CN110026670A - 异种金属板集磁-控力式磁脉冲连接装置及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种异种金属板集磁‑控力式磁脉冲连接装置及其工作方法，包括从下往上依次叠置的靶板、隔离板、飞板以及外导座，外导座上设有纵向通孔，纵向通孔的底部设有第一开口，纵向通孔内纵设有螺线管线圈，螺线管线圈的两端连接有电源系统，电源系统为螺线管线圈放电，以使外导座与飞板构成的感应回路产生电磁驱动力；隔离板上设有以利于飞板在电磁驱动力的驱动下向下穿过并撞击在靶板上形成连接区域的第二开口。本发明结构设计简单、合理，通过将螺线管线圈设置在外导座内，实现集磁、控力的目的，使得产生柔性可调的电磁驱动力，拓宽磁脉冲连接工艺的窗口，解决了传统磁脉冲连接技术能量利用率低和连接质量难以控制的问题。

Description

异种金属板集磁-控力式磁脉冲连接装置及其工作方法

技术领域：

本发明涉及一种异种金属板集磁-控力式磁脉冲连接装置及其工作方法。

背景技术：

目前，在航空航天、武器装备和汽车制造等领域，汽车轻量化已逐渐成为共识，以铝合金、镁合金、钛合金等为代表的轻质合金与传统金属材料的连接因而受到广泛的关注与重视。由于异种金属在晶体结构、力学性能、物理性质和化学性质等方面存在巨大差异，传统的连接技术如弧焊、电阻点焊等方法易使连接界面上生成脆性金属间化合物，产生热影响区，形成很大的应力梯度，难以获得高强度的连接接头，极大地限制了轻质材料及异种金属连接件在上述领域的应用，因此，急需研究和开发适用于异种金属连接的新方法。

磁脉冲焊接作为一种塑性变形连接的先进技术，具有连接过程无需填充物和保护气体、接头无热影响区、能大幅度减少接头过渡区金属间相的形成从而显著提高连接接头的强度，为一种金属的连接提供了有效的方式。传统板材磁脉冲连接的工艺原理如图1所示，闭合放电开关1，储能电容器3对单匝线圈8放电产生放电电流10，单匝线圈8周围会产生强脉冲磁场9，高导电率的飞板5在强脉冲磁场9中会产生感应电流11，磁场的相互作用会产生电磁驱动力12，驱动飞板5高速撞击靶板7，最终靶板7上形成连接区域13，在毫秒级内实现异种金属板的冶金连接。

目前，板材磁脉冲连接通常采用单匝线圈（如I型、H型或E型），由于单匝线圈与板坯的耦合程度低，大部分磁力线散布于整个空间体系，连接体系的互感系数低，因而能量利用率较低。同时，由于单匝线圈电感较小，放电电流上升陡度大，脉冲电磁力脉宽小，所以电磁力做功的有效时间短。为了获得几百米每秒（≥300m/s）碰撞速度，通常需要大幅度提高放电电压以提高脉冲电磁驱动力的幅值。但过高的放电电压易引起线圈寿命短和设备的损坏，同时致使异种金属板连接的工艺窗口变窄，连接接头质量难以控制，极大地限制了磁脉冲连接技术在上诉领域的推广及应用。

发明内容：

本发明针对上述现有技术存在的问题做出改进，即本发明所要解决的技术问题是提供一种异种金属板集磁-控力式磁脉冲连接装置及其工作方法，不仅结构合理、能量利用率高，而且控制方便、连接接头质量好，使得工艺窗口变宽。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种异种金属板集磁-控力式磁脉冲连接装置，包括从下往上依次叠置的靶板、隔离板、飞板以及外导座，所述外导座上设有纵向通孔，所述纵向通孔的底部设有第一开口，纵向通孔内纵设有螺线管线圈，所述螺线管线圈的两端连接有电源系统，所述电源系统为螺线管线圈放电，以使外导座与飞板构成的感应回路产生电磁驱动力；所述隔离板上设有以利于飞板在电磁驱动力的驱动下向下穿过并撞击在靶板上形成连接区域的第二开口。将线圈设置在外导座中，使更多的磁力线汇集在放电线圈与外导座之间的间隙，使该处的磁力线密度增大（即集磁作用），控制板坯感应电流的方向，使感应电流方向的一致性得到加强，进而飞板受到的电磁力也得到加强（即控力作用）。此外，电磁驱动力（）的幅值和脉宽可通过改变螺线管线圈参数、放电电压、外导座型式和材质等进行主动调节，增加驱动力的调节柔性。

