铝钢异种金属管件磁脉冲焊接界面与接头特性数值模拟方法技术

一种铝钢异种金属管件磁脉冲焊接界面与接头特性数值模拟方法，包括：进行磁脉冲焊接接头拉伸力学性能的影响规律分析；进行磁脉冲焊接接头的失效模式分析；建立基于焊接系数的可焊性窗口；进行磁脉冲焊接接头微观分析。通过数值模拟的方式对铝合金

【技术实现步骤摘要】
铝钢异种金属管件磁脉冲焊接界面与接头特性数值模拟方法


[0001]本专利技术属于运载装备材料以及异种材料加工
，尤其涉及一种铝钢异种金属管件磁脉冲焊接界面与接头特性数值模拟方法。

技术介绍

[0002]以汽车为代表的运载装备领域，随着轻量化技术的发展，采用材料替换与混用成为汽车产业的共识，异种材料混用结构的实现与应用能有效降低装备能耗，是目前行业的研究热点和共性话题。然而，由于异质材料理化特性差异巨大，传统焊接方法很难实现可靠连接，易在焊接界面形成金属间化合物，导致接头的塑性、韧性降低，因此连接技术是限制异质材料结构发展的重要难题。此外，以铝代钢及其混用广受关注，但铝钢特性差异大、均匀冶金难、易形成脆性物质，导致接头塑性、韧性低，易开裂，成为轻量化发展的重要难题。
[0003]目前，国内外对异种材料的连接进行了大量研究，开发了螺接、铆接、搅拌摩擦焊、激光辅助焊、胶接等技术。对于铝钢连接问题，采用自冲铆和螺栓时，连接件成本高、轻量化效果低；采用搅拌摩擦焊，成本高、效率低、技术成熟度相对较低。
[0004]磁脉冲焊接是一种高效率的固相焊接技术，其焊接原理与爆炸焊接类似，磁脉冲采用电磁力取代了爆轰物，环保安全，易实现自动化。在磁脉冲焊接过程中，金属无熔化过程，避免或减少了金属化合物的产生。相对于热输入焊接工艺，磁脉冲焊接工艺不产生任何排放，整个过程无发热、无辐射、无烟、无废气、无火花、无辅材消耗，是一种低碳环保的绿色制造技术。磁脉冲焊接技术在国外开发了双金属传动轴、过滤器等，成形设备也较为成熟，然而缺乏成套能用于指导生产的系统性工法。
[0005]总之，随着汽车产业的发展，异种材料连接技术已成为一项制约性因素，面临成本、效率、可靠性等挑战，亟需新技术的开发与应用。因此，面向汽车产业中铝钢混用轻量化技术的重大需求，研究铝钢薄壁管磁脉冲焊接轻量化新技术，从而能够在汽车产业中的应用，为汽车轻量化提供示范性样本，带动提升产品质量和市场竞争力成为正待解决的问题。
[0006]焊接技术的开发需要大量的工艺试验作为支撑，从而获得更好的工艺参数和加工后产品特性的分析数据以作为工艺改进的支撑，然而目前缺乏此类试验，即使进行此类试验，通常需要搭建复杂的工艺试验平台，受到外界噪声扰动的影响较大，试验数据并不准确。

