专利名称：随焊电磁感应加热控制焊接热裂纹的方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种在焊接时用于控制焊接热裂纹的方法和装置，特别涉及一种采用电磁感应加热方法控制焊接热裂纹的方法和装置，属于焊接技术领域。
背景技术：
焊接热裂纹是焊接过程中的存在的常见问题，是焊接构件的主要缺欠。焊接热裂纹主要是指焊接过程中，焊缝和热影响区金属冷却到固相线附近的高温区时所产生的裂纹，其中以结晶裂纹最为常见。结晶裂纹只存在于焊缝上，一股呈纵向分布于焊缝中心线， 或呈弧形分布于中心线两侧，这些裂纹都是沿一次结晶的晶界分布，尤其是柱状晶，结晶裂纹主要是由结晶偏析引发。为了防治焊接热裂纹，一股可以从冶金因素方面和力学因素方面着手。从冶金因素方面，主要通过调整焊缝合金系统或向金属中添加变质剂，这种方法周期较长，成本高。 从力学因素方面进行控制，主要是通过改善焊接时的应力状态来达到控制焊接热裂纹的目的。适当增加焊接线能量和提高预热温度都能降低焊缝金属的热裂纹倾向，但是增加焊接线能量会使近缝区的金属过热，提高预热温度又会恶化劳动条件。此外，为解决这一问题，国内外还有采用其它一些控制焊接热裂纹的方法，如静态和动态温差拉伸法、随焊碾压法、随焊冲击碾压法等，但这几种方法也都存在各自的缺点。 如静态温差拉伸法，为达到所需的温差，需要较长的加热时间，容易引起加热区金属的软化，生产效率低，生产成本高。动态温差拉伸法，如果喷水冷却会污染焊接熔池，导致焊缝缺欠，影响焊接接头质量，而用液氮柔性接触式冷却，则导致成本太高。随焊碾压法，设备复杂，制造成本高，对被焊件形状要求比较严格，碾压轮容易与焊枪干涉产生打弧现象。随焊冲击碾压法，只适用于薄板焊接，且能量无法精确控制，并且随着焊接规范及焊接材料的变化，冲击辗压轮的尺寸需要重新设计及制备。
发明内容
本发明主要目的在于解决上述问题和不足，提供一种能有效控制焊接热裂纹，大幅度提高生产效率，实现降低成本、节能环保目的的随焊电磁感应加热控制焊接热裂纹的方法。本发明的另一个目的在于，提供一种结构简单、生产效率高、成本低、节能环保的随焊电磁感应加热控制焊接热裂纹的装置。为实现上述目的，本发明的技术方案是一种随焊电磁感应加热控制焊接热裂纹的方法，是在焊接前，首先确定待焊接工件的脆性温度区间TB，同时，确定脆性温度区间Tb的上限温度Tl和下限温度T2对应位置距待焊接工件的焊接熔池中央的距离L1和L2 ；在焊枪的前方设置一预热线圈，在焊枪的后方设置一后热线圈，所述焊枪、预热线圈及后热线圈均设置在焊缝的正上方位置，其中使预热线圈位于起焊点；焊接过程中，所述预热线圈首先对待焊接工件的焊缝进行预热，当焊枪
3移至焊接起始点时，引燃电弧，开始焊接，同时，检测焊缝的温度，当焊缝温度处于脆性温度区间Tb范围内时，移动后热线圈至所述距离L1到L2之间的范围内，对正在冷却的焊缝进行加热实现缓冷，直至全部焊接完成。其中，确定待焊接工件的焊接熔池中央与脆性温度区间上限温度Tl和下限温度 T2间的距离L1和L2的方法，是在焊接前，取一个能够反映实际待焊接工件温度场的试验件， 在实际焊接工艺下对该试验件施焊，测量该试验件的焊接温度场，确定试验件上焊接熔池中央与脆性温度区间上限温度Tl和下限温度T2间的距离L1和L2，从而确定待焊接工件的焊接熔池中央与脆性温度区间上限温度Tl和下限温度T2间的距离L1和L2。一种采用上述方法的装置，包括焊枪，在所述焊枪的前方设置一预热线圈，在所述焊枪的后方设置一后热线圈，所述焊枪、预热线圈及后热线圈均设置在焊缝的正上方位置， 在所述焊枪、预热线圈及后热线圈上分别固定连接一走行机构，所述走行机构均由操作机进行控制，所述预热线圈及后热线圈分别与相应的线圈加热设备连接，在所述后热线圈上再设置一个温度传感器，所述温度传感器与控制机的输入端连接，所述控制机的输出端与所述操作机及后热线圈的加热设备连接。