CN106181016A - 双金属层状复合板焊缝的电磁脉冲驱动焊接系统及方法 - Google Patents

双金属层状复合板焊缝的电磁脉冲驱动焊接系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种双金属层状复合板焊缝的电磁脉冲驱动焊接系统及方法，包括工作底座、弧形复板、脉冲储能电容器、高压间隙开关以及若干工作线圈；待焊接双金属层状复合板由底板及复板组成，底板位于工作底座上，复板位于底板上，弧形复板通过支撑杆固定于复板上，各工作线圈均位于弧形复板上，复板的中部开设有弧形坡口，底板上表面的中部为圆滑弧形面，弧形复板及弧形坡口正对所述圆滑弧形面，脉冲储能电容器、高压间隙开关及各工作线圈依次组成一个串联回路，该系统及方法能够有效的解决双金属层状复合板焊接后分层、结合界面强度低、致密性差的问题，能够得到高质量的双金属层状复合板，并且操作较为简单。

Description

双金属层状复合板焊缝的电磁脉冲驱动焊接系统及方法
技术领域
本发明属于焊接技术领域，涉及一种双金属层状复合板焊缝的电磁脉冲驱动焊接系统及方法。
背景技术
双金属层状复合板是将两种金属材料分层组合形成牢固贴合的板状复合材料。双金属板可以发挥两种单一金属的优点，具备特殊的物理、化学及力学性能，满足高强度、高比刚度、抗疲劳性、尺寸稳定、耐磨、抗振、防腐等要求，同时可以大大节省稀贵金属，降低成本。例如低碳钢通过与铝、钛或不锈钢等材料复合可以很好的克服其耐蚀性差的不足，从而可以在生产中得到更多的应用。目前，双金属复合板已被广泛应用于化工、石油、电力、机械、航空、航天、船舶等领域，已成为现代工业不可缺少的结构材料，具有广阔的应用前景。
通常双金属层状复合板是指两类不同的金属，对于异种金属复合结构的应用必须解决两种材料的焊接问题。由于二者的热物理性能存在很大的差异，熔焊时会产生较大的残余应力，且冶金相容性差，易形成脆性金属间化合物及低熔点共晶体，使接头塑韧性较差，难以在工程生产中应用。
爆炸焊是复合板焊接中采用的一种焊接方法，是一种固态焊接，以炸药作为能源,利用炸药在爆炸时产生的冲击波使两层或多层的同种或异种材料高速倾斜碰撞而结合在一起的方法。但是，爆炸焊工艺控制比较困难，容易出现分层、结合界面强度低和致密性差等缺陷，需要根据实际情况严格控制炸药量和界面间隔等工艺参数，其危险性使之较难应用于汽车制造业等领域。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种双金属层状复合板焊缝的电磁脉冲驱动焊接系统及方法，该系统及方法能够有效的解决双金属层状复合板焊接后分层、结合界面强度低、致密性差的问题，能够得到高质量的双金属层状复合板，并且操作较为简单。
为达到上述目的，本发明所述的双金属层状复合板焊缝的电磁脉冲驱动焊接系统包括工作底座、弧形复板、脉冲储能电容器、高压间隙开关以及若干工作线圈；
待焊接双金属层状复合板由底板及复板组成，底板位于工作底座上，复板位于底板上，弧形复板通过支撑杆固定于复板上，各工作线圈均位于弧形复板上，复板的中部开设有弧形坡口，底板上表面的中部为圆滑弧形面，弧形复板及弧形坡口正对所述圆滑弧形面，脉冲储能电容器、高压间隙开关及各工作线圈依次组成一个串联回路。
还包括用于给脉冲储能电容器充电的充电电源。
各工作线圈等间距分布。