技术实现思路

[0007]本专利技术提供一种铝钢异种金属管件磁脉冲焊接界面与接头特性数值模拟方法，针对动件和静件进行5种放电能量下的全参数工艺试验，从多个角度获得工艺参数对此脉冲焊接接头的力学性能影响，并且对于铝钢电磁脉冲焊接接头微观形貌和显微硬度进行性能分析，从而获得更加优选的工艺参数。
[0008]为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案为：
[0009]一种铝钢异种金属管件磁脉冲焊接界面与接头特性数值模拟方法，包括：
[0010]步骤1，进行磁脉冲焊接接头拉伸力学性能的影响规律分析；
[0011]步骤2，进行磁脉冲焊接接头的失效模式分析；
[0012]步骤3，建立基于焊接系数的可焊性窗口；
[0013]步骤4，进行磁脉冲焊接接头微观分析。
[0014]优选的，所述步骤1包括实施26kJ、28kJ、30kJ、32kJ、34kJ焊接放电能量下不同焊接间距的全参数焊接试验，其中焊接间距范围为1.0mm
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1.8mm，递增距离为0.2mm，焊接完成后的工件不进行任何二次处理。
[0015]优选的，所述步骤1包括：
[0016]步骤11，不同焊接能量参数对焊接接头的影响规律分析：焊接能量对焊接接头的影响并不是正相关的关系，但是存在一个临界最优的情况；
[0017]步骤12，焊接距离对不同焊接能量下焊接接头强度的影响规律分析：焊接间距对焊接质量的影响实质上是焊接碰撞速度与焊接碰撞角度对焊接强度的综合影响，而焊接强度的变化规律则说明焊接碰撞速度和碰撞角度与焊接强度的关系都存在临界最优的情况，偏离这个最优工艺参数的焊接质量，在较小的碰撞速度和碰撞角度下难以形成有效牢固的焊接质量；过大的碰撞速度和碰撞角度则会导致焊接界面失稳，产生微观缺陷问题，造成强度下降。
[0018]优选的，所述步骤2包括：
[0019]不同焊接参数下的焊接失效模式包括铝合金母材断裂失效和焊接接头断裂失效；于第一种失效模式，其最终断裂形式为韧性断裂，在该参数下的铝
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钢焊接接头获得了合适的碰撞速度与碰撞角度，获得了良好的冶金焊接效果，形成了稳定牢固的焊接接头，该参数下的焊接接头强度较高，高于铝合金母材强度，在外加载荷作用下，铝合金母材作为较弱区发生了断裂失效；对于第二种失效模式，即焊接接头断裂失效，最终断裂形式为脆性断裂，在该焊接参数下，即碰撞速度和碰撞角度均较大，此时的焊接接头质量一般，其强度低于铝合金母材，在外加载荷作用下断裂发生在焊接接头。
[0020]优选的，所述步骤3包括：
[0021]全参数试验数据作为基础，引入焊接接头系数，以焊接能量和焊接间距作为工艺参数，建立磁脉冲焊接的简化工艺窗口，从而对磁脉冲焊接接头强度的性能评估提供参考。
[0022]优选的，所述焊接系数是指焊接接头强度与母材强度的比值，可用来评估焊缝质量的可靠程度。为了对焊接质量进行有效的评估，对焊接系数进行5种级别的可靠性划分：
[0023]非常可靠
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A级(焊接强度达到母材强度90％以上)；
[0024]较可靠
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B级(80％以上)；
[0025]可靠
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C级(70％以上)；
[0026]可靠性差
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D级(60％以上)；
[0027]不可靠
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E级(60以下)；
[0028]所建立的焊接窗口通过引入焊接系数，对焊接系数进行等级划分，将焊接能量和焊接间距作为索引，从而直观迅速的得到不同参数下的焊接接头强度等级。
[0029]优选的，所述步骤4包括：
[0030]步骤41，进行不同失效模式的界面微观分析；
[0031]步骤42，进行焊接断口分析。
[0032]优选的，所述步骤41包括：
[0033](1)焊接界面金相分析：由二维金相试样磨面或薄膜的金相显微组织的测量和计算来确定合金组织的三维空间形貌，从而建立合金成分、组织和性能间的定量关系，将图像处理系统应用于金相分析，所述金相分析所用设备为OLYMPUS BX51偏光显微镜；
[0034](2)焊接界面电镜分析。扫描电子显微镜利用二次电子信号成像来观察样品的表面形态，即用极狭窄的电子束区扫描样品表面，通过电子束与样品表明的相互作用产生各种效应，包括样品的二次电子发射，二次电子能够产生样品表面放大的形貌像，这个形貌像是在样品被扫描时按照时序建立起来的，即使用逐点成像的方法获得放大像，扫描电镜配有X射线能谱仪装置，同时进行显微组织形貌的观察和微区成分分析，通过环境扫描电子显微镜研究分析焊接界面组织成分，所述本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种铝钢异种金属管件磁脉冲焊接界面与接头特性数值模拟方法，其特征在于包括：步骤1，进行磁脉冲焊接接头拉伸力学性能的影响规律分析；步骤2，进行磁脉冲焊接接头的失效模式分析；步骤3，建立基于焊接系数的可焊性窗口；步骤4，进行磁脉冲焊接接头微观分析。2.根据权利要求1所述的一种铝钢异种金属管件磁脉冲焊接界面与接头特性数值模拟方法，其特征在于：所述步骤1包括实施26kJ、28kJ、30kJ、32kJ、34kJ焊接放电能量下不同焊接间距的全参数焊接试验，其中焊接间距范围为1.0mm
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1.8mm，递增距离为0.2mm，焊接完成后的工件不进行任何二次处理。3.根据权利要求1所述的一种铝钢异种金属管件磁脉冲焊接界面与接头特性数值模拟方法，其特征在于所述步骤1包括：步骤11，不同焊接能量参数对焊接接头的影响规律分析：焊接能量对焊接接头的影响并不是正相关的关系，但是存在一个临界最优的情况；步骤12，焊接距离对不同焊接能量下焊接接头强度的影响规律分析：焊接间距对焊接质量的影响实质上是焊接碰撞速度与焊接碰撞角度对焊接强度的综合影响，而焊接强度的变化规律则说明焊接碰撞速度和碰撞角度与焊接强度的关系都存在临界最优的情况，偏离这个最优工艺参数的焊接质量，在较小的碰撞速度和碰撞角度下难以形成有效牢固的焊接质量；过大的碰撞速度和碰撞角度则会导致焊接界面失稳，产生微观缺陷问题，造成强度下降。4.根据权利要求1所述的一种铝钢异种金属管件磁脉冲焊接界面与接头特性数值模拟方法，其特征在于所述步骤2包括：不同焊接参数下的焊接失效模式包括铝合金母材断裂失效和焊接接头断裂失效；于第一种失效模式，其最终断裂形式为韧性断裂，在该参数下的铝
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钢焊接接头获得了合适的碰撞速度与碰撞角度，获得了良好的冶金焊接效果，形成了稳定牢固的焊接接头，该参数下的焊接接头强度较高，高于铝合金母材强度，在外加载荷作用下，铝合金母材作为较弱区发生了断裂失效；对于第二种失效模式，即焊接接头断裂失效，最终断裂形式为脆性断裂，在该焊接参数下，即碰撞速度和碰撞角度均较大，此时的焊接接头质量一般，其强度低于铝合金母材，在外加载荷作用下断裂发生在焊接接头。5.根据权利要求1所述的一种铝钢异种金属管件磁脉冲焊接界面与接头特性数值模拟方法，其特征在于所述步骤3包括：全参数试验数据作为基础，引入焊接接头系数，以焊接能量和焊接间距作为工艺参数，建立磁脉冲焊接的简化工艺窗口，从而对磁脉冲焊接接头强度的性能...

【专利技术属性】
技术研发人员：苗莉莉，葛寒，白爱英，寇晓晨，
申请(专利权)人：忻州职业技术学院，
类型：发明
国别省市：