所述线圈加热设备均由感应线圈加热装置及为该加热装置提供水冷却的循环水冷装置组成。所述预热线圈及后热线圈均由紫铜材料制成。所述预热线圈的中心至所述焊枪电弧的中心距离为25mm至60mm。所述后热线圈的中心位于待焊接工件的焊接熔池中央与该焊接材料脆性温度区间Tb上限温度Tl和下限温度T2对应位置间的距离L1和L2之间。所述预热线圈及后热线圈的下表面距离待焊接工件的上表面之间的距离为 l-5mm。所述预热线圈及后热线圈的直径为30_50mm。综上内容，本发明所述的随焊电磁感应加热控制焊接热裂纹的方法和装置，可以在焊接过程中实现预热，不但不会恶化工作条件，还可以使用较小的电流进行焊接，降低了焊接热裂纹倾向。同时，避免了为防治焊接热裂纹而提高焊接线能量，不会使近缝区组织过热，而降低近缝区组织力学性能。另外，本发明还在焊接过程中对正在冷却的焊缝进行缓冷，减小焊缝在脆性温度区间内的应变速率，从而满足了控制焊接热裂纹的力学条件。本发明由于在焊接过程的同时进行预热和缓冷，能够精确控制感应加热功率，对于不同的材料可以精确控制预热温度和后热温度，使焊接工件整体或局部的温度梯度减小，有益于防止粗大、结晶方向明显的柱状晶的产生，从冶金和力学两个方面有效地控制了焊接热裂纹的产生。本装置结构简单，易于实现，线圈与工件表面非接触，不会污染焊缝，不影响焊缝的表面质量，还可大幅度提高生产效率，降低成本。
图1是本发明结构示意图；图2是本发明焊缝与线圈相对位置示意图；图3是本发明冷却曲线与常规焊冷却曲线对比图4是本发明焊接温度场示意图。如图1至图4所示，待焊接工件1，焊枪2，预热线圈3，后热线圈4，走行机构5、6、 7，操作机8，线圈加热设备9、10，温度传感器11，控制机12，感应线圈加热装置13，循环水冷装置14，焊接工作平台15，焊接电源16。
具体实施例方式下面结合附图与具体实施方式
对本发明作进一步详细描述如图1所示，一种随焊电磁感应加热控制焊接热裂纹的装置，包括焊枪2，在焊枪2 的前方设置一预热线圈3，在焊枪2的后方设置一后热线圈4，焊枪2、预热线圈3及后热线圈4均设置在焊缝的正上方位置，沿焊缝中心线纵向排列设置，焊枪2连接一焊接电源16。 焊接过程中，预热线圈3首先对待焊接工件1的焊缝进行预热，后热线圈4对正在冷却的焊缝进行加温达到缓冷的目的，直至全部焊接完成，这种焊接方式，可使焊接工件整体或局部的温度梯度减小，有益于防止粗大、结晶方向明显的柱状晶的产生，可以从冶金和力学两个方面有效控制焊接热裂纹的产生。在焊枪2上固定连接一走行机构5，在预热线圈3上固定连接一走行机构6，在后热线圈4上也固定连接一走行机构7，三个走行机构5、6、7均由操作机8进行控制，操作机 8控制走行机构5、6、7的移动方向及移动距离，在移动到位后，同时也起着固定的作用。行走机构5、6和7通过电机的带动在操作机8悬臂的导轨上行走，行走机构5、6和7与焊枪 2、预热线圈3和后热线圈4的连接可通过走行机构5、6、7上的直径可调的金属环形夹持器 (图中未示出)进行固定连接，金属环形夹持器的内径可根据焊枪2和预热线圈3和后热线圈4铜线管的直径进行调整。操作机8可计算机自动控制，也可以采用手动控制的方式，此控制方式为公知技术，这里不再另做详细描述。预热线圈3配有一套线圈加热设备9，后热线圈4也相应配有一套线圈加热设备 10，线圈加热设备9、10分别控制预热线圈3及后热线圈4的感应加热频率、加热温度及加热时间等，线圈加热设备9、10均由感应线圈加热装置13及为该加热装置13提供水冷却的循环水冷装置14组成。这样，可以根据待焊接材料的性质、需要预热的温度、焊接材料的脆性温度区间TB、焊接速度ν等参数，以最易出现焊接热裂纹的最苛刻的条件为准进行计算确定，从而精确控制预热线圈3和后热线圈4的感应加热频率、加热温度及加热时间等，提高生产效率，同时可以有效控制焊接热裂纹的产生。