CN111922176A - 一种集磁器、电磁成形的冲击焊接装置及应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种集磁器、电磁成形的冲击焊接装置及应用，属于金属成形与焊接制造技术领域，包括驱动线圈、集磁器、电源。将集磁器与金属工件相邻放置，驱动线圈与集磁器相邻放置，电源通过电缆与驱动线圈连接。当电源开关闭合后，驱动线圈在周围产生脉冲磁场，脉冲磁场通过集磁器将电磁力集中于目标成形区域，实现预期变形。通过增大集磁器缝隙长度减小了平均电流密度、磁场强度、磁能密度，进而降低成形与焊接过程中集磁器缝隙处的磁能损耗，提升了装置的能量利用效率，提升了系统制造能力及使用寿命。本发明可广泛应用于目前所有集磁器的缝隙几何形貌改造，因而可广泛应用于不同形状、尺寸、材质的板管类零件的电磁成形与冲击焊接工艺中。

Description

一种集磁器、电磁成形的冲击焊接装置及应用

技术领域

本发明属于金属成形与焊接制造技术领域，更具体地，涉及一种集磁器、电磁成形的冲击焊接装置及应用。

背景技术

社会发展对制造技术提出了越来越高的要求，导致现有常规制造工艺在诸多领域面临瓶颈。例如，为实现节能减排，汽车车身越来越普遍使用高强铝等轻质合金材料，其温室成形性能较差，常规成形工艺易出现减薄严重、回弹大、起皱等缺陷，难以满足高性能构件加工需求。此外，为提升相关装备的整体性能，汽车、核能等领域提出多种金属复合使用的策略(如铝-钢、铝-铜、铝-钛等)，根据不同材料的物性特点，在构件不同区域使用不同金属，通过优化组合实现整体性能的最优化。为实现多种金属材料复合使用这一构想，须发展异种金属材料的高性能复合连接技术。然而，由于不同金属熔点、热导率、热膨胀系数等显著差异，基于熔融-扩散的常规焊接工艺容易出现裂纹、应力集中、脆性区等缺陷，难以满足异种金属材料的高强度连接需求。

已有大量文献表明，基于脉冲电磁力的电磁脉冲成形与冲击焊接技术，在提高材料成形极限与异种金属间焊接强度与疲劳性能方面具有显著优势和巨大的应用前景，已成为先进制造领域的研究热点之一。其采用脉冲电磁力驱动金属工件发生高速变形，实现金属塑性变形加工与焊接。其中，电磁脉冲成形通过控制脉冲电磁力时空分布，控制金属材料的高速变形，进而控制工件形貌调控演变，达到塑性变形加工目的；电磁脉冲焊接采用脉冲电磁力将金属工件加载至300m/s以上速度，通过异种金属材料间高速碰撞时发生的界面局部剧烈塑性变形产生局部熔融，进而实现异种金属材料间的高性能复合连接。

在电磁脉冲成形与冲击焊接工艺中，电磁力的幅值与空间分布进而实现电磁力的高效、可控加载，是实现高性能制造的核心，通常通过驱动线圈与集磁器共同实现。其中，驱动线圈与电容器电源相连，将电容器储存电能转换为线圈周围空间的磁能；集磁器，则进一步通过良导体材质改变线圈磁场的磁通路径，达到进一步调控磁场的空间分布的目的。集磁器结构设计灵活，赋予了极高的工艺设计自由度，因而被广泛用于满足不同制造需求；特别地，电磁脉冲焊接中，集磁器可通过磁能的聚集显著增强局部磁场的强度，提高焊接能力，已成为了实现高性能电磁脉冲焊接不可缺少的器件。

根据不同的成形与焊接需求，集磁器通常具有不同的结构，形式繁多；但所有集磁器都有一个共同的特征，即包含了贯通的缝隙，以实现“集磁器-驱动线圈临近的表面”以及“集磁器-金属工件临近表面”两个表面涡流的贯通，进而实现驱动线圈与工件之间的间接电磁耦合，实现磁场的有效加载与调控。但缝隙的存在也导致了一个副作用，即，磁能的损耗——分布于集磁器缝隙处的磁能，可能降低电磁脉冲成形与冲击焊接工艺的能量利用效率。研究表明，集磁器缝隙处的磁能密度和等效体积，均可与目标加载区域的磁能密度及目标加载区域体积相当，其磁能损耗不能忽略。为构建高效的电磁脉冲成形与焊接系统，有必要对集磁器缝隙结构进行优化，降低这一区域的磁能损耗，进而提高系统能量效率。根据文献和专利调研，关于这一问题还未有系统研究，也未找到有效解决方案。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种集磁器、电磁成形的冲击焊接装置及应用，其目的在于通过多条首尾圆弧连接的切槽构成集磁器缝隙，使集磁器缝隙的长度大于集磁器轴线的长度，由此解决集磁器缝隙区域磁能损耗高导致电磁成形与焊接系统能量利用率低的技术问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种集磁器，包括：集磁器导体和集磁器缝隙；

