CN113618223A - 一种铝合金与匹配强度钢的铝-钢管件磁脉冲焊接方法 - Google Patents
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Abstract
一种铝合金与匹配强度钢的铝‑钢管件磁脉冲焊接方法，包括：安装焊接材料，其中焊接材料包括铝合金板件以及匹配强度钢板件，铝合金板件为动件，匹配强度钢板件为静件；通过计算机对控制系统输入指令，控制系统对电容器组按照设定值充电；当电容器组的充电电压达到设定值时，高压开关闭合，电容器组中储存的电量通过高压电缆传递到线圈，进行放电，电磁力驱动动件向静件高速冲击，完成焊接。该方法以具有轻量化‑成本均衡优势的铝钢异质材料管轴类焊接结构为基础开发高效高质的磁脉冲焊接新工艺，从焊接机理、结构设计和性能表征入手提供管轴类多材料零部件连接方案，为提高轻量化水平和整机性能提供可靠的技术储备与支撑。
Description
技术领域
本发明属于运载装备材料以及异种材料加工技术领域，尤其涉及一种铝合金与匹配强度钢的铝-钢管件磁脉冲焊接方法。
背景技术
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。
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。
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。
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。
发明内容
本发明提供一种铝合金与匹配强度钢的铝-钢管件磁脉冲焊接方法，面向运载装备在异种材料连接方面的需求，以具有轻量化-成本均衡优势的铝钢异质材料管轴类焊接结构为切入点，开发高效高质的磁脉冲焊接新工艺，从焊接机理、结构设计和性能表征入手，提供管轴类多材料零部件连接技术解决方案，为提高轻量化水平和整机性能提供可靠的技术储备与支撑。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种铝合金与匹配强度钢的铝-钢管件磁脉冲焊接方法，包括：
步骤1，安装焊接材料，其中所述焊接材料包括铝合金板件以及匹配强度钢板件，所述铝合金板件为动件，所述匹配强度钢板件为静件；
步骤2，通过计算机对控制系统输入指令，控制系统对电容器组按照设定值充电；
步骤3，当所述电容器组的充电电压达到设定值时，高压开关闭合，电容器组中储存的电量通过高压电缆传递到线圈，进行放电，电磁力驱动所述动件向所述静件高速冲击，完成焊接。
优选的，所述步骤1包括：
步骤11，清洗焊接材料；
步骤12，调整所述动件和所述静件之间的间距。
优选的，所述步骤12通过添加垫片调整所述动件和所述静件之间的间距。
优选的，所述焊接材料为5052铝合金板件以及HC45高强度钢板件，磁脉冲焊接试验所用的两种金属板件几何尺寸一致。
优选的，所述动件的长度为90mm，宽度为34mm，厚度为1.5mm。
优选的，所述静件的长度为90mm，宽度为34mm，厚度为1.5mm。
优选的，所述动件的化学成分包括0.25质量分数的Si，0.10质量分数的Cu，2.2-2.8质量分数的Mg，0.10质量分数的Zn，0.10质量分数的Mn，其余为Al。
优选的，所述静件的化学成分包括0.10质量分数的C，0.5质量分数的Si，1.60质量分数的Mn，0.025质量分数的P，0.025质量分数的S，0.015质量分数的Ait，0.09质量分数的Nb，0.15质量分数的Tia，其余为Fe。
优选的，所述磁脉冲方法形成的焊接形式为搭接焊。
优选的，所述方法步骤1实施前，对所述铝合金板件进行室温下的准静态拉伸性能测试，所述拉伸测试在拉伸试验机INSTRON8985上进行，平行试验为10组，最终获得准静态条件下5052铝合金板件平均承载力为10127N。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)电磁脉冲为高能率焊接技术，焊接在微秒级时间内完成。