本发明所述的双金属层状复合板焊缝的电磁脉冲驱动焊接方法包括下步骤：
1)压制成弧形复板，再将基板上表面的中部加工成圆滑弧形面，并在复板的中部开设弧形坡口，然后将基板的圆滑弧形面、复板的弧形坡口及弧形复板打磨干净，除去基板的圆滑弧形面、复板的弧形坡口及弧形复板表面的氧化物；
2)将基板及复板依次置于工作底座上，将弧形复板通过支撑杆置于复板上，使弧形复板、复板的弧形坡口正对基板的圆滑弧形面，再将工作线圈4置于弧形复板上；
3)接通高压间隙开关，则脉冲储能电容器瞬间放电形成脉冲电流，使工作线圈下方的弧形复板中产生涡流及瞬时强磁场，从而在弧形复板中产生磁脉冲力，弧形复板在磁脉冲力的作用下冲击复板的弧形坡口及基板的圆滑弧形面，并使其产生塑性变形，使弧形复板与基板包覆成为一体，并形成完全焊透的弧形焊缝，完成双金属层状复合板焊缝的电磁脉冲驱动焊接。
基板的材质为碳素钢或低合金钢。
复板的材质为铜、铝或铜与铝的合金。
基板上圆滑弧形面的宽度为10-20mm。
弧形复板的宽度为15-25mm，厚度为0.5-2mm。
弧形复板碰撞前的飞行速度为300-600m/s。
弧形复板与复板的夹角α为0°-14°。
本发明具有以下有益效果：
本发明所述的双金属层状复合板焊缝的电磁脉冲驱动焊接系统及方法在具体操作时，通过脉冲储能电容器瞬间放电形成脉冲电流，使工作线圈下方的弧形复板中产生涡流及瞬时强磁场，从而在弧形复板中产生磁脉冲力，进而使弧形复板撞击复板的弧形坡口及基板的圆滑弧形面，并产生塑性变形，使弧形复板与基板包裹在成为一体，由于弧形复板中产生的磁脉冲力较大，因此在弧形复板与基板之间形成完成焊透的弧形焊缝，避免焊接后出现分层、结合界面强度低、致密性差的问题，同时本发明采用固态免加热焊接工艺，无需加热，无需冷却，一次成型，可以在常温下继续拧，且焊接过程无明显升温，焊接接头界面为波形界面，接头强度接近于母材强度，同时焊接过程较短，无烟尘，绿色环保无污染。
附图说明
图1为本发明的正视图；
图2为本发明的结构示意图；
图3为图2中A-A方向的截面图；
图4为实施例一得到的T2/50号钢界面形貌图；
图5为实施例一得到的线扫描能谱分析图；
图6为实施例二得到的AA3003-O/20号钢界面形貌图；
图7为实施例二得到的AA3003-O/20号钢元素线扫描结果图。
其中，1为充电电源、2为脉冲储能电容器、3为高压间隙开关、4为工作线圈、5为弧形复板、6为支撑杆、7为圆滑弧形面、8为弧形坡口、9为双金属层状复合板、10为工作底座。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
参考图1、图2及图3，本发明所述的双金属层状复合板焊缝的电磁脉冲驱动焊接系统包括工作底座10、弧形复板5、脉冲储能电容器2、高压间隙开关3以及若干工作线圈4；待焊接双金属层状复合板9由底板及复板组成，底板位于工作底座10上，复板位于底板上，弧形复板5通过支撑杆6固定于复板上，各工作线圈4均位于弧形复板5上，复板的中部开设有弧形坡口8，底板上表面的中部为圆滑弧形面7，弧形复板5及弧形坡口8正对所述圆滑弧形面7，脉冲储能电容器2、高压间隙开关3及各工作线圈4依次组成一个串联回路。
本发明还包括用于给脉冲储能电容器2充电的充电电源1；各工作线圈4等间距分布。
本发明所述的双金属层状复合板焊缝的电磁脉冲驱动焊接方法包括下步骤：
