CN116021139A - 基于跑道型线圈的板件磁脉冲焊接装置及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于跑道型线圈的板件磁脉冲焊接装置及其工作方法，该装置包括磁脉冲焊接工装和放电控制系统，磁脉冲焊接工装包括上、下基板以及线圈组件、集磁器组件和滑动底座组件；线圈组件包括跑道型线圈、线圈骨架和线圈固定环，线圈骨架安装于上基板下侧，线圈绕设于线圈骨架下侧，线圈固定环设于线圈外侧；集磁器组件包括集磁器和用于嵌设集磁器的集磁器底座；滑动底座组件包括滑动底座、导轨和加工组件，导轨固定于下基板上，滑动底座安装于导轨上，加工组件设于滑动底座上，加工组件包括飞板固定板、飞板、夹板和固定板；线圈的接线端与放电控制系统电连接。该装置能量利用率高，结构稳固，使用可靠，提高了电磁脉冲焊接质量。

Description

基于跑道型线圈的板件磁脉冲焊接装置及其工作方法

技术领域

本发明涉及电磁脉冲焊接技术领域，尤其涉及一种基于跑道型线圈的板件磁脉冲焊接装置及其工作方法。

背景技术

在现有技术中，新能源汽车一次充电的可行驶里程大致在400公里左右，且配套的充电基站以及相关设施并不完善。因此，新能源汽车想要全面替代燃油车还有很大阻力。为了提高新能源汽车的航程，汽车的轻量化，是实现这一目的的有效途径。在汽车的结构上，增加轻质材料的使用，能够有效地降低其重量。铝合金等材料由于具有比强度与比刚度高等特性，有利于高质量、低成本地实现轻量化零构件。

以镁、铝合金-碳钢为代表的异种焊接连接结构件在汽车上的应用越来越大。电磁脉冲焊接作为一种新型焊接方法，其焊接速度快，可控性好，能够克服轻质材料的焊接难点，实现异种材料的焊接。此外，电磁脉冲焊接过程，没有废气产生，是一种绿色高效的连接工艺。电磁脉冲焊能够焊接的零件尺寸较小，范围一般为数厘米，能够满足大部分汽车部件的连接要求。

现有平板磁脉冲焊接工艺采用圆盘状的多匝平板线圈以及单匝线圈，圆盘平板磁场强度的分布呈圆盘放射状立体分布。若需要成形矩形焊缝，会导致焊接区域所占磁场分布区域比例小，因而会产生较大的能量损耗，不利于焊接界面形成。现有的适用于板件焊接的单匝线圈在放电回路中阻抗较小，绝大部分能量消耗在放电回路的设备和导线上。此外，磁脉冲焊接工艺当中最重要的部件就是线圈，线圈的强度与寿命决定了可以产生的电磁斥力的大小和可持续工作时间，进一步决定了能加工的材料。因此，如何改进电磁脉冲焊接的线圈结构，使之更适合板件焊接，以提高焊接质量，对电磁脉冲焊接更好应用于板件的焊接生产尤为重要。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于跑道型线圈的板件磁脉冲焊接装置及其工作方法，该装置能量利用率高，结构稳固，使用可靠，提高了电磁脉冲焊接质量。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种基于跑道型线圈的板件磁脉冲焊接装置，包括磁脉冲焊接工装和放电控制系统，所述磁脉冲焊接工装包括上基板、下基板以及设于上、下基板之间的线圈组件、集磁器组件和滑动底座组件；所述线圈组件包括跑道型线圈、线圈骨架和线圈固定环，所述线圈骨架安装于上基板下侧，所述跑道型线圈绕设于线圈骨架下侧，所述线圈固定环设置于跑道型线圈外侧并固定于线圈骨架下侧；所述集磁器组件包括集磁器和集磁器底座，所述集磁器底座上开设有集磁器置入槽，所述集磁器嵌设于集磁器置入槽中，所述集磁器组件设置于线圈组件下侧，以将跑道型线圈产生的磁场集中于设定区域；所述滑动底座组件包括滑动底座、导轨和加工组件，所述导轨固定于下基板上，所述滑动底座安装于导轨上以沿导轨滑动，所述加工组件设置于滑动底座上，所述加工组件包括自上而下依次设置的飞板固定板、飞板、夹板和固定板，所述飞板固定板用于防止飞板发生位移，所述夹板用于控制焊接区域大小以及飞板与固定板间隙大小，所述滑动底座表面刻有直角坐标系并设置有定位销，用于飞板固定板和夹板定位；所述下基板上设置有多根立柱，所述集磁器底座穿过立柱并定位于滑动底座组件上，所述上基板固定于立柱上端；所述跑道型线圈的两接线端分别从线圈固定环和线圈骨架的旁侧引出并与放电控制系统电连接。

