CN116713585A - 一种多温层电磁焊接装置及电磁焊接方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多温层电磁焊接装置及电磁焊接方法，其中，该焊接装置包括：磁场发生器，包括集磁器、驱动线圈和背景场线圈，用于在管件焊接区域产生焊接所需的电磁力，驱动待焊接外管件变形完成焊接；低温模块，用于冷却磁场发生器，提高其电导率和力学性能，进而提高装置焊接能力和结构强度；加热模块，用于对焊接区域进行加热形成局部高温层，提升材料的成形性能；真空模块，用于对焊接区域进行密封，并对密封区域抽真空处理，实现待焊接管件与磁场发生器之间的热绝缘，降低空气阻力、促进焊接界面的形成。本发明能提高磁场发生器的使用寿命和焊接能力，同时还能提升材料成形性能，对于完善电磁焊接加工体系与拓展其应用具有重要意义。

Description

一种多温层电磁焊接装置及电磁焊接方法

技术领域

本发明属于电磁焊接技术领域，更具体地，涉及一种多温层电磁焊接装置及电磁焊接方法。

背景技术

异种材料焊接通过发挥不同材料的性能优势来大幅提高构件质量，能够有效替代高合金钢、有色金属、专用合金材料的使用。然而，由于异种材料在物理和化学性质等方面存在显著差异，传统的熔焊、钎焊难以实现高质量焊接。电磁焊接作为一种新型高速率固相焊接技术，通过高强脉冲电磁力驱动两种或多种材料之间发生高速碰撞，实现原子间的相互扩散和异种材料焊接界面的形成，具有焊接效率高、无污染以及易于实现自动化等优势，在航空航天、新能源汽车、核工等领域具有重要的应用前景。

然而，随着焊接件的尺寸增大、待焊接材料强度提高，现有电磁焊接技术面临装置电-磁-力-热性能受限、焊接能力不足等瓶颈，制约了其应用和发展。为了提高磁体及装置的焊接能力，集磁器和背景场等磁场发生器被国内外学者先后应用到电磁焊接领域，集磁器通过内外表面的改变来提高电流密度和磁场强度，背景场通过产生长脉宽磁场叠加，来提高磁场强度。然而，高电流密度和长脉宽背景磁场必然会使集磁器和背景场线圈产生大量热量；此外，焊接过程中温升和强电磁力会对磁场发生器的绝缘和结构稳定性造成威胁，将面临自身应力过大、放电电压过高以及线圈温升严重等挑战。

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多温层电磁焊接装置及电磁焊接方法，能有效提高磁场发生器的使用寿命和焊接能力，同时还能提升材料成形性能。

为实现上述目的，第一方面，本发明提供了一种多温层电磁焊接装置，包括：

磁场发生器，包括同轴设置的集磁器、驱动线圈和背景场线圈，用于在待焊接管件的焊接区域产生脉冲磁场和感应涡流，所述脉冲磁场和感应涡流的相互作用产生焊接所需的电磁力，驱动焊接区域变形完成焊接；其中，所述待焊接管件为端部套接的待焊接的内管件和外管件；

低温模块，包括内部盛装有低温液体的杜瓦，所述磁场发生器设置在杜瓦内，用于冷却磁场发生器；

加热模块，用于对焊接区域进行局部加热，形成局部高温层；

真空模块，用于分别对外管件端部、外管件与杜瓦之间的间隙、内管件端部及内管件与杜瓦之间的间隙处进行密封，并对该密封区域进行抽真空处理，实现待焊接管件与磁场发生器之间的热绝缘。

在其中一个实施例中，在所述磁场发生器中，所述驱动线圈直接绕制在集磁器外壁，所述驱动线圈和集磁器的接触面缠绕聚酰亚胺薄膜，所述背景场线圈位于驱动线圈外侧。

在其中一个实施例中，所述驱动线圈和背景场线圈采用两套独立的脉冲电源进行控制；焊接时，调节驱动线圈和背景场线圈放电时序，使所述驱动线圈在背景场线圈所产生的背景磁场峰值时刻放电。

在其中一个实施例中，两套脉冲电源均包括电源、高压开关、保护电感、电阻和续流二极管，其中，所述电源的一端通过高压开关分别与续流二极管的正极、电阻的一端相连，所述电源的另一端分别与续流二极管的负极、保护电感的一端相连，所述保护电感的另一端和电阻的另一端为该脉冲电源的输出端。

