6063鋁/20鋼管磁脈沖脹形連接工藝研究

摘要：

為探究帶集磁器結(jié)構(gòu)的異種金屬管材磁脈沖脹形連接新方法，分析了集磁器條件下電磁力分布和鋁管的脹形連接行為規(guī)律，通過連接接頭拉脫實(shí)驗(yàn)，研究了主要工藝參數(shù)對磁脈沖脹形連接效果的影響。結(jié)果表明：集磁器顯著提高了鋁管脹形區(qū)電磁力，鋁管與集磁器工作區(qū)的搭接長度對鋁管脹形變形影響較大，當(dāng)搭接長度為集磁器工作區(qū)長度的1.5倍時(shí)，獲得了最大的有效接觸面積；在外管僅發(fā)生彈性變形時(shí)，碰撞壓力與放電電壓呈正相關(guān)，接頭抗拉脫載荷隨放電電壓增大而增大；在相同條件下，接頭抗拉脫載荷隨著徑向間隙的增大呈現(xiàn)出先增大后減小的變化趨勢，當(dāng)放電電壓為17 kV、徑向間隙為4.0 mm、搭接長度為15 mm時(shí)，接頭抗拉脫載荷最大，達(dá)到5021 N。

關(guān)鍵詞：磁脈沖脹形連接；集磁器；6063鋁合金；拉脫載荷；數(shù)值模擬

中圖分類號：TG391

DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2024.12.011

Research on Magnetic Pulse Expansion Joining of 6063

Aluminum/Steel 20 Tubes

FAN Zhisong LI Ning XU Likai DENG Jianghua

School of Mechanical Engineering and Automation，F(xiàn)uzhou University，F(xiàn)uzhou，350116

Abstract： To explore a novel method of magnetic pulse expansion joining for dissimilar metal tubes with a magnetic field shaper structure， the distributions of electromagnetic forces were analyzed under the conditions of magnetic field shaper and the bulging behavior of aluminum tubes. The influences of main processing parameters on the magnetic pulse expansion joints were investigated through pull-out experiments. The results show that the magnetic field shaper significantly increases the value of electromagnetic forces applied to the bulging areas of the aluminum tubes. The overlapping length between the aluminum tube and the working zone of the magnetic field shaper has a significant impact on the bulging deformations of the aluminum tubes. When the overlapping length is 1.5 times the length of the working zone of the magnetic field shaper， the maximum effective contact area is obtained. Under the conditions of only elastic deformations of the outer tubes， the collision pressures are positively correlated with the discharge voltages， and the peak pull-out loads of the joints increase with the increase of discharge voltages. As the radial clearances between the tubes increase， the peak pull-out loads of the joints show a trend of increasing and then decreasing while the other processing parameters remaining the same. The maximum pull-out load of the joints reaches 5021 N under the condition of discharge voltage of 17 kV， radial gap of 4.0 mm， and overlap length of 15 mm.

Key words： magnetic pulse expansion joining; magnetic field shaper; 6063 aluminum; pull-out load; numerical simulation

收稿日期：2024-06-25

基金項(xiàng)目：福建省自然科學(xué)基金（2022J01070，2020J02026）；福州大學(xué)貴重儀器設(shè)備開放測試基金（2024T018）

0 引言

以鋁/鋼、鎂/鋼為代表的異種金屬復(fù)合結(jié)構(gòu)件能充分利用不同材質(zhì)的優(yōu)勢性能，滿足航天航空、交通運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域?qū)α悴考岢龅木C合性能要求，如輕質(zhì)、高強(qiáng)度、耐腐蝕、高導(dǎo)熱等，但同時(shí)也對多材料復(fù)合結(jié)構(gòu)先進(jìn)連接技術(shù)提出了挑戰(zhàn)［1］。目前，異種金屬管件連接主要利用機(jī)械力和液力驅(qū)使材料發(fā)生塑性變形從而實(shí)現(xiàn)干涉配合連接或變形配合連接［2-3］。磁脈沖連接技術(shù)（magnetic pulse joining， MPJ）是一種高能率、高應(yīng)變速率的塑性變形連接技術(shù)，具有非接觸、高速率和無輔材消耗等技術(shù)優(yōu)勢，能實(shí)現(xiàn)接頭的機(jī)械或冶金連接［4-5］。