进一步地，所述跑道型线圈采用纯铜线缠绕形成，铜线表面包覆有绝缘薄膜；所述线圈骨架由酚醛塑料制成；所述跑道型线圈绕制在线圈骨架上，已缠绕的线圈最外层缠绕数圈浸透树脂的玻璃纤维丝带以进行加固，所述玻璃纤维丝带外侧设置线圈固定环并保证线圈固定环与玻璃纤维丝带之间无间隙。

进一步地，所述线圈骨架上设有多个线圈固定环定位销，所述线圈固定环穿过线圈固定环定位销定位于线圈骨架下侧；所述线圈骨架中部设有用于绕设跑道型线圈的线圈定位销，所述线圈骨架通过线圈骨架连接螺栓安装于上基板下侧。

进一步地，所述集磁器为上大下小的回转体，所述集磁器的横截面为跑道型，所述集磁器的上端面大于跑道型线圈，所述集磁器的竖向截面为直角梯形，所述集磁器的一侧沿竖向截面开设有侧缝；所述集磁器底座上的集磁器置入槽的形状大小与集磁器相适应。

进一步地，所述集磁器由纯铜制成，所述集磁器表面包覆有绝缘薄膜；所述集磁器底座由酚醛塑料制成。

进一步地，所述滑动底座为底部开设有与导轨相适应的导槽的长方体，所述滑动底座的上表面刻有具有横向和纵向坐标的直角坐标系，用于固定板的定位；所述滑动底座的上表面还设有定位销，所述飞板固定板和夹板穿过定位销以进行定位。

进一步地，所述立柱下端通过螺纹连接方式与下基板固定连接，所述立柱中段具有阶梯部，所述集磁器底座穿过立柱上段并定位于阶梯部上，所述立柱上端穿过上基板并通过垫片螺母锁紧。

进一步地，所述放电控制系统包括变压器、整流器、充电电阻、充电开关、电容器、放电电阻、放电开关和相关连接导线，所述变压器的原边与220V交流电连接，副边与整流器、充电电阻、电容器和充电开关串联，所述电容器的一端经放电开关、放电电阻连接线圈的一接线端，所述电容器的另一端连接线圈的另一接线端。

本发明还提供了上述基于跑道型线圈的板件磁脉冲焊接装置的工作方法，包括以下步骤：

步骤1：将飞板和固定板表面清洗干净；

步骤2：将固定板按照直角坐标系的刻度放置于滑动底座上，然后依次放置夹板、飞板和飞板固定板，再将滑动底座沿导轨推入到设定位置；

步骤3：放电控制系统为电容器充电，将电能储存在电容器中；然后，闭合放电开关，储存的电能在极短时间内通过放电回路产生一个脉冲电流，在线圈内产生一个强大的脉冲，使线圈形成一个变化的磁场，磁场在集磁器的作用下集中于飞板表面，根据电磁感应定律，在飞板中激发出感应涡流，线圈中的电流方向与飞板中的感应涡流方向相反，两者产生的磁场相互作用产生强大的电磁力，在磁场的排斥作用下驱动飞板向下发生塑性变形，与固定板相碰撞，实现冶金连接；

步骤4：放电完成后，关闭放电控制系统，将滑动底座移出，取下飞板固定板，取出夹板，即得到制件。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：提供了一种基于跑道型线圈的板件磁脉冲焊接装置及其工作方法，该装置通过新的线圈结构设计并增加集磁器，提高了线圈的能量利用率，并利用集磁器把线圈的能量集中到较小的范围，实现局部焊接，克服了单匝线圈电磁脉冲焊接工艺存在的能量利用率低、成形后焊缝强度低等问题；同时，线圈骨架和线圈固定环的设置，也增强了线圈的强度，使用稳定、可靠；此外，滑动底座组件的设计，使本装置对于焊接位置的调节、控制更加灵活，操作便捷。因此，本发明具有很强的实用性和广阔的应用前景。

