[发明专利]一种集磁器、电磁成形的冲击焊接装置及应用

说明书

本发明公开了一种集磁器、电磁成形的冲击焊接装置及应用，属于金属成形与焊接制造技术领域，包括驱动线圈、集磁器、电源。将集磁器与金属工件相邻放置，驱动线圈与集磁器相邻放置，电源通过电缆与驱动线圈连接。当电源开关闭合后，驱动线圈在周围产生脉冲磁场，脉冲磁场通过集磁器将电磁力集中于目标成形区域，实现预期变形。通过增大集磁器缝隙长度减小了平均电流密度、磁场强度、磁能密度，进而降低成形与焊接过程中集磁器缝隙处的磁能损耗，提升了装置的能量利用效率，提升了系统制造能力及使用寿命。本发明可广泛应用于目前所有集磁器的缝隙几何形貌改造，因而可广泛应用于不同形状、尺寸、材质的板管类零件的电磁成形与冲击焊接工艺中。

技术领域

本发明属于金属成形与焊接制造技术领域，更具体地，涉及一种集磁器、电磁成形的冲击焊接装置及应用。

背景技术

社会发展对制造技术提出了越来越高的要求，导致现有常规制造工艺在诸多领域面临瓶颈。例如，为实现节能减排，汽车车身越来越普遍使用高强铝等轻质合金材料，其温室成形性能较差，常规成形工艺易出现减薄严重、回弹大、起皱等缺陷，难以满足高性能构件加工需求。此外，为提升相关装备的整体性能，汽车、核能等领域提出多种金属复合使用的策略(如铝-钢、铝-铜、铝-钛等)，根据不同材料的物性特点，在构件不同区域使用不同金属，通过优化组合实现整体性能的最优化。为实现多种金属材料复合使用这一构想，须发展异种金属材料的高性能复合连接技术。然而，由于不同金属熔点、热导率、热膨胀系数等显著差异，基于熔融-扩散的常规焊接工艺容易出现裂纹、应力集中、脆性区等缺陷，难以满足异种金属材料的高强度连接需求。

已有大量文献表明，基于脉冲电磁力的电磁脉冲成形与冲击焊接技术，在提高材料成形极限与异种金属间焊接强度与疲劳性能方面具有显著优势和巨大的应用前景，已成为先进制造领域的研究热点之一。其采用脉冲电磁力驱动金属工件发生高速变形，实现金属塑性变形加工与焊接。其中，电磁脉冲成形通过控制脉冲电磁力时空分布，控制金属材料的高速变形，进而控制工件形貌调控演变，达到塑性变形加工目的；电磁脉冲焊接采用脉冲电磁力将金属工件加载至300m/s以上速度，通过异种金属材料间高速碰撞时发生的界面局部剧烈塑性变形产生局部熔融，进而实现异种金属材料间的高性能复合连接。

在电磁脉冲成形与冲击焊接工艺中，电磁力的幅值与空间分布进而实现电磁力的高效、可控加载，是实现高性能制造的核心，通常通过驱动线圈与集磁器共同实现。其中，驱动线圈与电容器电源相连，将电容器储存电能转换为线圈周围空间的磁能；集磁器，则进一步通过良导体材质改变线圈磁场的磁通路径，达到进一步调控磁场的空间分布的目的。集磁器结构设计灵活，赋予了极高的工艺设计自由度，因而被广泛用于满足不同制造需求；特别地，电磁脉冲焊接中，集磁器可通过磁能的聚集显著增强局部磁场的强度，提高焊接能力，已成为了实现高性能电磁脉冲焊接不可缺少的器件。

根据不同的成形与焊接需求，集磁器通常具有不同的结构，形式繁多；但所有集磁器都有一个共同的特征，即包含了贯通的缝隙，以实现“集磁器-驱动线圈临近的表面”以及“集磁器-金属工件临近表面”两个表面涡流的贯通，进而实现驱动线圈与工件之间的间接电磁耦合，实现磁场的有效加载与调控。但缝隙的存在也导致了一个副作用，即，磁能的损耗——分布于集磁器缝隙处的磁能，可能降低电磁脉冲成形与冲击焊接工艺的能量利用效率。研究表明，集磁器缝隙处的磁能密度和等效体积，均可与目标加载区域的磁能密度及目标加载区域体积相当，其磁能损耗不能忽略。为构建高效的电磁脉冲成形与焊接系统，有必要对集磁器缝隙结构进行优化，降低这一区域的磁能损耗，进而提高系统能量效率。根据文献和专利调研，关于这一问题还未有系统研究，也未找到有效解决方案。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种集磁器、电磁成形的冲击焊接装置及应用，其目的在于通过多条首尾圆弧连接的切槽构成集磁器缝隙，使集磁器缝隙的长度大于集磁器轴线的长度，由此解决集磁器缝隙区域磁能损耗高导致电磁成形与焊接系统能量利用率低的技术问题。