CN107000113A

CN107000113A - 用于扁平零件的磁脉冲焊接的线圈和相关焊接方法

Info

Publication number: CN107000113A
Application number: CN201580063325.7A
Authority: CN
Inventors: 吉勒·阿弗里劳德; 让-保尔·曲科勒朗代; 塞缪尔·费雷拉
Original assignee: ADM28 SARL
Current assignee: ADM28 SARL
Priority date: 2014-09-23
Filing date: 2015-09-23
Publication date: 2017-08-01
Also published as: US20170291252A1; JP2017532206A; WO2016046248A1; JP6703528B2; FR3026038B1; FR3026038A1; EP3197627A1

Abstract

本发明涉及一种用于零件的磁脉冲焊接的线圈（10），其包括一个有效部分（125），该有效部分的一个表面，称为有效表面（121），其布置在零件之间的搭接区域中并朝向零件中的其中一个。有效表面（121）在其宽度L_b上具有成角度的剖面，使得有效表面相对于平面（XY）具有非零度夹角。所述平面（XY）为：至少在工作区域中，当零件设置在线圈上用于焊接时，沿平面（XY）延伸的零件最靠近有效表面。本发明进一步涉及一种相关的磁脉冲焊接方法。

Description

用于扁平零件的磁脉冲焊接的线圈和相关焊接方法

技术领域

本发明涉及焊接领域，更具体地说，涉及用于将零件永久地组装在一起的磁脉冲焊接领域。本发明特别涉及用于扁平零件焊接的线圈的改善的实施方式。

背景技术

磁脉冲焊接属于冲击焊接方法领域，该方法能够通过两个金属零件在搭接区域中彼此压靠而使两者接合。这种磁脉冲焊接方法的原理主要基于通过由线圈产生的电磁力对零件的高速冲击。

通常，用于实施这种磁脉冲焊接方法的系统包括一个或多个与线圈连接的电容，以生成短暂而强烈的磁场。一个或多个电容用于储存大量的电能。生成的强烈的磁场是将这些电能很快地释放至线圈中的结果。

为了通过这种方法实现将两个零件焊接在一起，至少在所谓的搭接区域上预先将两个零件彼此叠置。将线圈设置在该搭接区域处。称为内部零件的零件是靠近线圈放置且不与之接触的零件，称为外部零件的零件是最远离线圈的零件。预先储存在一个或多个电容中的大量电能以非常高强度的可变电流形式，在很短的时间内突然地释放到线圈中。举例来说，一些系统在几微秒内电流可以达到几十万安培。电流在线圈和内部零件之间产生一个可变磁场，并且在内部零件中感应出涡电流。这些与周围磁场相关联的涡电流在内部零件中形成很大力密度的洛伦兹力。这些力使内部零件产生朝向外部零件的巨大加速度。内部零件在外部零件上的碰撞速度可升高至几百米/秒。当满足某些冲击条件，特别是碰撞角度和碰撞速度时，产生这种冲击，这种冲击一方面，喷射材料将会清洁两个零件的表面；另一方面，压力将会使两个零件材料的原子彼此抵靠以克服它们的自然排斥力，从而形成无熔融的金属接合。然后，内部零件的壁不仅从冶金学观点上被连接至外部零件的壁，还发生了残余变形。

这种磁脉冲焊接方法通常用于通过所谓的环形线圈对管状零件进行组装。这种方法还用于在连续区域或点状区域上对金属板进行平焊。

这种磁脉冲焊接方法的一个优点在于在固体状态对两个零件进行组装，这使得可以解决涉及材料熔融的传统焊接中的所有已知问题。这样能量损失极小，因此待焊接零件几乎不会升温。在焊接过程中零件不发生熔融，从而能够组装具有不同熔点的材料。

但是，磁脉冲焊接方法存在需要强电流以将零件焊接在一起的缺点。使用这种强电流在线圈中产生高温和相当大的应力，可导致线圈不可逆的损坏，例如线圈裂缝或熔化。

这种方法的另一个缺点也在于生成的焊缝的质量。这种焊接不能确保两个零件之间的接触。

焊接必须考虑几个参数，尤其是碰撞角度和碰撞速度。这两个参数与线圈和两个待焊接零件的初始相对位置、零件的材料和所用电流信号相关。

扼要重述，碰撞速度是两个零件之间的径向碰撞速度。还定义碰撞点速度的方向与零件相切。碰撞速度与碰撞点速度通过碰撞角度相关联。这些碰撞速度和碰撞点速度在冲击后发生变化。碰撞点速度可升高至几千米/秒。

