CN1073478C - 使至少两个金属制件的电磁连接或焊接的方法 - Google Patents

Abstract

两个制件连接在一起或彼此焊接，其方法是：由两个制件中之第一制件或该制件上的某一部位，借助于脉冲磁力感生运动，从而使第一制件或该制件上的某一部位压接在第二制件上，使彼此连接或焊接。

Description

使至少两个金属制件的电磁连接或焊接的方法

发明领域

本发明在总体上涉及金属加工领域，并涉及金属制件加工的一种方法及其所用装置。本发明特别涉及使用脉冲磁能加工金属制件的方法及其所用的装置。

发明背景与现有技术

脉冲磁成型(Pulsed Magnetic Forming-PMF)是一种加工方法，在此方法的加工过程中，一个金属制件或该制件的某一局部，在一脉冲磁场的作用下快速运动并产生变形。PMF加工的优点之一在于其加工过程中的能量损失最小，因而制件没有或很少受热。此外，这种加工方法不会像其它加工技术那样留下工具痕迹。(参阅M.Cenenovic的“Magnetic Metal Forming by ReverseElectromagnetic Forces”一文，发表在：Proceedings of theFourth IEEE Pulse Power Conference,Institute of Electricaland Electronic Engineering,1983)。

PMF加工使用一种放电电容器或成组放电电容器和一个成型线圈(通常是一种磁场脉冲形成电路)以产生一强磁场。PMF加工所需要的极强磁场是由储存在电容器中的电能，以极快的速度向成型线圈放电所形成的。在制件中所感生的涡流，使制件与成型线圈间产生一种磁斥力。该磁斥力使制件产生变形。

当制件表面在磁斥力作用下移动时，从磁场吸收能量。为了将现有能量的绝大部分用于成型过程，并减少由于能量在制件材料中的渗透而造成的能量损失(一种由于电阻加热而造成能量消耗)，成型磁脉冲应非常短暂。在绝大多数PMF应用中，脉冲持续时间大约在10至250微秒(μsec)之间。(这里是指放电电流第一个脉冲波的持续时间)。

使用PMF加工技术加工金属制件的一些方法和装置的现有技术与背景。可从下列美国专利找到：3,654,787(Brower),3,961,739(Leftheris),4,170,887(Baranov),4,531,393(Weir),4,807,351(Berget al.),5,353,617(Cherian et al.)和5,442,846(Snaper)。

发明概述

为使文字叙述精简流畅和便于更好地理解本发明，首先对下文中将多次出现的术语给予说明如下：

制件(Workpiece)：根据本发明，制件是一个金属件，用本发明的加工方法在其表面加工并产生变形。

移动表面(Moving surface)：移动表面是指制件上置于脉冲磁力作用下而做突变和快速运动的一个表面。根据本发明，移动表面是用以以一定动能与另一表面(此表面可能静止不动，也可能是一个沿相反方向运动的移动表面)压接，从而使这两个表面变成连接或焊接状态(关于连接和焊接参见下述“连接”和“焊接”)

加工(Working)：加工是指施加在一个制件或该制件的一个局部，并使该制件或其上的该局部产生变形的作功过程与结果。根据本发明，加工是使用PMF，使制件产生形状改变，将被加工制件或制件的被加工部位的表面，与另一表面实现连接。

连接(Joining)：连接是指对制件或制件的一个局部进行加工，使其一个表面与另一表面极紧密地接触。例如，连接可以是这样一种操作：将一筒形制件与另一放在其孔中的圆柱形制件进行碾平(Crimping)操作，使二者接触表面间形成很强和永久性的作用力。连接的目的可以是实现两制件间紧密的电气接触(electrical contact)即接触面的电阻最小。

焊接(Welding)：焊接是指使第一制件(First Workpiece)成型，从而使原来分离的对应表面成为一体。在焊接加工中，这两个表面事实上融化，然后一起固化后变成一体的。

被加工部位(Worked on portion)：被加工部位是指制件上被加工的一部分或局部，即置于PMF力作用下而快速移动，用以与另一制件上另一部位连接或焊接的部位。例如，对于电缆接套或接线器而言，被加工部位是指带装电缆用的空心容座的部位，该部位在PMF力的作用下被压缩并与内装的电缆连接或焊接。被加工部位由导电材料制成，或者至少有由导电材料覆盖的表面。导电材料可以是金属或一种导电聚合物。

配对部位(Counter portion)：配对部位是指制件上用以与加工部位相连接或焊接的部位。配对部位可能在与被加工部位所在制件不同的另一制件上(例如，当将电缆与电缆接套连接时，如上所述被加工部位是电缆接套上带容座的部位，而配对部位则装入容座中，并与被加工部位连接或焊接的那部分电缆)；有时，配对部位可能与被加工部位同在一个制件上(例如，将一个制件的两个法兰焊在一起，将一根管子压扁使其两壁相互连接或焊接以实现管端密封等等)。配对部位有时也会是被加工部位，例如，将两个部位沿相反方向作快速运动，并使其实现彼此连接或焊接(例如，将管压扁以实现管端密封)。

第一制件(First workpiece)：第一制件是指包括被加工部位的制件，该部位必须与另一制件(第二制件)上之配对部位相连接或焊接。(关于第二制件，参见下文)