所述集磁器导体为空心圆柱体结构，穿过所述集磁器导体的外圆柱面与中心孔面设置有所述集磁器缝隙；

所述集磁器缝隙至少设有一条，所述集磁器缝隙包括多条首尾圆弧连接的切槽，所述集磁器缝隙的长度大于所述集磁器导体轴线的长度。

优选地，所述集磁器缝隙与所述集磁器导体的轴线不共面。

优选地，所述集磁器缝隙处的磁能损耗反比于所述集磁器缝隙的长度。

按照本发明的另一方面，提供了一种电磁成形的冲击焊接装置，包括上文所述的集磁器，还包括：电源和成形线圈；

所述成形线圈均匀分布在所述集磁器的外部，所述电源通过电缆与所述成形线圈相连接，所述集磁器的中心处设有金属工件；

所述成形线圈用于通电后产生感应脉冲磁场，所述集磁器用于调控所述脉冲磁场的空间分布，将电磁力集中于所述金属工件的局部区域，以驱动所述金属工件径向向内压缩变形，实现所述金属工件的成形。

优选地，所述集磁器还用于调控所述脉冲磁场的空间分布，以使电磁力驱动所述金属工件碰撞至另一金属工件，在两金属工件的碰撞界面产生剧烈塑性变形并融化金属工件，待金属工件再度固化时实现对两金属工件的焊接。

优选地，所述电源为电容器电源。

按照本发明的另一方面，提供了一种电磁成形的冲击焊接装置在管件、板件等结构件中成形与焊接的应用。

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，能够取得下列有益效果：

1、本发明对集磁器缝隙的结构进行改进，通过多条首尾圆弧连接的切槽构成集磁器缝隙，增大了集磁器缝隙长度，降低了集磁器缝隙表面电流密度，进而降低了集磁器缝隙处的磁场能量密度以及能量损耗；

2、本发明通过将改进后的集磁器结构应用于电磁成形的冲击焊接装置中，可在同等放电能量条件下产生更强的目标磁场，实现更强的电磁力加载，提升了装置的能量利用率，提高装置加工能力。

3、本发明通过将改进后的集磁器结构应用于电磁成形的冲击焊接装置中，在预定目标磁场的情况下，所需能量更低，降低高能放电对电容器、开关、线圈等关键部件的电-磁-热-力载荷，进而提高了装置的使用寿命；

4、本发明电磁成形的冲击焊接装置可以应用于不同形状、尺寸、材质的板类、管类零件的电磁成型与冲击焊接中，应用范围广泛。

附图说明

图1是现有技术中集磁器的结构示意图；

图2是本发明中集磁器的结构示意图；

图3是本发明中电磁成形的冲击焊接装置的前视剖面结构示意图；

图4是本发明中电磁成形的冲击焊接装置的俯视结构示意图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：成形线圈1；金属工件2；集磁器3；集磁器导体3-1；集磁器缝隙3-2；电源4。

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。

图2为本发明集磁器的结构示意图，如图2所示，一种集磁器，包括：集磁器导体3-1和集磁器缝隙3-2；所述集磁器导体3-1为空心圆柱体结构，穿过所述集磁器导体3-1的外圆柱面与中心孔面设置有所述集磁器缝隙3-2；所述集磁器缝隙3-2至少设有一条，所述集磁器缝隙3-2包括多条首尾圆弧连接的切槽，所述集磁器缝隙3-2的长度大于所述集磁器导体3-1轴线的长度。

具体的，所述集磁器缝隙3-2与所述集磁器导体3-1的轴线不共面。

具体的，所述集磁器缝隙处的磁能损耗反比于所述集磁器缝隙的长度。

具体的，一种电磁成形的冲击焊接装置，包括上文所述的集磁器，还包括：电源4和成形线圈1；所述成形线圈1均匀分布在所述集磁器3的外部，所述电源4通过电缆与所述成形线圈1相连接，所述集磁器3的中心处设有金属工件2；所述成形线圈1用于通电后产生感应脉冲磁场，所述集磁器3用于调控所述脉冲磁场的空间分布，将电磁力集中于所述金属工件2的局部区域，以驱动所述金属工件2径向向内压缩变形，实现所述金属工件2的成形。

具体的，所述集磁器3还用于调控所述脉冲磁场的空间分布，以使电磁力驱动所述金属工件碰撞至另一金属工件，在两金属工件的碰撞界面产生剧烈塑性变形并融化金属工件，待金属工件再度固化时实现对两金属工件的焊接。

可选地，所述电源4为电容器电源。

具体的，一种基于上文所述的电磁成形的冲击焊接装置在管件、板件等结构件中成形与焊接的应用。

更进一步的说明，本发明通过对集磁器缝隙的结构改进从而降低集磁器缝隙处的磁能损耗。图1为现有技术中集磁器的结构示意图，如图1所示，常规的集磁器结构采用与集磁器轴向平行或共面的缝隙结构，这样设置所实现的集磁器缝隙L1约等于集磁器轴向的长度。图2为本发明中集磁器的结构示意图，如图2所示，本发明的创新之处在于将集磁器缝隙采用与集磁器轴向非共面、非平行的方式设置，可采用曲面形状，可显著增大集磁器缝隙的长度L2。

