CN111390412A - 一种大电流电磁脉冲焊接装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大电流电磁脉冲焊接装置，主要包括真空继电器HV、储能电容C1、预充电容C2、晶闸管D、电感L、磁开关T、固态开关RSD和焊接线圈coil；本发明可以在保障装置的大电流通流性的情况下，实现高导通稳定性。

Description

一种大电流电磁脉冲焊接装置

技术领域

本发明涉及电磁脉冲焊接领域，具体是一种大电流电磁脉冲焊接装置。

背景技术

电磁脉冲焊接技术是上世纪60年代在国外兴起的新型焊接方法，它是应用电磁力使待焊金属间产生强烈的碰撞而连接在一起的连接工艺，属于固态连接。不同于传统的连接方式，电磁脉冲焊接能够大幅提高材料的成形极限，便于实现自动化。同时电磁焊接过程不需要填充金属也不需要保护气体，可大幅度减小焊接接头界面金属间化合物的产生减小甚至消除因金属熔化产生的接头内应力，有效解决普通焊接解决不了的异种材料性能差异性，因此研究高可靠性，长寿命的电磁脉冲焊接设备尤为重要。

关于电磁脉冲焊接设备的研制国内外均有相关研究，国外最早起步于1958年，美国通用电力公司在日内瓦举行的第二次国际和平利用原子能的会议上展出了世界上第一台电磁成形机。1962年，美国的布劳尔(Brower)和哈维(Harvey)经过改进和完善发明了可用于工业生产的电磁成形机。在国内，关于电磁脉冲焊接技术的研究起步于60年代初期，中国科学院电工研究所曾组织力量系统地研究过电磁成形工艺及设备，但之后很长一段时间内对于这项技术的研究处于空白状态。近年来，我国部分高校、科研院所进行了大量的设备研发与制作，针对不同的应用场景，研发了储能大小、开关类型各不相同的电磁脉冲焊接设备。90年代中期哈尔滨工业大学研究者设计完成了储能分别为1.2kJ、14.4kJ和36kJ的电磁脉冲焊接设备，用于相关实验研究；另有同济大学应丁之等针对平板焊接的特殊性，设计了一套针对平板焊接的电磁脉冲焊接装置，为平板焊接技术的实现找到了一个突破口。

电磁脉冲焊接平台需要产生一个幅值很高的脉冲大电流，开关需要有足够耐压及通流能力，因此开关的选择尤为重要，此前对于电磁脉冲焊接装置的研制中，脉冲大电流开关一般采用真空触发开关(Triggered Vacuum Switch，TVS)或气体火花开关(Gas sparkswitch)，真空触发开关分为场击穿型和沿面击穿型两种，导通过程均分为触发阶段和主间隙导通阶段，两种类型真空开关对于外接触发以及内部涂层的要求都很高，再者由于击穿导通特性其使用寿命具有极大限制；同理气体火花开关也由于电极烧蚀等特点，造成了极大的寿命问题；此外在导通稳定性以及触发稳定性等多个方面上述两种开关均有极大不足；再者，现如今，对于各类装备自动化以及高重频性能要求越来越高，气体开关不具备高重频的缺陷愈发明显。

发明内容

本发明的目的是解决现有技术中存在的问题。

为实现本发明目的而采用的技术方案是这样的，一种大电流电磁脉冲焊接装置，主要包括真空继电器HV、储能电容C1、预充电容C2、晶闸管D、电感L、磁开关T、固态开关RSD和焊接线圈coil。

真空继电器HV为储能电容C1和预充电容C2充能。

储能后，所述预充电容C2放电。

所述预充电容C2与电感L串联谐振，产生反向预充电流。所述反向预充电流对预充电容和固态开关RSD反向充电。

预充电容C2放电结束t_s时间后，晶闸管D断开，磁开关T导通。t_s为磁开关阻断时间。

进一步，磁开关阻断时间t_s如下所示：

式中，N₁为磁开关的线圈匝数。ΔB为最大磁通变化量，S为磁芯截面积。U₀为充电电压。

磁开关阻断时间t_s满足如下约束条件：

式中，t₁为预充电容C2与电感L串联谐振周期。

其中，预充电容C2和电感串联谐振周期t₁如下所示：

式中，C为预充电容C2的电容值。L为电感值。

储能电容C1通过磁开关T、固态开关RSD对焊接线圈coil放电，使脉冲电流流过焊接线圈coil，产生磁场，完成焊接线圈coil内待焊接件的焊接。

大电流电磁脉冲焊接装置的电路结构如下所示：

真空继电器HV串联固态开关RSD的阳极。固态开关RSD的阴极接地。

真空继电器HV依次串联晶闸管D和电感L后接地。

真空继电器HV串联预充电容C2后接地。

真空继电器HV依次串联磁开关T、储能电容C1和焊接线圈coil后接地。

值得说明的是，本发明工作原理为：1)闭合真空继电器，高压直流电源给储能电容和预充电容进行充能，当充电过程结束，断开真空继电器；2)在预充回路中，控制电路作用在晶闸管上，触发晶闸管导通，这时，预充电容和电感进行串联谐振，产生大电流对预充电容反向充电，同时，预充电流从下往上给RSD开关反向充电，最后放电结束。由于放电刚开始到结束过程，磁开关两端承受电压逐渐增大，磁芯逐渐饱和，磁开关由最初的关断状态变为导通状态；3)当磁开关饱和，晶闸管断开，储能电容通过磁开关、RSD、焊接线圈的回路进行放电，脉冲大电流流过焊接线圈，产生出强大的磁场，放置在焊接线圈当中的管件受到电磁力的作用发生强烈的碰撞，最终完成焊接。

