CN113102858A

CN113102858A - 管件磁脉冲焊接装置及利用其进行管件焊接的方法

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Publication number: CN113102858A
Application number: CN202010031699.3A
Authority: CN
Inventors: 胡建华; 王跃申; 黄尚宇; 杨凌志; 杨正; 余章钦
Original assignee: Wuhan University of Technology WUT
Current assignee: Wuhan University of Technology WUT
Priority date: 2020-01-13
Filing date: 2020-01-13
Publication date: 2021-07-13
Anticipated expiration: 2040-01-13
Also published as: CN113102858B

Abstract

本发明提供一种管件磁脉冲焊接装置，包括机架，上定位固定板，下定位固定板，进给装置，电磁成形装置，感应加热线圈。本发明通过进给装置便利地实现待焊接管件的轴向运动，继而实现管件间的搭接、搭接部位的加热；利用该装置的管件焊接方法，通过两次放电完成焊接。

Description

管件磁脉冲焊接装置及利用其进行管件焊接的方法

技术领域

本发明属于金属磁脉冲成型加工技术领域，具体涉及管件磁脉冲焊接装置及利用其进行管件焊接的方法。

背景技术

铝及铝合金以其密度小、比强度高、加工性能好、导热快等优点在汽车与空调等设备中得到了广泛应用，使用量仅次于钢，产量占整个有色金属的1/3以上，但在碱性环境下易于被腐蚀，并且熔点和强度相对较低；而钢是最常用的黑色金属，有很好的耐蚀性、较高的熔点和强度。由铝及铝合金与钢焊接构成的异种结构具有优良的导电、导热及耐蚀等性能，并且在实现产品轻量化、节约材料、合理利用资源，降低能源消耗方面起到重要的作用，具有良好的经济效益，因此两者的复合材料有着广泛的应用前景。

铝/钢组合构件具有轻质、高强的优点，在航空航天、船舶、汽车制造等领域正日益受到广泛的关注，显示出良好的应用前景。然而，由于铝与钢的物化性能悬殊，属于“冶金学上的不相容”异种金属材料，铝与钢直接熔焊很困难，焊接质量也难以保证，两者的连接问题成为限制铝/钢异种金属组合构件实用化进程的技术瓶颈。

无论是钎焊还是熔钎焊，铝/钢异种金属的连接依赖于液态铝(母材或钎料)对固态钢的润湿铺展，而母材表面存在的氧化膜会严重影响钎料在母材表面的润湿铺展，从而影响钎料与母材的扩散连接，影响焊接质量；而界面处形成的Fe-Al金属间化合物也是制约接头力学性能的关键因素。

为了解决钎料的润湿铺展、以及抑制金属间化合物产生等问题，近几十年来做了大量的相关研究，采用①采用钎剂，化学去除表面的氧化膜；②采用物理方法去除氧化膜，包括超声波振动、切削方法；③采用过渡层，在母材的表面镀层金属(如Ni、Zn等)，改善钎料对原母材的润湿性；

磁脉冲焊接属于固相焊接技术，有在许多优良的特性。例如，微秒级焊接、常温焊接、无热影响区、焊接接头强度高、生产效率高、易于控制，适用于批量生产、环保节能等。鉴于此，本发明利用磁脉冲成形与钎焊相结合的优点，提出了一种磁脉冲辅助无钎剂钎焊的异种金属管焊接新方法。与常规钎焊方法相比，最大的区别在于钎焊材料在焊接时被加热到固液共存的半固态状态。这种半固态焊料所具有的一些独特的结构特性，如：钎料中的固相组织分布在液相组织中，在其受到外界的压应力作用时，会产生径向压缩和轴向剪切变形行为，这种复合运动会对工件表面氧化膜具有去除效果。同时由于液相组分的存在，钎料具有良好的扩散性和流动性能，可以充分润湿母材并进行扩散。磁脉冲辅助无钎剂钎焊正是利用半固态钎料的这些独特结构特性，在去除母材表面的氧化膜的同时，也能实现良好的焊接效果，因此是一种较为良好的成形连接工艺。

