CN111618414A - 一种材质电磁连接方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种材质电磁连接方法，包括以下步骤：将具有预设磁导率的连接介质设置在待连接两件材质的连接表面；通过产生交变电磁场作用于所述连接介质，使所述连接介质产生涡流；在所述连接表面温度达到预设值时，两件所述材质处于热塑性或融化状态，通过在连接表面施加预设的压力，使两件所述材质连接完成。本发明能够对相同或者不同材质进行连接，连接介质为金属材料，两件所述材质其中一为金属材质，其中一为非金属材质，或两件所述材质均为金属材质，或两件所述材质均为非金属材质。采用低成本的连接介质，生产过程物料投入成本相对更低，设备损耗相对更小，生产过程易控制、铝合金连接质量和良品率更高。

Description

一种材质电磁连接方法

技术领域

本发明涉及轻量化连接技术领域，且更具体地涉及一种材质电磁连接方法。

背景技术

汽车作为能源消耗和环境污染的重要载体，受到全球各国的高度关注。汽车产业在满足消费者对性能和经济性要求不断提升的同时，还面临越来越严格的能耗和排放要求。汽车轻量化是促进汽车产业高质量发展的关键因素，铝合金比强度高、耐腐蚀、密度小、热稳定性好、易成型、可回收利用等优点，已广泛应用于汽车和航空航天等许多行业。

铝合金具有延伸率低、线膨胀系数大、高反光、焊接性能差、从固态变成液态时无明显的色泽变化等特性，使得铝合金连接技术非常具有挑战性。

铝合金能够为汽车提供各种铝合金铸件、冲压结构件和挤压的铝型材。常用的铝合金连接技术主要有铝点焊、激光焊接和搅拌摩擦焊等热连接技术，以及铆接、卷边连接和粘合剂连接等冷连接技术。各类连接技术适用范围窄、工艺复杂、设备投入大、生产成本相对较高且效率和合格率相对较低的特征，已成为铝合金目前主要应用在中高端汽车、未能实现更大范围普及的关键因素。

中国专利公开号：110202248A，公开了一种异种材料的焊接装置及方法，其焊接装置底座及底座上的导轨，导轨上滑动配合有一对夹具，一对夹具固定连接有电磁焊接装置，导轨上方还具有用于在物料表面喷涂的喷涂装置，通过上述装置利用夹具对待焊接管件进行夹持，利用喷涂装置在待焊工件内管进行喷涂，通过电磁焊接装置在待焊接外管待焊接区域感应出感应电流，形成沿径向的洛伦兹力，使待焊接外管内表面高速撞击喷涂了喷涂材料的待焊工件内管，形成焊接接头。

上述技术方案中，在待焊接的材质表面需要进行喷涂，以产生电流，但在喷涂过程中，容易对待连接金属表面产生附加层，不利于材质表面的连接，造成连接强度低。

发明内容

在发明内容部分中引入了一系列简化形式的概念，这将在具体实施例部分中进一步详细说明。本发明的发明内容部分并不意味着要试图限定出所要求保护的技术方案的关键特征和必要技术特征，更不意味着试图确定所要求保护的技术方案的保护范围。

为至少部分地解决上述技术问题，本发明提供一种材质电磁连接方法，包括：将具有预设磁导率的连接介质设置在待连接两件材质的连接表面，通过产生交变电磁场作用于所述连接介质，使所述连接介质产生涡流，在所述连接表面温度达到预设值时，两件所述材质处于热塑性或融化状态，通过在连接表面施加预设的压力，使两件所述材质连接完成。

