異種金屬板集磁-控力式磁脈沖連接裝置及其工作方法與流程

文檔序號:18232492發布日期:2019-07-20 01:37
異種金屬板集磁-控力式磁脈沖連接裝置及其工作方法與流程

本發明涉及一種異種金屬板集磁-控力式磁脈沖連接裝置及其工作方法。



背景技術:

目前,在航空航天、武器裝備和汽車制造等領域,汽車輕量化已逐漸成為共識,以鋁合金、鎂合金、鈦合金等為代表的輕質合金與傳統金屬材料的連接因而受到廣泛的關注與重視。由于異種金屬在晶體結構、力學性能、物理性質和化學性質等方面存在巨大差異,傳統的連接技術如弧焊、電阻點焊等方法易使連接界面上生成脆性金屬間化合物,產生熱影響區,形成很大的應力梯度,難以獲得高強度的連接接頭,極大地限制了輕質材料及異種金屬連接件在上述領域的應用,因此,急需研究和開發適用于異種金屬連接的新方法。

磁脈沖焊接作為一種塑性變形連接的先進技術,具有連接過程無需填充物和保護氣體、接頭無熱影響區、能大幅度減少接頭過渡區金屬間相的形成從而顯著提高連接接頭的強度,為一種金屬的連接提供了有效的方式。傳統板材磁脈沖連接的工藝原理如圖1所示,閉合放電開關1,儲能電容器3對單匝線圈8放電產生放電電流10,單匝線圈8周圍會產生強脈沖磁場9,高導電率的飛板5在強脈沖磁場9中會產生感應電流11,磁場的相互作用會產生電磁驅動力12,驅動飛板5高速撞擊靶板7,最終靶板7上形成連接區域13,在毫秒級內實現異種金屬板的冶金連接。

目前,板材磁脈沖連接通常采用單匝線圈(如I型、H型或E型),由于單匝線圈與板坯的耦合程度低,大部分磁力線散布于整個空間體系,連接體系的互感系數低,因而能量利用率較低。同時,由于單匝線圈電感較小,放電電流上升陡度大,脈沖電磁力脈寬小,所以電磁力做功的有效時間短。為了獲得幾百米每秒(≥300m/s)碰撞速度,通常需要大幅度提高放電電壓以提高脈沖電磁驅動力的幅值。但過高的放電電壓易引起線圈壽命短和設備的損壞,同時致使異種金屬板連接的工藝窗口變窄,連接接頭質量難以控制,極大地限制了磁脈沖連接技術在上訴領域的推廣及應用。



技術實現要素:

本發明針對上述現有技術存在的問題做出改進,即本發明所要解決的技術問題是提供一種異種金屬板集磁-控力式磁脈沖連接裝置及其工作方法,不僅結構合理、能量利用率高,而且控制方便、連接接頭質量好,使得工藝窗口變寬。

為了實現上述目的,本發明采用的技術方案是:一種異種金屬板集磁-控力式磁脈沖連接裝置,包括從下往上依次疊置的靶板、隔離板、飛板以及外導座,所述外導座上設有縱向通孔,所述縱向通孔的底部設有第一開口,縱向通孔內縱設有螺線管線圈,所述螺線管線圈的兩端連接有電源系統,所述電源系統為螺線管線圈放電,以使外導座與飛板構成的感應回路產生電磁驅動力;所述隔離板上設有以利于飛板在電磁驅動力的驅動下向下穿過并撞擊在靶板上形成連接區域的第二開口。將線圈設置在外導座中,使更多的磁力線匯集在放電線圈與外導座之間的間隙,使該處的磁力線密度增大(即集磁作用),控制板坯感應電流的方向,使感應電流方向的一致性得到加強,進而飛板受到的電磁力也得到加強(即控力作用)。此外,電磁驅動力()的幅值和脈寬可通過改變螺線管線圈參數、放電電壓、外導座型式和材質等進行主動調節,增加驅動力的調節柔性。

進一步的,還包括底座和壓板,所述底座上設有用以容置靶板、隔離板、飛板以及外導座下端的凹部;所述壓板設置在外導座的頂面,壓板左右兩端與底座之間經由連接件連接,以向下壓緊外導座。