第二制件(Second workpiece)：第二制件是指包括配对部位的制件，这时，被加工金属部位是在另一制件上。

本发明涉及采用PMF加工，将制件或制件的局部表面相互连接或焊接。根据本发明，这是通过使至少一个包括拟连接或焊接表面(被加工部位)的制件或制件的局部，快速移动到包括拟连接或焊接的其它表面(配对部位)的另一制件或制件的局部来实现的。这种快速运动是由PFM力作用在被加工部位实现的。被加工部位或由导电材料制成，或者至少有一个由导电材料覆盖的表面。PMF力的状态是按照两个表面相互压接后，彼此成为连接或焊接的要求来控制的。对PMF力控制的典型情况是，使运动表面在压接之前的速度，给予被加工部位一种动能，该动能大于被加工部位产生塑性变形和使配对部位产生弹性变形所需能量的总和。

本发明提供一种使制件相互连接或焊接的新颖方法，以及用这种连接或焊接方法所获得的种种结构。本发明所提供的加工方法，可以允许制造那些本质上属于新颖的制件或结构，例如：电缆与接线套的连接头，这时，在电缆接套中，纤丝或导线被最大程度地极为紧密地塞紧，二者间的内腔空间很小(差不多为零)，也就是说纤丝或导线完全充满包容它的整个内腔；超导电缆的纤丝，以极小的内腔空间嵌入电缆套或基体；两根超导电缆的连接；一种新颖的接地电缆或电极等等。这些新颖的制件或结构，无论其制造方式如何，均属本发明的一个方面。

因此，本发明提供了一种将至少两个实体部位相互连接或焊接的方法，该方法包括：至少制件之一具有感应运动，制件或由导电材料制成，或制件上至少有一个表面覆盖有导电材料，在脉冲磁成型力作用下，与至少另一个实体部位相压接，感应运动给予至少一个实体部位以动能，并使至少两个实体部位相互连接或焊接。

相互连接或焊接的两个实体部位，可以均用同一种材料制成，也可用不同材料制成。例如，二者均用钢、不锈钢、黄铜、紫铜制成。另一方面，一种制件可以用上面列举的合金或一种导电聚合物制造，其它制件则可用另外的材料制成，例如金属、导电聚合物等等。

根据本发明的一个优选实施例，本发明提供了一种将至少两个实体部位相互连接或焊接的方法，该方法将至少实体部位之一，在高速感应运动下，强制其与另一实体部位相压接；所述的至少一个实体部位由导电材料制成，或其上至少有一个由导电材料制成的表面；所述运动由脉冲磁成型力所感生；脉冲磁成型力的大小，要使至少一个实体部位在压接之前的初始动能，等于或大于一个实体部位的综合塑性变形能与至少两个实体部位压接后的弹性变形能之和，以便使至少两个实体部位相互连接或焊接。

拟彼此连接或焊接的两个实体部位，事前应相互面对，或放置在使对应表面相互接触或最为接近的位置。然后，由一置于邻近被加工部位表面的成型线圈对该部位施加PMF力，而不是施加在配对部位的对应表面，从而使被加工部位产生运动。(应当指出，即使两个部位彼此接触，从微观级而言，两表面之间仍存在足够空间加速，并使被加工部位具有动能。)

如上已经指出，被加工部位与配对部位可能均在同一制件上。例如，将一金属管端压接，而将管的两侧内壁连接或焊接，从而使管密封。另一方面，正如前面已经指出的那样，被加工部位可能在一个制件上，而配对部位在另一制件上，例如电缆与电缆接头的连接。在绝大多数情况下，拟连接或焊接的实体部位处于静止状态，而另一则是被加工部位，该被加工部位置于PMF力作用下而快速运动。不过，在某些情况下，这两个部位均置于相向运动的情况下，例如上面提到的将金属管一端密封即属于这种情况。在后一种情况下，拟连接或焊接的各实体部位均被强制作快速运动，二者实际上均既是被加工部位又是配对部位。

根据本发明的一个实施例，拟连接或焊接的两个实体部位，各自分别在不同的制件上(一个在第一制件上，另一个在第二制件上)而相互独立的细长延伸部位。根据这一实施例，至少被加工实体部位是一空心延伸件，这两个部位的初始状态应是一个可以配入另一个。根据这一实施例的加工方法如下：

(a)将一个制件的接合部位塞入另一个制件的空腔内；

(b)使第一制件上细长的第一被加工部位，在脉冲磁力作用下，向第二制件上的细长配对部位的对应表面运动，从而使被加工部位的表面与配对部位的对应表面以一定的速度压接；第一制件被加工部位在压接前的运动动能应大于运动部位的塑性变形能与压接后配对件的弹性变形能之总和，从而使这两个部位相互连接或焊接。

本实施例的实例有：电缆与圆筒形制件或制件的一部分的连接，即：电缆与电缆接套的连接；将两个细长制件相互连接或焊接，即：两条电缆或两根杆借助筒形连接件实现连接；两根管件的焊接等等。

