CN104384701A - 基于感应加热及电磁成形的镁合金/碳钢管件复合连接方法 - Google Patents

Abstract

本发明基于感应加热及电磁成形的镁合金/碳钢管件复合连接方法，是利用温热电磁成形的方法提高镁合金成形性能，同时将电磁感应加热和电磁成形复合使用，利用同一个线圈实现感应加热与成形功能，来提高异种金属管的连接效率，便于实现自动化控制，同时成形时复合了温热成形与电磁成形工艺，提高了连接成形性能。本发明将镁合金管材与碳钢管材搭接，通过线圈的电磁感应加热使镁合金内管达到设定温度后，电磁成形线圈对镁合金内管进行放电，使镁合金管件发生强烈塑性变形与外管碰撞，产生连接。本方法通过储能电容对电磁成形线圈瞬间放电产生强脉冲磁场，使温热的内管在电磁力的作用下高速成形，与刚度较高的碳钢外管发生高速碰撞产生结合。

Description

基于感应加热及电磁成形的镁合金/碳钢管件复合连接方法

技术领域

本发明涉及异种金属合金管件电磁连接技术，具体为一种镁合金/碳钢管件搭接接头的感应加热及电磁成形复合连接方法，主要应用于镁合金管件与碳钢管件的连接工艺。

背景技术

近年来，环境污染问题和资源耗费问题日益严峻。随着汽车工业的快速发展，汽车尾气排放和燃油利用率日益受到社会关注，汽车轻量化成为汽车工业的发展趋势，以高强钢、铝合金、镁合金及多种复合材料为代表的轻质、高强度难成形材料在汽车、航空、航天等先进制造领域的应用日益增加。

金属镁及其合金是目前最轻的金属结构材料，其密度比铝轻1/3，具有比强度和比刚度高、阻尼减震性好、导热性好、电磁屏蔽能力强、易回收等特点，已经作为新型的结构材料，被广泛地应用在航空航天、交通工具、电子产品等领域。

镁合金为密排六方晶体结构，在常温下只有基面{0001}三个滑移系可以发生变形，传统上一直被认为是一种难以塑形变形和压力加工成形的金属材料。目前镁合金的主要加工方式为压铸，但是经过塑形加工的镁合金产品具有更加广阔的应用前景，虽然镁合金的铸造性能优良，可以铸造成各种形状复杂的零件，但也存在产品规格尺寸受限、力学性能差等局限，各种铸造缺陷如疏松、气孔、缩孔和夹杂难以避免，壁厚过薄容易造成产品报废，成品率较低，而通过塑形加工不仅能提高产量，而且能赋予产品更加优良的机械性能。如能采用塑性加工技术替代现有的压铸工艺生产薄壁镁合金零件，将不仅可以提高产品性能和质量，而且可以显著提高材料利用率和生产效率。经研究发现，当温度升高到225℃时，镁合金的塑形变形滑移面增多，塑形大幅度提升，因此利用镁合金材料温热成形工艺可以充分利用镁合金材料的优异性能，成为镁合金塑形加工领域的研究热点。同时，在汽车轻量化发展趋势下，异种金属连接成为成型领域的热点之一，研究实现镁合金等轻金属与钢材之间的产生连接的工艺，对现代制造技术具有特殊的价值和意义。

电磁成形是金属在强脉冲磁场中受力而发生塑形变形的一种高能率成形方法。具有提高金属材料成形性能、加工能量易于准确控制、成形速度快、成形精度高、无需传压介质、成形模具简单及设备通用性强等特点，是一种绿色制造工艺。

电磁感应加热技术是一种新型的加热技术，根据电磁感应加热原理，当导体处于交变电流中时，交变电流使导体周围产生交变磁场，从而引起集肤效应使导体在短时间内迅速被加热。电磁感应加热技术具有加热技术高、耗能少、污染小、便于自动化控制等特点，被广泛应用于工业加热和冶金生产中。