附图说明

图1为本发明实施例的装置结构爆炸图；

图2为本发明实施例的装置整体结构示意图；

图3为本发明实施例中线圈组件的结构示意图；

图4为本发明实施例中集磁器组件的结构示意图；

图5为本发明实施例中滑动底座组件的结构示意图；

图6为本发明实施例中磁脉冲焊接工装与放电控制系统的连接示意图。

图中：1-上基板；2-集磁器底座；3-飞板固定板；4-飞板；5-定位销；6-滑动底座；7-下基板；8-导轨；9-导轨固定螺母；10-立柱；11-固定板；12-夹板；13-集磁器；14-垫片；15-弹簧垫片；16-上基板固定螺母；17-线圈固定环定位销；18-线圈定位销；19-线圈固定环；20-线圈骨架；21-跑道型线圈；22-线圈骨架连接螺栓；31-变压器；32-整流器；33-充电电阻；34-放电开关；35-放电电阻；36-电容器；37-充电开关。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

如图1、2所示，本实施例提供了一种基于跑道型线圈的板件磁脉冲焊接装置，包括磁脉冲焊接工装和放电控制系统，所述磁脉冲焊接工装包括上基板1、下基板7以及设于上、下基板之间的线圈组件、集磁器组件和滑动底座组件。如图3所示，所述线圈组件包括跑道型线圈21、线圈骨架20和线圈固定环19，所述线圈骨架20安装于上基板1下侧，所述跑道型线圈21绕设于线圈骨架20下侧，所述线圈固定环19设置于跑道型线圈21外侧并固定于线圈骨架20下侧。如图4所示，所述集磁器组件包括集磁器13和集磁器底座2，所述集磁器底座2上开设有集磁器置入槽，所述集磁器13嵌设于集磁器置入槽中，所述集磁器组件设置于线圈组件下侧，以将跑道型线圈产生的磁场集中于设定区域。如图5所示，所述滑动底座组件包括滑动底座6、导轨8和加工组件，所述导轨8通过导轨固定螺母9固定于下基板7上，所述滑动底座6安装于导轨8上以沿导轨滑动，所述加工组件设置于滑动底座6上，所述加工组件包括自上而下依次设置的飞板固定板3、飞板4、夹板12和固定板11，所述飞板固定板3用于防止飞板4发生位移，所述夹板12用于控制焊接区域大小以及飞板与固定板间隙大小，所述滑动底座6表面刻有直角坐标系并设置有定位销，用于飞板固定板和夹板定位；所述下基板7上设置有多根立柱10，所述集磁器底座2穿过立柱10并定位于滑动底座组件上，所述上基板1固定于立柱10上端。所述跑道型线圈的两接线端分别从线圈固定环和线圈骨架的旁侧引出并与放电控制系统电连接。

在本实施例中，所述跑道型线圈21采用纯铜线缠绕形成，铜线表面包覆有绝缘薄膜。所述线圈骨架20由酚醛塑料制成。所述跑道型线圈21绕制在线圈骨架20上，已缠绕的线圈最外层缠绕数圈浸透树脂的玻璃纤维丝带以进行加固，所述玻璃纤维丝带外侧设置线圈固定环19并保证线圈固定环与玻璃纤维丝带之间无间隙，从而得到具有比较好强度的线圈。

如图3所示，所述线圈骨架20上设有多个线圈固定环定位销17，所述线圈固定环19穿过线圈固定环定位销17定位于线圈骨架20下侧。所述线圈骨架20中部设有用于绕设跑道型线圈21的线圈定位销18，所述线圈骨架20通过线圈骨架连接螺栓22安装于上基板1下侧。

如图4所示，所述集磁器13为上大下小的回转体，所述集磁器13的横截面为跑道型，所述集磁器13的上端面大于跑道型线圈21，所述集磁器13的竖向截面为直角梯形，所述集磁器13的一侧沿竖向截面开设有1mm宽的侧缝。所述集磁器底座2上的集磁器置入槽的形状大小与集磁器13相适应，并置入集磁器13。

