一种金属板料成形与焊接的装置及其方法

摘要

本发明涉及一种金属板料成形与焊接的装置及其方法，包括绝缘底座、设置在绝缘底座上的下垫块、设置在下垫块上方的上压块，所述上压块与下垫块之间从上往下依次设有靶板、飞板、金属箔片以及待成形板，所述金属箔片的两端分别与供电装置的正、负极接线端子相连接，所述靶板的顶面设有向上凸起的局部凸起部，所述上压块的底面设有用于与局部凸起部相配合的容置凹腔；所述下垫块的顶面设有与局部凸起部的形状相适应的成型凹腔。本发明设计合理，在焊接的同时可以进行板件成形，并且成形后所得的板件又可用作于下一次焊接的靶板，成形与焊接效果好，而靶板与飞板之间无需使用垫板，可减少装配、定位时间，提高效率，实现连续化生产。

说明书

技术领域：

本发明属于金属材料塑性加工的高能率成形领域，尤其涉及一种金属板料成形与焊接的装置及其方法。

背景技术：

高能率成形是指在短时间内通过释放巨大能量使金属发生变形的成形方法。研究表明，在高应变速率下，材料的成形性能高于传统成形加工下的成形性能，使材料的极限成形能力得到显著提高，这种现象称为“高塑性”。材料的高能率成形属于动态过程，而非传统加工方法的准静态过程，在这种动态过程中，材料会发生组织相变、晶体孪生和绝热剪切等动力学行为，能够有效降低难变形材料的成形难度和变形回弹。

高能率成形包括爆炸成形、电液成形、电磁成形等多种方式，其中高能率成形的焊接技术有爆炸焊接、磁脉冲焊接、激光冲击焊接和箔气化焊接。然而，针对异种金属的连接方法来说，爆炸焊接威力巨大须在野外进行作业，难以实现薄板或小区域的焊接，并且炸药的使用受到诸多因素限制。磁脉冲焊接适用于导电性能良好的材料，导电率低的材料需要借助铝或铜驱动器间接推动，不仅使材料成本上升，焊接之后驱动器和工件的分离步骤也增加了工艺时间。此外用于高温、高压条件下可靠的电磁驱动器不存在或使用寿命有限。激光冲击焊接是新的工艺技术，存在许多不足，还需继续投入大量的人力与时间进行研究完善。

箔气化焊接也叫电爆成形，即在金属箔上施加脉冲电流，使其迅速升温汽化，短时间内生成大量膨胀的气体引起强烈的机械冲击，可以产生几个GPa的驱动力。然而，一般的电爆成形需要在飞板和靶板间添加垫板，每次连接时都需要重复的拆卸定位，较为繁琐，不利于进行连续化的生产。

发明内容：

本发明针对上述现有技术存在的问题做出改进，即本发明所要解决的技术问题是提供一种金属板料成形与焊接的装置及其方法，不仅设计合理，而且方便进行连续化生产。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种金属板料成形与焊接的装置，包括绝缘底座、设置在绝缘底座上的下垫块、设置在下垫块上方的上压块，所述上压块与下垫块之间从上往下依次设有靶板、飞板、金属箔片以及待成形板，所述金属箔片的两端分别与供电装置的正、负极接线端子相连接，所述靶板的顶面设有向上凸起的局部凸起部，所述上压块的底面设有用于与局部凸起部相配合的容置凹腔；所述下垫块的顶面设有与局部凸起部的形状相适应的成型凹腔。

进一步的，所述绝缘底座的上方设有连接臂，所述连接臂的一端连接有竖向调节组件，连接臂的另一端与上压块固定连接。

进一步的，所述绝缘底座上设有支撑垫块，所述竖向调节组件包括竖向螺杆和平行设于竖向螺杆两侧的一对竖向导杆，所述竖向螺杆和竖向导杆的下端均设置在支撑垫块上，竖向螺杆和竖向导杆均沿竖向滑动贯穿连接臂，所述连接臂的上下两侧均设有与竖向螺杆相螺接的调高螺母；所述支撑垫块顶面设有与竖向螺杆相螺接的锁紧螺母。

进一步的，所述绝缘底座上设有用于容置支撑垫块的第一安装槽，所述第一安装槽的旁侧设有用于容置下垫块的第二安装槽，所述第二安装槽沿前后方向贯通。

进一步的，所述下垫块的左右两侧设有一对传导铜条，一对传导铜条的后端分别与金属箔片的左右两端相连接，一对传导铜条的前端分别与供电装置的正、负极接线端子相连接。

进一步的，所述传导铜条的后端上方设有用于将金属箔片压设在传导铜条顶面的箔片压块，所述箔片压块通过第一固定螺钉与传导铜条相连接；所述传导铜条的前端上方设有压线块，所述压线块用于将接线端子压设在传导铜条顶面，压线块通过第二固定螺钉与传动铜条相连接。

