一种异种金属管搭接接头及其焊接方法与流程

本发明涉及焊接技术领域，尤其是一种异种金属管搭接接头及其焊接方法。

背景技术：

随着国家经济技术的发展，以及人们节能减排意识的提高，对于传统制造业那些高耗能、低效率的机械构件将会被逐渐淘汰。结构轻量化不仅可以节约金属减轻机械部件的整体重量还可以降低能耗。例如，在航天制造领域，飞机的大部分座椅和机舱等部位均采用了铝合金结构；在汽车制造领域，丰田卡罗拉系列轿车车身采用铝合金框架；船舶主体和上层建筑使用的是铝钢复合材料。但是，由于异种金属物理性能差异较大，化学性能和组织成分也存在着很大的差别，传统熔化焊很容易形成孔洞、裂纹以及脆性金属间化合物极大程度降低接头的连接质量，难以满足工作要求。

磁脉冲焊接作为一种固相连接技术非常适合异种金属间的连接，焊接部位无脆性金属间化合物形成，焊接速度快，不需要保护气体也无废气产生，是一种绿色高效的焊接工艺。磁脉冲焊接属于高速冲击焊接工艺，当两金属管材受到磁压力发生塑性变形时，外管会高速撞击内管，如果碰撞角度合适，会在两管材接触面的先撞击点上产生射流以及高应变速率的金属塑性流动。该射流冲刷或清除了两金属工件待焊接面的附着物，使两洁净金属表面在高压下紧密结合而形成金属键接。在两金属间的交界面处局部区域内，两金属层相互扩散，从而在交界面处形成冶金结合的焊缝。

在磁脉冲焊接过程中，只有当碰撞速度与碰撞角度合适时才能形成异种金属材料的冶金连接。在传统的金属管材磁脉冲焊接过程中，由于采用的是内外管管端平行搭接的接头结构形式，外管所受的磁压力沿线圈轴向分布均匀，内外管间间隙也相等，故而外管发生均匀缩径塑性变形，导致外管连接区大部分与内管垂直碰撞无法形成有效的碰撞角度，也就难以形成射流，连接区大部分为机械连接区,仅在集磁器工作区端部区域形成约1~2mm宽的焊缝。焊接区域面积过小，极大限制了接头的承载能力。

技术实现要素：

本发明提出一种异种金属管搭接接头及其焊接方法，有利于在磁脉冲焊接作业中形成碰撞角度，提高碰撞速度，扩大搭接接头冶金连接区域面积。

本发明采用以下技术方案。

一种异种金属管搭接接头，用于磁脉冲焊接金属管时扩大接头冶金连接区域面积，所述搭接接头包括外管（2）和内管（3）；所述外管的焊接端和内管的焊接端均置于焊接设备的集磁器的工作区（41）处；所述集磁器的工作区（41）为锥面结构；所述外管的焊接端为外壁与工作区锥面平行的喇叭形的扩口；所述内管的焊接端插入扩口且与扩口的小端相邻；内管焊接端的管径小于或等于扩口小端处的孔径；当进行磁脉冲焊接时，所述扩口因集磁器磁场生成感应涡流；感应涡流的磁场与工作区处的集磁器磁场相斥，使扩口在斥力作用下高速碰撞内管焊接端完成磁脉冲焊接。

所述工作区设于集磁器中部；所述集磁器外壁处设有通向集磁器工作区的微小纵缝；所述集磁器与线圈（1）相邻；所述电容器组c对线圈供电以使线圈磁场在集磁器外壁生成感应电流，所述集磁器外表面的感应电流经集磁器侧壁纵缝传导进入集磁器工作区内表面，集磁器工作区内表面的感应电流在工作区处形成集磁器磁场。

所述线圈为套置于集磁器外的螺线管线圈；所述线圈与集磁器两者按同心圆位置放置。

所述集磁器外壁处的纵缝宽度为0.5mm；所述电容器组c、线圈之间串联有高压开关s。

所述扩口为外管焊接管经扩口工艺扩张成型；所述扩口在加工完成后经退火处理以消除加工应力。

所述工作区锥面结构锥面的锥角α取值范围为3˚~5˚；外管的焊接端和内管的焊接端之间的距离范围为0.5mm~2mm。

一种异种金属管搭接接头的焊接方法，以上所述的一种异种金属管搭接接头，其焊接方法包括以下步骤；

步骤a1、对外管焊接端进行扩张形成扩口；

步骤a2、对外管焊接端内壁连接区和内管焊接端外壁连接区用砂纸打磨掉表面的氧化层，然后用高纯度酒精进行擦拭，去除表面的污垢；

步骤a3、把外管无扩口一端从集磁器工作区中穿过，当工作区锥面与外管焊接端扩口平行时，把外管无扩口一端以工装固定；

步骤a4、在工装上固定内管；然后把内管焊接端移至外管扩口处的连接作业区并使内管焊接端与外管扩口同轴对称放置；

步骤a5、打开电源对电容器组c充电，充电完毕后高压开关s闭合，此时电容器组c对串联的线圈放电以激发出脉冲磁场，该脉冲磁场在集磁器外表面产生感应电流，感应电流从集磁器外表面通过侧壁的纵缝传导进入内表面的工作区，使得外管外表面产生感应涡流，该涡流产生的磁场与集磁器4感应电流产生的磁场互斥且在集磁器工作区处叠加，产生脉冲磁压力，驱动外管向内管冲击；