根据本发明的另一实施例，拟连接或焊接的两个部位是平面。这类实施例的实例有：金属板、片、箔之间的连接或焊接，金属带、箔的一端与该带、箔之另一端焊接等等。

本发明之另一实施例涉及超导电缆或超导电线的生产。这些电缆有一基体，其蒙皮或外套由一种合金制成，例如铝或铜；电缆有若干纤丝，这些纤丝包在电缆的纵向孔腔中，该纤丝由另外的合金如铌或铌钛合金制成。根据本发明，这种复合电缆或电线是这样制作的：先将纤丝塞入电缆或电线内的纵向孔或空腔中，然后，用PMF加工技术，将电缆或电线压缩收紧。这样，可获得一种极牢固的复合电缆或纤维结构，其连接处的内部间隙极小甚至为零。有时纤丝本身也是一种复合结构，也可以用根据本发明之PMF技术制造。

本发明的另一实施例涉及接地电缆或接地电线的生产，特别是这种制件有一个金属芯，外面套有一种绝缘材料，有时则嵌入另一种金属套。

本发明的另一实施例涉及压扁并焊接金属管壁，以形成一种气密密封。

本发明的另一实施例涉及将一金属或聚合物制成的管，与另一非导电材料制件压接，以获得将所述管与所述制件的连接。

根据本发明的PMF加工技术，还可应用于其它一些实施例，以便将平面的第一制件与球面的第二制件相连接或焊接。

正如将看到的那样，上述实施例只是这里所定义的本发明范围内无数实施例中的一部分例子。

本发明还提供了一种适用于上述方法的装置。根据本发明的这种装置包括：一个电源、一个或多个电容器(这种电容器可储存大量电能)、一个控制线路和一个成型线圈。

本发明的这种装置中，成型线圈的外形及尺寸，将决定与配对部位连接或焊接的被加工金属部位，有时决定被加工部位的最终形状。例如，当欲将两个平面制件连接或焊接时，平面成型线圈的尺寸和形状，将决定第一制件上被加工部位的尺寸和形状，该部位将与第二制件上配对部位相连接或焊接。在将两个制件的细长部分连接或焊接的情况下，成型线圈的长度将决定与配对部位连接或焊接的被加工部位的长度。此外，成型线圈的形状，即线圈绕制路径，将是影响被加工部位经加工后最终截形的一个因素。例如，在将两个管状制件连接在一起时，成型线圈若是六边形，则被加工部位最终会是六边形。

一般说来，技工应用其现有知识和根据本发明所获得的进一步知识，会没有什么困难地设计一个成型线圈，以达到希望的技术标准要求。

本发明的工作方式，现可参考根据本发明的某一具体实施例，进一步图解说明，该实施例涉及将两圆柱形制件连接或焊接。

根据上述具体实施例，第一制件上的被加工部位最好是圆柱形，不过，它也可以是多棱形、椭圆形或扁圆形横截面等等。第二制件上的配对部位最好也是圆柱形，不过，像第一制件上的被加工部位那样，也可以是各种非圆的横截面。第二制件的配对部位可以与第一制件上的被加工部位有相似的截形，即两者均为圆截形、两者均为六边形截形等等。不过，第一制件的被加工部位与第二制件的配对部位，也可以有不同的截形，例如，第一制件的被加工部位为圆柱形，而第二制件的配对部位为多棱柱形。等等。

在每一种情况下，两制件的对应尺寸，应使第二制件的配对部位塞入第一制件上被加工部位的孔穴中，或第一制件的被加工部位塞入第二制件相应的孔穴中。

第一制件的被加工部位，在成型线圈所产生的脉冲磁力作用下受感应而产生快速运动，该线圈邻近被加工部位自身的表面而不是将与之连接或焊接的第二制件上的表面。在根据本发明之一种实施例中，第二制件的配对部位塞入第一制件被加工部位，然后，通过环绕其外的脉冲磁成型线圈，将第一制件的被加工部位，压接在第二制件上。在根据本发明之另一实施例中，第一制件的被加工部位，塞入第二制件的孔穴中，然后，借助于邻近其内表面的线圈产生的脉冲磁力，使其扩张并与对应面压接，从而使其与环绕在外的第二制件的壁相连接。

多棱形空心制件的各尖棱，较之多棱形制件壁的其它部分有较大的压缩变形阻力。这样，加工多棱形制件时，考虑到这种附加阻力，PMF力需作某些调整。在尖棱处的压缩变形阻力，随棱边夹角增大而降低，该夹角的大小与棱柱形制件边数的增加相关。因此，八边形制件对压缩力的阻抗小于六边形制件(假定两者的壁厚和金属材料均相同)，而六边形制件的压缩变形阻力小于五边形或矩形制件。显然，当多棱形空心制件的边数增加，则压缩形所需的PMF力接近圆柱形零件所需之力。多棱形制件所需之额外的力(与空心圆柱制件相比而言)也可以通过将尖棱倒圆来降低。技术工人应能不十分困难地设计一种带成型线圈的PMF装置，以适应一定技术规范的要求。

下面，结合本发明的一个优选实施例，对发明作进一步的说明；在该实施例中，第一制件与第二制件均为圆柱形。在第一制件被加工部位向第二制件配对部位快速运动而压接的瞬间，第一制件被加工部位的动能，至少等于运动的第一制件被加工部位在压接后的塑性变形能与第二制件静止的配对部位的弹性变形能之总和。这可用如下之近似公式(1)表述： $U\≥\sqrt{(A_1+A_2)/m_1}----\left(1\right)$

