能量的传递与转换作用对磁脉冲焊接接头性能的影响研究

论文摘要

随着汽车、火车以及航空航天产业不断向结构轻量化方向发展，铝合金、镁合金等轻质材料逐渐代替了传统的钢材，由此急需实现铝合金等轻质金属材料与其他金属材料的连接。然而由于异种材料物理性能本身的差异，以及易在连接界面上出现脆硬的金属间化合物，通过传统的连接方法很难获得优质的连接接头。磁脉冲连接技术本质上是一种塑性变形连接技术，集成了高速成形和固相连接技术的优点，能有效的抑制界面结合区脆性的金属间化合物的产生，特别适用于铝合金等轻质金属材料与其他金属材料间的焊接。本文首先介绍分析了磁脉冲焊接技术相关的基础原理知识，进而建立推导得出磁脉冲焊接过程能量转换数学模型并进行验证。接着从应力波理论、高速撞击条件下的金属变形理论等方面的理论知识出发，分析能量传递与转换作用和撞击界面波纹结合之间的联系。最后展开异种金属磁脉冲焊接的工艺，研究分析能量传递与转换作用对焊接接头成形性能的影响。本文在介绍磁脉冲焊接的基本理论知识中，从焊接原理入手，阐述了磁脉冲焊接的实现基础，工作原理以及冲击焊接成形的相关理论，提出磁脉冲焊接的可焊性窗口，得出适宜的碰撞速度和碰撞角度才能为焊接过程提供适宜的能量，进而形成良好的磁脉冲焊接接头。通过分析磁脉冲焊接设备的工作原理以及在焊接过程中电、磁、力的转化规律，建立磁脉冲焊接过程的能量转换数学模型，从而在给定其他参量的情况下，模拟计算出所需的磁脉冲焊接充电电压的数值，并通过试验进行验证。试验表明：模拟计算得出的充电电压数值可以较好的指导实际焊接工作。以磁脉冲焊接过程中能量转换与利用关系为基石，辅以材料动力学、应力波理论、高速撞击条件下的金属变形理论等方面的理论知识为依托，合理设计相关试验工作，分析能量传递与转换作用对撞击界面波纹形态的影响。最后，采用SEM、X-射线衍射仪、TEM、纳米压痕仪等材料分析检测方法对铝-不锈钢、铝-镁异种金属材料磁脉冲焊接后界面所产生的相变、扩散、熔化及凝固现象进行深入分析，并类比不同热处理条件下铝-镁异种材料焊接后结合界面的组织形态演变规律。采用相应的性能检测手段检测焊接接头的结合性能。研究能量传递与转换作用对磁脉冲焊接接头成形性能的影响。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究背景
• 1.2 磁脉冲焊接特点
• 1.3 磁脉冲焊接国内外研究现状
• 1.3.1 磁脉冲焊接工艺技术研究
• 1.3.2 磁脉冲焊接数值模拟研究
• 1.3.3 磁脉冲焊接设备研制
• 1.4 课题研究意义
• 1.5 课题研究主要内容
• 第2章 磁脉冲焊接理论分析
• 2.1 引言
• 2.2 固相焊接实现的前提条件
• 2.2.1 清洁而新鲜的焊接表面
• 2.2.2 焊接表面接近到原子间距
• 2.3 磁脉冲焊接技术的实现基础
• 2.3.1 一定角度下的高速倾斜撞击
• 2.3.2 适宜的集肤深度
• 2.3.3 合适的集磁装置
• 2.4 磁脉冲焊接设备介绍以及工作原理
• 2.4.1 磁脉冲焊接设备介绍
• 2.4.2 磁脉冲焊接的工作原理
• 2.5 磁脉冲焊接飞行管件的运动规律
• 2.6 冲击界面波纹形成相关理论
• 2.7 磁脉冲焊接焊接窗口的提出
• 2.8 本章小结
• 第3章 磁脉冲焊接能量转换模型的建立
• 3.1 引言
• 3.2 能量转换模型的推导建立
• 3.3 方程参数的确定
• 3.4 试验验证
• 3.5 本章小结
• 第4章 磁脉冲焊接界面的波纹结合分析
• 4.1 引言
• 4.2 能量传递与转换作用对磁脉冲焊接界面波纹的影响
• 4.2.1 输入能量大小的作用
• 4.2.2 纵向能量传递与转换作用
• 4.2.3 横向能量传递与转换作用
• 4.3 本章小结
• 第5章 磁脉冲焊接接头性能分析
• 5.1 引言
• 5.2 焊接接头微观性能的影响分析
• 5.2.1 1060 工业纯铝和不锈钢磁脉冲焊接
• 5.2.2 1060 工业纯铝和 AZ31B 镁合金磁脉冲焊接
• 5.3 焊接接头力学性能的影响分析
• 5.3.1 1060 工业纯铝和不锈钢磁脉冲焊接
• 5.3.2 1060 工业纯铝和 AZ31B 镁合金磁脉冲焊接
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文
• 致谢