普通碳钢的导热系数为45W/m.K,不锈钢的导热系数仅为16W/m.K。铜的导热系数为377W/m.K，铝的导热系数230W/m.K，若采用感应加热线圈加热成形部位上端，通过由上向下传热的方式，则因为钢的导热系数差，当加热部分的温度达到上千度时，下端成形部位的温度仍然很低，因此难以采用扩散传热的方法来加热钢管等导热差的金属。

Zn-Al系钎料可以用于钢铝钎焊。Zn能够有效的抑制Fe与Al之间产生脆性的金属间化合物，提高焊接接头的强度；Zn-Al合金具有良好的力学性能和耐腐蚀性能，能获得质量良好的钎焊接头。Zn-Al钎料熔点较低属于软钎焊符合半固态钎焊的工艺要求；此外，Zn-Al系钎料在其过共晶温度会形成半固态固溶体，其中α-Al为球状，在电磁力的作用下，半固态钎料球状的α-Al会对内管外管挤压击碎管件表面氧化膜，在半固态的钎料的流动冲刷作用下去除管件的氧化膜，实现无钎剂钎焊的焊接，因此，采用Zn-Al系钎料作为钢铝管钎焊的钎料。

综上所述，铝/钢组合构件具有轻质、高强的优点，电磁成形结合半固态技术可以实现钢铝管的无钎剂钎焊连接，具有良好的应用前景。

发明内容

针对现有技术中心存在的问题，本发明提供了一种管件磁脉冲焊接装置。

本发明采用的技术方案为：

一种管件磁脉冲焊接装置，包括机架100，其特征在于，还包括：

上定位固定板200，其水平地固定设置在所述机架100上，在上定位固定板200上设置有螺纹通孔和导向通孔；

下定位固定板300，其水平地固定设置在所述机架100上并位于所述上定位固定板200正下方，下定位固定板300的顶面中央设置有下三爪卡盘310；

进给装置400，其包括水平的进给板410、竖直的进给丝杆420和导向杆430；所述进给板410位于所述上定位固定板200和下定位固定板300之间，进给板410的底面中央设置有上三爪卡盘411；所述进给丝杆420螺纹连接在所述螺纹通孔中，进给丝杆420的下端可转动地连接所述进给板410且与所述进给板410轴向相对固定；所述导向杆430滑动连接在所述导向通孔中，导向杆430的下端与所述进给板410固定连接；

电磁成形装置，其包括电磁成形线圈510和设在所述电磁成形线圈510中的集磁器520，所述电磁成形线圈510设置在所述进给板410和下定位固定板430之间；

感应加热线圈600，其设置在所述上定位固定板200和所述电磁成形线圈510之间；

所述上三爪卡盘411、感应加热线圈600、集磁器520、下三爪卡盘310同轴设置。

进一步，所述机架100上还设置有位于上定位固定板200和下定位固定板300之间的的中定位固定板700，所述中定位固定板700上设置有贯穿通孔，中定位固定板700上、所述贯穿通孔处固定设置所述电磁成形线圈510。

进一步，所述进给板410在顶面通过滚珠轴承412与所述进给丝杆连接，所述进给板410顶面开设有容置腔；所述滚珠轴承412设置在所述容置腔内，滚珠轴承412的外侧壁固定设置在容置腔内，其内侧壁固定连接所述进给丝杆420的下端。

再进一步，所述进给板410上、容置腔处固定设置有法兰盘413。

进一步，所述进给丝杆420的上端设有摇动手柄421。

利用所述管件磁脉冲焊接装置进行管件焊接的方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤(1)：将金属管件A和金属管件B表面进行打磨后，用酒精清洗，吹干，备用；

步骤(2)：以所述金属管件A作为内管，将其安装在所述上三爪卡盘411中；以所述金属管件B作为外管，将其安装在所述下三爪卡盘310中，金属管件B的上端伸入所述集磁器520中；

