专利名称：薄壁金属管路磁脉冲连接方法与接头结构的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种金属管路连接技术，特别是一种应用脉冲磁压力载荷连接薄壁金 属管路的方法。
背景技术：
任何一种金属管路结构，无论是日常生活中的给水管路，还是航空航天飞行器中 的各类管路结构，都必然涉及到连接接头结构及其对连接方法的选择问题。通常，管路连接 接头部位是整个管路系统中最易发生破坏的环节。随着人们生活质量提高，资源节约型、环境友好型的薄壁不锈钢管、铜管在给水工 业中的应用得到迅猛发展，对改善供水水质、防止二次污染及减少水管漏水、保障居民身体 健康和节约水资源具有重要的经济和社会意义。目前国内外不锈钢、铜给水管的连接方式大致分机械连接(如压缩式、卡压式等) 和非机械连接(焊接和粘接)两大类。上述卡压式、压缩式连接和氩弧焊等连接方式各有 其特点，且大量应用于实际安装工程中。但在实际应用中存在着诸多问题，如机械连接中的 橡胶垫圈老化问题；现阶段还没有较好的适合于给排水环境的密封胶，因此粘接技术无法 大量应用于实际工程上；由于熔化焊接头不可避免存在热影响区、焊接裂纹、晶粒粗大等缺 陷，同时接头耐腐蚀能力低，为给水管路的稳定运行留下隐患。而钎焊连接过程一般需要加 热，并且承插接头周向间隙的均勻性不易保证，很难获得均勻一致的熔深和连接性能均一 的接头结构。飞行器发动机的薄壁金属管路结构中，考虑到结构减重和扩展功能的需要，常常 需要实现异种金属薄壁管件的连接，如铝合金管和不锈钢直管、不锈钢波纹管的连接结构， 铝合金管和铜合金管的连接等。由于易在连接界面上出现很脆的金属间化合物，并产生很 大的应力梯度，所以，通过扩散焊、爆炸焊、滚压连接和摩擦焊等方法难以获得高强度和高 耐蚀性的连接接头，由此限制了这些异种金属连接件在武器装备、航空航天和汽车制造等 领域的应用。虽然先进的激光焊、电子束焊接技术能够进行某些材料匹配下的异种金属材 料的焊接，但是，这两种技术对连接接头结构、焊前处理和装夹条件的要求非常高，同时生 产成本之高也令多数可能应用望而却步。
发明内容
本发明的目的就在于为给排水管路以及其他同、异种薄壁金属管路结构提供一种 安全、高效的磁脉冲连接方法和磁脉冲连接接头结构。实现本发明的金属管路磁脉冲连接工艺方法的实施步骤为步骤一对连接管件和被连接管件的搭接区L内对应表面进行去锈、去油、脱脂处 理，使之呈现出光洁金属界面。步骤二 把连接管件和被连接管件同轴对称放置，并且保证待连接接头的相对位 置，一般搭接区长度为5-20t (t为连接管件的壁厚)。
步骤三把感应器与连接、被连接管件同轴对称放置，保证感应器的工作区与管件 搭接区相对，同时确保感应器和连接管件之间足够的绝缘强度；步骤四把线圈感应器的进出线端与电磁脉冲成形设备的两个接线端连接，当电 磁脉冲成形设备对感应器进行瞬态放电时，在感应器与连接管件之间形成强磁场及脉冲磁 压力，当脉冲磁压力幅值显著大于连接管件材料的屈服极限时，连接管件发生径向运动和 变形，并与被连接管件冲击接触，当该冲击速度超过产生金属冶金接头的下限值时，则在原 搭接区位置产生磁脉冲焊接接头。当采用线圈-集磁器复合型感应器时，流过线圈的瞬时变化的电流在与线圈临近 的集磁器外壁上产生与线圈电流反方向的感应电流(涡流)；根据集肤效应，涡流在集磁器 外壁表层流动，并在集磁器开缝处转到内壁表层、进而集中到集磁器工作区表层流动，此时 涡流流向与线圈电流相同；该涡流磁场与连接管件感应电流磁场叠加，在集磁器内壁工作 区和连接管件之间形成强磁场并产生脉冲磁压力，当脉冲磁压力显著大于连接管件材料的 屈服极限时，连接管件发生径向运动和变形，并与被连接管件冲击接触，当该冲击速度超过 产生金属冶金接头的下限值时，则在原搭接区位置产生磁脉冲焊接接头。