CN1621175A - 监控磁脉冲成形或焊接工艺性能的方法 - Google Patents

Abstract

磁脉冲成形或焊接工艺的性能是通过放置一个与设备的感应线圈相关的变形部件，然后激励感应线圈对其施加一个力来监控的。该变形部件可以是塑性变形管材，并且当感应线圈激励时出现的这种塑性变形量能被测量以确定由感应线圈产生的力的大小。可选地，该变形部件可以是弹性变形体，并且当感应线圈激励时出现的这种弹性变形量能被测量以确定由感应线圈产生的力的大小。在两种情况中，由感应线圈产生的力的大小代表了磁脉冲成形或焊接工艺的性能，当必要时，可以用于调整磁脉冲成形或焊接工艺的参数以维持操作的一致性。

Description

监控磁脉冲成形或焊接工艺性能的方法

相关申请的交叉引用

本申请要求NO.60/501770，2003年9月10日提交的美国临时申请的优先权，在此引用参考其所公开的内容。

背景技术

本发明通常涉及被用于将金属工件变形到要求形状的磁脉冲成形技术的应用。本发明还通常涉及被用于将两金属工件永久的固定在一起的磁脉冲焊接技术的应用。特别是，本发明涉及一种方法和装置，该方法和装置用于监控经过一段时间后磁脉冲成形工艺或磁脉冲焊接工艺的性能，以及用于当必须维持操作的一致性时，调整这种磁脉冲成形或焊接工艺的参数。

磁脉冲成形和磁脉冲焊接是公知工艺，其可被用于金属材料的工件的连接。磁脉冲成形工艺典型地被用于将金属工件变形到要求的形状。典型地，磁脉冲成形工艺这样进行，首先将金属工件的一部分放在电磁感应线圈周围或内部。然后该感应线圈被一高能电流脉冲通过而激励(energize)以在工件的一部分的周围或者内部产生一强烈的电磁场。当此发生时，较大的压力施加在工件的外部或内部，引起工件或者远离感应线圈向内变形(当感应线圈放置在工件的外部时)或者远离感应线圈向外变形(当感应线圈放置在工件的内部时)。如果需要，工件可以向内变形与内部芯轴结合或向外变形与外模结合，这样工件变形到精确地要求的形状。

磁脉冲焊接工艺典型地被用于两金属工件的永久固定。典型地，进行该磁脉冲焊接工艺首先将第一和第二金属工件的两部分以同心、轴线重叠的关系放置。接着，第一和第二金属工件的重叠部分被放置在电磁感应线圈的周围或内部。然后该感应线圈被通过的高能电流脉冲激励以在第一和第二工件的重叠部分周围或内部产生强烈的电磁场。当此发生时，较大的压力施加在第一和第二工件的其中一个上，引起其向第一和第二工件的另一个高速移动。如果感应线圈被放置在两个工件的外部，那么外部工件向内变形与内部工件结合。另一方面，如果感应线圈被放置在两工件的内部，那么内部工件向外变形与外部工件结合。无论这样或那样，第一和第二工件的高速冲击引起两工件永久地固定在一起。

由上述描述明显可知，磁脉冲成形工艺和磁脉冲焊接工艺导致或者在一个工件或多个工件的周围或者在内部产生高能电磁场。为了调节由这些高能电磁场产生的电抗力，通常必须以某种方式制造感应线圈以达到足够强的机械强度。然而，经过一段时间，这种电抗力的重复产生能引起磁脉冲成形或焊接设备的物理变化。例如，由于这些电抗力的重复产生，感应线圈的形状或空间定位发生轻微的改变。这些磁脉冲成形或焊接设备上的物理变化会导致在一段使用时间后电磁场强度的局部变化，于是导致磁脉冲成形或焊接工艺的稳定性出现不希望的变动因而，期望提供一种方法和设备，这种方法和设备用于监控一段时间内磁脉冲成形工艺或磁脉冲焊接工艺的性能，以及用于在必须维持操作的一致性时调整这种磁脉冲成形或焊接工艺的参数。

发明内容

本发明涉及一种在一段时间内监控磁脉冲成形工艺或磁脉冲焊接工艺的性能，以及当必须维持其操作的一致性时调整这种磁脉冲成形或焊接工艺的参数的方法和设备。这些工艺的参数可通过放置一个与该设备的感应线圈相关的变形部件来监控，然后将感应线圈通电以对其施加力。该变形部件可以是塑性变形管材，并且当通电时可以测量发生的这种塑性变形量以确定由感应线圈产生的力的大小。可选的，该变形部件可以是弹性变形体，并且当通电时可以测量发生的这种弹性变形量以确定由感应线圈产生的力的大小。在两种情况下，由感应线圈产生的力的大小代表了磁脉冲成形或焊接工艺的性能，当必要时，可用于调整磁脉冲成形或焊接工艺的参数以维持该操作的一致性。