进一步的，所述金属箔片呈中间狭窄、两端宽的类哑铃状。

进一步的，所述下垫块和金属箔片的外侧均包裹有PET聚酯薄膜。

进一步的，所述供电装置包括升压变压器、整流器、限流电阻、储能电容器和高压开关，所述升压变压器的初级线圈外接380V交流电，所述升压变压器的次级线圈串接整流器和限流电阻，并经正、负极接线端子与一对传导铜条电性连接，所述储能电容器并联于正、负极接线端子之间，所述高压开关连接于储能电容器并联端与接线端子之间，通过一对传导铜条将供电装置与金属箔片形成回路，以传导瞬时脉冲大电流。

本发明采用的另外一种技术方案是：一种金属板料成形与焊接的方法，包含如下步骤：

步骤S1，工装夹紧：将待成形板置于处理好的金属箔片下方，将飞板置于金属箔片上方，将靶板置于飞板上方，用箔片压块固定住金属箔片，用压线块固定住正、负极接线端子，通过调高螺母调节上压块的高度，以向下施加夹紧力；

步骤S2，电容充电；380V交流电先经过变压器进行升压，再通过整流器将交流电转化为直流电，然后通过限流电阻对储能电容器充电，充电达到预定电压后，断开充电回路；

步骤S3，放电加工：接通高压开关，储能电容器释放瞬时脉冲大电流，通过传导铜条对金属箔片放电，金属箔片迅速升温汽化，产生大量膨胀气体进而产生上下两个方向的驱动力；在金属箔片上方，飞板受力高速碰撞靶板实现焊接；在金属箔片下方，待成形板受力靠紧贴合成型凹腔，变为具有局部凸起部的板件。

与现有技术相比，本发明具有以下效果：本发明设计合理，在焊接的同时可以进行板件成形，并且成形后所得的板件又可用作于下一次焊接的靶板，成形与焊接效果好，而靶板与飞板之间无需使用垫板，可减少装配、定位时间，提高效率，实现连续化生产。

附图说明：

图1是本发明实施例的立体构造示意图；

图2是本发明实施例的分解状态示意图；

图3是本发明实施例中供电装置的构造示意图；

图4是本发明实施例中预紧状态的构造示意图；

图5是本发明实施例中加工时成形方向示意图；

图6是本发明实施例中绝缘底座的俯视示意图；

图7是本发明实施例中支撑垫块的俯视示意图；

图8是本发明实施例中连接臂的俯视示意图；

图9是本发明实施例中金属箔片的构造示意图；

图10是本发明实施例中成型后板件（靶板）的构造示意图。

图中：

1-绝缘底座；101-第一安装槽；102-第二安装槽；103通孔；104-定位螺孔；2-竖向导杆；3-竖向螺杆；4-支撑垫块；401-第二定位孔；402-第一定位孔；5-传导铜条；6-压线块；7-下垫块；701-成型凹腔；8-待成形板；9-第二固定螺钉；10-螺母；11-箔片压块；12-金属箔片；13-第一固定螺钉；14-飞板；15-靶板；151-局部凸起部；16-上压块；161-容置凹腔；17-调高螺母；18-连接臂；181-滑动通孔；182-竖向通孔；183-沉头孔；19-连接螺钉；21-高压开关；22-储能电容器；23整流器；24-限流电阻；25-升压变压器；26-初级线圈；27-次级线圈；28-正、负极接线端子；29-锁紧螺母。

具体实施方式:

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的说明。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“ 纵向”、“ 横向”、“ 上”、“ 下”、“ 前”、“ 后”、“ 左”、“ 右”、“ 竖直”、“ 水平”、“ 顶”、“ 底”、“ 内”、“ 外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