进一步地，所述连接介质的磁导率均大于两件所述材质的磁导率。

进一步地，所述连接介质的熔点大于等于两件所述材质的熔点。

进一步地，所述连接介质为金属材料，两件所述材质其中一为金属材质，其中一为非金属材质，或两件所述材质均为金属材质，或两件所述材质均为非金属材质。

进一步地，所述交变磁场作用包括产生和决定交变磁场作用的结构，比如：线圈，所述线圈缠绕在夹具上，夹具对准待连接处并将其夹持好时，所述电磁发生装置开始产生交变磁场，所述交变磁场的频率根据所述连接介质的类型具体设定，一般为高频或超高频，所述电磁发生装置产生的交变磁场会将连接介质包含在其中，连接介质在交变磁场作用下产生涡流而温度逐渐升高到使待连接材料在待连接处达到热塑性或融化状态时，所述电磁发生装置停止产生交变磁场，在所述电磁发生装置产生交变磁场的同时，所述夹具不断对待连接处施加预设的压力直至使其实现连接。

进一步地，所述连接介质为铁粉，两件所述材质为铝或铝合金，所述连接介质铁粉设置在待连接两件材质铝合金的连接表面；通过产生交变电磁场作用于所述连接介质铁粉，使所述连接介质铁粉产生涡流；在所述连接表面温度达到预设值时，两件所述材质处于热塑性或融化状态，通过在连接表面施加预设的压力，使两件所述材质连接完成。

进一步地，通过夹具将两件材质夹持，以完成连接，所述夹具设置在上层铝合金工件上表面和下层铝合金工件下表面位置。

进一步地，在所述连接介质的上层材质表面设有一定的直径和深度的凹槽，同理，所述连接介质的下层材质也设有一定的直径和深度的凹槽，所述的凹槽直径和连接介质直径一致。

进一步地，所述交变电磁场的实时交变电磁场频率f：

f＝(A0/A)x(B/B1)x(B/B2)x(S1/S10)x(S2/S20)xf0 x Z

其中，设定铁粉中铁含量为99.99％为标准铁粉，标准铁粉含量A0，设定铁粉中铁含量A，设定铝或者铝合金中，铝含量为99.99％为标准铝，设定铝或者铝合金中的铝含量为B，其中，设定第一材质的铝含量为B1，设定第二材质的铝含量为B2，设定第一材质的连接表面积为S1，设定第二铝材质的连接表面积为S2，设定在标准铝时第一材质的连接标准表面积S10，设定在标准铝时第二材质的连接标准表面积S20，设定此时标准铁粉使用量为K0，并且，设定此时的交变电磁场频率为f0。

进一步地，所述比表系数Z＝(S1/S10)x(S2/S20)x(K/K0)xZ0，

式中，设定第一材质的连接表面积为S1，设定第二铝材质的连接表面积为S2，设定在标准铝时第一材质的连接标准表面积S10，设定在标准铝时第二材质的连接标准表面积S20，实时比表系数Z，标准比表系数为Z0。

进一步地，所述铁粉的使用量为K＝(B/B1)x(B/B2)x(S1/S10)x(S2/S20)x K0

其中，设定第一材质的连接表面积为S1，设定第二铝材质的连接表面积为S2，设定在标准铝时第一材质的连接标准表面积S10，设定在标准铝时第二材质的连接标准表面积S20。所述连接表面温度达到预设值设定为540℃。

与现有技术相比本发明的技术效果在于：本发明材质电磁连接方法，将具有预设磁导率的连接介质设置在待连接两件材质的连接表面；通过产生交变电磁场作用于所述连接介质，使所述连接介质产生涡流；在所述连接表面温度达到预设值时，两件所述材质处于热塑性或融化状态，通过在连接表面施加预设的压力，使两件所述材质连接完成。通过点此作用产生涡流及洛伦兹力，在涡流的作用下，将材质融化合为一体。本发明连接方法工艺简单，所需设备技术成熟，工作环境要求低，适用范围广，还可以通过改造生产线现有设备而满足生产要求，最大化降低设备浪费。

尤其，本发明能够对相同或者不同材质进行连接，连接介质为金属材料，两件所述材质其中一为金属材质，其中一为非金属材质，或两件所述材质均为金属材质，或两件所述材质均为非金属材质。采用低成本的连接介质，生产过程物料投入成本相对更低，设备损耗相对更小，生产过程易控制、铝合金连接质量和良品率更高。同时也降低铝合金材料应用的复杂性和成本，降低各相关企业实现产品轻量化过程的负担。

