316L/Cu异种金属磁脉冲焊接数值模拟及组织性能研究

来源 :内蒙古科技大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:xiaowu7623563
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电磁脉冲焊接是一种利用高能脉冲放电产生巨大电磁力,实现高速、固态、冷焊的连接方法。该技术实现了异种金属如钢-铜、铝-铜等材料的连接和金属与非金属如钢-陶瓷的连接。在实际的生产制造中,该技术被大量应用于航空航天、汽车制造等领域。本文通过电磁脉冲焊接技术实现了紫铜管和316L不锈钢棒之间的连接,得到了稳定的焊接结构,并通过相关方法对电磁脉冲焊接技术进行研究分析。  通过Ansys有限元软件进行模拟分析,得到焊接过程中系统电磁场和紫铜管所受电磁力的变化规律。焊接过程中系统电磁场分为三个区域:磁场集中区、磁场减弱区、磁场过渡区。1/3周期~2/3周期,系统电磁场强度随时间增大而增大,集中区位于集磁器内部,过渡区位于在集磁器外部的区域。2/3周期~1周期,集中区磁场强度增强,同时集中区向焊接部位移动。2/3周期时移动到焊接部位,焊接区域的磁场强度由中心向两边逐渐减小,最大处磁场强度约为190000Gs,最小处约为78800Gs。紫铜管所受电磁力随时间的增大而增大,最终电磁力在焊接区域集中,最大处的电磁力约为35.6kN。对焊接过程中紫铜管的变形速率进行分析,外管的变形速率随着放电电流的增大而增大。磁脉冲焊接过程中,管-棒间隙选择1.5mm左右较为合适。  通过流体力学数学模型计算,得到形成焊接接头的临界碰撞速度为94.48m/s,形成波形界面的最小碰撞速度为58m/s。碰撞速度随着碰撞角增大而增大。通过计算对磁脉冲焊接所用集磁器和线圈系统进行优化。优化后的集磁器效能提高约60%。优化后的线圈系统有易安装、易定位、寿命高、散热好等优点。  通过拉伸实验、剥离实验、胀破实验等对焊接接头的力学性能进行测试发现,磁脉冲焊接接头处有较高的接触强度、优良的气密性和较好的低温韧性。利用SEM等分析测试方法对焊接接头界面处组织结构进行观察分析发现,焊缝处金属达到很好的冶金结合,焊缝处无孔洞、裂纹等明显缺陷存在。脉冲焊接过程中,界面处存在金属射流现象,而且该现象对磁脉冲焊接接头形成有重要作用。脉冲焊接过程中,铜管变形分为两个阶段:(1)铜管内壁接触到不锈钢棒表面前,以周向压缩为主。(2)铜管内壁接触到不锈钢棒表面后,变形以径向压缩为主。对焊接接头进行深冷处理,焊接接头性能没有变化,仍能达到使用要求,说明磁脉冲焊接接头能在深冷环境中应用。
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