如图1～10所示，本发明一种金属板料成形与焊接的装置，包括绝缘底座1、下垫块7和上压块16，所述下垫块7设置在绝缘底座1上，所述上压块16设置在下垫块7的上方，所述上压块16与下垫块7之间从上往下依次设有靶板15、飞板14、金属箔片12以及待成形板8，飞板14与靶板15组成待连接（焊接）的金属板材，所述下垫块7用于支撑待成形板8，上压块16将靶板15、飞板14、金属箔片12以及待成形板压8设在下垫块7上，所述金属箔片12的两端分别与一供电装置的正、负极接线端子28相连接，所述靶板15的顶面设有向上凸起的局部凸起部151，所述上压块16的底面设有用于与局部凸起部151相配合的容置凹腔161；所述下垫块7的顶面设有与局部凸起部151的形状相适应的成型凹腔701，以利于待成形板8在成型凹腔701内形成局部凸起部，最终得到成型后的板件。工作时，供电装置对金属箔片12供电，金属箔片12迅速升温汽化，产生大量膨胀气体进而产生上下两个方向的驱动力；在金属箔片12上方，飞板14受力高速碰撞靶板15实现焊接；在金属箔片12下方，待成形板8受力靠紧贴合成型凹腔701，变为具有局部凸起部的板件，该板件可用作下一次焊接时的靶板。

本实施例中，所述绝缘底座1的上方水平设有连接臂18，所述连接臂18的一端连接有竖向调节组件，连接臂18的另一端位于上压块16的上方，连接臂18与上压块16通过连接螺钉19实现连接固定。竖向调节组件用于沿竖向调节连接臂的位置，连接臂带动上压块移动，以实现向下施加夹紧力。

本实施例中，所述绝缘底座1上于下垫块7的旁侧设有长方体状的支撑垫块4，所述支撑垫块4用于支撑竖向调节组件，支撑垫块4的中部设有竖向贯通的第一定位孔401，所述第一定位孔401的左右两侧设有一对第二定位孔402。

本实施例中，所述竖向调节组件包括竖向螺杆3和平行设于竖向螺杆3两侧的一对竖向导杆2，所述竖向螺杆3的下端安装在支撑垫块4的第一定位孔401内，所述竖向导杆2的下端安装在在支撑垫块4的第二定位孔402内，支撑垫块4对竖向螺杆3和竖向导杆2进行支撑定位。所述连接臂18上开设有竖向通孔182，所述竖向通孔182的左右两侧设有滑动通孔181，所述竖向螺杆3沿竖向滑动贯穿竖向通孔182，竖向导杆2沿竖向滑动贯穿滑动通孔181，所述连接臂18的上下两侧均设有与竖向螺杆3相螺接的调高螺母17，通过上下两侧的调高螺母17将连接臂18与竖向螺杆3连接固定，通过旋动调高螺母17，即可调节连接臂18的高度。竖向螺杆、竖向导杆、支撑垫块、上压块以及连接臂组合形成夹紧机构，通过调高螺母调节连接臂的高度，进而使上压块能够提供一个向下的压紧力F（如图4所示），用于抵抗汽化爆炸产生的冲击力，保证整体装置的稳定。

本实施例中，为了方便固定住竖向螺杆，所述支撑垫块4顶面设有与竖向螺杆18相螺接的锁紧螺母29，利用锁紧螺母将竖向螺杆与支撑垫块固定。

本实施例中，所述绝缘底座1上设有用于容置支撑垫块4的第一安装槽101，所述第一安装槽101的旁侧设有用于容置下垫块7的第二安装槽102，所述第二安装槽沿前后方向贯通。

本实施例中，所述下垫块7的左右两侧设有固定在绝缘底座1的一对传导铜条5，一对传导铜条5的后端分别与金属箔片12的左右两端相连接，一对传导铜条5的前端分别与供电装置的正、负极接线端子28相连接。

本实施例中，所述传导铜条5的后端上方设有用于将金属箔片12压设在传导铜条5顶面的箔片压块11，所述箔片压块11通过第一固定螺钉13与传导铜条5相连接；所述传导铜条5的前端上方设有压线块6，所述压线块6用于将正、负极接线端子28压设在传导铜条5顶面，压线块6通过第二固定螺钉9与传动铜条5相连接。压线块与箔片压块必须通过螺纹连接旋紧于传导铜条上，尤其是连接正、负极接线端子处须压紧，避免因压线不紧而出现电火花。

本实施例中，所述金属箔片12呈中间狭窄、两端宽的类哑铃状，施加瞬时大脉冲电流时，金属箔片中间狭窄处部分迅速汽化大量膨胀气体进而产生驱动压力。

本实施例中，所述下垫块7和金属箔片12的外侧均包裹有PET聚酯薄膜，减小通电回路的电阻，提高系统的能量利用率。

本实施例中，所述供电装置包括升压变压器25、整流器23、限流电阻24、储能电容器22和高压开关21，所述升压变压器25的初级线圈26外接380V交流电，所述升压变压器25的次级线圈27串接整流器23和限流电阻24，并经正、负极接线端子28与一对传导铜条5电性连接，所述储能电容器22并联于正、负极接线端子28之间，所述高压开关21连接于储能电容器22并联端与接线端子之间，通过一对传导铜条5将供电装置与金属箔片12形成回路，以传导瞬时脉冲大电流。

