CN112518159A - 一种金属工件的表面处理与焊接装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种金属工件的表面处理与焊接装置及方法，属于金属工件表面处理及焊接领域。表面处理方法为：在脉冲电流的作用下，导电模块发生爆炸形成平面冲击波，驱动待处理工件与表面处理模具发生碰撞，使待处理工件表面形成与表面处理模具相同的几何形貌，同时去除待处理工件表面的杂质。焊接方法为：脉冲电流的作用下，导电模块发生爆炸后形成平面冲击波作用于工件二上；在平面冲击波的作用下，工件二发生形变后加速与工件一碰撞，完成焊接。本发明可以实现大范围、连续性的焊接，提升整体金属工件的焊接性能。

Description

一种金属工件的表面处理与焊接装置及方法

技术领域

本发明属于金属工件表面处理及焊接领域，更具体地，涉及一种金属工件的表面处理与焊接装置及方法。

背景技术

当今轻量化材料的使用越来越广泛，其中金属复合材料具有重量轻、耐腐蚀性强、结构性能好等显著优点，已广泛应用于航空航天、汽车制造等领域。

在实现异种金属材料连接的方法中，焊接产生的接头强度最大。但是异种金属材料因为熔点，热导率，比热容等系数不同，很难通过传统方式焊接。高速冲击焊接通过金属工件间高速碰撞时界面剧烈塑性变形导致的局部熔融现象，实现异种金属材料间复合连接，不需要通过外部加热实现表面熔化等处理，且可实现与母材强度接近的界面强度，是目前实现异种金属焊接的有效技术手段。

目前最常用的高速焊接的方法有磁脉冲焊接和电爆炸焊接，其中电爆炸焊接通过对金属箔通入脉冲电流，使其剧烈发热进而爆炸产生高速冲击波作用于金属工件，使金属工件变形并与另一金属工件高速碰撞，碰撞界面发生局部剧烈塑性变形，产生局部熔融区域，进而实现金属工件之间的焊接，并且可以通过改变放电参数、电路参数及金属箔的尺寸形状，控制高速冲击波的分布和大小，达到所要求的焊接效果。金属箔爆炸装置具有搭建简单，成本低的优点，可大面积推广。

经过研究，金属工件在高速碰撞时能否成功焊接取决于碰撞点的角度及相对速度，即角度与相对速度匹配时焊接才能成功，并且当金属工件表面较为光滑干净时焊接性能更好。现有技术在进行高速焊接时，由于焊接界面各点的碰撞角度与碰撞速度不相同，并且金属工件表面存在氧化层或杂质，使界面质量不符合最佳焊接条件等限制，导致无法实现大面积焊接，待焊接面会存在大量未焊接区域。因此现在亟需对金属工件的焊接性能进行提升。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种金属工件的表面处理与焊接装置及方法，旨在解决现有金属工件焊接时由于焊接界面碰撞角度不相同，且金属工件表面存在杂质，导致焊接性能较差的问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种金属工件的表面处理装置，包括：脉冲电源，导电模块、表面处理模具和固定模块；固定模块包括上固定单元和下固定单元；

从上固定单元到下固定单元方向，内部放置表面处理模具和导电模块；脉冲电源与所述导电模块连接，用于为导电模块提供脉冲电流；表面处理模具靠近导电模块的表面设置有几何图案；导电模块为中间窄两边宽的形貌，用于在脉冲电流的作用下爆炸产生冲击波；冲击波用于驱动待处理工件与表面处理模具发生碰撞，进而去除待处理工件表面杂质，且使待处理工件上形成与表面处理模具相同的形貌；

工作时待处理工件放置在表面处理模具和所述导电模块之间。

优选地，导电模块为金属箔，金属箔的尺寸和几何形貌用于调控爆炸的范围和冲击波的强弱；

优选地，表面处理模具的表面几何图案为三角波。

基于上述提供的金属工件的表面处理装置，本发明提供了金属工件的表面处理方法，具体包括：

在脉冲电流的作用下，导电模块发生爆炸后形成平面冲击波；

平面冲击波驱动待处理工件与表面处理模具发生碰撞，使待处理工件表面形成与表面处理模具相同的几何形貌，同时去除待处理工件表面的杂质。

优选地，导电模块为金属箔，金属箔的尺寸和几何形貌用于调控爆炸的范围和冲击波的强弱；

优选地，表面处理模具的表面几何形貌为三角波。

基于上述提供的金属工件的表面处理装置，本发明提供了金属工件的焊接装置，包括：脉冲电源、导电模块、固定模块和间隔块；固定模块包括上固定单元和下固定单元；

从上固定单元到下固定单元方向，内部放置间隔块和导电模块；间隔块(6)用于为工件一和工件二碰撞提供加速距离；脉冲电源与导电模块连接，用于为导电模块提供脉冲电流；导电模块为中间窄两边宽的形貌，用于在脉冲电流的作用下爆炸产生冲击波；工件一与工件二至少有一个经过表面处理，且使用时经过表面处理的面靠近所述间隔块；

