一种异种金属磁脉冲焊接工艺窗口的构建方法

1.本发明涉及异种金属焊接技术领域，具体涉及一种异种金属磁脉冲焊接工艺窗口的构建方法。


背景技术：

2.在汽车、航空航天、核能燃料储存等领域，为了降低载体重量、节能减排、保证有良好的抗氧化性和耐腐蚀性，铝合金以其价格低、质量轻、比强度高、抗氧化等优点被人们广泛使用。但在某些关键部位由于需要防止发生意外所带来的高强度的冲击变形，例如汽车的笼式结构安全舱最关键的a柱、b柱、中通道等部分均采用了高强度的热成型钢。于是会在所难免的遇到铝/钢异种金属的连接问题。由于铝/钢两种金属材料的熔点、导热系数、体积比热、热膨胀系数及组织成分等差别较大，传统的熔化焊很难适用。
3.磁脉冲焊接作为一种固相连接技术非常适合异种金属间的连接，焊接部位无脆性金属间化合物形成，不需要保护气体也无废气产生，是一种绿色高效的焊接工艺。磁脉冲焊接属于高速冲击焊接工艺，当外金属管材受到磁压力发生塑性变形时，外管会高速撞击内管，如果冲击速度(v
p
)与碰撞角度(β)合适时，在两金属间的交界面处由于高温高压的作用下两金属层原子相互扩散，从而在交界面处形成冶金结合的焊缝。传统的磁脉冲焊接工艺原理如图1所示，该工艺的最大问题是碰撞角度与碰撞速度相互影响，相互耦合，给磁脉冲焊接界面的质量分析带来极大不便。
4.工艺窗口是指满足目标要求条件下工艺参数的控制范围，对于快速判定和预测不同工艺参数组合下是否能实现磁脉冲冶金连接具有重要意义。目前，在实际生产中，异种金属是否成功实现了磁脉冲焊接，更多的是靠经验来制定工艺参数，即试错法，这种方法选出的工艺参数的适用性很差，即使原材料不变而只改变几何尺寸，也要重新摸索新的工艺规范。因此，有必要对异种金属磁脉冲焊接工艺窗口的构建方法进行研究，以使确定的工艺参数具有更强的适用性。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种异种金属磁脉冲焊接工艺窗口的构建方法，该方法可以对碰撞角度和碰撞速度进行解耦，构建适用性更强的异种金属磁脉冲焊接工艺窗口。
6.为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种异种金属磁脉冲焊接工艺窗口的构建方法，包括：
7.设计端部扩口的管材，扩口管材端部的扩口角度即为将来磁脉冲焊接的碰撞角度β；
8.在碰撞角度不变的条件下，调整不同的放电电压，即获得不同的冲击速度v
p
和碰撞点移动速度vc；
9.在扩口管材的磁脉冲焊接试样中，利用扫描电镜获取不同碰撞角度β和冲击速度v
p
下的界面形貌，获得连接工艺参数与连接界面质量的对应关系；
10.把每个冶金连接区域的v
p
、β和vc首尾节点参数绘制在图中，用一条平滑的曲线连接外部节点，即得到一个封闭的区域，该区域即为磁脉冲焊接工艺窗口。
11.进一步地，利用有限元数值分析来模拟异种金属磁脉冲焊接过程，在碰撞角度不变的条件下，调整不同的放电电压，从而获得不同的冲击速度v
p
。
12.进一步地，基于冲击速度v
p
计算碰撞点移动速度vc，其计算公式为：
[0013][0014]
进一步地，设计不同扩口角度的扩口管材进行试验，以扩口角度6度、10度、14度，放电电压14kv、15kv、16kv为试验变量，以正交的组合方式确立工艺参数组合。
[0015]
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：提供了一种异种金属磁脉冲焊接工艺窗口的构建方法，该方法通过对碰撞角度和碰撞速度的解耦，实现对碰撞速度的独立控制，快速预测焊接质量，从而构建出具有更强适用性的异种金属磁脉冲焊接工艺窗口，进而可以快速判断和预测在什么工艺参数下可以实现冶金焊接并且获得较高强度的冶金连接接头。通过该方法建立的异种金属磁脉冲焊接工艺窗口，不仅可以快速指导生产加工，降低试验成本和时间，而且还可以作为判定工艺参数是否具有可行性的重要指标。
附图说明
[0016]
图1是传统的磁脉冲焊接工艺原理图；
[0017]
图2是本发明实施例的方法实现流程图；
[0018]
图3是本发明实施例中设计的端部扩口管材示意图；
[0019]
图4是本发明实施例中铝/钢冶金连接界面微观形貌图；
[0020]
图5是本发明实施例中碰撞角度提取示意图；
[0021]
图6是本发明实施例中v
p-β型磁脉冲搭焊工艺焊接窗口图；
[0022]
图7是本发明实施例中v
c-β型磁脉冲搭焊工艺焊接窗口图；
[0023]
图8是本发明实施例中v
c-β型磁脉冲搭焊工艺焊接窗口分区图；
具体实施方式
[0024]
下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。
[0025]
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本技术提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本技术所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
[0026]
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本技术的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
[0027]
如图2所示，本实施例提供了一种异种金属磁脉冲焊接工艺窗口的构建方法，包括：
[0028]
1)对于磁脉冲焊接中的外金属管材，设计并采用端部扩口的管材，扩口管材端部
的扩口角度即为将来磁脉冲焊接的碰撞角度β。
[0029]
2)在碰撞角度不变的条件下，调整不同的放电电压，即获得不同的冲击速度v
p
和碰撞点移动速度vc。
[0030]
具体地，可利用有限元数值分析来模拟异种金属磁脉冲焊接过程，在碰撞角度不变的条件下，调整不同的放电电压，从而获得不同的冲击速度v
p
。再基于冲击速度v
p
计算碰撞点移动速度vc，其计算公式为：
[0031][0032]
3)基于扩口管材(外管)和内管进行磁脉冲焊接试验，获得磁脉冲焊接接头试样。在扩口管材的磁脉冲焊接试样中，利用扫描电镜(sem)获取不同碰撞角度β和冲击速度v
p
下的界面形貌，获得连接工艺参数与连接界面质量的对应关系。
[0033]
需要说明的是，由于外管由直管改为扩口管材，因此，需对传统的磁脉冲焊接装置进行改进，使其适配具有端部扩口的外管，以进行磁脉冲焊接试验。
[0034]
4)把每个冶金连接区域的v
p
、β和vc首尾节点参数绘制在图中，用一条平滑的曲线连接外部节点，即得到一个封闭的区域，该区域即为磁脉冲焊接工艺窗口。
[0035]
本发明设计不同扩口角度的扩口管材进行试验。在本实施例中，设计如图3所示的飞管，以扩口角度6度、10度、14度，放电电压14kv、15kv、16kv为试验变量，以正交的组合方式确立工艺参数组合。
[0036]
对焊接完成的接头沿轴向剖切观察其连接形貌，以连接界面无明显的间隙为依据判断是否实现冶金连接。如图4所示，具体的连接形貌主要有三种：平直形、波状形、倾斜波形。
[0037]
根据各冶金连接区的位置在数值模拟中提取各区域相对应的碰撞参数v
p
、β和vc，其中v
p
可由数值模拟的后处理界面直接查询得到；β的测量方法如图5所示，表示为18305号节点的碰撞角度为15.16度，而vc可由公式可得。首先确定冶金连接区的首尾端的参数作为焊接窗口的边界参数，如果该碰撞参数是随着碰撞点移动增加而增加，即呈现正比增加则只统计冶金连接区的首尾端的参数作为焊接窗口的边界参数。如果该碰撞参数是随着碰撞点移动增加呈现先增加后减低的态势，那么还需要统计冶金连接区内各自对应的极值作为焊接窗口边界补充条件。最后用一条曲线光滑的把所有的点串联起来便得到磁脉冲焊接窗口。如图6和图7中阴影部分分别所示的v
p-β型和v
c-β型两种磁脉冲搭焊窗口，表示处在该阴影部分里的碰撞参数获得的冶金接头要大于母材强度，区域之外焊接失败。根据图4所示的不同连接界面形貌对应的为vc、β的参数，把v
c-β型焊接窗口进行区间分区后得到如图8所示的磁脉冲搭焊窗口分区图。
[0038]
把冶金连接区所有节点碰撞参数统计并记录，用一条平滑的曲线把最外围的节点连接起来得到一个相对封闭的区域，该区域即为焊接工艺窗口。
[0039]
需要指出的是，本实施例只是以铝/钢材料体系为例建立焊接工艺窗口，本发明提出的异种金属磁脉冲焊接工艺窗口的构建方法同样也适用于其它相同或不同的材料体系。
[0040]
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等
效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