管件磁脈沖連接技術(shù)依據(jù)線圈與管件的相對位置分為縮徑連接和脹形連接兩種工藝方式。目前，磁脈沖連接技術(shù)的研究和應(yīng)用以管件縮徑的形式為主，研究的重點(diǎn)主要集中于如何提高連接質(zhì)量方面。RICO等［6］通過ANSYS軟件的多物理場耦合模擬獲得了不同工藝參數(shù)下的碰撞速度和碰撞角度，建立了AA6016鋁合金和22MnB5鋼板高質(zhì)量焊接的工藝窗口。孟正華等［7］利用光滑粒子動力學(xué)模擬的方法研究了磁脈沖焊接工藝參數(shù)對鋼/鋁傳動軸焊接接頭界面波形特征的影響規(guī)律。WANG等［8］對鍍鋅鋼板與鋁合金板磁脈沖焊接接頭的微觀界面組織與力學(xué)性能進(jìn)行了分析。牟剛等［9］以304L不銹鋼與T2紫銅管為研究對象，分析了不同徑向間隙對接頭性能及界面微觀組織的影響，發(fā)現(xiàn)隨著徑向間隙增大，磁場強(qiáng)度峰值、碰撞速度及碰撞角度增大，應(yīng)力分布呈現(xiàn)S形。集磁器是電磁成形領(lǐng)域中的一個(gè)重要工裝，KIM等［10］的研究表明使用集磁器避免了線圈與工件的直接作用，能夠顯著減小成形線圈的機(jī)械負(fù)載。趙志學(xué)［11］對基于集磁器線圈的鋁/鋼管磁脈沖縮徑連接進(jìn)行了分析，結(jié)果表明集磁器的使用顯著提高了磁脈沖縮徑連接的工作效率。

在磁脈沖脹形連接方面，MISHRA等［12］基于“線圈-管件”感應(yīng)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了一套40 kJ的磁脈沖脹形連接裝置，實(shí)現(xiàn)了直徑65 mm、壁厚2 mm的6061鋁合金管與法蘭孔的脹形連接。受成形裝置體積的限制，磁脈沖縮徑方式通常用于小直徑管件的連接，對于大尺寸或外部空間結(jié)構(gòu)復(fù)雜的管件的連接，磁脈沖脹形連接技術(shù)擁有獨(dú)特的優(yōu)勢，但在“線圈-管件”感應(yīng)系統(tǒng)中，由于線圈具有端部效應(yīng)，電磁力分布不均勻，而且成形線圈在幅值巨大的電磁力作用下容易發(fā)生變形破壞，線圈壽命短，

因此，本文提出一種帶集磁器的磁脈沖脹形連接方法，以6063鋁/20鋼管為研究對象，對帶集磁器的鋁管磁脈沖脹形連接行為進(jìn)行研究，分析搭接長度、放電電壓和徑向間隙對磁脈沖脹形連接效果的影響規(guī)律，為高性能異種金屬復(fù)合構(gòu)件的綠色制造提供技術(shù)支撐。

1 研究方法

1.1 原理與工裝

帶集磁器的磁脈沖脹形連接工藝原理如圖1所示。電容器組通過線圈釋放電能，線圈中的高頻振蕩電流產(chǎn)生脈沖強(qiáng)磁場，由于電磁感應(yīng)效應(yīng)，集磁器表面感應(yīng)出渦流，流經(jīng)集磁器外表面的渦流進(jìn)一步激發(fā)內(nèi)管產(chǎn)生反向的感應(yīng)渦流，從而在集磁器與內(nèi)管之間產(chǎn)生強(qiáng)烈的電磁排斥力。當(dāng)電磁力迫使材料屈服后，內(nèi)管發(fā)生塑性變形并高速撞擊外管，由于內(nèi)外管材料彈復(fù)能力不同，致使連接界面產(chǎn)生殘余接觸應(yīng)力，從而實(shí)現(xiàn)管件之間的機(jī)械連接［13］。

