CN105014224B - 一种异种金属板材的高速率变形连接方法与装置 - Google Patents

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Abstract

一种异种金属板材的高速率变形连接方法与装置，属于塑性变形连接领域。它是为了解决现有板材磁脉冲连接技术存在的能量利用率低等问题。本发明通过磁脉冲变形连接装置对置于感应电流通道中的螺线管线圈放电，该线圈电流使与之邻近的连接板中产生感应电流。该感应电流在连接板和感应电流通道形成的回路中流通。线圈电流磁场和感应电流磁场在螺线管线圈和连接板‑感应电流通道串联回路的间隙内产生叠加而增强。这一增强磁场和连接板感应电流作用，使连接板受到法向向下的高强脉冲磁压力载荷作用，产生向下高速率变形和加速运动，进而与被连接板发生冲击碰撞。在冲击接触界面上发生了剧烈的剪切塑性变形，实现异种金属板材的连接。

Description

一种异种金属板材的高速率变形连接方法与装置
技术领域
本发明属于塑性变形连接领域，尤其涉及冲击变形连接技术。
背景技术
随着经济的迅速发展和科学技术的不断进步，各种新型材料、工艺、设备的不断出现，对于零部件的性能要求提到了一个新的高度。由于异种金属能综合两种或者多种金属材料的优点，节约贵重金属，降低整体结构的成本，引起先进制造领域的高度重视。目前，异种金属复合材料是汽车、航空航天上所必须使用的材料之一。但是，由于待连接的两种金属母材在化学和物理性能上存在巨大的差异，使得传统焊接方式难以进行，在焊接过程中容易产生脆性的金属间化合物，导致接头强度和其他服役性能下降。
实现异种金属的连接的方法主要有机械连接、粘接和焊接等。机械连接包括铆接、螺接和冲压连接等。通过机械连接得到的接头强度较高，但是接头的气密性不好，不能满足现代工业对被连接结构密封方面的制造要求，并且会留下痕迹，表面质量较差。粘接接头机械强度偏低，只能应用于强度要求不高的场合。异种金属的焊接方法包括熔化焊、摩擦焊和钎焊等。其中摩擦焊工装结构复杂，适合于较厚的金属板材。而熔化焊和钎焊等焊接接头存在热影响区，连接区内产生硬脆的金属间相，因母材物性的显著差异导致接头存在显著内应力，常导致焊后开裂或在服役过程中开裂。
与传统的连接技术相比，磁脉冲变形连接属于室温变形连接技术；连接过程极短，生产效率高；与焊接技术相比，不会产生强光和有毒气体，对人伤害较小，属于绿色环保技术；与爆炸焊接相比，撞击没有那么强烈，更加安全可靠，简便易行；连接所需放电能量可精度控制，易于进行多次重复成形，所以适合现代工业化生产；连接过程耗时短，仅微秒级，抑制了接头处金属间化合物的产生、消除接头内应力、无热影响区；常温下可以实现连接，应用更加广泛。然而，目前的板材磁脉冲连接工艺使用单匝线圈，能量利用率低，对设备的要求很高，只适合连接薄板部件并且连接区窄小，连接过程对设备损害大。
发明内容
本发明是为了解决现有板材磁脉冲连接技术存在的能量利用率低、线圈结构强度低、脉冲磁压力沿线圈轴向分布不均、对设备的要求高的问题，现提供一种异种金属板材的高速率变形连接方法与装置。
一种异种金属板材的高速率变形连接方法，该方法为：
将被连接板2放置在刚性支撑架1上；
将两个绝缘隔板4放置在被连接板2上，绝缘板厚介于0.5mm-5mm之间，且两个绝缘隔板4之间留有间距，间距介于3mm-25mm之间；
