CN111922175B - 一种电液爆炸成形装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电液爆炸成形装置及方法，属于管件成形制造领域，装置内设置有用于环绕待成形管件的腔室，腔室用于填充反应液体，装置包括：金属丝，环绕待成形管件，且位于腔室内；电源控制模块，连接金属丝的两端，用于为金属丝提供脉冲电流；其中，金属丝利用电液效应在待成形管件表面产生爆炸冲击波，使得待成形管件在爆炸冲击波的作用下变形。金属丝环绕管件，当金属丝在管件表面形成环形回路且管件导电性能良好时，通过电流的瞬间，产生强大的脉冲电磁力和爆炸冲击波组成的高能量密度载荷作用于管件，使管件发生高速率的屈服和塑性变形，可用于各种复杂形状管件的成形，成形过程中无污染物产生，环保高效。

Description

一种电液爆炸成形装置及方法

技术领域

本发明属于管件成形制造领域，更具体地，涉及一种电液爆炸成形装置及方法。

背景技术

近年来，各种复杂形状的铝合金、镁合金、钛合金以及高强度轻质合金管件在航空航天汽车等领域的应用越来越广泛。传统成形技术在高强度轻质合金材料加工应用中遇到重大障碍，主要体现为轻质合金塑性差、难成形，亟需一种新的成形技术。研究表明，高速率成形能够提高难变形材料的塑性变形能力，同时也能减小工件的回弹率。因此，高速率成形技术在轻质合金成形方面得到了更多的应用。

高速率成形主要包括爆炸成形、电磁成形以及电液成形。爆炸成形的加工过程安全性较差、不可控因素较多，难以精确控制工件的变形量。电磁成形虽具有较好的可控性，安全环保，但受到成形线圈性能限制，难以加载足够大的能量。此外，电磁成形难以加工导电性能较差的材料，一般仅适用于铝合金、铜合金等电导率高的材料。电液成形对材料电导率无特别要求，可用于低电导率的金属材料的成形加工。但是，传统的电液成形是在两个电极之间产生电弧击穿和冲击波载荷，主要应用于板件的加工，对于管件以及复杂形状的加工成形较为困难。

发明内容

针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种电液爆炸成形装置及方法，其目的在于提高材料的成形性能，满足各种复杂形状的成形，并保证成形过程的环保高效。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种电液爆炸成形装置，所述装置内设置有环绕待成形管件的腔室，所述腔室用于填充反应液体，所述装置包括：金属丝，环绕所述待成形管件，且位于所述腔室内；电源控制模块，连接所述金属丝的两端，用于为所述金属丝提供脉冲电流；其中，所述金属丝利用电液效应在所述待成形管件表面产生爆炸冲击波，使得所述待成形管件在所述爆炸冲击波的作用下变形。

更进一步地，当环绕所述待成形管件的金属丝形成环形回路时，所述金属丝还利用电磁效应在所述待成形管件表面产生脉冲电磁力，使得所述待成形管件在所述爆炸冲击波和脉冲电磁力的作用下变形。

更进一步地，所述装置还包括：模具，用于安装所述待成形管件，所述模具中设置有凹形区域，当所述待成形管件安装在所述模具中时，所述凹形区域环绕待成形管件以形成所述腔室。

更进一步地，所述装置还包括：定位槽，设置在所述模具中用于安装待成形管件的区域的底部，且与所述待成形管件的管壁相配合，用于对所述待成形管件进行定位。

更进一步地，所述装置还包括：密封圈，位于所述定位槽的槽底，且与所述待成形管件相接触，以对所述腔室进行密封。

更进一步地，所述装置还包括：固定单元，位于所述模具的一侧，且外套在所述待成形管件中凸出于模具的部分，用于固定所述待成形管件。

更进一步地，所述装置还包括：通道，设置在所述模具内，连通所述腔室与外部区域，用于将所述金属丝的两端引出并连接至电源控制模块，以及用于将反应液体填充在所述腔室内。

更进一步地，所述金属丝以单匝环绕或多匝环绕的方式环绕在所述待成形管件外侧。

更进一步地，当所述待成形管件为弯折管件时，所述腔室为待成形管件内部的空心区域。

按照本发明的另一个方面，提供了一种如上所述的电液爆炸成形装置的成形方法，包括：电源控制模块输出脉冲电流以对金属丝放电；所述金属丝利用电液效应在所述待成形管件表面产生爆炸冲击波，使得所述待成形管件在所述爆炸冲击波的作用下变形。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：

