基于集磁器的電磁脈沖點焊設(shè)計及實驗

吳鐵洲　熊厚博　鄧方雄

摘要：闡述了一種基于集磁器的電磁脈沖點焊原理和實現(xiàn)方法，可用于金屬板件的焊接。利用集磁器感應(yīng)產(chǎn)生高強度磁場，高速變化的磁場在金屬板件上形成渦流并產(chǎn)生巨大的洛倫茲力，推動金屬材料快速移動并撞擊另外一種金屬以完成焊接。對集磁器進行了優(yōu)化設(shè)計，詳細介紹電磁線圈的形狀、匝數(shù)和放電參數(shù)，并運用有限元法對電磁場、結(jié)構(gòu)場等進行數(shù)值分析。以1 mm厚的1060鋁板和316不銹鋼板為對象進行實驗，對焊接后的構(gòu)件進行了宏觀和微觀分析，并進行強度測試。結(jié)果表明，該焊接方法能夠完成鋁板和不銹鋼板的電磁脈沖焊接。

關(guān)鍵詞：焊接;線圈;脈沖磁場

中圖分類號：TG456.9 文獻標志碼：A 文章編號：1001-2303（2020）02-0025-05

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.02.05

0 前言

電阻點焊廣泛應(yīng)用于汽車制造中。電阻焊要求被焊金屬熔點不能相差太大，否則會出現(xiàn)低熔點金屬已熔化而高熔點的金屬不熔化的現(xiàn)象，進而形成不可靠焊點。為減少能源消耗，現(xiàn)大量采用鋁合金構(gòu)件來減輕汽車自重[1]，研究鋁合金和鐵合金的焊接具有廣泛的應(yīng)用價值[2-5]。目前鋁合金與鐵合金之間的焊接方法主要有激光焊、摩擦焊、釬焊、熔化焊[5-13]。

電磁脈沖焊是一種新穎的焊接方法，已逐漸應(yīng)用于工業(yè)中[14-17]，它是通過電磁線圈在金屬部件附近產(chǎn)生快速變化的磁場，變化的磁場在金屬部件中感應(yīng)出渦流，渦流在磁場中形成洛倫茲力推動板件高速運動，與另一種金屬發(fā)生碰撞，從而實現(xiàn)兩種金屬的連接。電磁脈沖焊的溫度低，無熱影響區(qū)，無污染，高速安全。Aizawa[18-20]設(shè)計了一種低電感的放電回路，利用一根導線驅(qū)動金屬板件與另一種金屬高速碰撞，實現(xiàn)金屬板件電磁脈沖縫焊。Kore[21]采用相同的裝置實現(xiàn)了鋁板與不銹鋼板的焊接，焊縫界面連續(xù)。Yu[14-15]通過電磁脈沖焊實現(xiàn)了鋁合金管與不銹鋼管的有效連接。而電磁脈沖點焊的相關(guān)研究較少，僅Manogaran[22]對電磁脈沖縫焊進行了適當改進，設(shè)計了一種用于電磁脈沖點焊的焊接方法。該方法焊接時線圈電流較大，對電源設(shè)備要求較高。

本文設(shè)計了一種帶集磁器的電磁脈沖點焊方法，適用金屬板件的焊接，其原理是通過集磁器集中電流，感生電場交變形成巨大磁場，電磁場在空間相互作用對所處空間內(nèi)的板件形成強洛倫茲力，較易實現(xiàn)異種金屬的局部連接。

1 原理及設(shè)計

1.1 基于集磁器的點焊原理

電磁焊接中由洛倫茲力推動工件進行加速，其表達式為

式中 J為渦流電流密度;B為磁通密度;F為洛倫茲力。在條件允許情況下，提高J或B均能達到提高洛倫茲力的目的。為了盡可能提高工件焊接部位的渦流和磁通密度，實驗裝置采用集磁來達到該目的。