尤其，本发明根据两个材质的铝含量变化及铝材质焊接表面积的变化来调整铁粉用量及交变电磁场频率，以在最佳状态下完成焊接。在铁含量较低，而交变电磁场频率较低时，不能够满足加热温度使两个材质充分熔融状态，而在铁含量较高，而交变电磁场频率较高时，若交变电磁场频率较高，在材质与铁粉熔融状态时，将会扩大接触的比表面积，在超过一定形变后，会破坏材质本身的强度，因此，交变电磁场频率应设定在预设的范围内。本发明设定实时交变电磁场频率与铁含量、铝含量以及材质表面积成线性关系，以通过最简单的参量变化规律，来获得最佳的焊接效果。

附图说明

为了使本发明的优点更容易理解，将通过参考在附图中示出的具体实施方式更详细地描述上文简要描述的本发明。可以理解这些附图只描绘了本发明的典型实施方式，因此不应认为是对其保护范围的限制，通过附图以附加的特性和细节描述和解释本发明。

图1为本发明实施例一材质电磁连接结构示意图；

图2为本发明实施例二材质电磁连接结构示意图。

具体实施方式

在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员来说显而易见的是，本发明实施方式可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本发明实施方式发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。

为了彻底了解本发明实施方式，将在下列的描述中提出详细的结构。显然，本发明实施方式的施行并不限定于本领域的技术人员所熟习的特殊细节。本发明的较佳实施方式详细描述如下，然而除了这些详细描述外，本发明还可以具有其他实施方式。

在本发明的描述中，术语“内侧”、“外侧”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明而不是要求本发明必须以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

参阅图1所示，其为本发明所述的一种材质电磁连接结构实施例示意图，其包括：

将具有预设磁导率的连接介质2设置在待连接两件材质1的连接表面，通过产生交变电磁场作用于所述连接介质2，使所述连接介质产生涡流，在所述连接表面温度达到预设值时，两件所述材质1处于热塑性或融化状态，通过在连接表面施加预设的压力，使两件所述材质连接完成。

具体而言，所述连接介质2的磁导率均大于两件所述材质1的磁导率。所述连接介质2的熔点大于等于两件所述材质1的熔点。

具体而言，所述连接介质2为金属材料，所述材质1其中一为金属材质，其中一为非金属材质，或两件所述材质1均为金属材质，或两件所述材质1均为非金属材质。

具体而言，所述连接介质2为铁粉，两个所述材质1为铝或铝合金，所述连接介质铁粉2设置在待连接两件材质镁或铝合金1的连接表面；通过产生交变电磁场作用于所述连接介质铁粉2，使所述连接介质铁粉产生涡流；在所述连接表面温度达到预设值时，两件所述材质1处于热塑性或融化状态，通过在连接表面施加预设的压力，使两件所述材质连接完成。

具体而言，通过夹具3将两件材质1夹持，以完成连接，所述夹具3设置在上层铝合金工件上表面和下层铝合金工件下表面位置。在所述连接介质2的上层材质表面设有一定的直径和深度的凹槽，同理，所述连接介质2的下层材质也设有一定的直径和深度的凹槽，所述的凹槽直径和连接介质直径一致。所述连接介质2在交变磁场的作用下产生的涡流会均匀的分散在凹槽里来实现两材质1的连接。

具体而言，所述连接表面温度达到预设值可设定为540℃。

具体而言，所述交变磁场作用包括产生和决定交变磁场作用的结构，比如：线圈，所述线圈可缠绕在在夹具3上，当夹具3对准待连接处并将其夹持好时，所述电磁发生装置开始产生交变磁场，所述交变磁场的频率f根据所述连接介质2，以及铝合金的含量而定，一般为高频或超高频，所述电磁发生装置产生的交变磁场会将连接介质2包含在其中，当连接介质2在交变磁场作用下产生涡流而温度逐渐升高到使待连接材料1在待连接处达到热塑性或融化状态时，所述电磁发生装置停止产生交变磁场，在所述电磁发生装置产生交变磁场的同时，所述夹具3不断对待连接处施加预设的压力直至使其实现连接。