在本实施例中，所述集磁器13由纯铜制成，所述集磁器13表面包覆有绝缘薄膜，包括侧缝处。所述集磁器底座2由酚醛塑料制成。

如图5所示，所述滑动底座6为底部开设有与导轨相适应的导槽的长方体，所述滑动底座6的上表面刻有具有横向和纵向坐标的直角坐标系，用于固定板的定位；所述滑动底座6的上表面还设有定位销5，所述飞板固定板3和夹板12穿过定位销5以进行定位。在本实施例中，滑动底座采用45钢制成。

在本实施例中，所述立柱10下端通过螺纹连接方式与下基板7固定连接，所述立柱10中段具有阶梯部，所述集磁器底座2穿过立柱10上段并定位于阶梯部上，所述立柱10上端穿过上基板1并通过垫片14、弹簧垫片15和上基板固定螺母16锁紧。通过立柱将上基板1与下基板7相连接，用于抵抗工作时产生的向上的反作用力。

在本实施例中，所述飞板4采用高导电率材料制成，飞板4与固定板11之间具有间隙，通过夹板12来控制间隙的大小。同时，也可以通过在立柱10的阶梯部上增加相应厚度的垫片来改变集磁器13与飞板4之间的间隙。

如图6所示，所述电源系统包括变压器31、整流器32、充电电阻33、放电开关34、电容器36、放电电阻35、充电开关37和相关连接导线，所述变压器的原边与220V交流电连接，副边与整流器、充电电阻、电容器和充电开关串联，所述电容器的一端经放电开关、放电电阻连接线圈的一接线端，所述电容器的另一端连接线圈的另一接线端。

本实施例还提供了上述基于跑道型线圈的板件磁脉冲焊接装置的工作方法，包括以下步骤：

步骤1：将飞板和固定板表面用酒精清洗干净。

步骤2：将固定板按照直角坐标系的刻度放置于滑动底座上，然后依次放置夹板、飞板和飞板固定板，再将滑动底座沿导轨推入到设定位置，即让集磁器正对要焊接的位置。

步骤3：放电控制系统为电容器充电，将电能储存在电容器中；然后，闭合放电开关，储存的电能在极短时间内通过放电回路产生一个脉冲电流，在线圈内产生一个强大的脉冲，使线圈形成一个变化的磁场，磁场在集磁器的作用下集中于飞板表面，根据电磁感应定律，在飞板中激发出感应涡流，线圈中的电流方向与飞板中的感应涡流方向相反，两者产生的磁场相互作用产生强大的电磁力，在磁场的排斥作用下驱动飞板向下发生塑性变形，与固定板相碰撞，实现冶金连接。

步骤4：放电完成后，关闭放电控制系统，将滑动底座移出，取下飞板固定板，取出夹板，即得到制件。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (9)

1.一种基于跑道型线圈的板件磁脉冲焊接装置，其特征在于，包括磁脉冲焊接工装和放电控制系统，所述磁脉冲焊接工装包括上基板、下基板以及设于上、下基板之间的线圈组件、集磁器组件和滑动底座组件；所述线圈组件包括跑道型线圈、线圈骨架和线圈固定环，所述线圈骨架安装于上基板下侧，所述跑道型线圈绕设于线圈骨架下侧，所述线圈固定环设置于跑道型线圈外侧并固定于线圈骨架下侧；所述集磁器组件包括集磁器和集磁器底座，所述集磁器底座上开设有集磁器置入槽，所述集磁器嵌设于集磁器置入槽中，所述集磁器组件设置于线圈组件下侧，以将跑道型线圈产生的磁场集中于设定区域；所述滑动底座组件包括滑动底座、导轨和加工组件，所述导轨固定于下基板上，所述滑动底座安装于导轨上以沿导轨滑动，所述加工组件设置于滑动底座上，所述加工组件包括自上而下依次设置的飞板固定板、飞板、夹板和固定板，所述飞板固定板用于防止飞板发生位移，所述夹板用于控制焊接区域大小以及飞板与固定板间隙大小，所述滑动底座表面刻有直角坐标系并设置有定位销，用于飞板固定板和夹板定位；所述下基板上设置有多根立柱，所述集磁器底座穿过立柱并定位于滑动底座组件上，所述上基板固定于立柱上端；所述跑道型线圈的两接线端分别从线圈固定环和线圈骨架的旁侧引出并与放电控制系统电连接。