實驗裝置原理如圖1所示，包括電容器組、集磁器、工件、直流電源、氣體開關(guān)、線圈。由于電回路中的阻抗參數(shù)較小，電容器組通過裝置中產(chǎn)生電回路的部分迅速放電，線圈中形成頻率極高的交變電流。同時，在集磁器上表面會形成與線圈中電流方向相反的渦流。由于集磁器縫隙的存在，集磁器上表面形成的與線圈電流方向相反的渦流將沿集磁器孔的內(nèi)表面流動。高密度的感應(yīng)渦流在集磁器孔內(nèi)部形成迅速變化的局部時變磁場，感應(yīng)電磁場在空間相互作用使金屬工件表面產(chǎn)生量級更高的渦流，根據(jù)式（1）中洛倫茲力的決定因素，高量級的渦流密度將會產(chǎn)生強度極大的洛倫茲力，作用于工件上使其與基材強烈碰撞以完成焊接。

1.2 裝置基本尺寸

實驗裝置基本尺寸如圖2所示。線圈的內(nèi)徑為14 mm，采用3 mm×5 mm銅導線繞制，匝數(shù)為8匝，導線外部包裹0.2 mm厚絕緣層，并采用柴龍加固線圈，抵抗線圈通電時向外的膨脹力。

2 仿真及分析

2.1 電磁脈沖點焊有限元模型

采用ANSYS18進行有限元仿真。首先在ANSYS

electronics suite分析電磁特性以得到電磁力數(shù)值模型，然后將其導入ANSYS trans-ient structural進行碰撞環(huán)節(jié)的瞬態(tài)速度以及受力分析，對磁場和結(jié)構(gòu)場之間施加松弛變量以達到局部最優(yōu)耦合并忽略極小范圍變形對電磁場的影響，最后基于集磁器縫隙非對稱結(jié)構(gòu)采用1/2三維有限元模型對裝置進行最優(yōu)展示。

磁場模型中包含集磁器、線圈、工件、集磁器支撐板、近遠場空氣。模型中空氣遠場采用特殊單元INFIN111模擬磁能耗散，而在整體場中采用三維矢量單元SOLID235進行仿真。精細剖分鋁板和不銹鋼板以分析電磁力的分布及影響，有限元模型如圖3所示。圖3a為經(jīng)Grid函數(shù)包處理后的模型整體圖，圖3b為模型局部同比放大圖。在進行磁場分析時，對線圈加入經(jīng)調(diào)制器實驗?zāi)M后的正弦衰減激勵電流，設(shè)置碰撞過程總時間為15 μs，并以1 μs為步長分割以細化整個過程。

對鋁板和不銹鋼板進行結(jié)構(gòu)分析。將上述電磁場模型中的電磁力作為結(jié)構(gòu)場鋁板所受的電磁力，同時為了簡化模型，將基板對不銹鋼板底部固定替換為固定約束的模式，整個有限元模型采用三維單元SOLID186。材料采用copwer本構(gòu)模型，考慮了應(yīng)變率和慣性對變形的影響。模型表達式為

根據(jù)參考文獻[23]，常數(shù)p為6500，參數(shù)m為0.25。

試驗板材為316不銹鋼板和1060鋁板，厚度1 mm。工件材料的相關(guān)參數(shù)如表1所示。實驗電源裝置基本參數(shù)如表2所示。

2.2 工件塑性變形過程分析

工件的碰撞速度和變形過程是電磁脈沖焊接中重要的分析參數(shù)，本文通過三維有限元模型模擬了相關(guān)參數(shù)，如圖4所示。

在6～10 μs階段，鋁板運動加速，兩工件即將發(fā)生碰撞，對比圖4a與圖4b可知，在集磁器中心位置不變的情況下，處于集磁器縫隙間工件的運動速度與位移快速增大且與其他位置的相對變化量持續(xù)上升，隨著進一步加速，鋁板與不銹鋼板（基板）發(fā)生碰撞。在10～14 μs階段，碰撞首先從速度最快的一點開始，然后向其他位置延伸。在碰撞范圍擴展過程中，工件之間會有不同的碰撞角度。隨著焊接區(qū)域碰撞過程的完成，在末態(tài)云圖中（見圖4c）發(fā)現(xiàn)集磁器內(nèi)孔對應(yīng)位置幾乎無變形，這是因為主要完成碰撞位置位于集磁器下端面對應(yīng)區(qū)域。基于集磁器托板位置處的工件有一定變形，可進一步發(fā)現(xiàn)該區(qū)域?qū)?yīng)位置在渦流電流較小時集中了較強的磁場。

