CN116038165A - 一种异种金属感应加热-电磁脉冲复合焊接设备及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种异种金属感应加热‑电磁脉冲复合焊接设备及方法。该方法采用感应线圈加热金属工件，在异种金属界面处形成熔融半固态微区，降低材料的屈服强度，再通过复合焊接头将电磁脉冲加载到待焊位置，以高频次小电磁力冲击界面，破碎界面氧化膜促进IMCs生成，并在焊接过程中调控感应加热温度、电磁力大小和冲击频率，来精准调控界面IMCs层生长。设备包括感应加热电源、励磁电源、控制箱和感应加热‑电磁脉冲复合焊接头。复合焊接头集成了电容器、Z轴伸缩杆、带电磁线圈的焊块、感应加热线圈和测温仪。本发明充分发挥了感应加热和电磁脉冲的优势，能有效解决传统电磁脉冲焊接中所需电磁力大、焊接能耗高以及界面调控困难等问题。

Description

一种异种金属感应加热-电磁脉冲复合焊接设备及方法
技术领域
本发明属于焊接技术领域，更具体地，涉及一种异种金属感应加热-电磁脉冲复合焊接设备及方法。
背景技术
异种金属复合结构综合利用了不同材料性能优势，能够充分满足结构轻量化和功能一体化的发展需求。但是，由于异种金属结构连接界面处极易形成大量脆性金属间化合物(IMCs)，常见异种金属(如Al-Ti、Al-Mg、Fe-Ti等)的焊接均相当困难，严重制约了异种金属复合结构的应用和发展。
现有的异种金属焊接方法都存在局限性，例如：熔化焊接工序简单、效率高，但是结合界面处温度高使得IMCs反应迅速，会导致界面可控性差、工艺窗口窄和焊缝质量不稳等问题；以扩散焊为主的固相焊接能够控制界面脆性IMCs的生长，焊缝质量较好，但是温控时间长、效率低下、环境要求苛刻，因此该方法在绝大多数工业环境中无法使用。
相对而言，电磁脉冲焊接通过高强电磁力诱发材料塑性变形，形成有效连接，整个焊接过程不进行加热，保持材料固有属性，同时还兼具了扩散焊高质量和熔化焊高效率的优点。但是，传统的电磁脉冲焊接通常采用超过材料屈服强度10倍以上电磁力，以形成瞬时反应来抑制IMCs的生长。因此，其必须配备有大容量储能装置以快速释放较大的电磁力，导致过高的焊接能耗。另外一方面，金属材料界面处经过剧烈塑性变形后，会积累有较大的残余应力影响焊缝的结合性能。
发明内容
针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种异种金属感应加热-电磁脉冲复合焊接设备及方法。该方法将感应加热与电磁脉冲复合共同应用于焊接过程，通过感应线圈在金属内部形成感应电流加热工件，使金属材料屈服强度在高温作用下降低，再利用小电磁脉冲即可诱发足够大的塑性变形，从而在焊接界面固相状态实现有效连接。该复合焊接方法能有效解决当前电磁脉冲焊接所需电磁力过大、焊接能耗高、焊缝残余应力积累严重以及界面层IMCs层精准调控困难等问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种异种金属感应加热-电磁脉冲复合焊接设备，包括：励磁电源、感应加热电源、控制箱和复合焊接头；所述复合焊接头包括电容器、Z轴伸缩杆、带电磁线圈的焊块、感应加热线圈和测温仪；其中，所述电容器用于储存电磁脉冲释放所需电能；Z轴伸缩杆上端连接电容器，下端连接焊块；电磁线圈与电容器连接；测温仪固定在感应加热线圈的侧端；所述励磁电源用于给所述电容器和Z轴伸缩杆供电；所述感应加热电源用于给所述感应加热线圈和测温仪供电；所述控制箱用于控制所述励磁电源及感应加热电源的开关、测温仪温度反馈和焊接过程中焊接参数设置。
进一步地，所述控制箱与所述感应加热电源、励磁电源和复合焊接头通过有线电信号连接，控制箱上的面板能够输入焊接参数或控制程序。
进一步地，所述Z轴伸缩杆为电动、或气动、或液动多级伸缩控制，能够带动所述焊块在Z轴方向上的有限范围内点动升降或无级升降。