进一步的，还包括底座和压板，所述底座上设有用以容置靶板、隔离板、飞板以及外导座下端的凹部；所述压板设置在外导座的顶面，压板左右两端与底座之间经由连接件连接，以向下压紧外导座。

进一步的，所述底座的左右两端对称设有若干个沿纵向并排分布的竖向沉孔；所述压板的左右两端对称设有与若干个竖向沉孔的位置一一对应的若干个连接通孔；所述连接件包括内六角螺栓和锁紧螺母，所述内六角螺栓从下往上依次贯穿竖向沉孔和连接通孔，所述锁紧螺母位于压板的上侧且与内六角螺栓螺纹连接，实现锁紧。

进一步的，所述电源系统包括串接在螺线管线圈两端之间的储能电容器、分压电阻以及放电开关，所述放电开关用于控制放电回路电流的通断，所述的分压电阻用于控制储能电容器两端的电压。

进一步的，所述外导座和螺线管线圈均由高导电率材料制成；所述飞板由高导电或低导电率材料制成。

进一步的，当飞板由低导电率材料制成时，飞板的表面镀有高导电率材料。

进一步的，所述靶板由金属材料制成；所述隔离板由绝缘材料制成。

进一步的，所述底座和压板均由绝缘材料制成。

本发明采用的另一种技术方案是：一种异种金属板集磁-控力式磁脉冲连接装置的工作方法，包含如下步骤：

步骤S1：闭合放电开关，通电的螺线管线圈周围会产生强磁场，处于强磁场中的飞板产生感应电流和感应磁场，两磁场相互作用产生电磁驱动力；

步骤S2：当产生的电磁驱动力达到飞板的屈服强度时，就会驱动飞板向下高速撞击靶板，在靶板上形成连接区域，实现异种金属板的冶金连接。

与现有技术相比，本发明具有以下效果：本发明结构设计简单、合理，通过将螺线管线圈设置在外导座内，实现集磁、控力的目的，使得产生柔性可调的电磁驱动力，拓宽磁脉冲连接工艺的窗口，解决了传统磁脉冲连接技术能量利用率低和连接质量难以控制的问题。

附图说明：

图1是传统磁脉冲连接原理示意图；

图2是本发明实施例的原理示意图；

图3是本发明实施例的立体构造示意图；

图4是本发明实施例中底座的立体构造示意图；

图5是本发明实施例中隔离板的立体构造示意图；

图6是本发明实施例中外导座的立体构造示意图；

图7是本发明实施例中压板的立体构造示意图。

图中：

1-放电开关；2-分压电阻；3-储能电容器；4-压紧力；5-飞板；6-隔离板；7-靶板；8-单匝线圈；9-磁场方向；10-放电电流；11-感应电流；12-电磁驱动力；13-连接区域；14-外导座；15-螺线管线圈；16-底座；17-内六角螺栓；18-压板；19-锁紧螺母；20-凹部；21-第一开口；22-第二开口；23-纵向通孔；24-竖向沉孔；25-连接通孔。

具体实施方式:

为了更清楚地解释本发明，下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明，显而易见地，下面所列的附图仅仅是本发明的一些具体实施例。