碰撞角度定义为碰撞时两个零件的壁之间的夹角。碰撞角度是动态的，即它在碰撞期间发生改变，特别是因为内部零件不均匀地变形。

每对材料取决于焊接窗口，即一组能够产生良好质量焊缝的参数（碰撞角度、碰撞点速度）。改变其中一个参数可对焊缝质量产生影响。尤其是随着碰撞期间碰撞角度的变化，很难保持在焊接窗口内。

发明内容

本发明的目的在于弥补这些缺点。

本发明的目的特别在于提供一种有效解决方案，使得可以焊接所谓的扁平零件，同时确保物体通过这种焊缝获得机械强度并保证良好的焊缝。

因此，本发明涉及一种用于零件的磁脉冲焊接的线圈，其包括一个有效部分，该有效部分的一个称为有效表面的表面在零件的相互搭接区域中朝向其中一个零件。零件具有至少一个平坦的或基本上平坦的表面。

扁平零件应该理解为至少在它们搭接区域中的整体长度或部分长度上，具有至少一个平面表面或者基本上为平面的表面。

有效部分应该理解为线圈中由电能储存单元输出的电流集中和流通，以在线圈处生成磁场的区域。有效区域的厚度基本上对应表层厚度。在高频率下，电流在低于对应表层厚度的厚度上流通。磁脉冲焊接中应用的频率为几十千赫兹，其对应例如由钢材制成的线圈的几毫米的表层厚度。

扁平零件布置为一个位于另一个之上，以在其叠加位置形成搭接区域，然后将搭接区域设置为朝向线圈的有效表面，以在工作区域中通过由线圈生成的磁场进行焊接。其中一个零件，例如最靠近线圈有效表面的零件，至少在工作区域中沿一个给定平面XY延伸。

工作区域为搭接区域中朝向有效表面的部分。该工作区域具有与内部零件和外部零件之间的最大焊接长度相对应的一个工作长度L_WZ。

有效表面具有一个给定宽度L_b。

有效表面的宽度L_b尺寸设定为允许在零件之间产生预定长度的焊缝。这个预定长度为焊接长度。优选地，有效表面的宽度至少等于焊接长度。

根据本发明，线圈的有效表面在其宽度L_b上具有倾斜剖面，因此当零件布置在线圈处并且通过固定装置固定在适当位置用于焊接时，有效表面相对于由最靠近线圈有效表面的零件限定的平面呈现非零度夹角。

这种形式的线圈有利地使得可以改变线圈有效表面和最靠近线圈有效表面称为内部零件的零件之间的间隙，该间隙影响基本参数碰撞点速度和碰撞角度。当内部零件设置为其自由端最靠近有效表面时，这种有效表面的剖面使得可以保持基本上恒定的碰撞角度，这使得可以保持在该对待焊接零件材料的焊接窗口内更长时间。增加了两个零件之间的焊接长度，从而提高了组件的机械耐受强度。

根据本发明的线圈的另一个优点在于降低了温度和塑性变形方面的最大应力，其由线圈中通过的非常高强度的电流产生且作用在线圈上。线圈有效表面剖面的变化导致有效区域中的电流分布的变化。实际上，所涉及的参数之一为线圈的有效表面和内部零件之间的距离。当线圈有效表面和内部零件之间的间隙增加时，有效部分中的电流密度减小。由于电流密度实际上与该距离成反比，根据本发明线圈有效表面的剖面可以增加与线圈中电流密度最高区域的距离。因此减小了该区域中的应力。线圈的寿命明显提高。

