CN113020773A - 基于磁脉冲的多层板料复合成形焊接加工方法 - Google Patents

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崔旭华
冒文杰
胡志力
吴孟武
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Abstract

本发明涉及一种基于磁脉冲的多层板料复合成形焊接加工方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、取两块或多块平板待加工板料，分别将其置于模具平台上；S2、按照预先设定好的柔性线圈运动轨迹路线，对两块或多块加工板料进行电磁渐进复合成形焊接，电磁渐进复合成形焊接的过程中通过调节放电回路中电容值及放电电压的大小实现电磁渐进成形与电磁脉冲焊接的耦合，最终实现两块或多块平板待加工板料的一体成形与冶金结合；S3、重复迭代进行上述步骤S2，直至满足加工板料形状精度要求以及力学性能要求。本发明通过将电磁渐进成形与电磁脉冲焊接融合在一起，从而实现了异种金属板料复合成形的同时完成冶金结合。

Description

基于磁脉冲的多层板料复合成形焊接加工方法
技术领域
本发明涉及金属成形与焊接技术领域，更具体地说，涉及一种基于磁脉冲的多层板料复合成形焊接加工方法。
背景技术
随着科学技术的发展，现有的制造工艺方案逐渐步入瓶颈，新兴制造工艺技术亟需挖掘。随着节能环保的大力提出，汽车轻量化逐渐成为新能源汽车制造领域的热点话题。以轻质合金为代表的新兴材料逐渐取代传统钢材，越来越多地运用到车身及相关零部件的制造中，异种板料的复合成形连接逐渐成为研究热点。另外在航空航天领域中，由于部分气液体存储的特殊性，对气液体储存箱的材料及制造也提出更高要求，复合板料成形逐渐运用到特殊性气液体储存箱的制造中。受现有制造工艺技术的制约，一方面诸如铝合金等高强轻质合金，由于室温成形性较差，易产生回弹、起皱等缺陷，导致材料的加工精度无法达到使用要求。另一方面，为更好地优化金属材料的使用，多种金属材料复合连接一体化逐渐开始得到关注，但由于异种金属间的导热率、热膨胀系数等相关物理性能相差较大，现有加工工艺方法难以实现。
而现有技术背景中，针对多层板料的复合成形连接，通常是按成形与连接两大加工工序先后完成。基于此，本发明提出一种基于磁脉冲的多层板料复合成形焊接加工方法，利用脉冲电磁力的作用完成多层板料间的成形，同时实现冶金结合。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，提供一种基于磁脉冲的多层板料复合成形焊接加工方法，利用脉冲电磁力的作用完成多层板料间的成形同时实现冶金结合。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种基于磁脉冲的多层板料复合成形焊接加工方法，包括以下步骤：
S1、取两块或多块平板待加工板料，分别将其置于模具平台上，并利用锁模系统将其固定，两板料间留有空隙；模具平台上方设有柔性成形线圈；
S2、按照预先设定好的柔性线圈运动轨迹路线，对两块或多块加工板料进行电磁渐进复合成形焊接，电磁渐进复合成形焊接的过程中通过调节放电回路中电容值及放电电压的大小实现电磁渐进成形与电磁脉冲焊接的耦合，即成形的同时完成焊接，最终实现两块或多块平板待加工板料的一体成形与冶金结合；
S3、重复迭代进行上述步骤S2，直至满足加工板料形状精度要求以及力学性能要求。
上述方案中，所述待加工板料为铝合金、镁合金、铜合金、钛合金或钢。
上述方案中，所述步骤S1之前还包括步骤S0、对所述待加工板料预冲压成形10％-30％。
上述方案中，所述柔性成形线圈内嵌于环氧树脂端头，所述环氧树脂端头与可旋转移动的支架连接。
上述方案中，所述柔性成形线圈与集磁器之间填充绝缘材料，组合成一体。
上述方案中，当放电电流的脉冲频率为8×103-5×104Hz时，配合6kV以上放电电压，在实现电磁成形的同时完成电磁焊接。
上述方案中，所述的电磁渐进成形与电磁脉冲焊接之间的切换，依靠外接集磁器来实现磁能的聚集以及磁场的放大，集磁器布置于跑道形柔性线圈下方。
上述方案中，在进行电磁渐进成形前，应通过锁模系统装置对待加工板料的位置进行调节，且保证各板料间留有空隙。
上述方案中，在进行电磁渐进成形前，应对集磁器的位置进行调节，保证集磁器与待加工板料处于准接触状态。
本发明原理如下：
利用脉冲电磁力的高速冲击作用可以完成电磁脉冲成形，作为先进的高速率塑性成形方法，电磁成形技术利用内嵌于冲头的成形线圈放电形成脉冲强洛伦兹力高速冲击待成形板料，利用电磁体积力所产生的应力波效应，能够有效抑制板件的回弹，进而有效提升材料的成形极限。利用脉冲电磁力的高速冲击作用同样可以完成电磁脉冲焊接，通过引入集磁器实现磁能的聚集，使两块异种板料高速碰撞进而实现冶金结合，电磁脉冲焊接属于固态焊接技术，其生产效率高，自动化程度高，成形效果好，且无需热处理，焊接接头的力学性能一定程度优于较弱的母材。