式中

U           第一制件之运动表面在压接前的速度，

m₁         第一制件上被加工部位的质量，

A₁与A₂    分别为第一制件被加工部位塑性变形能和第二制件配对

            部位的弹性变形能。分别可按近似公式(2)与(3)

            计算： $A_1={\mathrm{\σ}}_1{V}_1{e}^{\ln (1/1+{\mathrm{\δ}}_1)}/({\mathrm{\γ}}_{01}/{\mathrm{\γ}}_1-1)---\left(2\right)$ $A_2={\mathrm{\σ}}_2{V}_2{e}^{\ln (1/1+{\mathrm{\δ}}_2)}/({\mathrm{\γ}}_{02}/{\mathrm{\γ}}_2-1)---\left(3\right)$

式中：

r₀₁与r₀₂  分别为第一制件和第二制件在变形前的连接处

            半径，

r₁与r₂    分别为第一制件和第二制件变形后的连接处半径，

σ₁与σ₂  分别为第一制件和第二制件材料的抗拉强度，

V₁与V₂    分别为变形后封闭在第一制件内和封闭在第二制件内

            的体积，

δ₁与δ₂  分别为第一制件被加工部位和第二制件配对部位的相

            对拉伸，可由如下公式(4)与(5)计算： ${\mathrm{\δ}}_1=\left|\frac{{\mathrm{\γ}}_{01}-{\mathrm{\γ}}_1}{{\mathrm{\γ}}_{01}}\right|---\left(4\right)$                      ${\mathrm{\δ}}_2=\left|\frac{{\mathrm{\γ}}_{02}-{\mathrm{\γ}}_2}{{\mathrm{\γ}}_{02}}\right|----\left(5\right)$

基于上述能量需求(A1与A2)，工作电压(V)可由如下公式(6)和(7)计算： $W=\frac{{\mathrm{Km}}_1{U}^2\mathrm{Ll}}{4\mathrm{\π}{\mathrm{\μ}}_0{\mathrm{\γ}}_{01}h}----\left(6\right)$ $V=\sqrt{\frac{2W}{C}}---\left(7\right)$

式中：

W         储存在电容电池中的能量，

K         取决于PMF设施(包括电容与自感)和工作线圈参

          数的系数，

L         放电回路的总电感(该回路包括线圈，脉冲发生开关

          和电容电池)，

I         工作线圈的长度(也是制件上变形部分的长度)，

μ₀      真空中的磁导，

h         工作线圈与制件之间空隙的厚度，

U,m和r₀₁ 同前面的定义。

当制件不是圆柱形时，有时需要使用修改过的脉冲磁能参数。对于这些制件，需要定义A₁和A₂，并据此用式(6)和(7)决定速度和电压。例如，将一多边形空心制件压接在一个圆柱形制件的孔内时，鉴于尖棱变形引起阻力增加，则要求有更强的磁力。此外，如下文将要谈及的，上述方程，适用于变形部分的长度大于管子直径的情况。当变形部分的长度小于管子直径时，应考虑到其一端面和两端面的变形，从而对变形阻力应做某些修正。

第一制件被加工部位所具有的动能将决定第一制件与第二制件间是相互连接还是相互焊接。一般而言，能量大时相互焊接；能量较小则形成连接。典型情况下，当第一制件被加工部位的表面运动速度小于300米/秒时，第一制件与第二制件相互连接。当第一制件被加工部位的表面运动速度大于300米/秒时，第一制件与第二制件之相互接触部可能会彼此焊接。为了实现焊接，通常更喜欢在第一制件被加工部位与第二制件配对部位的对应表面间，保持一小的间隙，以便第一制件上所述的表面能加速，并达到实现焊接所需的速度。为了实现焊接，常希望第二制件在第一制件与之压接时，牢牢地保持不运动状态。

有时，可使用几个相继产生的几个磁脉冲，以取代单一磁脉冲来产生感应运动。这可以这样实现，例如，在一个具有一组复式放电回路的装置中，每一个放电电容在不同的时刻被激活。这种新颖装置也属本发明的一部分。

下面将通过众多的实施例，对本发明给予说明，有时可参考所提供的附图。所举实施例主要涉及金属制件的加工部位。不过，将会看到，本发明从总体上看，以及从众多所述实施例来看，对于不是金属材料而是用导电材料(例如导电聚合物)制造的制件的加工部位，只要在细节上作必要的修正，本发明实际上也是可行的。例如，一种用导电聚合物制成的管件，可以按图1-5或图16所示的类似方法加工。此外，制件不是整个由导电材料制成，所举实施例的被加工部位，具有一个或几个表面也可以是覆盖以导电材料。在本发明的教学基础上，技术工人可以没有困难地实施本发明；这时，被加工部位由导电材料而不是金属制成，或者，只有一个或几个表面由导电材料制成。