用于控制预热线圈3及后热线圈4的感应线圈加热装置13，可分为几档设置，根据不同的焊接条件分档控制，可以简化工艺，易于操作。为检测焊缝的温度，在后热线圈4上再设置一个温度传感器11，温度传感器11与控制机12的输入端连接，控制机12的输出端与操作机8连接，同时也与后热线圈4的加热设备10连接。温度传感器11将检测到的温度信号传给控制机12，控制机12内预先存贮待焊接材料的脆性温度区间Tb的相关参数，当温度传感器11检测到焊缝温度处于脆性温度区间Tb内时，将信号反馈至控制机12，控制机12接到信号，给操作机8发出指令，操作机8 通过走行机构7将后热线圈4移至焊接材料的脆性温度区间Tb的上限温度Tl和下限温度 T2对应位置之间的范围内，也就是如图4所示，后热线圈4位于L1至L2之间的范围内，用于给快速降温的焊缝加热，进行缓冷，减小焊缝在脆性温度区间Tb内的应变速率，从而满足控制焊接热裂纹的力学条件。如图4所示，表示焊接材料的焊接温度场，一股对于移动的热源取椭圆高斯分布， 其中，Tl代表待焊接材料的脆性温度区间Tb的上限温度，T2代表待焊接材料的脆性温度区间的下限温度，L1代表脆性温度区间Tb上限温度Tl对应位置距待焊接工件1的焊接熔池中央的距离，L2代表脆性温度区间Tb下限温度T2对应位置距待焊接工件1的焊接熔池中央的距离。不同的焊接材料，其脆性温度区间Tb是不同的，根据待焊接材料厚度的不同，待焊接工件1的焊接熔池中央与脆性温度区间Tb上限温度Tl和下限温度T2间的距离L1和 L2也不同。焊接材料越厚，材料散热性能越好，L1数值就越小，用于缓冷的后热线圈4的加热频率就相对较高，加热温度和加热时间也较长，后热线圈4距离焊枪2的距离也较近。待焊接材料越薄，热范围影响较大，L1数值就越大，用于缓冷的后热线圈4的加热频率就相对偏低，加热温度和加热时间也较短，后热线圈4距离焊枪2的距离也较远。所以，该装置可以适用焊接各种材料、各种厚度的金属，只要焊接前精确确定L1和L2两个数值，就可以有效控制焊接热裂纹的产生。温度传感器11与后热线圈4可以一体设置，也可以分开设置。分开设置时，控制更为精确，但结构和工艺复杂，而一体设置时，控制灵活方便，但精确度就稍差一些。预热线圈3及后热线圈4均由紫铜管制成，由于紫铜电阻较低对电能的损耗小，紫铜管内通循环水进行冷却，外部用绝缘材料如漆包线等进行缠绕。如图2所示，预热线圈3及后热线圈4的直径一股选择在30_50mm范围内。预热线圈3与焊枪2的距离越近越好，这样可以使用较小的电流进行焊接，而且也可以能够精确控制预热线圈3的感应加热功率，同时，可相应降低感应加热功率，节能环保，但由于焊接时电弧温度较高，预热线圈3距离电弧过近，会使预热线圈3烧化，一股情况下，要保证预热线圈3的边缘距离焊枪1电弧的边缘IOmm以上。为保证焊接质量，预热线圈3的中心至焊枪1电弧的中心距离至少要在25mm以上，但也不易超过60mm，可根据焊接材料、焊接温度、焊接速度等参数选择该范围内的任意值。预热线圈3及后热线圈4与待焊接工件1不直接接触，不会污染焊缝，也就不会影响焊缝的表面质量。预热线圈3和后热线圈4的下表面距离待焊接工件1的上表面之间的距离hi和h2分别为l_5mm，为了提高预热及缓冷效果，该距离越近越好，所以hi和h2优选为l-2mm，hl和h2的数值可以相同，也可以不同，这需要根据焊接材料、焊接温度场、焊接速度等参数分别控制。如图3所示，图中IY线液相线，Ts线固相线，Tb为脆性温度区间，图中曲线I为感应加热冷却曲线，曲线II为常规焊冷却曲线，曲线III为不产生焊接热裂纹的临界冷却曲线，曲线冷却速度小于曲线III不会产生裂纹，曲线冷却速度大于曲线III将会产生裂纹。 从图3中可以明显看出，采用本发明所述的焊接方法后，其焊接过程中温度梯度减小且变形较小，也就代表可以有效控制焊接热裂纹的产生。下面对本发明所述的焊接方法及步骤进行详细描述。1、在焊接前首先确定待焊接材料的脆性温度区间TB。2、如图4所示，确定待焊接工件1的焊接温度场。确定焊接温度场的方法是，取一个能够反映实际待焊接工件1温度场的试验件， 在实际焊接工艺下对该试验件施焊，测量该试验件的焊接温度场，确定试验件上焊接熔池
