CN104191081B - 用于制冷设备中铜管与铝管焊接的装置及其焊接方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于制冷设备中铜管与铝管焊接的装置及其焊接方法，所述装置包括主机和工作台，所述主机包括主箱体，交流电源、变压器、高压整流器、电容组、真空开关以及触发装置；所述工作台包括台架和焊接头，所述焊接头包括导电线圈和集磁器，所述导电线圈通过同轴线缆与各真空开关相连；其焊接步骤如下：1）先将外管的一端插入集磁器内，再将内管的一端插入集磁器中；2）开启脉冲发生器，充电电压达到设定值时，系统控制触发装置打开放电开关，通过集磁器内的磁力实现外管与内管的焊接。本发明实现了常温焊接，更加方便、快速，并且更加环保，焊接成本更低。
Description
技术领域
本发明涉及金属焊接技术领域，尤其涉及一种用于制冷设备中铜管与铝管焊接的装置及其焊接方法。
背景技术
随着铜材价格上涨影响和产品轻量化的需求，“铝代铜”已成为产品零部件制造的重要趋势。这就需要将铜质材料和铝质材料通过焊接工艺连接成一体，即称为铜铝焊接。但是，铜和铝都属易氧化金属，可焊性差，对这种铜和铝的异种金属焊接要达到良好的焊接效果则十分困难。因此铜铝焊接一直是一个国际性的焊接难题。现有焊接技术存在以下不足：
1.铜铝焊接在传统上常用挂锡和熔锡的方法焊接铜铝，这种方法成型不好，没有很好的强度，由于锡的熔点低又不能焊接在高温工作下的工件，所以此种工艺只适合常温条件下的小工件上使用，很难应用到其它产品的生产中。
2.用热熔焊、摩擦焊、电子束焊、超声波焊等焊接方法焊接铜铝，由于不均匀的温度场会导致残余应力和变形的产生等问题，焊接出来的接头脆性大,易产生裂纹且焊缝易产生气孔，焊接起来的工件难免出现断裂，出现断裂后就可能使导电体断路、使管道泄漏，所以往往达不到实际生产中要求的效果。
3.在现有制冷设备的生产过程中，铜管与铜管的焊以及铜管与管座的焊接绝大多数采用的都是火焰加热硬钎焊工艺，通过钎焊工艺把钎料（铜铝焊丝）作为中间介质，使铜管和铝管焊接在一起。钎剂（铜铝焊膏）在高温加热状态下破除金属表面的氧化膜，使表面侵润，有利于熔化后的钎料在焊缝间隙中流动，使其更容易填充到焊缝间隙中。钎料在高温下熔化并与两种金属发生冶金反应，钎料通过毛细作用渗入铜材和铝材分子结构中，形成稳定的冶金层。焊接后的接头成形较好，抗拉抗剪性能及导电性耐腐蚀性好，是目前常用的铜铝焊接方法。
但是该方法也有缺陷：首先，焊缝的形成是靠虹吸原理使熔化后的钎料流动并填充整个焊缝间隙的过程，受材料和工艺的影响，以及材料表面清洁状态的影响，始终存在着钎剂破膜、清润效果不良，导致钎料填充不均匀，接头的均匀性会受到影响，缺陷也会比较多（如气孔、凝固裂纹等），使焊缝气密性指标和焊缝强度指标不达标等焊接缺陷，直接影响焊件质量和寿命。
另外，传统工艺生产环境恶劣，火灾隐患大，不安全；工人劳动强度大，焊接效率低；焊接质量不稳定，接头外形不美观；焊接过程产生高温、发热、烟尘、废气等对环境的负面影响。
再者，由于大量消耗焊剂焊料以和其他辅料，以及高能耗等，这种传统焊接方式的焊接成本较高。
发明内容