在其中一个实施例中，所述集磁器采用中心开有通孔的柱状结构，所述集磁器的内外表面之间设有一条径向贯穿的缝隙，且所述集磁器的总外壁面积大于其总内壁面积。

在其中一个实施例中，在所述杜瓦中，所述驱动线圈和集磁器的端板开有冷却槽，用于流通杜瓦内的低温液体，提高磁场发生器的冷却速度。

在其中一个实施例中，所述杜瓦采用非金属环氧材料制成。

在其中一个实施例中，所述加热模块包括加热器件，所述加热器件粘贴在待焊接管件的焊接区域。

在其中一个实施例中，所述真空模块包括密封圈和气压表，其中，所述密封圈用于对外管件端部、外管件与杜瓦之间的间隙、内管件端部及内管件与杜瓦之间的间隙处进行密封处理，形成一密封区域；所述密封区域与外部抽真空装置相连，用于对密封区域进行抽真空区域；所述气压表用于实时监测该密封区域的气压值。

第二方面，本发明提供了一种基于上述所述的多温层电磁焊接装置的电磁焊接方法，包括如下步骤：

(1)使用低温模块冷却磁场发生器，并对冷却效果进行测量，直到所述磁场发生器达到稳定状态；

(2)对该焊接管件的焊接区域进行局部加热，在焊接区域形成局部高温层，使焊接区域的材料适当软化；

(3)对焊接装置进行密封并持续抽真空，实现不同温层的真空隔绝，达到热绝缘与干燥待焊接管件的效果；

(4)控制驱动线圈和背景场线圈放电，驱动待焊接管件的焊接区域变形完成焊接。

本发明提供的多温层电磁焊接装置及电磁焊接方法，具有如下效果：(1)对磁场发生器进行低温处理，不仅可解决磁场发生器的温升问题，还能提升其电导率和集磁效果，提高装置的焊接能力和焊接质量；(2)对待焊接件进行局部加热会形成局部高温层，可实现材料的适当软化，提升管件成形性能；(3)对管件进行密封和抽真空处理可防止冷凝水形成、实现管件与磁场发生器之间的热绝缘，降低空气阻力、促进焊接界面形成。上述电磁焊接装置及电磁焊接方法不仅能有效提高系统能量利用率、管件的焊接质量，还能有效延长磁体和装置的使用寿命，对于完善电磁焊接加工体系与拓展其应用具有重要意义。

附图说明

图1是本发明一具体实施例提供的多温层电磁焊接装置的结构示意图。

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。

为解决传统电磁焊接技术温升和强电磁力导致磁场发生器绝缘和结构稳定性的问题，对此，本发明提供了一种多温层电磁焊接装置，该多温层焊接装置包括磁场发生器、低温模块、加热模块和真空模块，该装置主要通过低温模块、真空模块和加热模块，形成多温层电磁焊接环境，在提高磁场发生器的使用寿命和焊接能力，的同时，提升材料成形性能。

其中，本实施例提供的磁场发生器包括同轴设置的集磁器、驱动线圈和背景场线圈，三者的配合使用，在待焊接管件的焊接区域产生高密度感应涡流和强脉冲磁场，脉冲磁场和感应涡流的相互作用产生焊接所需的电磁力，驱动管件加速变形完成焊接。

在本实施例中，集磁器的引入可使磁能集中在焊接的小部分区域内，有效提高集磁器内壁的感应涡流密度和磁场强度；背景场线圈用于产生长脉宽的强背景磁场，实现磁场的叠加，提高焊接时刻的磁场强度。

本实施例将集磁器和背景场线圈同时引入到磁场发生器中，集磁器和长脉宽背景场虽然能够显著提高电流密度和磁场强度，但是高电流密度和长脉宽背景磁场会使集磁器和背景场线圈产生大量热量；此外，焊接过程中温升和强电磁力会对磁场发生器的绝缘和结构稳定性造成威胁，将面临自身应力过大、放电电压过高以及线圈温升严重等挑战。

对此，本实施例提供的电磁焊接装置增设了低温模块，该低温模块采用内部盛装有低温液体的杜瓦，磁场发生器设置在杜瓦内，用于浸泡并冷却磁场发生器。进一步地，为防止线圈放电时杜瓦产生感应涡流而影响焊接，本实施例提供的杜瓦可采用非金属环氧材料制成。

