超声振动辅助的电磁锁焊装置及方法与流程

本发明涉及板材连接技术领域，特别涉及一种超声振动辅助的电磁锁焊装置及方法。

背景技术：

随着航空制造业、汽车制造业的发展，机械部件连接的要求越来越高，对铆接技术要求也越来越高。电磁铆接技术作为一种新型的连接工艺，得到了越来越多的研究机构和制造企业的重视。电磁铆接是利用两级线圈之间产生的涡流斥力使铆钉发生塑性变形的一种铆接工艺。由于加载速率高、应变速率大，铆钉钉杆变形均匀，可有效防止复合材料损伤等原因，已被用于钛合金和复合材料结构的连接及大直径铆钉和难成形材料铆钉成形。

然而，在电磁铆接工艺中，铆钉在脉冲电磁力下的变形机理十分复杂，加之铆接过程与铆钉高速变形过程的交互影响，对于板材成形控制十分困难。外来铆钉的引入无疑会增加所连接部件的质量和成本，这对于连接结构的轻量化十分不利。预先打孔，也增加了工艺的成本和复杂性，除此之外，高电压铆接时，铆钉应变率过大将导致铆钉镦头出现微裂纹和剪切破坏。

目前，在板材连接领域亟需一种不需要铆钉的电磁成型连接技术，可以高强度连接金属板材，并且在连接过程中，易于与对板材成型进行控制，且不产生裂纹等破坏现象。

技术实现要素：

本发明提供了一种超声振动辅助的电磁锁焊装置及方法，其目的是为了解决传统电磁铆接工艺中对板材成形控制十分困难，且容易产生裂纹的问题。

为了达到上述目的，本发明的实施例提供了一种超声振动辅助的电磁锁焊装置，包括：

下模，所述下模中设置有超声波辅助装置，所述下模的顶部放置有第一金属板材和第二金属板材；

上模，所述上模固定设置在所述下模的上方，所述上模与所述下模同轴设置；

控制器，所述控制器设置在所述上模的顶部；

压边圈电磁回路，所述压边圈电磁回路集成在所述控制器的电路板上，所述压边圈电磁回路与所述控制器的第一端电连接；

成形电磁回路组，所述成形电磁回路组集成在所述控制器的电路板上，所述成形电磁回路组与所述控制器的第二端电连接，所述成形电磁回路组包括第一成形电磁回路、第二成形电磁回路、第三成形电磁回路、第四成形电磁回路和第五成形电磁回路。