本文設(shè)計(jì)的帶集磁器的磁脈沖脹形連接工裝如圖2所示。集磁器、線圈、內(nèi)管、外管同軸放置在模具中，通過與集磁器端面配合的限位塊來實(shí)現(xiàn)軸向固定。工藝實(shí)驗(yàn)所使用的電磁成形設(shè)備額定放電電壓為20 kV，額定放電能量為25 kJ。

1.2 實(shí)驗(yàn)材料

內(nèi)管材料為6063-T5鋁合金，外管材料為20低碳鋼，集磁器材料為高強(qiáng)度的銅鉻鋯合金，線圈材料為紫銅，管材尺寸如圖3所示。6063-T5鋁合金通過室溫單軸拉伸試驗(yàn)獲得的真實(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖4所示，其余各材料參數(shù)如表1所示。

1.3 接頭力學(xué)性能測試

本文通過拉伸試驗(yàn)機(jī)對連接接頭施加軸向拉力，測試不同工藝參數(shù)下連接接頭的軸向抗拉強(qiáng)度，以此評價(jià)接頭連接質(zhì)量。圖5a所示為制備的6063鋁/20鋼管磁脈沖脹形連接接頭試樣。由于管件直徑較大，難以直接將管件夾持在拉伸試驗(yàn)機(jī)上，為此，采用圖5b所示的方式進(jìn)行磁脈沖脹

形連接接頭拉脫試驗(yàn)。鋁管夾具示意圖見圖6，上端臺階與鋁管平齊使夾具與管件同軸，從而保證連桿提供垂直的軸向力，夾具外徑與鋁管內(nèi)徑配合，給鋁管提供剛性支撐，通過四個(gè)對稱螺栓將兩者緊固。

1.4 有限元模型建立

帶集磁器的磁脈沖脹形連接系統(tǒng)幾何模型如圖7a所示，包括了線圈、內(nèi)管、外管、集磁器等，本文基于ANSYS/LS-DYNA模塊，對幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，建立帶集磁器的磁脈沖脹形連接過程有限元分析模型，如圖7b所示，單元總數(shù)為133 800個(gè)。

考慮到磁脈沖脹形連接過程中內(nèi)管發(fā)生高應(yīng)變率塑性變形，采用帶Cowper-Symonds乘子的冪指數(shù)本構(gòu)方程來表征6063鋁合金管的塑性變形行為，其本構(gòu)方程表達(dá)式為

σ=［1+（ε·C）1P］k（εe+εpeff）n

式中，σ為流變應(yīng)力；C、P為Cowper-Symonds乘子參數(shù)，鋁合金材料C、P通常取值為6500和4；ε·為應(yīng)變速率；εe為材料屈服應(yīng)變；εpeff為等效塑性應(yīng)變；k為強(qiáng)度系數(shù)；n為強(qiáng)化指數(shù)。

模擬用的激勵(lì)電流由示波器和羅氏線圈（Rogowski coil）測得。圖8所示為放電電壓為13 kV時(shí)實(shí)測的電流，對其進(jìn)行擬合得到的放電回路參數(shù)如表2所示。