1)压制成弧形复板5，再将基板上表面的中部加工成圆滑弧形面7，并在复板的中部开设弧形坡口8，然后将基板的圆滑弧形面7、复板的弧形坡口8及弧形复板5打磨干净，除去基板的圆滑弧形面7、复板的弧形坡口8及弧形复板5表面的氧化物；
2)将基板及复板依次置于工作底座10上，将弧形复板5通过支撑杆6置于复板上，使弧形复板5、复板的弧形坡口8正对基板的圆滑弧形面7，再将工作线圈4置于弧形复板5上；
3)接通高压间隙开关3，则脉冲储能电容器2瞬间放电形成脉冲电流，使工作线圈4下方的弧形复板5中产生涡流及瞬时强磁场，从而在弧形复板5中产生磁脉冲力，弧形复板5在磁脉冲力的作用下冲击复板的弧形坡口8及基板的圆滑弧形面7，并使其产生塑性变形，使弧形复板5与基板包覆成为一体，并形成完全焊透的弧形焊缝，完成双金属层状复合板9焊缝的电磁脉冲驱动焊接。
基板的材质为碳素钢或低合金钢。
复板的材质为铜、铝或铜与铝的合金。
基板上圆滑弧形面7的宽度为10-20mm。
弧形复板5的宽度为15-25mm，厚度为0.5-2mm。
弧形复板5碰撞前的飞行速度为300-600m/s。
弧形复板5与复板的夹角α为0°-14°。
实施例一
把两块铜-钢复合板材(材质组合为T2/50号钢，尺寸为(1.5+10.0)×200×70mm)基层先焊接在一起，焊缝长度为200mm，焊后把预对接的基板加工成与弧形复板5对应的圆滑弧形面7，复板上加工弧形坡口8，把T2板压制成长200mm、宽20mm、厚1.8mm的弧形复板5，将弧形复板5通过支撑杆6置于基板的圆滑弧形面7上方，弧形复板5与水平方向的夹角α为0，支撑杆6的高度为1.2mm，磁脉冲焊接试验前，将基板的圆滑弧形面7和复板的弧形坡口8及弧形复板5用砂纸或抛光轮打磨干净，除去金属表面的氧化物，露出金属光泽。当充电电源1给脉冲储能电容器2充电后，接通高压间隙开关3，则脉冲储能电容器2瞬间放电形成脉冲电流，放电能量为32.0kJ，使工作线圈4下方的弧形复板5中产生涡流，并相应产生瞬时强磁场，从而在弧形复板5中产生一瞬时、高压的强磁脉冲力，该强磁脉冲力迫使弧形复板5高速撞击基板的圆滑弧形面7和复板的弧形坡口8，碰撞速度约为400-500m/s，产生高速塑性变形，使弧形复板5与基板包覆成为一体并获得完全焊透的弧形焊缝，界面剪切强度为178MPa，在扫描电镜下通过线扫描能谱分析得到界面结合区基体元素扩散区(过渡区)宽度约2μm，没有发现泛铁现象。
实施例二
把两块铝-钢复合板板(材质组合为AA3003-O/20号钢，尺寸为(1.2+6.0)×125×50mm)基层先焊接在一起，焊缝长度为125mm，焊后把预对接的基板加工成与弧形复板5对应的圆滑弧形面7，复板上加工弧形坡口8，把A6111板压制成长125mm、宽18mm、厚1.5mm的弧形复板5，将弧形复板5通过支撑杆6置于基板的圆滑弧形面7上方，弧形复板5与水平方向的夹角α为0，支撑杆6的高度为1.0mm，磁脉冲焊接试验前，将基板的圆滑弧形面7和复板的弧形坡口8及弧形复板5用砂纸或抛光轮打磨干净，除去金属表面的氧化物，露出金属光泽，当高压充电电源1给脉冲储能电容器2充电后，接通高压间隙开关3，则脉冲储能电容器2瞬间放电形成脉冲电流，放电能量为20.0kJ，使工作线圈4下方的弧形复板5中产生涡流，并相应产生瞬时强磁场，从而在弧形复板5中产生瞬时、高压的强磁脉冲力，该强磁脉冲力迫使弧形复板5高速撞击下方基板的圆滑弧形面7和复板的弧形坡口8，碰撞速度约为300-400m/s，产生高速塑性变形，使弧形复板5与基板包覆成为一体并获得完全焊透的弧形焊缝；界面剪切强度为95MPa，在扫描电镜下通过线扫描能谱分析得到界面结合区基体元素扩散区(过渡区)约为20μm。