其中，所述上模包括：

第一成形线圈，所述第一成形线圈设置有多个，每个所述第一成形线圈嵌设在所述上模的凹陷部分的上方；

第二成形线圈，所述第二成形线圈嵌设在所述上模的中下方；

压边圈线圈，所述压边圈线圈嵌设在所述上模的下边缘处。

其中，所述超声波辅助装置包括：

换能器，所述换能器设置在所述下模的圆环孔内，所述换能器与所述控制器的第三端电连接，所述换能器用于将电能转变为超声机械振动；

变幅环，所述变幅环设置在所述换能器的顶部，所述变幅环用于增强超声机械振动幅度。

其中，所述压边圈电磁回路包括：

第一开关，所述第一开关的第一端与所述压边圈线圈的第一端电连接；

第一电容，所述第一电容的第一端与第一开关的第二端电连接；

第一电感，所述第一电感的第一端与所述第一电容的第二端电连接；

第一电阻，所述第一电阻的第一端与所述第一电感的第二端电连接，所述第一电阻的第二端与所述压边圈线圈的第二端电连接。

其中，所述第一成形电磁回路包括：

第二开关，所述第二开关的第一端与所述第二成形线圈的第一端电连接；

第二电容，所述第二电容的第一端与第二开关的第二端电连接；

第二电感，所述第二电感的第一端与所述第二电容的第二端电连接；

第二电阻，所述第二电阻的第一端与所述第二电感的第二端电连接，所述第二电阻的第二端与所述第二成形线圈的第二端电连接。

其中，所述第二成形电磁回路、第三成形电磁回路、第四成形电磁回路和第五成形电磁回路包括：

第三开关，所述第三开关的第一端与相对应的所述第一成形线圈的第一端电连接；

第三电容，所述第三电容的第一端与所述第三开关的第二端电连接；

第四电容，所述第四电容的第一端与所述第三电容的第一端电连接，所述第四电容的第二端与所述第三电容的第二端电连接；

第三电感，所述第三电感的第一端与所述第四电容的第二端电连接；

第三电阻，所述第三电阻的第一端与所述第三电感的第二端电连接，所述第三电阻的第二端与相对应的所述第一成形线圈的第二端电连接。

其中，所述第一成形线圈、所述第二成形线圈和所述压边圈线圈的线圈截面均为圆形或矩形的紫铜线绕制成的螺旋管线圈。

本发明的实施例还提供了一种超声振动辅助的电磁锁焊连接方法，包括：

步骤1，将第一金属板材和第二金属板材水平叠放在下模的顶部；

步骤2，启动控制器为成形电磁回路组中的第二电容和第三电容及压边圈电磁回路中的第一电容充电，控制器控制压边圈电磁回路和成形电磁回路组中的开关闭合，控制器控制每个第一成形线圈、第二成形线圈、压边圈线圈和换能器通电，成形电磁回路组中的第二电容和第三电容及压边圈电磁回路中的第一电容的达到指定电压后，停止充电；

步骤3，控制器控制压边圈电磁回路和成形电磁回路组中的开关闭合，压边圈电磁回路中的第一电容及成形电磁回路组中的第二电容和第三电容开始放电，上模和下模之间形成磁场，第一金属板材和第二金属板材在磁场力的作用下产生塑性变形，上模外围的电磁力压紧第一金属板材和第二金属板材，第二成形线圈下的磁场力使第一金属板材和所述第二金属板材沿着下模的斜圆锥面流动，第一成形线圈下的磁场力使第一金属板材和所述第二金属板材压缩；

步骤4，第一金属板材和第二金属板材塑性变形逐渐增大，第一金属板材与变幅环端部接触，控制器控制换能器通电，换能器将电能转变为超声机械振动，通过变幅环增强超声机械振动幅度，使在变幅环端部上的工件产生超声振动，超声振动增强了两个金属板材的塑性变形能力，第一成形线圈下的磁场力使第一金属板材和第二金属板材显著减薄，第一成形线圈下的第一金属板材和第二金属板材的材料沿径向向外移动，第一金属板材在磁场力和下模的作用下，嵌入第二金属板材，第一金属板材和第二金属板材之间逐渐形成s形的机械锁；

步骤5，压边圈电磁回路中的第一电容及成形电磁回路组中的第二电容和第三电容放电结束，压边圈电磁回路和成形电磁回路组中的开关自动打开，每个第一成形线圈、第二成形线圈和压边圈线圈失电，控制器控制换能器的电源断开；

步骤6，启动控制器为第二成形电磁回路、第三成形电磁回路、第四成形电磁回路、第五成形电磁回路中的第三电容和第四电容及压边圈电磁回路中的第一电容充电；

步骤7，第二成形电磁回路、第三成形电磁回路、第四成形电磁回路、第五成形电磁回路中的第三电容和第四电容及压边圈电磁回路中的第一电容完成充电，控制器控制第二成形电磁回路、第三成形电磁回路、第四成形电磁回路、第五成形电磁回路和压边圈电磁回路中的开关闭合，第二成形电磁回路、第三成形电磁回路、第四成形电磁回路、第五成形电磁回路中的第三电容和第四电容及压边圈电磁回路中的第一电容开始放电，第二金属板材在电磁力作用下高速向第一金属板材撞击，第一金属板材和第二金属板材的中心叠合处逐渐形成固态焊接结构，在下模上形成了具有一个固态焊接结构的s形机械锁，第二成形电磁回路、第三成形电磁回路、第四成形电磁回路、第五成形电磁回路中的第三电容和第四电容及压边圈电磁回路中的第一电容放电完成，控制器控制第二成形电磁回路、第三成形电磁回路、第四成形电磁回路、第五成形电磁回路和压边圈电磁回路中的开关断开。