步骤(3)：在所述金属管件A的下端外表面缠绕带状的钎料箔片后，转动所述进给丝杆420，所述金属管件A向下移动至其下端携带着所述钎料箔片伸入所述金属管件B的上端中进行搭接；

步骤(4)：启动所述电磁成形装置进行第一次充放电，放电时金属管件B在电磁力的作用下发生缩径变形，使得钎料箔片与金属管件A和金属管件B三者紧紧的贴合在一起，形成机械连接；

步骤(5)：打开所述下三爪卡盘310，回转进给丝杆420，使得搭接位置向上移动进入感应加热线圈600中，接通感应加热线圈600，进行感应加热，加热至钎料箔片固液相线之间指定温度后，保温；保温完毕，钎料箔片被加热呈固液共存态；

步骤(6)：保温完毕后，转动所述进给丝杆420，使得所述搭接位置向下移动再次进入集磁器520中，金属管件B的下端则进入所述下三爪卡盘310中并固定好；

步骤(7)：再次启动所述电磁成形装置进行第二次充放电，放电完成，冷却后形成焊接接头。

进一步，所述钎料箔片厚度为0.5mm～1mm。

进一步，所述金属管件A为钢管，金属管件B为铝管。

再进一步，步骤(4)中，充电电压为3000V～5000V，放电电容为110μF～550μF。

再进一步，步骤(7)中，充电电压为5000V～10000V，放电电容为110μF～550μF。

再进一步，步骤(5)中，感应加热线圈600与金属管件A外壁的间隙为2～5mm，感应加热的指定温度为360℃～480℃，保温时间为5s～10s。

本发明可带来的有益效果有：

1.本发明装置及方法结合电磁成形及感应加热的优势，在进行钢管和铝管的焊接时，使得钢铝管加热至指定温度的时间较短且具有保温功能，同时基于电磁成形的高速率、成形时间极短等特点，降低了钢与铝结合时的界面反应，有效的抑制了界面脆性相的生成从而提高了接头的性能。

2.本装置采用集磁器，并非直接采用线圈放电。集磁器是磁脉冲焊接系统的重要组成部分，它在焊接过程中可以提高能量的利用率，并代替线圈承受大部分的磁场力降低线圈的损耗。

3.本发明在采用滚珠丝杠的机构实现了管件的上下移动，方便通过进给丝杠的转动实现管件的上下移动，方便对接头部位进行加热。

4.本方案进行了两次放电，第一次放电作用在于实现机械连接，使得钎料箔片与内外管件三者紧密结合；第二次放电利用电磁力挤压半固态钎料，对焊接表面产生强烈的剪切流动和冲刷作用，去除金属表面的氧化膜，实现冶金结合。若只进行一次放电焊接，即没有本方案的第一次放电过程，只在感应加热后进行一次放电，则由于管件与钎料箔片之间存在间隙，加热过程中，钎料箔片与管件存在明显的温度差，外管的温度的较低，在之后的放电成形中半固态的钎料接触到温度较低的外管迅速凝固，无法实现去膜过程。

5.本发明所述的钎焊方法将钢管与铝管连接到一起，满足了材料轻量化、降低成本、节约能源的环保发展要求，在航空航天、汽车等领域的管道连接具有广阔的应用前景。

附图说明

图1为管件磁脉冲焊接装置的示意图；

图2为电磁成形线圈和集磁器的示意图；

图3为电磁成型装置的原理图；

图4为进给丝杆部分的示意图。

附图标记：100-机架；200-上定位固定板；300-下定位固定板；400-进给装置；310-下三爪卡盘；410-进给板；411-上三爪卡盘；412-滚珠轴承；413-法兰盘；420-进给丝杆；421-摇动手柄；430-导向杆；510-电磁成形线圈；520-集磁器；600-感应加热线圈；700-中定位固定板；A-金属管件A；B-金属管件B。