根据优选的实施方案，本发明还具有下列单独地应用或者以在技术上可行的组合来应用的特征。

根据优选的实施方式，有效表面在其宽度L_b上具有跨越整个宽度L_b的倾斜剖面。

根据优选的实施方式，有效表面在其宽度L_b上包括一个具有倾斜剖面的部分和两个具有平面剖面的部分，其中两个具有平面剖面的部分通过一个具有倾斜剖面的部分连接在一起。

根据优选的实施方式，为减少在零件焊接期间线圈中的塑性变形，有效部分包括位于有效表面任意一侧上的倒角和/或阶梯部分。

根据优选的实施方式，线圈包括一个包含有效部分的集磁器。集磁器设置在内部零件和线圈的外表面之间。然后在该集磁器中形成有效部分。

有利的是，集磁器是一种可替换零件，并且能够为多个应用（零件尺寸的改变等）保留同一个线圈。

根据至少一个实施方式，当零件位于线圈中适当位置时，线圈与零件形成焊接组。优选地将两个零件布置为一个位于另一个之上，以在其叠加位置形成搭接区域。两个零件朝向线圈的有效表面，优选最靠近线圈有效表面且至少在工作区域中沿平面XY延伸的零件。有效表面具有至少等于宽度L_WZ的宽度L_b。

本发明进一步涉及一种用于两个零件的磁脉冲焊接的方法。该方法包括以下步骤：

- 将零件相对于彼此布置以形成一个工作区域，其朝向根据其中一个实施方式的线圈的有效表面，从而使内部零件的自由端最靠近有效表面，

- 使工作区域受到磁场作用，使压力施加在其中一个零件所谓的外壁上，并将其紧密地压靠在另一个零件所谓的外壁上，以使它们永久接合；这个步骤称为焊接步骤。

将两个扁平零件设置为一个位于另一个之上以形成搭接区域。两个零件布置为朝向线圈，以使位于搭接区域中的工作区域朝向有效表面放置。将压力施加在最靠近有效表面的零件或内部零件的外壁上，将其压靠在最远离有效表面的零件或外部零件的外壁上。

在焊接步骤中，工作区域受到源自线圈有效部分的磁场的作用，从而使压力施加在最靠近线圈的零件的外壁上，并且挤压该零件相对的外壁紧靠另一个零件的外壁，以使它们永久接合。

因此，当工作区受到由线圈产生的磁场作用确保压力焊接时，两个零件通过施加在最靠近线圈的零件上且朝向另一个零件的速度和变形而彼此紧密地压靠。

这种方法能够在焊接步骤中保持两个零件之间的碰撞角度基本上恒定，这使得可以保持在一对组成待焊接零件的材料的焊接窗口内。因此，改善了产生的焊缝并增加了其长度。

这种方法还可以提高焊接步骤期间线圈对热应力和塑性变形的耐受强度。

附图说明

通过阅读以下参照附图给出的说明，将有助于更好地理解本发明：

图1示意性地表示根据实施方式的第一实施例的用于磁脉冲焊接的一个扁平线圈和由虚线表示、彼此相对的待焊接零件的立体图，

图2表示图1中的线圈沿直线AA的横截面，其中所示为该线圈有效表面的剖面，

图3示意性地表示根据实施方式的第二实施例的用于磁脉冲焊接的扁平线圈的平面图，

图4所示为对于相关焊接窗口中的相同对材料，由现有技术的线圈和根据本发明实施方式的线圈获得的焊接距离之间的对比。

具体实施方式

图1和图2所示为根据第一实施方式的线圈10，其用于磁脉冲焊接两个零件20、30。两个零件20、30由金属材料制成。

线圈10组成了磁脉冲焊接设备的主要部分，磁脉冲焊接设备进一步包括一个储存单元50和一个或多个开关51。

储存单元50适于用来储存例如几十千焦（KJ）数量级的高能量。

在一个优选实施方式中，储存单元是一个放电电容电池。

线圈适于用来产生集中在限定空间中的磁场，这部分在后面进行叙述。

将称为内部零件20和外部零件30的两个零件布置为一个位于另一个之上，以在其叠加位置形成所谓的搭接区域25，然后通过线圈10在全部或部分搭接区域中进行焊接。两个零件20、30设置为至少在搭接区域中，基本上平行地一个位于另一个之上。

