[发明专利]用于扁平零件的磁脉冲焊接的线圈和相关焊接方法

说明书

技术领域

本发明涉及焊接领域，更具体地说，涉及用于将零件永久地组装在一起的磁脉冲焊接领域。本发明特别涉及用于扁平零件焊接的线圈的改善的实施方式。

背景技术

磁脉冲焊接属于冲击焊接方法领域，该方法能够通过两个金属零件在搭接区域中彼此压靠而使两者接合。这种磁脉冲焊接方法的原理主要基于通过由线圈产生的电磁力对零件的高速冲击。

通常，用于实施这种磁脉冲焊接方法的系统包括一个或多个与线圈连接的电容，以生成短暂而强烈的磁场。一个或多个电容用于储存大量的电能。生成的强烈的磁场是将这些电能很快地释放至线圈中的结果。

为了通过这种方法实现将两个零件焊接在一起，至少在所谓的搭接区域上预先将两个零件彼此叠置。将线圈设置在该搭接区域处。称为内部零件的零件是靠近线圈放置且不与之接触的零件，称为外部零件的零件是最远离线圈的零件。预先储存在一个或多个电容中的大量电能以非常高强度的可变电流形式，在很短的时间内突然地释放到线圈中。举例来说，一些系统在几微秒内电流可以达到几十万安培。电流在线圈和内部零件之间产生一个可变磁场，并且在内部零件中感应出涡电流。这些与周围磁场相关联的涡电流在内部零件中形成很大力密度的洛伦兹力。这些力使内部零件产生朝向外部零件的巨大加速度。内部零件在外部零件上的碰撞速度可升高至几百米/秒。当满足某些冲击条件，特别是碰撞角度和碰撞速度时，产生这种冲击，这种冲击一方面，喷射材料将会清洁两个零件的表面；另一方面，压力将会使两个零件材料的原子彼此抵靠以克服它们的自然排斥力，从而形成无熔融的金属接合。然后，内部零件的壁不仅从冶金学观点上被连接至外部零件的壁，还发生了残余变形。

这种磁脉冲焊接方法通常用于通过所谓的环形线圈对管状零件进行组装。这种方法还用于在连续区域或点状区域上对金属板进行平焊。

这种磁脉冲焊接方法的一个优点在于在固体状态对两个零件进行组装，这使得可以解决涉及材料熔融的传统焊接中的所有已知问题。这样能量损失极小，因此待焊接零件几乎不会升温。在焊接过程中零件不发生熔融，从而能够组装具有不同熔点的材料。

但是，磁脉冲焊接方法存在需要强电流以将零件焊接在一起的缺点。使用这种强电流在线圈中产生高温和相当大的应力，可导致线圈不可逆的损坏，例如线圈裂缝或熔化。

这种方法的另一个缺点也在于生成的焊缝的质量。这种焊接不能确保两个零件之间的接触。

焊接必须考虑几个参数，尤其是碰撞角度和碰撞速度。这两个参数与线圈和两个待焊接零件的初始相对位置、零件的材料和所用电流信号相关。

扼要重述，碰撞速度是两个零件之间的径向碰撞速度。还定义碰撞点速度的方向与零件相切。碰撞速度与碰撞点速度通过碰撞角度相关联。这些碰撞速度和碰撞点速度在冲击后发生变化。碰撞点速度可升高至几千米/秒。

碰撞角度定义为碰撞时两个零件的壁之间的夹角。碰撞角度是动态的，即它在碰撞期间发生改变，特别是因为内部零件不均匀地变形。

每对材料取决于焊接窗口，即一组能够产生良好质量焊缝的参数（碰撞角度、碰撞点速度）。改变其中一个参数可对焊缝质量产生影响。尤其是随着碰撞期间碰撞角度的变化，很难保持在焊接窗口内。

发明内容

本发明的目的在于弥补这些缺点。

本发明的目的特别在于提供一种有效解决方案，使得可以焊接所谓的扁平零件，同时确保物体通过这种焊缝获得机械强度并保证良好的焊缝。

因此，本发明涉及一种用于零件的磁脉冲焊接的线圈，其包括一个有效部分，该有效部分的一个称为有效表面的表面在零件的相互搭接区域中朝向其中一个零件。零件具有至少一个平坦的或基本上平坦的表面。

扁平零件应该理解为至少在它们搭接区域中的整体长度或部分长度上，具有至少一个平面表面或者基本上为平面的表面。

有效部分应该理解为线圈中由电能储存单元输出的电流集中和流通，以在线圈处生成磁场的区域。有效区域的厚度基本上对应表层厚度。在高频率下，电流在低于对应表层厚度的厚度上流通。磁脉冲焊接中应用的频率为几十千赫兹，其对应例如由钢材制成的线圈的几毫米的表层厚度。

扁平零件布置为一个位于另一个之上，以在其叠加位置形成搭接区域，然后将搭接区域设置为朝向线圈的有效表面，以在工作区域中通过由线圈生成的磁场进行焊接。其中一个零件，例如最靠近线圈有效表面的零件，至少在工作区域中沿一个给定平面XY延伸。

工作区域为搭接区域中朝向有效表面的部分。该工作区域具有与内部零件和外部零件之间的最大焊接长度相对应的一个工作长度L_WZ。