具体实施方式

如图1所示，一种管件磁脉冲焊接装置，包括机架，还包括：

本装置通过进给装置，通过进给丝杆420的转动或回转，实现安装在上三爪卡盘411上的金属管件的上下移动，从而可方便地实现：①待焊接金属管件的搭接；②焊接位置的感应加热处理。进而方便地实现本发明中进行管件焊接的方法。

图2示意了电磁成型装置的原理图。电磁成型装置的主回路主要由充电回路和放电回路组成。充电回路主要包括升压变压器、整流器、充电电阻、及电容器；放电回路包括电容器、辅助开关及工作线圈；其中电容器为充电回路和放电回路所共有。

来自网路的交流电经升压变压器变为高压交流电，再经过整流器变为高压直流电并向电容器充电。当电容器充电电压达到预定值时，导通辅助开关，强大磁脉冲电流通过电磁成形线圈瞬时释放，使得外管表面产生感应电流。外管在电磁力的作用下发生缩颈变形与内管撞击实现外管-内管磁脉冲连接。

进一步，所述机架100上还设置有位于上定位固定板200和下定位固定板300之间的的中定位固定板700，所述中定位固定板700上设置有贯穿通孔，中定位固定板700上、所述贯穿通孔处固定设置所述电磁成形线圈510。中定位固定板主要用于安装电磁成形线圈，为了使金属管件B外管可以伸入集磁器内，同时需在中定位固定板上设置贯穿通孔。

进一步，所述进给板410在顶面通过滚珠轴承412与所述进给丝杆连接，所述进给板410顶面开设有容置腔；所述滚珠轴承412设置在所述容置腔内，滚珠轴承412的外侧壁固定设置在容置腔内，其内侧壁固定连接所述进给丝杆420的下端。滚珠轴承412的使用，一方面实现进给丝杆420的下端可转动地连接所述进给板410，另一方面也使得进给丝杆420与所述进给板410轴向相对固定。

再进一步，所述进给板410上、容置腔处固定设置有法兰盘413。法兰盘413将滚珠轴承412封在容置腔内，起到保护作用。

进一步，所述进给丝杆420的上端设有摇动手柄421。摇动手柄421可以方面进给丝杆420的转动。

步骤(1)：将金属管件A和金属管件B表面进行打磨后，用酒精清洗，吹干，备用；其中金属管件A为钢管，金属管件B为铝管；

步骤(2)：以所述金属管件A作为内管，将其安装在所述上三爪卡盘411中；以所述金属管件B作为外管，将其安装在所述下三爪卡盘210中，金属管件B的上端伸入所述集磁器520中；所述钎料箔片厚度为0.5mm～1mm；

步骤(4)：启动所述电磁成形装置进行第一次充放电，放电时金属管件B在电磁力的作用下发生缩径变形，使得钎料箔片与金属管件A和金属管件B三者紧紧的贴合在一起，形成机械连接；充电电压为3000V～5000V，放电电容为110μF～550μF；

步骤(5)：打开所述下三爪卡盘210，回转进给丝杆420，使得搭接位置向上移动进入感应加热线圈600中，接通感应加热线圈600，进行感应加热，加热至钎料箔片固液相线之间指定温度后，保温；感应加热线圈600与金属管件A外壁的间隙为2～5mm，感应加热的指定温度为360℃～480℃，保温时间为5s～10s；保温完毕，钎料箔片被加热呈固液共存态；

步骤(6)：保温完毕后，转动所述进给丝杆420，使得所述搭接位置向下移动再次进入集磁器520中，金属管件B的下端则进入所述下三爪卡盘210中并固定好；

步骤(7)：再次启动所述电磁成形装置进行第二次充放电，进行焊接，冷却后形成焊接接头；充电电压为5000V～10000V，放电电容为110μF～550μF。

Claims

1.一种管件磁脉冲焊接装置，包括机架(100)，其特征在于，还包括：

上定位固定板(200)，其水平地固定设置在所述机架(100)上，在上定位固定板(200)上设置有螺纹通孔和导向通孔；

下定位固定板(300)，其水平地固定设置在所述机架(100)上并位于所述上定位固定板(200)正下方，下定位固定板(300)的顶面中央设置有下三爪卡盘(310)；