综上所述，镁合金在汽车、电子等领域具有广阔的应用前景，实现镁合金与管材的连接对推动汽车轻量化具有重要意义。电磁成形作为一种高能率成形方法，对提高金属板材的成形性能有其独特优势；在汽车轻量化领域，采用轻金属如镁合金代替传统钢材是一种有效的轻量化手段，可以大大减轻结构件的重量，从而到达节能减排和保护环境的目的。电磁感应加热技术是一种经济的加热方式，能够精确、快速地加热工件，与传统的加热方式相比，具有效率高、能耗小、便于自动化控制的特点。经实验证明，镁合金在200-300℃温度范围内，镁合金具有良好的拉伸性能，因此采用温热电磁成形对镁合金进行塑形加工，能大幅度提高镁合金的成形性能。基于上述特点，将两种先进工艺方式相结合，不仅能有效改善镁合金的成形效率，还扩展了电磁成形技术的应用范围，有利于电磁成形工艺的推广及工业应用，解决异种金属连接的难题，有利于轻金属的应用，促进汽车轻量化的进程。因此，本发明将电磁成形与温热成形结合起来，充分利用它们的复合优势，解决了异种金属连接难和镁合金塑形差的两个难题。同时通过电磁感应加热技术与电磁成形技术相结合，用同一线圈同时实现其成形和加热工艺，简化了设备设计，提高了成形过程的加工效率，便于实现自动化生产。另外，电磁感应加热和电磁成形工艺均为非接触式工艺，成功解决了镁合金常温不易塑形变形问题，同时回避了高温下加工困难的问题，具有重要的理论意义和广阔应用前景。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种能够有效提高镁合金管件与碳钢管件连接性能的塑性加工方法，一种便于异种金属连接的方法，一种利用电磁成形与温热成形复合优势的镁合金管件与钢管的连接方法。

本发明解决其技术问题采用的技术方案是：给工件感应加热和电磁成形放电采用同一个线圈装置，加热过程和充电过程同时进行且控制时间相同，具体是：首先通过电磁成形机的充电电路对该电磁成形机的储能电容即电容器进行充电，同时第二真空开关接通，使电磁感应加热线圈实现镁合金内管加热，当电容器充电完成的时候，镁合金内管同时被加热到指定温度，此时断开第二真空开关停止电磁感应加热，同时导通第一真空开关，使电容器对电磁感应加热线圈进行放电，镁合金内管在电磁力的作用下产生胀形，与碳钢外管发生高速碰撞产生连接。

本发明提供的上述基于感应加热及电磁成形的镁合金/碳钢管件复合连接方法，包括以下步骤：

(1)将镁合金内管和碳钢外管搭接放置；

(2)由充电电路对电容器进行充电，当充电电压达到设定成形电压2-10kV后，断开充电回路；

(3)启动电磁感应加热电源，电磁感应加热线圈得电后对镁合金内管进行加热，当镁合金内管加热到指定温度200-300℃时，断开第二真空开关，停止电磁感应加热；

(4)闭合电磁成形机的放电回路，电容器通过电缆对电磁感应加热线圈放电，镁合金内管在该线圈的电磁力的作用下产生高速塑形变形，碰撞碳钢外管；

(5)镁合金内管与碳钢外管发生碰撞产生连接,实现镁合金/碳钢管件的复合连接。

所述的镁合金管件的壁厚为1.0-2.5mm。

上述步骤(5)中，镁合金内管与碳钢外管是在碰撞速度为240-320m/s的条件下，发生碰撞产生连接。

所述镁合金内管与碳钢外管发生碰撞时，是按照一定的碰撞角度3°-5°的条件下，实现镁合金内管与碳钢外管发生碰撞产生连接。

本发明与现有技术相比具有以下主要的优点：

利用温热电磁成形的方法提高了镁合金成形性能，将电磁感应加热和电磁成形复合使用，利用同一个线圈实现感应加热与成形功能，同时控制感应加热时间和电容充电时间一致,提高了异种金属管的连接效率，便于实现自动化控制，成形时复合了温热成形与电磁成形工艺，拓展了电磁成形的应用范围,提高了连接成形性能。

附图说明

图1是电磁感应加热复合连接工艺原理图。

图2是实例线圈管件结构示意图。

图3是温热电磁成形工装图。

图4是实例电磁脉冲成形线圈结构图。

图5是图4的左视图。

图6是不同温度条件下温热电磁成形与温成形的镁合金成形极限对比图。

图中：1.控制器；2.充电电路；3.第一真空开关；4.电容器；5.内部工件；6.第二真空开关；7.电磁感应加热电源；8.外部工件；9.线圈；10.夹具。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步说明。

实施例1.基于感应加热及电磁成形的镁合金/碳钢管件复合连接方法

所述基于感应加热及电磁成形的镁合金/碳钢管件复合连接方法，参见图1，具体是：电磁感应加热线圈和电磁成形线圈为同一线圈装置，电磁成形机电容器充电和电磁感应加热对镁合金内管加热过程可同时进行。首先通过电磁成形机的控制电路对电容器4进行充电，同时第二真空开关6接通，使电磁感应加热装置实现对镁合金内管的加热，通过工艺控制，当电容器4充电完成的时候，镁合金内管同时被加热到指定温度，此时断开第二真空开关6停止电磁感应加热，同时导通第一真空开关3，使电容器4对电磁成形线圈9进行放电，镁合金内管在电磁力的作用下产生胀形，与碳钢外管发生碰撞产生连接。