所用到的集磁器可为圆柱形集磁器，其结构为一单匝线圈，侧壁开一纵向窄槽，其 内添加绝缘材料。集磁器纵截面结构呈“工”字形、梯形或“T”形，其内表面上的工作区与 外表面轴向长度之比小于1。常用的集磁器材料为高强度、高导电率的金属，如紫铜、铜合金 和高强铝合金等。实现本发明的管路接头结构如下1、本发明适用的管路材料匹配如下(1)铜-铜或铜合金(2)铝合金-铝合金(3)铝合金_不锈钢波纹管(4)不锈钢_铜(铜作为不锈钢管路的过渡结构)(5)不锈钢_不锈钢(直接连接或采用高导电率的铜、铝合金驱动体)(6)其他同种或异种金属材料管路2、匹配材料的管路连接方法一般采用对连接管件施加脉冲磁压力的缩径变形连接方法。各种连接管路接头结 构情况下，材料匹配(1) (4)项的管路连接可以通过磁脉冲连接方法直接实现连接。各 种连接管路接头结构下，材料匹配(5)项的管路连接，采用高导电率的材料做驱动体，如一 些铜合金、铝合金等；或者在进行磁脉冲连接之前，对与磁脉冲连接感应器临近的连接管件 表面施加一定厚度的高导电率金属材料的涂层，再进行磁脉冲连接操作。各种连接管路接 头结构下，材料匹配(6)项的管路连接，若高导电率金属为连接管件，则通过磁脉冲连接方 法直接实现连接；若低导电率金属为连接管件，则按材料匹配(5)项的管路连接方法处理。磁脉冲连接管件与被连接管件的单面径向间隙为外管内直径的5 20%，或者取 0. 5 2. Ot0被连接管件满足一定得刚度要求，以保证在磁脉冲连接过程中不发生塑性变形或 结构失稳。磁脉冲连接时(获得焊接接头)，被连接管内无须填充支撑材料及保护气体，同 时无需其他额外的要求。
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3、本发明适用的管路接头的接(1)变径或等径的直通、弯头接头的连接(2)三通、四通接头等多通接头的连接本发明与现有技术相比具有以下有益效果(1)对于中低频率的电磁脉冲成形设 备，采用线圈作为感应器直接对连接管件施加磁压力，通过调节线圈的匝数、导线截面改变 线圈本身的电感，实现磁脉冲连接放电回路参数的优化，获得薄壁金属管的磁脉冲焊接接 头；(2)对于中高频的磁脉冲成形设备，为提高感应器寿命，采用线圈-集磁器复合型感应 器结构，针对管件的直径和壁厚，通过改变集磁器的几何特征，可利用已有的线圈可进行多 种连接，显著提高管-管磁脉冲连接方法的加工灵活性；(3)无须后续清理工序及焊后热处 理；(4)由于在室温下的高速冲击接触连接，接头连接界面的过渡区很小，几乎不产生脆性 相或金属间化合物，接头几无热影响区和扭曲变形，强度和耐蚀性高，抗拉强度和抗扭强度 均至少高于较弱母材；(5)用于磁脉冲连接的管路接头结构只需保证连接管件与被连接管 件之间足够的径向间隙、搭接长度，同时被连接管件满足一定得刚度要求，以保证在磁脉冲 连接过程中不发生塑性变形或结构失稳，磁脉冲连接时，被连接管内无须填充支撑材料及 保护气体，同时无需其他额外的要求，工艺灵活性高。