步骤a6、外管焊接端离内管焊接端最近的部位以碰撞角度β先发生碰撞；由于外管焊接端扩口角度的存在，使得后续未变形的外管与内管间形成一碰撞角β1；而后的外管未变形部分的材料在外管已完成碰撞材料的带动和磁压力共同作用下，以一定的冲击角度顺序向前推进并继续同内管发生一定角度的碰撞；

步骤a7、线圈的脉冲磁场持续释放，持续驱动外管冲击内管；在这种有一定角度的顺序冲击模式中，外管与内管始终产生碰撞角度，在磁压力作用下产生碰撞速度，使外管与内管之间产生金属射流以形成冶金连接，随着碰撞点的移动，连接区不断扩大，最终整个外管焊接端和内管焊接端之间连接区连接完成。

本发明包含以下有益效果：该发明提出改变碰撞角度、提高碰撞速度的方法，极大提高了碰撞角度和碰撞速度的匹配概率，扩大了冶金连接区域，可以在整个连接区域形成冶金焊接。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步详细的说明：

附图1是本发明的示意图；

附图2是本发明的另一示意图；

附图3是集磁器工作区锥形面和外管扩口的局部放大图；

附图4是外管与内管在磁脉冲焊接中的连接过程示意图；

图中：1-线圈；2-外管；3-内管；4-集磁器；41-工作区；42-扩口；43-连接区；c-电容器组；s-高压开关。

具体实施方式

如图1-4所示，一种异种金属管搭接接头，用于磁脉冲焊接金属管时扩大接头冶金连接区域面积，所述搭接接头包括外管2和内管3；所述外管的焊接端和内管的焊接端均置于焊接设备的集磁器的工作区41处；所述集磁器的工作区41为锥面结构；所述外管的焊接端为外壁与工作区锥面平行的喇叭形的扩口42；所述内管的焊接端插入扩口且与扩口的小端相邻；内管焊接端的管径小于或等于扩口小端处的孔径；当进行磁脉冲焊接时，所述扩口因集磁器磁场生成感应涡流；感应涡流的磁场与工作区处的集磁器磁场相斥，使扩口在斥力作用下高速碰撞内管焊接端完成磁脉冲焊接。

所述工作区设于集磁器中部；所述集磁器外壁处设有通向集磁器工作区的微小纵缝；所述集磁器与线圈1相邻；所述电容器组c对线圈供电以使线圈磁场在集磁器外壁生成感应电流，所述集磁器外表面的感应电流经集磁器侧壁纵缝传导进入集磁器工作区内表面，集磁器工作区内表面的感应电流在工作区处形成集磁器磁场。

所述线圈为套置于集磁器外的螺线管线圈；所述线圈与集磁器两者按同心圆位置放置。

所述集磁器外壁处的纵缝宽度为0.5mm；所述电容器组c、线圈之间串联有高压开关s。

所述扩口为外管焊接管经扩口工艺扩张成型；所述扩口在加工完成后经退火处理以消除加工应力。

所述工作区锥面结构锥面的锥角α取值范围为3˚~5˚；外管的焊接端和内管的焊接端之间的距离范围为0.5mm~2mm。

一种异种金属管搭接接头的焊接方法，以上所述的一种异种金属管搭接接头，其焊接方法包括以下步骤；

步骤a1、对外管焊接端进行扩张形成扩口；

步骤a2、对外管焊接端内壁连接区和内管焊接端外壁连接区用砂纸打磨掉表面的氧化层，然后用高纯度酒精进行擦拭，去除表面的污垢；

步骤a3、把外管无扩口一端从集磁器工作区中穿过，当工作区锥面与外管焊接端扩口平行时，把外管无扩口一端以工装固定；

步骤a4、在工装上固定内管；然后把内管焊接端移至外管扩口处的连接作业区并使内管焊接端与外管扩口同轴对称放置；

步骤a5、打开电源对电容器组c充电，充电完毕后高压开关s闭合，此时电容器组c对串联的线圈放电以激发出脉冲磁场，该脉冲磁场在集磁器外表面产生感应电流，感应电流从集磁器外表面通过侧壁的纵缝传导进入内表面的工作区，使得外管外表面产生感应涡流，该涡流产生的磁场与集磁器4感应电流产生的磁场互斥且在集磁器工作区处叠加，产生脉冲磁压力，驱动外管向内管冲击；

