[发明专利]一种基于模块化集磁器结构的电磁成形与焊接装置及应用

说明书

本发明公开了一种基于模块化集磁器结构的电磁成形与焊接装置及应用，包括脉冲电源、驱动线圈和模块化集磁器，模块化集磁器由多个同轴排布的集磁单元组合而成，各集磁单元均采用环形柱状结构，且各集磁单元的内表面和外表面之间均设有一条贯穿的缝隙；待加工工件穿设在同轴设置的各集磁单元的中心通孔处，模块化集磁器靠近驱动线圈一侧的面积大于其靠近待加工工件一侧的面积；工作时，通过旋转集磁单元，可改变各集磁单元缝隙间的相对夹角，调节工件附近磁场和电磁力沿环向分布的均匀性；通过改变集磁单元的数目，可实现模块化集磁器单次加工区域长度的改变。本发明采用模块化集磁器结构，可提升磁场分布的均匀度，增强加工尺寸范围的灵活性。

技术领域

本发明属于电磁加工制造技术领域，更具体地，涉及一种基于模块化集磁器结构的电磁成形与焊接装置及应用。

背景技术

随着轻量化技术的推进，镁、铝、铜等金属及其合金材料的应用已成为船舶、车辆、航空航天等领域提高装备运载能力的一种重要途径，电磁成形和磁脉冲焊接作为一种高速率、非接触的加工方式，被广泛应用到镁、铝、铜等金属及其合金材料的成形和异种金属的焊接中。

现有的电磁制造存在的主要问题有：(1)能量利用率较低，主要针对薄壁小尺寸的工件，如果需要加工更大尺寸的工件，则需要更多的能量输入来产生足够强的驱动压力驱使工件加速变形；(2)为了提高电磁制造中能量的利用率，通常采用线圈配合使用集磁器的方式，集磁器的引入虽然提高了电磁力和能量利用率，但是外表面到内表面之间至少具有一个径向贯通的缝隙，使得磁能可以传递到集磁器内表面而不会被约束在线圈与集磁器外表面之间，而缝隙的存在使得磁场和电磁力沿环向分布不均，缝隙处的磁场和电磁力相比于其他位置存在明显地降低，这使得缝隙对应区域的电磁力和工件运动会速度都相对较低，特别是在管件焊接中，缝隙位置的强度会直接影响到整个工件的力学强度和整体性能；(3)成形和焊接的加工长度相对受限，一套线圈和集磁器装置只能针对特定长度的工件，使得加工相对受限，不能灵活地改变加工区域尺寸。

因此，如何解决电磁成形和磁脉冲焊接中集磁器缝隙附近工件环向受力不均和单次加工区域长度难以调节的问题，是目前急需研究的。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于模块化集磁器结构的电磁成形与焊接装置及应用，通过模块化集磁器的使用，调控集磁器缝隙对磁场分布的影响、改变加工区域长度，能有效解决电磁成形和磁脉冲焊接中工件环向受力不均和加工区域难以改变的棘手问题。

为实现上述目的，第一方面，本发明提供了一种基于模块化集磁器结构的电磁成形与焊接装置，包括脉冲电源、驱动线圈和模块化集磁器，所述脉冲电源与驱动线圈通过同轴电缆实现电气连接，驱动线圈与模块化集磁器同轴可拆卸式设置；

其中，模块化集磁器由多个独立且同轴排布的集磁单元及设置在各集磁单元之间的绝缘层组合而成，各集磁单元均采用中心通孔设置的环形柱状结构，且各集磁单元的内表面和外表面之间均设有一条贯穿的缝隙；待加工工件穿设在同轴设置的各集磁单元的中心通孔处，模块化集磁器靠近驱动线圈一侧的面积大于其靠近待加工工件一侧的面积；

工作时，根据加工区域长度和磁场强度要求选择不同个数的集磁单元组合，加工区域长度为模块化集磁器靠近待加工工件一侧的长度；然后通过旋转相应集磁单元，使该集磁单元缝隙位置与其他集磁单元的非缝隙位置相对应设置；最后开启脉冲电源放电在驱动线圈中产生脉冲电流，进而产生脉冲磁场，脉冲磁场和磁能经过模块化集磁器的集磁和矫形作用后传递到待加工工件表面，并驱动待加工工件变形，完成待加工工件的成形或焊接操作。

在其中一个实施例中，所述集磁单元的个数为模块化集磁器总的内壁长度不小于加工区域长度的最小个数。

在其中一个实施例中，所述模块化集磁器总的外壁面积和外壁长度根据模块化集磁器结构的强度和驱动线圈安匝数进行相应设置。

在其中一个实施例中，各集磁单元缝隙的夹角为360/n，n为集磁单元的个数。