CN111482723B - 一种基于铝箔电致汽爆的自动化点焊装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于高速冲击焊接相关技术领域,并具体公开了一种基于铝箔电致汽爆的自动化点焊装置及方法。该装置包括机械臂、通电端和铝箔,当对两个相对放置的待焊接对象进行焊接时,机械臂夹持通电端和铝箔移动,铝箔压持在待焊接对象表面,通电端中通入高强电流,电流传导至铝箔上,使其汽爆区发生电致汽爆产生高压,进而使得待焊接对象焊接;通电端由内至外包括负极层、隔离层、正极层和夹持器,铝箔上设置有正极区、负极区和汽爆区,正极区与正极层相对应,负极区与负极层相对应,汽爆区包括多根沿圆环圆周方向均匀分布且结构相同的连接片,每根连接片均从负极区指向正极区;通过本发明,实现各种焊接位置,拓展汽爆焊接的工业应用,提高加工效率。
Description
技术领域
本发明属于高速冲击焊接相关技术领域,更具体地,涉及一种基于铝箔电致汽爆的自动化点焊装置及方法。
背景技术
高速冲击焊接是将高能量密度的场能或高能束作为外界输入能量,通过能场与物质的相互作用驱动材料(飞板)发生高速移动,与另一材料(基板)成一定角度发生高速倾斜碰撞,实现两种材料间的冶金结合。作为固态焊接工艺,高速冲击焊接可以大幅减少热影响区和金属间化合物的形成,从而保证其接头的性能,适合各种异种金属间的焊接。目前的高速冲击焊接技术有爆炸焊、电磁脉冲焊、激光冲击焊、汽爆焊,其中,由于炸药的危险性及不易实现自动化,使爆炸焊在应用上受到限制;激光冲击焊受激光直径的限制,仅适于毫米尺寸的连接;电磁脉冲焊则需要飞板具有导电性,且线圈的寿命短;汽爆焊接工艺于2013年提出,其原理是基于铝箔的电致汽爆:当薄的铝箔在高强度电流通过后迅速汽化提供飞板驱动力,汽爆焊接所用的设备与电磁脉冲焊基本相同,但不需要飞板是良好的电导体;此外,汽爆焊接工艺的电能到动能的转换效率要高得多,在相同设备和冲击参数下,汽爆焊的飞板速度约是电磁脉冲焊接的三倍;
汽爆焊接的成本较小、适用性广,是一项具有发展前景的技术,但目前还停留在实验室研究阶段,仅适用于平焊,因此,发展一种能够实现自动化、适用范围广的汽爆焊接装置和方法,具有重要意义和广泛的应用前景。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求,本发明提供了一种基于铝箔电致汽爆的自动化点焊装置及方法,其中通过对其关键组件通电端和铝箔的结构设计,同时结合机械臂配合工作,使得本发明中的汽爆焊装置实现点焊过程,并适用范围广泛,实现各种焊接位置,拓展汽爆焊接的工业应用,提高其加工效率。
为实现上述目的,按照本发明的一个方面,提供了一种基于铝箔电致汽爆的自动化点焊装置,该装置包括机械臂、通电端和铝箔,其中,
所述通电端的一端与所述机械臂的末端连接,另一端与所铝箔连接,当对两个相对放置的待焊接对象进行焊接时,所述机械臂夹持所述通电端夹和铝箔移动至待待焊接处,所述铝箔压持在待焊接对象表面,所述通电端中通入高强电流,该高强电流传导至所述铝箔上,在该铝箔的汽爆区发生电致汽爆产生高压使得两个待焊接对象焊接在一起;其中,
所述通电端呈圆柱状,从圆柱中心出发由内至外包括负极层、隔离层、正极层、正极绝缘层和夹持器,所述负极层设置在圆柱的中心,所述隔离层用于将所述正极层和负极层隔离,所述正极绝缘层用于将所述正极层与所述夹持器隔离,避免流入所述正极层的电流流入所述夹持器,所述夹持器用于夹持所述铝箔,使得铝箔与所述通电端连接;
所述铝箔上设置有直壁区、正极区、负极区和汽爆区,所述正极区呈圆环状,与所述通电端的正极层相对应,所述负极区设置在所述圆环的中心,与所述通电端的负极层相对应,所述汽爆区包括多根沿所述圆环圆周方向均匀分布且结构相同的连接片,每根连接片均从负极区指向所述正极区;
高强电流从所述正极层流入后流向所述铝箔的正极区,然后经汽爆区流向所述负极区,最后从该负极区流入所述通电端的负极层,以此形成电流的回路,其中,所述正极区、连接片和负极区的截面积形成两头宽中间细的结构,高压电从所述正极区流入后,在所述连接片处发生电致汽爆。
