磁脈沖焊接集磁器開口對(duì)焊接接頭的影響機(jī)理

陳樹君，闞純磊，袁?濤，蔣曉青，龔文韜

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磁脈沖焊接集磁器開口對(duì)焊接接頭的影響機(jī)理

陳樹君，闞純磊，袁?濤，蔣曉青，龔文韜

(北京工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程與應(yīng)用電子技術(shù)學(xué)院，北京 100124)

采用磁脈沖焊接對(duì)3003鋁合金管與1Cr18Ni9Ti不銹鋼棒進(jìn)行了焊接，研究了集磁器開口間隙對(duì)磁脈沖焊接接頭連接效果的影響規(guī)律，并通過空管變形實(shí)驗(yàn)對(duì)焊接結(jié)果進(jìn)行了進(jìn)一步分析．實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，集磁器開口間隙減弱了其附近位置外管所受的磁場(chǎng)力，導(dǎo)致在焊接過程中開口間隙附近外管的變形速度小于其他位置，引起外管向內(nèi)棒沖擊時(shí)產(chǎn)生周向沖擊角度，從而使集磁器開口間隙附近接頭出現(xiàn)了軸向連接，反而有利于管棒連接．不同沖擊間隙下均有其所對(duì)應(yīng)的最優(yōu)放電電壓范圍，在受到集磁器開口間隙的影響下，電壓過大會(huì)導(dǎo)致接頭開裂．

磁脈沖焊接；集磁器開口間隙；異種金屬；空管變形

磁脈沖焊接(magnetic pulse welding，MPW)技術(shù)是一種高速的固相連接方法．它的工作原理是通過磁場(chǎng)力驅(qū)動(dòng)外部管件向內(nèi)部零件高速?zèng)_擊實(shí)現(xiàn)焊接．在焊接過程中不需要額外添加填充金屬也不需要保護(hù)氣體，焊接接頭幾乎沒有熱影響區(qū)[1-3]．目前該技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于汽車、航空航天和電子等工業(yè)領(lǐng)域[4]．

集磁器是磁脈沖焊接系統(tǒng)的重要組成部分，它在焊接過程中可以提高能量利用率，并替代線圈承受大部分磁場(chǎng)力降低線圈的耗損．集磁器的形狀為有開口間隙的回轉(zhuǎn)體，其工作原理是在線圈放電時(shí)將多匝線圈分散的電流轉(zhuǎn)變?yōu)樽陨砀袘?yīng)電流，并通過開口間隙將外表面感應(yīng)到的電流進(jìn)一步集中在集磁器內(nèi)孔，最終使工件表面產(chǎn)生感應(yīng)電流．其中的開口間隙起到了非常重要的引流作用，但開口間隙的加入使放電過程中的電流轉(zhuǎn)換變得復(fù)雜．目前國內(nèi)外很多學(xué)者采用電磁仿真手段對(duì)焊接過程進(jìn)行研究，Bahmani?等[5]運(yùn)用maxwell軟件對(duì)磁脈沖焊接過程進(jìn)行模擬，仿真結(jié)果表明線圈中加入集磁器可以使焊接工作區(qū)的磁通量增加40%,左右．Shim等[6]運(yùn)用ansys有限元方法建立了二維磁脈沖焊接模型，研究發(fā)現(xiàn)集磁器工作區(qū)的磁場(chǎng)力分布是沿軸向從中心向兩邊減小；但是他們?cè)谘芯窟^程中為了簡化模型直接忽略了集磁器開口間隙的影響．而Wang等[7]在研究中發(fā)現(xiàn)集磁器工作區(qū)在沒有開口間隙時(shí)磁場(chǎng)峰值下降超過40%,，但是文獻(xiàn)中并沒有繼續(xù)研究開口間隙對(duì)焊接接頭連接性能的影響．

因此本文著重研究了集磁器開口間隙對(duì)磁脈沖焊接接頭的影響，通過觀察開口間隙對(duì)不同放電電壓與沖擊間隙參數(shù)下焊接接頭宏觀形貌以及焊接接頭的剝離形貌，研究焊接過程中外管徑向變形沿周向分布的規(guī)律，并采用空管變形實(shí)驗(yàn)探究變形機(jī)制．