附图简介

图1至图5所示为一多股电缆与电缆接套连接的顺序：

图1为由一电缆和一电缆接套组成的组件透视图，图中表示了电缆一端已插入电缆接套内腔的状况；

图2为图1所示组件带局部剖视的顶视图；

图3为图2沿3-3剖面的剖面图；

图4为该组件电缆接套的圆柱部分被紧缩，电缆与电缆接套形成连接后，该组件的带局部剖视的顶视图；

图5为图4沿5-5剖面的剖面图；

图6A为根据本发明的一实施例之PMF装置的轴测图，该装置尤其适用于图1至图5所示电缆与电缆接套连接的制备；

图6B为根据本发明另一实施例中PMF线圈的侧视图；

图7为根据本发明另一实施例的装置；

图8为根据本发明，用图7所示装置，将一圆柱制件与一管件连接的结果；

图9为根据本发明之一实施例，将两根杆连接的示意图；

图10为根据本发明之一实施例，将两根超导电缆彼此连接的示意图；

图11为根据本发明之另一实施例，将两根超导电缆彼此连接的示意图；

图12为根据本发明之一实施例，在接地电缆制造中，其横截面示意图；

图13为根据本发明制造超导电缆时，其横截面示意图；

图14为一加热线圈，该线圈与电器插销就是用根据本发明的PMF加工技术，借助一金属套紧缩在线圈上，从而实现彼此连接或焊接：

图14A为该装置的侧视图；

图14B为图14A沿14B-14B剖面的剖面图；

图15为根据本发明之一实施例的一种装置；

图15A为使用这种装置连接或焊接两空心圆柱制件的一种方式，该方式采用一种芯子或将两制件适当定位并支撑其管壁；

图15B是使用本装置连接或焊接两空心制件的另一种方式，此方式不使用上述塞；

图15C为两直径不同的两根管子连接的纵截面图，该连接是使用图15A或图15B所示装置焊接在一起的；

图16为根据本发明的一实施例，将一金属管压扁并将管壁相互焊接以实现气密密封的方法；

图17为将两平板金属制件焊接的装置；

图18为图16沿18-18剖面的剖面图；

图19及图20为将平板金属制件与一球形金属制件焊接的两个实施例；

图21为根据本发明的一实施例中所使用的磁导体回路原理图；和

图22为根据本发明之另一实施例所使用的装置中的磁导体回路原理图。

具体实施例说明

首先参看图1至图5，该图表明根据本发明将电缆与电缆接套连接的方式。电缆接套22包括：一个连接板24，用以与另外的基体连接，和一个带孔腔26的管套25。电缆28包括数股导线30，导线30为圆形截面。

由图1至图3可知，电缆28与电缆接套22的结合是通过电缆的插入端部32与电缆接套的孔腔26来实现的。电缆接套的管套25的初始半径为r01，电缆的初始半径为r02。

为了将电缆与电缆接套相连接，向管套25施加一脉冲磁力，该管套25随即缩紧其内表面，从而与电缆28的插入端部32实现连接，如图4所示。

如图5所示，这样压接的结果，导线30被压成六边形。经压接后，管套25之半径为r₁，电缆半径为r₂。随着压接过程，被紧缩的管套25的壁厚有所增厚。

在一种典型的电缆中，导线填充了其大约65％的内部空间。完全压缩后，导线因此变成六边形，导线基本上填满了电缆100％的内部空间。这意味着，电缆经充分压缩后，其直径变小成原来直径的大约80％。

所以，得知r₀₂，则r₂可按其大约等于80％的r₀₂计算；r₂等于管套25压缩后的内孔腔半径，通过得知管套25的初始壁厚值，则经压缩后的壁厚可以算出，而管套25经压缩后的半径r₁可以得到描述。这样，用上述公式1至5，这一加工过程所需磁参数可以计算出。

电缆与电缆接套的连接是电缆与圆筒形制件连接的例子。其它的例子是借助于一种两端带孔的连接件，或借助于空心管件将两根电缆彼此相连接，等等。

现在参看图6A，该图以一种半示意图的方式，介绍了适用于图1至图5所述加工方法的装置。该装置40包括：控制模块42，该模块可提供一种快速、强烈的放电电流；传输电流的导线43与44；和一个成型线圈46。电气导线43与44通过接线器47、47a和48、48a与成型线圈46实现电气连通。典型情况下，成型线圈46由一平面上突出，例如，从一工作台的平面突出，如图中用虚线表示的表面49那样，该装置的其它组成部分，则隐蔽于这些平面之后。成型线圈46上有孔腔50，拟压缩的制件则塞入其中。成型线圈46的内壁均嵌入绝缘材料衬里51。

在这一具体实施例中，装置40是用以按图1至图5所示，生成电缆与电缆接套间的一种连接。正如下面将要看到的，这种装置也可用于其它种种用途，例如，制造一种接地电缆、制造一种超导电缆、连接两根超导电缆、以及其它众多的场合，其中有些用途将在下文谈及。成型线圈46的宽度，决定了当线圈46放电时，制件上被压接部的长度。

在本具体例子中，组件52由电缆接套53和电缆54组成，彼此间是松结合，将组件52插入孔腔50，使电缆接套53的圆筒部55整个处于孔腔50内。然后，一股强电流由成型线圈46快速释放，在此所产生的PMF力随即将圆筒部55的壁紧压在电缆54的塞入端部，从而使两者彼此牢固地连接。

