铝与玻璃钢非对称集磁器磁脉冲连接接头性能的研究

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随着工业化的发展,许多行业譬如:交通、物流以及存储等产业趋向于轻量化设计的方向发展,轻量化设计以及多功能化设计通常必须使用铝、镁合金等轻质金属材质替代传统的钢材,同时也通过铝合金等轻质材料与非金属材料的连接扩大磁脉冲连接的应用范畴。本课题根据实际工业生产的需要,针对液氮罐制造过程中铝与玻璃钢的连接开展研究,研究目标是使铝与玻璃钢的连接接头间隙尽量小,具备一定力学强度以及气密性,满足在液氮储存中接头的性能要求。  磁脉冲连接技术本质上是一种塑性变形连接技术,集成了高速成形和固相连接技术的优点,特别适用于铝合金等轻质材料与其他金属材料间的连接。对于金属管件间的连接能够使界面产生原子键,界面产生波纹形态的冶金结合。而目前国内外对于金属与非金属之间的磁脉冲连接研究还很有限。本文首先介绍了磁脉冲连接技术相关的基础原理知识,通过推导建立的磁脉冲连接过程能量数学模型,确保磁脉冲试验的高效、准确。由于本课题连接的是特殊形状铝管与玻璃钢,现有集磁器结构无法满足要求,故采取国内外现今最常用的集磁器设计方法,运用仿真分析得出了转化率最佳的是30°非对称集磁器,并验证了它的应用效果。使用该集磁器对铝与玻璃钢进行电压在3.5-6kv区间的试验,根据应力波理论等理论知识,找出铝与玻璃钢撞击界面微观形态形成的内在关联因素。使用OLYMPUS-LEXT激光共聚焦显微镜对接头结合界面进行金相分析,研究结合界面形成机制,通过观察界面微观组织,与铝-镁的磁脉冲结合界面对比,判断铝-玻璃钢的连接区别于金属间连接界面周期波纹,并没有形成原子间的结合。  最后对比铝与玻璃钢的连接接头在经过液氮蒸气、液氮倾倒、液氮浸泡测试之后,连接接头的外观未受到液氮环境的明显影响,但浸泡24小时液氮会影响接头力学强度和气密性。结合金相分析、液氮处理前后的拉伸与气密性试验,得出满足铝与玻璃钢连接的工艺要求的理想充电电压区间为4kv-5kv,该电压区间符合磁脉冲数学模型推导结果。
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