针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的就在于提供一种用于制冷设备中铜管与铝管焊接的装置及其焊接方法，常温焊接更加方便、快速，并且更加环保，焊接成本更低。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是这样的：一种用于制冷设备中铜管与铝管焊接的装置，包括主机和工作台，其特征在于：所述主机包括主箱体，在主箱体内设有带有滤波装置的交流电源、变压器、高压整流器、电容组、真空开关以及触发装置；所述交流电源经变压器变压后与高压整流器相连，所述高压整流器同时与电容组的各电容相连，电容组的各电容分别与一真空开关相连；所述触发装置包括脉冲发生器，该脉冲发生器的信号输入端与交流电源相连，信号输出端同时与各真空开关相连；
所述工作台包括台架和设置在台架上的焊接头，所述焊接头包括导电线圈和集磁器，所述导电线圈通过同轴线缆与主机中的各真空开关同时相连。
进一步地，所述焊接头还包括输入端板、输出端板、集磁器定位堵头、集磁器定位顶板、以及内管定位卡套；
所述导电线圈包括3组线圈导体，所述线圈导体的两端分别与输入端板和输出端板相连，在相邻两匝线圈导体之间设有绝缘隔板，在输入端板和输出端板的外侧分别设置有一端部绝缘支撑板，两端部绝缘支撑板通过绝缘高强度连接螺栓相连为一个整体；输入端板和输出端板分别通过电缆线与脉冲发生器的信号输出端的正负极相连；
所述集磁器位于导电线圈内并与导电线圈通轴心线，在集磁器的两端分别设有一集磁器定位堵头，所述集磁器定位堵头与集磁器同轴心线，所述集磁器定位顶板和内管定位卡板利用锁紧螺钉分别固定在两端部绝缘支撑板相背离的一侧，从而将集磁器定位堵头压住，以锁定集磁器的轴向位置；
所述集磁器堵头的中部沿其轴向开设有一通孔，所述内管定位卡套的小端插入右侧集磁器堵头的通孔中，肩部台阶紧贴集磁器堵头的外端面，右侧集磁器定位顶板轴向压紧内管定位卡套的大端面并固定。
进一步地，所述电容组包括4个5kJ的储能电容。
一种利用上述装置进行制冷设备中铜管与铝管焊接的焊接方法，其特征在于：包括如下步骤：
1）先将外管的一端从焊接头远离内管定位卡板的一端插入集磁器内，再将内管的一端从焊接头固定内管定位卡板的一端插入集磁器中，并插入外管内，且外管与内管之间具有间隙；
2）开启脉冲发生器，使电容器组中的各电容充电，充电电压达到设定值时，系统控制触发装置打开放电开关，使电容器快速放电；焊接时的脉冲电流至少要达到400KA以上，通过集磁器内的磁力实现外管与内管的焊接。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
1、本发明是有别于现有传统焊接技术和工艺的绿色、环保、低碳工艺，可广泛用于导电性好的同质或异质金属材料的搭接焊接，特别是焊接材料属性差异很大的金属具有明显优势（如：铜-钢,铜-铝,铜-镁,铝-钢,铜-不锈钢,铝-不锈钢等）；
2、整个焊接过程无发热，属固态焊接，冷焊工艺；焊接后焊件材料的金属特性不会发生任何改变，无残余应力；两种材料在焊合面形成原子间距离的稳定的冶金结合；焊接面呈360°圆柱面均匀包敷，焊缝致密且强度高；焊接接头外型美观，表面无压痕，无损伤；可精确受控焊接参数，焊接质量稳定可靠，一致性好；焊接速度快，一次成型，生产效率高，劳动强度低，适用于大批量生产和自动化；无需任何助焊剂、焊料和保护气体，焊接成本低；整个过程无热、无辐射、无烟、无废气、无火花、无飞溅、无需冷却水，无辅材消耗，能耗很低，节能环保。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为焊接头的结构示意图；
图3为本发明的电路原理框图；
图4为本发明的电路原理图。
图中：1—主箱体，2—交流电源，3—高压整流器，4—电容组，5—触发装置，6—真空开关，7—同轴线缆，8—台架，9—焊接头，91—导电线圈，92—集磁器，93—输入端板，94—输出端板，95—集磁器定位顶板，96—内管定位卡套，97—绝缘隔板，98—绝缘支撑板，99—连接螺栓，910—集磁器堵头，911—锁紧螺钉，912—外管，913—内管。