1?實(shí)驗(yàn)材料及方案

1.1?實(shí)驗(yàn)材料及設(shè)備

本實(shí)驗(yàn)使用的設(shè)備為以色列PULSAR公司生產(chǎn)的MPW-20/9，設(shè)備最大放電電壓為9,kV，最大放電能量為20,kJ．實(shí)驗(yàn)所用集磁器所選材料為鉻鋯銅，集磁器工作區(qū)長10,mm，內(nèi)徑為18,mm，開口間隙為1.5,mm；管坯為3003(O態(tài))鋁合金，尺寸為16,mm×1,mm×40,mm(外徑×壁厚×長度)；內(nèi)棒材料為1Cr18Ni9Ti不銹鋼，長度為45,mm，其直徑為變量，具體焊接過程中的裝配尺寸見圖1(a)．本實(shí)驗(yàn)的焊接參數(shù)變量為放電電壓與沖擊間隙，其中沖擊間隙為外管內(nèi)壁半徑與內(nèi)棒半徑之間的差，沖擊間隙的變化通過改變內(nèi)棒半徑得到，具體參數(shù)見表1，其中2#與5#試樣參數(shù)相同，3#與9#試樣參數(shù)相同，4#與13#試樣參數(shù)相同．

圖1?磁脈沖焊接示意

在后續(xù)實(shí)驗(yàn)分析中，為了便于解釋說明用角度來定位，以集磁器開口處為0°順時(shí)針方向定位，如圖1(b)所示．

表1?焊接參數(shù)

Tab.1?Welding parameters

1.2?剝離實(shí)驗(yàn)

為評(píng)估焊接接頭焊接效果，采用局部剝離的方法來觀察接頭的連接形貌．剝離實(shí)驗(yàn)示意如圖2所示，將焊接完成的接頭按0°、90°、180°和270°分別沿軸向切割成厚度為2,mm的薄片．薄片以焊縫作為分界線兩端被鉗子夾持反向拉伸直至脫落，觀察分析被剝離的接頭結(jié)合面處形貌．

圖2?剝離實(shí)驗(yàn)

1.3?空管變形實(shí)驗(yàn)

為了研究集磁器開口間隙對(duì)焊接過程中外管變形過程的影響，進(jìn)行無內(nèi)棒的空管變形實(shí)驗(yàn)．由于外管屈服強(qiáng)度比較低，正常焊接的放電電壓會(huì)導(dǎo)致管件變形過大甚至破損，因此放電電壓設(shè)定為2.5,kV、3,kV、3.5,kV和4,kV．將電磁脈沖焊接完成后變形的空管沿軸向拍攝其輪廓，采用圖像處理軟件將輪廓點(diǎn)轉(zhuǎn)換成極坐標(biāo)并繪制成外管變形坐標(biāo)圖．

2?結(jié)果與討論

2.1?焊接接頭宏觀形貌

圖3是在沖擊間隙為1.25,mm、不同放電電壓下的接頭宏觀形貌，通過觀察各個(gè)接頭的周向形貌可以看到1#、2#和3#試樣接頭無缺陷，4#試樣在集磁器開口對(duì)應(yīng)區(qū)域出現(xiàn)開裂．圖4是4#試樣在不同角度的宏觀形貌圖，圖4(a)為圖3紅框所對(duì)應(yīng)的0°位置，可以看出焊接接頭在這個(gè)位置出現(xiàn)了開裂．圖4(b)、圖4(c)和圖4(d)分別為4#試樣的90°、180°和270°位置，這3個(gè)位置外觀良好無缺陷．這說明放電電壓增大時(shí)，焊接接頭在集磁器開口間隙位置(0°位置)開裂．

