3A21铝合金和20#钢管-管磁脉冲焊接工艺研究

论文摘要

磁脉冲焊接（Magnetic Pulse Welding/MPW）是一种基于电磁成形的固相连接技术。将MPW应用于铝合金-钢等异种材料的管-管焊接有利于实现零件轻量化结构设计。本文在对工艺参数解析的基础上,采用数值模拟和试验研究相结合的方法,对获得铝合金-钢管件磁脉冲焊接接头的条件和主要参数的影响规律进行了系统研究。首先给出了磁脉冲焊接工艺参数的解析计算流程,得出磁脉冲焊接系统参数对接头连接效果的影响规律,结果表明:降低系统电感,提高等放电能量条件下的电压,可以提高磁场力载荷值和加载速率,并降低能量损耗,因此有利于磁脉冲焊接工艺的实现。采用类比的方法,引入爆炸焊接工艺中流动限、形成波形界面临界速度作为衡量磁脉冲焊接形成条件和焊接效果的判断标准,分析得到碰撞速度和碰撞角度是形成磁脉冲焊接的关键因素。建立了管-管磁脉冲焊接系统的有限元分析模型,采用半耦合法处理脉冲磁场力作用下的管件变形、冲击碰撞过程主要涉及到的磁场与变形耦合问题。以碰撞速度为标准,参照碰撞过程中连接管件运动和变形加速度的变化,评价了各工艺参数对接头焊接效果的影响。数值模拟分析结果表明:减少线圈匝数,提高等放电能量条件下的电压,选择合理的工件间隙均可以提高碰撞速度,有利形成磁脉冲焊接接头。用试验方法探索了中低固有频率电磁成形设备实现磁脉冲焊接的途径,即选用低电感的成形连接系统,采用电压值“窗口”的上限,通过优化接头搭接区径向间隙及其与线圈的相对位置,创造获得焊接接头的有利条件。通过单向拉伸和连接区的剥离试验,检验了连接接头的力学性能,在放电电压5.5 kV、电容量720μF、直径20 mm的5匝线圈的条件下得到了连接强度高于铝合金母材的连接接头。用扫描电镜对3A21铝合金和20#钢管-管磁脉冲焊接接头的微观形貌和成分进行了分析。结果表明:焊接接头上存在宽度不等的趋于平直过渡区,铝钢界面附近的钢的晶粒发生了明显的塑性变形,在过渡区内铁铝元素发生了互扩散,并且铁元素向铝基体内扩散的距离大。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 磁脉冲焊接特点
• 1.3 磁脉冲焊接国内外发展概况
• 1.3.1 磁脉冲焊接过程数值模拟
• 1.3.2 磁脉冲焊接工艺参数
• 1.3.3 磁脉冲焊接接头组织
• 1.4 本文的选题意义及研究内容
• 第2章 磁脉冲焊接理论分析
• 2.1 引言
• 2.2 工艺参数的理论分析
• 2.2.1 系统电感
• 2.2.2 集肤深度
• 2.2.3 成形参数
• 2.3 磁脉冲焊接的实现条件
• 2.3.1 流动限
• 2.3.2 形成波形界面的临界速度
• 2.4 本章小结
• 第3章 磁脉冲焊接过程有限元分析
• 3.1 引言
• 3.2 有限元分析预处理
• 3.2.1 有限元模型建立
• 3.2.2 模拟结果分析
• 3.3 工艺参数对焊接效果的影响
• 3.3.1 线圈匝数
• 3.3.2 电容电压
• 3.3.3 工件间隙
• 3.4 本章小结
• 第4章 磁脉冲焊接试验研究
• 4.1 引言
• 4.2 磁脉冲焊接试验准备
• 4.2.1 试验设备
• 4.2.2 试验材料
• 4.3 磁脉冲焊接预试验
• 4.3.1 试验工装的设计
• 4.3.2 试验线圈的改进
• 4.4 磁脉冲焊接试验
• 4.4.1 放电电压对焊接效果的影响
• 4.4.2 工件间隙对焊接效果的影响
• 4.4.3 搭接部位与线圈相对位置的影响
• 4.5 磁脉冲焊接接头组织分析
• 4.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