进一步地，所述复合焊接头还包括同轴套装设置在感应加热线圈外部的磁通量集中器。
进一步地，所述感应加热线圈采用同轴设置在焊块下方或采用固定连杆旁轴固定在焊块侧端。
进一步地，所述复合焊接头固定在三维五轴数控机床或六轴机器人手臂上沿着焊接轨迹移动。
本发明还提供了一种异种金属感应加热-电磁脉冲复合焊接方法，应用于上述的复合焊接设备，包括：将两个待焊异种金属工件按照接头类型贴合固定；在控制箱的面板中设置感应加热温度以及电磁脉冲强度、频率和脉宽；开启感应加热电源，使所述感应加热线圈工作，通过测温仪测定达到设定温度后，再开启励磁电源，对电容器充电；按照控制箱中预设的工艺参数，使电容器向电磁线圈快速释放电能，瞬时释放的电磁力带动焊块对待焊工件高速冲击；待焊工件在多次高频的电磁冲击作用下发生塑性变形，实现有效连接。
进一步地，所述感应加热温度为100℃-2000℃，电磁脉冲强度为0.01T-200T，电磁脉冲频率为10Hz-1000Hz，电磁脉冲脉宽为10ns-100s；复合焊接头与待焊工件表面间距为0.1mm-100mm。
进一步地，所述感应加热温度优化为100℃-1200℃，电磁脉冲强度优化为0.1T-100T，电磁脉冲频率优化为10Hz-500Hz，电磁脉冲脉宽优化为1μs-10s；复合焊接头与待焊工件表面间距优化为0.5mm-50mm。
进一步地，所述两个待焊异种金属工件包括但不限于铝-钢、铝-镁、镁-钢、钢-钛、钢-铜、铝-铜中的任一种。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：
(1)本发明突破了传统电磁脉冲焊接必须采用大电磁力的技术瓶颈。通过感应加热降低金属材料的屈服强度，在结合界面处形成半固态微区，再采用小电磁压力高频冲击即可诱发足够的塑性变形，实现异种金属复合结构的焊接。
(2)本发明实现了异种金属界面IMCs层分阶段精准调控。通过感应加热和电磁脉冲的热-力耦合作用破碎界面处氧化膜，促进IMCs形成，同时降低感应加热温度，使金属原子稳定扩散，控制IMCs的生长速率，实现高质量焊接界面的形成。
(3)本发明从电磁脉冲力形成和作用机理入手，将IMCs生成阶段调控成熔钎焊模式，生长阶段调控为扩散焊模式，从而将焊接质量提升至扩散焊级别，效率提升至接近熔焊的秒级，真正实现质量-效率平衡调控。
(4)本发明的适用范围广，不仅仅适用于Al-Fe、Al-Ti、Al-Cu、Mg-Ti等大熔点差异材料组合，还可以通过添加高熔点中间层，实现Al-Mg、Fe-Ti等小熔点差异材料组合，无需改动设备，可拓展性能好。
附图说明
图1为本发明提供的异种金属感应加热-电磁脉冲复合焊接设备示意图。
图2为本发明提供的感应加热线圈同轴异侧和旁轴复合示意图。
图3为本发明实施例一提供的Al/Mg异种金属搭接点焊示意图。
图4为本发明实施例二提供的Al/Ti异种金属逐点缝焊示意图。
图5为本发明实施例三提供的Al/Fe异种金属连续焊示意图。
在所有附图中，附图标记分别表示为：1-励磁电源；2-感应加热电源；3-控制箱；4-复合焊接头；5-电容器；6-Z轴伸缩杆；7-连接部件；8-焊块；9-电磁线圈；10-感应加热线圈；11-测温仪；12-待焊金属一；13-待焊金属二；14-固定夹具；15-背部垫板；16-加工台；17-固定连杆；18-5系铝合金板；19-不锈钢中间箔层；20-AZ31镁合金板；21-焊点；22-MgFe金属间化合物层；23-AlFe金属间化合物层；24-钛合金板；25-2系铝合金板；26-AlTi金属间化合物层；27-304不锈钢板；28-连续焊道；29-AlFe金属间化合物层。
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。