進一步的,所述底座的左右兩端對稱設有若干個沿縱向并排分布的豎向沉孔;所述壓板的左右兩端對稱設有與若干個豎向沉孔的位置一一對應的若干個連接通孔;所述連接件包括內六角螺栓和鎖緊螺母,所述內六角螺栓從下往上依次貫穿豎向沉孔和連接通孔,所述鎖緊螺母位于壓板的上側且與內六角螺栓螺紋連接,實現鎖緊。

進一步的,所述電源系統包括串接在螺線管線圈兩端之間的儲能電容器、分壓電阻以及放電開關,所述放電開關用于控制放電回路電流的通斷,所述的分壓電阻用于控制儲能電容器兩端的電壓。

進一步的,所述外導座和螺線管線圈均由高導電率材料制成;所述飛板由高導電或低導電率材料制成。

進一步的,當飛板由低導電率材料制成時,飛板的表面鍍有高導電率材料。

進一步的,所述靶板由金屬材料制成;所述隔離板由絕緣材料制成。

進一步的,所述底座和壓板均由絕緣材料制成。

本發明采用的另一種技術方案是:一種異種金屬板集磁-控力式磁脈沖連接裝置的工作方法,包含如下步驟:

步驟S1:閉合放電開關,通電的螺線管線圈周圍會產生強磁場,處于強磁場中的飛板產生感應電流和感應磁場,兩磁場相互作用產生電磁驅動力;

步驟S2:當產生的電磁驅動力達到飛板的屈服強度時,就會驅動飛板向下高速撞擊靶板,在靶板上形成連接區域,實現異種金屬板的冶金連接。

與現有技術相比,本發明具有以下效果:本發明結構設計簡單、合理,通過將螺線管線圈設置在外導座內,實現集磁、控力的目的,使得產生柔性可調的電磁驅動力,拓寬磁脈沖連接工藝的窗口,解決了傳統磁脈沖連接技術能量利用率低和連接質量難以控制的問題。

附圖說明:

圖1是傳統磁脈沖連接原理示意圖;

圖2是本發明實施例的原理示意圖;

圖3是本發明實施例的立體構造示意圖;

圖4是本發明實施例中底座的立體構造示意圖;

圖5是本發明實施例中隔離板的立體構造示意圖;

圖6是本發明實施例中外導座的立體構造示意圖;

圖7是本發明實施例中壓板的立體構造示意圖。

圖中:

1-放電開關;2-分壓電阻;3-儲能電容器;4-壓緊力;5-飛板;6-隔離板;7-靶板;8-單匝線圈;9-磁場方向;10-放電電流;11-感應電流;12-電磁驅動力;13-連接區域;14-外導座;15-螺線管線圈;16-底座;17-內六角螺栓;18-壓板;19-鎖緊螺母;20-凹部;21-第一開口;22-第二開口;23-縱向通孔;24-豎向沉孔;25-連接通孔。

具體實施方式:

為了更清楚地解釋本發明,下面結合附圖與實施例對本發明做進一步說明,顯而易見地,下面所列的附圖僅僅是本發明的一些具體實施例。

如圖2~7所示,本發明一種異種金屬板集磁-控力式磁脈沖連接裝置,包括從下往上依次疊置的靶板7、隔離板6、飛板5以及外導座14,所述外導座14上設有縱向通孔23,所述縱向通孔23的底部設有第一開口21,縱向通孔23內縱設有螺線管線圈15,所述螺線管線圈15的兩端通過導線連接有電源系統,所述電源系統為螺線管線圈15放電,以使外導座14與飛板5構成的感應回路會產生與放電電流10相反方向的感應電流11,產生電磁驅動力12;當電磁驅動力12達到飛板5的屈服強度時,就會驅動飛板5向下高速撞擊靶板7,最終在靶板7上形成連接區域13,毫秒級內實現異種金屬板的冶金連接;所述隔離板6上設有以利于飛板5在電磁驅動力12的驅動下向下穿過的第二開口22。

本實施例中,還包括底座16和壓板18,所述底座16上設有用以容置靶板7、隔離板6、飛板5以及外導座14下端的凹部20;所述壓板18設置在外導座14的頂面,壓板18左右兩端與底座16之間經由連接件連接,以向下壓緊外導座14。