圖3?不同放電電壓下的接頭形貌

圖4?7,kV放電電壓下接頭不同角度放大形貌

圖5是在放電電壓為6,kV時(shí)不同沖擊間隙的焊接接頭形貌．通過觀察焊接接頭周向形貌，發(fā)現(xiàn)9#與10#試樣接頭連接良好，11#與12#試樣的接頭表面在集磁器開口間隙處被擠壓形成凸起，在文獻(xiàn)[9]中也發(fā)現(xiàn)接頭凸起，并且所有接頭均未出現(xiàn)開裂現(xiàn)象．為了更好地分析凸起的形貌，觀察試樣的橫截面形貌，如圖6所示．從圖中可以看出9#試樣與10#試樣周向連接均勻，11#試樣在0°位置外管出現(xiàn)了較小的凸起，導(dǎo)致凸起部分中心位置的外管內(nèi)壁與內(nèi)棒表面無法實(shí)現(xiàn)有效連接．同樣在12#試樣的0°位置也出現(xiàn)了凸起，相較于11#試樣凸起量增大了0.11,mm．這說明在放電電壓不變的情況下，沖擊間隙越大，0°位置的外管母材收縮量與其他位置外管母材的收縮量差異越大．從結(jié)果可以看出，焊接接頭出現(xiàn)凸起是由于放電能量不足以及該區(qū)域電磁力與其他區(qū)域存在差異所致．

圖5?6,kV放電電壓下不同沖擊間隙接頭形貌

圖6?焊接接頭橫截面0°位置放大形貌

為了研究接頭上的凸起與開裂之間的聯(lián)系，分別在放電電壓5,kV和放電電壓7,kV下進(jìn)行了不同沖擊間隙的實(shí)驗(yàn)．圖7為放電電壓5,kV時(shí)，焊接接頭在不同沖擊間隙下的接頭形貌，經(jīng)過觀察焊接接頭周向形貌沒有發(fā)現(xiàn)缺陷．而在放電電壓為7,kV時(shí)不同沖擊間隙的焊接接頭表面均出現(xiàn)了開裂現(xiàn)象，如圖8所示．圖9是開裂區(qū)的放大形貌，這些開裂均出現(xiàn)在0°位置．說明此時(shí)的放電能量過大，導(dǎo)致接頭均出現(xiàn)開裂．根據(jù)以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，在沖擊間隙為1.25,mm和1.50,mm時(shí)，放電電壓在6,kV連接良好，在電壓增大到7,kV時(shí)接頭開裂．而在沖擊間隙為1.75,mm和2.00,mm時(shí)，5,kV的放電電壓下接頭連接較好，當(dāng)電壓增大到6,kV時(shí)，焊接接頭出現(xiàn)凸起，隨著電壓增大到7,kV，焊接接頭在0°位置出現(xiàn)開裂.

圖7?5,kV放電電壓下不同沖擊間隙接頭形貌

圖8?7,kV放電電壓下不同沖擊間隙接頭形貌

根據(jù)以上結(jié)果可以看出，在固定間隙條件下，外管與內(nèi)管的碰撞速度隨著充電電壓的增高而增大，同時(shí)外管在集磁器缺口處所受的電磁力與其他位置的值差距增大，從而使該區(qū)域更加容易產(chǎn)生開裂．并且在沖擊間隙較小時(shí)，焊接接頭會(huì)在電壓過大時(shí)直接開裂，而在沖擊間隙較大時(shí)，外管有了更大的變形空間，導(dǎo)致接頭在電壓增大時(shí)會(huì)先出現(xiàn)凸起再開裂．