如图2～7所示，本发明一种异种金属板集磁-控力式磁脉冲连接装置，包括从下往上依次叠置的靶板7、隔离板6、飞板5以及外导座14，所述外导座14上设有纵向通孔23，所述纵向通孔23的底部设有第一开口21，纵向通孔23内纵设有螺线管线圈15，所述螺线管线圈15的两端通过导线连接有电源系统，所述电源系统为螺线管线圈15放电，以使外导座14与飞板5构成的感应回路会产生与放电电流10相反方向的感应电流11，产生电磁驱动力12；当电磁驱动力12达到飞板5的屈服强度时，就会驱动飞板5向下高速撞击靶板7，最终在靶板7上形成连接区域13，毫秒级内实现异种金属板的冶金连接；所述隔离板6上设有以利于飞板5在电磁驱动力12的驱动下向下穿过的第二开口22。

本实施例中，还包括底座16和压板18，所述底座16上设有用以容置靶板7、隔离板6、飞板5以及外导座14下端的凹部20；所述压板18设置在外导座14的顶面，压板18左右两端与底座16之间经由连接件连接，以向下压紧外导座14。

优选的，所述底座16的左右两端对称设有若干个沿纵向并排分布的竖向沉孔24；所述压板18的左右两端对称设有与若干个竖向沉孔24的位置一一对应的若干个连接通孔25；所述连接件包括内六角螺栓17和锁紧螺母19，所述内六角螺栓17从下往上依次贯穿竖向沉孔24和连接通孔25，所述锁紧螺母19位于压板18的上侧且与内六角螺栓17螺纹连接，实现锁紧，完成整个装置的压紧。

本实施例中，所述电源系统包括串接在螺线管线圈15两端之间的储能电容器3、分压电阻2以及放电开关1，所述放电开关1用于控制放电回路电流的通断，所述的分压电阻2用于控制储能电容器3两端的电压。

本实施例中，所述外导座14由高导电率材料制成（如铝、铜等），外导座14的形状并不限于图中所示的外形，应根据实际工艺需要作相应的设计。外导座14上第一开口侧与飞板5通过预紧力连接在一起，构成感应回路。

本实施例中，所述螺线管线圈15由高导电率材料制成，以便为感应回路提供强脉冲磁场。

本实施例中，所述飞板5可以为高导电或低导电率材料制成；当飞板5由高导电率材料制成时，飞板不需任何处理；当飞板由低导电率材料制成时，飞板的表面镀有高导电率材料涂层，以提高飞板5的导电性能；飞板5的厚度应适当，否则不利于飞板5的塑性变形。

本实施例中，所述靶板7由金属材料制成，对材料的导电率及板厚不作要求。

本实施例中，所述隔离板6由绝缘材料制成，用于飞板5和靶板7的隔离，隔离板6上的第二开口为飞板5高速撞击靶板7提供加速空间。

本实施例中，所述底座16和压板18均由绝缘材料制成；优选的，底座16的左右两端分别设置三个竖向沉孔24，压板18左右两端的连接通孔25也均为三个。

本实施例中，金属板材所受电磁驱动力取决于板坯中的感应电流密度及其周围的磁场（）。在异种金属板磁脉冲连接装置中引入外导座，一方面，使更多的磁力线汇集在放电线圈与外导座之间的间隙中，该处磁力线密度增大（即“集磁”作用），同时提高了整个感应体系的互感系数，从而大大的提高了能量利用率；另一方面，控制了板坯感应电流的流向，使板坯感应电流方向的一致性得到加强，因而飞板所受到电磁力也得到加强（即“控力”作用）。

本发明的优点在于：

（1）电磁驱动力（）的幅值和脉宽可通过改变螺线管线圈参数、放电电压、外导座型式和材质等进行主动调节，大大增加了驱动力的调节柔性；

（2）电磁驱动力沿螺线管线圈轴向分布较为均匀，因而能够较好的控制异种金属板磁脉冲连接的接头质量，拓宽了磁脉冲连接技术的窗口；

（3）连接能量利用率高，放电电压低可提高线圈使用寿命，在较低的放电能量即可实现异种金属板的冶金结合，为异种金属板的连接提供了新的加工途径；

（4）与传统异种金属板磁脉冲连接相比，当飞板为低导电率材料时，对飞板进行镀层处理，不仅适用于高导电率材料的连接亦适用于低导电率材料的连接，解决传统磁脉冲连接技术只适用于高导电率材料连接的问题；