具体而言，本实施例在所述连接介质2为铁粉，两个所述材质1为铝或铝合金时，设定铁粉中铁含量为99.99％为标准铁粉，标准铁粉含量A0，设定铁粉中铁含量A，设定铝或者铝合金中，铝含量为99.99％为标准铝，设定铝或者铝合金中的铝含量为B，其中，设定第一材质的铝含量为B1，设定第二材质的铝含量为B2，设定第一材质的连接表面积为S1，设定第二铝材质的连接表面积为S2，设定在标准铝时第一材质的连接标准表面积S10，设定在标准铝时第二材质的连接标准表面积S20，设定此时标准铁粉使用量为K0，并且，设定此时的交变电磁场频率为f0，并且，设定在交变电磁场频率为f0时，持续焊接时间为t0，并持续在两个材质之间施加作用力F0，以达到焊接完全状态。

具体而言，本发明实施例根据两个材质的铝含量变化及铝材质焊接表面积的变化来调整铁粉用量及交变电磁场频率，以在最佳状态下完成焊接。在铁含量较低，而交变电磁场频率较低时，不能够满足加热温度使两个材质充分熔融状态，而在铁含量较高，而交变电磁场频率较高时，若交变电磁场频率较高，在材质与铁粉熔融状态时，将会扩大接触的比表面积，在超过一定形变后，会破坏材质本身的强度，因此，交变电磁场频率应设定在预设的范围内。

具体而言，设定铁粉中铁含量A，标准铁粉含量A0，

实时交变电磁场频率f：

f＝(A0/A)x(B/B1)x(B/B2)x(S1/S10)x(S2/S20)xf0 x Z

其中，设定第一材质的铝含量为B1，设定第二材质的铝含量为B2，设定第一材质的连接表面积为S1，设定第二铝材质的连接表面积为S2，设定在标准铝时第一材质的连接标准表面积S10，设定在标准铝时第二材质的连接标准表面积S20，标准交变电磁场频率为f0，Z表示比表系数。具体而言，本发明实施例设定实时交变电磁场频率与铁含量、铝含量以及材质表面积成线性关系，以通过最简单的参量变化规律，来获得最佳的焊接效果。

具体而言，比表系数Z通过使用的铁粉量而定，铁粉量随着材质的表面积而定。设定标准比表系数为Z0＝1，则

铁粉使用量为K＝(B/B1)x(B/B2)x(S1/S10)x(S2/S20)x K0

其中，设定第一材质的连接表面积为S1，设定第二铝材质的连接表面积为S2，设定在标准铝时第一材质的连接标准表面积S10，设定在标准铝时第二材质的连接标准表面积S20。

则比表系数Z＝(S1/S10)x(S2/S20)x(K/K0)xZ0。

式中，设定第一材质的连接表面积为S1，设定第二铝材质的连接表面积为S2，设定在标准铝时第一材质的连接标准表面积S10，设定在标准铝时第二材质的连接标准表面积S20，实时比表系数Z，标准比表系数为Z0。

具体而言，本发明实施例在确定实时交变电磁场频率f时，还可以考虑，第一材质和第二材质的面积差值，在面积差值较大时，设定较大的频率，以使得温度较高的高温区域能够涵盖在预设的足够范围内。

f＝(A0/A)x(B/B1)x(B/B2)x(S1/S10)x(S2/S20)xf0 x ZxD；

其中，设定第一材质的铝含量为B1，设定第二材质的铝含量为B2，设定第一材质的连接表面积为S1，设定第二铝材质的连接表面积为S2，设定在标准铝时第一材质的连接标准表面积S10，设定在标准铝时第二材质的连接标准表面积S20，标准交变电磁场频率为f0，Z表示比表系数，式中，D表示两个材质的面积差值系数。