6中央与脆性温度区间Tb上限温度Tl和下限温度T2间的距离L1和L2,从而确定待焊接工件的焊接熔池中央与脆性温度区间Tb上限温度Tl和下限温度T2间的距离L1和L2。3、将待焊接材料的脆性温度区间Tb预先存贮到控制机12中，将距离L1和L2的数值预先存贮至操作机8中。4、以最易出现焊接热裂纹的最苛刻的条件为准，根据所要达到的预热温度以及距离L1和L2，在一定的焊接速度ν下选择适当的预热线圈3和后热线圈4的感应加热参数，参数包括预热线圈3的感应加热频率、预热线圈3与焊枪2间的距离、预热线圈3与待焊接工件1间的距离Ii1、后热线圈4与焊枪2间的距离、后热线圈4与待焊接工件1间的距离h2、 后热线圈4的感应加热频率、预热线圈3的直径和后热线圈4的直径等，这些参数可以选择前述各参数范围内的任意值。铁路车辆车厢内的地板，一股是两个铝合金薄板的对接，相应所需要的焊接参数如下铝合金的脆性温度区间为476°C -635°C距离L1为根据热输入量、焊接材料、焊接速度等因素改变会有所差异，可以通过测量焊接热循环，根据铝合金的脆性温度区间得到距离L2为根据热输入量、焊接材料、焊接速度等因素改变会有所差异，可以通过测量焊接热循环，根据铝合金的脆性温度区间得到焊接速度ν为视待焊材料、板厚、热输入量而定预热线圈3的感应加热频率30-100kHz预热线圈3的中心与焊枪2中心的距离25-60mm预热线圈3与待焊接工件1间的距离Ii1 1 5mm
后热线圈4与待焊接工件1间的距离Ii2 1 5mm后热线圈4的感应加热频率30-100kHz预热线圈3的直径30-50mm后热线圈4的直径30-50mm5、将待焊接工件1通过焊接卡具固定在焊接工作平台15上，打开两个循环水冷装置14，分别对两个感应线圈加热装置13通循环水进行冷却，接通操作机8、感应线圈加热装置13、控制机12、焊接电源16、及温度传感器11的电源。将预热线圈3、焊枪2、后热线圈4通过操作机8上的走行机构6、5、7分别移至起焊位置，其中，预热线圈3位于焊缝正上方且位于焊枪2的前方，后热线圈4位于焊缝正上方且位于焊枪2的后方，预热线圈3位于起焊点。6、开始焊接过程时，预热线圈3的线圈加热设备9给预热线圈3通电，同时，焊接工作平台15带动待焊接工件1以速度ν平稳移动，预热线圈3首先对待焊接工件1的焊缝进行预热。当焊枪2移至位于焊接起始点时，引燃电弧，开始焊接。同时，温度传感器11检测焊缝的温度，当焊缝温度处于待焊接工件1的脆性温度区间Tb内时，将信号反馈至控制机12，控制机12接到信号，给操作机8发出指令，操作机8 通过走行机构7将后热线圈4移到距离L1至L2之间的范围内，同时，控制机12给后热线圈 4的感应线圈加热装置13发出指令，其中的感应线圈加热装置13给后热线圈4通电，用于给快速降温的焊缝加热，进行缓冷。
当预热线圈3离开待焊接工件1时，切断预热线圈3的线圈加热设备9的电源，当后热线圈4完全离开待焊接工件1时，切断后热线圈4的线圈加热设备10的电源。至此，焊接过程全部完成。如上所述，结合附图所给出的方案内容，可以衍生出类似的技术方案。但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
权利要求
