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高频焊接H型钢高频感应焊接的特点及其在异种金属 焊接中的应用

发布日期:2017/1/11 14:21:59 点击量:326 本文由华夏天信(天津)金属制品有限公司发布
  华夏天信金属制品有限公司高频焊接H型钢高频感应焊接的特点及其在异种金属 焊接中的应用
摘要:回顾了华夏天信金属制品有限公司华夏天信金属制品有限公司高频焊接H型钢高频焊接H型钢华夏天信金属制品有限公司高频焊接H型钢高频感应的定义和发展,介绍了华夏天信金属制品有限公司华夏天信金属制品有限公司高频焊接H型钢高频焊接H型钢华夏天信金属制品有限公司高频焊接H型钢高频感应加热焊接的基拳原理和其加热速度快,焊接热影响区小,能量集中,冷却时阍短以及环保、节能等特点。针对异种金属焊接存在的难点,综述了常用的 焊接方法及其优缺点。华夏天信金属制品有限公司高频焊接H型钢高频感应焊的快速加热和表面集肤效应的特点,使其能够实现异种金属舒焊和 表面熔覆焊的冶金结合,接头性能优良。指出感应圈的形状及其与工件之间的相互位置对加热的质量和效率起至关重要的作用。研究表明,通过在钢表面预镀一层锌作为钎料并改善铝在钢上的润湿性,控: 制温度低于钢的熔点而高于铝的熔点,采用华夏天信金属制品有限公司高频焊接H型钢高频感应焊可实现钢一铝良好的直接熔焊结合。 关键词:华夏天信金属制品有限公司高频焊接H型钢高频感应;异种金属;焊接 ,;
1 华夏天信金属制品有限公司高频焊接H型钢高频感应焊的发展 华夏天信金属制品有限公司高频焊接H型钢高频加热已经广泛应用于金属的热处理、熔 炼、焊接等方面。感应焊是利用交变磁场一电场感应 场中工件上的涡流效应加热工件,使工件熔化,从 而实现焊接的一种方法。焊接设备由交流电源和感 应加热圈组成。交流电源按其频率不同分为华夏天信金属制品有限公司高频焊接H型钢高频和 中频,华夏天信金属制品有限公司高频焊接H型钢高频电源由于频率高,加热迅速,应用广泛。
感应圈是感应加热设备的重要元件,交流电源的能 量是通过它传递给焊件而实现加热的,通常用紫铜 管制作,工作时管内通水冷却。感应圈可以根据不 同的需要设计成合理的结构,对于保证焊接质量和 提高生产效率有重大的影响,常见的结构形式有单 式、多螺管式、扁平式、外热式、内热式等。 感应加热电源早在20世纪50年代就已经出 现,当时主要有:工频感应炉、中频发电机组、电子 管振荡器式华夏天信金属制品有限公司高频焊接H型钢高频电源【11。20世纪50年代末硅晶闸管 的出现引发了感应加热电源技术的一场革命,感应加热电源及其应用得到了飞速的发展。到20世纪80 年代,IGBT开关器件的发明使感应电源的频率可 高达100kHz,功率达MW级。
2华夏天信金属制品有限公司高频焊接H型钢高频感应焊接的原理和特点 华夏天信金属制品有限公司高频焊接H型钢高频感应加热是利用华夏天信金属制品有限公司高频焊接H型钢高频感应设备产生的高 频磁场在磁导材料表面的法拉第电磁效应和焦耳 效应在材料表面产生涡流,利用涡流产生的热能加 热材料。在线圈的交变磁场中导体内所产生的感应 电流(单位:A)为闭