进一步优选地,待焊接对象飞板与所述铝箔接触的表面设置有绝缘层,避免所述铝箔与待焊接对象之间电流传导。
进一步优选地,所述隔离层包括负极缓冲层、冲击层和正极缓冲层,所述负极缓冲层用于保护所述负极层,防止负极层在高压下变形,所述正极缓冲层用于保护所述正极层,防止正极层在高压下变形,所述冲击层与所述汽爆区对应,用于承受所述汽爆区发生汽爆时的高压力。
进一步优选地,所述电容器(4)输入的能量为5kJ~15kJ。
进一步优选地,所述铝箔是一次性消耗品,一个铝箔只能实现一次汽爆,可通过冲压快速批量制造。
进一步优选地,所述铝箔的直径优选为50mm~100mm,厚度优选为0.075mm~0.125mm。
按照本发明的另一个方面,提供了一种上述所述的自动化点焊装置的焊接方法,该方法包括下列步骤:
S1将所述通电端固定在所述机械臂的末端,所述铝箔夹持在所述通电端末端,将两个待焊接对象按照预设距离相对放置,所述机械臂移至所述待焊接对象上方;
S2所述铝箔对所述待焊接对象施加压力进行预压,所述通电端中通入高强电流,该高强电流进入所述铝箔中,在汽爆区发生电致汽爆并产生局部高压,使得两个待焊接的对象发生撞击,形成一个点状连接接头,以此实现两个待焊接对象的焊接;
S3待焊接对象焊接在一起后,所述机械臂携带所述通电端和铝箔移开,所述夹持器张开,所述铝箔从所述通电端上脱落,至此实现待焊接对象的点焊。
总体而言,通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比,具备下列有益效果:
1.本发明中提供的铝箔结构中,在正极区和负极区之间均匀分布着两头宽中间细的连接片,这是铝箔单位截面积上通过电流能量最高的部分,进而只能使连接片发生汽爆,控制了汽爆区域,此外,每个连接片结构相同、沿圆周方向均匀分布,使得高强电流的能量均匀分布在每个连接片上,进而使得每个连接片能同时汽爆,使能量集中爆发,提高点焊压力,进而提高焊接质量;
2.本发明中铝箔结构类似于碗形,结构简单,可通过冲压快速制造,且配合夹持器能够实现铝箔的快速更换,适合自动化焊接;
3.本发明提供了一种实现汽爆焊接自动化的方法,大大提升加工效率,改善生产环境,其中大部分为现有工业装备,仅需对通电端进行加工,减少了设备成本,并通过与机械臂的配合,可实现任意焊接位置的加工。
附图说明
图1是按照本发明的优选实施例所构建的铝箔电致汽爆的自动化点焊装置结构示意图;
图2是按照本发明的优选实施例所构建的通电端和铝箔的结构示意图;
图3是按照本发明的优选实施例所构建的通电端与铝箔对应结构的示意图;
图4是按照本发明的优选实施例所构建的汽爆焊接结束时的示意图。
在所有附图中,相同的附图标记用来表示相同的元件或结构,其中:
1-通电端,2-机械臂,3-电缆,4-电容器,5-工作台,6-绝缘层,7-待焊接飞板,8-铝箔,8a-直壁区,8b-正极区,8c-汽爆区,8d-负极区,9-待焊接目标板,10-末端绝缘层,11-夹持机械臂,12-负极层,13-负极缓冲层,14-冲击层,15-正极缓冲层,16-正极层,17-正极绝缘层,18-夹持器,19-绝缘卡扣。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合附图及实施例,对本发明进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。此外,下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1所示,一种基于铝箔电致汽爆的自动化点焊方法及装置,该方法包括下列步骤:
(i)将待焊接目标板9放置在工作台5上,另一待焊接飞板7上有绝缘层6,通过机械臂11将飞板7和绝缘层6置于目标板9上方预设间距的位置;夹持机械臂11的夹持段有末端绝缘层10;
(ii)机械臂2上连接有通电端1,通电端1通过夹持铝箔直壁区8a,套上铝箔8;
