铝合金-高强钢板件磁脉冲焊接数值模拟与多环境下的性能评估

摘要

汽车车身轻量化技术对于汽车工业节能减排，实现可持续发展具有重要意义。实现多元材料混用的汽车车身能有效实现汽车轻量化，提高安全性能和操控性能。铝-钢复合结构作为一种常用的复合结构存在很大的焊接难度，磁脉冲焊接工艺能有效解决这个问题。本文对5052铝合金-HC420LA高强钢的磁脉冲焊接接头进行了全参数工艺试验和多种环境下的性能评估，以对磁脉冲焊接工艺在铝-钢焊接结构上的应用提供一定参考。
　　（1）基于ANSYS Maxwell有限元电磁场分析平台，对焊接线圈进行了瞬变场中的电磁场分析。分析了焊接线圈在不同激励电流下的电流密度、磁场强度和电流损耗的分布与变化规律；对动件铝板进行了在不同尺寸焊接线圈驱动下的电磁力分析，分析发现焊接线圈工作区域截面越小，则磁场强度越高，集磁效果越佳，对动件的驱动能力也越强，可以获得较好的焊接效果。但是小截面结构的线圈也会带来较大的电流损耗，导致线圈发热，影响线圈使用寿命。最终权衡焊接效果和使用寿命两个方面选择了截面较大的焊接线圈进行焊接试验，发现焊接效果良好。
　　（2）对5052铝合金-HC420LA高强钢焊接件进行了多能量多间距下的全参数焊接工艺试验，并测试了焊接接头在室温下的准静态拉伸性能，分析了焊接参数对焊接质量的影响，发现在焊接能量与焊接间距的参数匹配存在临界值最优，在该最优搭配下可以获得最佳焊接工艺参数。且随着焊接能量的提升，冲击速度的加快，实现母材断裂的焊接接头的几率大大提高。通过微观分析手段分析对比了铝-钢焊接件两种不同失效模式的原因，发现焊接失效与焊接碰撞速度和碰撞角度相关性较大。在过小碰撞速度和碰撞角度下，铝与钢难以形成质量优良的焊缝，焊接接头强度不足；在过大碰撞速度和碰撞角度下，焊接结合面形成了金属间化合物和微观裂纹以及空洞等缺陷。
　　（3）选定焊接质量较好的焊接件，通过不同环境下的模拟试验，进一步完善了铝-钢焊接接头的性能评估体系。基于不同速率下的拉伸试验，发现铝-钢焊接接头具有一定的应变率敏感性，但是其敏感程度低于母材5052铝合金，因此在高速拉伸下，虽然焊接接头的强度获得了提升，但是失效模式均为焊缝断裂；对铝-钢焊接件进行了不同；冷却方式下的高低温循环试验，发现3个周期高低温循环后，焊接接头的力学性能发生了一定程度的退化，失效发生在焊缝。但是循环次数的影响要低于冷却方式的影响。通过微观分析，发现空冷和水冷下的焊接接头出现了微观裂纹的产生，因而导致了性能退化；铝-钢焊接接头的力学性能在盐雾腐蚀环境中的退化非常明显。其腐蚀首先从焊缝两端开始，这是由于焊缝尖端致密性不好导致的。同时在与铝合金焊接的情况下，钢的电化学位较低，加快了钢的腐蚀速率。铝-钢磁脉冲焊接接头腐蚀行为具有自催化作用，因此在铝-钢焊接件在实际服役环境中使用时，必须要考虑防腐设计。

目录

声明

第1章 绪论

1.1引言

1.2磁脉冲焊接技术研究进展

1.3本文研究意义与主要内容

第2章 磁脉冲焊接线圈电磁场数值模拟

2.1引言

2.2焊接线圈数值模拟

2.3电磁场仿真结果分析

2.4本章小结

第3章 磁脉冲焊接接头工艺试验与失效模式

3.1引言

3.2磁脉冲焊接工艺试验

3.3磁脉冲焊接接头拉伸力学性能研究

3.4磁脉冲焊接接头微观分析

3.5本章小结

第4章 多环境下磁脉冲焊接接头性能评估

4.1引言

4.2高速冲击的磁脉冲焊接接头性能评估

4.3高低温循环的磁脉冲焊接接头性能评估

4.4中性盐雾测试的磁脉冲焊接接头性能评估

4.5本章小结

总结与展望

参考文献

致谢