(1)装置中设置环绕管件的腔室，金属丝环绕管件后位于腔室中，金属丝导通正负电极之间的电流，通过电流的瞬间产生强大的爆炸冲击波，爆炸冲击波的能量在金属丝周围集中释放，使管件发生高速率的屈服和塑性变形，以对各种复杂形状的管件进行大面积加工成形，对管件材料的导电性能形状没有要求，适用范围广，并且提高了成形性能及成形速率；

(2)金属丝环绕待成形管件形成环形回路时，金属丝通过电流的瞬间还会产生脉冲电磁力，当管件材料导电性能良好时，该脉冲电磁力显著，并与爆炸冲击波组成的高能量密度载荷作用于管件，进一步提高了成形速率；

(3)成形过程中所使用的主要反应物为金属或合金材料，例如铝、铁、铜、钨合金和水等，反应物容易获取，生成物主要为氢气和金属氧化物，无污染物生成，无毒无害、安全环保；

(4)利用定位槽和密封圈对管件进行定位，并对管件与模具之间的腔室进行密封，避免因二者之间的间隙或管件外壁不均匀而导致腔室内的反应液体流失；

(5)可以根据成形需求灵活设置腔室的位置以及腔室中线圈的匝数，以用于成形、焊接、覆合等不同的成形场景，扩大了其适用范围。

附图说明

图1为本发明第一实施例提出的电液爆炸成形装置的结构示意图；

图2为本发明第二实施例提出的电液爆炸成形装置的结构示意图；

图3为本发明第三实施例提出的电液爆炸成形装置的结构示意图；

图4为本发明第四实施例提出的电液爆炸成形装置的结构示意图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或者结构，其中：

1为腔室，2为待成形管件，21为外管，22为内管，3为金属丝，31为进线端，32为成形部分，33为出线端，4为电源控制模块，5为模具，6为定位槽，7为密封圈，8为固定单元，81为同轴固定子单元，82为高度固定子单元，9为通道。

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。

在本发明中，本发明及附图中的术语“第一”、“第二”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。

本发明实施例提供了一种电液爆炸成形装置，装置内设置有环绕待成形管件2的腔室1，腔室1用于填充反应液体。待成形管件2中与腔室1中反应液体接触的部分绝缘，例如通过缠绕绝缘胶带或喷涂绝缘层等方式对待成形管件2进行绝缘处理，防止金属丝3中通电时发生接触短路，阻碍金属丝3和反应液体之间的进一步反应。装置包括金属丝3和电源控制模块4。金属丝3位于腔室1内，且环绕待成形管件2。电源控制模块4连接金属丝3的两端，用于为金属丝3提供脉冲电流。

当环绕在待成形管件2上的金属丝3不形成环形回路时，如图4中所示结构，金属丝3仅利用电液效应在待成形管件2表面产生爆炸冲击波，使得待成形管件2在爆炸冲击波的作用下变形。当环绕在待成形管件2上的金属丝3形成环形回路时，如图1-图3中所示结构，金属丝3利用电液效应在待成形管件2表面产生爆炸冲击波之外，还利用电磁效应在待成形管件2表面产生脉冲电磁力，尤其当待成形管件2由导电性能良好的材料(例如铝合金、镁合金等)组成时，金属丝3基于电磁效应在待成形管件2表面产生的脉冲电磁力更为显著，使得待成形管件2在爆炸冲击波和脉冲电磁力的共同作用下变形。

本实施例中，金属丝3的材料为金属或合金，金属例如为资源丰富、易于提炼生产的铝、铁等金属单质材料。反应液体为液态水或碱性溶液，反应液体也可以为添加有其它有利于促使水与金属丝3发生正向反应的溶质所形成的溶液。电液爆炸成形装置可用于管件成形、管件焊接、管件覆合以及复杂管件成形等，结合图1-图4对本实施例中的电液爆炸成形装置进行具体说明。

图1为本发明第一实施例提出的电液爆炸成形装置的结构示意图。图1中的结构用于简单形状管件的成形，例如用于无弯折的空心管件。

参阅图1，该电液爆炸成形装置包括金属丝3、电源控制模块4、模具5、定位槽6、密封圈7、固定单元8和通道9。

模具5中设置有与待成形管件2外壁尺寸相配合的凹槽，以将待成形管件2插接在凹槽内来实现安装。以待成形管件2为圆柱形空心管件为例，则凹槽的内径与待成形管件2的外径相同，二者相互配合，将待成形管件2插入凹槽内，以将待成形管件2安装在模具5中。