步骤a6、外管焊接端离内管焊接端最近的部位以碰撞角度β先发生碰撞；由于外管焊接端扩口角度的存在，使得后续未变形的外管与内管间形成一碰撞角β1；而后的外管未变形部分的材料在外管已完成碰撞材料的带动和磁压力共同作用下，以一定的冲击角度顺序向前推进并继续同内管发生一定角度的碰撞；

步骤a7、线圈的脉冲磁场持续释放，持续驱动外管冲击内管；在这种有一定角度的顺序冲击模式中，外管与内管始终产生碰撞角度，在磁压力作用下产生碰撞速度，使外管与内管之间产生金属射流以形成冶金连接，随着碰撞点的移动，连接区不断扩大，最终整个外管焊接端和内管焊接端之间连接区43连接完成。

在步骤a7中，外管和内管的非焊接段在轴向上需被固定，以防止外管扩口段与内管碰撞时位置发生窜动，外管焊接端和内管焊接端之间的连接区在外管与内管的一次高速碰撞中连接成型。

实施例1：

本实施方式包括螺线管线圈1、集磁器4、高压开关s及电容器组c。

螺线管线圈1材料选用紫铜，集磁器4材料一般选用电阻率较低且强度较高的铜合金，集磁器侧面沿轴向开有一0.5mm纵缝，该纵缝与集磁器4内表面相通，集磁器工作区41设计成锥面结构，其锥面与轴向夹角定义为锥面的锥角α的取值范围可为3˚~5˚，本例所选用锥面的锥角为4˚；对外管2任一端部扩口，扩口角度应与集磁器工作区41锥面的锥角相等，二者最终位置关系应为平行。螺线管线圈1套在集磁器4外表面,二者成一同心圆放置。电容器组c、高压开关s、螺线管线圈1三者串联在电路中。

该实例中所选用的外管2为3a21铝合金外管，外直径为20mm，内直径为17mm，壁厚为1.5mm，长为100mm，外管2扩口角度为4˚，扩口完毕后进行退火处理消除加工应力。

内管3为20号钢管，外直径为16mm，内直径为8mm，壁厚为4mm，长为80mm。两管同轴对称放置,并且保证待连接接头的相对位置，两管搭接长度为15mm,外管2的外表面与集磁器工作区锥面垂直间隙为1mm，外管2内表面与内管3外表面最小间隙为0.5mm最大间隙为2mm，二者间隙成正比增加。

对外管2内壁连接区和内管3外壁连接区用砂纸打磨掉表面的氧化层后用纯度为95%酒精进行擦拭，去除表面的污垢。先把外管2无扩口一端从集磁器工作区4-1穿过，当集磁器工作区锥面端部与外管2扩口端部平行时，此时把外管2无扩口一端在工装上夹紧。然后把内管3在工装上夹紧，移动工装使内管3的端部到达指定连接区，两管最终要保证同轴对称放置。打开电源对电容器组c充电，充电完毕后高压开关s闭合，此时电容器组c对串联的线圈1放电，线圈1的电流进而激发出脉冲磁场，由于电磁感应和集肤效应，该脉冲磁场在集磁器4外表面产生感应电流，感应电流从集磁器4外表面通过侧壁的纵缝传导进入内表面,使得外管2外表面产生感应涡流，该涡流产生的磁场与集磁器4感应电流产生的磁场在集磁器工作区4-1叠加，此叠加的强磁场与外管2上感应电流垂直产生脉冲磁压力。开始时外管2离内管3最近的端部先发生碰撞，形成一碰撞角度β；由于外管2扩口角度的存在，使得后续未变形的外管2与内管3形成一碰撞角β1，而后的外管2未变形部分的材料在外管2已完成碰撞材料的带动和磁压力共同作用下以一定的动态冲击角度β2顺序向前推进并同内管3发生一定角度的碰撞，如此反复循环，直至整个连接区连接完成。在这种有一定角度的顺序冲击模式中，外管与内管始终产生碰撞角度，在磁压力作用下产生碰撞速度，当二者合适时产生金属射流形成冶金连接。

实施例2：

本例中为两等直径管的连接，所选用的外管2为3a21铝合金外管，外直径为20mm，内直径为18mm，壁厚为1mm，长为100mm，外管2扩口角度为3˚~5˚，本例中所选用的扩口角度为5˚。内管3为20号钢管，外直径为20mm，内直径为14mm，壁厚为3mm，长为80mm，其他具体实施方式与实施方式一相同。