基于电磁力的焊接热裂纹及变形随焊控制新方法

论文摘要

基于电磁感应原理,针对焊接热裂纹和焊接变形问题,提出了一种在焊接过程中基于电磁力作用（WTIEF）控制焊接应力应变的方法。该方法为非接触施力,可以避免焊缝表面损伤,从而降低对接头力学性能的破坏,特别是疲劳性能。另外,该方法还具有能量易于控制、设备更加柔性化等特点。文中借助ANSYS软件讨论了电磁线圈的形式、电磁力的作用特点、工件的塑性变形行为、装置和工艺参数对电磁力的影响。研制了随焊电磁冲击装置,采用与焊枪同轴放置的平面螺旋线圈+集磁器（FCC）的线圈形式实现了焊接热裂纹的随焊控制。实现了利用电磁力焊接变形的焊后控制,提出了动态屈服应力的概念,并确定了随焊控制焊接变形的最佳施力位置。文中讨论了电磁力及工件塑性变形模拟时的关键技术,对线圈磁场、放电电流进行了测量,验证了电路-电磁耦合有限元模型的正确性。通过搭建单次电磁冲击原理性装置,实现了对板材的单次电磁冲击实验,验证了电路-电磁-结构耦合有限元模型的正确性。系统分析了平面螺旋线圈电磁力的作用特性。研究发现,轴向力（垂直工件的力）在放电电流的第一半波时间内几乎始终垂直工件向下,且远大于径向力（平行工件的力）,有利于对热态焊缝及近缝区金属的延展。当线圈置于合适位置时,径向力的分布同样有利于焊接热裂纹和焊接变形的控制。研究了温度对电磁力的影响及工件存在高斯温度分布时电磁力的作用特性。随着温度的升高,轴向力减小,径向力增大。工件存在高斯温度分布时,与室温条件相比,轴向力减小,最大作用点的径向位置外移;径向力增大,换向点的径向位置内移。进行了WTIEF鱼骨焊接试件热裂纹的控制实验。FCC感应器能够使磁场集中在小范围作用区,从而实现对高温区施力,但其存在一定能量损失。合理尺寸的FCC感应器与焊枪同轴放置时能够实现对脆性温度区间的挤压,从而使热裂纹得到控制。焊接裂纹率随电压和冲击频率的增加而减小。在平面螺旋线圈作用下工件在轴向力最大位置附近产生拉伸塑性应变,因此采用平面螺旋线圈能够实现焊接变形的焊后控制。在随焊控制焊接变形时,外力只需克服动态屈服应力（屈服强度与焊接应力的差值）即可使焊缝及近缝区金属产生塑性延展。外力作用的最佳位置为动态屈服应力的较小区域。本研究条件下,动态屈服应力所表现的特征为,距离熔池较近区域和距离熔池较远区域达到较小值,而其中间区域则存在一个较高的值。对于基于电磁力随焊控制焊接变形,尽管最大轴向电磁力受温度影响而有所减小,但最佳施力位置并未受到影响。分析了装置及工艺参数对电磁力的影响。研究发现,随着回路电阻、回路电感、线圈-工件间隙和板厚的增加,最大轴向力密度呈指数减小。线圈匝数和尺寸对电磁力的影响与回路电阻和回路电感相关。磁性材料所受的电磁力大于导电性好的材料。在线圈中心加入磁芯后,由于线圈尺寸和磁饱和的限制很难达到集中能量同时增大电磁力的目的。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究的目的和意义
• 1.2 焊接应力及变形的研究现状
• 1.2.1 焊接应力应变的形成
• 1.2.2 焊接过程中焊接应力变形的控制
• 1.2.3 焊后降低残余应力变形的手段
• 1.3 焊接热裂纹的研究现状
• 1.3.1 焊接热裂纹的形成机理及其影响因素
• 1.3.2 焊接热裂纹的预防措施
• 1.4 电磁力在材料塑性成形中的应用现状
• 1.4.1 电磁成形技术的原理及特点
• 1.4.2 电磁成形设备
• 1.4.3 电磁成形技术驱动线圈的形式
• 1.4.4 电磁成形中的重要参量
• 1.5 主要研究内容
• 第2章 随焊电磁冲击装置的研制
• 2.1 WTIEF 控制焊接热裂纹及变形的基本原理
• 2.1.1 焊接热裂纹及焊接变形的形成机理
• 2.1.2 基本思想及原理
• 2.2 随焊电磁冲击装置的设计思路