圖9?接頭開裂放大形貌

2.2?焊接結(jié)合面微觀形貌

圖10是放電電壓6,kV時(shí)焊接接頭不同位置的剝離形貌，圖中兩條黑色虛線以內(nèi)的區(qū)域是集磁器工作區(qū)，在集磁器工作區(qū)內(nèi)白色虛線圈住的區(qū)域是灰色的沖擊痕跡，這個(gè)區(qū)域是剝離過程中出現(xiàn)的連接區(qū)，其余部分是沒有連接的區(qū)域．可以看到在90°、180°和270°位置的切片剝離表面的集磁器工作區(qū)內(nèi)存在兩條灰色沖擊痕跡帶，這兩條沖擊痕跡在周向形成了兩條連接帶，中間部分是沒有沖擊痕跡的母材．在磁脈沖焊接過程中，想要得到好的焊接接頭就需要工件在沖擊過程中有較高的沖擊速度和一定的沖擊角?度[8-9]．集磁器工作區(qū)的磁場(chǎng)強(qiáng)度是軸向從中間向兩側(cè)逐漸減小的，因此其焊接過程是從中心向兩邊擴(kuò)?展[1,6,10].雖然中心區(qū)域的外管變形速度最大，但它的沖擊角度過小不能達(dá)到焊接要求，因此焊接接頭在90°、180°和270°位置的切片剝離形貌中心區(qū)域沒有沖擊痕跡，在兩側(cè)實(shí)現(xiàn)了連接．但是在0°位置的切片剝離形貌在中心區(qū)域卻出現(xiàn)了連接，整體形成了軸向連接，這種連接痕跡的變化從0°沿圓周向兩側(cè)擴(kuò)展了將近55°，這是由于集磁器開口間隙給外管的磁場(chǎng)力弱于其他位置，使管件在焊接過程中出現(xiàn)了沿周向的變形不均勻，變形不均勻?qū)е聢D9(c)和圖9(d)中的凸起，并使外管沖擊內(nèi)棒時(shí)在周向具有一定的沖擊角度，從而在0°位置兩側(cè)產(chǎn)生了沿周向的有效連接．

圖10 6,kV放電電壓下不同角度位置接頭結(jié)合面形貌

圖11是不同放電電壓下焊接接頭0°位置剝離形貌，當(dāng)電壓在4,kV時(shí)，接頭在0°位置出現(xiàn)了比較完整的軸向連接，電壓較低時(shí)，0°外管變形速度與周向其他位置外管變形速度差異較小，由此而產(chǎn)生的沖擊角度有利于連接．當(dāng)電壓為5,kV時(shí)0°位置中心出現(xiàn)了未連接，并且隨著電壓增大到6,kV時(shí)0°位置中心的未連接區(qū)域變大了，這是因?yàn)楫?dāng)電壓升高時(shí)，開口間隙處外管變形速度與其他位置外管變形速度差異較大，造成0°位置母材受到強(qiáng)烈的擠壓，沖擊速度被降低，不利于連接，在沖擊間隙較大時(shí)接頭就會(huì)在大電壓下出現(xiàn)圖6(c)和圖6(d)中的凸起．從圖11還可以看出，隨著電壓的增大，開口間隙附近的沖擊痕跡在軸向變長，這是由于電壓越大，沖擊速度越大，6,kV時(shí)外管沖擊內(nèi)棒的速度大，焊接時(shí)的連接長度就長，4,kV時(shí)外管沖擊內(nèi)棒的速度小，焊接時(shí)的連接長度就短．

圖11?不同放電電壓下0°位置接頭結(jié)合面形貌

由于不同沖擊間隙焊接接頭的剝離形貌差異性不大，它們均與圖10的剝離形貌相似，因此在本文中不再分析．

2.3?空管變形實(shí)驗(yàn)

圖12是不同放電電壓下空管變形內(nèi)部輪廓，從圖中可以看出隨著放電電壓的增大，外管變形量增大，這是因?yàn)榇琶}沖焊接過程是將放電能量轉(zhuǎn)換成外管變形能的過程，而放電電壓就是放電能量的體現(xiàn)．因?yàn)樵诤附舆^程中放電電壓是影響外管沖擊速度的主要因素，外管的變形量越大說明外管在焊接開始階段變形速度增長得越快．當(dāng)放電電壓為2.5,kV和3.0,kV時(shí)，外管輪廓沿周向收縮量小，變形較為均勻；隨著放電電壓增大到3.5,kV和4.0,kV時(shí)，外管輪廓沿周向收縮量增大，但在0°左右兩側(cè)30°的扇形區(qū)域僅有少量的收縮，與其他區(qū)域收縮量相差較大，這說明集磁器開口間隙確實(shí)減弱了附近外管所受的磁場(chǎng)力．