技术特征：
1.一种异种金属磁脉冲焊接工艺窗口的构建方法，其特征在于，包括：设计端部扩口的管材，扩口管材端部的扩口角度即为将来磁脉冲焊接的碰撞角度β；在碰撞角度不变的条件下，调整不同的放电电压，即获得不同的冲击速度v
p
和碰撞点移动速度v
c
；在扩口管材的磁脉冲焊接试样中，利用扫描电镜获取不同碰撞角度β和冲击速度v
p
下的界面形貌，获得连接工艺参数与连接界面质量的对应关系；把每个冶金连接区域的v
p
、β和v
c
首尾节点参数绘制在图中，用一条平滑的曲线连接外部节点，即得到一个封闭的区域，该区域即为磁脉冲焊接工艺窗口。2.根据权利要求1所述的一种异种金属磁脉冲焊接工艺窗口的构建方法，其特征在于，利用有限元数值分析来模拟异种金属磁脉冲焊接过程，在碰撞角度不变的条件下，调整不同的放电电压，从而获得不同的冲击速度v
p
。3.根据权利要求1所述的一种异种金属磁脉冲焊接工艺窗口的构建方法，其特征在于，基于冲击速度v
p
计算碰撞点移动速度v
c
，其计算公式为：4.根据权利要求1所述的一种异种金属磁脉冲焊接工艺窗口的构建方法，其特征在于，设计不同扩口角度的扩口管材进行试验，以扩口角度6度、10度、14度，放电电压14kv、15kv、16kv为试验变量，以正交的组合方式确立工艺参数组合。

技术总结
本发明涉及一种异种金属磁脉冲焊接工艺窗口的构建方法，包括：设计端部扩口的管材，扩口管材端部的扩口角度即为磁脉冲焊接的碰撞角度β；在碰撞角度不变的条件下，调整不同的放电电压，即获得不同的冲击速度v


技术研发人员：范治松 李双阳 潘希航 卢鸿飞 王启程 邓将华
受保护的技术使用者：福州大学
技术研发日：2023.05.30
技术公布日：2023/9/14