铝/钛板件磁脉冲焊接数值模拟与实验研究

作     者：陈英子 

作者单位：重庆大学 

学位级别：硕士

导师姓名：张淮清

授予年度：2022年

学科分类：080503[工学-材料加工工程] 07[理学] 08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 070102[理学-计算数学] 0802[工学-机械工程] 0701[理学-数学] 080201[工学-机械制造及其自动化] 

主      题：铝/钛板件 磁脉冲焊接 线圈 数值模拟 接头强度 

摘      要：铝/钛复合结构综合了两种材料的性能优势,在航空航天等领域应用广泛,但铝合金与钛合金物理化学性能差异大,采用传统连接工艺易使接头产生缺陷。磁脉冲焊接作为一种新型固态焊接技术,通过高速碰撞实现冶金结合,适用于焊接异种轻金属材料,同时兼具绿色环保、生产效率高和可控性好等优点,但磁脉冲焊接系统能量利用率低,限制了该技术在工业中的应用。论文以AA1060/TC4板件磁脉冲焊接为研究对象,通过数值模拟和实验研究深入挖掘影响系统性能和焊接质量的关键因素,力图解决焊接装置效率低和铝/钛板件焊接效果不理想等问题。论文首先对磁脉冲焊接过程的能量传递关系进行研究,数值分析了回路电感和电阻对系统能量利用率的影响。分析表明:降低回路电感对系统效率的提升作用更明显。通过理论推导连接放电系统和焊接线圈的高压电缆电感,证明了回路电感主要由该传输线产生,因此针对传输线结构进行了改进。实验结果表明:优化后的系统性能得到明显改善,放电电流幅值和频率被大幅提升。其次,基于构建的有限元仿真模型和SPH仿真模型分别研究了单匝线圈作用下工件宏观塑性变形行为和界面微观形貌演变规律。实验分析了放电电压和板间距对铝/钛接头连接效果的影响,通过拉伸测试衡量焊接接头力学性能,并使用扫描电子显微镜观察焊接界面微观形貌。实验结果表明:磁脉冲焊接技术可实现1060铝板和TC4钛板的良好连接。最后,针对单匝线圈形成的焊接面积较小的问题,提出一种新线圈结构,通过数值分析线圈结构参数对磁场、感应电流和电磁力分布特性的影响,确定最优结构尺寸。在此基础上,根据该线圈工作过程中的受力情况对其进行加固处理,以提高焊接装置的稳定性。同时,探究了该线圈作用下板件的塑性变形过程,并对铝/钛板件焊接开展了实验研究。实验结果表明:本文提出的新线圈结构能有效提高铝/钛接头强度。