对于那些本领域普通技术人员，本发明的各种目的和优点从以下优选实施例的描述并参考附图阅读时将变得明显。

附图说明

图1是正剖视图，简要地说明了用于磁脉冲成形工艺或磁脉冲焊接工艺的装置的感应器和控制电路，以及按照本发明可以用于监控这些工艺的一个变形部件的第一实施例，其中所示的是变形部件的第一实施例在感应线圈激励前的情况。

图2是类似于图1的简图，其中所示的是变形部件的第一实施例在感应线圈激励后的情况。

图3是类似于图2的简图，其中示出的测量规插在变形部件的第一实旋例内。

图4是端部正视图，简要地说明了图1中所述的用于磁脉冲成形工艺或磁脉冲焊接工艺的装置的感应器，以及按照本发明可用于监控这些工艺的性能的变形部件第二实施例。

图5是类似于图4的按照本发明的变形部件的第三实施例的端部正视图。

图6是类似于图5的按照本发明的变形部件的第四实施例的端部正视图。

图7是沿图6中的7-7线得到的变形部件的第四实施例的正剖视图。

具体实施方式

现在将参考附图，图1中说明的是进行磁脉冲成形工艺或磁脉冲焊接工艺的装置的一部分，一般标注为10。装置10本身在本领域是常规技术，而所介绍的装置10意在是用于磁脉冲成形工艺或磁脉冲焊接工艺的任何结构的代表。因此，本发明的范围不局限于在图1中所示的具体装置10的使用。所示的装置10包括一放置在金属工件(未示出)周围或内部的感应线圈11。该感应线圈11可以形成任何需要的结构，例如Yablochnikov的专利号为4129846的美国专利中所指出并描述的线圈。该专利的公开内容这里被参考引用。

感应线圈11连接到概略介绍的用于选择性操作同样结构的控制电路上。为了实现此操作，感应线圈11的第一端连接到第一电导线12上，而感应线圈11的第二端通过通过放电开关13连接到第二电导线14上。多个高电压电容器15或其它能量存储装置连接在第一和第二电导线12和14之间。第一电导线12还连接到电源16上，同时第二电导线14通过一充电开关17连接到电源16上。该控制电路的结构和操作在Yablochnikov的专利US5981921中详细地描述了，并且该专利所公开的内容在此被参考引用。

进行磁脉冲成形工艺或磁脉冲焊接工艺的感应线圈11的操作在本领域是公知技术，并且其细节说明仍然参考上述引用专利。然而，简要的说，如图1中所示，该感应线圈11的操作是首先断开放电开关13并闭合充电开关17。这使得电能从电源16被传输到各个电容器15。当电容器15充电到预定电压，断开充电开关17，如图2中所示。此后，当想要激励感应线圈11时，闭合放电开关13，也如图2中所示。结果，一电流的高能脉冲从电容器15流经感应线圈11，因此在工件周围或内部产生一强烈的瞬时电磁场。

在所介绍的实施例中，感应线圈11的尺寸和形状能允许被放置在与工件同心的外围。从而，当感应线圈11被激励并产生电磁场时，一个非常大的力施加在工件的外表面，引起工件远离感应线圈11向内塌陷。然而，如上所述，感应线圈11的尺寸和形状可以能允许被同心地放置在工件内部。在这种情况下，当感应线圈11被通电而产生电磁场时，一个非常大的力施加在工件的内表面，引起其远离感应线圈向外膨胀。取决于产生的电磁场大小和其它因素，感应线圈11既可以用于进行磁脉冲成形工艺，其中工件变形到要求的形状，或者用于磁脉冲焊接工艺，其中两个金属件被永久的固定在一起，如上详细所述。

如上所述，磁脉冲成形工艺和磁脉冲焊接工艺两者都导致在工件的周围或内部产生高能电磁场。为了调节由这些高能电磁场产生的电抗力，通常必须用这样的方式加工感应线圈11以使其有足够的机械强度。然而，经过一段时间，这种电抗力的重复产生可引起磁脉冲成形或焊接设备10上的物理变化。例如，感应线圈11的形状或空间定位由于这些电抗力而发生轻微的变化。这些发生在磁脉冲成形或焊接设备10上的物理变化可导致在一段使用期内磁场强度的局部变化，因而导致磁脉冲成形或焊接工艺稳定性的不希望的变化。