2.根据权利要求1所述的基于跑道型线圈的板件磁脉冲焊接装置，其特征在于，所述跑道型线圈采用纯铜线缠绕形成，铜线表面包覆有绝缘薄膜；所述线圈骨架由酚醛塑料制成；所述跑道型线圈绕制在线圈骨架上，已缠绕的线圈最外层缠绕数圈浸透树脂的玻璃纤维丝带以进行加固，所述玻璃纤维丝带外侧设置线圈固定环并保证线圈固定环与玻璃纤维丝带之间无间隙。

3.根据权利要求2所述的基于跑道型线圈的板件磁脉冲焊接装置，其特征在于，所述线圈骨架上设有多个线圈固定环定位销，所述线圈固定环穿过线圈固定环定位销定位于线圈骨架下侧；所述线圈骨架中部设有用于绕设跑道型线圈的线圈定位销，所述线圈骨架通过线圈骨架连接螺栓安装于上基板下侧。

4.根据权利要求1所述的基于跑道型线圈的板件磁脉冲焊接装置，其特征在于，所述集磁器为上大下小的回转体，所述集磁器的横截面为跑道型，所述集磁器的上端面大于跑道型线圈，所述集磁器的竖向截面为直角梯形，所述集磁器的一侧沿竖向截面开设有侧缝；所述集磁器底座上的集磁器置入槽的形状大小与集磁器相适应。

5.根据权利要求1所述的基于跑道型线圈的板件磁脉冲焊接装置，其特征在于，所述集磁器由纯铜制成，所述集磁器表面包覆有绝缘薄膜；所述集磁器底座由酚醛塑料制成。

6.根据权利要求1所述的基于跑道型线圈的板件磁脉冲焊接装置，其特征在于，所述滑动底座为底部开设有与导轨相适应的导槽的长方体，所述滑动底座的上表面刻有具有横向和纵向坐标的直角坐标系，用于固定板的定位；所述滑动底座的上表面还设有定位销，所述飞板固定板和夹板穿过定位销以进行定位。

7.根据权利要求1所述的基于跑道型线圈的板件磁脉冲焊接装置，其特征在于，所述立柱下端通过螺纹连接方式与下基板固定连接，所述立柱中段具有阶梯部，所述集磁器底座穿过立柱上段并定位于阶梯部上，所述立柱上端穿过上基板并通过垫片螺母锁紧。

8.根据权利要求1所述的基于跑道型线圈的板件磁脉冲焊接装置，其特征在于，所述放电控制系统包括变压器、整流器、充电电阻、充电开关、电容器、放电电阻、放电开关和相关连接导线，所述变压器的原边与220V交流电连接，副边与整流器、充电电阻、电容器和充电开关串联，所述电容器的一端经放电开关、放电电阻连接线圈的一接线端，所述电容器的另一端连接线圈的另一接线端。

9.根据权利要求1-8任一项所述的基于跑道型线圈的板件磁脉冲焊接装置的工作方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：将飞板和固定板表面清洗干净；

步骤2：将固定板按照直角坐标系的刻度放置于滑动底座上，然后依次放置夹板、飞板和飞板固定板，再将滑动底座沿导轨推入到设定位置；

步骤3：放电控制系统为电容器充电，将电能储存在电容器中；然后，闭合放电开关，储存的电能在极短时间内通过放电回路产生一个脉冲电流，在线圈内产生一个强大的脉冲，使线圈形成一个变化的磁场，磁场在集磁器的作用下集中于飞板表面，根据电磁感应定律，在飞板中激发出感应涡流，线圈中的电流方向与飞板中的感应涡流方向相反，两者产生的磁场相互作用产生强大的电磁力，在磁场的排斥作用下驱动飞板向下发生塑性变形，与固定板相碰撞，实现冶金连接；

步骤4：放电完成后，关闭放电控制系统，将滑动底座移出，取下飞板固定板，取出夹板，即得到制件。

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