具体实施方式
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明。
实施例：参见图1—图4，一种用于制冷设备中铜管与铝管焊接的装置，包括主机和工作台。所述主机包括主箱体1，在主箱体1内设有带有滤波装置的交流电源2、变压器、高压整流器3、电容组4、真空开关6以及触发装置5。所述交流电源2经变压器变压后与高压整流器3相连，所述高压整流器3同时与电容组4的各电容相连，电容组4的各电容分别与一真空开关6相连；具体实施时，所述电容组4包括4个5kJ的储能电容。所述触发装置5包括脉冲发生器，该脉冲发生器的信号输入端与交流电源2相连，信号输出端同时与各真空开关6相连。
其中，本发明中的电磁脉冲焊接装置主电路主要由电容器组、充电电路和放电电路以及触发电路三部分组成。交流电源2经变压器升压后，再经高压整流后输出直流电流对电容器组充电，当充电电压达到设定数值时，触发装置5输出脉冲信号, 真空开关6管导通,储存在电容器组中的电场能迅速向磁场线圈（即焊接头9中的导电线圈91）放电。该主机的主要功能是：电容组4在完成高压充电储能后，在触发“信号”作用下，大电流真空开关6快速放电，形成几百乃至上千“千安”的脉冲电流，为导电线圈91提供能量。采用同时给4组储能模组并联充电的方式，保证了4个模组充电效果的一致性，同时又采用了并联触发方式，严格控制4只大电流真空开关6的导通时间，及开管管导通的同步性，用以保证向导电线圈91提供有效的能量。
所述工作台包括台架8和设置在台架8上的焊接头9，所述焊接头9包括导电线圈91和集磁器92，所述导电线圈91通过同轴线缆7与主机中的各真空开关6同时相连。实际制作时，所述焊接头9还包括输入端板93、输出端板94、集磁器堵头910、集磁器定位顶板95、以及内管11定位卡套96。
所述导电线圈91包括3组线圈导体，其中的导电线圈91设计为4.5匝，采用导电性良好的铝合金材料制作。所述线圈导体的两端分别与输入端板93和输出端板94相连，在相邻两匝线圈导体之间设有绝缘隔板97，匝间绝缘采用环氧树脂板(厚度δ＝2～3mm)做隔断，匝间连接采用紫铜板，尽量减少整个导电线圈91的感抗和阻抗。在输入端板93和输出端板94的外侧分别设置有一端部绝缘支撑板98，两端部绝缘支撑板98通过绝缘高强度连接螺栓99相连为一个整体；输入端板93和输出端板94分别通过电缆线与脉冲发生器的信号输出端的正负极相连。
所述集磁器92位于导电线圈91内并与导电线圈91通轴心线，在集磁器92的两端分别设有一集磁器堵头910，所述集磁器堵头910与集磁器92同轴心线，所述集磁器定位顶板95和内管11定位卡板利用锁紧螺钉911分别固定在两端部绝缘支撑板98相背离的一侧，从而将集磁器堵头910压住，以锁定集磁器92的轴向位置。
所述集磁器堵头910的中部沿其轴向开设有一通孔，所述内管定位卡套96的小端插入右侧集磁器堵头910的通孔中，肩部台阶紧贴集磁器堵头910的外端面，右侧集磁器定位顶板95轴向压住内管定位卡套96的大端面并固定。
焊接时，将焊接件外管912从焊接头9的左端插入集磁器92内，并与内管定位卡套96的端部紧贴，防止向右移动。然后，将焊接件外管912的外露端用辅助卡具定位锁紧，防止向左移动。再将焊接件内管913从内管定位卡套96的中孔内插入至焊接位置并防止轴向位移（须控制插入深度），使外管912与内管913的待焊接部位同时处于集磁器92的内凸缘台阶处。