優選的,所述底座16的左右兩端對稱設有若干個沿縱向并排分布的豎向沉孔24;所述壓板18的左右兩端對稱設有與若干個豎向沉孔24的位置一一對應的若干個連接通孔25;所述連接件包括內六角螺栓17和鎖緊螺母19,所述內六角螺栓17從下往上依次貫穿豎向沉孔24和連接通孔25,所述鎖緊螺母19位于壓板18的上側且與內六角螺栓17螺紋連接,實現鎖緊,完成整個裝置的壓緊。

本實施例中,所述電源系統包括串接在螺線管線圈15兩端之間的儲能電容器3、分壓電阻2以及放電開關1,所述放電開關1用于控制放電回路電流的通斷,所述的分壓電阻2用于控制儲能電容器3兩端的電壓。

本實施例中,所述外導座14由高導電率材料制成(如鋁、銅等),外導座14的形狀并不限于圖中所示的外形,應根據實際工藝需要作相應的設計。外導座14上第一開口側與飛板5通過預緊力連接在一起,構成感應回路。

本實施例中,所述螺線管線圈15由高導電率材料制成,以便為感應回路提供強脈沖磁場。

本實施例中,所述飛板5可以為高導電或低導電率材料制成;當飛板5由高導電率材料制成時,飛板不需任何處理;當飛板由低導電率材料制成時,飛板的表面鍍有高導電率材料涂層,以提高飛板5的導電性能;飛板5的厚度應適當,否則不利于飛板5的塑性變形。

本實施例中,所述靶板7由金屬材料制成,對材料的導電率及板厚不作要求。

本實施例中,所述隔離板6由絕緣材料制成,用于飛板5和靶板7的隔離,隔離板6上的第二開口為飛板5高速撞擊靶板7提供加速空間。

本實施例中,所述底座16和壓板18均由絕緣材料制成;優選的,底座16的左右兩端分別設置三個豎向沉孔24,壓板18左右兩端的連接通孔25也均為三個。

本實施例中,金屬板材所受電磁驅動力取決于板坯中的感應電流密度及其周圍的磁場()。在異種金屬板磁脈沖連接裝置中引入外導座,一方面,使更多的磁力線匯集在放電線圈與外導座之間的間隙中,該處磁力線密度增大(即“集磁”作用),同時提高了整個感應體系的互感系數,從而大大的提高了能量利用率;另一方面,控制了板坯感應電流的流向,使板坯感應電流方向的一致性得到加強,因而飛板所受到電磁力也得到加強(即“控力”作用)。

本發明的優點在于:

(1)電磁驅動力()的幅值和脈寬可通過改變螺線管線圈參數、放電電壓、外導座型式和材質等進行主動調節,大大增加了驅動力的調節柔性;

(2)電磁驅動力沿螺線管線圈軸向分布較為均勻,因而能夠較好的控制異種金屬板磁脈沖連接的接頭質量,拓寬了磁脈沖連接技術的窗口;

(3)連接能量利用率高,放電電壓低可提高線圈使用壽命,在較低的放電能量即可實現異種金屬板的冶金結合,為異種金屬板的連接提供了新的加工途徑;

(4)與傳統異種金屬板磁脈沖連接相比,當飛板為低導電率材料時,對飛板進行鍍層處理,不僅適用于高導電率材料的連接亦適用于低導電率材料的連接,解決傳統磁脈沖連接技術只適用于高導電率材料連接的問題;

(5)與傳統異種金屬板連接工藝相比,具有連接接頭質量較高及接頭密封性能好的優點。

本發明采用的另一種技術方案是:一種異種金屬板集磁-控力式磁脈沖連接裝置的工作方法,包含如下步驟:

步驟S1:儲能電容器3兩端伸出的導線連接到螺線管線圈15的兩端,然后閉合放電開關1,通電的螺線管線圈15周圍會產生強磁場,處于強磁場中的飛板5產生感應電流和感應磁場,兩磁場相互作用產生電磁驅動力12;

步驟S2:當產生的電磁驅動力12達到飛板5的屈服強度時,就會驅動飛板5向下高速撞擊靶板7,在靶板7上形成連接區域13,實現異種金屬板的冶金連接。

以上所述僅為本發明的較佳實施例,凡依本發明申請專利范圍所做的均等變化與修飾,皆應屬本發明的涵蓋范圍。

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