工作时工件一与工件二位于间隔块的两侧，在冲击波的驱动下碰撞焊接。

优选地，间隔块为环氧板件。

优选地，导电模块为金属箔，金属箔的尺寸和几何形貌用于调控爆炸的范围和冲击波的强弱。

基于上述提供的金属工件的焊接装置，本发明提供了金属工件的焊接方法，包括如下步骤：

在脉冲电流的作用下，导电模块发生爆炸后形成平面冲击波作用于工件二上；

在平面冲击波的作用下，工件二发生形变并加速与工件一碰撞，完成焊接。

优选地，导电模块为金属箔，金属箔的尺寸和几何形貌用于调控爆炸的范围和冲击波的强弱。

通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，能够取得以下有益效果：

本发明提供的金属工件的表面处理及焊接装置，导电模块在脉冲电流的作用下爆炸会产生冲击波，驱动待处理工件与表面处理模具相互发生碰撞，可去除待处理工件表面的杂质，也可以使待处理工件上形成与表面处理模具相同的形貌，为焊接提供碰撞点的角度；同时在待焊接的工件一和工件二之间放置间隔块可以为焊接提供碰撞时的速度，因此本发明可以实现大范围、连续性的焊接，提升整体金属工件的焊接性能。

本发明提供的表面处理模具采用三角波，通过调节波形高度、宽度和周期，可以调节三角波的角度，进而可以使工件一和工件二在碰撞时，各点都处于合适碰撞角度。

本发明提供的金属箔成本低、制备过程简单，并且可以任意调节爆炸区域的形状尺寸，满足不同形状尺寸的工件焊接需求。

本发明提供的金属工件的表面处理装置及焊接装置，两者的结构和工序相近，可通过一个装置完成。

附图说明

图1是本发明提供的金属工件的表面处理装置示意图；

图2是本发明提供的金属工件焊接装置示意图；

图3是本发明提供的表面处理模具的结构示意图；

图4是本发明提供的金属箔的结构示意图；

图5(a)是实施例一提供的金属工件一实施表面处理的装置示意图；

图5(b)是实施例一提供的金属工件的焊接装置示意图；

图6(a)是实施例二提供的金属工件二实施表面处理装置示意图；

图6(b)是实施例二提供的金属工件的焊接装置示意图；

图7(a)是实施例三提供的工件一实施表面处理的装置示意图；

图7(b)是实施例三提供的工件二实施表面处理的装置示意图；

图7(c)是实施例三提供的金属工件的焊接装置示意图；

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：脉冲电源；2：金属箔；3：待处理工件；3-1：工件一；3-2：工件二；4：表面处理模具；5-1：上固定单元；5-2：下固定单元；6-间隔块。

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。

如图1所示，本发明提供了一种金属工件的表面处理装置，包括：脉冲电源1，导电模块、表面处理模具4和固定模块；固定模块包括上固定单元5-1和下固定单元5-2；

从上固定单元5-1到下固定单元5-2方向，内部放置表面处理模具4和导电模块；所述脉冲电源1与导电模块连接，用于为导电模块提供脉冲电流；表面处理模具4靠近导电模块的表面设置有几何图案；导电模块为中间窄两边宽的形貌，用于在脉冲电流的作用下爆炸产生冲击波；冲击波用于驱动待处理工件3与表面处理模具4发生碰撞，进而去除所述待处理工件3表面杂质，且使待处理工件3上形成与表面处理模具相同的形貌；

工作时待处理工件3放置在表面处理模具4和导电模块之间。工作时工件一3-1与工件二3-2位于间隔块6的两侧，在冲击波的驱动下碰撞焊接。

优选地，导电模块为金属箔2，金属箔2的尺寸和几何形貌用于调控爆炸的范围和冲击波的强弱；

优选地，表面处理模具4靠近待处理工件3侧的表面几何图案为三角波。

对应地，本发明提供了金属工件的表面处理方法，包括以下步骤：

在脉冲电流的作用下，导电模块发生爆炸后形成平面冲击波作用于待处理工件上；

在平面冲击波的作用下，待处理工件3发生形变与表面处理模具发生碰撞，使待处理工件3表面形成与表面处理模具4相同的几何形貌，同时去除待处理工件3表面的杂质。

优选地，导电模块为金属箔2，金属箔2的尺寸和几何形貌用于调控爆炸的范围和冲击波的强弱；

优选地，表面处理模具4靠近待处理工件3侧的表面几何图案为三角波。

基于上述提供的金属工件的表面处理装置，如图2所示，本发明提供了一种工件焊接装置，包括：脉冲电源1、导电模块、固定模块和间隔块6；固定模块包括上固定单元5-1和下固定单元5-2；