3 實驗及討論

3.1 實驗裝置及方法

基于上述分析，設(shè)計了如圖5所示的焊接裝置結(jié)構(gòu)。為提高電磁能量效率并保護設(shè)備安全，用兩塊環(huán)氧板配合螺栓固定焊接對象，以抵抗焊接過程中的反作用力。在線圈和集磁器之間放置0.5 mm厚環(huán)氧板，起絕緣作用。由于集磁器在工作過程中會受到線圈施加的較大排斥力，將其鑲嵌在一塊厚度10 mm的不銹鋼板內(nèi)部，用于支撐集磁器。不銹鋼支撐板上開有一個與集磁器縫隙方向一致的縫隙，避免渦流從不銹鋼板上形成環(huán)路。焊接時，工件放在不銹鋼支撐板與底部環(huán)氧板之間，且兩個工件之間間隙可進行調(diào)整。

實驗主要裝置如圖6所示，電源電容容量100 μF，最高充電電壓13 kV，最大儲能20 kJ。用4個小螺栓將集磁器、線圈、不銹鋼支撐桿固定到一起。

3.2 樣件宏觀分析

選擇焊接電壓10 kV、工件間隙2 mm的樣件進行外觀分析，如圖7a所示，工件的變形區(qū)域整體為圓形，焊接區(qū)域與集磁器的圓臺形狀相似。整體外觀呈現(xiàn)出3個特征：（1）鼓包區(qū)域位于變形區(qū)域正中間;（2）焊接區(qū)域位于鼓包區(qū)域外圍，有明顯的焊接痕跡;（3）非焊接區(qū)域也位于鼓包區(qū)域外圍， 焊接區(qū)域大于非焊接區(qū)域。

為了查看焊接的細節(jié)特征，對相同焊接條件下的樣件進行切割，圖7a中切割線A的方向與集磁器縫隙方向一致，切割線B與切割線A的方向垂直，切割線A、B對應(yīng)截面分別如圖7b、7c所示，均可清晰看到區(qū)域B的鼓包部分。但圖7b的區(qū)域A的工件之間有一定縫隙，未完成焊接過程，該部分恰好位于集磁器縫隙位置處，而其他部分均完成焊接過程。

3.3 焊接區(qū)域微觀分析

為更進一步觀察焊接區(qū)域的微觀結(jié)構(gòu)，將圖7b的區(qū)域C進行光學顯微放大，如圖8所示?？梢钥闯?，焊接工件被劃分為中間的有些許間隙的非焊接區(qū)域和兩側(cè)的焊接效果良好的焊接區(qū)域。

為了更細致地理解焊接過程和焊接機理，選擇分析過渡區(qū)域的微觀結(jié)構(gòu)和元素構(gòu)成方式。采用SEM-EDS掃描圖8中焊接區(qū)域的過渡區(qū)域，結(jié)果如圖9所示。由圖9a可知，過渡區(qū)域為1060鋁板和316不銹鋼板的混合物，可判斷該劇烈碰撞過程達到了金屬固相連接的目的。由圖9b可知，在焊接板件厚度約為5 μm的過渡區(qū)中，組成元素成分呈隨空間分布變化的狀態(tài)，同時鋁成分和不銹鋼成分表現(xiàn)出此消彼長的特性。

4 結(jié)論

（1）通過實驗和仿真驗證，可以在局部范圍內(nèi)實現(xiàn)點焊工藝。采用該方法能夠降低放電電壓和回路電流，降低對設(shè)備的要求。

（2）當電壓達到10 kV、板件間隙為1.5 mm時，兩種板材可以形成較好的冶金連接接頭，且剪切拉伸應(yīng)力大于兩種母材中強度較弱的。

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