本发明将镁合金管材与碳钢管材搭接，通过线圈的电磁感应加热使镁合金内管(内部工件5)升温至200-300℃，达到该设定温度后，电磁成形线圈对镁合金内管进行放电，使镁合金管件发生强烈塑性变形与外管碰撞并使产生固相连接。本方法通过电磁感应加热电源7与电磁成形设备依次将脉冲电流作用于电磁成形线圈，使内部工件5在电磁感应加热完成后由电磁成形设备电容对成形线圈瞬间放电产生强脉冲磁场，使温热的镁合金内管在电磁力的作用下高速成形，与刚度较高的碳钢外管(外部工件8)发生高速碰撞产生结合。

所述基于感应加热及电磁成形的镁合金/碳钢管件复合连接方法，其步骤包括：

(1)利用夹具10将镁合金内管(内部工件5)和碳钢外管(外部工件8)搭接放置，其中镁合金内管壁厚范围可为1.0-2.5mm。

所述的夹具10是一种由铝块、工程塑料块和螺栓组成的管用夹具，其中工程塑料分上下两部分，通过螺栓固定实现对镁合金内管和碳钢外管的夹紧。各部件的连接关系由上往下为铝块、工程塑料、铝块，各部件由螺栓连接在一起。

(2)由充电电路2对电磁成形机的储能电容(电容器4)进行充电，当充电电压达到预设的成形电压后(可调范围为2-10kV)，充电电路2自动断开；

(3)在步骤(2)实施的同时，接通第二真空开关6，启动电磁感应加热电源7对镁合金内管进行电磁感应加热，当镁合金内管加热到指定温度200-300℃时，断开第二真空开关6，停止电磁感应加热；

(4)当步骤(2)和步骤(3)操作全部完成时，闭合第一真空开关3，接通电磁成形放电回路，储能电容通过电缆对电磁成形线圈放电，镁合金内管在电磁力的作用下产生高速塑形变形，碰撞碳钢外管；

(5)镁合金内管与碳钢外管在适当的碰撞速度(如300m/s)和碰撞角度(如4°)的条件下，发生碰撞产生连接，得到异种金属连接接头。

所述控制器为现有技术，主要由变压器、整流桥、限流电阻等组成。

所述电磁成形设备是60kJ高压电磁成形机，它包括两部分：一是由变压器、整流桥、限流电阻和储能电容组成的充电回路；一是由储能电容、放电开关和加工线圈组成的放电回路。其中储能电容为电容器4，放电开关为第一真空开关3，加工线圈为线圈9。

所述电磁感应加热电源7的型号为IGBT-80kw/8-50kHz，或依据实际情况而定。

所述电磁成形线圈为紫铜材质，线圈匝数为20匝，单匝线圈截面为2mm×5mm的矩形。

所述线圈9为电磁感应加热线圈，亦为电磁成形线圈。

上述实施例1提供的基于感应加热及电磁成形的镁合金/碳钢管件复合连接方法，其加工的产品的性能由以下实施例的实验获得。

实施例2用AZ31镁合金管作温热磁脉冲连接实验

1.实验过程：

(1)材料准备：

实验所用材料为市售商用AZ31镁合金管材和20碳钢，其中镁合金的化学成分如表1所示。实验所用镁合金管为退火处理，退火温度为300℃，保温0.5h后随炉冷却。

(2)成形过程：

磁脉冲连接试验在如图3所示工装结构上进行。实验所用电磁成形线圈如图4和图5所示，线圈界面为2×5mm的矩形，由紫铜管机加工而成，线圈匝数为n＝20匝，线圈外径为80mm，内径D为78mm，宽60mm。管件厚度为1mm和2.5mm，内径为84mm，长度为200mm。

试验前先对试样进行表面清洁处理，用酒精溶液进行拭擦。采用机械固定方式将内管和外管的末端固定，另外一端搭接，接头长度与线圈宽度相等。

实验中调整电磁成形机储能电容和放电电压参数，采用电磁感应加热方式对管件进行加热，通过热电偶及测温计监测镁合金管的温度，在不同放电能量及成形温度下对不同壁厚镁合金管进行放电成形。电磁感应加热电源7的主要技术参数如下：

型号：IGBT-80kw/8-50kHz；

输入电压：三相380V,50Hz；

输入电流：35A；

额定输出功率：40/50kW；

装置效率：大于90％。

实验1：当管壁厚度为1mm，加热温度为200℃时，内、外管间隙为1mm，外管厚度为4mm。电磁感应加热感应电流大小采用1.5×107A/m²，感应频率900Hz，加热所需时间为17s。对应的磁脉冲连接过程的放电电压U＝2kV，电容C＝768μF(放电能量E约为1.5KJ)。可通过调节充电速度使充电过程在17s左右完成，以达到加热过程结束立即进行磁脉冲连接放电的目的。当其它条件不变时，将预设温度提高到300℃，加热所需时间为27s。而磁脉冲放电能量仍可以采用上述数据，只要将充电过程略微减慢，使充电时间在27s左右完成，就可以实现加热过程和充电过程同步进行、同时完成。