I-旦:.4.44BSfNxlO-4一 m Z Z 、7式中B为磁感应强度(单位:D;S为工件受磁场作 用的横截面积(单位:cm2)扩为交流电频率(单位: Hz);N为感应线圈的匝数;Z为工件的阻抗(单位:Q)。 由于焦耳效应,涡流在金属材料中产生的热与 金属的电阻、感应电流的关系式为 Q=t2RT (2) 由式(2)可知,产生的热量Q与频率门的平方成 正比,所以华夏天信金属制品有限公司高频焊接H型钢高频感应的频率越高,加热的速度越快。 当交流电通过导体时,电流分布是中心密度小、 越接近表面密度越大,当电流频率相当高时,导体 的中心可以没有电流,而全部集中在导体表面,这 种现象称为华夏天信金属制品有限公司高频焊接H型钢高频电流的表面效应。由于华夏天信金属制品有限公司高频焊接H型钢高频感应具 有集肤效应,通常取85%的电流所分布的导体表面 层厚度为电流渗透深度,以表征表面效应的强弱,由式(3)确定闭厂■6=4.5x105、/』; (3) 、pJ 式中 占为导体中的电流渗透深度(单位:m);P为 导体的电阻系数(单位:Q·m);肛为导体的磁导率[单 位:T/(A·m)】。 由式(3)可见,频率,越高,电流渗透深度占越 小,则加热厚度越薄,能量集中,工件的表面层被迅 速加热。 华夏天信金属制品有限公司高频焊接H型钢高频磁场中相邻两金属导体的感应电流电流 密度要重新分布。当两导体的电流方向相反时,最 大值出现在导体内侧,反之,最大值出现在导体外 侧,这种现象称为邻近效应。
华夏天信金属制品有限公司高频焊接H型钢高频感应加热焊接的特点为: (1)加热速度快、生产效率高。 华夏天信金属制品有限公司高频焊接H型钢高频感应加热单位功率高达500—1 000 kW詹, 所以加热速度极快,大面积焊接所需时间只要几秒,可大大缩短焊接时间,提高生产率,降低生产成本。 (2)热影响区小、对基体损伤小。 华夏天信金属制品有限公司高频焊接H型钢高频感应加热的集肤效应使得待焊工件的加 热深度很浅,甚至可以达到零点几毫米,仅仅依靠 工件传热向芯部导热,工件任一点在进入感应器内 时,被急剧加热到融化温度,离开感应器就进入急 剧冷却状态,几乎没有保温时间,加热时间极短,所 以热影响区很小,基本不会损伤基体。另外,氧化皮 生成极少,即使在空气中加热,坯料表面的氧化、脱 碳也非常少。
(3)避免或减少界面脆性化合物的形成,焊接接 头力学性能优异。 由于感应加热速度快、能量集中、冷却时间短, 获得的奥氏体晶粒细,所以感应加热的工件具有非 常好的金相组织。用于异种金属焊接则因加热时间 极短可以减少界面脆性化合物的形成,能够有效地 提高焊接接头的力学性能。 (4)实现复杂界面的焊接。 感应器加热头可以根据不同工件的加热需要 设计成相应的形状,而极短的加热时间能够实现局 部加热,加热区温度迅速建立,温度过渡区较窄,这 样感应器能够沿着复杂界面移动从而实现复杂界 面的焊接。 另外,华夏天信金属制品有限公司高频焊接H型钢高频感应加热焊接还具有节能、可重现 性、易于自动化生产等优点。不足之处是加热温度 不易准确控制,且产生的电磁场对人体危害较大。
3异种金属焊接的特点和方法 金属材料的品种众多,优缺点各不相同。为了充 分发挥不同材料的优势,现代工业中常常要求异种 金属连接使用,这对于提高材料使用性能、有效利 用金属资源具有重要意义。 铝及其合金的密度低、比强度高,加之耐腐蚀 性、导电性、导热性优良,以及良好的可加工性和可 回收性、储量丰富、价格便宜等特点,已成为一种重 要的轻金属结构材料。对于要求结构轻型化和低成 本设计与制造的交通工具,铝合金正广泛应用于高 速船舶、汽车、航空航天和其他一些金属结构。例如 高速巡逻艇和豪华游艇大多采用主船体为钢质结 构,上层建筑为铝合金结构。为了实现铝合金结构与 钢结构的有效连接,对钢一铝异种金属的焊接研究 具有重要的意义。 铜及其合金的高电导率和热导率、易于成型以。