将连接板3放置在两个绝缘隔板4上，连接板厚度介于0.2mm-3mm之间；
将螺线管线圈6置于感应电流通道5内，使螺线管线圈6与感应电流通道5同心、同轴放置，且螺线管线圈6的工作长度大于感应电流通道5的宽度，将感应电流通道5与连接板3压紧；
通过磁脉冲变形连接装置9经置于感应电流通道5中的螺线管线圈6放电，使被连接板2受到向下的高强脉冲磁压力载荷作用，在该作用下，连接板3产生高速率变形和加速运动，进而和被连接板2发生高速率冲击接触，通过在被连接板2和连接板3接触界面上发生的剧烈塑性变形，实现异种金属板材的高速率变形连接。
实现上述的一种异种金属板材的高速率变形连接方法的装置，它包括刚性支撑架1、两个绝缘隔板4、感应电流通道5、螺线管线圈6和磁脉冲变形连接装置9；
将被连接板2铺设在刚性支撑架1上，连接板3铺设在被连接板2上，所述被连接板2和连接板3之间设置有两个绝缘隔板4；所述两个绝缘隔板4沿螺线管线圈6的轴线对称；每个绝缘板4的厚度介于0.5mm-5mm之间，且间距介于3mm-25mm之间；
感应电流通道5压紧在连接板3的上表面，螺线管线圈6同心设置在感应电流通道5中；
磁脉冲变形连接装置9用于对置于感应电流通道5中的螺线管线圈6通电。
螺线管线圈6的工作长度大于感应电流通道5的宽度。
它还包括控制箱7，所述控制箱7用于控制磁脉冲变形连接装置9进行充电；还用于在充电完毕后，控制单刀双掷开关8的闭合方向，电容C放电。
两个绝缘隔板4均为高强度绝缘材料，通过调节隔板厚度0.5mm～5mm和间距3mm～25mm，改变和优化连接板3和被连接板2在冲击变形连接过程中的速度和角度，实现连接板3和被连接板2的冶金连接。
磁脉冲变形连接装置9包括整流桥电路、限流电阻R、电容C和单刀双掷开关8；
所述整流桥电路的两个电源端接入380V电源；
所述整流桥电路的正极端与限流电阻R的一端连接；所述电阻R的另一端与单刀双掷开关8的一个静端连接；单刀双掷开关8的另一个静端是磁脉冲变形连接装置9的一个电源输出端，且与置于感应电流通道5中的螺线管线圈6的一接线端电连接；
所述整流桥电路的负极端端与电容C的负极端连接，同时作为磁脉冲变形连接装置9的另一个电源输出端，且与螺线管线圈6的另一接线端电连接；
电容C的正极端与单刀双掷开关8的动端连接。
本发明提出一种异种金属板材的高速率变形连接方法及其实现装置，相较于传统的把异种金属板材连接的高温、加压过程改为室温下的高速率冲击变形连接，一方面减少了连接区内的脆硬金属间化合物，显著改善接头的微观组织结构、提高异种金属板材连接接头的力学性能；另一方面，通过采用基于螺线管线圈的连接装置替代原板材磁脉冲连接工艺采用的单匝线圈结构，提高了磁脉冲变形连接的能量利用率，提高线圈结构强度，使脉冲磁压力沿线圈轴向分布均匀，工装结构简单、易于操作，从而提高了异种金属板材连接能力和工艺灵活性。
本发明充分发挥磁脉冲连接过程耗时极短、生产效率高、连接过程中无热影响区、不产生金属间化合物、接头强度超过母材强度的优点，采用螺线管线圈代替传统的单匝线圈，提高了加工能力、对设备要求降低、提高了能量的利用率、工装结构易实现，对获得高强度、轻量化、复合性能的异种金属板材结构件提出一种高质量的连接制造方法，尤其适合以铝-钢为代表异种金属薄板结构的冶金连接。
附图说明
图1为本发明所述的一种异种金属板材的高速率变形连接方法的原理图；