其中,如图2和3所示,通电端1由内到外包括了负极层12、隔离层、正极层16、正极绝缘层17和夹持器18,电缆3沿着机械臂2接在负极层12和正极层16,电缆3中的电流从正极层16经过铝箔后流回负极层12,夹持器18上设置有绝缘卡扣19,防止铝箔8的电流流入夹持器18,正极绝缘层17用于将正极层16和夹持器18隔离,避免夹持器18上通入电流,隔离层包括负极缓冲层13、冲击层14和正极缓冲层15、负极缓冲层13和正极缓冲层15分别用于保护负极层12和正极层16,冲击层14用于承受在铝箔汽爆区8c发生汽爆时的高压,避免破坏通电端1;
铝箔8包括直壁区8a、正极区8b、汽爆区8c和负极区8d;正极区8b呈圆环状,与通电端1的正极层16相对应,负极区8d设置在圆环的中心,与通电端1的负极层12相对应,汽爆区8c包括多根沿所述圆环圆周方向均匀分布且结构相同的连接片,每根连接片均从负极区8d指向正极区8b;高压电流依次从正极层16、正极区8b、三个汽爆区8c、负极区8d到负极层12,最后经电缆3回到电容器4形成一个闭合回路;
(iii)通电端1将铝箔8保持预设预压力压持在绝缘层6上,使负极层12、冲击层14、正极层16、与铝箔8上的负极区8d、汽爆区8c、正极区8b一一对应且紧密接触,电容器4瞬时放电,通过电缆3到达通电端1,当三个汽爆区8c流经高强电流时,将发生电致汽爆并产生局部高压,使待焊接对象飞板7高速撞击到待焊接对象目标板9上,形成一个点状连接接头如图4所示。
(iv)放电结束后,机械臂2移开,夹持器18张开,损坏后的铝箔8自行掉落,通电端1通过夹持器18再夹持新的铝箔8进行下一次焊接。
作为进一步优选地,在一个实施例中,在步骤(i)中,待焊接飞板厚度为0.5mm-2mm;飞板与目标板的间距为1mm-4mm,可以使飞板7达到冲击焊接工艺所需的撞击速度;机械臂11夹持段的末端绝缘层10为环氧树脂;待焊接飞板7上绝缘层6选用聚氨酯带,以便使铝箔8和飞板7隔开,放电结束后可轻松去除。
作为进一步优选地,在一个实施例中,在步骤(ii)中,铝箔8是一次性消耗品,其直径为50mm-100mm,厚度为0.075mm-0.125mm,铝箔8的厚度太厚会导致不发生电致汽爆,太薄会导致能量沉积的少,汽爆时提供的驱动力小,无法实现焊接过程,铝箔8可通过冲压快速批量制造;负极层12和正极层16为纯铜;冲击层14是碳化硅复合材料,用以绝缘和承受电致汽爆的冲击力;负极缓冲层13和正极缓冲层15是橡胶,用以绝缘及吸收冲击力;正极绝缘层17是环氧树脂,并有2°-3°的斜度,便于铝箔8脱落;绝缘卡扣19为橡胶,既起到绝缘作用,又在夹持器18展开时,可轻微带动铝箔直壁区8a部分扩展,利于铝箔8脱落。
作为进一步优选地,在一个实施例中,在步骤(iii)中,预设预压力为100N~200N,预压力过大会导致飞板7变形,过小则通电端1与铝箔8不能紧密接触,从而影响电流的传导;电容器放电能量为5kJ~15kJ,使汽爆区产生合适的驱动力,使飞板7达到冲击焊接工艺所需的撞击速度,进而使飞板7和目标板9形成牢固的焊接接头。
下面将结合具体的实施例进一步说明本发明。
以5mm厚Ti6Al4V合金板和2mm厚5083铝合金板的连接为例。
(1)将5mm厚的Ti6Al4V合金板9放置在工作台5上,将一层聚氨酯带6放置在2mm厚5083铝合金板7上,机械臂11夹持住聚氨酯带6和5083铝合金板7放置在Ti6Al4V合金板9上方2mm。
(2)通电端套上厚度为0.08mm、直径为80mm的铝箔8,通过夹持器18将铝箔直壁区8a夹持住,从而使正极层16、正极区8b、三个汽爆区8c、负极区8d、负极层12、电缆3和电容器4形成一个闭合回路。
(3)移动机械臂2将通电端1和铝箔8紧压在聚氨酯带6上,并施加200N的预压力。电容器4将11kJ的能量瞬时放出,电流通过电缆3达到通电端1。当三个汽爆区8c流经高强电流时,将发生电致汽爆并产生局部高压,使5083铝合金板7高速撞击到Ti6Al4V合金板9上,形成一个点状连接接头。
(4)放电结束后,机械臂2移开,夹持器18张开,由于绝缘卡扣19有一定的张力,可稍微带动铝箔直壁区8a扩张,使损坏后的铝箔8自行掉落,通电端1通过夹持器18再夹持新的铝箔8进行下一次焊接。
本领域的技术人员容易理解,以上仅为本发明的较佳实施例而已,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种基于铝箔电致汽爆的自动化点焊装置,其特征在于,该装置包括机械臂(2)、通电端(1)和铝箔(8),其中,