进给装置(400)，其包括水平的进给板(410)、竖直的进给丝杆(420)和导向杆(430)；所述进给板(410)位于所述上定位固定板(200)和下定位固定板(300)之间，进给板(410)的底面中央设置有上三爪卡盘(411)；所述进给丝杆(420)螺纹连接在所述螺纹通孔中，进给丝杆(420)的下端可转动地连接所述进给板(410)且与所述进给板(410)轴向相对固定；所述导向杆(430)滑动连接在所述导向通孔中，导向杆(430)的下端与所述进给板(410)固定连接；

电磁成形装置，其包括电磁成形线圈(510)和设在所述电磁成形线圈(510)中的集磁器(520)，所述电磁成形线圈(510)设置在所述进给板(410)和下定位固定板(430)之间；

感应加热线圈(600)，其设置在所述上定位固定板(200)和所述电磁成形线圈(510)之间；

所述上三爪卡盘(411)、感应加热线圈(600)、集磁器(520)、下三爪卡盘(310)同轴设置。

2.根据权利要求1所述的管件磁脉冲焊接装置，其特征在于，所述机架(100)上还设置有位于上定位固定板(200)和下定位固定板(300)之间的的中定位固定板(700)，所述中定位固定板(700)上设置有贯穿通孔，中定位固定板(700)上、所述贯穿通孔处固定设置所述电磁成形线圈(510)。

3.根据权利要求1所述的管件磁脉冲焊接装置，其特征在于，所述进给板(410)在顶面通过滚珠轴承(412)与所述进给丝杆连接，所述进给板(410)顶面开设有容置腔；所述滚珠轴承(412)设置在所述容置腔内，滚珠轴承(412)的外侧壁固定设置在容置腔内，其内侧壁固定连接所述进给丝杆(420)的下端。

4.根据权利要求3所述的管件磁脉冲焊接装置，其特征在于，所述进给板(410)上、容置腔处固定设置有法兰盘(413)。

5.利用权利要求1至4中任意一项所述管件磁脉冲焊接装置进行管件焊接的方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤(2)：以所述金属管件A作为内管，将其安装在所述上三爪卡盘(411)中；以所述金属管件B作为外管，将其安装在所述下三爪卡盘(310)中，金属管件B的上端伸入所述集磁器(520)中；

步骤(3)：在所述金属管件A的下端外表面缠绕带状的钎料箔片后，转动所述进给丝杆(420)，所述金属管件A向下移动至其下端携带着所述钎料箔片伸入所述金属管件B的上端中进行搭接；

步骤(5)：打开所述下三爪卡盘(310)，回转进给丝杆(420)，使得搭接位置向上移动进入感应加热线圈(600)中，接通感应加热线圈(600)，进行感应加热，加热至钎料箔片固液相线之间指定温度后，保温；保温完毕，钎料箔片被加热呈固液共存态；

步骤(6)：保温完毕后，转动所述进给丝杆(420)，使得所述搭接位置向下移动再次进入集磁器(520)中，金属管件B的下端则进入所述下三爪卡盘(310)中并固定好；

6.根据权利要求5所述的管件磁脉冲焊接装置，其特征在于，所述钎料箔片厚度为0.5mm～1mm。

7.根据权利要求5所述的管件磁脉冲焊接装置，其特征在于，所述金属管件A为钢管，金属管件B为铝管。

8.根据权利要求7所述的管件磁脉冲焊接装置，其特征在于，步骤(4)中，充电电压为3000V～5000V，放电电容为110μF～550μF。

9.根据权利要求7所述的管件磁脉冲焊接装置，其特征在于，步骤(7)中，充电电压为5000V～10000V，放电电容为110μF～550μF。

10.根据权利要求7所述的管件磁脉冲焊接装置，其特征在于，步骤(5)中，感应加热线圈(600)与金属管件A外壁的间隙为2～5mm，感应加热的指定温度为360℃～480℃，保温时间为5s～10s。