1.5 數(shù)值模型驗(yàn)證

圖9為放電電壓13 kV、帶集磁器結(jié)構(gòu)的鋁管自由脹形外觀與剖切輪廓圖。圖10為13 kV放電電壓條件下實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬獲得的管件脹形輪廓對比圖，可以看出，實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬的軸向輪廓變化規(guī)律一致，其中自由端直徑數(shù)值差異最大，實(shí)驗(yàn)自由端直徑從120.0 mm增加到144.0 mm，模擬自由端直徑從120.0 mm增加到144.35 mm，模擬和實(shí)驗(yàn)得到的直徑變化量最大相差0.35 mm，模擬獲得的管自由端直徑變化量相對誤差為1.5%，表明了建立的數(shù)值模擬模型的有效性。

2 結(jié)果分析與討論

2.1 集磁器作用下的電磁參數(shù)分布特征

圖11所示為放電電壓為17 kV時(shí)集磁器內(nèi)外壁選點(diǎn)的電流密度峰值對比，其中，集磁器外壁電流密度達(dá)到5.11×109 A/m2，集磁器內(nèi)壁的電流密度達(dá)到2.84×109 A/m2，使工作區(qū)電流密度提高80%，這是由于集磁器的外壁高度h雖然小于內(nèi)壁高度H，但是集磁器的外壁直徑大于內(nèi)部直徑，因此脹形用集磁器對工作區(qū)電流密度的提升倍數(shù)并不顯著。圖12所示為內(nèi)管和線圈典型位置處的電磁力密度峰值對比，其中，線圈上的電磁力密度為5.35×109 N/m3，而內(nèi)管上的電磁力密度達(dá)到1.86×1011 N/m3，內(nèi)管的電磁力密度峰值遠(yuǎn)大于線圈上的電磁力密度峰值。結(jié)合集磁器內(nèi)外壁電流密度分布特征可以發(fā)現(xiàn)，集磁器的使用能夠顯著改善磁場的分布，將磁場約束在特定區(qū)域，達(dá)到加強(qiáng)局部區(qū)域電磁力的效果。

2.2 內(nèi)管變形過程

圖13為放電電壓為17 kV時(shí)磁脈沖脹形連接過程中內(nèi)管的等效塑性應(yīng)變云圖，可以看出，整個(gè)過程持續(xù)約30 μs，可以分為彈性變形、塑性變形和碰撞三個(gè)階段。第一階段（彈性階段，0～6.9 μs）：內(nèi)管受到的電磁力還沒達(dá)到內(nèi)管的屈服強(qiáng)度，未觀察到內(nèi)管明顯的徑向位移，如圖13a、圖13b所示;第二階段（脹形階段，6.9～22.5 μs）：達(dá)到內(nèi)管的屈服極限后，內(nèi)管向外快速膨脹，如圖13c所示;第三階段（碰撞階段，22.9～29.4 μs）：受左側(cè)不變形區(qū)（即剛性外端）的影響，內(nèi)管自由端最先與外管發(fā)生碰撞，隨著碰撞點(diǎn)的移動，內(nèi)外管完成連接，如圖13d所示。

2.3 搭接位置對磁脈沖脹形連接效果的影響

內(nèi)管與集磁器工作區(qū)的搭接位置關(guān)系會直接影響內(nèi)管所受電磁力的分布，為探究搭接位置對磁脈沖脹形連接效果的影響，根據(jù)集磁器產(chǎn)生的磁場影響區(qū)域大小，以集磁器工作區(qū)長度值（10 mm）為參照，設(shè)置了四類典型的搭接長度值，分別為5，10，15，20 mm，如圖14所示。

圖15為不同搭接長度條件下內(nèi)管與外管發(fā)生碰撞時(shí)的壓力云圖，可以看出，在碰撞發(fā)生的初始時(shí)刻，不同搭接長度條件下的碰撞壓力都可達(dá)數(shù)百M(fèi)Pa。進(jìn)一步提取不同搭接長度條件下外管內(nèi)表面單元的壓力數(shù)值，外管內(nèi)表面壓力分布如圖16所示，其中橫軸坐標(biāo)是以集磁器工作區(qū)左端o為起點(diǎn)。從圖16中可以看出，當(dāng)搭接長度為15 mm時(shí)，壓力分布區(qū)域的長度最大，壓力峰值最高；搭接長度為5 mm時(shí)，壓力分布區(qū)域的長度最小，壓力峰值也最低。