模具5中设置有凹形区域，当待成形管件2安装在模具5中时，凹形区域环绕待成形管件2以形成腔室1。具体地，在凹槽侧壁上加工出一圈凹形区域，当待成形管件2在模具5中安装到位时，待成形管件2的外壁对凹形区域进行封闭以形成腔室1。

金属丝3环绕在待成形管件2外侧，并且当待成形管件2在模具5中安装到位时，金属丝3位于待成形管件2与模具5所围成的腔室1内。

定位槽6设置在模具5底部，且与待成形管件2的管壁相配合，以将待成形管件2的管壁插接在定位槽6中，从而对待成形管件2进行定位。具体地，定位槽6设置在模具5中凹槽的槽底部，其横截面尺寸与待成形管件2的横截面尺寸相同，其深度大于密封圈7的高度，且二者之间有一定的差值，以保证填充密封圈7后仍能对待成型管件2进行定位。密封圈7填充在定位槽6的槽底部，并且与定位槽6中的待成形管件2相接触，当待成形管件2的外壁不均匀，或者待成形管件2与模具5之间有间隙时，防止腔室1内的反应液体流失，从而对腔室1进行密封。

固定单元8位于模具5的一侧，并且外套在待成形管件2中凸出于模具5的部分，用于固定待成形管件2。本实施例中，固定单元8位于模具1上，包括位于待成形管件2外侧的同轴固定子单元81和高度固定子单元82，以对待成形管件2进行固定装夹，由此，高速率变形过程中管件不会因受力而移动甚至弹出。

通道9设置在模具5内，连通腔室1与外部区域，用于将金属丝3的两端引出并连接至电源控制模块4，以及用于将反应液体填充在腔室1内，该外部区域为模具5外部的区域。

电源控制模块4例如由脉冲电源、开关、电阻组成，通过开关控制脉冲电源与金属丝3之间的通断，从而控制放电时刻。本实施例中，金属丝3包括进线端31、成形部分32以及出线端33，进线端31和出线端33分别与脉冲电源的正负极连接，成形部分32位于腔室1内并环绕待成形管件2，需要对进线端31和出线端33进行线间绝缘。图1所示结构中，腔室1仅仅环绕待成形管件2的一部分区域，金属丝3以单匝环绕的方式环绕在待成形管件2外侧，即环绕在待成形管件2外侧的成形部分32的匝数为一匝。

电源控制模块4通过脉冲电源对金属丝3放电，金属丝3中通过脉冲电流时，由于焦耳热的积累，金属丝3迅速升温并汽化膨胀，同时与腔室1中的反应液体发生化学反应，瞬间产生大量气体发生爆炸现象，爆炸产生的冲击波载荷作用于待成形管件2表面。金属丝3沿待成形管件2外侧环绕形成环形回路，当待成形管件2为导电性能良好的金属管件时，金属丝3中通过的脉冲电流会在待成形管件2表面感应脉冲磁场和涡流，进而产生强大的脉冲电磁力并作用于待成形管件2表面，使得待成形管件2在脉冲电磁力和冲击波载荷的共同作用下产生塑性缩径形变以成形。

图2为本发明第二实施例提出的电液爆炸成形装置的结构示意图。图2中的结构用于管件间的焊接。

参阅图2，该电液爆炸成形装置内设置有用于环绕待成形管件2的腔室1，装置包括金属丝3、电源控制模块4、模具5、固定单元8和通道9。

待成形管件2包括外管21和内管22，外管21和内管22均由金属材料组成。外管21与内管22同轴放置，且外管21的部分区域套在内管22的部分区域外侧，可以在焊接部位加工出微小的角度，为两管件焊接提供有利的冲击角度，以将二者套接在一起的部分焊接起来，实现外管21和内管22之间的冶金焊接。

本发明实施例中，模具5中设置有与外管21外壁尺寸相配合的通孔。外管21放置在通孔内并从模具底部穿过通孔，从而将外管21安装在模具5中。模具5中的凹形区域环绕外管21中需要与内管22焊接在一起的区域以形成腔室1。金属丝3环绕在外管21外侧，并且当外管21在模具5中安装到位时，金属丝3位于外管21与模具5所围成的腔室1内。

