吳鐵洲　熊厚博　鄧方雄

摘要：闡述了一種基于集磁器的電磁脈沖點焊原理和實現(xiàn)方法，可用于金屬板件的焊接。利用集磁器感應(yīng)產(chǎn)生高強(qiáng)度磁場，高速變化的磁場在金屬板件上形成渦流并產(chǎn)生巨大的洛倫茲力，推動金屬材料快速移動并撞擊另外一種金屬以完成焊接。對集磁器進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計，詳細(xì)介紹電磁線圈的形狀、匝數(shù)和放電參數(shù)，并運(yùn)用有限元法對電磁場、結(jié)構(gòu)場等進(jìn)行數(shù)值分析。以1 mm厚的1060鋁板和316不銹鋼板為對象進(jìn)行實驗，對焊接后的構(gòu)件進(jìn)行了宏觀和微觀分析，并進(jìn)行強(qiáng)度測試。結(jié)果表明，該焊接方法能夠完成鋁板和不銹鋼板的電磁脈沖焊接。

關(guān)鍵詞：焊接;線圈;脈沖磁場

中圖分類號：TG456.9 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1001-2303（2020）02-0025-05

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.02.05

0 前言

電阻點焊廣泛應(yīng)用于汽車制造中。電阻焊要求被焊金屬熔點不能相差太大，否則會出現(xiàn)低熔點金屬已熔化而高熔點的金屬不熔化的現(xiàn)象，進(jìn)而形成不可靠焊點。為減少能源消耗，現(xiàn)大量采用鋁合金構(gòu)件來減輕汽車自重[1]，研究鋁合金和鐵合金的焊接具有廣泛的應(yīng)用價值[2-5]。目前鋁合金與鐵合金之間的焊接方法主要有激光焊、摩擦焊、釬焊、熔化焊[5-13]。

電磁脈沖焊是一種新穎的焊接方法，已逐漸應(yīng)用于工業(yè)中[14-17]，它是通過電磁線圈在金屬部件附近產(chǎn)生快速變化的磁場，變化的磁場在金屬部件中感應(yīng)出渦流，渦流在磁場中形成洛倫茲力推動板件高速運(yùn)動，與另一種金屬發(fā)生碰撞，從而實現(xiàn)兩種金屬的連接。電磁脈沖焊的溫度低，無熱影響區(qū)，無污染，高速安全。Aizawa[18-20]設(shè)計了一種低電感的放電回路，利用一根導(dǎo)線驅(qū)動金屬板件與另一種金屬高速碰撞，實現(xiàn)金屬板件電磁脈沖縫焊。Kore[21]采用相同的裝置實現(xiàn)了鋁板與不銹鋼板的焊接，焊縫界面連續(xù)。Yu[14-15]通過電磁脈沖焊實現(xiàn)了鋁合金管與不銹鋼管的有效連接。而電磁脈沖點焊的相關(guān)研究較少，僅Manogaran[22]對電磁脈沖縫焊進(jìn)行了適當(dāng)改進(jìn)，設(shè)計了一種用于電磁脈沖點焊的焊接方法。該方法焊接時線圈電流較大，對電源設(shè)備要求較高。

本文設(shè)計了一種帶集磁器的電磁脈沖點焊方法，適用金屬板件的焊接，其原理是通過集磁器集中電流，感生電場交變形成巨大磁場，電磁場在空間相互作用對所處空間內(nèi)的板件形成強(qiáng)洛倫茲力，較易實現(xiàn)異種金屬的局部連接。

1 原理及設(shè)計

1.1 基于集磁器的點焊原理

電磁焊接中由洛倫茲力推動工件進(jìn)行加速，其表達(dá)式為

式中 J為渦流電流密度;B為磁通密度;F為洛倫茲力。在條件允許情況下，提高J或B均能達(dá)到提高洛倫茲力的目的。為了盡可能提高工件焊接部位的渦流和磁通密度，實驗裝置采用集磁來達(dá)到該目的。

