3A21鋁合金-20#鋼管件磁脈沖焊接數(shù)值模擬與工藝試驗.pdf

1、異種材料管件磁脈沖焊接(MPW)是利用磁脈沖成形原理,在室溫條件下實現(xiàn)的高速、固相連接,合適工藝條件下,能獲得高強度的焊接接頭。將MPW應(yīng)用于鋁合金-鋼等異種材料的管-管焊接有利于實現(xiàn)零件輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計。本文從磁脈沖焊接原理和特點出發(fā),利用3A21鋁合金高應(yīng)變速率下的本構(gòu)關(guān)系,采用數(shù)值模擬和工藝試驗相結(jié)合的方式對Al-Fe異種管件磁脈沖焊接工藝進行了系統(tǒng)研究。通過SEM試驗及TEM試驗對磁脈沖焊接接頭的形貌及成分進行分析,得出了磁脈沖焊

2、接工藝中接頭波的形成機理以及磁脈沖焊接機理。
　　采用松散耦合法對磁脈沖焊接過程進行電磁場分析以及變形場分析。利用ANSYS/Multiphysics模塊建立電壓激勵的三維電磁場耦合模型,對磁脈沖焊接過程中的磁場力進行分析,研究了放電電壓、設(shè)備電容、系統(tǒng)電阻以及管件材料等工藝參數(shù)對磁場力的影響。通過霍普金森壓桿試驗建立了3A21鋁合金在高應(yīng)變速率下的J-C模型。以電磁場分析中的磁場力為邊界條件,在ANSYS/LS-DYNA模塊中,

3、利用高應(yīng)變速率下材料的本構(gòu)關(guān)系建立管件變形分析模型,并對外管變形過程進行分析。研究了放電電壓、內(nèi)外管間隙及搭接角度等工藝參數(shù)對碰撞速度的影響,確定了磁脈沖焊接過程的最佳工藝參數(shù),有限元分析結(jié)果對工藝試驗的進行有重要指導(dǎo)意義。
　　利用高速攝像機對不同放電電壓條件下鋁管運動規(guī)律進行拍攝,通過對拍攝結(jié)果進行分析,得到了外管運動過程的位移-時間以及速度-時間曲線。通過工藝試驗研究放電電壓、搭接角度以及內(nèi)、外管間隙等參數(shù)對磁脈沖焊接速度的

4、影響,得到了不同工藝參數(shù)條件下的內(nèi)、外管碰撞速度以及使內(nèi)、外管實現(xiàn)冶金結(jié)合的臨界碰撞速度。利用SEM對不同碰撞速度條件下得到的磁脈沖焊接接頭進行分析,研究了各工藝參數(shù)對焊接接頭形貌的影響。對磁脈沖焊接接頭的宏觀缺陷及微觀組織缺陷進行分析,并給出了避免缺陷形成的有效方法。
　　對內(nèi)管剛度條件進行了理論分析、數(shù)值模擬及工藝試驗,得到了不同電壓條件下滿足內(nèi)管剛度條件的壁厚最小值。將內(nèi)管等效為無端部封頭厚壁筒形件在外壓作用下受力變形模型,

5、利用平衡方程與協(xié)調(diào)方程求解內(nèi)管在磁場力作用下的位移分量,根據(jù)屈雷斯加屈服準則求解內(nèi)管塑形極限的壓力方程,得到了不同碰撞速度的臨界壁厚表達式。利用ANSYS/LS-DYNA模塊建立管件磁脈沖焊接過程變形場模型,研究了不同工藝條件下內(nèi)管剛度條件,并與理論計算結(jié)果進行了對比。針對不同放電電壓進行工藝試驗,以對理論計算及模擬結(jié)果進行試驗驗證,結(jié)果表明三者之間吻合度較好。
　　采用單向拉伸試驗及扭轉(zhuǎn)試驗對磁脈沖焊接接頭力學性能進行測試,結(jié)果