图6B所示为总体标记为56的成型线圈，该线圈可用于类似于图6A所示线圈的用途。为便于叙述，与图6A所示实施例中功能类似的各元件，均用相同的数字加撇(′)来表示，读者可参阅图6A的上述叙述以了解其功能。可以看出，线圈56与图6A中的主要区别在于其有一种翼肋状结构。这种结构的优点在于：一方面使电流限制在一个较窄的空间，从而可更有效地成型；另一方面，翼肋状结构保证了这种线圈所需的强度。

图7所示为根据本发明的另一实施例的一种装置，该装置用于将一管件焊接或连接在一杆件上。与图6中所示的实施例类似，显然这种装置也可以用于许多别的目的。这种装置，总体标记为57，它包括一个成型线圈58，该线圈有一种数个绕阻(本例中为七圈)环绕在管59上，该管用绝缘材料例如塑料制成。此设施还包括一个电源60，该电源与电容电池61及开关62并联。电源60向电容器61充电，然后借助开关62的动作，向成型线圈58释放电流。

在本例中，拟连接在一起的两制件包括：金属管63和金属杆64，二者均塞入绝缘管59的内腔65中。为了将此两制件彼此焊接，两制件间最好保持某些间隙66，间隙的典型值大约为管63内直径的5～20％。

可以理解，电容器61放电时，有一快速、强大的电流流经线圈58，在管63上产生涡旋电流，其所形成的磁压力使其迅速向杆64压接并实现焊接。管63上被压接部的长度相当于线圈58的长度。

图8为管67与杆68准备按图7所述方式实现的连接66。根据用于创建连接的磁压力强度不同，从而圆管在与杆压接前的运动速度不同，两制件或者是彼此焊接，或者只是相互紧密连接。

图9为根据本发明的一实施例的将细长金属制件的两端连接在一起的方式。细长金属制件72与73的端部分别为70与71，均斜切成与制件纵轴呈钝角的表面，且两制件上的两斜面互补。安装时将两制件切出的斜面相互接触，并使制件轴线彼此略微偏离。然后，沿图9A箭头所示意的方向施加强脉冲磁力，两制件的端部70与71彼此作用而焊接，即相互连成一体。

图10为根据本发明的一实施例中，两超导电缆的端部连接的方式。两超导电缆76与77(图中只表述了其端部)，均由用一种金属合金制成的基体78和用另一种金属合金制成的纤丝所构成。为使其具有适当的电气连续性，必须在两端部连接时，保证纤丝均是共同扩展的(Co-extensive)。为此，两电缆的端部76与77，均用类似于图8所示杆的方式斜切，并让其在圆筒形制件82的孔腔80中相互接触(见图10B)。然后，沿图10B中箭头所示意的方向施加脉冲磁力，圆筒形制件82紧缩在超导电缆上，从而获得两电缆的紧密连接，如图10C所示。

根据本发明的另一实施例，连接两超导电缆的方式如图11所示。电缆86和87的端面84和85均镗成孔88，各孔分别对应于超导电缆的纤丝89，如图11B所示。一个带有与镗孔88相对应的凸块92的连接件90与两超导电缆的两端面结合，如图11C所示，再将一圆筒套94套在此组件外。然后，按图10C中箭头所示意的方向施加磁力，圆筒套94随即紧缩在电缆上，结果可获得一种套固的连接，如图11D所示。

根据本发明的一实施例，制备接地电缆或导线的方式如图12所示。图12A所示导线包括：芯102，由一种合金，例如铁制成；和包覆层104，由另一种合金，例如铜制成。导线100可按图7和图8的有关说明制备。将一种用绝缘材料诸如聚乙烯、陶瓷材料等制成的圆套或蒙皮，包在导线外面，圆套或蒙皮之外再用金属(例如铜)套包容，如图12B所示。沿图12B中箭头所示意的方向施加磁力后，金属套108收缩，并使绝缘层106收缩，从而实现图12C所示的牢固连接结构。

现在参看图13，该图所示为根据本发明的一实施例中，生产一根超导电缆的方式。纵向基体110由一种合金(例如铜)制成，基体上有若干纵向孔112，由另外一种合金制成的纤丝114穿入各相应的孔中，如图13A所示。当沿图13A中箭头所示方向施加一脉冲磁力后，整个导线收缩，各孔壁随即与纤丝连接，生成一种实际上没有空穴的超导电缆，如图13B所示。

现在参阅图14，该图所示为一加热元件115，该加热元件由线圈116和插销组件117组成。线圈116为螺旋线形并旋绕于两插销之间。插销组件117包括：一种绝缘件118，用塑料或一种陶瓷物质等制成；和一种电气插销119，该插销穿过绝缘件118，其末端120与线圈116之端部接触。

加热元件还有两个金属套121，罩在线圈116末端与插销119的末端120相叠搭接的部位。套121被紧缩在由插销一端120和线圈116所组成的结构上，使此两制件相互牢固连接，从而保证高质量的电气接触，可获得高的反腐蚀性能，而这种腐蚀问题在连续运行过程中是会发生的。

根据本发明一实施例的一种用以将细长件相互连接或焊接的装置，如图15所示(图示为其纵截面)。总体标记为122的装置包括：由若干绕阻组成的成型线圈123，各绕阻被一种绝缘材料124彼此分开。此装置还包括一个脉冲磁场成型器(Field shaper)126。