實驗裝置原理如圖1所示，包括電容器組、集磁器、工件、直流電源、氣體開關(guān)、線圈。由于電回路中的阻抗參數(shù)較小，電容器組通過裝置中產(chǎn)生電回路的部分迅速放電，線圈中形成頻率極高的交變電流。同時，在集磁器上表面會形成與線圈中電流方向相反的渦流。由于集磁器縫隙的存在，集磁器上表面形成的與線圈電流方向相反的渦流將沿集磁器孔的內(nèi)表面流動。高密度的感應(yīng)渦流在集磁器孔內(nèi)部形成迅速變化的局部時變磁場，感應(yīng)電磁場在空間相互作用使金屬工件表面產(chǎn)生量級更高的渦流，根據(jù)式（1）中洛倫茲力的決定因素，高量級的渦流密度將會產(chǎn)生強(qiáng)度極大的洛倫茲力，作用于工件上使其與基材強(qiáng)烈碰撞以完成焊接。

1.2 裝置基本尺寸

實驗裝置基本尺寸如圖2所示。線圈的內(nèi)徑為14 mm，采用3 mm×5 mm銅導(dǎo)線繞制，匝數(shù)為8匝，導(dǎo)線外部包裹0.2 mm厚絕緣層，并采用柴龍加固線圈，抵抗線圈通電時向外的膨脹力。

2 仿真及分析

2.1 電磁脈沖點焊有限元模型

采用ANSYS18進(jìn)行有限元仿真。首先在ANSYS

electronics suite分析電磁特性以得到電磁力數(shù)值模型，然后將其導(dǎo)入ANSYS trans-ient structural進(jìn)行碰撞環(huán)節(jié)的瞬態(tài)速度以及受力分析，對磁場和結(jié)構(gòu)場之間施加松弛變量以達(dá)到局部最優(yōu)耦合并忽略極小范圍變形對電磁場的影響，最后基于集磁器縫隙非對稱結(jié)構(gòu)采用1/2三維有限元模型對裝置進(jìn)行最優(yōu)展示。

磁場模型中包含集磁器、線圈、工件、集磁器支撐板、近遠(yuǎn)場空氣。模型中空氣遠(yuǎn)場采用特殊單元INFIN111模擬磁能耗散，而在整體場中采用三維矢量單元SOLID235進(jìn)行仿真。精細(xì)剖分鋁板和不銹鋼板以分析電磁力的分布及影響，有限元模型如圖3所示。圖3a為經(jīng)Grid函數(shù)包處理后的模型整體圖，圖3b為模型局部同比放大圖。在進(jìn)行磁場分析時，對線圈加入經(jīng)調(diào)制器實驗?zāi)M后的正弦衰減激勵電流，設(shè)置碰撞過程總時間為15 μs，并以1 μs為步長分割以細(xì)化整個過程。

對鋁板和不銹鋼板進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。將上述電磁場模型中的電磁力作為結(jié)構(gòu)場鋁板所受的電磁力，同時為了簡化模型，將基板對不銹鋼板底部固定替換為固定約束的模式，整個有限元模型采用三維單元SOLID186。材料采用copwer本構(gòu)模型，考慮了應(yīng)變率和慣性對變形的影響。模型表達(dá)式為

根據(jù)參考文獻(xiàn)[23]，常數(shù)p為6500，參數(shù)m為0.25。

試驗板材為316不銹鋼板和1060鋁板，厚度1 mm。工件材料的相關(guān)參數(shù)如表1所示。實驗電源裝置基本參數(shù)如表2所示。

2.2 工件塑性變形過程分析

工件的碰撞速度和變形過程是電磁脈沖焊接中重要的分析參數(shù)，本文通過三維有限元模型模擬了相關(guān)參數(shù)，如圖4所示。

在6～10 μs階段，鋁板運(yùn)動加速，兩工件即將發(fā)生碰撞，對比圖4a與圖4b可知，在集磁器中心位置不變的情況下，處于集磁器縫隙間工件的運(yùn)動速度與位移快速增大且與其他位置的相對變化量持續(xù)上升，隨著進(jìn)一步加速，鋁板與不銹鋼板（基板）發(fā)生碰撞。在10～14 μs階段，碰撞首先從速度最快的一點開始，然后向其他位置延伸。在碰撞范圍擴(kuò)展過程中，工件之間會有不同的碰撞角度。隨著焊接區(qū)域碰撞過程的完成，在末態(tài)云圖中（見圖4c）發(fā)現(xiàn)集磁器內(nèi)孔對應(yīng)位置幾乎無變形，這是因為主要完成碰撞位置位于集磁器下端面對應(yīng)區(qū)域?；诩牌魍邪逦恢锰幍墓ぜ幸欢ㄗ冃?，可進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)該區(qū)域?qū)?yīng)位置在渦流電流較小時集中了較強(qiáng)的磁場。