优选地，搭接区域25位于至少一个零件的一端，例如内部零件20的一端。

当两个零件接近线圈时，线圈和两个零件形成一个焊接组。

在一个未示出的实施方式中，当外部零件20由呈现出非常低的导电性的材料（例如钢材）制成时，一个称为顶推件（pusher）的中间零件抵靠外部零件的外壁。这个中间零件呈现出良好的导电性。

在描述的实施方式中，通常称为扁平线圈的线圈10包括一个平放的呈E形的主体11。

该主体具有一个中心分支12和两个侧分支14、15，侧分支位于中心分支两侧，分别由一个缝隙与中心分支隔开。

主体11具有一个称为顶面111的第一表面和一个称为底面112且与第一侧面相对的第二表面。

主体11由在以下方面展现出特定特性的材料制成：一方面机械抗塑性变形，另一方面具有高导电性，使几十万安培数量级的高强度电流在其中流通。

在一个优选实施方式中，主体材料由钢材制成，优选高强度钢。

侧分支14、15优选地包括用于固定装置（图中未示出）穿过的通孔（图中未示出），固定装置适于将线圈固定到基座（图中未示出），此基座与能量储存单元50和这个或这些开关51连接。

当这个或这些开关51闭合时，线圈10的侧分支14、15和中心分支12与储存单元50连接，且高强度电流在线圈10中流通，从而产生磁场。

线圈设计为其中一个区域中的电流密度足够满足焊接条件。这个区域称为有效部分125。例如，在专利文件WO 2012/103873中有描述。

在该实施方式描述的扁平线圈中，如图1中箭头所示，电流进入中心分支12并出现在两个侧分支14、15中而在线圈中流通。该电流集中在位于中心分支12的有效部分125的由有效表面121限定的一个层上，该层接近第一表面111且厚度与表层厚度相对应。

在由钢材制成的线圈的非限定性示例中，对于几十千赫兹的频率，表层厚度为几毫米数量级。搭接区域25和有效表面121之间界定空间的称为操作区域，电流在操作区域中产生一个集中磁场。

有利地，两个零件20、30接近线圈设置，使全部或部分搭接区域25朝向有效表面121。内部零件20为最靠近有效部分125，且朝向有效表面121的零件。

朝向有效表面121的搭接区域25称为工作区域。该工作区域具有预定长度，称为工作长度L_WZ。工作长度L_WZ对应内部零件和外部零件之间最大的焊接长度。实际上，焊接长度基本上小于工作长度。

零件在三面体XYZ的XY平面中延伸，基本上平行于线圈的顶面。

线圈的有效表面121宽度L_b尺寸设为至少等于搭接区域25的工作长度L_WZ。

有效表面121在其宽度L_b上具有倾斜剖面，即有效表面在工作区域中不平行于内部零件20的XY平面。

换言之，操作区域具有沿宽度L_b方向逐渐减小的截面。

在一个实施方式中，操作区域在沿宽度L_b从中心分支12的第一边缘128开始到第二边缘129的方向上，具有单调递减的横截面。

在一个优选的实施方式中，有效表面121在其宽度L_b上具有：

- 宽度为L₁的第一部分122，其具有平面剖面，即有效表面平行于内部零件20的XY平面，

- 宽度为L₂的第二部分123，其具有倾斜剖面，即有效表面在搭接区域25中不平行于内部零件20的XY平面，

- 宽度为L₃的第三部分124，其具有平面剖面，即有效表面平行于内部零件20的XY平面。

换言之，操作区域在其宽度L_b上具有由从中心分支12的第一边缘128开始到第二边缘129的方向上连续的三段组成的一个横截面：

- 宽度为L₁的第一段，其具有等截面S₁，

- 宽度为L₂的第二段，其具有单调递减的横截面，

- 宽度为L₃的第三段，其具有等截面S₃，

换言之，操作区域在第一段中的横截面S₁小于在第三段中的横截面S₃。

第二段由倾斜角度β限定。

因为第一段的横截面S₁最接近零件，所以线圈中流通的电流强度水平在第一段中将会较高。结果磁场线更聚集导致磁压更高。因此，内部零件20位于第一段中的部分在后述的焊接方法中将会有更大的加速度。