更进一步的说明，将集磁器缝隙区域的磁场强度设为B，则磁场强度B正比于缝隙处涡流密度J，即：

B∝J (1)

同时，假定加载区域磁场不变，那么流经集磁器缝隙的总涡流I不变，那么缝隙处涡流密度J将近似反比于集磁器缝隙长度L，即：

J∝1/L (2)

结合式(1)和(2)，则有：

B∝1/L (3)

于是磁能密度e将反比于缝隙长度L的二次方，即：

e∝B∝1/L² (4)

假定缝隙宽度不变，则有缝隙处能量E反比于集磁器缝隙长度L，即：

E∝eL∝1/L (5)

由此可知，通过增大L可显著减小集磁器缝隙处磁能损耗E，进而将磁能更为有效地集中至成形与焊接加载区，最终提高能量利用率。

可选地，所述集磁器3可根据实际需求，设置1条或1条以上的缝隙，对每条缝隙均可采用上述结构，即将缝隙长度增大，以减小缝隙处能量损耗。

可选地，所述集磁器的几何结构，可根据金属工件形貌以及预期电磁加载区的几何形状，进行优化设置和组合。

更进一步的说明，图3为本发明中电磁成形的冲击焊接装置的前视剖面结构示意图；，图4为本发明中电磁成形的冲击焊接装置的俯视结构示意图。如图3和图4所示，本发明的集磁器结构应用于电磁成形的冲击焊接装置，该装置包括：电容器电源4、成形线圈1和集磁器3，所述成形线圈1与所述电容器电源4相连，所述集磁器3位于所述成形线圈1和金属工件2之间。通过所述电容器电源4对所述成形线圈1放电，在所述成形线圈1产生脉冲大电流，如图4中最外圈所示的电流方向，进而在周围空间产生脉冲强磁场。通过所述集磁器3对磁场空间分布进行二次调控，实现对电磁成形力场分布的有效调控，进而实现对金属工件成形或焊接行为的有效、合理控制。

需要说明的是，本发明的一个实施例具体提出了对管件的成形与焊接，如图3和图4所示，管件设置于所述集磁器3的中心位置，所述集磁器3调控所述脉冲磁场的空间分布，将磁能集中于所述管件的待成形区域，驱动所述管件径向向内高速压缩变形，最终实现所述管件的成形。焊接时，所述集磁器3将磁能集中于所述管件的待焊接区域，将管件高速碰撞至另一个金属件，在两者碰撞界面产生剧烈的塑性变形、产生高温融化金属，待金属再固化时实现焊接。

更进一步的说明，本发明提出的电磁成形的冲击与焊接装置不仅适用于上述实施例中的管件成形或焊接，还可应用于板件等其他不同形状、尺寸、材质的结构件的成形与焊接。

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 (7)

1.一种集磁器，其特征在于，包括：集磁器导体(3-1)和集磁器缝隙(3-2)；

所述集磁器导体(3-1)为空心圆柱体结构，穿过所述集磁器导体(3-1)的外圆柱面与中心孔面设置有所述集磁器缝隙(3-2)；

所述集磁器缝隙(3-2)至少设有一条，所述集磁器缝隙(3-2)包括多条首尾圆弧连接的切槽，所述集磁器缝隙(3-2)的长度大于所述集磁器导体(3-1)轴线的长度。

2.根据权利要求1所述的一种集磁器，其特征在于：所述集磁器缝隙(3-2)与所述集磁器导体(3-1)的轴线不共面。

3.根据权利要求1或2所述的一种集磁器，其特征在于：所述集磁器缝隙处的磁能损耗反比于所述集磁器缝隙的长度。

4.一种电磁成形的冲击焊接装置，其特征在于，包括如权利要求1-3任一项所述的集磁器，还包括：电源(4)和成形线圈(1)；

所述成形线圈(1)均匀分布在所述集磁器(3)的外部，所述电源(4)通过电缆与所述成形线圈(1)相连接，所述集磁器(3)的中心处设有金属工件(2)；

所述成形线圈(1)用于通电后产生感应脉冲磁场，所述集磁器(3)用于调控所述脉冲磁场的空间分布，将电磁力集中于所述金属工件(2)的局部区域，以驱动所述金属工件(2)径向向内压缩变形，实现所述金属工件(2)的成形。

5.根据权利要求4所述的一种电磁成形的冲击焊接装置，其特征在于：所述集磁器(3)还用于调控所述脉冲磁场的空间分布，以使电磁力驱动所述金属工件碰撞至另一金属工件，在两金属工件的碰撞界面产生剧烈塑性变形并融化金属工件，待金属工件再度固化时实现对两金属工件的焊接。

6.根据权利要求4或5所述的一种电磁成形的冲击焊接装置，其特征在于：所述电源(4)为电容器电源。

7.一种基于权利要求4-6任一项所述的电磁成形的冲击焊接装置在管件、板件等结构件中成形与焊接的应用。

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