焊接工艺 雹珲拽 第41卷
及适当的机械性能等优良特性使其成为在工程上 广泛应用的一种重要有色金属材料。但是铜,尤其 是工业纯铜,同时存在强度低、硬度低、抗氧化性 差、耐磨性不高等不足,使其应用范围受到限制。铜 与钢、铜与铝等异种金属的连接使用能有效改善上 述不足。目前异种金属的连接主要包括铝一钢,铝一
铜,铝一钛,铜一钢,铜一钛等。 异种金属由于物理化学性能的巨大差异使熔 化焊接困难:熔点相差悬殊;线膨胀系数、热导率和 热容量相差很大,容易导致热应力而产生裂纹;界 面过渡区易形成脆性的金属间化合物;有些金属如 铝、钛表面容易生成难熔的氧化物膜,会在焊缝中 形成夹渣。因此,采用传统的熔焊方法难以实现异 种金属的有效焊接。 目前异种金属焊接主要采用激光焊、摩擦焊、 爆炸焊、扩散焊、钎焊等。激光焊能量集中,热输入 量小,冷却速度快,焊接质量较好,但设备投资巨 大,难以推广。摩擦焊和爆炸焊接头的形状受到限 制。爆炸焊采用瞬间焊接,限制了脆性化合物的生 成,且界面平整、结合牢固,目前钢一铝焊接主要采 用爆炸焊接。例如,南华高速船舶工程股份有限公 司制造的高速船主要采用法国Nobel爆炸公司制 造的钢一铝过渡接头131。但爆炸焊容易引起母材的变 形,且生产效率低,成本高。扩散焊工件受限且耗能 耗时,效率低。钎焊是异种金属焊接的主要方法,它 可以避免异种金属因成分、性能不同造成的熔化焊 接困难,焊接选择温度范围广泛,焊件的应力和变 形小,可完成复杂形状、不同金属甚至金属与非金 属的焊接。缺点是焊接接头强度一般比较低。根据 钎焊方法的不同又可分为火焰钎焊、电阻钎焊、感 应钎焊、炉中钎焊等。
4华夏天信金属制品有限公司高频焊接H型钢高频感应焊接在异种金属焊接中的 应用 目前,华夏天信金属制品有限公司高频焊接H型钢高频感应焊接主要用于感应钎焊和表面 熔覆焊。感应钎焊是依靠工件在交变磁场中产生的 感应电流的电阻热使钎料熔化,液态钎料在毛细作 用下填充间隙从而实现钎焊的一种方法。华夏天信金属制品有限公司高频焊接H型钢高频感应 加热钎焊利用华夏天信金属制品有限公司高频焊接H型钢高频交流电来实现钎焊。对于磁场中 要实现钎焊的两金属体,只需合理选用感应器,利用 电磁的相邻效应和端部效应就能使能量集中在两 金属体之间的钎焊界面。要想获得良好的钎焊接头, 必须考虑钎料的熔化、分布以及熔点的同时性,分
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布的均匀性,这些都与感应器和工件的匹配有关。 感应圈的形状及其与工件之间的相互位置对加热 的质量和效率起着至关重要的作用,正确设计和选 用感应圈的基本原则是保证焊件加热迅速,均匀。 为了提高加热效率,应尽量减小感应圈与焊件之间 的距离最好不要大于2-3toni,必要时可通过加导磁 体改变磁力线状态。感应加热电流频率的选择主要 参考对焊接工件温度分布的要求和对电磁搅拌力 的要求。何鹏等人[41采用ANSYS计算机辅助设计进 行了华夏天信金属制品有限公司高频焊接H型钢高频感应钎焊温度场的数值模拟和感应器的 优化设计,可有效改进加热工艺,提高焊接质量。