Claims (10)

1.一种双金属层状复合板焊缝的电磁脉冲驱动焊接系统，其特征在于，包括工作底座(10)、弧形复板(5)、脉冲储能电容器(2)、高压间隙开关(3)以及若干工作线圈(4)；
待焊接双金属层状复合板(9)由底板及复板组成，底板位于工作底座(10)上，复板位于底板上，弧形复板(5)通过支撑杆(6)固定于复板上，各工作线圈(4)均位于弧形复板(5)上，复板的中部开设有弧形坡口(8)，底板上表面的中部为圆滑弧形面(7)，弧形复板(5)及弧形坡口(8)正对所述圆滑弧形面(7)，脉冲储能电容器(2)、高压间隙开关(3)及各工作线圈(4)依次组成一个串联回路。
2.根据权利要求1所述的双金属层状复合板焊缝的电磁脉冲驱动焊接系统，其特征在于，还包括用于给脉冲储能电容器(2)充电的充电电源(1)。
3.根据权利要求1所述的双金属层状复合板焊缝的电磁脉冲驱动焊接系统，其特征在于，各工作线圈(4)等间距分布。
4.一种双金属层状复合板焊缝的电磁脉冲驱动焊接方法，其特征在于，基于权利要求1所述的双金属层状复合板焊缝的电磁脉冲驱动焊接系统，包括下步骤：
1)压制成型弧形复板(5)，再将基板上表面的中部加工成圆滑弧形面(7)，并在复板的中部开设弧形坡口(8)，然后将基板的圆滑弧形面(7)、复板的弧形坡口(8)及弧形复板(5)打磨干净，除去基板的圆滑弧形面(7)、复板的弧形坡口(8)及弧形复板(5)表面的氧化物；
2)将基板及复板依次置于工作底座(10)上，将弧形复板(5)通过支撑杆(6)置于复板上，使弧形复板(5)、复板的弧形坡口(8)正对基板的圆滑弧形面(7)，再将工作线圈(4)置于弧形复板(5)上；
3)接通高压间隙开关(3)，则脉冲储能电容器(2)瞬间放电形成脉冲电流，使工作线圈(4)下方的弧形复板(5)中产生涡流及瞬时强磁场，从而在弧形复板(5)中产生磁脉冲力，弧形复板(5)在磁脉冲力的作用下冲击复板的弧形坡口(8)及基板的圆滑弧形面(7)，并使其产生塑性变形，使弧形复板(5)与基板包覆成为一体，并形成完全焊透的弧形焊缝，完成双金属层状复合板(9)焊缝的电磁脉冲驱动焊接。
5.根据权利要求4所述的双金属层状复合板焊缝的电磁脉冲驱动焊接方法，其特征在于，基板的材质为碳素钢或低合金钢。
6.根据权利要求4所述的双金属层状复合板焊缝的电磁脉冲驱动焊接方法，其特征在于，复板的材质为铜、铝或铜与铝的合金。
7.根据权利要求4所述的双金属层状复合板焊缝的电磁脉冲驱动焊接方法，其特征在于，基板上圆滑弧形面(7)的宽度为10-20mm。
8.根据权利要求4所述的双金属层状复合板焊缝的电磁脉冲驱动焊接方法，其特征在于，弧形复板(5)的宽度为15-25mm，厚度为0.5-2mm。
9.根据权利要求4所述的双金属层状复合板焊缝的电磁脉冲驱动焊接方法，其特征在于，弧形复板(5)碰撞前的飞行速度为300-600m/s。
10.根据权利要求4所述的双金属层状复合板焊缝的电磁脉冲驱动焊接方法，其特征在于，弧形复板(5)与复板的夹角α为0°-14°。
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