设定D0为标准差值系数，其设定值为1，设定

在S2大于S1时，

D＝D0 x(S2/S1)x(S20/S10)，

设定第一材质的连接表面积为S1，设定第二铝材质的连接表面积为S2，设定在标准铝时第一材质的连接标准表面积S10，设定在标准铝时第二材质的连接标准表面积S20。

在S1大于S2时，

D＝D0 x(S1/S2)x(S10/S20)，

设定第一材质的连接表面积为S1，设定第二铝材质的连接表面积为S2，设定在标准铝时第一材质的连接标准表面积S10，设定在标准铝时第二材质的连接标准表面积S20。

具体而言，通过对两个材质的表面积叠加乘机方式，确定非线性的交变磁场频率与两个材质的表面积变化来确定最佳的结合材质的交变频率。

具体而言，本发明实施例在设定标准参量时，3mm厚的6系铝合金板，将连接介质铁粉，设置在所述两件待连接铝合金板的连接表面，使所述连接介质铁在所述待连接面上形成直径为5mm、厚度为0.2mm的圆形连接介质区域，通过交变磁场作用于所述连接介质，使所述连接介质铁粉产生涡流、温度升高到540摄氏度，该标准条件下的焊接条件为各种参量基础，对应的材质表面积以直径为5mm设定，铁粉使用量通过直径为5mm、厚度为0.2mm的圆形区域确定，该体积大小的区域铁粉量作为基准。

应用实施例一：

连接介质2为铁粉，两件待连接件材质1均为3mm厚的6系铝合金板，将连接介质铁粉2设置在所述两件待连接铝合金板1的连接表面，使所述连接介质铁2在所述待连接面上形成直径为5mm、厚度为0.2mm的圆形连接介质区域，通过交变磁场作用于所述连接介质2，使所述连接介质铁粉2产生涡流、温度升高到540摄氏度，使两件所述待连接铝合金材质1处于热塑性或融化状态，通过在连接表面施加预设压力，使所述两件待连接铝合金板1在待连接处完成连接。

应用实施例二：

连接介质2为铁粉，两件待连接件材质1均为2mm厚的AZ31镁合金板，将连接介质铁粉2设置在所述两件待连接镁合金板1的连接表面，使所述连接介质铁粉2在所述待连接处接触形成直径为3mm、厚度为0.1mm的圆形连接介质区域，通过交变磁场作用于所述连接介质2，使所述连接介质铁粉2产生涡流、使待连接面处温度升高到400摄氏度，使两件所述待连接AZ31镁合金板1接近最佳塑性变形状态，通过在连接表面施加预设压力，使所述两件所述待连接AZ31镁合金板1在待连接处完成连接。

应用实施例三：

连接介质2为铁粉，两件待连接材质1均为5mm厚的6系铝合金，将连接介质铁粉2设置在所述两件待连接铝合金板1的连接表面，使所述连接介质铁粉2在所述待连接处接触形成直径为10mm、厚度为0.3mm的圆形连接介质区域，并在所述圆形待连接介质区域中心放置直径为3mm、长度为8mm的圆柱形5系铝合金，通过交变磁场作用于所述连接介质铁粉2，使所述连接介质铁粉2产生涡流、温度升高到540摄氏度，使两件所述待连接铝合金材质和所述圆柱形5系铝合金处于热塑性状态，通过在所述待连接处以一定速度逐步施加预设压力，使所述圆柱形5系铝合金分别嵌入到所述待连接铝合金板内、嵌入深度为3mm，进一步地增大所施加的压力，使得所述圆形5系铝合金两端1mm的长度被挤压变形嵌入在在所述铝合金板中，使得两件待连接铝合金板在所述待连接处形成铆接和热熔连接。

除非另有定义，本文中所使用的技术和科学术语与本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中使用的术语只是为了描述具体的实施目的，不是旨在限制本发明。本文中出现的诸如“部件”等术语既可以表示单个的零件，也可以表示多个零件的组合。本文中出现的诸如“安装”、“设置”等术语既可以表示一个部件直接附接至另一个部件，也可以表示一个部件通过中间件附接至另一个部件。本文中在一个实施方式中描述的特征可以单独地或与其它特征结合地应用于另一个实施方式，除非该特征在该另一个实施方式中不适用或是另有说明。