另一方面，因为第三段的横截面S₃是最大的，所以线圈中流通的电流密度在第一段中将会较低，这降低了第一段中的磁压。此外，在第一段中线圈所受机械应力和热应力较小。

这种有效表面的剖面有利地使得可以使用向线圈传送更低能量的储存单元，从而改善了线圈的热耐受强度和结构耐受强度。这种向线圈传送更低能量的储存单元也提供了经济效益。

这种有效表面的剖面还能够限制线圈在第一部分上的应力，从而能够提高线圈的寿命。

这种有效表面的剖面还能有利地调整线圈10和内部零件20之间的空间，该空间对碰撞点速度和碰撞角这些基本参数有影响。当内部零件20的自由端被设置接近第一段时，即工作区域中的最小横截面时，这种剖面可以使基本参数保持在制成外部零件的材料的可焊接窗口中更长时间。从而改善内部零件20和外部零件30之间焊缝的质量和效果。

在一个优选的实施方式中，第一段宽度L₁小于第三段宽度L₃。

在实施方式的一个优选示例中，宽度L₁等于有效表面121宽度L_b的10%，宽度L₃等于有效表面121宽度L_b的30%，且第二段的斜坡的β角呈现为15°。

宽度L₁较小和斜坡呈现为夹角β将应力转移至第三段。

在另一个实施方式中，当使用顶推件时，第一段宽度L₁等于第三段宽度L₃。

在该实施方式的一个优选示例中，对于由钢材制成的线圈，宽度L₃和宽度L₁等于有效表面121宽度L_b的20%，且第二段的斜坡的β角呈现为10°。

在一个未示出的实施方式中，为进一步明显降低焊接过程中线圈的塑性变形，并由此减小线圈在有效表面121上的应力，有效部分125包括位于中心分支12的第一边缘128和第二边缘129任意一侧的倒角部分。

在另一个实施方式中，为消除磁场线尖峰和/或收缩的影响，中心分支包括第一边缘128和第二边缘129上任意一侧上的圆形外围轮廓。因此，较好地分配了电流密度，避免了应力集中而且也避免了温度尖峰。

现在对基于这种线圈的焊接方法的一个示例进行描述。

为将两个零件磁脉冲焊接在一起，该方法包括将两个待焊接零件放置在接近线圈处的第一步骤。

将两个零件设置为一个位于另一个之上以在需要焊接的点上形成搭接区域。

将两个零件布置在线圈10上，使工作区域朝向有效表面121放置。

至少在搭接区域中，通过固定装置（图中未示出）将两个扁平零件保持为沿内部零件20定义的平面XY且基本上彼此平行地靠近有效表面。

在实施方案的一个优选示例中，设置内部零件20使其一端位于在工作区域的最小横截面中，即接近第一段。

然后，该方法包括一个磁脉冲焊接步骤。

工作区域受到源自线圈有效部分的磁场的作用，从而将压力施加在内部零件的外壁上，或者当需要顶推件时施加在顶推件的外壁上，并挤压使其紧靠内部零件的外壁以使两个零件永久接合。

图3所示为另一个扁平线圈的实施方式。该线圈包括一个平放的U形主体11。

该主体具有通过中心缝隙隔开的两个侧分支12、14。

当闭合（多个）开关51时，线圈10的侧分支12、14与储存单元50连接，如图3箭头所示，高强度电流通过进入侧分支12并出现在侧分支14中而在线圈10中流通，并产生磁场。