在施加的脉冲磁力作用下，脉冲磁场成型器的内腔128产生强大的磁压，结果，在该内腔中的圆筒制件会被压缩。

图15A所示为用此装置连接两空心管形制件的两个例子，其中第一管形制件130的直径较大，第二管形制件132的直径较小。这两个制件上相互焊接的部位分别为134与136。这种焊接方式的一个问题是：首先要将两制件正确定位，使两制件同轴；此外，必须提供一种条件，使得两制件相压接时，第二制件132上的被焊接部136应保持不动，以便与第一制件上的134部位焊接。在图15A所示的例子中，上述问题是借助于利用芯子138来解决的，该芯子的第一定位部140的直径等于管形制件130的内径、芯子的第二定位部142的直径等于管形制件132的内径。芯子的两个定位部140与142是同轴的，这样，第一制件130与第二制件132也就是同轴的。此外，芯子138上的定位部142支撑住焊接部136；这样，在磁力作用下焊接部134快速移向136部时，焊接部136在压接过程中保持不动，从而使这两部分彼此实现焊接。

当被一外管件压接而需对被压管件之内壁以支撑时，还可以采用其它许多方法。这些方法包括：将整个管件内充以不可压缩的液体，例如水；向管内注入磁性液体，例如水银、带有金属悬浮动颗粒的油等等，然后，在PMF前，施加一恒定磁场，以便往需要支撑的部位集中磁性液体；在相应部位借助冰冻；等等。这类支撑解决方法是必须的，例如，当内圆柱表面长，因而不可能象图15A那样装入一个芯子。

图15B所示为采用上述同样的装置而不采用芯子的方式。在图15B中，借助于环形件143及144，使两个制件保持同轴。这两个环形件可以用与制件130与132相同的合金制造，也可用一种与之不同的合金制成。这两个环形件有助于磁场形成，且可用以提高焊接质量：在PMF力作用下，被焊接部134的快速内部运动，使两个环形件143与144和被焊接部134与136融合。为保证最佳状态，即被焊接部136在压接时不产生收缩变形，PMF必须以极短的脉冲实施，典型情况下的时间为等于或稍大于T/4(这里 $T=2\mathrm{\π}\sqrt{\mathrm{LC}}$ )。公式8提供了满足需求的各参数间近似关系一个例子： $\frac{m_1{U}^2{l}^2}{2{\mathrm{\μ}}_0{\mathrm{Wn}}^2}\≅\frac{\mathrm{\π}}{2}\sqrt{\frac{C}{L}}----\left(8\right)$

式中：

l    为工作线圈的长度，

n    为工作线圈的绕阻匝数，

L    为放电电路的总电感。

两个直径不同的管形制件的连接如图15C所示。

现在参看图16，该图所示为根据本发明的一个实施例，此实施例涉及将一金属管壁压扁并将其内表面彼此焊接。此实施例的应用实例之一是将盛装用于致冷或加热系统(如冰箱或空调系统)的冷却气体的金属管密封，或者将盛装易燃气(例如炊用燃气等)的管密封。

图16A为一金属管145的纵截面图，其中之146部位为一金属线圈147所环绕。当线圈147有快速放电电流流过时，脉冲磁场将146部位的管壁压扁，并使这一部位的内壁相互焊接，如图16B所示。从图16B可以看出，经压扁后，146部位的管壁有所加厚。然后，可从146部位的中部将其切断，从而形成一密封端148，以防止气体从管内流出(如图中的箭头所示)。

一种用于焊接两平板金属制件的装置，其透视图见图17，其剖面图见图18(图17中，线圈的支撑结构已被移开以便图解说明)。为将两平板制件连接，使用一种在同一平面内的线圈。如图17所示这种处于同一平面内的线圈150的外形与尺寸，基本上与第一制件152上拟与第二制件154焊接面之形状尺寸相同。从图18可知，线圈绕阻156由支撑壁158将其固定在所需位置，该支撑壁用固定件160固定在工作台上。脉冲电流流经线圈150时，平板制件152将快速向下运动，如果与制件154以足够快的速度相压接。例如速度大于300米/秒，则此两金属制件将彼此焊接。为此目的，需按图中箭头所示方向施加磁场力。

现在参阅图19与图20，该图示意性地表述将平板形制件162与162′分别制件164和164′相焊接的过程，它们分别为圆柱形和棱柱形物体(图示为截面图)。现在参阅图21，该图为根据本发明的一实施例所采用的装置中，用于提供脉冲磁力的电路原理框图。此装置包括：电源发生器170，该电源发生器在所述实施例中可能是多通道的；和一个或一组电流电路174(在图示实施例中为三个)。每个这样的电路包括一个电容电池176，一个成型线圈178，和一个脉冲放电开关180，每一个开关180由一多通道触发器172控制。

电源170所提供的电能，储存在一个电容器或一组电容器176中，在多通道触发器172的触发下，所储能量经成型线圈释放。本发明所提供的一种装置中，包括一种新颖的复式磁成型线路。这种装置的优点在于对每个开关180进行恰当的触发定时，以便施加一系列的脉冲磁力，这会给许多应用系统带来好处。