本发明的上述方案有如下的有益效果：

本发明的上述实施例所述的超声振动辅助的电磁锁焊装置及方法，通过超声振动辅助，增强了连接过程的材料塑性变形能力，避免了由于接头颈部拉伸应力集中而引起的拉裂缺陷，在成形过程中巧妙地完成了“锁”和“焊”，既实现了机械锁互锁，又实现了界面结合，通过双重作用极大地提高了连接强度，克服了传统电磁铆接需要打孔，需要铆钉的缺点，具有连接强度高，易于控制、效率较高、操作简单等特点。

附图说明

图1为本发明的总体结构示意图；

图2为本发明的第二成形电磁回路、第三成形电磁回路、第四成形电磁回路和第五成形电磁回路的具体电路示意图；

图3为本发明的定位图；

图4为本发明的成型图；

图5为本发明的电磁焊接图；

图6为本发明的最终连接图。

【附图标记说明】

1-上模；2-第一成形线圈；3-第二成形线圈；4-第一金属板材；5-第二金属板材；6-下模；7-换能器；8-变幅环；9-压边圈线圈；10-压边圈电磁回路；11-成形电磁回路组；12-控制器；13-机械锁；14-焊接结构；15-第三开关；16-第三电容；17-第四电容；18-第三电感；19-第三电阻。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

本发明针对现有的传统电磁铆接工艺中对板材成形控制十分困难，且容易产生裂纹的问题，提供了一种超声振动辅助的电磁锁焊装置及方法。

如图1至图6所示，本发明的实施例提供了一种超声振动辅助的电磁锁焊装置，包括：下模6，所述下模6中设置有超声波辅助装置，所述下模6的顶部放置有第一金属板材4和第二金属板材5；上模1，所述上模1固定设置在所述下模6的上方，所述上模1与所述下模6同轴设置；控制器12，所述控制器12设置在所述上模1的顶部；压边圈电磁回路10，所述压边圈电磁回路10集成在所述控制器12的电路板上，所述压边圈电磁回路10与所述控制器12的第一端电连接；成形电磁回路组11，所述成形电磁回路组11集成在所述控制器12的电路板上，所述成形电磁回路组11与所述控制器12的第二端电连接，所述成形电磁回路组11包括第一成形电磁回路、第二成形电磁回路、第三成形电磁回路、第四成形电磁回路和第五成形电磁回路。

本发明的上述实施例所述的超声振动辅助的电磁锁焊装置及方法，所述下模6和所述上模1固定设置，所述第一金属板材4和所述第二金属板材5叠放在所述下模6的顶部上，所述上模1位于所述第二金属板材5的上方，所述上模1与所述下模6的中心轴重合，所述成形电磁回路组11内设置有第一成形电磁回路、第二成形电磁回路、第三成形电磁回路、第四成形电磁回路和第五成形电磁回路，第二成形电磁回路、第三成形电磁回路、第四成形电磁回路和第五成形电磁回路分别设置有相对应的所述第一成形线圈2，所述第二成形线圈3与第一成形电磁回路相对应，所述压边圈电磁回路10与所述压边圈线圈9相对应，所述压边圈线圈9、每个所述第一成形线圈2和所述第二成形线圈3的线圈截面均为圆形或矩形的紫铜线绕制成的螺旋管线圈，所述压边圈线圈9、每个所述第一成形线圈2和所述第二成形线圈3可由一个以上的子线圈组合而成，所述压边圈电磁回路10和所述成形电磁回路组11集成在所述控制器12的电路板上，所述压边圈电磁回路10和所述成形电磁回路组11中的电容由所述控制器12提供电源，并且充电线路互不干扰，所述控制器12控制所述压边圈电磁回路10和所述成形电磁回路组11中的开关的闭合。