图2为板材变形连接过程示意图；其中，A表示变形连接前的板材结构，B表示变形连接中的板材结构，C表示变形连接后的板材结构。
具体实施方式
具体实施方式一：参照图1具体说明本实施方式，本实施方式所述的一种异种金属板材的高速率变形连接方法，该方法为：
将被连接板2放置在刚性支撑架1上，
将两个绝缘隔板4放置在被连接板2上，绝缘板厚介于0.5mm-5mm之间，且两个绝缘隔板4之间留有间距，间距介于3mm-25mm之间，
将连接板3放置在两个绝缘隔板4上，连接板厚度介于0.2mm-3mm之间，
将螺线管线圈6置于感应电流通道5内，使螺线管线圈6与感应电流通道5同心、同轴放置，且螺线管线圈6的工作长度大于感应电流通道5的宽度，
将感应电流通道5与连接板3压紧，
通过磁脉冲变形连接装置9经置于感应电流通道5中的螺线管线圈6放电，使连接板 3高速率变形和加速运动，进而和被连接板2发生高速率冲击接触，通过在被连接板2和连接板3接触界面上发生的剧烈塑性变形，实现异种金属板材的高速率变形连接，获得异种金属连接接头。
本实施方式中，螺线管线圈6的工作长度大于感应电流通道5的宽度，能够保证在连接的过程中，作用于连接板3上的磁压力沿线圈轴向均匀分布，在异种金属板材间产生足够的连接长度。
本实施方式原理如下：通过磁脉冲变形连接装置9对置于感应电流通道5中的螺线管线圈6放电，通过螺线管线圈6的脉冲大电流具有瞬时衰减震荡特性。根据电磁感应定律，该线圈电流使与之邻近的连接板3中产生感应电流。该感应电流在连接板3和感应电流通道5形成的回路中流通，具有瞬态变化的特性，因此又产生感应磁场。线圈电流磁场和感应电流磁场在螺线管线圈6和连接板3-感应电流通道5串联回路的间隙内产生叠加而增强。这一增强磁场和连接板3感应电流作用，使连接板3受到法向向下的高强脉冲磁压力载荷作用，产生向下高速率变形和加速运动，进而和与之相对的被连接板2发生冲击碰撞。在冲击接触界面上发生了剧烈的剪切塑性变形，实现异种金属板材的连接。
具体实施方式二：本实施方式是对具体实施方式一所述的一种异种金属板材的高速率变形连接方法作进一步说明，本实施方式中，在该方法之前进行如下步骤：被连接板2和连接板3的待连接的接合表面进行清理，对感应电流通道5与连接板3的接触面进行清理，减小接触电阻。
本实施方式中，对异种金属板材待连接的接合表面进行清理，如钢刷或砂纸打磨除锈、丙酮清洗除油等，保证接触面平整、光滑。
具体实施方式三：本实施方式是对具体实施方式一所述的一种异种金属板材的高速率变形连接方法作进一步说明，本实施方式中，利用磁脉冲变形连接装置9对置于感应电流通道5中的螺线管线圈6通电，所述磁脉冲变形连接装置9包括：整流桥电路、限流电阻R、电容C和单刀双掷开关8；
整流桥电路用于将外界交流电压整流为直流电压，整流桥电路的直流电压正极连接限流电阻R的一端，限流电阻R的另一端连接单刀双掷开关8的一个静端，整流桥电路的直流电压负极同时连接电容C的负极端和螺线管线圈6的一个接线端，电容C的正极端连接单刀双掷开关8的动端，单刀双掷开关8的另一个静端连接螺线管线圈6的另一个接线端。
本实施方式在实际应用时，利用控制箱7控制磁脉冲变形连接装置9的充电，充电完 毕，改变单刀双掷开关8的闭合方向，电容器放电，连接板3和被连接板2发生高速率冲击接触变形，获得异种金属连接接头。电容C电容量为50-2000uF，放电电压为3～20k V。