根据本发明，提供一种方法和设备，该方法和设备用于监控在一段时间内进行磁脉冲成形工艺或磁脉冲焊接工艺的装置10的性能，并当必须维持该工艺操作的一致性时调节该磁脉冲成形或焊接工艺的参数。本质上，对于周期性地测量在工件上由电磁场产生的力的大小并比较这些测量结果以确定电磁场的强度是否发生了改变，本发明的方法和设备是有效的。如果任何的这些改变发生，装置10的操作将被调整以对此补偿。

图1说明了根据本发明可用于监控磁脉冲成形或焊接装置10的变形部件20的第一实施例。如图1中所示，变形部件20首先被同心地放置在所述感应线圈11内。可选的，如果感应线圈11的尺寸和形状如上所述的能被同心地放置在工件内，那么变形部件20能首先被同心地放置在感应线圈11的周围。不管这样还是那样，变形部件20可以具体化为当感应线圈11用上述方式激励时能由装置10变形的任何结构。在所述实施例中，变形部件20具体为以金属材料形成的中空圆柱管。

在本发明的方法的下一步骤中，装置10这样操作以使感应线圈11以上述方式激励。结果，变形部件20被放置在感应线圈11内的部分径向地向内变形，如图2中20a处所示。变形部分20a的变形量取决于装置10的总体性能。如果装置10产生以一相对高强度的电磁场，则施加在变形部件20上的力的强度将会相对的大，导致相对大的变形量。另一方面，如果装置10产生相对低的强度的电磁场，则施加在变形部件20上的力的强度会相对小，导致相对小的变形量。通过测量出现在变形部件20的变形部分20a上的变形量，可以确定通过感应线圈11产生的电磁场的强度。

出现在变形部件20的变形部分20a上的变形量可以用任何需要的方式测量。例如，如图3所示，一个简单的测量规21可插入变形部件20内以确定出现的变形量。量规21在本领域是常规技术并可体现为具有任何预定尺寸和形状的结构。当被插入到变形部件20的变形部分20a内时，量规21可提供一变形部件20的变形部分20a的内部尺寸量的通过(pass)/未通过值。因为变形部件20的变形部分20a的内部结构是不均匀的，它的内部尺寸的测定优选使用有圆柱外表面的量规21实现。

如果量规21不能通过变形部件20的变形部分20a，那么可确定由感应线圈11产生的电磁场的强度足够强以确保适当地进行磁脉冲成形工艺或磁脉冲焊接工艺。在这种情况下，装置10可以以通常方式不作调整地连续使用。另一方面，如果量规21可以通过变形部件20的变形部分20a(或者以在其之间有基本数量的游隙可选地通过变形部件20的变形部分20a)，那么可以确定由感应线圈11产生的电磁场的强度不足够强到确保磁脉冲成形工艺或磁脉冲焊接工艺的适当进行。在这种情况下，必须或要求调整装置10的一个或多个上述组件，以在以正常方式连续运行前增加由感应线圈11产生的电磁场强度。装置10的组件的这种调整可以通过任何期望的方式实现，包括增加电源16的能量供应，改变电容器15的存储的电容，以及类似的。

可选地，可以使用多个不同尺寸的量规(未示出)以精确地测量变形部件20的变形部分20a的内部尺寸。通过使用多个不同尺寸的量规，可以采集到关于由感应线圈11产生的电磁场强度的更精确的信息。例如，代替由感应线圈11产生的电磁场强度的简单的通过/未通过值，使用多个不同尺寸的量规会允许由感应线圈11产生的电磁场强度更精确定量。反过来，这允许作出关于设备10的操作的更有益的决定。例如，使用多个不同尺寸的量规允许作出确定，即使装置10在可接受的参数以内运行，在一段时间内由感应线圈11产生的电磁场强度减少。结果，在其达到故障模式前可以预期并调整装置10。而且，多个不同尺寸的量规的使用可促进其它工艺监控工具的使用，例如统计学的工艺控制及类似的。

在本发明的上述实施例中，可以看到变形部件20由于感应线圈11激励后塑性变形。换句话说，变形部件20变形到这样的程度即变形部分20a在感应线圈11停止通电后保持它的已变形形状。然而，不需要变形部件11的这种塑性变形。相反，正如下面将详细说明的，感应线圈11可被激励以仅引起变形部件11的弹性变形，其中，变形部件30变形到这样的程度即变形部分在感应线圈11停止激励后返回到其原始形状。