（5）与传统异种金属板连接工艺相比，具有连接接头质量较高及接头密封性能好的优点。

本发明采用的另一种技术方案是：一种异种金属板集磁-控力式磁脉冲连接装置的工作方法，包含如下步骤：

步骤S1：储能电容器3两端伸出的导线连接到螺线管线圈15的两端，然后闭合放电开关1，通电的螺线管线圈15周围会产生强磁场，处于强磁场中的飞板5产生感应电流和感应磁场，两磁场相互作用产生电磁驱动力12；

步骤S2：当产生的电磁驱动力12达到飞板5的屈服强度时，就会驱动飞板5向下高速撞击靶板7，在靶板7上形成连接区域13，实现异种金属板的冶金连接。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (9)

1.一种异种金属板集磁-控力式磁脉冲连接装置，其特征在于：包括从下往上依次叠置的靶板、隔离板、飞板以及外导座，所述外导座上设有纵向通孔，所述纵向通孔的底部设有第一开口，纵向通孔内纵设有螺线管线圈，所述螺线管线圈的两端连接有电源系统，所述电源系统为螺线管线圈放电，以使外导座与飞板构成的感应回路产生电磁驱动力；所述隔离板上设有以利于飞板在电磁驱动力的驱动下向下穿过并撞击在靶板上形成连接区域的第二开口。

2.根据权利要求1所述的异种金属板集磁-控力式磁脉冲连接装置，其特征在于：还包括底座和压板，所述底座上设有用以容置靶板、隔离板、飞板以及外导座下端的凹部；所述压板设置在外导座的顶面，压板左右两端与底座之间经由连接件连接，以向下压紧外导座。

3.根据权利要求2所述的异种金属板集磁-控力式磁脉冲连接装置，其特征在于：所述底座的左右两端对称设有若干个沿纵向并排分布的竖向沉孔；所述压板的左右两端对称设有与若干个竖向沉孔的位置一一对应的若干个连接通孔；所述连接件包括内六角螺栓和锁紧螺母，所述内六角螺栓从下往上依次贯穿竖向沉孔和连接通孔，所述锁紧螺母位于压板的上侧且与内六角螺栓螺纹连接，实现锁紧。

4.根据权利要求1所述的异种金属板集磁-控力式磁脉冲连接装置，其特征在于：所述电源系统包括串接在螺线管线圈两端之间的储能电容器、分压电阻以及放电开关，所述放电开关用于控制放电回路电流的通断，所述的分压电阻用于控制储能电容器两端的电压。

5.根据权利要求1所述的异种金属板集磁-控力式磁脉冲连接装置，其特征在于：所述外导座和螺线管线圈均由高导电率材料制成；所述飞板由高导电或低导电率材料制成。

6.根据权利要求5所述的异种金属板集磁-控力式磁脉冲连接装置，其特征在于：当飞板由低导电率材料制成时，飞板的表面镀有高导电率材料。

7.根据权利要求1所述的异种金属板集磁-控力式磁脉冲连接装置，其特征在于：所述靶板由金属材料制成；所述隔离板由绝缘材料制成。

8.根据权利要求2所述的异种金属板集磁-控力式磁脉冲连接装置，其特征在于：所述底座和压板均由绝缘材料制成。

9.一种异种金属板集磁-控力式磁脉冲连接装置的工作方法，其特征在于：包括采用如权利要求1～8任一项所述的异种金属板集磁-控力式磁脉冲连接装置，包含如下步骤：

步骤S1：闭合放电开关，通电的螺线管线圈周围会产生强磁场，处于强磁场中的飞板产生感应电流和感应磁场，两磁场相互作用产生电磁驱动力；

步骤S2：当产生的电磁驱动力达到飞板的屈服强度时，就会驱动飞板向下高速撞击靶板，在靶板上形成连接区域，实现异种金属板的冶金连接。