CN104540982B - 用于碰撞焊接和金属片成形的电驱动快速汽化箔、线和带 - Google Patents

Abstract

一种用于形成金属片件的方法，其通过紧接金属片件放置由金属制成的可消耗体来执行。可消耗体快速汽化，并且由此产生的气压被引导到金属片件中。这导致金属片件的加速，且其以通常超过200m/s的一定速度碰撞到静止体中。取决于静止体的类型，金属片件变形为预定的形状或者焊接到静止体上。通过将高强度电流通入可消耗体中来实现汽化。汽化金属的效果可通过可消耗体中的附加成分而得以增大。

Description

用于碰撞焊接和金属片成形的电驱动快速汽化箔、线和带

相关申请的交叉引用

本申请要求享有在2013年3月15日提交的美国专利申请No.13/838,556的优先权，其为在2012年4月5日提交的美国临时申请No.61/620,500的非临时申请，各申请的内容通过引用而并入，如同完整叙述于此。

有关联邦支助R&D声明

本发明是通过桑迪亚国家实验室在由美国能源部授予的合同号No.DE-AC04-94AL85000下通过政府支持而完成的。政府拥有本发明中的一定权利。

技术领域

本发明涉及冲击金属加工领域。基于由薄导体的电驱动快速汽化所产生的压力，已发展出一种用于碰撞焊接和冲击驱动金属片成形的新方法。

背景技术

当金属片加速到极高速度并且障碍物放置于其路径中时，由于其惯性，它将配合到障碍物中或围绕障碍物配合。因此，如果障碍物为阴模形式，则片形成为特定形状，或者如果障碍物为尖锐边缘，则片剪切。还众所周知的是，如果撞击速率和角度在最佳范围内，则快速行进的金属件与另一个金属片的碰撞可导致焊接。通常当撞击速率在150m/s到500m/s的范围内并且撞击角度在5到20度之间时观察到碰撞焊接。相比于传统的准静态方法，冲击金属加工具有一些明显优势。冲击成形导致更低的回弹、更高的可成形性并且可以利用单面加工来实施。撞击焊接已经示出产生了比母体材料更强的焊接点。这是存在极小或没有热影响区域的固态焊接工艺，因此不形成脆性金属间化合物。该工艺广泛应用于连结通过常规熔焊工艺极难焊接，有时不能焊接的异种金属。用于将金属工件驱动到高速的两种最常见手段是电磁力和爆炸物。

工件的电磁起动基于电磁感应规律和洛伦兹力。当导体(视为次级线圈)定位成紧接携带瞬态电流的另一个导体(视为初级线圈)时，在前者中感应出与磁场变化相反的电流。这些携带相反电流的导体互斥，且从而工件被加速到高速。初级线圈通常通过将其包封在环氧基质中来与工件隔离。如果循环次数较低，则该过程中产生的焦耳热可使环氧材料熔化，从而导致电流不足。还存在初级线圈上的压力限制，其取决于环氧树脂以及线圈材料的机械强度。因此，电磁成形的应用被长寿命电磁线圈的可用性限制在高能量和多次操作。此外，工件或者必须是导电性的，或者其必须被传导性的飞片驱动。使用爆炸以用于成形或焊接有其自身的问题。难以在封闭的工业设施内进行它们的安全实施。此外，它们大多仅仅用于大尺度的用途，并且存在基础设施方面的高额支出。此外，存在限制爆炸物使用的政府和OSHA规定。

发明内容

已知的电磁和爆炸金属加工技术遇到的一些困难通过如下所述的方法和装置得以解决。

在用于形成金属片件的方法的一个实施方式中，包括金属的可消耗体定位成紧接金属片件。通过使可消耗体快速汽化并且将由快速汽化的金属产生的气压导入金属片件中来加速金属片件。加速的金属片件碰撞到静止体中，从而形成成形的金属片件。

在该方法的多个实施方式中，可消耗体包括金属箔，然而认为许多其他金属形式，诸如线、网格等可用于此目的。

在该方法的一种形式中，静止体是模具并通过碰撞使金属片件变形，以产生期望的形状或表面结构。在该方法的另一种形式中，静止体是包含孔的模具，使得通过碰撞使金属片件穿孔或剪切，以产生期望的孔或一系列孔。

在又一方法中，静止体是另一金属件，并且通过碰撞使金属片件焊接到其。在这种类型的实施方式中，金属片件和该另一金属件可为异种金属。

在这些方法中的任一者中，在加速步骤期间，金属片件达到200到2000m/s的范围内的速率。

在多个实施方式中，铝及其合金为可消耗体中的金属箔。

当制备可消耗体时，一些实施方式将还包括不稳定高能化学混合物的层。例如，这可以是氧化剂燃料混合物或诸如硝基甲烷的不稳定化合物。一个示例性的不稳定高能化学混合物包括煤油和氯酸钾。在一些情形中，还可以向可消耗体添加聚氨酯弹性体的层，优选在朝向待加速的金属片件的面上。这种聚氨酯层可以与或者不与不稳定的高能化学混合物一起使用。