固定单元8位于模具5的一侧，并且外套在内管22中凸出于模具5的部分，用于固定内管22。本实施例中，腔室1、金属丝3、电源控制模块4、固定单元8、通道9的结构与图1所示实施例中腔室1、金属丝3、电源控制模块4、固定单元8、通道9的结构相同，此处不再赘述。

电源控制模块4通过脉冲电源对金属丝3放电，金属丝3中通过脉冲电流时，由于焦耳热的积累，金属丝3迅速升温并汽化膨胀，同时与腔室1中的反应液体发生化学反应，瞬间产生大量气体发生爆炸现象，爆炸产生的冲击波载荷作用于外管21表面。金属丝3沿外管21外侧环绕形成环形回路，金属丝3中通过的脉冲电流会在外管21表面感应脉冲磁场和涡流，进而产生强大的脉冲电磁力并作用于外管21表面，使得外管21在脉冲电磁力和冲击波载荷的共同作用下产生高速变形并冲击内管22，当冲击速度和冲击角度处于两种金属材料(组成外管21的金属材料以及组成内管22的金属材料)的高速冲击焊接的有效焊接窗口时，外管21和内管22的撞击界面会在高温高压的环境下发生原子间的扩散现象，实现冶金焊接。

图3为本发明第三实施例提出的电液爆炸成形装置的结构示意图。图3中的结构用于管件间的覆合。

参阅图3，该电液爆炸成形装置内设置有用于环绕待成形管件2的腔室1，装置包括金属丝3、电源控制模块4、模具5和通道9。

待成形管件2包括外管21和内管22，内管22完全套设在外管21内，以对外管21和内管22进行覆合。

本发明实施例中，模具5中设置有与外管21外壁尺寸相配合的通孔。此外，模具5及通孔的高度略小于外管21的高度，便于管件安装及拆卸。外管21放置在通孔内并从模具底部穿过通孔，从而将外管21安装在模具5中。

模具5中的凹形区域大面积环绕外管21，以形成大面积环绕外管21的腔室1。金属丝3以多匝环绕的方式环绕外管21外侧，即环绕在外管21外侧的成形部分32的匝数为多匝，并且当外管21在模具5中安装到位后金属丝3位于腔室1内，以产生作用范围更广的高速冲击波载荷，如图3所示。进一步地，可以通过合理配置多匝金属丝的疏密分布情况，对管件局部区域的变形程度和受力大小进行调控。本实施例中，腔室1、金属丝3、电源控制模块4、通道9的结构与图1所示实施例中腔室1、金属丝3、电源控制模块4、通道9的结构相同，此处不再赘述。

电源控制模块4通过脉冲电源对金属丝3放电，金属丝3中通过脉冲电流时，由于焦耳热的积累，金属丝3迅速升温并汽化膨胀，同时与腔室1中的反应液体发生化学反应，瞬间产生大量气体发生爆炸现象，爆炸产生的冲击波载荷作用于外管21表面。由于金属丝3的成形部分32以多匝形式环绕在外管21外侧，可在外管21表面产生大范围的高速冲击波载荷。金属丝3沿外管21外侧环绕形成环形回路，当外管21为导电性能良好的金属管件时，金属丝3中通过的脉冲电流会在外管21表面感应脉冲磁场和涡流，进而产生强大的脉冲电磁力并作用于外管21表面，使得外管21在大范围脉冲电磁力和冲击波载荷的共同作用下产生高速变形并冲击内管22，实现外管21和内管22的大面积覆合。

图4为本发明第四实施例提出的电液爆炸成形装置的结构示意图。图4中的结构用于复杂形状管件的成形，例如用于有弯折的空心管件。

参阅图4，该电液爆炸成形装置中设置有用于环绕待成形管件2的腔室1，装置包括金属丝3和电源控制模块4。具体地，将待成形管件2内部弯折的空心区域设置为腔室1，用于填充反应液体，金属丝3的成形部分32贯通整个复杂形状的待成形管件2。参阅图4，可以看出，金属丝3沿待成形管件2内表面放置后并未形成环形回路。

电源控制模块4通过脉冲电源对金属丝3放电，金属丝3中通过脉冲电流时，由于焦耳热的积累，金属丝3迅速升温并汽化膨胀，同时与腔室1中的反应液体发生化学反应，瞬间产生大量气体发生爆炸现象，爆炸产生的冲击波载荷作用于待成形管件2内表面各处，使得待成形管件2在冲击波载荷的作用下发生高速变形，实现复杂形状管件的爆炸胀形。