本实施例中，所述容置凹腔161、成型凹腔701以及局部凸起部151的形状相适应，截面均呈梯形状。待成形板加工变形完后会变为有局部凸起部的板件，该板件结构与靶板结构相同，故该板件可以作为下一次焊接时的靶板使用，使两个加工过程具有连续性。

本实施例中，所述绝缘底座1采用绝缘性良好的电木材料，可以保证操作过程的安全，绝缘底座的第一安装槽底部钻设有用于竖向螺杆定位的通孔，此外还加工有定位螺孔，用于安装传导铜条。

本实施例中，飞板14与靶板15为待连接金属板材，飞板14通过金属箔片12产生的驱动力获得一定的速度向靶板15撞击，产生固相冶金结合现象，以此来进行焊接。由于靶板15和上压块16在几何形状上拥有一定距离的凹腔深度，飞板14受力后能够在这段距离内加速到高速，满足实现碰撞焊接的条件。

本实施例中，该装置的装配顺序为：先用PET聚酯薄膜包覆在下垫块7和金属箔片12的表面进行绝缘处理，以减小回路电阻及等不必要的外界因素影响，随后将下垫块7放入绝缘底座1的第二安装槽102中，并在下垫块7上放置待成形板8。再用螺钉将一对传导铜条5在绝缘底座1上固定好，并将金属箔片12置于待成形板8上方，放在传导铜条5上用箔片压块11和螺钉进行定位紧固。随后在金属箔片12上依次叠放飞板14、靶板15，并让预制有局部凸起151部的靶板15与上压块16的容置凹腔161对齐。然后调节连接臂18的高度使上压块16从上往下给整体工装一个压紧力，抵抗汽化爆炸的冲击力。最后用压线块6固定住外部供电装置的正、负极接线端子28，并用螺栓螺母旋紧，实现与外接电路系统（即供电装置）的连接。

具体实施过程：包含如下步骤：

步骤S1，工装夹紧：按照上述的装配顺序进行工装，将待成形板8置于处理好的金属箔片12下方，将飞板14置于金属箔片12上方，将靶板15置于飞板14上方，用箔片压块11固定住金属箔片12，用压线块6固定住正、负极接线端28子，通过调高螺母17调节上压块16的高度，以向下施加夹紧力；

步骤S2，电容充电；380V交流电先经过升压变压器25进行升压，再通过整流器23将交流电转化为直流电，然后通过限流电阻24对储能电容器22充电，充电达到预定电压后，断开充电回路；

步骤S3，放电加工：接通高压开关21，储能电容器22释放瞬时脉冲大电流，通过传导铜条5对金属箔片12放电，金属箔片12迅速升温汽化，产生大量膨胀气体进而产生上下两个方向的驱动力；在金属箔片12上方，飞板14受力高速碰撞靶板15，实现飞板14与靶板15的电焊；在金属箔片12下方，待成形板8受力靠紧贴合成型凹腔701，变为具有局部凸起部的板件，该板件可用作于下一次焊接的靶板。

本发明的优点在于：（1）通过箔气化的冲击力进行板料焊接，与成形机理相似的磁脉冲焊接相比，适用材料范围比较广，不受板料磁导率的限制；（2）选用价格低廉的金属箔片（铝箔）作为触发材料，可以减少成本，且不存在触发机构的寿命问题；（3）箔气化产生的冲击力足够大，可以保证连接区域的质量；（4）在焊接的同时可以进行板件成形，并且成形后所得的板件又可用作于下一次焊接的靶板；（5）带有凹腔状的板材点焊结构，无需使用垫板，可减少装配、定位时间，装配方便，提高效率，成本低。

本发明如果公开或涉及了互相固定连接的零部件或结构件，那么，除另有声明外，固定连接可以理解为：能够拆卸地固定连接( 例如使用螺栓或螺钉连接)，也可以理解为：不可拆卸的固定连接(例如铆接、焊接)，当然，互相固定连接也可以为一体式结构( 例如使用铸造工艺一体成形制造出来) 所取代(明显无法采用一体成形工艺除外)。

另外，上述本发明公开的任一技术方案中所应用的用于表示位置关系或形状的术语除另有声明外其含义包括与其近似、类似或接近的状态或形状。

本发明提供的任一部件既可以是由多个单独的组成部分组装而成，也可以为一体成形工艺制造出来的单独部件。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。