其中，所述上模1包括：第一成形线圈2，所述第一成形线圈2设置有多个，每个所述第一成形线圈2嵌设在所述上模1的凹陷部分的上方；第二成形线圈3，所述第二成形线圈3嵌设在所述上模1的中下方；压边圈线圈9，所述压边圈线圈9嵌设在所述上模1的下边缘处。

本发明的上述实施例所述的超声振动辅助的电磁锁焊装置及方法，所述上模1包括呈环形设置的所述第一成形线圈2、所述第二成形线圈3和所述压边圈线圈9。

其中，所述超声波辅助装置包括：换能器7，所述换能器7设置在所述下模6的圆环孔内，所述换能器7与所述控制器12的第三端电连接，所述换能器7用于将电能转变为超声机械振动；变幅环8，所述变幅环8设置在所述换能器7的顶部，所述变幅环8用于增强超声机械振动幅度。

本发明的上述实施例所述的超声振动辅助的电磁锁焊装置及方法，所述下模6包括呈环形设置的所述超声波辅助装置，所述超声波辅助装置包括所述换能器7与所述变幅环8，所述换能器7与所述变幅环8连接并安装在所述下模6的圆环孔内，所述换能器7的超声电源由所述控制器12提供，所述换能器7将电能转变为超声机械振动，通过所述变幅环8增强超声机械振动幅度，使在所述变幅环8端部上的工件产生超声振动。

其中，所述压边圈电磁回路10包括：第一开关，所述第一开关的第一端与所述压边圈线圈9的第一端电连接；第一电容，所述第一电容的第一端与第一开关的第二端电连接；第一电感，所述第一电感的第一端与所述第一电容的第二端电连接；第一电阻，所述第一电阻的第一端与所述第一电感的第二端电连接，所述第一电阻的第二端与所述压边圈线圈9的第二端电连接。

其中，所述第一成形电磁回路包括：第二开关，所述第二开关的第一端与所述第二成形线圈3的第一端电连接；第二电容，所述第二电容的第一端与第二开关的第二端电连接；第二电感，所述第二电感的第一端与所述第二电容的第二端电连接；第二电阻，所述第二电阻的第一端与所述第二电感的第二端电连接，所述第二电阻的第二端与所述第二成形线圈3的第二端电连接。

其中，所述第二成形电磁回路、第三成形电磁回路、第四成形电磁回路和第五成形电磁回路包括：第三开关15，所述第三开关15的第一端与相对应的所述第一成形线圈2的第一端电连接；第三电容16，所述第三电容16的第一端与所述第三开关15的第二端电连接；第四电容17，所述第四电容17的第一端与所述第三电容16的第一端电连接，所述第四电容17的第二端与所述第三电容16的第二端电连接；第三电感18，所述第三电感18的第一端与所述第四电容17的第二端电连接；第三电阻19，所述第三电阻19的第一端与所述第三电感18的第二端电连接，所述第三电阻19的第二端与相对应的所述第一成形线圈2的第二端电连接。