本发明已经通过上述实施方式进行了说明，但应当理解的是，上述实施方式只是用于举例和说明的目的，而非意在将本发明限制于所描述的实施方式范围内。本领域技术人员可以理解的是，根据本发明的教导还可以做出更多种的变型和修改，这些变型和修改均落在本发明所要求保护的范围以内。

Claims (10)

1.一种材质电磁连接方法，其特征在于，包括以下步骤：

将具有预设磁导率的连接介质设置在待连接两件材质的连接表面；

通过产生交变电磁场作用于所述连接介质，使所述连接介质产生涡流；

在所述连接表面温度达到预设值时，两件所述材质处于热塑性或融化状态，通过在连接表面施加预设的压力，使两件所述材质连接完成。

2.根据权利要求1所述的材质电磁连接方法，其特征在于，所述连接介质的磁导率均大于两件所述材质的磁导率。

3.根据权利要求1所述的材质电磁连接方法，其特征在于，所述连接介质的熔点大于等于两件所述材质的熔点。

4.根据权利要求1、2或3所述的材质电磁连接方法，其特征在于，所述连接介质为金属材料；

两件所述材质其中一为金属材质，其中一为非金属材质，或，

两件所述材质均为金属材质，或，

两件所述材质均为非金属材质。

5.根据权利要求2所述的材质电磁连接方法，其特征在于，所述连接介质为铁粉，两件所述材质为镁或铝合金，将铁粉涂覆于待连接铝合金工件的待连接区的上层铝合金工件下表面和下层铝合金工件上表面；

将连接介质铁粉设置在待连接两件材质镁或铝合金的连接表面；通过产生交变电磁场作用于所述连接介质铁粉，使所述连接介质铁粉产生涡流；在所述连接表面温度达到预设值时，两件所述材质处于热塑性或融化状态，通过在连接表面施加预设的压力，使两件所述材质连接完成。

6.根据权利要求5所述的材质电磁连接方法，其特征在于，通过夹具将两件材质夹持，以完成连接，所述夹具设置在上层铝合金工件上表面和下层铝合金工件下表面位置。

7.根据权利要求1所述的材质电磁连接方法，其特征在于，在所述连接介质的上层材质表面设有一定的直径和深度的凹槽，同理，所述连接介质的下层材质也设有一定的直径和深度的凹槽，所述的凹槽直径和连接介质直径一致。

8.根据权利要求5所述的材质电磁连接方法，其特征在于，所述交变电磁场的实时交变电磁场频率f：

f＝(A0/A)×(B/B1)×(B/B2)×(S1/S10)×(S2/S20)xf0×Z

其中，设定铁粉中铁含量为99.99％为标准铁粉，标准铁粉含量A0，设定铁粉中铁含量A，设定铝或者铝合金中，铝含量为99.99％为标准铝，设定铝或者铝合金中的铝含量为B，其中，设定第一材质的铝含量为B1，设定第二材质的铝含量为B2，设定第一材质的连接表面积为S1，设定第二铝材质的连接表面积为S2，设定在标准铝时第一材质的连接标准表面积S10，设定在标准铝时第二材质的连接标准表面积S20，设定此时标准铁粉使用量为K0，并且，设定此时的交变电磁场频率为f0。

9.根据权利要求8所述的材质电磁连接方法，其特征在于，所述比表系数Z＝(S1/S10)×(S2/S20)×(K/K0)×ZO，

式中，设定第一材质的连接表面积为S1，设定第二铝材质的连接表面积为S2，设定在标准铝时第一材质的连接标准表面积S10，设定在标准铝时第二材质的连接标准表面积S20，实时比表系数Z，标准比表系数为Z0。

10.根据权利要求9所述的材质电磁连接方法，其特征在于，

所述铁粉的使用量为K＝(B/B1)×(B/B2)×(S1/S10)×(S2/S20)×K0

其中，设定第一材质的连接表面积为S1，设定第二铝材质的连接表面积为S2，设定在标准铝时第一材质的连接标准表面积S10，设定在标准铝时第二材质的连接标准表面积S20。

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