本实施方式原理如下：通过控制箱7控制单刀双掷开关8的状态，连通由整流桥电路、限流电阻R和电容C构成的磁脉冲变形连接装置9的充电回路。380V外网电源通过充电回路对电容C充电。当充电至预设电压后，通过控制箱7切断充电回路，并连通由电容C、导线和同心、同轴置于感应电流通道5中的螺线管线圈6构成的放电回路。由于电容C和螺线管线圈6构成典型的RLC回路，通过螺线管线圈6的放电电流具有瞬时衰减震荡特性。根据电磁感应定律，该线圈电流使与之邻近的连接板3中产生感应电流。该感应电流在连接板3和感应电流通道5形成的回路中流通，具有瞬态变化的特性，因此又产生感应磁场。线圈电流磁场和感应电流磁场在螺线管线圈6和连接板3-感应电流通道5的串联回路的间隙内产生叠加而增强。这一增强磁场和连接板3感应电流作用，使连接板3受到向下的高强脉冲磁压力载荷作用，产生向下高速率加速运动和变形，进而和与之位置相对的被连接板2发生冲击碰撞。在冲击接触界面上发生了剧烈的剪切塑性变形，即实现异种金属板材的连接。变形连接过程如图2所示。
在图1所示的各部分结构确定的情况下，即：待连接材料物理性能、隔板间距、隔板厚度、线圈参数等，作用于连接板3上脉冲磁压力载荷大小主要取决于磁脉冲变形连接装置9中放电能量E。根据式(1)可知，即决定于电容量C0及电容C两端的放电电压U0。
E＝C0U0 2/2 (1)
由此，在设备条件给定条件下，可通过控制箱7来调整放电电压，从而改变输入能量，进而调节变形连接过程。为实现上述操作过程顺利实施，需要注意以下几个方面：
(1)刚性支撑要求有足够的刚度，能够承受磁脉冲变形连接过程中产生的冲击力；
(2)感应电流通道5与连接板3有足够的锁紧力，承受磁脉冲变形连接过程的冲击力，确保感应电流通道5与连接板3的充分接触，为感应电流提供闭合通道；
(3)插入感应电流通道5内的螺线管线圈6工作长度要大于感应电流通道的宽度10-20mm；
(4)两个绝缘隔板4为高强度绝缘材料，如玻璃丝布环氧树酯层压板等，通过调节隔板厚度(0.5～5mm)和间距(3～25mm)，改变和优化连接板3和被连接板2在冲击变形连接过程中的速度和角度，实现二者的冶金连接。
具体实施方式四：本实施方式是对具体实施方式一所述的一种异种金属板材的高速率变形连接方法作进一步说明，本实施方式中，被连接板2为钢板，其厚度为1mm-10mm。
具体实施方式五：本实施方式是对具体实施方式一所述的一种异种金属板材的高速率变形连接方法作进一步说明，本实施方式中，连接板3为铝合金板，其厚度为0.2mm-3mm。
具体实施方式六：实现具体实施方式一的一种异种金属板材的高速率变形连接方法的装置，它包括刚性支撑架1、两个绝缘隔板4、感应电流通道5、螺线管线圈6和磁脉冲变形连接装置9；
将被连接板2铺设在刚性支撑架1上，连接板3铺设在被连接板2上，所述被连接板2和连接板3之间设置有两个绝缘隔板4；所述两个绝缘隔板4沿螺线管线圈6的轴线对称；每个绝缘板4的厚度介于0.5mm-5mm之间，且间距介于3mm-25mm之间；
感应电流通道5压紧在连接板3的上表面，螺线管线圈6同心设置在感应电流通道5中；
磁脉冲变形连接装置9用于对置于感应电流通道5中的螺线管线圈6通电。
螺线管线圈6的工作长度大于感应电流通道5的宽度。
它还包括控制箱7，所述控制箱7用于控制磁脉冲变形连接装置9进行充电；还用于在充电完毕后，控制单刀双掷开关8的闭合方向，电容C放电。