该电流集中在位于分支12中的有效部分125的由有效表面121限定的一个层上，该层的厚度与表层厚度相对应。

将两个零件20、30有利地设置接近线圈，从而使搭接区域25朝向有效表面121。

本发明不局限于平放的E形或U形扁平线圈。线圈可成型为待焊接零件的形式，可具有不同形式。

例如，对于希望通过S形焊缝进行焊接的扁平零件，线圈具有一个S形有效表面，其朝向待焊接零件的搭接区域设置。

图4所示为对于一对或同一对给定材料，由现有技术的线圈和根据本发明实施方式的线圈获得的焊接距离。

现有技术的线圈和根据本发明实施方式的线圈具有以下相同特征：

- 有效表面的宽度L_b为6mm，

- 材料为钢材，

- 两个待焊接零件之间的距离为1.7mm，

- 频率为几十千赫兹。

工作长度L_WZ与有效表面的宽度L_b相同，为6mm。

现有技术线圈的有效表面为平面。

根据本发明一个实施方式的线圈的有效表面具有：

- 一个第一部分，其长度L₁等于线圈有效表面宽度L_b的10%；

- 一个第三部分，其长度L₃等于线圈有效表面宽度L_b的40%；

- 一个第二部分，其具有10°的倾斜角β。

对于两个待焊接零件的给定对材料，无论线圈的有效表面是何种形式，焊接窗口是确定的。这个焊接窗口由亚音速曲线（曲线S）、流体动力学曲线（曲线H）、熔融曲线（曲线F）和过渡曲线（曲线T）限定。图4中的曲线A表示最大碰撞角度限度为22°。关于焊接窗口的更详细解释可以在文献“Explosive welding of aluminum to aluminum: analysis,computations and experiments”, Grigno & all, International Journal of ImpactEngineering 30，(2004)第1333-1351页中找到。

在该焊接窗口中，曲线E表示现有技术的线圈的一对参数（碰撞角度、碰撞点速度）的趋势。曲线E的较粗部分E_g表示焊接距离（差不多四个三角形表示4mm的焊接）。在这个焊接距离上，碰撞角度在15°和20°之间变化很大，能够反映在焊接质量中。

曲线B表示根据本发明选择的实施方式的线圈的一对参数（碰撞角度、碰撞点速度）的变化。这种线圈能够焊接超过6mm的区域（6个正方形）。此外可以看出，对应该距离的大部分情况下，碰撞角度相对稳定，保持在16°到18°之间。

上面的描述清楚地说明了本发明通过其各种特征和优点实现了其设定的目标。特别是提供了适用于焊接由低导热性材料制成的零件的线圈和相关磁脉冲焊接方法。其有利地提供了有效部分的剖面，从而使焊接期间施加在线圈上的热应力和机械应力明显降低，提高了线圈的寿命。这种形式的线圈还改善了待焊接零件之间的焊缝。

Claims

1.一种用于零件的磁脉冲焊接的线圈（10），包括一个有效部分（125），该有效部分的一个表面称为有效表面（121），该有效表面（121）布置在所述零件的一个相互搭接区域（25）的一个工作区域中，并且该有效表面（121）朝向所述零件中的其中一个，

其特征在于所述有效表面（121）在其宽度L_b上具有一个倾斜的剖面，使得所述有效表面相对于一个平面（XY）呈现出非零度夹角，所述平面（XY）为：至少在所述工作区域内，当所述零件位于所述线圈中适当位置用于焊接时，沿着所述平面（XY）延伸的零件最靠近所述有效表面。

2.根据权利要求1所述的线圈，其中所述有效表面（121）在其宽度（L_b）上包括一个具有倾斜剖面的部分（123）和两个具有平面剖面的部分（122、124），所述两个具有平面剖面的部分（122、124）通过所述一个具有倾斜剖面的部分（123）连接在一起的。

3.根据前述权利要求中任一项所述的线圈，其中所述有效部分（125）包括位于所述有效表面（121）任意一侧上的倒角和/或阶梯部分。

4.根据前述权利要求中任一项所述的线圈，包括一个包括所述有效部分的集磁器。

5.一个焊接组，其包括如权利要求1至4中任一项所述的线圈和两个零件，优选将一个零件布置在另一个之上，以在其叠加位置形成朝向所述线圈有效表面的所述搭接区域，优选最靠近所述线圈有效表面的所述零件至少在所述工作区域中沿所述平面XY延伸。

6.一种用于两个零件的磁脉冲焊接的方法，其特征在于所述方法包括以下步骤：

-将所述零件相对于彼此布置以形成一个工作区域，所述工作区域朝向如权利要求1至4中任一项所述的线圈的有效表面（121），从而使最靠近所述有效表面的所述零件的一个自由端最靠近所述有效表面，

-使所述工作区域受到磁场作用，以使压力施加在其中一个所述零件的壁上，并挤压其紧靠在另一个零件的壁上以使它们永久接合。