图1线圈作为感应器的管_管磁脉冲连接示意2线圈-集磁器作为复合型感应器的管_管磁脉冲连接示意3为图2的侧视4带驱动体的管_管磁脉冲连接示意5直通连接管件磁脉冲连接接头结构示意6弯头连接管件磁脉冲连接接头结构示意7多通连接管件磁脉冲连接接头结构示意8铝合金_不锈钢波纹管磁脉冲连接接头结构示意图1——线圈2——被连接管件 3——连接管件4——电磁脉冲成形设备5——集磁器 6——驱动体或驱动涂层
具体实施例方式实施例1线圈作为感应器的管_管磁脉冲连接方法采用φ 20 X 1. Omm的3Α21管与Φ 16X2. Omm的20钢管连接，电磁脉冲成形设备 电容量720 μ F，放电电压5. 5kV，线圈匝数5，内径21mm，其紫铜匝线截面5X 7mm。实现了上 述两种材料管材磁脉冲连接过程，获得具有波动界面、显著界面元素扩散的焊接接头。磁脉 冲连接装置如图1，具体的实现过程如下步骤一对长度L的连接管件3和被连接管件2的搭接区的对应表面进行去锈、去 油、脱脂处理，使之呈现出光洁金属界面。步骤二 把连接管件3和被连接管件2同轴对称放置，并且保证待连接接头的相对 位置，一般搭接长度为5_20t (t为连接管件的壁厚)。
步骤三把感应器线圈1与连接管件3、被连接管件2同轴对称放置，保证线圈内 表面与管件搭接区相对，同时确保线圈1和连接管件3之间足够的绝缘强度。步骤四把线圈1的进出线端与电磁脉冲成形设备4的两个接线端连接。当电磁 脉冲成形设备4对感应器线圈1进行瞬态放电时，流过线圈1的瞬时、高频脉冲电流产生瞬 时变化的强磁场，并在与之临近的连接管件3的外壁上产生与线圈电流反方向的感应电流 (涡流)；根据集肤效应，涡流在搭接区内连接管件管壁的表层流动；该涡流磁场与感应器 电流磁场叠加，在线圈内表面和连接管件3管壁外表面之间形成强磁场，并与连接管件件 感应电流作用产生作用于其上的脉冲磁压力。当脉冲磁压力幅值显著大于连接管件3材料 的屈服极限时，连接管件发生径向运动和变形，并与被连接管件冲击接触，当该冲击速度超 过产生金属冶金接头的下限值时，则在原搭接区位置产生磁脉冲焊接接头。实施例2线圈-集磁器作为复合型感应器的管_管磁脉冲连接方法采用Φ 32 X 1.0mm的3A21管与Φ 28 X 2. 5mm的20钢管连接，电磁脉冲成形设备电 容量720 μ F，放电电压6. 5kV ；线圈匝数17，内径91mm、匝线截面3X5mm，轴向长度IOOmm ； 集磁器外径91mm，内径33mm，外壁长100mm，工作区长10mm，纵缝宽0. 5mm。实现了上述两种 材料管材电磁脉冲连接过程，获得具有波动界面的焊接接头。磁脉冲连接装置如图2和图 3。具体的实现过程如下步骤一对长度L的连接管件3和被连接管件2的搭接区的对应表面进行去锈、去 油、脱脂处理，使之呈现出光洁金属界面。步骤二 把连接管件3和被连接管件2同轴对称放置，并且保证待连接接头的相对 位置，一般搭接长度为5-20t (t为连接管件的壁厚)。步骤三把线圈1-集磁器5复合感应器与连接管件3、被连接管件2同轴对称放 置，保证复合感应器的工作区与管件搭接接区相对，同时确保复合感应器和连接管件3之 间足够的绝缘强度；所用到的圆柱形集磁器5实质为一单匝线圈，侧壁开一纵向窄槽，其内 添加绝缘材料。集磁器的纵截面呈等腰梯形。集磁器内表面上的工作区与外表面轴向长度 之比为10，常用的集磁器材料为高强度、高导电率的金属，如紫铜、铜合金和高强铝合金等。步骤四把线圈1的进出线端与电磁脉冲成形设备4的两个接线端连接。