所述通电端(1)的一端与所述机械臂(2)的末端连接,另一端与所铝箔(8)连接,当对两个相对放置的待焊接对象进行焊接时,所述机械臂(2)夹持所述通电端(1)和铝箔(8)移动至待焊接处,所述铝箔(8)压持在待焊接对象表面,所述通电端(1)中通入高强电流,该高强电流传导至所述铝箔(8)上,在该铝箔(8)的汽爆区发生电致汽爆产生高压使得两个待焊接对象焊接在一起;其中,
所述通电端(1)呈圆柱状,从圆柱中心出发由内至外包括负极层(12)、隔离层、正极层(16)、正极绝缘层(17)和夹持器(18),所述负极层(12)设置在圆柱的中心,所述隔离层用于将所述正极层(16)和负极层(12)隔离,所述正极绝缘层(17)用于将所述正极层(16)与所述夹持器(18)隔离,避免流入所述正极层(16)的电流流入所述夹持器(18),所述夹持器(18)用于夹持所述铝箔(8),使得铝箔(8)与所述通电端(1)连接;
所述铝箔(8)上设置有正极区(8b)、负极区(8d)和汽爆区(8c),所述正极区(8b)呈圆环状,与所述通电端(1)的正极层(16)相对应,所述负极区(8d)设置在所述圆环的中心,与所述通电端(1)的负极层(12)相对应,所述汽爆区(8c)包括多根沿所述圆环圆周方向均匀分布且结构相同的连接片,每根连接片均从负极区(8d)指向所述正极区(8b);
高强电流从所述正极层(16)流入后流向所述铝箔(8)的正极区(8b),然后经汽爆区(8c)流向所述负极区(8d),最后从该负极区(8d)流入所述通电端(1)的负极层(12),以此形成电流的回路,其中,所述正极区(8b)、连接片和负极区(8d)的截面积形成两头宽中间细的结构,高压电从所述正极区(8b)流入后,在所述连接片处发生电致汽爆。
2.如权利要求1所述的一种基于铝箔电致汽爆的自动化点焊装置,其特征在于,待焊接对象与所述铝箔(8)接触的表面设置有绝缘层(6),避免所述铝箔与待焊接对象之间电流传导。
3.如权利要求1所述的一种基于铝箔电致汽爆的自动化点焊装置,其特征在于,所述隔离层包括负极缓冲层(13)、冲击层(14)和正极缓冲层(15),所述负极缓冲层(13)用于保护所述负极层(12),防止负极层(12)在高压下变形,所述正极缓冲层(15)用于保护所述正极层(16),防止正极层(16)在高压下变形,所述冲击层(14)与所述汽爆区(8c)对应,用于承受所述汽爆区(8c)发生汽爆时的高压力。
4.如权利要求1所述的一种基于铝箔电致汽爆的自动化点焊装置,其特征在于,所述高强电流(4)的能量为5kJ~15kJ。
5.如权利要求1所述的一种基于铝箔电致汽爆的自动化点焊装置,其特征在于,所述铝箔(8)是一次性消耗品,一个铝箔只能实现一次汽爆。
6.如权利要求1所述的一种基于铝箔电致汽爆的自动化点焊装置,其特征在于,所述铝箔(8)的直径为50mm~100mm,厚度为0.075mm~0.125mm。
7.一种权利要求1-6任一项所述的自动化点焊装置的焊接方法,其特征在于,该方法包括下列步骤:
S1将所述通电端(1)固定在所述机械臂(2)的末端,所述铝箔(8)夹持在所述通电端(1)末端,将两个待焊接对象按照预设距离相对放置,所述机械臂(2)移至所述待焊接对象上方;
S2所述铝箔(8)对所述待焊接对象施加压力进行预压,所述通电端(1)中通入高强电流,该高强电流进入所述铝箔(8)中,在汽爆区(8c)发生电致汽爆并产生局部高压,使得两个待焊接的对象发生撞击,形成一个点状连接接头,以此实现两个待焊接对象的焊接;
S3待焊接对象焊接在一起后,所述机械臂(2)携带所述通电端(1)和铝箔(8)移开,所述夹持器(18)张开,所述铝箔(8)从所述通电端(1)上脱落,至此实现待焊接对象的点焊。
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PB01 | Publication | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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