从上固定单元5-1到下固定单元5-2方向，内部放置间隔块6和导电模块；间隔块6用于为工件一3-1和工件二3-2碰撞提供加速距离；脉冲电源1与导电模块连接，用于为导电模块提供脉冲电流；导电模块为中间窄两边宽的形貌，用于在脉冲电流的作用下爆炸产生冲击波，冲击波用于驱动工件二3-2发生形变；工件一3-1与工件二3-2至少有一个经过表面处理，且使用时经过表面处理的面靠近间隔块6；

工作时工件一3-1与工件二3-2位于间隔块6的两侧，在冲击波的驱动下碰撞焊接。通常工件一3-1与工件二3-2碰撞时相对速度可达到几百米每秒。

基于上述提供的金属工件的焊接装置，本发明提供了金属工件的焊接方法，包括如下步骤：

在脉冲电流的作用下，导电模块发生爆炸后形成平面冲击波作用于工件二3-2上；

在平面冲击波的作用下，工件二3-2发生形变后加速与工件一3-1碰撞，完成焊接。

图3为表面处理模具4的结构示意图，其表面形貌为三角波，可以通过调整波形高度4-2、宽度4-1和周期改变三角波的角度4-3，进而使工件一与工件二碰撞时，各点都处于合适碰撞角度。以下实施例的三角波的角度4-3为20度。

图4是导电模块为金属箔2的结构示意图，通常金属箔2加工成两头宽，中间窄的形状，图中2-1为金属箔2的窄部高度，2-2为金属箔2的窄部宽度，窄部位置处为金属箔2爆炸的区域；通过脉冲电源1向金属箔2通入脉冲电流，使金属箔2剧烈加热，因为金属箔2中间较窄处电流更大，温度上升更快，因此会优先发生蒸发汽化并爆炸，高压气体迅速膨胀，产生平面冲击波。

本发明提供了相应的金属工件的焊接方法，包括以下步骤：

将工件二3-2经过表面处理的面朝向间隔块6放置后，向导电模块施加脉冲电流使其爆炸产生高速冲击波驱动工件二3-2；

工件二3-2发生形变并加速与工件一3-1发生碰撞，完成焊接。

实施例1：对工件一3-1进行表面处理后进行焊接，具体如下：

图5(a)提供了金属工件一实施表面处理的装置示意图，图5(b)提供了金属工件的焊接装置示意图，整体包括：脉冲电源1、金属箔2、表面处理模具4、上固定单元5-1、下固定单元5-2和间隔块6；其中，如图4所示，金属箔2为中间窄两边宽的形貌；表面处理模具4如图3所示为三角波形；上固定单元5-1和下固定单元5-2为矩形钢夹板；工件一3-1和工件二3-2均为矩形板件；工件一3-1材料为钢，工件二3-2材料为铝；间隔块6为环氧板件；

待焊接工件为工件一3-1和工件二3-2；

金属工件表面处理的操作步骤如下：

(1)将脉冲电源1与金属箔2相连；

(2)将金属箔2、工件一3-1和表面处理模具4顺次放置；

(3)将上固定单元5-1放置在表面处理模具4的外侧，且将下固定单元5-2放置在金属箔2的外侧，上固定单元5-1和下固定单元5-2配合使用用于整个装置的固定；

(4)通过脉冲电源1向金属箔2通入脉冲电流，使金属箔2窄部发生爆炸并产生一个平面高速冲击波作用于工件一3-1；工件一3-1发生变形与表面处理模具4高速碰撞，使工件一3-1表面形成与表面处理模具4相同的几何形貌，同时击穿工件一3-1表面杂质。

金属工件焊接的操作步骤如下：

(1)将脉冲电源1与金属箔2相连；

(2)将工件一3-1经过表面处理的一面朝向工件二3-2放置；工件一3-1与工件二3-2之间放置间隔块6；金属箔放置在工件二3-2的外侧；

(3)通过脉冲电源1向金属箔2通入脉冲电流，使金属箔2窄部发生爆炸并产生一个平面高速冲击波作用于工件二3-2；工件二3-2发生变形并加速与工件一3-1高速碰撞，完成焊接。