本实施例对磁场发生器进行低温处理，不仅可以加快磁场发生器的冷却速度，有效解决焊接过程中高电流密度集磁器和长脉宽背景磁场所导致的剧烈的温升问题，还能提高磁场发生器的结构强度，延长其使用寿命。此外，低温还能提高线圈和集磁器电导率，降低回路总的电阻和电感，使得相同放电电压下线圈电流得到提高，电流脉宽亦相应变短，有效提高管件附近磁场强度和管件感应涡流密度，当电导率提高时，材料的集肤深度也随之降低，装置的集磁效果更加显著，使管件附近的磁场和电磁力得到进一步提高，从而有效地提高装置的焊接能力和使用寿命。

本实施例提供的加热模块可采用本领域常用的加热器件，比如加热丝或加热片等，用于对待焊接管件进行单独加热处理，在待焊接管件的焊接区域附近形成局部高温层，可避免材料在低温环境下硬化，促进焊接过程中材料的流动，同提高材料的成形性能。

另外，考虑到利用低温模块对磁场方式模块进行冷却的过程时，待焊接管件表面会形成冷凝水并发生结冰问题，管件高速碰撞焊接中会残留在焊接区域，严重影响焊接质量。

对此，本实施例提供的电磁焊接装置还增设了真空模块，用于对焊接区域进行密封和抽真空处理，实现管件与磁场发生器之间的热绝缘，防止焊接过程中冷凝水的形成并使管件保持干燥，真空环境还能降低空气阻力、促进焊接界面形成。具体地，本实施例提供的真空模块可采用密封圈，密封圈分别对外管件端部、外管件与杜瓦之间的间隙、内管件端部及内管件与杜瓦之间的间隙处进行密封，形成一密封区域，然后将密封区域与外部抽真空装置相连，通过外部抽真空装置实现对该密封区域进行抽真空处理。

具体地，本实施例提供的电磁焊接装置进行电磁焊接的方法为：

通过低温模块、加热模块和真空模块实现电磁焊接系统的多温层形成。其中，低温模块给磁场发生器降温，能够提高其电导率和力学性能，从而有效提高装置焊接能力和结构强度。加热模块可以在工件上形成局部高温层，提升材料的成形性能；真空模块实现不同温层之间的热绝缘，降低空气阻力、促进焊接界面形成。通过上述方法可以有效提高电磁焊接的焊接能力和装置的使用寿命。

步骤如下：

步骤一：使用低温模块冷却磁场发生器，并对冷却效果进行测量，直到所述磁场发生器达到稳定状态。

步骤二：对该焊接管件的焊接区域进行局部加热，在焊接区域形成局部高温层，使焊接区域的材料适当软化。

步骤三：对焊接装置进行密封并持续抽真空，实现不同温层的真空隔绝，达到热绝缘与干燥待焊接管件的效果。

步骤四：控制驱动线圈和背景场线圈放电，驱动待焊接管件的焊接区域变形完成焊接。

本实施例提供的多温层电磁焊接装置及电磁焊接方法，具有如下效果：(1)对磁场发生器进行低温处理，不仅可解决磁场发生器的温升问题，还能提升其电导率和集磁效果，提高装置的焊接能力和焊接质量；(2)对待焊接件进行局部加热会形成局部高温层，可实现材料的适当软化，提升管件成形性能；(3)对管件进行密封和抽真空处理可防止冷凝水形成、实现管件与磁场发生器之间的热绝缘，降低空气阻力、促进焊接界面形成。上述电磁焊接装置及电磁焊接方法不仅能有效提高系统能量利用率、管件的焊接质量，还能有效延长磁体和装置的使用寿命，对于完善电磁焊接加工体系与拓展其应用具有重要意义。

以下结合具体实施例，对本发明进行相应说明：

图1为本发明一具体实施例提供的多温层电磁焊接装置的结构示意图，本实施例通过对线圈和集磁器进行低温处理，同时对待焊接管件使用加热器件局部加热，并在焊接区域密封和抽真空处理的方式，不仅可解决电磁焊接过程中的温升问题，并能提高装置的力学性能，延长装置的使用寿命，还能有效提高能量利用率、提高管件的焊接质量。

整个装置由磁场发生器、低温模块、真空模块、加热模块和端部套接的待焊接的内管件和外管件组成。

在本具体实施例中，磁场发生器采用集磁器21、驱动线圈32和背景场线圈33，驱动线圈32和背景场线圈33采用两套独立的脉冲电源进行充放电控制，即采用驱动脉冲电源10与驱动线圈32电气相连，采用背景场线圈脉冲电源20与背景场线圈33相连。优选地，为了使背景场线圈33提供更大的背景磁场，在焊接时可调节二者的放电时序，使驱动线圈32在背景场线圈33所产生的背景磁场峰值时刻放电。