1.一种随焊电磁感应加热控制焊接热裂纹的方法，其特征在于在焊接前，首先确定待焊接工件(1)的脆性温度区间TB，同时，确定脆性温度区间Tb的上限温度Tl和下限温度T2对应位置距待焊接工件(1)的焊接熔池中央的距离L1和L2 ；在焊枪O)的前方设置一预热线圈(3)，在焊枪O)的后方设置一后热线圈，所述焊枪O)、预热线圈(3)及后热线圈(4)均设置在焊缝的正上方位置，其中使预热线圈(3) 位于起焊点；焊接过程中，所述预热线圈C3)首先对待焊接工件(1)的焊缝进行预热，当焊枪(2)移至焊接起始点时，引燃电弧，开始焊接，同时，检测焊缝的温度，当焊缝温度处于脆性温度区间Tb范围内时，移动后热线圈(4)至所述距离L1到L2之间的范围内，对正在冷却的焊缝进行加热实现缓冷，直至全部焊接完成。
2.根据权利要求1所述的随焊电磁感应加热控制焊接热裂纹的方法，其特征在于在焊接前，取一个能够反映实际待焊接工件(1)温度场的试验件，在实际焊接工艺下对该试验件施焊，测量该试验件的焊接温度场，确定试验件上焊接熔池中央与脆性温度区间上限温度Tl和下限温度T2间的距离L1和L2,从而确定待焊接工件(1)的焊接熔池中央与脆性温度区间上限温度Tl和下限温度T2间的距离L1和L2。
3.一种采用如权利要求1所述方法的装置，其特征在于包括焊枪O)，在所述焊枪(2)的前方设置一预热线圈(3)，在所述焊枪O)的后方设置一后热线圈G)，所述焊枪 O)、预热线圈(3)及后热线圈(4)均设置在焊缝的正上方位置，在所述焊枪O)、预热线圈(3)及后热线圈(4)上分别固定连接一走行机构(5、6、7)，所述走行机构(5、6、7)均由操作机⑶进行控制，所述预热线圈⑶及后热线圈⑷分别与相应的线圈加热设备(9、10) 连接，在所述后热线圈(4)上再设置一个温度传感器(11)，所述温度传感器(11)与控制机 (12)的输入端连接，所述控制机(1 的输出端与所述操作机(8)及后热线圈的加热设备 (10)连接。
4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于所述线圈加热设备(9、10)均由感应线圈加热装置(1 及为该加热装置(1 提供水冷却的循环水冷装置(14)组成。
5.根据权利要求3所述的装置，其特征在于所述预热线圈(3)及后热线圈(4)均由紫铜材料制成。
6.根据权利要求3所述的装置，其特征在于所述预热线圈(3)的中心至所述焊枪(2) 电弧的中心距离为25_至60_。
7.根据权利要求3所述的装置，其特征在于所述后热线圈的中心位于待焊接工件(1)的焊接熔池中央与该焊接材料脆性温度区间Tb上限温度Tl和下限温度T2对应位置间的距离L1和L2之间。
8.根据权利要求3所述的装置，其特征在于所述预热线圈(3)及后热线圈的下表面距离待焊接工件(1)的上表面之间的距离为l_5mm。
9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于所述预热线圈(3)及后热线圈的下表面距离待焊接工件(1)的上表面之间的距离为l_2mm。
10.根据权利要求3所述的装置，其特征在于所述预热线圈(3)及后热线圈的直径为 30-50mm。
全文摘要
本发明涉及一种随焊电磁感应加热控制焊接热裂纹的方法和装置，是在焊枪的前方设置一用于对待焊接工件的焊缝进行预热的预热线圈，在焊枪的后方设置一用于对快速冷却的焊缝进行加热实现缓冷的后热线圈，后热线圈的中心位于待焊接工件的焊接熔池中央与该焊接材料脆性温度区间TB上限温度T1和下限温度T2对应位置间的距离L1和L2之间。本发明实现焊接前预热，焊接后缓冷，以减小焊缝在脆性温度区间内的应变速率，从冶金和力学两个方面有效地控制了焊接热裂纹的产生，而且结构简单，易于实现，生产效率高，成本低，节能环保。
文档编号B23K9/12GK102380688SQ20101026998
公开日2012年3月21日 申请日期2010年9月2日 优先权日2010年9月2日
发明者刘雪松, 吕任远, 孟立春, 张亮, 方洪渊 申请人:南车青岛四方机车车辆股份有限公司