现在参考图4，说明用于进行磁脉冲成形工艺或磁脉冲焊接工艺的装置10的感应器11以及变形部件的第二个实施例，通常标识为30，其可根据本发明用于监控这些工艺的性能。在该第二实施例中，感应线圈11的激励仅引起变形部件30的弹性变形。换句话说，变形部件30变形到这样的程度即变形部分在感应线圈11停止激励后恢复其初始形状。

变形部件30的第二实施例包括其内部形成有开口32的本体31。在所示的实施例中，本体31通常为圆柱形，而开口32贯穿本体31的纵轴线。然而，变形部件30的本体31可以形成任何所需的形状，开口32可以于本体31内形成在任何需要的位置或方位。传感器33被放置在变形部件30的本体31的中心开口32内。该传感器33可以体现为任何常规的位移、力、应变、压力或其它传感装置，它们对施加到变形部件30本体31上的力起反应，以产生代表其大小的信号。例如，传感器33可以具体体现为一种常规的压电式传感器。

如图4中所示，首先将变形部件30同心地放置在感应线圈11内。接着，操作设备10以上述方式激励感应线圈11。结果，变形部件30被放置在感应线圈11内的部分向内径向弹性变形，并导致施加在传感器33上的压力。如上所述，这种变形及压力的量取决于设备10的整体性能。如果设备10产生相对较高强度的电磁场，那么施加在变形部件30上的力的大小将相对较大，并导致相对较大的变形量。反之，如果设备10产生相对较低强度的电磁场，那么施加在变形部件30上的力的大小将相对较小，并导致相对较小的变形量。传感器33对这种变形量起反应，以产生代表它的信号。因此，该传感器信号表示由感应线圈11所产生的电磁场的强度。这样，传感器信号可以上述方式被应用，以监控磁脉冲成形或焊接工艺的性能，并且在必要时，调节设备10或者磁脉冲成形或焊接工艺的其他参数，从而保持操作的一致性。

如果需要，传感器33可以在本体31的开口32内由一个或多个插件34来支持。在所述的实施例中，在开口32内为传感器33提供两个这样的支持插件34。优选地，开口32的内表面与支持插件34的邻接表面彼此啮合，以对传感器33形成一个预加载力。这种机械预加载力不仅确保变形部件30的多个部件适当地装配在一起，还起着最小化或消除那些可能在邻接表面中存在的任何微小间隙的作用，所述间隙可能导致传感器33不正确的读数。优选地，开口32的内部和一个或者两个支持插件34的一个或两个邻接表面的都是锥形，以易于得到对传感器33的预加载力的精确量，尽管这并不是要求的。

期望增强变形部件30的挠性，以使本体31的各部分对应于施加在其上的力而发生更大的变形。本体31的这种额外变形可利于其中所支持的传感器33对所述力的大小的测量。为达到该目的，可以在本体31中形成一个或多个狭缝或别的开口。在所述实施例中，在变形部件30的本体31中形成第一对对置的狭缝35，每一个通常从中心开口32朝外放射延伸，并终止在位于本体31外表面附近的放大区域35a。类似地，在变形部件30的本体31中形成第二对对置的狭缝36，每一个通常从本体31的外表面朝内放射延伸，并终止在位于中心开口32附近的放大区域36a。狭缝35和36增强变形部件30的挠性以使本体31的各部分可相应于施加在其上的力发生更大的变形。

如果需要，可以设置一个传感器直接测量由感应线圈11产生的电磁场的大小。在所述实施例中，传统的感应量规37被放置在一个狭缝36的放大区域36a中。然而，如果需要，该感应量规37可以被放置在任何其它所需的位置。该感应量规37适合于生成代表由感应线圈11激励时而产生的电磁场大小的信号。从感应量规37得出的信号有助于解释变形测量的结果。

图5是与图4相似的，根据本发明的变形部件第三实施例的端部正视图，所述变形部件通常用附图标记40表示。变形部件40的第三实施例包括其内部形成有开口(未示出)的本体41。在所述实施例中，本体41通常是圆柱形，且开口贯穿本体41的整个纵轴。然而，变形部件40的本体41可以形成任何所需的形状，而开口可以形成于本体41内的任何需要的位置或方位。一个传感器，通常用42表示，被放置在变形部件40的本体41的中心开口内，它。所述传感器42可以具体体现为任何常规的位移，力，应变，压力，或者其他传感装置，它们对施加在变形部件40本体41上的力起反应，以产生代表其大小的信号。