搭接長度存在一個(gè)最優(yōu)數(shù)值，此數(shù)據(jù)與管件端部的塑性變形特征有關(guān)。當(dāng)內(nèi)管端部內(nèi)退至集磁器工作區(qū)內(nèi)，或者內(nèi)管端部與集磁器工作區(qū)端部平齊時(shí)，由于脹形變形，內(nèi)管端部發(fā)生外翻，因此內(nèi)管與外管的實(shí)際接觸區(qū)長度小于集磁器工作區(qū)長度。而當(dāng)搭接長度為20 mm時(shí)，內(nèi)管連接區(qū)兩端形成了不變形區(qū)，該不變形區(qū)作為剛性外端對碰撞壓力造成了影響。當(dāng)搭接長度為15 mm時(shí)，內(nèi)管只在左側(cè)形成剛性外端，內(nèi)管右側(cè)端部能充分自由脹形，從而影響外管所受壓力的分布范圍和壓力峰值。

圖17所示為搭接長度分別為10，15，20 mm時(shí)連接接頭的載荷-位移曲線，可以看出，三個(gè)參數(shù)下拉脫過程的載荷-位移曲線變化趨勢基本一致，拉脫載荷上升達(dá)到峰值后由于鋁管與鋼管在接頭處發(fā)生脫離，拉脫載荷開始迅速減小。從圖17中還可以看出，搭接長度為15 mm時(shí)，連接接頭的拉脫載荷峰值最大，為5201 N，搭接長度為20 mm的連接接頭拉脫載荷峰值次之，為3995 N，搭接長度為10 mm的連接接頭拉脫載荷峰值最小，為2240 N。這表明，搭接長度對連接接頭最大拉脫載荷的影響與其對外管壓力分布的影響一致。

圖18所示為不同搭接長度下拉脫后的試樣及連接區(qū)形貌，搭接長度為15 mm時(shí)連接區(qū)長度最大，為15 mm；搭接長度為20 mm時(shí)連接區(qū)長度次之，為11 mm；搭接長度為10 mm時(shí)內(nèi)管連接區(qū)長度最小，僅為7 mm。這也驗(yàn)證了搭接長度為15 mm時(shí)，內(nèi)管外伸出集磁器工作區(qū)的部位在變形區(qū)的帶動作用下發(fā)生充分自由脹形；而搭接長度為20 mm的內(nèi)管變形區(qū)受兩側(cè)剛性端的影響，靠近自由端部分未留下碰撞印痕。

機(jī)械連接接頭拉脫載荷取決于連接區(qū)殘余接觸壓力、摩擦因數(shù)以及連接區(qū)有效的接觸面積［13-14］，當(dāng)摩擦因數(shù)一定時(shí)，接頭的拉脫載荷主要受連接區(qū)殘余接觸壓力和連接區(qū)有效接觸面積影響。通過對不同搭接長度下連接區(qū)壓力分布和拉脫后接頭連接區(qū)形貌分析可知，搭接長度通過影響接觸壓力和連接區(qū)有效接觸面積，從而影響連接接頭的抗拉脫效果。

2.4 放電電壓對磁脈沖脹形連接效果的影響

圖19所示為放電電壓分別為13，15，17 kV條件下磁脈沖脹形連接接頭在拉脫試驗(yàn)中的載荷峰值，可以看出，隨著放電電壓的增大，連接接頭的最大拉脫載荷得到了不同程度的提高。當(dāng)放電電壓為17 kV時(shí)，拉脫載荷峰值達(dá)到5201 N。