3 實驗及討論

3.1 實驗裝置及方法

基于上述分析，設(shè)計了如圖5所示的焊接裝置結(jié)構(gòu)。為提高電磁能量效率并保護(hù)設(shè)備安全，用兩塊環(huán)氧板配合螺栓固定焊接對象，以抵抗焊接過程中的反作用力。在線圈和集磁器之間放置0.5 mm厚環(huán)氧板，起絕緣作用。由于集磁器在工作過程中會受到線圈施加的較大排斥力，將其鑲嵌在一塊厚度10 mm的不銹鋼板內(nèi)部，用于支撐集磁器。不銹鋼支撐板上開有一個與集磁器縫隙方向一致的縫隙，避免渦流從不銹鋼板上形成環(huán)路。焊接時，工件放在不銹鋼支撐板與底部環(huán)氧板之間，且兩個工件之間間隙可進(jìn)行調(diào)整。

實驗主要裝置如圖6所示，電源電容容量100 μF，最高充電電壓13 kV，最大儲能20 kJ。用4個小螺栓將集磁器、線圈、不銹鋼支撐桿固定到一起。

3.2 樣件宏觀分析

選擇焊接電壓10 kV、工件間隙2 mm的樣件進(jìn)行外觀分析，如圖7a所示，工件的變形區(qū)域整體為圓形，焊接區(qū)域與集磁器的圓臺形狀相似。整體外觀呈現(xiàn)出3個特征：（1）鼓包區(qū)域位于變形區(qū)域正中間;（2）焊接區(qū)域位于鼓包區(qū)域外圍，有明顯的焊接痕跡;（3）非焊接區(qū)域也位于鼓包區(qū)域外圍， 焊接區(qū)域大于非焊接區(qū)域。

為了查看焊接的細(xì)節(jié)特征，對相同焊接條件下的樣件進(jìn)行切割，圖7a中切割線A的方向與集磁器縫隙方向一致，切割線B與切割線A的方向垂直，切割線A、B對應(yīng)截面分別如圖7b、7c所示，均可清晰看到區(qū)域B的鼓包部分。但圖7b的區(qū)域A的工件之間有一定縫隙，未完成焊接過程，該部分恰好位于集磁器縫隙位置處，而其他部分均完成焊接過程。

3.3 焊接區(qū)域微觀分析

為更進(jìn)一步觀察焊接區(qū)域的微觀結(jié)構(gòu)，將圖7b的區(qū)域C進(jìn)行光學(xué)顯微放大，如圖8所示?？梢钥闯?，焊接工件被劃分為中間的有些許間隙的非焊接區(qū)域和兩側(cè)的焊接效果良好的焊接區(qū)域。

為了更細(xì)致地理解焊接過程和焊接機(jī)理，選擇分析過渡區(qū)域的微觀結(jié)構(gòu)和元素構(gòu)成方式。采用SEM-EDS掃描圖8中焊接區(qū)域的過渡區(qū)域，結(jié)果如圖9所示。由圖9a可知，過渡區(qū)域為1060鋁板和316不銹鋼板的混合物，可判斷該劇烈碰撞過程達(dá)到了金屬固相連接的目的。由圖9b可知，在焊接板件厚度約為5 μm的過渡區(qū)中，組成元素成分呈隨空間分布變化的狀態(tài)，同時鋁成分和不銹鋼成分表現(xiàn)出此消彼長的特性。

4 結(jié)論

（1）通過實驗和仿真驗證，可以在局部范圍內(nèi)實現(xiàn)點焊工藝。采用該方法能夠降低放電電壓和回路電流，降低對設(shè)備的要求。

（2）當(dāng)電壓達(dá)到10 kV、板件間隙為1.5 mm時，兩種板材可以形成較好的冶金連接接頭，且剪切拉伸應(yīng)力大于兩種母材中強(qiáng)度較弱的。

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