实施例2：对工件二3-2进行表面处理后进行焊接，具体如下：

图6(a)是金属工件二实施表面处理装置示意图，图6(b)是金属工件的焊接装置示意图，整体包括：脉冲电源1、金属箔2、表面处理模具4、上固定单元5-1、下固定单元5-2和间隔块6；其中，如图4所示，金属箔2为中间窄两边宽的形貌；表面处理模具4如图3所示为三角波形；上固定单元5-1和下固定单元5-2为矩形钢夹板；工件一3-1和工件二3-2均为矩形板件；工件一3-1材料为钢，工件二3-2材料为铝；间隔块6为环氧板件；

待焊接工件为工件一3-1和工件二3-2。

金属工件表面处理的操作步骤如下：

(1)将脉冲电源1与金属箔2相连；

(2)将金属箔2、工件二3-2和表面处理模具4顺次放置；

(3)将上固定单元5-1放置在表面处理模具4的外侧，且将下固定单元5-2放置在金属箔2的外侧，上固定单元5-1和下固定单元5-2配合使用用于整个装置的固定；

(4)通过脉冲电源1向金属箔2通入脉冲电流，使金属箔2窄部发生爆炸并产生一个平面高速冲击波作用于工件二3-2；工件二3-2发生变形与表面处理模具4高速碰撞，使工件二3-2表面形成与表面处理模具4相同的几何形貌，同时击穿工件二3-2表面杂质。

金属工件焊接的操作步骤如下：

(1)将脉冲电源1与金属箔2相连；

(2)将工件二3-2经过表面处理的一面朝向工件一3-1放置；工件一3-1与工件二3-2之间放置间隔块6；金属箔2放置在工件二3-2的外侧；

(3)通过脉冲电源1向金属箔2通入脉冲电流，使金属箔2窄部发生爆炸并产生一个平面高速冲击波作用于工件二3-2；工件二3-2发生变形并加速与工件一3-1高速碰撞，完成焊接。

实施例3：对工件一3-1和工件二3-2依次进行表面处理后进行焊接，具体如下：

图7(a)是工件一实施表面处理的装置示意图，图7(b)是工件二实施表面处理的装置示意图，图7(c)是金属工件的焊接装置示意图，整体包括：脉冲电源1、金属箔2、表面处理模具4、上固定单元5-1、下固定单元5-2和间隔块6；其中，如图4所示，金属箔2为中间窄两边宽的形貌；表面处理模具4如图3所示为三角波形；上固定单元5-1和下固定单元5-2为矩形钢夹板；工件一3-1和工件二3-2均为矩形板件；工件一3-1材料为钢，工件二3-2材料为铝；间隔块6为环氧板件；

待焊接工件为工件一3-1和工件二3-2。

金属工件表面处理的操作步骤如下：

(1)将脉冲电源1与金属箔2相连；

(2)将金属箔2、工件一3-1和表面处理模具4顺次放置；

(3)将上固定单元5-1放置在表面处理模具4的外侧，且将下固定单元5-2放置在金属箔2的外侧，上固定单元5-1和下固定单元5-2配合使用用于整个装置的固定；

(4)通过脉冲电源1向金属箔2通入脉冲电流，使金属箔2窄部发生爆炸并产生一个平面高速冲击波作用于工件一3-1；工件一3-1发生变形与表面处理模具4高速碰撞，使工件一3-1表面形成与表面处理模具4相同的几何形貌，同时击穿工件一3-1表面杂质；

(5)将金属箔2、工件二3-2和表面处理模具4顺次放置；

(6)将上固定单元5-1放置在表面处理模具4的外侧，且将下固定单元5-2放置在金属箔2的外侧，上固定单元5-1和下固定单元5-2配合使用用于整个装置的固定；

(7)通过脉冲电源1向金属箔2通入脉冲电流，使金属箔2窄部发生爆炸并产生一个平面高速冲击波作用于工件二3-2；工件二3-2发生变形与表面处理模具4高速碰撞，使工件二3-2表面形成与表面处理模具4相同的几何形貌，同时击穿工件二3-2表面杂质。

金属工件焊接的操作步骤如下：

(1)将脉冲电源1与金属箔2相连；

(2)将工件一3-1和工件二3-2经过表面处理的面相对放置；工件一3-1与工件二3-2之间放置间隔块6；金属箔放置在工件二3-2的外侧；

(3)通过脉冲电源1向金属箔2通入脉冲电流，使金属箔2窄部发生爆炸并产生一个平面高速冲击波作用于工件二3-2；工件二3-2发生变形并加速与工件一3-1高速碰撞，完成焊接。