在其它实施方式中，可消耗体包括两层金属箔或网格，具有不稳定高能化学混合物的中间层。

可通过将高强度电流快速地通入箔中(特别通过使电容器或电容器组放电)来实现可消耗体的汽化。

在这些方法中的许多中，可消耗体、金属片件和静止体按照此顺序布置在一对金属块之间，金属块中的各个在重量上显著超过金属片件，由此将汽化的流朝金属片件引导，并且使金属片件朝静止体加速。

附图说明

当参考附图时，将更好地理解本发明，其中，相同部件利用相同的参考数字来识别，并且其中：

图1示出用于汽化箔碰撞焊接的装置的照片；

图2示出焊接点的正面和背面照片，其中镁合金AZ91D焊接到铝合金AA6061-T6；

图3示出通过汽化箔方法得到的不同焊接点的照片；

图4示出通过使用5.6KJ能量汽化0.005英寸厚的宽铝箔形成的0.023英寸厚的AA3003-H14片的前侧和后侧的照片；

图5示出通过使用6.4KJ能量汽化0.005英寸厚的宽铝箔形成的0.023英寸厚的AA3003-H14片的前侧和后侧的照片；

图6示出用于增强汽化箔的形成穿孔片的装置；

图7示出(a)未增强，使用6.4KJ输入电能，和(b)增强，使用4KJ输入电能形成为穿孔片的0.023英寸厚AA6061-T6片的照片；

图8示出用于形成到便携式电话模具中的非增强汽化箔-聚氨酯垫的装置；

图9示出使用汽化箔-聚氨酯垫成形物质形成到便携式电话模具中的钛片的照片；

图10是使用电驱动汽化箔实施金属片的碰撞焊接的示意图；并且

图11是使用电驱动汽化箔在具有中间弹性体层的情况下并且在增强或非增强情况下实施金属片的冲击成形的示意图。

具体实施方式

用于本发明的驱动器非常坚固，并且用于每次循环的可消耗体是不昂贵的铝箔。此外，虽然爆炸成形经常在不受限制的宽大环境中进行，本发明的目标是将能量集中于相对小的局限性区域中，从而提供可在常规工厂环境中实施的技术。

大量电荷贮存在电容器组中，当跨越薄导体快速放电时，立即汽化后者并且导致围绕汽化区域的高压区。如果正确地引导，则由该事件产生的气体或等离子体可有效地将片、管等推进到极高速度。在本发明中，通过使高强度电流通过薄铝箔而使薄铝箔快速汽化，并且因该状态变化而产生的压力用于将金属片驱使到超过200m/s的速率。金属片可随后形成到阴模中，或者与另一金属目标碰撞焊接。对于成形应用，弹性体用于在较大面积上均匀地分布压力。而且，通过使用该方法，可引爆少量的氧化剂燃料混合物就增大所得压力。

碰撞焊接

金属片正对着隔离的铝箔放置，铝箔的末端连接到电容器组的端子。当电容器组放电时，数量级为100kAmp的高强度电流在几十微秒内流过箔。箔由重金属块支持。

因此，当箔汽化时，所有反作用力朝向金属片，并且使其朝间隔一定距离的目标片加速到高速。当前装置使用的间隔距离是0.023″和0.046"。一旦撞击，则两个金属板与彼此焊接在一起。飞片或目标片可以具有表面特征以确保倾斜撞击，因为平面撞击阻止碰撞焊接所必需的喷射现象。2、3和4个铝片使用该方法在单次发射中焊接在一起。而且，使用该方法已得到异种金属焊接物例如铝-钢和镁-铝。这非常适用于汽车工业，汽车工业寻求将轻量材料例如镁和铝与更强的结构金属如钢焊接在一起的方法。

冲击成形

汽化箔与工件之间的聚氨酯(弹性体)层有助于转移压力并且使其分布在工件的更大区域上。尽管聚氨酯被认为是使工件加速的可消耗体的一部分，但应当容易地理解，在许多情况下，聚氨酯在过程后仍仍残存并且能够再利用。在焊接的情形下，同样在该装置中，通过使贮存在电容器组内的大量电荷通过来使隔离的铝箔汽化。一旦由快速汽化产生的压力波到达工件，则它几乎立即使后者加速到超过200m/s的速率。然后工件成形到模具中。如图4和5所示，此时，铝合金3003-H14已被挤入穿孔的钢片中。

在图4和5中，存在两处值得注意的观察结果。首先，巨大压力产生并且转移到工件中。为了在常规冲压中得到类似的变形，需要极高的压力。撞击在当前方法中产生了极高压力。再者，压力分布在比箔的面积大得多的面积中。这通过使用聚氨酯作为压力转移介质而得以实现。