在本发明中，本发明及附图中的术语“第一”、“第二”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。
本发明将感应加热与电磁脉冲有机结合，其原理是通过电磁感应在金属中形成涡流来加热工件，而材料屈服强度会随着温度升高而逐渐降低。此时，采用小电磁力即可诱发足够大的塑形变形，能有效解决当前所需电磁力大、焊接能耗高以及界面调控困难等问题，使得分阶段精准调控IMCs界面生成和生长过程成为可能。
具体来说，异种金属感应加热-电磁脉冲复合焊接核心思路是：在IMCs的形成阶段，采用感应加热在异种材料的界面间形成半固态微区，再通过高温热和电磁力共同作用破坏氧化膜，使其弥散在熔融微区内；在IMCs的生长阶段，降低界面温度至共晶反应温度以下，再通过小电磁力多频次冲击诱发塑性变形来调控原子扩散行为，从而达到IMCs界面生长即高效又可控的目的。
基于上述原理和思路，本发明提供了一种异种金属感应加热-电磁脉冲复合焊接设备，如图1所示，该焊接设备主要包括：励磁电源1，为电磁脉冲的产生提供电能；感应加热电源2，为感应加热线圈提供电能；控制箱3，作为焊接过程的中央控制装置，能够在面板上输入焊接参数和焊接程序；复合焊接头4，主要由电容器5、Z轴伸缩杆6、连接部件7、带电磁线圈9的焊块8、感应加热线圈10和测温仪11共同构成。优选地，电容器5采用高能电容器，测温仪11采用红外测温仪。其中，感应加热线圈10通过在金属工件中形成感应涡流实现无接触加热，测温仪11通过红外温度传感器对金属工件表面的温度进行无接触测量；电容器5按照预设值反复充电放电，瞬时释放的电能通过电磁线圈9，将电能转换成强大的电磁力，带动加焊块8向待焊工件表面进行高速冲击。
本发明所述的复合焊接头4中的感应加热线圈10外部还可以同轴套装固定磁通量集中器，可用于增加磁通量、收缩磁力线、聚焦磁场，提高能量密度和感应加热精度，实现微区选择性快速精准加热。
本发明所述的复合焊接头4安装在数控机床或焊接机器人上，通过控制数控机床或焊接机器人沿着焊接轨迹运动，从而完成焊接过程，也可以将复合焊接头4固定，通过移动待焊工件实现焊接。
本发明所述的感应加热-电磁脉冲复合焊接设备通常复合使用也可以独立使用，其中的感应加热装置可用于焊前预热或焊后去应力。在用于焊前预热时，通过感应加热线圈加热待焊工件到预定温度后停止加热，再进行电磁脉冲焊接；在用于焊后去应力时，在完成电磁脉冲焊接后，启动感应加热线圈进行去应力退火，能有效释放界面处残余应力，远优于传统的机械锤击、超声振动或时效处理等耗时费力的去应力方法。
进一步，将上述异种金属感应加热-电磁脉冲复合焊接设备用于异种金属焊接，焊接方法包括以下步骤：
第一步，焊前异种金属复合结构表面清洁及工装固定。采用丙酮等有机溶剂对待焊工件表面进行清洗，在将金属材料表面完全清洁干净后，再使用夹具按照所需接头类型对工件进行固定。
第二步，焊接过程工艺参数设置。安装调试好感应加热-电磁脉冲复合焊接设备，并在控制箱的面板中预设感应加热温度、电磁脉冲强度及频率等工艺参数，其中感应加热温度为100℃-2000℃，更优化的范围为100℃-1200℃；电磁脉冲强度为0.01T-200T，更优化的范围为0.1T-100T；电磁脉冲频率为10Hz-1000Hz，更优化的范围为10Hz-500Hz；电磁脉冲脉宽为10ns-100s，更优化的范围为1μs-10s。
第三步，启动感应加热-电磁脉冲复合焊接过程。将复合焊接头移动至待焊轨迹起始位置，调整Z轴伸缩杆将复合焊接头与工件表面间距控制在0.1mm-100mm，更优化的范围为0.5mm-50mm。首先启动感应加热电源，待金属材料温度达到设定感应加热温度后，再开启励磁电源，对电容器进行充电，按照控制箱中预设的工艺参数，使电容器向电磁线圈快速释放电能，瞬时释放的电磁力带动焊块对待焊工件高速冲击；待焊工件在多次高频的电磁冲击作用下发生塑性变形，实现有效连接。