实验2：当管壁厚度为2.5mm，加热温度为200℃时，内、外管间隙为1mm，外管厚度为4mm。电磁感应加热感应电流大小采用1.5×10⁷A/m²，感应频率900Hz，加热所需时间为22.5s。对应的磁脉冲连接过程的放电电压U＝3kV，电容C＝768μF(放电能量E约为3.4kJ)。可通过调节充电速度使充电过程在22s左右完成，以达到加热过程结束立即进行磁脉冲连接放电的目的。当其它条件不变时，将预设温度提高到300℃，加热所需时间为30s。而磁脉冲放电能量仍可以采用上述数据，只要将充电过程略微减慢，使充电时间在30s左右完成，就可以实现加热过程和充电过程同步进行、同时完成。

2.成形性能测试：

(1)成形后对管件搭接结构进行强度测试，在所给参数下管件连接良好，在较大力作用下未能拉脱；

(2)将接头进行气密性检测，接头气密性良好；

(3)磁脉冲放电过程中，放电能量不宜过大，当板厚为1mm，放电能量E＝5.3kJ时，外管发生了轻微胀形，即放电能量过高。

3.对比分析：

在不进行电磁感应加热的情况下，对镁合金管进行电磁放电，取实验一相同的磁脉冲连接参数，发现在该放电条件下，管件发生了胀形。取下管件后，发现接头结构没有实现良好连接，接头气密性差，并且容易脱落,证明不对镁合金进行加热时，管件变形困难，该能量下内管不能获得较高的变形速度,即碰撞速度过低未能产生连接。其中，AZ31镁合金电磁温热成形和常规温成形成形极限对比图如图6所示，由图可知电磁温热成形能大幅提升镁合金的成形性能。

由上述实验可知，镁合金管件温热电磁成形的成形性能高于单一电磁成形，说明温热电磁成形可有效提高镁合金板材的成形性能，增加成形效率。同时，电磁感应加热的加热速度快、效率高，电磁感应加热和电磁成形过程共用同一个线圈，简化了设备，电磁感应加热过程和电容充电过程同时进行且时间一致，简化了工艺过程，便于实现自动化生产，提高了镁合金管件温热电磁成形效率。

表1      实验用AZ31镁合金管化学组成

Claims (6)

1.基于感应加热及电磁成形的镁合金/碳钢管件复合连接方法，其特征是给工件感应加热和电磁成形放电采用同一个线圈装置，加热过程和充电过程同时进行且控制时间相同，具体是：首先通过电磁成形机的充电电路对该电磁成形机的储能电容即电容器进行充电，同时第二真空开关接通，使电磁感应加热线圈实现镁合金内管加热，当电容器充电完成的时候，镁合金内管同时被加热到指定温度，此时断开第二真空开关停止电磁感应加热，同时导通第一真空开关，使电容器对电磁感应加热线圈进行放电，镁合金内管在电磁力的作用下产生胀形，与碳钢外管发生高速碰撞产生连接。

2.根据权利要求1所述的基于感应加热及电磁成形的镁合金/碳钢管件复合连接方法，其特征是该方法包括以下步骤：

(1)将镁合金内管和碳钢外管搭接放置；

(2)由充电电路对电容器进行充电，当充电电压达到设定成形电压2-10kV后，断开充电回路；

(3)启动电磁感应加热电源，电磁感应加热线圈得电后对镁合金内管进行加热，当镁合金内管加热到指定温度200-300℃时，断开第二真空开关，停止电磁感应加热；

(4)闭合电磁成形机的放电回路，电容器通过电缆对电磁感应加热线圈放电，镁合金内管在该线圈的电磁力的作用下产生高速塑形变形，碰撞碳钢外管；

(5)镁合金内管与碳钢外管发生碰撞产生连接,实现镁合金/碳钢管件的复合连接。

3.根据权利要求2所述的基于感应加热及电磁成形的镁合金/碳钢管件复合连接方法，其特征在于：所述的镁合金管件的壁厚为1.0-2.5mm。

4.根据权利要求2所述的基于感应加热及电磁成形的镁合金/碳钢管件复合连接方法，其特征在于：在碰撞速度为240-320m/s的条件下，镁合金内管与碳钢外管发生碰撞产生连接。

5.根据权利要求2所述的基于感应加热及电磁成形的镁合金/碳钢管件复合连接方法，其特征在于：镁合金内管与碳钢外管发生碰撞时，按照一定的碰撞角度实现连接。

6.根据权利要求5所述的基于感应加热及电磁成形的镁合金/碳钢管件复合连接方法，其特征在于：在碰撞角度为3°-5°的条件下，镁合金内管与碳钢外管发生碰撞产生连接。