其中，所述第一成形线圈2、所述第二成形线圈3和所述压边圈线圈9的线圈截面均为圆形或矩形的紫铜线绕制成的螺旋管线圈。

本发明的实施例还提供了一种超声振动辅助的电磁锁焊连接方法，包括：步骤1，将第一金属板材4和第二金属板材5水平叠放在下模6的顶部；步骤2，启动控制器12为成形电磁回路组11中的第二电容和第三电容16及压边圈电磁回路10中的第一电容充电，控制器12控制压边圈电磁回路10和成形电磁回路组11中的开关闭合，控制器12控制每个第一成形线圈2、第二成形线圈3、压边圈线圈9，成形电磁回路组11中的第二电容和第三电容16及压边圈电磁回路10中的第一电容的达到指定电压后，停止充电；步骤3，控制器12控制压边圈电磁回路10和成形电磁回路组11中的开关闭合，压边圈电磁回路10中的第一电容及成形电磁回路组11中的第二电容和第三电容16开始放电，上模1和下模6之间形成磁场，第一金属板材4和第二金属板材5在磁场力的作用下产生塑性变形，上模1外围的电磁力压紧第一金属板材4和第二金属板材5，第二成形线圈3下的磁场力使第一金属板材4和所述第二金属板材5沿着下模6的斜圆锥面流动，第一成形线圈2下的磁场力使第一金属板材4和所述第二金属板材5压缩；步骤4，第一金属板材4和第二金属板材5塑性变形逐渐增大，第一金属板材4与变幅环8端部接触，控制器12控制换能器7通电，换能器7将电能转变为超声机械振动，通过变幅环8增强超声机械振动幅度，使在变幅环8端部上的工件产生超声振动，超声振动增强了两个金属板材的塑性变形能力，第一成形线圈2下的磁场力使第一金属板材4和第二金属板材5显著减薄，第一成形线圈2下的第一金属板材4和第二金属板材5的材料沿径向向外移动，第一金属板在磁场力和下模6的作用下，嵌入第二金属板，第一金属板材4和第二金属板材5之间逐渐形成s形的机械锁13；步骤5，压边圈电磁回路10中的第一电容及成形电磁回路组11中的第二电容和第三电容16放电结束，压边圈电磁回路10和成形电磁回路组11中的开关自动打开，每个第一成形线圈2、第二成形线圈3和压边圈线圈9失电，控制器12控制换能器7的电源断开；步骤6，启动控制器12为第二成形电磁回路、第三成形电磁回路、第四成形电磁回路、第五成形电磁回路中的第三电容16和第四电容17及压边圈电磁回路10中的第一电容充电；步骤7，第二成形电磁回路、第三成形电磁回路、第四成形电磁回路、第五成形电磁回路中的第三电容16和第四电容17及压边圈电磁回路10中的第一电容完成充电，控制器12控制第二成形电磁回路、第三成形电磁回路、第四成形电磁回路、第五成形电磁回路和压边圈电磁回路10中的开关闭合，第二成形电磁回路、第三成形电磁回路、第四成形电磁回路、第五成形电磁回路中的第三电容16和第四电容17及压边圈电磁回路10中的第一电容开始放电，第二金属板材5在电磁力作用下高速向第一金属板材4撞击，第一金属板材4和第二金属板材5的中心叠合处逐渐形成固态焊接结构14，在下模6上形成了具有一个固态焊接结构14的s形机械锁13，第二成形电磁回路、第三成形电磁回路、第四成形电磁回路、第五成形电磁回路中的第三电容16和第四电容17及压边圈电磁回路10中的第一电容放电完成，控制器12控制第二成形电磁回路、第三成形电磁回路、第四成形电磁回路、第五成形电磁回路和压边圈电磁回路10中的开关断开。

