基于电磁脉冲技术的金属板件高速碰撞焊接方法与实验研究

摘要

铝合金与铁合金的焊接件在强度、重量和耐腐蚀等关键性能参数上均具有显著优势，在航空航天、汽车制造行业中具有广阔的应用前景。然而，两类合金的电阻率、导热率、比热容、熔点等物理参数相差较大，且两者之间的固溶度较低，容易在界面处形成脆性的反应层，难以通过熔化焊等传统焊接方法实现二者的良好焊接。针对这一难题，本文开展了基于电磁脉冲技术的焊接方法研究，针对已有电磁脉冲焊技术在异质金属板件焊接中的不足，提出了基于集磁器和基于背景磁场辅助的两类板件电磁脉冲焊接方法，分别通过聚磁和增磁的方式增大工件局部的电磁力来提升工件碰撞速度并改进焊接质量。在此基础上，系统开展了两类焊接系统的数学分析模型、电磁-结构优化设计方法、装置研制及实验研究等工作。 首先，开展了基于集磁器的板件电磁脉冲焊接模型和参数分析研究。在详述基于集磁器的电磁脉冲焊接原理基础上，以电流丝法为基础构建了集磁器等效电路模型，高效的实现了集磁器形状参数和线圈匝数的优化设计。在此基础上，构建了基于COMSOL的二维顺序耦合有限元模型和基于ANSYS的三维电磁场和结构场松散耦合有限元模型。其中，主要以二维有限元模型为基础详细分析了电磁脉冲焊接过程中的能量分配，得到了电磁脉冲焊接中能量的分布和转化效率等参数。同时，分析了电路参数对工件碰撞速度的影响等电磁脉冲焊接中的共性问题，指出了减小线路电感和提高电容电压是提高电磁脉冲焊接过程中碰撞速度的有效方法。 其次，开展了基于集磁器的板件电磁脉冲焊接装置研制及实验研究。采用三维有限元模型对基于集磁器的电磁脉冲焊接装置进行了设计和关键部件研制，并通过系列实验论证了该焊接方法和装置的有效性及可靠性。通过有限元模型从宏观上详细分析了集磁器作用下工件区域的磁场和电磁力分布特性以及焊接过程中的工件塑性变形行为；从微观上分析了焊接过程中不同界面的形成过程和焊接界面的温度变化规律。在此基础上，搭建了焊接实验平台并以不同孔径的集磁器对1mm厚的1060铝板和304不锈钢板进行了焊接实验，在焊接样件的外观、截面和焊接界面的微观结构分析的基础上进行了相关工艺实验。工艺试验结果表明，本方法可以较好完成铝板和不锈钢板电磁脉冲焊接。 最后，开展了基于背景磁场辅助的电磁脉冲焊接方法、装置研制及实验研究。构建了该类焊接系统的电磁-结构有限元模型，对背景磁场线圈进行了优化设计，获取了合理的线圈层数与匝数的比例关系，并确定了加固方案；探究了背景磁场焊接过程中工件关键电磁参数（涡流的电流密度、电磁力等）对工件塑性变形行为的影响规律。在此基础上，采用1mm厚的1060铝板进行焊接实验，并进行外观、截面的宏观分析和焊接界面的微观分析，同时对焊接样件进行拉伸强度和硬度测试。实验结果表明该方法可以有效提高工件碰撞速度，并提高焊接质量。

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