其中，两套脉冲电源均采用包括电源C、高压开关S、保护电感L、电阻R和续流二极管D的拓扑结构。其中，电源C可采用电容器组，电容器组C的一端通过高压开关S分别与续流二极管D的正极、电阻R的一端相连，电容器组C的另一端分别与续流二极管D的负极、保护电感L的一端相连，保护电感L的另一端和电阻R的另一端为脉冲电源的输出端。本实施例提供的脉冲电源可根据所接电容器组C的电容值和放电电压的不同，来产生不同的脉宽和幅值的脉冲电流。

集磁器31、驱动线圈32和背景场线圈33同轴放置，为了提高能量利用率，驱动线圈32直接绕制在集磁器31外壁，二者接触面缠绕聚酰亚胺薄膜进行绝缘处理，背景场线圈33位于驱动线圈32外侧。

集磁器31采用中心开有通孔的柱状结构，驱动线圈32紧贴集磁器31外壁，集磁器31的内外表面之间设有一条径向贯穿的缝隙，缝隙的存在用以改变集磁器的电流方向，使得磁能可以传递到集磁器31内表面而不会被约束在线圈与集磁器31外表面之间，有效提高集磁器31内表面的感应涡流密度和磁场强度。当集磁器31的总外壁面积大于内壁面积时，即可实现集磁效果，使集磁器31内壁磁场得到增强。

在本具体实施例中，低温模块由杜瓦41、低温通道42和进出阀43组成。其中，杜瓦41用于盛装低温液体，浸泡线圈和集磁器，此外线圈和集磁器的端板开有冷却槽，构成低温通道42，用于流通低温液体加快线圈及集磁器的冷却速度。本实施例提供的低温模块可以有效冷却磁场发生器，解决集磁器和背景场线圈所带来的剧烈温升问题，防止磁体及装置过热并提高装置的力学性能，延长磁体及装置的使用寿命，同时还能提高材料电导率和集磁器的集磁效果，实现磁场和电磁力的增强，提高焊接质量。

在本具体实施例中，真空模块由密封圈52和气压表53组成。其中，密封圈52用于对外管件71端部、杜瓦41与外管件71之间的间隙、内管件72端部、杜瓦41与内管件72之间的间隙处进行密封，形成一密封区域51；密封区域51与外部抽真空装置相连，用于对密封区域进行抽真空区域；气压表53接在密封区域，用于实时测量密封区域的气压变化。本实施例提供的真空模块可以阻隔磁场发生器与管件之间的热传导、防止焊接过程中冷凝水和内外管件之间结冰的形成，同时降低空气阻力、促进焊接正向进行、提升焊接质量。

在本具体实施例中，加热模块采用加热器件60，加热器件60粘贴在管件上，用于加热管件，在待焊接管件附近形成局部高温层，防止低温导致管件材料硬化，适当的热处理还有利于焊接过程中管件的材料流动，提高材料的成形极限。

本具体实施例提供的多温层电磁焊接装置的具体实施步骤如下：

S1.按图1所示完成驱动线圈和集磁器的安装工作,放置待焊接的管件，安装加热器件和密封圈。

S2.使用真空泵持续对装置进行抽真空处理，通过气压表检测真空腔内部的气压变化，待真空度达到要求后，在装置通入低温液体冷却线圈和集磁器，冷却过程中通过测量线圈电路参数来判断线圈和集磁器的冷却效果，冷却期间真空泵和加热器件持续工作。

S3.待装置冷却到位后，使用同轴电缆连接线圈，停止通入低温液体并关闭真空泵，调节驱动线圈和背景场线圈放电时序，使得驱动线圈在背景场峰值时刻放电，闭合高压开关对线圈放电，驱动管件高速变形完成焊接。