进一步地，在第三步中，焊接轨迹包括但不限于点焊、逐点缝焊和连续焊。在用于搭接点焊时，通过控制系统将复合焊接头移动至待焊接位置，调整焊接头到工件表面的距离并设定好工艺参数，首先启动感应加热装置，待加热温度到设定值时，再启动电磁脉冲装置，从而形成点焊接头；在用于逐点缝焊时，焊接过程与点焊工艺相同，但在一个焊点形成后，焊接过程暂停，通过运动装置将复合焊接头移动到焊接轨迹的另一个位置，焊接过程再继续启动，所形成的焊点之间为固定间距，逐点连接成焊缝，从而实现逐点缝焊；在用于连续焊时，焊接过程与点焊相同，但是在焊接过程中，运动装置逐渐沿着焊接轨迹移动，焊接过程连续不间断，焊点连接重叠从而形成连续的焊缝。
通常情况下，大多数金属材料都会在感应加热线圈下形成感应涡流，从而实现无接触感应加热，对于这些异种金属的复合焊接，无需中间夹层。对于无法形成感应涡流的金属材料，则在中间添加可形成感应涡流的另一种金属夹层，从而形成感应涡流实现加热。
根据实际使用情况，如图2所示，本发明的感应加热-电磁脉冲复合焊接设备中的感应加热线圈还能够放置在金属工件的下侧，与带电磁线圈的焊块保持同轴；或者利用固定连杆17将感应加热线圈固定在带电磁线圈的焊块旁侧，旁侧复合的结构适用于需焊前预热或者焊后预热的金属材料，更有利于消除焊后电磁冲击产生的残余应力。
以下结合具体实施案例，进一步说明本发明所提供的感应加热-电磁脉冲复合热源用于异种金属焊接的有益效果。
实施例一
本实施例以两种最轻的Al-Mg低熔点异种合金搭接点焊为例对本发明进行说明。如图3所示，进行Al-Mg搭接接头点焊工艺试验。由于铝、镁合金熔点相近，且Al-Mg IMCs(Al3Mg2和Al12Mg17)生长速度极快，因此在焊接时需要采用中间层避免或减少Al、Mg直接接触。在本试验中，采用0.1mm厚的不锈钢箔作为中间层，包括但并不限于Ti/Ni/Cu等其他高熔点材料。将复合焊接头移动到板材上端3mm处，设置感应加热温度450℃，电磁脉冲强度10T，频率50Hz，脉宽500ns。先启动感应加热线圈，延时5s后开启电磁脉冲线圈，在高频冲击作用下完成点焊过程。焊接完成后，界面间形成了均匀的MgFe、AlFe金属间化合物薄层，焊点有良好的宏观形貌，其拉伸剪切强度为3kN，板材尺寸变形符合结构装配精度要求。
实施例二
本实施例以Al-Ti大熔点差异的异种合金逐点缝焊为例对本发明进行说明。如图4所示，进行Al-Ti搭接逐点缝焊工艺试验。设置感应加热温度500℃，电磁脉冲强度25T，频率60Hz，脉宽200ns。与实施例一不同的是，在一个焊点焊接完成后，将复合焊接头水平移动10mm，延迟10s后重复进行点焊工艺，直到完成逐点缝焊过程。焊缝成形良好，无咬边、气孔及裂纹等缺陷，在接头界面处形成有0.1μm的AlTi金属间化合物薄层。其拉伸剪切强度为2.5kN/点，板材尺寸变形符合结构装配精度要求。
实施例三
本实施例以工艺应用最大的Al-Fe大熔点差异的异种合金搭接点焊为例对本发明进行说明。如图5所示，进行Al-Fe搭接缝焊工艺试验。与点焊工艺不同的是，在焊接过程中，感应加热和电磁脉冲持续作用在材料上形成连续焊道。设置感应加热温度500℃，电磁脉冲潜伏60T，频率100Hz，脉宽300ns。焊接完成后，焊缝无咬边、气孔及裂纹等缺陷，在界面处形成0.03μm的AlFe金属间化合物薄层。其拉伸剪切强度为20kN，板材尺寸变形符合结构装备精度要求。
综上所述，本发明通过感应线圈加热金属工件，在异种金属界面处形成熔融半固态微区，降低材料的屈服强度，再通过复合焊接头将电磁脉冲加载到待焊位置，以高频次小电磁力冲击界面，破碎界面氧化膜促进IMCs的生成，并在焊接过程中调控感应加热温度、电磁力大小和频率，从而精准调控界面IMCs层生长。该方法从根本上突破异种金属焊接技术瓶颈，能有效解决当前电磁脉冲焊接所需电磁力过大、焊接能耗高、焊缝残余应力积累严重以及界面层IMCs层精准调控困难等问题，将传统一次连续焊接过程转变为分阶段精准调控，能够实现焊接效率和焊接质量的平衡调控。
