能量的传递与转换作用对磁脉冲焊接接头性能的影响研究

作     者：夏羽 

作者单位：北京工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：陈树君;于洋

授予年度：2012年

学科分类：080503[工学-材料加工工程] 08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 0802[工学-机械工程] 080201[工学-机械制造及其自动化] 

主      题：磁脉冲焊接 界面波 能量 异种材料 电磁转换 

摘      要：随着汽车、火车以及航空航天产业不断向结构轻量化方向发展，铝合金、镁合金等轻质材料逐渐代替了传统的钢材，由此急需实现铝合金等轻质金属材料与其他金属材料的连接。然而由于异种材料物理性能本身的差异，以及易在连接界面上出现脆硬的金属间化合物，通过传统的连接方法很难获得优质的连接接头。 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，能有效的抑制界面结合区脆性的金属间化合物的产生，特别适用于铝合金等轻质金属材料与其他金属材料间的焊接。本文首先介绍分析了磁脉冲焊接技术相关的基础原理知识，进而建立推导得出磁脉冲焊接过程能量转换数学模型并进行验证。接着从应力波理论、高速撞击条件下的金属变形理论等方面的理论知识出发，分析能量传递与转换作用和撞击界面波纹结合之间的联系。最后展开异种金属磁脉冲焊接的工艺，研究分析能量传递与转换作用对焊接接头成形性能的影响。 本文在介绍磁脉冲焊接的基本理论知识中，从焊接原理入手，阐述了磁脉冲焊接的实现基础，工作原理以及冲击焊接成形的相关理论，提出磁脉冲焊接的可焊性窗口，得出适宜的碰撞速度和碰撞角度才能为焊接过程提供适宜的能量，进而形成良好的磁脉冲焊接接头。 通过分析磁脉冲焊接设备的工作原理以及在焊接过程中电、磁、力的转化规律，建立磁脉冲焊接过程的能量转换数学模型，从而在给定其他参量的情况下，模拟计算出所需的磁脉冲焊接充电电压的数值，并通过试验进行验证。试验表明：模拟计算得出的充电电压数值可以较好的指导实际焊接工作。 以磁脉冲焊接过程中能量转换与利用关系为基石，辅以材料动力学、应力波理论、高速撞击条件下的金属变形理论等方面的理论知识为依托，合理设计相关试验工作，分析能量传递与转换作用对撞击界面波纹形态的影响。 最后，采用SEM、X-射线衍射仪、TEM、纳米压痕仪等材料分析检测方法对铝-不锈钢、铝-镁异种金属材料磁脉冲焊接后界面所产生的相变、扩散、熔化及凝固现象进行深入分析，并类比不同热处理条件下铝-镁异种材料焊接后结合界面的组织形态演变规律。采用相应的性能检测手段检测焊接接头的结合性能。研究能量传递与转换作用对磁脉冲焊接接头成形性能的影响。