实施本发明的基于磁脉冲的多层板料复合成形焊接加工方法，具有以下有益效果：
1、本发明通过将电磁渐进成形与电磁脉冲焊接融合在一起，从而实现了异种金属板料复合成形的同时完成冶金结合。其一方面能兼顾部分难成形金属板料如高强轻质合金的成形精度，另一方面通过电磁脉冲焊接工艺又能保证异种板料复合后的相关使用性能。电磁渐进成形与电磁脉冲焊接同时进行，由于磁脉冲属于高速率加工成形技术，本质是一种高速碰撞引起的剧烈塑性变形，其焊缝受力均匀，虽然成形焊接耦合加工过程中，板料的温度会急剧上升，但各部位温度分布均匀，因此无残余应力产生，故无需热处理，从加工工序上实现了简化。
2、通过本发明方法，在复合成形焊接的过程中，全程无机械接触，焊接时间短，无需后续热处理，大大提高工作效率，且所完成的复合板料精度可靠，使用性能优良。
3、本加工方法适用范围广泛，适用于同种或异种金属或合金间的冶金结合，上层待加工板料材料包括但不限于铝合金、镁合金、铜合金，下层待加工板料材料包括但不限于铝合金、镁合金、铜合金、钛合金、钢等；上层板料厚度1-2mm，下层板料厚度1-3mm。
4、该加工方法适用但不局限于两层板料间的复合，多层板料按照上述工艺方法亦可实现。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是复合成形焊接实施例一示意图；
图2是复合成形焊接实施例二示意图；
图3是跑道形柔性线圈绕制示意图。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。
实施例1
如图1所示，取两块平板待加工板料，分别将其置于模具平台上，并利用锁模系统将其固定，其中待加工板料1(飞板)在上，待加工板料2在下，特别地，两板料间留有1.2-3.0mm空隙，使待加工板料1(飞板)可以飞速撞向待加工板料2，从而实现电磁焊接。移动带有集磁器的柔性成形线圈，使其位于与待成形板料1准接触位置。所述柔性成形线圈为跑道形绕制，线圈匝数依据待成形板料成形及焊接需求而定，跑道形柔性线圈绕制示意图如附图3所示，该线圈内嵌于环氧树脂端头内，另利用一个可旋转移动的支架连接环氧树脂端头进行操控。
工艺参数的选择及调整方法如下：依据电流频率计算公式
Figure BDA0002991782080000041
L为等效电感值，C为等效回路的电容值，调整电容值C可实现放电电流频率的调节；进一步，参照放电能量计算公式
Figure BDA0002991782080000042
U为放电电压。当电容值C确定后，调整放电电压U可以实现对放电能量的控制，进而确定脉冲电磁力的大小和飞板的碰撞速度。当放电电流的脉冲频率为8×103-5×104Hz时，配合6kV以上放电电压，高的放电频率伴随极大的脉冲电磁力，不仅可以实现板料间的焊接，亦可同时实现板料的成形。基于此，按照预先设定好的柔性线圈运动轨迹路线，对待成形板料进行电磁渐进复合成形焊接，调节放电电压及电容值的大小，重复迭代进行上述操作，直至满足加工板料形状精度要求以及相关力学性能要求。
实施例2
对于难成形板料，仅靠脉冲电磁力无法完成板料的精确成形，在此情况下，需对其中难成形板料进行预冲压处理，如图2所示，取两块待加工板料，其中待加工板料(飞板)1为平板，待加工板料2为一难成形板料，首先对待加工板料2进行预冲压10％-30％，将预冲压成形后的待加工板料2置于下方，待加工板(飞板)1置于上方，特别地，两板料间留有1.2-3.0mm空隙，利用锁模系统将其固定。移动带有集磁器的柔性成形线圈，使其位于与待加工板料(飞板)1准接触位置。
工艺参数的选择及调整方法如下：依据电流频率计算公式
Figure BDA0002991782080000051
L为等效电感值，C为等效回路的电容值，调整电容值C可实现放电电流频率的调节；进一步，参照放电能量计算公式
Figure BDA0002991782080000052
U为放电电压。当电容值C确定后，调整放电电压U可以实现对放电能量的控制，进而确定脉冲电磁力的大小和飞板的碰撞速度。当放电电流的脉冲频率为8×103-5×104Hz时，配合6kV以上放电电压，高的放电频率伴随极大的脉冲电磁力，不仅可以实现板料间的焊接，亦可同时实现板料的成形。基于此，按照预先设定好的柔性线圈运动轨迹路线，对待成形板料进行电磁渐进复合成形焊接，调节放电电压及电容值的大小，重复迭代进行上述操作(包括再次冲压)，直至满足加工板料形状精度要求以及相关力学性能要求。
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (7)