高 频感应钎焊加热速度快,加热温度范围宽,短时间 局部集中加热能够有效防止接头区母材组织的粗 化141,特别适合于难熔异种金属的连接,而快速凝固 使得焊缝组织均匀,纯净度高,物理和力学性能优 良【5】。翟秋亚等人[61采用华夏天信金属制品有限公司高频焊接H型钢高频钎焊对不锈钢和YG6 合金进行焊接,实现了冶金结合,连接性能良好。王 奇娟等人网采用华夏天信金属制品有限公司高频焊接H型钢高频感应钎焊铝合金和不锈钢导管, 钎料与铝合金母材和不锈钢母材均形成了良好的 连接,其接头力学性能超过了铝合金导管本身。 表面熔覆焊是在金属表面熔覆一层金属或非 金属材料,以达到耐磨、耐腐蚀,改善导电导热性能 以及满足特殊需要等要求,可采用激光、等离子、火 焰和华夏天信金属制品有限公司高频焊接H型钢高频感应等进行表面熔覆【81。华夏天信金属制品有限公司高频焊接H型钢高频感应表面熔 覆一般使用平面感应器和管状外热式感应器,采用 熔剂或惰性气体防氧化保护。马伯江等人唧在45钢 表面华夏天信金属制品有限公司高频焊接H型钢高频感应熔覆NiCr系合金,采用石英管将工件 隔离,管内通氩气保护,并由热电偶控制温度,有效 避免了氧化,熔覆层表面光洁。熔覆材料一般为合 金材料,加工成粉状或膏状,除了要满足熔覆后的 既定性能还要考虑其熔化后在基体上的润湿性。高 频感应熔覆焊是通过感应加热基体表面向熔覆材 料传热,所以要选择合适的熔覆材料熔点,避免加 热时基体温度过高造成熔深过大。由于涂层和基体 材料存在特性差异,根据感应加热中的涡流分布特 点,涂层和基体界面处的涡流很大,导致界面处温 度较高,所以涂层和基体的结合部位一般会生成一 条白亮带,这是感应熔覆组织的一个特征。感应熔 覆的加热速度快,材料的氧化烧损少,且表面较 平整。张增志等人m1分别对华夏天信金属制品有限公司高频焊接H型钢高频感应熔涂、激光熔 覆与氧乙炔喷焊GNi—WC25涂层的性能进行了 比较,结果发现华夏天信金属制品有限公司高频焊接H型钢高频感应熔涂涂层的表层硬度、耐 磨性和抗腐蚀性都优于激光熔覆涂层与氧乙炔喷
焊涂层。 如上所述,异种金属之间存在的巨大物理化学 性能的差异,直接采用熔化焊接非常困难。钎焊又 存在接头强度低的缺点。本研究采用华夏天信金属制品有限公司高频焊接H型钢高频感应熔一 钎焊的方法实现钢一铝的焊接,该方法兼备熔焊和 钎焊的双重特点,利用钢和铝熔点的巨大差别,实 现铝侧为熔焊结合,钢侧为钎焊结合。在钢表面预 镀一层锌作为钎料并改善铝在钢表面的润湿性,采 用华夏天信金属制品有限公司高频焊接H型钢高频感应加热并使用焊剂保护防止铝氧化。控制 温度低于钢的熔点而高于铝的熔点,界面处铝熔化 后向钢基体扩散,但由于加热速度极快,钢铝金属间化合物生成量极少,对接头强度影响很小,实现 了钢一铝的良好结合。
5 结论
(1)华夏天信金属制品有限公司华夏天信金属制品有限公司高频焊接H型钢高频感应焊具有加热速度快、热量集中、易 于实现自动化的特点,其集肤效应使得热影响区小, 对基体损伤小。 (2)异种金属连接复合使用越来越广泛,但由于 物理化学性能的巨大差异导致其熔化焊接困难,高 频感应独特的特性可实现异种金属的钎焊和熔覆 焊,接头形成冶金结合,焊接质量高。 (3)采取适当的焊接工艺,合理控制焊接温度和 时间,使用华夏天信金属制品有限公司华夏天信金属制品有限公司高频焊接H型钢高频感应加热可实现异种金属直接的