根据本发明另一实施例的电路原理框图如图22所示。在图22中，与图21相同功能的元件均用同样数字加撇(“′”)表示。这一实施例特别实用于提供很强的能量。此装置包括为每一组电路174′提供一变压器184，变压器包括有多匝绕组的初级线圈186和一单匝绕组的次级线圈188。全部次级线圈均与成型线圈190并联。

Claims (11)

1．一种将第一金属制件的至少一部分与一个或多个第二金属制件的至少一部分相连接或焊接的方法，该方法包括：

(a)使这两个金属制件相互靠近，这样，第一金属制件的第一表面或部分面对着第二金属制件的第二表面或部分，第一金属制件的第一表面或部分将连接或焊接在第二金属制件的第二表面或部分上；

(b)在脉冲磁力作用下，包括所述第一表面或部分面的第一金属制件的至少一部分被迫使压向第二制件，该脉冲磁力由在线圈中通过电流而感生，该脉冲磁力的大小是这样的，在压接之前，第一制件的一部分压接在第二制件上的初始动能等于或大于在压接之后第一制件的塑性变形能和第二制件的弹性变形能的总和，从而使至少两个制件彼此连接或焊接。

2．如权利要求1所述的方法，该方法用于连接或焊接两个固体部位，每一被连接之固定部位均为一单独制件的细长部位；至少一个第一部位，即被加工部位为空心；两个被连接的固体部位应使其一部位能配入另一部位；本方法包括：

(a)将被连接的固体部位之一插入另一固体部位的空心内腔中；

(b)使第一制件的第一细长的被加工部位的表面，向第二制件上配对部位的对应表面，在脉冲磁力作用下运动，并使被加工部位的表面以某一速度向配对部位的对应表面压接，该速度应使得第一制件上运动的被加工部位的动能，大于运动部位的塑性变形能与配对部位在压接后弹性变形能的总和，从而使这两部位彼此连接或焊接。

3．如权利要求2所述的方法，其中，所述被加工部位为一圆筒形容座，所述配对部位为电缆。

4．如权利要求3所述的方法，其中金属电缆与电气接头相连接或焊接。

5．如权利要求2所述的方法，其中，所述第一制件是用一种合金制成的超导电缆的蒙皮或基体，而第二制件是由第二种合金制成的一股或多股纤丝，该纤丝插入超导电缆上的穴腔或纵向孔中；本方法包括：将所述纤丝插入所述穴腔或孔中，然后用所述脉冲磁力将所述基体或蒙皮紧缩。

6．如权利要求2所述的方法，用于生产接地导线。

7．如权利要求1所述的方法，包括使所述各固体部分感生快速运动。

8．如权利要求7所述的方法，包括将一管的管壁压扁，并将其内表面彼此连接或焊接。

9．如权利要求2所述的方法，其中，被加工固体部位在与配对部位对应表面压接前的速度U，近似表示如方程(1)： $U\≥\sqrt{(A_1+A_2)/m_1}----\left(1\right)$

式中：

U         被加工部位之运动表面在压接前的速度，

m₁       被加工部位的质量，和

A₁与A₂  分别为被加工部位塑性变形能和配对部位的弹性变形

         能；分别可按近似公式(2)与(3)计算：

              $A_1={\mathrm{\σ}}_1{V}_1{e}^{\ln (1/(1+{\mathrm{\δ}}_1))}/({\mathrm{\γ}}_{01}/{\mathrm{\γ}}_1-1)---\left(2\right)$

              $A_2={\mathrm{\σ}}_2{V}_2{e}^{\ln (1/(1+{\mathrm{\δ}}_2))}/({\mathrm{\γ}}_{02}/{\mathrm{\γ}}_2-1)---\left(3\right)$

式中：

r₀₁与r₀₂分别为被加工部位和配对部位在变形前的半径，

r₁与r₂  分别为被加工部位和配对部位变形后的半径，

σ₁与σ₂分别为被加工部位和配对部位材料的抗拉强度，

V₁与V₂  分别为变形后封闭在被加工部位内和封闭在配对部位内

           的体积，和

δ₁与δ₂分别为被加工部位和配对部位的相对拉伸，可按下列公

      式(4)、(5)计算：          ${\mathrm{\δ}}_1=\left|\frac{{\mathrm{\γ}}_{01}-{\mathrm{\γ}}_1}{{\mathrm{\γ}}_{01}}\right|---\left(4\right)$

         ${\mathrm{\δ}}_2=\left|\frac{{\mathrm{\γ}}_{02}-{\mathrm{\γ}}_2}{{\mathrm{\γ}}_{02}}\right|---\left(5\right)$

10．如权利要求9所述的方法，其中，工作电压V按下列近似公式(6)和(7)计算： $W=\frac{K{m}_1{U}^2\mathrm{Ll}}{4\mathrm{\π}{\mathrm{\μ}}_0{\mathrm{\γ}}_{01}h}---\left(6\right)$ $V=\sqrt{\frac{2W}{C}}---\left(7\right)$

式中：

W          储存在电容电池中的能量，

K          系数，取决于PMF装置的参数和工作线圈参数，

L          放电回路的总电感，

l          工作线圈的长度，

μ₀       真空中的磁导，

h          作线圈与制件间空隙的厚度，

U,m₁和r0₁与权利要求9中所作定义相同。

11．如权利要求1所述的方法，其中，至少两个部位在本质上呈平面，并且彼此连接或焊接。

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