综上所述，本发明提供的技术方案，与现有技术相比，存在以下优势：

本发明提供的金属工件的表面处理及焊接装置，导电模块在脉冲电流的作用下爆炸会产生冲击波，驱动待处理工件与表面处理模具相互发生碰撞，可去除待处理工件表面的杂质，也可以使待处理工件上形成与表面处理模具相同的形貌，为焊接提供碰撞点的角度；同时在待焊接的工件一和工件二之间放置间隔块可以为焊接提供碰撞时的速度，因此本发明可以实现大范围、连续性的焊接，提升整体金属工件的焊接性能。

本发明提供的表面处理模具采用三角波，通过调节波形高度、宽度和周期，可以调节三角波的角度，进而可以使工件一和工件二在碰撞时，各点都处于合适碰撞角度。

本发明提供的金属箔成本低、制备过程简单，并且可以任意调节爆炸区域的形状尺寸，满足不同形状尺寸的工件焊接需求。

本发明提供的金属工件的表面处理装置及焊接装置，两者的结构和工序相近，可通过一个装置完成。

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 (10)

1.一种金属工件的表面处理装置，其特征在于，包括：脉冲电源(1)、导电模块、表面处理模具(4)、上固定单元(5-1)和下固定单元(5-2)；

从所述上固定单元(5-1)到所述下固定单元(5-2)方向，内部放置所述表面处理模具(4)和所述导电模块；所述脉冲电源(1)与所述导电模块连接，用于为所述导电模块提供脉冲电流；所述表面处理模具(4)靠近所述导电模块的表面设置有几何图案；所述导电模块为中间窄两边宽的形貌，用于在脉冲电流的作用下爆炸产生冲击波；所述冲击波用于驱动待处理工件(3)与所述表面处理模具(4)发生碰撞，进而去除所述待处理工件(3)表面杂质，且使所述待处理工件(3)上形成与所述表面处理模具(4)相同的形貌；

工作时待处理工件(3)放置在所述表面处理模具(4)和所述导电模块之间。

2.根据权利要求1所述的表面处理装置，其特征在于，所述导电模块为金属箔(2)，所述金属箔(2)的尺寸和几何形貌用于调控爆炸的范围和冲击波的强弱。

3.根据权利要求1或2所述的表面处理装置，其特征在于，所述表面处理模具(4)的表面几何图案为三角波。

4.一种基于权利要求1所述的表面处理装置的方法，其特征在于，包括：

在脉冲电流的作用下，导电模块发生爆炸形成平面冲击波；

平面冲击波驱动待处理工件(3)与表面处理处理模具(4)发生碰撞，使所述待处理工件(3)表面形成与所述表面处理模具(4)相同的几何图案，同时去除所述待处理工件(3)表面的杂质。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述导电模块为金属箔(2)，所述金属箔(2)的尺寸和几何形貌用于调控爆炸的范围和冲击波的强弱。

6.根据权利要求4或5所述的方法，其特征在于，所述表面处理模具(4)的表面几何图案为三角波。

7.一种基于权利要求1所述的表面处理装置的焊接装置，其特征在于，包括：脉冲电源(1)、导电模块、上固定单元(5-1)、下固定单元(5-2)和间隔块(6)；

从上固定单元(5-1)到下固定单元(5-2)方向，内部放置所述间隔块(6)和所述导电模块；所述间隔块(6)用于为工件一(3-1)和工件二(3-2)碰撞提供加速距离；所述脉冲电源(1)与所述导电模块连接，用于为所述导电模块提供脉冲电流；所述导电模块为中间窄两边宽的形貌，用于在脉冲电流的作用下爆炸产生冲击波；所述工件一(3-1)与所述工件二(3-2)至少有一个经过表面处理，且使用时经过表面处理的面靠近所述间隔块(6)；

工作时所述工件一(3-1)与所述工件二(3-2)位于所述间隔块(6)的两侧，在冲击波的驱动下碰撞焊接。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述导电模块为金属箔(2)，所述金属箔(2)的尺寸和几何形貌用于调控爆炸的范围和冲击波的强弱。

9.一种基于权利要求7所述的焊接装置的焊接方法，其特征在于，包括如下步骤：

在脉冲电流的作用下，导电模块发生爆炸后形成平面冲击波作用于所述工件二(3-2)上；

在所述平面冲击波的作用下，所述工件二(3-2)发生形变并加速与所述工件一(3-1)碰撞，完成焊接。

10.根据权利要求9所述的焊接方法，其特征在于，所述导电模块为金属箔(2)，所述金属箔(2)的尺寸和几何形貌用于调控爆炸的范围和冲击波的强弱。

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