基于磁脉冲焊接技术的铝合金与碳纤维板连接工艺研究

摘要

汽车作为人类最重要的工业产品之一，减小燃油消耗和尾气排放对于环境保护起着至关重要的作用，而汽车轻量化对于实现节能减排有着重要意义。轻量化的实现主要包括两个方面：结构轻量化和材料轻量化。通过使用铝合金、镁合金、碳纤维等新型轻质材料代替传统钢材是最有效的办法之一，而多种材料的使用必然涉及到异种材料可靠性连接的问题。磁脉冲焊接技术作为一种高效，环保而且易于实现自动化的连接技术，在汽车领域有着广阔的应用前景。本文提出一种利用磁脉冲焊接技术实现铝合金与碳纤维薄板连接的工艺结构，通过数值模拟，工艺试验，接头性能测试和微观形貌分析等几个方面展开研究。　　首先基于LS-DYNA仿真软件，根据板焊线圈和Al-CFRP的接头结构，建立电磁场与结构场耦合的数值模型，通过FEM-BEM顺序耦合方式计算得到了整个焊接过程中各个物理量的变化规律。使用PDV设备测量了不同放电能量下的变形速度，与仿真结果进行对标，误差均在10%以内。分析了铝合金板和线圈上电流密度、磁场强度和电磁力的分布情况。结果显示，随着放电能量的增加，铝合金板的变形速度更快，受到的电磁力更大。　　然后，以四种不同类型的开孔形式(单孔，横向双孔，竖向双孔和四孔)作为试验变量，分别进行试验。并对接头进行剪切力学性能测试。结果发现不同接头形式在承受载荷，吸能和失效模式上均有不同。对于横向双孔和竖向双孔两种结构而言，承受峰值载荷能力大致相等，但横向双孔的吸能效果明显强于竖向双孔。两者的失效模式也有所不同，横向双孔的两个焊点同时失效，而竖向双孔中靠近碳纤维板内侧焊点先发生失效。横向双孔的断口表现为纯剪切失效，竖向双孔的焊点失效形式则有所不同，内侧孔对于焊点的失效形貌为等轴韧窝，外侧为剪切韧窝。说明，竖向双孔对应焊点失效时的主要应力状态不同。并分析了不同类型接头的失效机理。根据试验相关结论，提出一些Al-CFRP接头的设计方法。　　接下来，对Al-CFRP接头进行了微观形貌测试。通过对两个垂直接头截面的微观观察，发现铝合金板材出现剪切，而且剪切附近的硬度有一定的增加，非剪切区的硬度几乎没有变化。碳纤维板材在Al-CFRP-Al三层结构中的层间位置贴合紧密，而且碳纤维板没有发生断裂、分层、弯曲等失效形式。表明整个磁脉冲焊接过程的高速冲击对于碳纤维板没有造成损坏。三个放电能量下均能发现波形焊接界面，随着能量的增大，波形特征越明显，波长和波幅越大。　　最后，通过数值仿真揭示了Al-CFRP接头的连接过程。根据数值模拟的计算结果提取仿真过程中的碰撞速度和碰撞角度关系，分析接头连接行为。分析发现，Al-CFRP接头的环形焊道圆形区域对应的平均碰撞速度低于平直区域的平均碰撞速度，并根据两个位置的Al-Al焊接界面和断口的微观形貌特征，确定了环形焊缝平直区域的焊接强度高于圆形区域的焊接强度。

目录

声明

第 1 章 绪论

1.1 引言

1.2 磁脉冲焊接技术

1.2.1 磁脉冲焊接技术基本原理

1.2.2 磁脉冲焊接技术的国内外研究现状

1.2.3 磁脉冲焊接技术的应用

1.3 本文研究意义与主要内容

第 2 章 Al-CFRP 磁脉冲连接数值模拟

2.1 引言

2.2 金属板与非金属板的磁脉冲连接结构

2.3 磁脉冲连接仿真模型的建立

2.3.1 数值模拟方案

2.3.2 数值模拟的前处理

2.4 铝合金板碰撞速度的获取

2.4.1 PDV 测速系统

2.4.2 测速结果及分析

2.5 磁脉冲焊接数值模拟结果分析

2.5.1 数值模拟可靠性验证

2.5.2 电磁场分析

2.5.3 结构场分析

2.6 本章小结

第 3 章 Al-CFRP 磁脉冲连接工艺试验及力学性能测试

3.1 引言

3.2 Al-CFRP 磁脉冲连接工艺试验

3.2.1 试验设备与工装

3.2.2 试验材料

3.2.3 焊接工艺试验方案

3.3 Al-CFRP 磁脉冲接头力学性能研究

3.3.1 拉伸试验设备及方法

3.3.2 拉伸试验结果

3.4 Al-CFRP 失效模式与吸能差异分析

3.4.1 Al-CFRP 断口形貌分析

3.4.2 Al-CFRP 失效模式与吸能差异分析

3.5 本章小结

第 4 章 Al-CFRP 磁脉冲接头微观结构及连接过程分析

4.1 引言

4.2 Al-CFRP 磁脉冲连接接头微观结构分析

4.2.1 Al-CFRP 接头剥离试验及截面分析

4.2.2 铝合金板材的硬度分析

4.2.3 CFRP 微观界面分析

4.2.4 焊接区域波形界面分析

4.3 磁脉冲焊接过程分析

4.3.1 磁脉冲焊接的必要条件

4.3.2 磁脉冲焊接过程分析

4.3.3 磁脉冲焊接过程对焊缝强度分布的影响

4.4 本章小结

结论与展望

参考文献

致谢

附录 A 攻读学位期间取得的研究成果