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)

1.一种异种金属感应加热-电磁脉冲复合焊接设备，其特征在于，包括：励磁电源(1)、感应加热电源(2)、控制箱(3)和复合焊接头(4)；
所述复合焊接头(4)包括电容器(5)、Z轴伸缩杆(6)、带电磁线圈(9)的焊块(8)、感应加热线圈(10)和测温仪(11)；其中，所述电容器(5)用于储存电磁脉冲释放所需电能；Z轴伸缩杆(6)上端连接电容器(5)，下端连接焊块(8)；电磁线圈(9)与电容器(5)连接；测温仪(11)固定在感应加热线圈(10)的侧端；
所述励磁电源(1)用于给所述电容器(5)和Z轴伸缩杆(6)供电；
所述感应加热电源(2)用于给所述感应加热线圈(10)和测温仪(11)供电；
所述控制箱(3)用于控制所述励磁电源(1)及感应加热电源(2)的开关、测温仪(11)温度反馈和焊接过程中焊接参数设置。
2.根据权利要求1所述的一种异种金属感应加热-电磁脉冲复合焊接设备，其特征在于，所述控制箱(3)与所述感应加热电源(2)、励磁电源(1)和复合焊接头(4)通过有线电信号连接，控制箱(3)上的面板能够输入焊接参数或控制程序。
3.根据权利要求1所述的一种异种金属感应加热-电磁脉冲复合焊接设备，其特征在于，所述Z轴伸缩杆(6)为电动、或气动、或液动多级伸缩控制，能够带动所述焊块(8)在Z轴方向上的有限范围内点动升降或无级升降。
4.根据权利要求1所述的一种异种金属感应加热-电磁脉冲复合焊接设备，其特征在于，所述复合焊接头(4)还包括同轴套装设置在感应加热线圈(10)外部的磁通量集中器。
5.根据权利要求1所述的一种异种金属感应加热-电磁脉冲复合焊接设备，其特征在于，所述感应加热线圈(10)采用同轴设置在焊块(8)下方或采用固定连杆(17)旁轴固定在焊块(8)侧端。
6.根据权利要求1所述的一种异种金属感应加热-电磁脉冲复合焊接设备，其特征在于，所述复合焊接头(4)固定在三维五轴数控机床或六轴机器人手臂上沿着焊接轨迹移动。
7.一种异种金属感应加热-电磁脉冲复合焊接方法，应用于权利要求1至6任一项所述的复合焊接设备，其特征在于，包括：
将两个待焊异种金属工件按照接头类型贴合固定；在控制箱(3)的面板中设置感应加热温度以及电磁脉冲强度、频率和脉宽；开启感应加热电源(2)，使所述感应加热线圈(10)工作，通过测温仪(11)测定达到设定温度后，再开启励磁电源(1)，对电容器(5)充电；按照控制箱(3)中预设的工艺参数，使电容器(5)向电磁线圈(9)快速释放电能，瞬时释放的电磁力带动焊块(8)对待焊工件高速冲击；待焊工件在多次高频的电磁冲击作用下发生塑性变形，实现有效连接。
8.根据权利要求7所述的复合焊接方法，其特征在于，所述感应加热温度为100℃-2000℃，电磁脉冲强度为0.01T-200T，电磁脉冲频率为10Hz-1000Hz，电磁脉冲脉宽为10ns-100s；复合焊接头与待焊工件表面间距为0.1mm-100mm。
9.根据权利要求8所述的复合焊接方法，其特征在于，所述感应加热温度优化为100℃-1200℃，电磁脉冲强度优化为0.1T-100T，电磁脉冲频率优化为10Hz-500Hz，电磁脉冲脉宽优化为1μs-10s；复合焊接头与待焊工件表面间距优化为0.5mm-50mm。
10.根据权利要求7所述的复合焊接方法，其特征在于，所述两个待焊异种金属工件包括但不限于铝-钢、铝-镁、镁-钢、钢-钛、钢-铜、铝-铜中的任一种。
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