两个绝缘隔板4均为高强度绝缘材料，通过调节隔板厚度0.5mm～5mm和间距3mm～25mm，改变和优化连接板3和被连接板2在冲击变形连接过程中的速度和角度，实现连接板3和被连接板2的冶金连接。
两个绝缘隔板4均为玻璃丝布环氧树酯层压板。
磁脉冲变形连接装置9包括整流桥电路、限流电阻R、电容C和单刀双掷开关8；
所述整流桥电路的两个电源端接入380V电源；
所述整流桥电路的正极端与限流电阻R的一端连接；所述电阻R的另一端与单刀双掷开关8的一个静端连接；单刀双掷开关8的另一个静端是磁脉冲变形连接装置9的一个电源输出端，且与置于感应电流通道5中的螺线管线圈6的一个接线端电连接；
所述整流桥电路的负极端与电容C的负极端连接，同时作为磁脉冲变形连接装置9的另一个电源输出端，且与螺线管线圈6另一个接线端电连接；
电容C的正极端与单刀双掷开关8的动端连接。
具体实施例一：针对铝合金板与钢板进行连接。
连接板为铝合金，牌号为工业纯铝AA1060，厚度为0.8mm。被连接板为碳钢板，牌号Q235，厚度1.0mm。二者平面内尺寸均为50mm×100mm。绝缘隔板厚度1.5mm，两 个绝缘隔板间距15mm。
AA1060和Q235板材都经过砂布打磨(砂布规格400#)除锈，直至出现新金属表面。然后用高纯度(乙醇质量分数99.7％)工业酒精进行表面清洗，去掉杂质，然后吹干。为保证样品表面质量，准备好的样品要在30分钟内完成连接。
磁脉冲变形连接装置额定电压20kV，电容量100μF，可调电压范围3-20kV。
基于上述实验条件，在放电电压10kV条件下，获得了连接接头。接头的力学性能测试发现，接头的抗拉强度超过了母板(铝合金板)的抗拉强度，破裂发生在铝合金板。对接头截取试样观察微观组织，发现连接区呈现平直界面状态，连接区宽度微米级，界面两侧发生基体元素互扩散。上述结果表明，通过本发明的方法获得了高质量的冶金连接接头。
具体实施例二：针对铜板与钢板进行连接。
连接板为T2紫铜板，厚度1mm。被连接板为碳钢板，牌号Q235，厚度1.0mm。二者平面内尺寸均为50mm×100mm。绝缘隔板厚度1.5mm，两个绝缘隔板间距15mm。
T2紫铜和Q235板材都经过砂布打磨(砂布规格400#)除锈，直至出现新金属表面。然后用高纯度(乙醇质量分数99.7％)工业酒精进行表面清洗，去掉杂质，然后吹干。为保证样品表面质量，准备好的样品要在30分钟内完成连接。
磁脉冲变形连接装置额定电压20kV，电容量100μF，可调电压范围3-20kV。
基于上述实验条件，在放电电压12kV条件下，获得了连接接头。接头的力学性能测试发现，接头的抗拉强度超过了母板(铜板)的抗拉强度，破裂发生在铜板。对接头截取试样观察微观组织，发现连接区呈现微波状界面状态，连接区宽度微米级，界面两侧发生基体元素互扩散。上述结果表明，通过本发明的方法获得了高质量的冶金连接接头。

Claims (9)

1.一种异种金属板材的高速率变形连接方法，该方法为：
将被连接板(2)放置在刚性支撑架(1)上；
将两个绝缘隔板(4)放置在被连接板(2)上，绝缘板厚介于0.5mm-5mm之间，且两个绝缘隔板(4)之间留有间距，间距介于3mm-25mm之间；
将连接板(3)放置在两个绝缘隔板(4)上，连接板厚度介于0.2mm-3mm之间；
将螺线管线圈(6)置于感应电流通道(5)内，使螺线管线圈(6)与感应电流通道(5)同心、同轴放置，且螺线管线圈(6)的工作长度大于感应电流通道(5)的宽度，将感应电流通道(5)与连接板(3)压紧；
