基于集磁器线圈的3A21铝合金-20钢管磁脉冲连接研究

论文摘要

异种管件磁脉冲连接是利用电磁成形原理,在室温条件下实现的高速、固相连接,合适碰撞速度和角度条件下,能获得具有微细金属间化合物过渡带的异种金属接头,实现高强度的冶金连接。作为辅助工装,集磁器将对磁脉冲连接工艺的稳定性、成形连接效率、线圈服役寿命等产生重要影响。本文通过数值分析和试验研究相结合的方法,对基于带集磁器线圈装置的3A21铝合金-20钢管件磁脉冲连接进行了系统研究。首先,得到圆柱形单孔集磁器侧面锥角对工作区感应电流的影响规律:随着角度的提高,集磁器自感增大,有利于提高工作电流与总感应电流的比例。通过ANSOFT电磁场软件建立集磁器线圈3D有限元模型,分析结果表明:等放电能量条件下,集磁器线圈的磁通密度显著高于独立线圈,调节锥角可以提高管件磁通密度,集磁器线圈相对于独立螺线管线圈提高了磁场能量的转换和传输效率。。以上结果为本文选择合理集磁器线圈提供依据。利用ANSYS和ABAQUS软件完成磁脉冲变形连接过程的数值模拟,分析了各工艺参数对电磁场和变形场的影响规律。研究结果表明:放电电流第一半波周期内,外管与内管变形过程基本完成。随着电压的升高,内外管径向间隙的增大有利于外管获得较高的撞击速度。内管接头预设锥角可显著提高碰撞速度幅值,在本文条件下碰撞速度最大可达514 m/s。通过皮尔森线圈测算所研制集磁器线圈装置条件下外管件的集肤深度,验证了自制装置的有效性,并基于此装置进行工艺试验研究。通过剥离试验和扫描电镜的结果表明:在放电电压15 kV、径向间隙1.2 mm-1.4 mm、锥角角度3-5°,锥角区长度20 mm条件下可获得冶金连接接头;而未设锥角条件下,未获得冶金连接接头。对冶金连接接头进行微观分析发现,连接区由界面和过渡区构成。界面都呈微波状形貌界面,两侧金属发现晶粒细化和明显元素扩散;过渡区显微硬度高于母材,并有Fe-Al中间化合物产生,但过渡区内存在一些微裂纹和“空洞”微缺陷。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 磁脉冲连接工艺研究进展
• 1.2.1 管件磁脉冲连接用线圈装置研究
• 1.2.2 磁脉冲连接工艺关键参数研究
• 1.2.3 磁脉冲连接工艺数值分析研究
• 1.2.4 磁脉冲连接接头性能与微观特征分析
• 1.3 本文的选题意义及研究内容
• 第2章 集磁器线圈装置的数值分析
• 2.1 引言
• 2.2 集磁器线圈理论分析
• 2.2.1 集磁器工作原理
• 2.2.2 集磁器结构分析
• 2.3 集磁器线圈磁场数值模拟分析
• 2.3.1 Ansoft Maxwell 软件简介
• 2.3.2 集磁器线圈有限元模型建立
• 2.3.3 电磁场模拟结果
• 2.3.4 集磁器线圈与独立线圈电感分析
• 2.4 本章小结
• 第3章 磁脉冲连接的数值模拟
• 3.1 引言
• 3.2 磁脉冲连接的电磁场分析
• 3.2.1 电磁场有限元模型建立
• 3.2.2 电磁场后处理分析
• 3.3 磁脉冲连接过程变形场分析
• 3.3.1 变形场有限元模型建立
• 3.3.2 变形场后处理分析
• 3.3.3 工艺参数影响规律
• 3.4 本章小结
• 第4章 磁脉冲连接试验研究
• 4.1 引言
• 4.2 磁脉冲连接试验条件
• 4.2.1 试验设备
• 4.2.2 试验工装
• 4.2.3 试验材料
• 4.3 磁脉冲连接试验研究
• 4.3.1 外管集肤深度测算
• 4.3.2 放电电压对连接效果的影响
• 4.3.3 接头类型对连接效果的影响
• 4.3.4 径向间隙对连接效果的影响
• 4.4 磁脉冲连接接头力学性能研究
• 4.4.1 拉伸性能
• 4.4.2 扭转性能
• 4.5 磁脉冲连接接头微观分析
• 4.5.1 界面的塑性变形
• 4.5.2 界面的微观形貌分析
• 4.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