[发明专利]一种利用金属箔通电爆炸冲击波对工件成形的装置及方法

说明书

本发明提供一种利用金属箔通电爆炸冲击波对工件成形的装置及方法，包括：金属箔与脉冲电源系统连接形成闭合回路；金属箔处于液体环境中；液体环境中的液体为可以与金属箔发生氧化还原反应的液体；待加工金属工件置于所述金属箔之上；待加工金属工件部分处于液体环境中，待加工金属工件与金属箔之间绝缘，保证金属箔与待加工金属工件之间不通过液体导电；通过脉冲电源系统对金属箔通入脉冲电流，金属箔在脉冲电流的作用下爆炸产生剧烈的冲击波，且金属箔爆炸过程中与液体环境内的液体发生氧化还原反应释放大量能量，在冲击波和能量的作用下所述待加工金属工件产生机械响应而被加工成形。本发明提高了金属箔爆炸成形过程中的能量利用率。

技术领域

本发明属于金属材料加工领域，更具体地，涉及一种利用金属箔通电爆炸冲击波对工件成形的装置及方法。

背景技术

轻质合金材料的广泛使用为工业生产轻量化提供了有效的实现途径，在其诸多加工工艺中，轻质合金材料的成形和焊接在航空航天和汽车制造领域有十分重要的应用。然而，常规工艺无法满足其高性能成形与焊接制造需求：(1)在成形方面，常用的轻质合金材料(如铝合金、钛合金等)在常温下成形性能较差，容易出现过度减薄、显著回弹等缺陷；(2)在焊接方面，特别是异种金属焊接方面，由于异种金属在熔点、热导率、比热容等物性参数的显著差异，容易出现脆性区、裂纹、残余应力等缺陷。研究表明，高速成形与冲击焊接可显著改善成形与焊接质量。根据驱动机理的不同，常见的高速成形与冲击焊接工艺主要包括以下三种：

化学炸药爆炸加工，是通过炸药发生化学反应而释放出剧烈的冲击波完成对金属工件的加工，在大尺寸板件复合领域得到较多应用。但以下几点不足，限制了其应用：(1)因为采用炸药产生冲击力存在较高的安全隐患，所以必须要具备密闭及高安全系数的加工环境，不适宜自动化批量生产；(2)为了使爆轰波能稳定传播，炸药的装载存在临界体积效应即炸药装载量不能过少，因此无法应用于较小面积尺寸的焊接件；(3)爆炸焊接过程中会产生很大的震动以及噪音，且炸药的反应物可能会对环境造成污染。

电磁脉冲加工，是通过在金属加工工件中产生与焊接线圈方向相反的涡流，进一步产生电磁排斥力驱动金属加工工件的局部区域发生高速形变进而达到加工目的，可用于铝、铜等高电导率小尺寸金属板管件成形与焊接自动批量化生产。但以下几点不足，限制了其应用：(1)针对不同加工需求，需针对性地设计和制造专用的磁场发生器，导致装备成本较高；(2)受限于磁场发生器极限能量密度，该工艺的能量加载有限，所以很难应用于大尺寸、高厚度的工件加工；(3)电磁脉冲加工因为需要在工件表面感应涡流，只能应用于电导率较强的金属材料。

金属箔电爆炸加工，是指利用脉冲电源系统向金属箔通入脉冲电流，金属箔爆炸产生剧烈的冲击波，使得金属工件的局部区域产生机械响应，以达到对金属工件加工的效果。电爆炸加工工艺，融合了电磁脉冲加工、爆炸加工二者的优点：(1)一方面，与电磁脉冲加工工艺类似，该工艺的能量来源也是电容器储存的电能，安全、环保，适宜批量化自动生产；(2)另一方面，与爆炸加工类似，电爆炸工艺也是利用类似爆炸原理产生的机械冲击波进行金属加工，对待加工金属工件的电导率等电磁特性无特殊要求，能量利用率高，工艺适用性广泛。因此，近些年该工艺得到了广泛的发展。

另外，现有技术公开了：在密闭的腔体内注水，通过在水中放置铝线，给铝线通以脉冲电流，利用水蒸气的动力使飞板发生机械形变，进而发生焊接行为。但实际情况是铝丝在水中爆炸后的反应温度无法使腔体内部的水沸腾，无法形成水蒸气冲击波；铝丝爆炸产生的机械冲击波会增加密闭腔体内水的动能，或引发腔体内部气体压强的变化，但十分悲观的是，依此方法产生的冲击波威力被大大削弱，极大概率无法完成焊接目标。即便有焊接行为发生，也需要很高等级的放电电压，得不偿失。还需要注意的是，密闭的腔体一般为金属，在放电的过程中很难保证电极与金属腔体之间的绝缘。因此，上述方法能量利用率极低，并没有突出铝水化学反应对爆炸能力加持的优势。

综上，虽然金属箔电爆炸加工虽然在安全可控和使用成本方面要明显优于以上两种加工方式，但是仍存在加工效果重复性差、能量利用率低、加工范围有限、对电源系统及电路参数要求高等不足。

发明内容