在本具体实施例中，集磁器和背景场线圈的引入可有效提高电流密度和磁场强度，但是高电流密度和长脉宽背景场放电会导致焊接时刻剧烈的温升问题。而低温模块的加入可对磁场发生器进行持续冷却处理，不仅能够使线圈和集磁器快速冷却，有效解决集磁器和背景场线圈引入所导致的焊接时刻严重的温升问题，还能提高装置的力学性能，延长磁体及装置的使用寿命；另一方面，温度降低可使线圈和集磁器电导率提高，从而降低回路总的电阻和电感大小，使相同放电电压下线圈电流得到提高，此外，电导率的提高还会降低材料的集肤深度，装置的集磁效果更加显著，可有效提高装置的焊接能力和焊接质量。而对待焊接管件局部加热处理，在待焊接管件附近形成局部高温层，避免管件材料在低温下硬化，促进焊接过程中材料的流动，提高材料的成形极限。对焊接区域进行密封和抽真空处理，可以实现管件与磁场发生器之间的热绝缘，防止焊接过程中冷凝水的形成并使管件保持干燥，真空环境降低空气阻力、促进焊接界面形成。该方法与装置对于完善电磁焊接加工体系与拓展其应用具有重要意义。

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)

1.一种多温层电磁焊接装置，其特征在于，包括：

磁场发生器，包括同轴设置的集磁器、驱动线圈和背景场线圈，用于在待焊接管件的焊接区域产生脉冲磁场和感应涡流，所述脉冲磁场和感应涡流的相互作用产生焊接所需的电磁力，驱动焊接区域变形完成焊接；其中，所述待焊接管件为端部套接的待焊接的内管件和外管件；

低温模块，包括内部盛装有低温液体的杜瓦，所述磁场发生器设置在杜瓦内，用于冷却磁场发生器；

加热模块，用于对焊接区域进行局部加热，形成局部高温层；

真空模块，用于分别对外管件端部、外管件与杜瓦之间的间隙、内管件端部及内管件与杜瓦之间的间隙处进行密封，并对该密封区域进行抽真空处理，实现待焊接管件与磁场发生器之间的热绝缘。

2.根据权利要求1所述的多温层电磁焊接装置，其特征在于，在所述磁场发生器中，所述驱动线圈直接绕制在集磁器外壁，所述驱动线圈和集磁器的接触面缠绕聚酰亚胺薄膜，所述背景场线圈位于驱动线圈外侧。

3.根据权利要求2所述的多温层电磁焊接装置，其特征在于，所述驱动线圈和背景场线圈采用两套独立的脉冲电源进行控制；焊接时，调节驱动线圈和背景场线圈放电时序，使所述驱动线圈在背景场线圈所产生的背景磁场峰值时刻放电。

4.根据权利要求3所述的多温层电磁焊接装置，其特征在于，两套脉冲电源均包括电源、高压开关、保护电感、电阻和续流二极管，其中，所述电源的一端通过高压开关分别与续流二极管的正极、电阻的一端相连，所述电源的另一端分别与续流二极管的负极、保护电感的一端相连，所述保护电感的另一端和电阻的另一端为该脉冲电源的输出端。

5.根据权利要求1所述的多温层电磁焊接装置，其特征在于，所述集磁器采用中心开有通孔的柱状结构，所述集磁器的内外表面之间设有一条径向贯穿的缝隙，且所述集磁器的总外壁面积大于其总内壁面积。

6.根据权利要求1所述的多温层电磁焊接装置，其特征在于，在所述杜瓦中，所述驱动线圈和集磁器的端板开有冷却槽，用于流通杜瓦内的低温液体，提高磁场发生器的冷却速度。

7.根据权利要求1或6所述的多温层电磁焊接装置，其特征在于，所述杜瓦采用非金属环氧材料制成。

8.根据权利要求1所述的多温层电磁焊接装置，其特征在于，所述加热模块包括加热器件，所述加热器件粘贴在待焊接管件的焊接区域。

9.根据权利要求1所述的多温层电磁焊接装置，其特征在于，所述真空模块包括密封圈和气压表，其中，所述密封圈用于对外管件端部、外管件与杜瓦之间的间隙、内管件端部及内管件与杜瓦之间的间隙处进行密封，形成一密封区域；所述密封区域与外部抽真空装置相连，用于对密封区域进行抽真空区域；所述气压表用于实时监测该密封区域的气压值。

10.一种基于权利要求1所述的多温层电磁焊接装置的电磁焊接方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)使用低温模块冷却磁场发生器，并对冷却效果进行测量，直到所述磁场发生器达到稳定状态；

(2)对该焊接管件的焊接区域进行局部加热，在焊接区域形成局部高温层，使焊接区域的材料适当软化；

(3)对焊接装置进行密封并持续抽真空，实现不同温层的真空隔绝，达到热绝缘与干燥待焊接管件的效果；

(4)控制驱动线圈和背景场线圈放电，驱动待焊接管件的焊接区域变形完成焊接。