本发明的技术效果是毋庸置疑的。本发明的开关触发方式简单，具备高重频能力。本发明可以在保障装置的大电流通流性的情况下，实现高导通稳定性。本发明可以满足焊接装置重频工作要求。

附图说明

图1为电磁脉冲焊接装置实物图；

图2为焊接装置电路结构示意图；

图3为放电主回路示意图；

图4为预充回路电压波形图；

图5为预充回路电流波形图；

图6为放电电压波形图；

图7为放电电流波形图；

图8为金属管件焊接效果图I；

图9为金属管件焊接效果II；

图10为金属管件焊接效果III。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不应该理解为本发明上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的保护范围内。

实施例1：

参见图1和图2，一种大电流电磁脉冲焊接装置，主要包括真空继电器HV、储能电容C1、预充电容C2、晶闸管D、电感L、磁开关T、固态开关RSD和焊接线圈coil。

真空继电器HV为储能电容C1和预充电容C2充能。

储能后，所述预充电容C2放电。

所述预充电容C2与电感L串联谐振，产生反向预充电流。所述反向预充电流对预充电容和固态开关RSD反向充电。

由于晶闸管电流过零时关断，所以在预充回路LC串联谐振给RSD反向充电过程中，需要磁开关将储能电容和预充回路进行隔离，因此，预充电容C2放电结束t_s时间后，晶闸管D断开，磁开关T导通。t_s为磁开关阻断时间。

进一步，磁开关阻断时间t_s如下所示：

式中，N₁为磁开关的线圈匝数。ΔB为最大磁通变化量，S为磁芯截面积。U₀为充电电压。

磁开关阻断时间t_s满足如下约束条件：

式中，t₁为预充电容C2与电感L串联谐振周期。

其中，预充电容C2和电感串联谐振周期t₁如下所示：

式中，C为预充电容C2的电容值。L为电感值。

储能电容C1通过磁开关T、固态开关RSD对焊接线圈coil放电，使脉冲电流流过焊接线圈coil，产生磁场，完成焊接线圈coil内待焊接件的焊接。

实施例2：

大电流电磁脉冲焊接装置的电路结构如下所示：

真空继电器HV串联固态开关RSD的阳极。固态开关RSD的阴极接地。

真空继电器HV依次串联晶闸管D和电感L后接地。

真空继电器HV串联预充电容C2后接地。预充电容C2、晶闸管D和电感L构成预充回路。

真空继电器HV依次串联磁开关T、储能电容C1和焊接线圈coil后接地。固态开关RSD、磁开关T、储能电容C1和焊接线圈coil构成主回路。

实施例3：

一种应用大电流电磁脉冲焊接装置的实验，主要如下：

1)搭建大电流电磁脉冲焊接装置，并将待焊接的金属件放置于焊接线圈coil内。

2)设置采集电压为4kV，并对大电流电磁脉冲焊接装置进行加压。

3)加压后，预充回路中电容与电感串联谐振的电压和电流波形如图4、图5所示。

主回路放电波形如图6、图7所示。主回路放电时，等效电路参见图3，电源(即储能电容C1)正极所在一端串联开关S1(即磁开关T)、电容C(即预充电容C2)后接地，电源正极所在一端串联开关S1、开关S2(即晶闸管D)、电感L和电阻R(即焊接线圈coil)后接地，电源负极所在一端接地。

从图中看出在6kV加下的电流约140kA，4匝线圈在4kV下的电流约60kA。虽然脉冲电流减小，上升沿的时间增加，使得感应的磁场减小，但由于匝数的增多，感应出来的磁场会增加，所以，最终单匝线圈和多匝线圈对于电磁脉冲焊接电力电缆接头的效果还需要实验进行验证。同时，从电流波形来看，正半周期到负半周期之间有2～4μs的时间延迟，这是由于磁开关起到阻断和进行磁压缩的作用。

3)参见图7至图10，对该装置进行加压，完成不同金属管件的焊接。

Claims (4)

1.一种大电流电磁脉冲焊接装置，其特征在于，主要包括真空继电器HV、储能电容C1、所述预充电容C2、晶闸管D、电感L、磁开关T、固态开关RSD和焊接线圈coil。

真空继电器HV为储能电容C1和预充电容C2充能；

储能后，所述预充电容C2放电；

所述预充电容C2与电感L串联谐振，产生反向预充电流；所述反向预充电流对预充电容和固态开关RSD反向充电；

预充电容C2放电结束t_s时间后，晶闸管D断开，磁开关T导通；t_s为磁开关阻断时间；

储能电容C1通过磁开关T、固态开关RSD对焊接线圈coil放电，使脉冲电流流过焊接线圈coil，产生磁场，完成焊接线圈coil内待焊接件的焊接。

2.根据权利要求1或2所述的一种大电流电磁脉冲焊接装置，其特征在于，磁开关阻断时间t_s如下所示：

式中，N₁为磁开关的线圈匝数；ΔB为最大磁通变化量，S为磁芯截面积；U₀为充电电压。

3.根据权利要求1所述的一种大电流电磁脉冲焊接装置，其特征在于，磁开关阻断时间t_s满足如下约束条件：

式中，t₁为预充电容C2与电感L串联谐振周期；

其中，预充电容C2和电感串联谐振周期t₁如下所示：

式中，C为预充电容C2的电容值；L为电感值。

4.根据权利要求1所述的一种大电流电磁脉冲焊接装置，其特征在于，大电流电磁脉冲焊接装置的电路结构如下所示：

真空继电器HV串联固态开关RSD的阳极；固态开关RSD的阴极接地；

真空继电器HV依次串联晶闸管D和电感L后接地；

真空继电器HV串联预充电容C2后接地；

真空继电器HV依次串联磁开关T、储能电容C1和焊接线圈coil后接地。

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