• 2.3 主体电路
• 2.3.1 充电电路
• 2.3.2 放电电路
• 2.3.3 主电路的模拟测试
• 2.4 控制电路
• 2.4.1 控制电路的时序逻辑
• 2.4.2 555 时基电路
• 2.4.3 电压比较器电路
• 2.4.4 可控硅触发电路
• 2.4.5 IGBT 触发电路
• 2.4.6 控制电路的模拟测试
• 2.5 电路的测试结果及实际操作
• 2.6 本章小结
• 第3章 有限元分析手段及参量测量
• 3.1 电磁力及塑性变形的模拟
• 3.1.1 物理过程的简化和基本假设
• 3.1.2 电路-电磁耦合有限元模型的建立
• 3.1.3 电磁场分析的数学基础
• 3.1.4 模型参数的确定
• 3.1.5 单元类型的选择
• 3.1.6 工件网格的划分
• 3.1.7 模拟结果评定参量的选取
• 3.1.8 塑性变形的模拟
• 3.2 焊接温度场及应力应变的模拟
• 3.2.1 有限元模型的建立
• 3.2.2 材料性能
• 3.3 电磁参数的测量
• 3.3.1 放电电流的测量
• 3.3.2 磁场的测量
• 3.4 本章小结
• 第4章 平面螺旋线圈电磁力的时空特性
• 4.1 有限元模型及结果参量
• 4.1.1 有限元模型
• 4.1.2 结果参量符号说明
• 4.2 电磁参数的空间特性
• 4.2.1 电磁参数的空间分布
• 4.2.2 不同时刻下电磁参数的空间分布
• 4.2.3 电磁力分布对控制焊接热裂纹和变形的有利作用
• 4.3 电磁参数的时间特性
• 4.3.1 轴向电磁力及相关参数
• 4.3.2 径向电磁力及相关参数
• 4.4 高温下的电磁力
• 4.4.1 温度对电磁力的影响
• 4.4.2 高斯温度分布时的电磁力密度
• 4.5 电磁力时空特性的调控
• 4.6 本章小结
• 第5章 焊接热裂纹的随焊控制
• 5.1 电磁线圈的选择
• 5.1.1 施力范围的确定
• 5.1.2 FCC 感应器的工作原理
• 5.1.3 FCC 感应器与平面螺旋线圈的磁场分布
• 5.2 FCC 感应器对脆性温度区间金属的挤压作用
• 5.2.1 问题的简化
• 5.2.2 有限元模型
• 5.2.3 电磁力对工件的作用
• 5.3 焊接热裂纹实验
• 5.3.1 实验规范
• 5.3.2 控制规范对裂纹率的影响
• 5.3.3 磁场对组织的影响
• 5.4 本章小结
• 第6章 焊接变形随焊控制的相关研究
• 6.1 平面螺旋线圈对工件的冲击延展作用
• 6.1.1 线圈对工件的向下冲击作用
• 6.1.2 焊接垫板存在时线圈对工件的延展作用
• 6.1.3 温度对电磁力作用下平板塑性变形的影响
• 6.1.4 焊接温度分布下线圈的作用
• 6.2 焊后电磁冲击控制焊接变形实验
• 6.2.1 实验条件
• 6.2.2 实验结果
• 6.3 随焊控制焊接变形施力位置的确定
• 6.3.1 焊接应力应变的演变性质
• 6.3.2 动态屈服应力与施力位置的确定
• 6.3.3 电磁力作用下最佳施力位置的确定
• 6.4 本章小结
• 第7章 装置及工艺参数分析
• 7.1 电容和电压
• 7.2 回路电阻和回路电感
• 7.2.1 回路电阻
• 7.2.2 回路电感
• 7.3 线圈-工件间隙
• 7.4 工件几何参数及其性质
• 7.4.1 几何参数
• 7.4.2 电导率和磁导率
• 7.5 线圈参数
• 7.5.1 单匝线圈
• 7.5.2 多匝线圈
• 7.5.3 磁芯线圈
• 7.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 附录
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢
• 个人简历