圖12?不同放電電壓下管坯內(nèi)壁徑向變形輪廓

圖13是不同放電電壓下外管周向不同角度位置的形變量，從圖中可以看出隨著電壓的增大，外管形變量逐漸增大，通過對(duì)比180°位置與0°位置外管形變量可以看出，在放電電壓為2.5,kV時(shí)，0°位置形變量與180°位置形變量幾乎相同，而在放電電壓為4.0,kV時(shí)，0°位置形變量為1.92,mm，比180°位置小0.95,mm，可見電壓越大0°位置與其他位置的形變量相差越大．這說明在圖6中外管出現(xiàn)凸起是由于焊接過程中0°位置外管變形較慢，當(dāng)其他位置母材撞擊內(nèi)棒時(shí)，0°位置的外管還未接觸內(nèi)棒，那么先接觸內(nèi)棒的母材就會(huì)向0°位置擠壓，阻礙0°位置外管的繼續(xù)變形，最終形成凸起．此外在理想情況下離集磁器開口間隙越遠(yuǎn)的地方受到的影響理應(yīng)越小，但是在圖13中，在角度180°位置外管收縮量卻不是最大，出現(xiàn)這種情況很可能是因?yàn)樵谕夤苁湛s過程中，各個(gè)角度位置的母材本身會(huì)相互擠壓，而由于0°位置比其他角度變形小，那么它給予90°和270°位置母材的擠壓力就會(huì)小，這時(shí)90°和270°位置母材只會(huì)受到單方向(180°)給出的較大擠壓力．而180°位置的母材在變形過程中受到的擠壓力卻是來自90°與270°兩個(gè)方向．因此在變形過程中，180°位置的母材反而會(huì)小于90°與270°位置的母材．

圖13?外管不同角度位置隨電壓變化的形變量

根據(jù)焊接實(shí)驗(yàn)結(jié)果和管坯內(nèi)壁徑向輪廓圖的變形趨勢(shì)可以得到外管變形示意圖(見圖14)，大環(huán)為外管變形前的形狀，箭頭為受力分布，內(nèi)部的小環(huán)為外管變形后的形狀，虛線為變形區(qū)分界線，在變形過程中鋁基材主要受到徑向磁場(chǎng)力和周圍材料的擠壓應(yīng)力．外管在變形過程中可以分為兩個(gè)變形區(qū)：Ⅰ區(qū)是正常變形區(qū)，在焊接過程中正常收縮，當(dāng)外管開始碰撞內(nèi)棒，Ⅰ區(qū)最先接觸內(nèi)棒；Ⅱ區(qū)處在受到集磁器開口間隙影響區(qū)域，在變形過程中雖然也會(huì)受到磁場(chǎng)力的驅(qū)動(dòng)向內(nèi)管，但是所受的磁場(chǎng)力比Ⅰ區(qū)小，故在變形過程中比Ⅰ區(qū)慢，最終就會(huì)體現(xiàn)在出現(xiàn)形變差如圖12所示．在焊接過程中Ⅱ區(qū)在Ⅰ區(qū)之后接觸內(nèi)棒，并且Ⅱ區(qū)變形是逐漸過渡，這種過渡就會(huì)使外管在徑向變形過程中出現(xiàn)沖擊角度，當(dāng)沖擊角度達(dá)到一定的大小就會(huì)出現(xiàn)連接，這時(shí)就會(huì)出現(xiàn)圖10中不同電壓下接頭剝離形貌在0°位置產(chǎn)生了軸向連接．而且管件在收縮過程中基材相互之間會(huì)出現(xiàn)擠壓，Ⅰ區(qū)與Ⅱ區(qū)不同步的收縮過程會(huì)導(dǎo)致Ⅰ區(qū)先與內(nèi)棒接觸的基材在周圍壓應(yīng)力的作用向未接觸內(nèi)棒的Ⅱ區(qū)擴(kuò)展．隨著焊接的進(jìn)行，Ⅱ區(qū)的中心部分外管就會(huì)由于受到過渡區(qū)域的擠壓導(dǎo)致沖擊速度過低，使得焊接接頭在靠近集磁器開口間隙附近的內(nèi)外工件接觸面上形成沒有沖擊痕跡的貫穿區(qū)(見圖11)，并且在沖擊間隙較大時(shí)，Ⅱ區(qū)中心區(qū)域在受到過大擠壓后在接頭外管的外表就會(huì)被擠壓凸起(見圖6(c)、圖6(d))，當(dāng)放電電壓繼續(xù)增大接頭就會(huì)出現(xiàn)開裂(見圖8)．此外Ⅱ區(qū)變形慢的特點(diǎn)也會(huì)給處在Ⅰ區(qū)的90°與270°位置外管較小的擠壓力應(yīng)力，反而使得這兩個(gè)位置的外管最先變形，180°位置外管由于在90°與270°均受到較大的應(yīng)力，變形落后于它們．但是它們3個(gè)位置之間的變形差異較小，對(duì)焊接影響不大，因此圖10中90°、180°和 270°這3個(gè)位置連接區(qū)形貌相同．