本发明的上述实施例所述的超声振动辅助的电磁锁焊装置及方法，第一次充电，启动所述控制器12为所述成形电磁回路组11中的所述第二电容和所述第三电容16及所述压边圈电磁回路10中的所述第一电容充电，所述控制器12控制所述压边圈电磁回路10和所述成形电磁回路组11中的开关闭合，所述控制器12控制每个所述第一成形线圈2、所述第二成形线圈3、所述压边圈线圈9，所述成形电磁回路组11中的第二电容和所述第三电容16及所述压边圈电磁回路10中的第一电容的达到指定电压后，停止充电，所述控制器12控制压边圈电磁回路10和成形电磁回路组11中的开关闭合，所述压边圈电磁回路10中的第一电容及所述成形电磁回路组11中的第二电容和所述第三电容16开始放电，在所述上模1和所述下模6之间形成磁场，在所述变幅环8的上方，所述第一金属板材4和所述第二金属板材5磁场力的作用下产生塑性变形，所述上模1外围的电磁力主要作用是压紧所述第一金属板材4和所述第二金属板材5，所述第二成形线圈3下的磁场力使所述第一金属板材4和所述第二金属板材5沿着所述下模6的斜圆锥面流动，所述第一成形线圈2下的磁场力使所述第一金属板材4和所述第二金属板材5压缩，每个所述第一成形线圈2下的电磁力使所述上模1的凹陷部分下方的所述第一金属板材4和所述第二金属板材5受到均匀的向下的磁场力，所述第一金属板材4和所述第二金属板5材塑性变形逐渐增大，所述第一金属板材4与所述变幅环8端部接触，所述控制器12开始给所述换能器7通电，所述换能器7将电能转变为超声机械振动，通过所述变幅环8增强超声机械振动幅度，使在所述变幅环8端部上的工件产生超声振动，超声振动增强了两个金属板材的塑性变形能力，所述第一成形线圈2下的磁场力使所述第一金属板材4和所述第二金属板材5显著减薄，所述第一成形线圈2下的所述第一金属板材4和所述第二金属板材5的材料沿径向向外移动，所述第一金属板材4在磁场力和所述下模6的作用下，嵌入所述第二金属板材5，所述第一金属板材4和所述第二金属板材5之间逐渐形成s形的机械锁13，所述压边圈电磁回路10和所述成形电磁回路组11中的电容放电结束后，所述压边圈电磁回路10和所述成形电磁回路组11中的开关自动打开，每个所述第一成形线圈2、所述第二成形线圈3和所述压边圈线圈9失电，同时，所述控制器12控制所述换能器7的电源断开。第二次充电，启动所述控制器12为第二成形电磁回路、第三成形电磁回路、第四成形电磁回路、第五成形电磁回路中的所述第三电容16和所述第四电容17和所述压边圈电磁回路10中的所述第一电容充电，所述第二成形电磁回路、所述第三成形电磁回路、所述第四成形电磁回路、所述第五成形电磁回路中的所述第三电容16和所述第四电容17和所述压边圈电磁回路10中的所述第一电容充电完成后，所述控制器12控制已经充电的所述第二成形电磁回路、所述第三成形电磁回路、所述第四成形电磁回路、所述第五成形电磁回路和所述压边圈电磁回路10中的开关闭合，所述第二成形电磁回路、所述第三成形电磁回路、所述第四成形电磁回路、所述第五成形电磁回路中的所述第三电容16和所述第四电容17及所述压边圈电磁回路10中的所述第一电容开始放电，每个所述第一成形线圈2和所述压边圈线圈9第二次通电，所述上模1外圈的电磁力主要作用是压紧所述第一金属板材4和所述第二金属板材5，每个所述第一成形线圈2的第二次通电与每个所述第一成形线圈2第一次通电相比，由于第二次通电每个所述第一成形线圈2都连接了两个电容，第二次通电时每个所述第一成形线圈2的瞬时通电量变为每个所述第一成形线圈2第一次通电时的两倍，此时每个所述第一成形线圈2下的电磁力变大，所述第二金属板材5在电磁力作用下高速向所述第一金属板材4撞击，在所述第一金属板材4和所述第二金属板材5的中心叠合处形成了一个固态焊接结构14，在所述下模6上形成了具有一个固态焊接结构14的s形机械锁13。所述第二成形电磁回路、所述第三成形电磁回路、所述第四成形电磁回路、所述第五成形电磁回路中的所述第三电容16和所述第四电容17及所述压边圈电磁回路10中的所述第一电容放电完成，所述控制器12控制所述第二成形电磁回路、所述第三成形电磁回路、所述第四成形电磁回路、所述第五成形电磁回路和所述压边圈电磁回路10中的开关断开。

本发明的上述实施例所述的超声振动辅助的电磁锁焊装置及方法，在所述第一金属板材4和所述第二金属板材5的中心叠合处形成了一个固态焊接结构14，在所述下模6上形成了具有一个固态焊接结构14的s形机械锁13，既实现了机械锁互锁，又实现了界面结合，通过双重作用极大地提高了板材之间的连接强度，克服了传统电磁铆接需要打孔，需要铆钉的缺点，具有连接强度高，易于控制、效率较高、操作简单等特点。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。