圖20所示為不同放電電壓條件下拉脫后試樣及連接區(qū)形貌。測量鋼管外徑尺寸發(fā)現(xiàn)，鋼管連接區(qū)段均未發(fā)生塑性變形。從圖20中可以看出，不同放電電壓連接區(qū)長度基本保持一致，這表明增大放電電壓，不會改變連接區(qū)接觸面積，但放電電壓為13 kV時(shí)連接區(qū)壓痕輕微，放電電壓為15 kV時(shí)連接區(qū)壓痕最為顯著，其原因是隨著放電電壓的增大，放電能量增加，內(nèi)管所受碰撞壓力亦隨之增大，從而有利于提高磁脈沖脹形連接接頭的抗拉脫效果。

2.5 徑向間隙對磁脈沖脹形連接效果的影響

圖21所示為徑向間隙分別為2.0，3.0，4.0，5.0 mm的磁脈沖脹形連接接頭在拉脫試驗(yàn)中的載荷-位移曲線，可以看出，隨著徑向間隙的增大，拉脫載荷峰值呈現(xiàn)先增大后減小的變化規(guī)律，最大抗拉脫載荷在徑向間隙為4.0 mm時(shí)獲得。

圖22所示為不同徑向間隙條件下拉脫后試樣及連接區(qū)情況，可以看出，連接區(qū)長度隨著徑向間隙的增大而略有減小，當(dāng)徑向間隙大于4.0 mm時(shí)，連接區(qū)長度迅速減小，從16 mm減小至12 mm。從圖22中還可以看出，當(dāng)徑向間隙為4.0 mm時(shí)，鋁管表面因碰撞導(dǎo)致的印痕最為明顯，表明該條件下鋁管表面所受碰撞壓力最大。

徑向間隙存在一個(gè)最優(yōu)值，此數(shù)值與管件塑性變形過程中能量轉(zhuǎn)化特征有關(guān)。當(dāng)徑向間隙小于4.0 mm時(shí)，連接接頭抗拉脫載荷隨著徑向間隙的增大而增大，這是由于隨著徑向間隙的增大，內(nèi)管獲得了加速距離，在該距離內(nèi)，相比于變形區(qū)的塑性功消耗，變形區(qū)的動能占優(yōu)［13］，使得變形區(qū)以更大的沖擊速度與外管發(fā)生碰撞。當(dāng)徑向間隙過大時(shí)（本文為徑向間隙大于4.0 mm），變形區(qū)的塑性功消耗大于變形區(qū)的動能，內(nèi)管的沖擊速度減?。?4］。

3 結(jié)論

（1）建立了帶集磁器結(jié)構(gòu)的6063鋁/20鋼管磁脈沖脹形連接過程有限元分析模型，鋁管脹形輪廓的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果一致性好，自由脹形后的鋁管直徑變化量相對誤差最大為1.5%，表明了數(shù)值模擬模型的有效性。

（2）鋁管與集磁器工作區(qū)的搭接長度影響連接區(qū)碰撞壓力分布及其峰值大小，在本實(shí)驗(yàn)條件下，當(dāng)搭接長度為15 mm（達(dá)到集磁器工作區(qū)長度的1.5倍）時(shí)，磁脈沖脹形連接接頭的抗拉脫載荷大于其他搭接長度抗拉脫載荷。

（3）在外管不發(fā)生塑性變形的條件下，連接接頭抗拉脫載荷隨放電電壓的增大而增大；而隨著徑向間隙的增大，放電電壓呈先增大后減小的趨勢，在放電電壓為17 kV、徑向間隙為4.0 mm和搭接長度為15 mm時(shí)，連接接頭最大拉脫載荷為5021 N。

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（編輯 王艷麗）

作者簡介：

范治松，男，1986年生，副教授。研究方向?yàn)楫惙N金屬磁脈沖變形連接。E-mail：zhisongfan@fzu.edu.cn。

鄧將華（通信作者），男，1980年生，教授、博士研究生導(dǎo)師。研究方向?yàn)榇琶}沖成形與連接。E-mail：jhdeng@fzu.edu.cn。