圖14?外管變形示意

3?結(jié)?論

(1) 焊接過程中，外管的大部分位置沿徑向正常收縮，但在集磁器開口間隙附近位置，外管的徑向收縮明顯滯后，造成外管沿周向產(chǎn)生沖擊角度，使開口間隙附近的未連接區(qū)明顯縮小或消失．

(2) 不同沖擊間隙下均有其所對(duì)應(yīng)的最優(yōu)放電電壓范圍．當(dāng)放電電壓超出合理范圍時(shí)，焊接接頭就會(huì)受到集磁器開口間隙的影響，在其附近出現(xiàn)明顯的缺陷．

(3) 根據(jù)接頭宏觀形貌分析，集磁器開口間隙會(huì)引起接頭出現(xiàn)缺陷，這嚴(yán)重縮小了接頭可焊接參數(shù)的選取范圍．但是從沖擊痕跡可以看出，集磁器開口間隙使外管產(chǎn)生了軸向連接，這反而有利于管棒連接．因此，開口間隙對(duì)磁脈沖焊接接頭的影響尚需進(jìn)行更加深入全面的研究．

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Influence of Field Shaper Gap on Joint Properties During Magnetic Pulse Welding

Chen Shujun，Kan Chunlei，Yuan Tao，Jiang Xiaoqing，Gong Wentao

(College of Mechanical Engineering and Applied Electronics Technology，Beijing University of Technology，Beijing 100124，China)

The 3003 aluminum alloy tube and 1Cr18Ni9Ti stainless steel rod were welded by magnetic pulse welding. The influence of the field shaper gap on the connection effect of the magnetic pulse welding joint was studied. The welding results were further analyzed by empty tube deformation experiments. The results show that the magnetic force of the outer tube near the field shaper gap is decreased，and therefore the deformation speed of the outer tube near the field shaper gap is smaller than those of other positions during the welding process. However，in the process，a circumferential impact angle of the outer tube to the inner rod has been generated by the deformation speed difference，so that an axial connection along the joint is created near the field shaper gap，which is beneficial to the connection of the aluminum alloy tube to stainless steel rod. Different impact gaps have their corresponding optimal discharge voltage ranges. Under the influence of the field shaper gap，excessive voltage leads to joint cracking.

magnetic pulse welding；field shaper gap；dissimilar metal；empty tube deformation

10.11784/tdxbz201803055

TG456.9

A

0493-2137(2018)12-1223-07

2018-03-17；

2018-05-08.

陳樹君（1971—??），男，博士，教授，sjchen@ bjut.edu.cn.

袁?濤，ty29@bjut.edu.cn.

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51575012)；中國博士后科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2016M600881)；北京市博士后科研活動(dòng)經(jīng)費(fèi)資助項(xiàng)目(2017-ZZ-045)；朝陽區(qū)博士后科研活動(dòng)經(jīng)費(fèi)資助項(xiàng)目(2017ZZ-01-19)；北京工業(yè)大學(xué)基礎(chǔ)研究基金資助項(xiàng)目(001000546318524).

the National Natural Science Foundation of China(No. 51575012)，China Postdoctoral Science Foundation Funded Project (No.,2016M600881)，the Beijing Postdoctoral Research Foundation(No. 2017-ZZ-045)，the Chaoyang Postdoctoral Research Foundation(No. 2017ZZ-01-19)and the Basic Research Fund of Beijing University of Technology(No. 001000546318524)．

(責(zé)任編輯：金順愛)