为了得到更高的压力，可以将氧化剂燃料混合物放置在两层铝箔之间，如图6所示。由汽化箔产生的压力导致混合物的引爆，并且导致更多气态产物的形成。此外，由于电流在两层箔中沿相同方向流动，故它们通过洛伦兹力而被朝彼此吸引，并且有助于增加增强层上的引爆压力。如参见图7，通过包括增强，存在压力的显著增大。

如图8所示，还将该装置用于真正制造产品(便携式电话外壳)。使用该方法形成了商业纯钛片，并且获得了与模具形状的几乎完全顺应。在边界处存在一些撕裂，但是这可以在准静态冲压中通过对片穿孔并且然后通过汽化箔来对它给予冲击而得以校正。来自单和双步骤方法的结果示于图9中。

本部分根据前述概述部分详细描述了本发明以及它以台架原型形式设立的方式。

图10描述了通过使用由隔离的铝箔106产生的压力朝目标板104驱动飞板105来实施碰撞焊接的系统。该图是装置的纵向剖面。因而铝箔106在图前部连接到电容器组的一个端子并且在图10后部连接到另一个端子。使用聚酰亚胺带将铝箔106与其周围环境隔离。当高的瞬态电流通过铝箔106时，它在几微秒内汽化。铝蒸汽还形成氧化物和氮化物，它们的反应极度放热并且导致气体的进一步膨胀。气体不能使重的支持块107移动。所以它们向上推动飞板105。飞板移动一定距离并且以一定角度撞击目标板104。移动距离和撞击角度由间隔片103的厚度决定。飞板105或目标板104可以具有雕刻的表面特征，以确保倾斜撞击。目标板由钢块102支持。在通过螺栓或水压机提供的夹紧力100的帮助下，整个装置被夹紧在一起。

图11表示用于通过使用电容器组放电增强或非增强的箔汽化而实施冲击成形的系统。除了少许改动，该装置与用于碰撞焊接的装置类似。在铝箔206与金属片204之间存在聚氨酯垫205的层。一旦箔汽化，则铝蒸汽与氧和氮反应，以产生更多热。此外，由该快速汽化产生的压力导致氧化剂燃料混合物(在当前装置中为氯酸钾和煤油)的引爆，从而导致更高压力。压力波移动穿过聚氨酯层并且将金属片204推到穿孔板/阴模203中，由此使金属片204成形。穿孔板/模具由重支持块202支持。类似焊接装置，夹紧力200沿竖直方向提供压缩力。聚氨酯垫205可放置在钢槽208中，以确保压力波竖直移动并且有效地联接至金属片204。

Claims (18)

1.一种用于形成金属片件的方法，包括下列步骤：

紧接所述金属片件放置包括金属的可消耗体；

通过使所述可消耗体快速地汽化来加速所述金属片件，并且将由该快速地汽化的金属产生的气压导入所述金属片件中；并且

使加速的金属片件碰撞到静止体中，从而形成成形的金属片件。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：

所述可消耗体包括金属箔。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：

在碰撞步骤中，所述静止体是模具并且通过碰撞使所述金属片件变形，以产生期望的形状或表面结构。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：

在碰撞步骤中，所述静止体是包含孔的模具，使得通过碰撞使所述金属片件穿孔或剪切，以产生期望的孔或一系列孔。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：

在碰撞步骤中，所述静止体是另一金属件，并且通过碰撞使所述金属片件焊接到其上。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：

所述金属片件和所述另一金属件是异种金属。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：

在加速步骤中，所述金属片件达到200到2000m/s的范围内的速率。

8.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：

所述可消耗体中的所述金属箔包括铝。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：

所述可消耗体还包括不稳定高能化学混合物的层。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于：

所述不稳定高能化学混合物包括煤油和氯酸钾。

11.根据权利要求8所述的方法，其特征在于：

所述可消耗体还包括聚氨酯弹性体的层。

12.根据权利要求9所述的方法，其特征在于：

所述可消耗体还包括聚氨酯弹性体的层，所述不稳定高能化学混合物布置在所述金属箔与所述聚氨酯弹性体之间。

13.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：

所述可消耗体包括两层金属箔或网格，具有氧化剂燃料混合物的中间层。

14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于：

所述氧化剂燃料混合物包括煤油和氯酸钾。

15.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：

通过将高强度电流快速地通入箔中来实现加速步骤。

16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于：

通过使电容器组放电来实现所述高强度电流。

17.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：

所述可消耗体、所述金属片件和所述静止体按照此顺序布置在一对金属块之间，金属块中的各个重量显著超过所述金属片件，由此将汽化流朝所述金属片件引导并且使所述金属片件朝所述静止体加速。

18.一种用于在金属片件与另一金属件之间形成碰撞焊接的方法，包括下列步骤：

紧接所述金属片件放置包括铝箔的可消耗体；

通过将瞬态高强度电流放电到所述可消耗体中来加速所述金属片件，所述可消耗体快速地汽化，并且将快速地汽化的金属的流引导到所述金属片件中，从而使所述金属片件加速到200到2000m/s的范围内的速率；并且

使加速的金属片件碰撞到所述另一金属件中，从而形成碰撞焊接。