通过磁脉冲变形连接装置(9)经置于感应电流通道(5)中的螺线管线圈(6)放电，使被连接板(2)受到向下的高强脉冲磁压力载荷作用，在该作用下，连接板(3)产生高速率变形和加速运动，进而和被连接板(2)发生高速率冲击接触，通过在被连接板(2)和连接板(3)接触界面上发生的剧烈塑性变形，实现异种金属板材的高速率变形连接。
2.根据权利要求1所述的一种异种金属板材的高速率变形连接方法，其特征在于在该方法之前进行如下步骤：对被连接板(2)和连接板(3)的待连接的接合表面进行清理，对感应电流通道(5)与连接板(3)的接触面进行清理。
3.实现权利要求1所述的一种异种金属板材的高速率变形连接方法的装置，其特征是：它包括刚性支撑架(1)、两个绝缘隔板(4)、感应电流通道(5)、螺线管线圈(6)和磁脉冲变形连接装置(9)；
将被连接板(2)铺设在刚性支撑架(1)上，连接板(3)铺设在被连接板(2)上，所述被连接板(2)和连接板(3)之间设置有两个绝缘隔板(4)；所述两个绝缘隔板(4)沿螺线管线圈(6)的轴线对称；每个绝缘板(4)的厚度介于0.5mm-5mm之间，且间距介于3mm-25mm之间；
感应电流通道(5)压紧在连接板(3)的上表面，螺线管线圈(6)同心设置在感应电流通道(5)中；
磁脉冲变形连接装置(9)用于对置于感应电流通道(5)中的螺线管线圈(6)通电；
螺线管线圈(6)的工作长度大于感应电流通道(5)的宽度。
4.根据权利要求3所述的一种异种金属板材的高速率变形连接方法的装置，其特征在于螺线管线圈(6)的工作长度大于感应电流通道(5)的宽度。
5.根据权利要求3或4所述的一种异种金属板材的高速率变形连接方法的装置，其特征在于它还包括控制箱(7)，所述控制箱(7)用于控制磁脉冲变形连接装置(9)进行充电；还用于在充电完毕后，控制单刀双掷开关(8)的闭合方向，电容C放电。
6.根据权利要求5所述的一种异种金属板材的高速率变形连接方法的装置，其特征在于两个绝缘隔板(4)均为高强度绝缘材料，通过调节隔板厚度0.5mm～5mm和间距3mm～25mm，改变和优化连接板(3)和被连接板(2)在冲击变形连接过程中的速度和角度，实现优化连接板(3)和被连接板(2)的冶金连接。
7.根据权利要求3或4或6所述的一种异种金属板材的高速率变形连接方法的装置，其特征在于两个绝缘隔板(4)均为玻璃丝布环氧树酯层压板。
8.根据权利要求7所述的一种异种金属板材的高速率变形连接方法的装置，其特征在于磁脉冲变形连接装置(9)包括整流桥电路、限流电阻R、电容C和单刀双掷开关(8)；
所述整流桥电路的正极端与限流电阻R的一端连接；所述电阻R的另一端与单刀双掷开关(8)的一个静端连接；单刀双掷开关(8)的另一个静端是磁脉冲变形连接装置(9)的一个电源输出端，且与置于感应电流通道(5)中的螺线管线圈(6)的一接线端电连接；
所述整流桥电路的负极端与电容C的负极端连接，同时作为磁脉冲变形连接装置(9)的另一个电源输出端，且与螺线管线圈(6)的另一接线端电连接；
电容C的正极端与单刀双掷开关(8)的动端连接。
9.基于权利要求1的一种异种金属板材的高速率变形连接方法获得的冶金接头。
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