期望增强变形部件40的挠性，以使本体41的各部分对应于施加在其上的力发生更大的变形。本体41的这种额外变形有利于其中支持的传感器42对所述力的大小的测量。为达到该目的，可以在其本体41中形成一个或多个狭缝或别的开口。在所述实施例中，在变形部件40的本体41中形成多个狭缝43，每一个通常从中心开口朝外放射延伸，并终止在位于本体41外表面附近的放大区域43a。在所述实施例中，六个这种狭缝43等距离地形成在变形部件40周围。狭缝43增强变形部件40的挠性以使本体41的各部分相应施加在其上的力发生更大的变形。另外，变形部件40以与上述变形部件同样的方式起作用。

图6是与图4相似，根据本发明的变形部件的第四实施例的端部正视图，所述变形部件通常用附图标记50表示。变形部件50的第四实施例包括在其内部形成有开口52(参见图7)的本体51。在所述实施例中，本体51通常是圆柱形，且开口52贯穿本体51的整个纵轴。然而，变形部件50的本体51可以形成任何所需的形状，而开口52可以形成于本体51内的任何需要的位置或方位。在变形部件50的本体51的中心开口52内布置有传感器，它通常用53表示。所述传感器53可以具体体现为任何常规的位移，力，应力，压力，或者其他传感装置，它们对施加在变形部件50本体51上的力起反应，以产生代表其大小的信号。传感器53的结构将在下面作更具体的描述。

期望增强变形部件50的挠性，以使本体51的各部分可对应于施加在其上的力而发生更大的变形。本体51的这种额外变形有利于其中所支持的传感器53对所述力的大小的测量。为达到该目的，可以在其本体51中形成一个或多个狭缝或别的开口。在所述实施例中，在变形部件50的本体51中形成多个狭缝54，每一个通常从本体51的外表面朝内放射延伸，并终止在中心开口52附近的放大区域54a。在所述实施例中，六个狭缝54等距离地形成在变形部件50周围。狭缝54增强变形部件50的挠性以使本体51的各部分对应于施加在其上的力发生更大的变形。另外，变形部件50以与上述的变形部件同样的方式起作用。

如果需要，可以设置一个传感器直接测量由感应线圈11产生的电磁场的大小。在所述实施例中，可以在一个狭缝54的放大区域54a中放置常规的感应量规55。该感应量规55适合于生成代表由感应线圈11激励时而产生的电磁场的大小的信号。从感应计量器55得出的信号可以上述方式使用。

参照图7来具体描述传感器53的结构。如图所示，传感器53包括一对插头61和62，它们关闭贯穿变形部件50的本体51的中心开口52的端，以限定一个容纳一些液体63的腔。在第一插头61中设置一个阀64，例如常规的单向阀，以便于腔内液体63的进入。在第二插头62中设置一个传感器65，例如常规的液压传感器，以测量腔内液体63的压力，该压力随着上述变形部件50的变形而变化。

按照专利法规的条款，已经在其优选实施例中解释和阐明了本发明的原则与操作方式。然而，必须理解本发明也可用不偏离它的精髓或范围的与这些具体解释和阐明的方式不同的方式实践。

Claims (14)

1.一种监控适合用于磁脉冲成形工艺或磁脉冲焊接工艺的感应线圈的性能的方法，包括以下步骤：

(a)相对于所述感应线圈放置一变形部件；

(b)激励感应线圈以使所述变形部件变形；

(c)测量出现在变形部件上的变形量；并

(d)确定与所述变形部件的变形量对应的感应线圈的性能。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(a)是通过将变形部件放置在感应线圈内部或周围进行的。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(b)是通过激励感应线圈以使变形部件塑性变形而具有一变形部分进行的。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述步骤(c)是通过测量变形部分的尺寸进行的。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述步骤(c)是通过使用一测量量规去测量变形部分的尺寸进行的。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(b)是通过激励感应线圈以将变形部件弹性变形而具有一变形部分进行的。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述步骤(c)是通过测量变形部分的尺寸进行的。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述步骤(c)是通过使用传感器测量变形部分的尺寸进行的。

9.如权利要求1所述的方法，还包括当确定感应线圈的性能不足以确保磁脉冲成形工艺或磁脉冲焊接工艺的适当进行时，调整感应线圈的操作的另外步骤。

10.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(a)是通过设置一管状变形部件进行的。

11.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(a)是通过设置一圆柱形变形部件进行的。

12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述步骤(a)是通过设置具有形成在其中的开口的变形部件进行的，并且所述步骤(c)是通过在所述开口中设置传感器，以测量变形部分的尺寸进行的。

13.如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述步骤(a)是通过设置在其中形成有至少一个狭缝的变形部件进行的。

14.如权利要求11所述的方法，其中所述步骤(a)是通过设置在其中形成有多个狭缝的变形部件进行的。

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