(2)焊接接头处无热影响区产生，也不会发生晶粒粗大现象。
(3)焊接过程的放电能量可以实现计算机控制，精度高，重复性好，实现自动控制后易于进行工业生产。
(4)焊缝强度大于母材的强度，焊接接头气密性好，耐腐蚀性好，可大幅减小因异种材料物理性能差异而导致在接头处产生的金属间化合物，并且可以在低温条件下进行，因此可以用于熔点相差很大的铝钢异种金属之间的焊接，应用范围更为广泛。
附图说明
图1为根据本发明优选实施例的方法流程图。
图2为根据本发明优选实施例的铝合金与匹配强度钢的铝-钢管件磁脉冲焊接装置结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，由于铝合金和匹配强度钢异质金属间化学成分不同，导致铝合金和匹配强度钢在物理性能(如熔点、比热容、热导率、电导率和线膨胀系数等)上存在显著差异，如6061铝合金和DP590高强度钢熔点相差一倍多，对于传统的热融化焊接难度极大；6061铝合金的热膨胀系数是DP590高强度钢的2倍多，极易在焊接热应力作用下产生裂纹。此外，Fe原子在Al原子中的固溶度极低，因此导致铝合金与匹配强度钢异质金属的焊接性极差，在焊接接头中容易产生缩孔、裂纹等微观缺陷，焊接界面容易产生硬脆的金属间化合物等第二相，这些缺陷和第二相的存在均大幅度降低了焊接接头的力学性能。因此，铝合金和匹配强度钢的焊接问题成为阻碍铝合金-匹配强度钢结构在汽车制造中广泛应用的主要技术瓶颈之一。焊接问题主要表现在：
(1)界面硬脆问题，铝合金-钢异质金属材料在融化焊接过程中极易在焊接界面上生成脆性金属间化合物(IMC，即Intermetallic compounds)，金属间化合物中独立滑移系很少，因此变形协调能力极差，位错极易塞积，因此在焊接接头受到外加载荷时，很容易在IMC层中或者IMC与母材的界面上萌生裂纹，导致界面产生脆性断裂，严重恶化焊接接头力学性能。
(2)电化学腐蚀问题。铝合金-钢异质金属材料之间因为电化学点位的不同，当二者紧密接触时在电解质环境中就会产生原电池效应，使电位低的金属产生腐蚀。在潮湿和盐碱条件下两种金属的电化学腐蚀情况会愈发严重，不利于焊接接头的耐久性。
(3)变形和应力问题。铝合金-钢异质金属才俩因为热膨胀系数差异大，在焊接时不同材料的膨胀和收缩程度不一致，导致接头形成后局部区域存在变形和内应力，影响车身整体的装配尺寸精度，同时，在车辆服役过程中，随季节和昼夜交替变化的环境温度也会导致接头中产生变形和内应力。
异质金属界面通过化学反应所形成的硬脆相厚度如果超过10um，就会显著降低接头的强度和韧性，连接接头中的电化学腐蚀作用日积月累会降低接头的完整性、可靠性和耐久性；连接接头中的变形问题会影响车身制造尺寸精度，并为腐蚀介质的流入提供通道，进而加速腐蚀。而内应力与腐蚀的耦合作用则会降低接头疲劳寿命。如果不能解决界面硬脆相、电化学腐蚀以及变形和应力的问题，铝合金-钢轻量化结构的广泛应用受到严重的限制和制约。目前的焊接方法包括熔焊、压焊、钎焊、爆炸焊等冶金连接，以及螺栓、铆接等机械连接，其连接效果不够理想。
本实施例采用的技术方案为：铝合金与匹配强度钢的铝-钢管件磁脉冲焊接方法，包括：
步骤101，安装焊接材料，其中所述焊接材料包括铝合金板件以及匹配强度钢板件，所述铝合金板件为动件，所述匹配强度钢板件为静件；
步骤102，通过计算机对控制系统输入指令，控制系统对电容器组按照设定值充电；
步骤103，当所述电容器组的充电电压达到设定值时，高压开关闭合，电容器组中储存的电量通过高压电缆传递到线圈，进行放电，电磁力驱动所述动件向所述静件高速冲击，完成焊接。
其中，步骤101包括：
清洗焊接材料；
调整动件和静件之间的间距。
其中，步骤102通过添加垫片调整所述动件和所述静件之间的间距。
