[发明专利]异种金属杆与金属板结构件连接的磁脉冲成形设备及方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种异种金属杆与金属板结构件连接的成形设备及方法，属于异种金属材料连接领域。

背景技术

金属杆与金属板类结构件被广泛用于舰船、特种车辆、建筑等工程技术领域。一般金属杆为直径5～25mm的螺杆类紧固件、套管及钉类件，材料为铁磁或非铁磁性的金属及其合金。而金属板结构件常为经金属板材成形得到的壳类结构件，厚度1～10mm。

把金属杆状紧固件连接到金属壳体结构上是很困难的，通常需要焊接中间过渡单元、钻孔和在金属杆件上加工螺纹等工序。此过程一般经手工电弧焊、气体保护焊或电阻凸焊等工艺完成。但是，上述传统焊接工艺过程常产生金属杆与金属板结构件烧蚀、难以保证金属杆件高度、金属杆件相对于金属板结构件发生扭曲变形等缺陷。其中，修复被烧蚀损坏的螺纹是一项需要高昂的人工成本的工作。

上述问题发生的主要原因在于金属板结构件和金属杆件在焊接过程中传热条件的差异，当二者是同种或异种非铁磁性金属材料时，这种差异更显著。电容放电焊被用于连接高热导率的金属杆与金属板结构件，但是，它本质上是一种脉冲电弧焊接方法，用弹簧或者液压系统实现焊枪的升降及焊接过程的压力作用，难以实现焊接过程中金属杆件与金属板结构件的剧烈塑性变形，仍然通过连接区的熔化和凝固获得焊接接头。但是这种工艺并不适于异种金属材料的焊接。

磁脉冲成形是利用脉冲电容器对螺线管线圈（对应管件成形）或平板线圈（对应平板成形）瞬时放电，在线圈和工件之间产生脉冲磁场力，从而实现工件变形的高速率成形方法，具有提高金属材料成形极限、加载速率高、模具简单、成形精度高等优点，在高导电率金属材料成形方面具有显著优势，如各种牌号的铝合金和紫铜等。根据平板磁脉冲成形工艺原理，脉冲磁场力除了用于成形板材外，还能转化为机械冲击载荷，可用于粉末致密、金属晶粒细化及铆接等。但是，一般的磁脉冲成形过程中，脉冲大电流只流过线圈，与工件完全绝缘隔离，工件中只有感应电流，且电容放电焊所用外压力仅用于限位，因此，磁脉冲成形过程没有利用到大电流流经接触界面产生的焦耳热效应，而电容放电焊利用电弧热使杆-板界面金属熔化，通过熔化和凝固的过程实现连接，但是这种过程对异种金属连接是不利的，常在焊接接头中产生脆性金属间化合物和应力集中，导致焊接接头易裂。

发明内容

本发明的目的是提供一种异种金属杆与金属板结构件连接的磁脉冲成形设备及方法，本发明通过把平板线圈电流和所产生的瞬时冲击载荷同时引入到金属杆与金属板结构件焊接过程中，以克服电容放电焊所用外压力仅用于限位的不足，并改变电容放电焊电弧作用下的液相连接机制，从而在瞬时脉冲电流和冲击载荷的共同作用下，实现异种金属杆与金属板结构件的室温固态连接。

本发明为实现上述目的采取的技术方案是：

方案一：异种金属杆与金属板结构件连接的磁脉冲成形设备，所述磁脉冲成形设备包括磁脉冲控制电路、压板一、绝缘线圈骨架、线圈、驱动块、绝缘套、金属导套及压板二；

所述线圈置于压板一的上端面，线圈为绝缘线圈，线圈被灌封在绝缘线圈骨架中，绝缘线圈骨架与压板一的上端面固接，所述驱动块设置在绝缘线圈骨架上端面，所述金属导套固定在驱动块上端面，驱动块的中心处设有通孔，所述磁脉冲控制电路的一个输出端与线圈的一接线端相连，线圈的另一接线端从绝缘线圈骨架内伸出，并进入驱动块的通孔内与驱动块固接，金属导套内嵌有绝缘套，压板二设置在金属导套的正上方，磁脉冲成形前，将所述金属杆的下端嵌入绝缘套内，金属杆的正上方水平设置金属板结构件，金属板结构件的上端面与压板二下端面紧密接触，线圈的所述另一接线端与金属杆下端面紧密电连接，磁脉冲控制电路的另一个输出端与所述金属板结构件相连。

方案二：利用方案一所述磁脉冲成形设备实现异种金属杆与金属板结构件连接的方法，所述方法步骤是：

步骤一：高压脉冲电容器充电；在所述磁脉冲成形设备内部，外网电压经高压变压器升压后，电压升至1000～5000伏，通过整流器把工频交流电变成直流电，再经过限流电阻对高压脉冲电容器进行直流充电，高压脉冲电容器电容量为800～4000微法，当充电到预定电压值后断开由高压变压器、整流器、限流电阻及高压脉冲电容器组成的充电电路，所述预定电压值为1000～5000伏；

步骤二：高压脉冲电容器放电；先将金属杆的上端面与金属板结构件的待接触面紧密接触，接通高压开关，存储在高压脉冲电容器中的电荷通过连接线经线圈匝线放电；