電源，當后熱線圈4完全離開待焊接工件1時，切斷后熱線圈4的線圈加熱設備10的電源。至此，焊接過程全部完成。如上所述，結合附圖所給出的方案內容，可以衍生出類似的技術方案。但凡是未脫離本發明技術方案的內容，依據本發明的技術實質對以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化與修飾，均仍屬于本發明技術方案的范圍內。
權利要求
1.一種隨焊電磁感應加熱控制焊接熱裂紋的方法，其特征在于在焊接前，首先確定待焊接工件(1)的脆性溫度區間TB，同時，確定脆性溫度區間Tb的上限溫度Tl和下限溫度T2對應位置距待焊接工件(1)的焊接熔池中央的距離L1和L2 ；在焊槍O)的前方設置一預熱線圈(3)，在焊槍O)的后方設置一后熱線圈，所述焊槍O)、預熱線圈(3)及后熱線圈(4)均設置在焊縫的正上方位置，其中使預熱線圈(3) 位于起焊點；焊接過程中，所述預熱線圈C3)首先對待焊接工件(1)的焊縫進行預熱，當焊槍(2)移至焊接起始點時，引燃電弧，開始焊接，同時，檢測焊縫的溫度，當焊縫溫度處于脆性溫度區間Tb范圍內時，移動后熱線圈(4)至所述距離L1到L2之間的范圍內，對正在冷卻的焊縫進行加熱實現緩冷，直至全部焊接完成。
2.根據權利要求1所述的隨焊電磁感應加熱控制焊接熱裂紋的方法，其特征在于在焊接前，取一個能夠反映實際待焊接工件(1)溫度場的試驗件，在實際焊接工藝下對該試驗件施焊，測量該試驗件的焊接溫度場，確定試驗件上焊接熔池中央與脆性溫度區間上限溫度Tl和下限溫度T2間的距離L1和L2,從而確定待焊接工件(1)的焊接熔池中央與脆性溫度區間上限溫度Tl和下限溫度T2間的距離L1和L2。
3.一種采用如權利要求1所述方法的裝置，其特征在于包括焊槍O)，在所述焊槍(2)的前方設置一預熱線圈(3)，在所述焊槍O)的后方設置一后熱線圈G)，所述焊槍 O)、預熱線圈(3)及后熱線圈(4)均設置在焊縫的正上方位置，在所述焊槍O)、預熱線圈(3)及后熱線圈(4)上分別固定連接一走行機構(5、6、7)，所述走行機構(5、6、7)均由操作機⑶進行控制，所述預熱線圈⑶及后熱線圈⑷分別與相應的線圈加熱設備(9、10) 連接，在所述后熱線圈(4)上再設置一個溫度傳感器(11)，所述溫度傳感器(11)與控制機 (12)的輸入端連接，所述控制機(1 的輸出端與所述操作機(8)及后熱線圈的加熱設備 (10)連接。
4.根據權利要求3所述的裝置，其特征在于所述線圈加熱設備(9、10)均由感應線圈加熱裝置(1 及為該加熱裝置(1 提供水冷卻的循環水冷裝置(14)組成。
5.根據權利要求3所述的裝置，其特征在于所述預熱線圈(3)及后熱線圈(4)均由紫銅材料制成。
6.根據權利要求3所述的裝置，其特征在于所述預熱線圈(3)的中心至所述焊槍(2) 電弧的中心距離為25_至60_。
7.根據權利要求3所述的裝置，其特征在于所述后熱線圈的中心位于待焊接工件(1)的焊接熔池中央與該焊接材料脆性溫度區間Tb上限溫度Tl和下限溫度T2對應位置間的距離L1和L2之間。
8.根據權利要求3所述的裝置，其特征在于所述預熱線圈(3)及后熱線圈的下表面距離待焊接工件(1)的上表面之間的距離為l_5mm。
9.根據權利要求8所述的裝置，其特征在于所述預熱線圈(3)及后熱線圈的下表面距離待焊接工件(1)的上表面之間的距離為l_2mm。
10.根據權利要求3所述的裝置，其特征在于所述預熱線圈(3)及后熱線圈的直徑為 30-50mm。
全文摘要
本發明涉及一種隨焊電磁感應加熱控制焊接熱裂紋的方法和裝置，是在焊槍的前方設置一用于對待焊接工件的焊縫進行預熱的預熱線圈，在焊槍的后方設置一用于對快速冷卻的焊縫進行加熱實現緩冷的后熱線圈，后熱線圈的中心位于待焊接工件的焊接熔池中央與該焊接材料脆性溫度區間TB上限溫度T1和下限溫度T2對應位置間的距離L1和L2之間。本發明實現焊接前預熱，焊接后緩冷，以減小焊縫在脆性溫度區間內的應變速率，從冶金和力學兩個方面有效地控制了焊接熱裂紋的產生，而且結構簡單，易于實現，生產效率高，成本低，節能環保。
文檔編號B23K9/12GK102380688SQ20101026998
公開日2012年3月21日 申請日期2010年9月2日 優先權日2010年9月2日
發明者劉雪松, 呂任遠, 孟立春, 張亮, 方洪淵 申請人:南車青島四方機車車輛股份有限公司