本实施例中，焊接材料为5052铝合金板件以及HC45高强度钢板件，5052铝合金钢板为Al-Mg系合金铝板，是目前工业应用最广的一种防锈铝，5052铝合金具有强度高，抗疲劳强度好，塑形与耐腐蚀性好的有点，通常用于交通车辆、船舶钣金件、仪表、五金制品以及电器外壳等；HC45是一种冷成形用高强度钢，其屈服强度范围为420MPa-520MPa，抗拉强度范围为470MPa-590MPa，作为一种较为常用的高强钢，HC45广泛应用于汽车零部件、底盘等场合。磁脉冲焊接试验所用的两种金属板件几何尺寸一致。
本实施例中，动件的长度为90mm，宽度为34mm，厚度为1.5mm。静件的长度为90mm，宽度为34mm，厚度为1.5mm。动件的化学成分包括0.25质量分数的Si，0.10质量分数的Cu，2.2-2.8质量分数的Mg，0.10质量分数的Zn，0.10质量分数的Mn，其余为Al。静件的化学成分包括0.10质量分数的C，0.5质量分数的Si，1.60质量分数的Mn，0.025质量分数的P，0.025质量分数的S，0.015质量分数的Ait，0.09质量分数的Nb，0.15质量分数的Tia，其余为Fe。当然本领域技术人员可以根据需要设计不同尺寸的动件和静件尺寸以及化学成分，只要不超过本领域技术人员的知识和能力范畴即可。
磁脉冲方法形成的焊接形式为搭接焊。因此对于焊接件无法通过常用方法切制标准件测出焊接接头强度，只能通过拉伸试验测试焊接接头抗剪切承载能力。
在方法步骤1实施前，对所述铝合金板件进行室温下的准静态拉伸性能测试，所述拉伸测试在拉伸试验机INSTRON8985上进行，平行试验为10组，最终获得准静态条件下5052铝合金板件平均承载力为10127N。
整个过程中，步骤3的放电过程约几百微秒，除了待焊母材，不需要添加任何辅料和辅助加热工艺。铝合金板件的断裂模式为韧性断裂。
通过ANSYS Maxwell软件对两种不同尺寸的焊接线圈进行瞬态磁场下的电磁场有限元分析，发现4*10mm线圈比10*10mm线圈的集磁效果更好，所集中的电流密度更大，磁场强度更高，对动件的电磁驱动作用力更强，因此焊接线圈工作区域横截面越小，集磁能力越好，对动件的驱动力越大，所预期的焊接效果越好。从适用寿命角度出发，发现4*10mm线圈比10*10mm线圈的电流损耗更大，发热情况也更严重，且前者由于结构尺寸偏小，因此机械强度比后者更弱，使用寿命补偿。考虑到10*10mm焊接线圈对动件的电磁驱动力弱化程度并不高，因此在大电流输入工况下，综合考虑，选用10*10mm焊接线圈进行焊接试验更为可靠。因此综合考虑焊接效果与线圈寿命，焊接线圈的设计优化应当在能够提供更强驱动力的小截面线圈和电流损耗更小，使用寿命更久的大截面线圈之间取得平衡点，以焊接效果和使用寿命为优化目标作为出发点，从而获得焊接效果良好，使用寿命持久的焊接线圈。
面向汽车产业异质材料轻量化连接技术的迫切需求，揭示铝钢混用管件磁脉冲焊接机理，探究材料、结构、工艺和性能之间的相互作用机制，建立管件连接接头性能表征方法，确定连接性能与失效模型的表征参数，为形成完整的管件磁脉冲连接技术体系奠定坚实的理论和方法基础。最终，提取零部件服役工况，试制铝-钢轻量化汽车传动轴，验证项目方案的可行性。
如图2所示，脉冲焊接的电路，该装置由高压变压器1、保护电阻2、整流器3、电容器组4、高压开关5组成，其中高压变压器1用于向电容器组4提供所需要的电能，充电后，电容器组4瞬间放电，线圈回路产生放电流。根据安培定律，放电流会在线圈周围产生磁场，磁场与飞板相交，根据楞次定律，飞板(动件)内产生感应电流，在磁场作用下，飞板会受到强大的洛伦兹力，从而与基板(静件)发生高速碰撞，在合适的碰撞角和碰撞速度下，产生金属射流清除了工件6的金属表面的氧化物，清洁表面在高剪切应力下形成金属键，由于强烈的塑形变形，焊接接头质量良好。电磁脉冲焊接工艺属于固相连接，电磁脉冲焊接界面为波形界面，类似于爆炸焊接界面。