1.一种基于磁脉冲的多层板料复合成形焊接加工方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、取两块或多块平板待加工板料，分别将其置于模具平台上，并利用锁模系统将其固定，两板料间留有空隙；模具平台上方设有柔性成形线圈；
S2、按照预先设定好的柔性线圈运动轨迹路线，对两块或多块加工板料进行电磁渐进复合成形焊接，电磁渐进复合成形焊接的过程中通过调节放电回路中电容值及放电电压的大小实现电磁渐进成形与电磁脉冲焊接的耦合，最终实现两块或多块平板待加工板料的一体成形与冶金结合；
S3、重复迭代进行上述步骤S2，直至满足加工板料形状精度要求以及力学性能要求。
2.根据权利要求1所述的基于磁脉冲的多层板料复合成形焊接加工方法，其特征在于，所述待加工板料为铝合金、镁合金、铜合金、钛合金或钢。
3.根据权利要求1所述的基于磁脉冲的多层板料复合成形焊接加工方法，其特征在于，所述步骤S1之前还包括步骤S0、对所述待加工板料预冲压成形10％-30％。
4.根据权利要求1所述的基于磁脉冲的多层板料复合成形焊接加工方法，其特征在于，所述柔性成形线圈内嵌于环氧树脂端头，所述环氧树脂端头与可旋转移动的支架连接。
5.根据权利要求1所述的基于磁脉冲的多层板料复合成形焊接加工方法，其特征在于，所述柔性成形线圈与集磁器之间填充绝缘材料，组合成一体。
6.根据权利要求1所述的基于磁脉冲的多层板料复合成形焊接加工方法，其特征在于，当放电电流的脉冲频率为8×103-5×104Hz时，配合6kV以上放电电压，在实现电磁成形的同时完成电磁焊接。
7.根据权利要求1所述的基于磁脉冲的多层板料复合成形焊接加工方法，其特征在于，上层待加工板料厚度为1-2mm，下层待加工板料厚度为1-3mm。
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