本发明为了使磁场能量能够汇聚成密度很高的电磁束，在焊接件与线圈之间加入了一种叫做集磁器的部件，增强了焊接部位的磁场能量密度，提高了焊接效果。该集磁器92采用耐热铜合金制作，如图所示，所示集磁器92主体呈柱状，其两端向中部凹陷，并具有一沿其轴向设置且贯穿主体两端的通孔。其中，B为集磁器长度（须长于线圈），b为所需的聚磁宽度（及焊缝宽度），D为集磁器外径（约小于线圈内孔），d为集螆器内孔（约大于焊接件外径）。
集磁器又称磁通集中器，是实现电磁脉冲焊接的主要工装，它具有把磁通汇聚或移动到集磁器内孔壁与外层工件外圆之间的间隙内的作用。图中I为线圈电流（由脉冲回路提供），i为集磁器中的感应电流，iO为工件中的感应电流。集磁器可以通过改变内壁形状来改变磁道的分布，使某些空间磁场加强，另一些空间的磁场减弱，达到调整焊接位置的目的。通过改变集磁器外形尺寸以及控制放电能量，可焊接不同材料和壁厚的管件。
制作集磁器比制线圈更容易，成本更低。在同一个导电线圈91上更换不同的集磁器，就可对不同尺寸的管子进行加工，这更有利于批量生产。集磁器对于延长线圈使用寿命，控制工件的焊缝形状，有利于提高电磁脉冲焊接加工时的柔性化。
为了确保输出的脉冲电流能够在极短的时间内快速地从电容器组中泄放出来，在脉冲发生器的输出端与导电线圈91的连接处，采用了特制的同轴电缆线作为电流输导线，用以克服电动力，减小系统输出线缆的感抗和电流损耗，使输出的电流得到充分利用，且有效地转化为电磁能。
一种利用上述装置进行制冷设备中铜管与铝管焊接的焊接方法，其特征在于：包括如下步骤：
1）先将外管912的一端从焊接头9远离内管定位卡套96的一端插入集磁器92内，再将内管913的一端从焊接头9固定内管定位卡套的一端插入集磁器92的中孔，并插入到外管912的孔内（插入的深度即为需要搭接焊的长度），且外管912与内管913之间具有间隙。
2）开启脉冲发生器，使电容器组中的各电容充电，充电电压达到设定值时，系统控制触发装置5打开放电开关6，使电容器4快速放电；焊接时的脉冲电流至少要达到400KA以上，通过集磁器92内的磁力实现外管912与内管913的焊接。
焊接过程中，电流在极短的时间内流过导电线圈91（感性负载）进行释放，产生瞬间高压脉冲磁场，同时也在外管912的表面生成感应电流并形成一反向脉冲磁场，两磁场相互排斥产生巨大的向内的径向作用力，使外管912在强磁场力的作用下猛烈地撞击内管913，当冲击速度和角度等工艺条件得到满足时，焊接面即形成原子间的冶金结合，实现焊接。
本发明工作原理如下：当通有电流的导体置于磁场中，该导体将受到力的作用，这种电流与磁场相互作用而产生的力称为洛仑兹力（Lorentz force）。
因此，当电流以不同的方向运动时，两个平行的带电导体会相互排斥，本发明实际上就是利用电磁力对金属工件进行焊接的一种方法。它是利用电容器组瞬间放电，流过导电线圈C的大电流i1所形成的电磁能作为焊接能源而进行的焊接。
当线圈C中有电流i1流过时，线圈内放置的待焊管材T的外表面将产生感应电流i2。i2与i1产生的磁场H垂直相交，并在H的作用下管材在径向产生作用力F，这个力就是著名的麦克斯韦电磁力。
F＝μ0 H 2
式中μ0是空气磁导率，由于H是随i增大而增大的，故F与i成正比。当i足够大，管材T就以极高速度（＞300mm/s）向内侧管材D冲撞，如果碰撞速度大且碰撞角度合适，在碰撞点就会产生金属射流，待焊表面即被金属射流清理干净并获得紧密接触而实现焊接。