高压变压器1、保护电阻2、整流器3、高压开关5置于电控柜内，电容器组4置于电容柜内，柜体外侧连接高压电缆。焊接工装为管件焊接平台，焊接线圈内置于所述管件焊接平台内，所述管件焊接平台与焊接设备通过六根同轴高压电缆连接，使放电回路的电感尽量降低，以提高磁脉冲焊接设备的能量利用率。
电磁脉冲焊接工艺不需要添加填充金属或保护气体，无热影响区，并且可以大大减少焊接接头界面处的金属见化合物的产生，减少甚至消除金属融化引起的内应力，显著提高接头强度和耐腐蚀性，可用于连接相同的金属材料，也可用于连接本发明的异种金属材料。
与现有技术相比，本实施例：
(1)电磁脉冲为高能率焊接技术，焊接在微秒级时间内完成。
(2)焊接接头处无热影响区产生，也不会发生晶粒粗大现象。
(3)焊接过程的放电能量可以实现计算机控制，精度高，重复性好，实现自动控制后易于进行工业生产。
以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域人员能很好的理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。
Claims (10)
1.一种铝合金与匹配强度钢的铝-钢管件磁脉冲焊接方法，其特征在于包括：
步骤1，安装焊接材料，其中所述焊接材料包括铝合金板件以及匹配强度钢板件，所述铝合金板件为动件，所述匹配强度钢板件为静件；
步骤2，通过计算机对控制系统输入指令，控制系统对电容器组按照设定值充电；
步骤3，当所述电容器组的充电电压达到设定值时，高压开关闭合，电容器组中储存的电量通过高压电缆传递到线圈，进行放电，电磁力驱动所述动件向所述静件高速冲击，完成焊接。
2.根据权利要求1所述的一种铝合金与匹配强度钢的铝-钢管件磁脉冲焊接方法，其特征在于所述步骤1包括：
步骤11，清洗焊接材料；
步骤12，调整所述动件和所述静件之间的间距。
3.根据权利要求2所述的一种铝合金与匹配强度钢的铝-钢管件磁脉冲焊接方法，其特征在于：所述步骤12通过添加垫片调整所述动件和所述静件之间的间距。
4.根据权利要求1所述的一种铝合金与匹配强度钢的铝-钢管件磁脉冲焊接方法，其特征在于：所述焊接材料为5052铝合金板件以及HC45高强度钢板件，磁脉冲焊接试验所用的两种金属板件几何尺寸一致。
5.根据权利要求1所述的一种铝合金与匹配强度钢的铝-钢管件磁脉冲焊接方法，其特征在于：所述动件的长度为90mm，宽度为34mm，厚度为1.5mm。
6.根据权利要求1所述的一种铝合金与匹配强度钢的铝-钢管件磁脉冲焊接方法，其特征在于：所述静件的长度为90mm，宽度为34mm，厚度为1.5mm。
7.根据权利要求1所述的一种铝合金与匹配强度钢的铝-钢管件磁脉冲焊接方法，其特征在于：所述动件的化学成分包括0.25质量分数的Si，0.10质量分数的Cu，2.2-2.8质量分数的Mg，0.10质量分数的Zn，0.10质量分数的Mn，其余为Al。
8.根据权利要求1所述的一种铝合金与匹配强度钢的铝-钢管件磁脉冲焊接方法，其特征在于：所述静件的化学成分包括0.10质量分数的C，0.5质量分数的Si，1.60质量分数的Mn，0.025质量分数的P，0.025质量分数的S，0.015质量分数的Ait，0.09质量分数的Nb，0.15质量分数的Tia，其余为Fe。
9.根据权利要求1所述的一种铝合金与匹配强度钢的铝-钢管件磁脉冲焊接方法，其特征在于：所述磁脉冲方法形成的焊接形式为搭接焊。
10.根据权利要求1所述的一种铝合金与匹配强度钢的铝-钢管件磁脉冲焊接方法，其特征在于：所述方法步骤1实施前，对所述铝合金板件进行室温下的准静态拉伸性能测试，所述拉伸测试在拉伸试验机INSTRON8985上进行，平行试验为10组，最终获得准静态条件下5052铝合金板件平均承载力为10127N。
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