当电磁 脉冲成形设备4对线圈1进行瞬态放电时，流过线圈1的瞬时变化的电流在线圈临近的集 磁器5外壁上产生与线圈电流反方向的感应电流(涡流)；根据集肤效应，涡流在集磁器5 外壁表层流动，并在集磁器5开缝处转到内壁表层、进而集中到集磁器工作区表层流动，并 在与之临近的连接管件3的外壁上产生与线圈电流反方向的感应电流，集磁器5工作区感 应电流和连接管件3感应电流的磁场叠加，在集磁器内壁上的工作区和连接管件3之间形 成强磁场，其与连接管件3感应电流作用产生作用于其上的脉冲磁压力。与前述情况类似， 产生磁脉冲焊接接头。实施例3带驱动体的管_管磁脉冲连接方法对照实施例1，Φ 22 X 1. 0匪的SS304管3与Φ 18 X 1. 0匪的SS304管2连接，电 磁脉冲成形设备电容量lOOyF，放电电压16. OkV，线圈匝数10，匝线截面5X7mm;带集磁 器，其内径24. 5mm，工作区长10. 0mm，连接管件外辅以紫铜驱动环6，或均勻的紫铜涂层6。实现了上述两种材料管材磁脉冲连接过程，获得焊接接头。接头结构如图4。实施例4同种材料的直通连接管件磁脉冲连接接头结构的连接方法采用φ 20 X 1. Omm的紫铜管件2与Φ 24X 1. Omm的紫铜管件3连接，电磁脉冲成 形设备电容量IOOyF,放电电压14. 5kV，线圈匝数5，内径25、匝线截面5X7mm。实现了上 述两种材料管材磁脉冲连接。接头结构如图5。工艺实现过程参照实施例1所述的方法。实施例5异种材料直通连接管件磁脉冲连接接头结构连接方法采用φ 20 X 1. Omm的SS304管件2与Φ 24X 1. Omm的紫铜管件3连接，电磁脉冲 成形设备电容量100 μ F，放电电压18. OkV，线圈匝数4，内径25、匝线截面3X 7mm。实现了 上述两种材料管材磁脉冲连接。接头结构如图5。工艺实现过程参照实施例1所述的方法。实施例6弯头连接管件磁脉冲连接接头结构的连接方法参照实施例4、5所述的连接方法，其中连接管件3为呈90度角弯曲的紫铜管。接 头结构如图6所示。实施例7多通连接管件磁脉冲连接接头结构的连接方法参照实施例4所述的连接方法，其中连接管件3为三通接头的紫铜管，三个被连接 管件2为直通紫铜管。接头结构如图7所示。实施例8铝合金-不锈钢波纹管磁脉冲连接接头结构参照实施例1所述的连接方法，其中连接管件3为高强度铝合金管，被连接管件2 为不锈钢波纹管。此种连接结构用于补偿由于温度变化的工矿条件下导致管路结构轴向尺 寸发生的变化。接头结构如图8所示。
权利要求
一种薄壁金属管路磁脉冲连接方法，其特征是该金属管路磁脉冲连接工艺方法的实施步骤如下步骤一对连接管件和被连接管件的搭接区L内对应表面进行去锈、去油、脱脂处理，使之呈现出光洁金属界面；步骤二把连接管件和被连接管件同轴对称放置，并且保证待连接接头的相对位置，一般搭接区长度为5 20t(t为连接管件的壁厚)；步骤三把感应器与连接、被连接管件同轴对称放置，保证感应器的工作区与管件搭接区相对，同时确保感应器和连接管件之间足够的绝缘强度；步骤四把线圈感应器的进出线端与电磁脉冲成形设备的两个接线端连接，当电磁脉冲成形设备对感应器进行瞬态放电时，在感应器与连接管件之间形成强磁场及脉冲磁压力，当脉冲磁压力幅值显著大于连接管件材料的屈服极限时，连接管件发生径向运动和变形，并与被连接管件冲击接触，当该冲击速度超过产生金属冶金接头的下限值时，则在原搭接区位置产生磁脉冲焊接接头。