焊接所需的能量被储存在一个由电容器组、充电单元和大电流开关组成的脉冲发生器中。此脉冲发生器和电磁脉冲线圈组成了一个共振回路，电容器组中储存的能量E=CV2被转化成线圈所带的磁力E =LI2。
焊接时，外层工件和电磁线圈均可被看成是导体，当给电磁线圈通电时，外层工件表面会产生感应电流，该电流也产生电磁场。根据楞次定律，电磁线圈产生的磁场与感应电流的磁场方向相反，相互排斥。因此，两磁场的相互作用产生强大的排斥力，这个外层工件受到一个向内的径向力作用，朝着轴心线方向在极短时间内被压缩。在高压力波的作用下，迫使外层工件以很高的速度和动能猛烈地撞击内层工件，使内外层工件的金属原子在原子间的距离内相遇并相互挤压，形成原子间的结合，且在结合面形成新的冶金层，当工艺条件满足时，即可实现焊接。
最后需要说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制技术方案，本领域的普通技术人员应当理解，那些对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (3)
1.一种用于制冷设备中铜管与铝管焊接的装置，包括主机和工作台，其特征在于：所述主机包括主箱体，在主箱体内设有带有滤波装置的交流电源、变压器、高压整流器、电容组、真空开关以及触发装置；所述交流电源经变压器变压后与高压整流器相连，所述高压整流器同时与电容组的各电容相连，电容组的各电容分别与一真空开关相连；所述触发装置包括脉冲发生器，该脉冲发生器的信号输入端与交流电源相连，信号输出端同时与各真空开关相连； 所述工作台包括台架和设置在台架上的焊接头，所述焊接头包括导电线圈和集磁器，所述导电线圈通过同轴线缆与主机中的各真空开关同时相连；
所述焊接头还包括输入端板、输出端板、集磁器定位堵头、集磁器定位顶板、以及内管定位卡套； 所述导电线圈包括3组线圈导体，线圈为4.5匝，采用铝合金材料制作，所述线圈导体的两端分别与输入端板和输出端板相连，在相邻两匝线圈导体之间设有绝缘隔板，绝缘板厚度2至3mm，匝间连接采用紫铜板，在输入端板和输出端板的外侧分别设置有一端部绝缘支撑板，两端部绝缘支撑板通过绝缘高强度连接螺栓相连为一个整体；输入端板和输出端板分别通过电缆线与脉冲发生器的信号输出端的正负极相连； 所述集磁器位于导电线圈内并与导电线圈同轴心线，在集磁器的两端分别设有一集磁器定位堵头，所述集磁器定位堵头与集磁器同轴心线，所述集磁器定位顶板和内管定位卡套利用锁紧螺钉分别固定在两端部绝缘支撑板相背离的一侧，从而将集磁器定位堵头压住，以锁定集磁器的轴向位置； 所述集磁器堵头的中部沿其轴向开设有一通孔，所述内管定位卡套的小端插入右侧集磁器堵头的通孔中，肩部台阶紧贴集磁器堵头的外端面，右侧集磁器定位顶板轴向压紧内管定位卡套的大端面并固定。
2.根据权利要求1所述的用于制冷设备中铜管与铝管焊接的装置，其特征在于：所述电容组包括4个5kJ的储能电容。
3.一种利用上述任一权利要求所述装置进行制冷设备中铜管与铝管焊接的焊接方法，其特征在于：包括如下步骤： 1）先将外管的一端从焊接头远离内管定位卡板的一端插入集磁器内，再将内管的一端从焊接头固定内管定位卡板的一端插入集磁器中，并插入外管内，且外管与内管之间具有间隙； 2）开启脉冲发生器，使电容器组中的各电容充电，充电电压达到设定值时，系统控制触发装置打开放电开关，使电容器快速放电；焊接时的脉冲电流至少要达到400KA以上，通过集磁器内的磁力实现外管与内管的焊接。
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