本发明还提供了一种如图1-图4所示电液爆炸成形装置的成形方法。方法包括操作S1-操作S2。

操作S1，电源控制模块4输出脉冲电流以对金属丝3放电。具体地，将金属丝3缠绕在待成形管件2上，并在将待成形管件2安装固定在电液爆炸成形装置中之后，接通电源控制模块4中的开关，电源控制模块4中的脉冲电源输出脉冲电流以对金属丝3进行放电。

操作S2，金属丝3利用电液效应在待成形管件2表面产生爆炸冲击波，使得待成形管件2在爆炸冲击波的作用下变形。

金属丝3中通过脉冲电流时迅速升温并汽化膨胀，同时与腔室1中的反应液体发生化学反应，瞬间产生大量气体发生爆炸，由于液体的压缩量极小，压力在极端时间内达到峰值从而形成冲击波，冲击波以冲量或冲击压力的方式通过反应液体介质作用于待成形管件2表面。当金属丝3环绕待成形管件2且形成环形回路时，尤其当待成形管件2由具有较好导电性能的金属材料制成时，金属丝3中通过的脉冲电流会在待成形管件2表面感应脉冲磁场和涡流，进而产生强大的脉冲电磁力并作用于待成形管件2表面，使得待成形管件2在脉冲电磁力和冲击波载荷的共同作用下产生高速变形，以实现高速率成形、焊接或覆合等效果。

本实施例中未尽之细节，请参阅上述图1-图4所示实施例中的电液爆炸成形装置，此处不再赘述。

本领域的技术人员容易理解，以上所述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 (5)

1.一种电液爆炸焊接装置，其特征在于，所述装置内设置有用于环绕待成形管件(2)的腔室(1)，所述腔室(1)用于填充反应液体，所述待成形管件(2)包括同轴放置的外管(21)和内管(22)，所述外管(21)的部分区域套在所述内管(22)的部分区域外侧，所述装置包括：

金属丝(3)，环绕在所述外管(21)外侧并形成环形回路，且位于所述腔室(1)内；

电源控制模块(4)，连接所述金属丝(3)的两端，用于为所述金属丝(3)提供脉冲电流；

模具(5)，用于安装所述待成形管件(2)，所述模具(5)中设置有凹形区域，当所述待成形管件(2)安装在所述模具(5)中时，所述凹形区域环绕待成形管件(2)以形成所述腔室(1)；

其中，所述金属丝(3)利用电液效应在所述外管(21)表面产生爆炸冲击波，并利用电磁效应在所述外管(21)表面产生脉冲电磁力，使得所述外管(21)在所述爆炸冲击波和脉冲电磁力的作用下产生高速变形并冲击所述内管(22)，当冲击速度和冲击角度处于所述外管(21)和所述内管(22)的金属材料的高速冲击焊接的有效焊接窗口时，所述外管(21)和所述内管(22)的撞击界面在高温高压环境下发生原子间的扩散现象，实现冶金焊接。

2.如权利要求1所述的电液爆炸焊接装置，其特征在于，所述装置还包括：

固定单元(8)，位于所述模具(5)的一侧，且外套在所述待成形管件(2)中凸出于模具(5)的部分，用于固定所述待成形管件(2)。

3.如权利要求1所述的电液爆炸焊接装置，其特征在于，所述装置还包括：

通道(9)，设置在所述模具(5)内，连通所述腔室(1)与外部区域，用于将所述金属丝(3)的两端引出并连接至电源控制模块(4)，以及用于将反应液体填充在所述腔室(1)内。

4.如权利要求1-3任一项所述的电液爆炸焊接装置，其特征在于，所述金属丝(3)以单匝环绕的方式环绕在所述待成形管件(2)外侧。

5.一种如权利要求1-4任一项所述的电液爆炸焊接装置的焊接方法，其特征在于，包括：

电源控制模块(4)输出脉冲电流以对金属丝(3)放电；

所述金属丝(3)利用电液效应在外管(21)表面产生爆炸冲击波，并利用电磁效应在所述外管(21)表面产生脉冲电磁力，使得所述外管(21)在所述爆炸冲击波和脉冲电磁力的作用下产生高速变形并冲击所述内管(22)，当冲击速度和冲击角度处于所述外管(21)和所述内管(22)的金属材料的高速冲击焊接的有效焊接窗口时，所述外管(21)和所述内管(22)的撞击界面在高温高压环境下发生原子间的扩散现象，实现冶金焊接。

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