2.根据权利要求1所述的薄壁金属管路磁脉冲连接方法，其特征是在步骤四中的感 应器为线圈-集磁器复合型感应器；流过线圈的瞬时变化的电流在与线圈临近的集磁器外 壁上产生与线圈电流反方向的感应电流(涡流)；根据集肤效应，涡流在集磁器外壁表层 流动，并在集磁器开缝处转到内壁表层、进而集中到集磁器工作区表层流动，此时涡流流向 与线圈电流相同；该涡流磁场与连接管件感应电流磁场叠加，在集磁器内壁工作区和连接 管件之间形成强磁场并产生脉冲磁压力，当脉冲磁压力显著大于连接管件材料的屈服极限 时，连接管件发生径向运动和变形，并与被连接管件冲击接触，当该冲击速度超过产生金属 冶金接头的下限值时，则在原搭接区位置产生磁脉冲焊接接头。
3.根据权利要求2所述的薄壁金属管路磁脉冲连接方法，其特征是所用的集磁器可 为圆柱形集磁器，其结构为一单匝线圈，侧壁开一纵向窄槽，其内添加绝缘材料，集磁器纵 截面结构呈“工”字形、梯形或“T”形，其内表面上的工作区与外表面轴向长度之比小于1 ； 集磁器材料为高强度、高导电率的金属，可以是紫铜或铜合金或高强铝合金。
4.根据权利要求1、2所述的薄壁金属管路磁脉冲连接方法，其特征是该方法所涉及 的薄壁金属管路磁脉冲连接的管路接头结构，1)本发明适用的管路接头的连接为(1)变径或等径的直通、弯头接头的连接(2)三通、四通接头等多通接头的连接2)本发明适用的管路材料匹配如下(1)铜-铜或铜合金，或(2)铝合金-铝合金，或(3)铝合金-不锈钢波纹管，或(4)不锈钢-铜(铜作为不锈钢管路的过渡结构)，或(5)不锈钢_不锈钢(直接连接或采用高导电率的铜、铝合金驱动体)，或(6)其他同种或异种金属材料管路。
5.根据权利要求4所述的薄壁金属管路磁脉冲连接管路接头结构，其特征是所述的 管路材料匹配中(1) (4)项的管路连接，可以通过磁脉冲连接方法直接实现连接。
6.根据权利要求4所述的薄壁金属管路磁脉冲连接管路接头结构，其特征是所述的 管路材料匹配中(5)项的管路连接，采用高导电率的材料做驱动体，如铜合金或铝合金等； 或者在进行磁脉冲连接之前，对与磁脉冲连接感应器临近的连接管件表面施加一定厚度的 高导电率金属材料的涂层，再进行磁脉冲连接操作。
7.根据权利要求4所述的薄壁金属管路磁脉冲连接管路接头结构，其特征是所述的 管路材料匹配(6)项的管路连接，若高导电率金属为连接管，则通过磁脉冲连接方法直接 实现连接；若低导电率金属为连接管，则按材料匹配(5)项的管路连接方法处理。
8.根据权利要求4所述的薄壁金属管路磁脉冲连接管路接头结构，其特征是磁脉冲 连接管件与被连接管件的单面径向间隙为外管内直径的5 20%，或者取0. 5 2. 0t。
9.根据权利要求4所述的薄壁金属管路磁脉冲连接管路接头结构，其特征是被连接 管件满足一定得刚度，以保证在磁脉冲连接过程中不发生塑性变形或结构失稳。
全文摘要
本发明公开了一种薄壁金属管路磁脉冲连接方法及其接头结构，为同、异种薄壁金属管路结构提供一种安全、高效的磁脉冲连接方法和磁脉冲连接接头结构。本发明是采用线圈-集磁器复合型感应器或线圈感应器与电磁脉冲成形设备连接，可以对多种金属材料及各种结构形状的管路进行磁脉冲连接。接头连接界面的过渡区小，几乎不产生脆性相或金属间化合物，接头几无热影响区和扭曲变形，强度和耐蚀性高，抗拉强度和抗扭强度均至少高于较弱母材；无须后续清理工序及焊后热处理；被连接管件满足一定刚度要求，保证在磁脉冲连接过程中不发生塑性变形，工艺灵活性高。
文档编号B23K20/06GK101905375SQ20101023992
公开日2010年12月8日 申请日期2010年7月29日 优先权日2010年7月29日
发明者于海平, 徐志丹, 李春峰, 赵志学 申请人:哈尔滨工业大学