摘 要

磁脉冲焊是一种基于电磁成形原理的固相连接技术。由于磁脉冲焊无热影响区、无烟尘、不需要填充金属、焊接速率快，成形效果稳定，目前广泛应用于异种金属焊接领域。本文研究了铝铜异种金属管的磁脉冲焊接过程管件受力特征及分布规律。

依据磁脉冲成形理论，首先进行初步理论计算，分析了放电电压，放电电容、系统电感，系统电阻等对磁脉冲成形系统的影响。发现在其他参数不变的条件下，随着系统电感的减小，电流的集肤深度下降，系统的放电电流周期减小，电磁压力提高。在系统电阻、电感不变的情况下，电压对系统的电磁力影响效果显著大于电容。因此，磁脉冲焊接系统在满足焊接能量的条件下使用高电压，低电容的组合有利于提高电磁压力及能量利用率。

为了分析具体工艺参数的影响效果，通过ANSYS软件对磁脉冲焊接过程中系统的放电电流、线圈的电磁场及管件所受电磁力的分布进行了数值模拟分析。模拟发现：其它因素不变时，放电电压越高，系统电流的峰值越大，放电电压和峰值电流存在一定的正相关关系。在其它因素不变的情况下，改变电容，发现系统放电电流周期随着电容增大，周期越长。电流模拟结果和理论分析相吻合。

分别计算和分析了440μF电容，4kv,6kv,8kv电压条件下和8kv电压，110μF，220μF，440μF电容条件下，外管件受的电磁力大小及分布特征。模拟发现线圈在1/4周期电流时磁场强度最强，外管件在自由端部份所受的电磁力最小，线圈中心区域电磁力均匀。随着电压增大电磁力的峰值增大，在电容440μF不变，电压为4kv,6kv,8kv时，外管件所受的最大电磁力分别为：5535.81N，12455.6N，22143.3N；在8kv电压不变，电容为110μF，220μF，440μF时，外管件所受的最大电磁力分别为：7211.09N，14508.3N，22143.3N。

通过对数据的分析可以发现，电压对最大电磁力的影响效果要显著大于电容，外管件受到的电磁力和放电总能量呈正相关。同等放电能量下，高电压、低电容组合的电磁力显著大于低电压，高电容的组合。

关键词：异种材料；电磁成形；磁脉冲焊接；数值模拟

Abstract

Magnetic pulse welding is a kind of solid phase connection technology based on electromagnetic forming principle. As the magnetic pulse welding heat-free zone, no smoke, no need to fill the metal, welding speed, forming effect is stable, widely used in the field of dissimilar metal welding. In this paper, the force characteristics and distribution regularity of the magnetic pulse welding process of aluminum and copper dissimilar metal pipes are studied.

According to the theory of magnetic pulse forming, the influence of discharge voltage, discharge capacitance, system inductance and system resistance on magnetic pulse forming system is analyzed. It is found that with the decrease of the system inductance, the depth of the current decreases, the discharge current period of the system decreases and the electromagnetic pressure increases. In the case of system resistance and inductance change, the effect of voltage on the electromagnetic force of the system is significantly larger than the capacitance. Therefore, the magnetic pulse welding system to meet the welding energy under the conditions of the use of high voltage, low capacitance combination is conducive to improving the electromagnetic pressure and energy efficiency.

In order to analyze the effect of specific process parameters, the discharge current of the system, the electromagnetic field of the coil and the distribution of the electromagnetic force of the tube during the magnetic pulse welding process were numerically simulated by ANSYS software. Simulation found that: the other factors remain unchanged, the higher the discharge voltage, the greater the peak system current, discharge voltage and peak current there is a certain positive correlation. In other circumstances the same circumstances, change the capacitance and found that the system discharge current cycle with the increase in capacitance, the longer the cycle. Current simulation results are consistent with theoretical analysis.

The electromagnetic force and distribution characteristics of the outer tube are calculated and analyzed respectively under the condition of 440μF capacitor, 4kv, 6kv, 8kv voltage and 8kv voltage, 110μF,220μF and 440μF capacitor. The simulation results show that the magnetic field is the strongest in the 1/4 cycle current, the electromagnetic force of the outer tube part in the free end part is the smallest, and the electromagnetic force in the center of the coil is uniform. With the increase of the electromagnetic force, the maximum electromagnetic force of the outer tube is 5535.81N, 12455.6N and 22143.3N respectively when the capacitance is 440μF and the voltage is 4kv, 6kv and 8kv respectively. The maximum electromagnetic force of the outer tube is 7211.09N, 14508.3N, 22143.3N when the capacitance is 110μF, 220μF and 440μF.

Through the analysis of the data, it can be found that the effect of voltage on the maximum electromagnetic force is significantly larger than that of the capacitor, and the electromagnetic force of the outer tube is positively correlated with the total energy of the discharge. Equivalent discharge energy, the high voltage, low capacitance combination of electromagnetic force is significantly greater than the combination of low voltage, high capacitance.

Key words：dissimilar materials，electromagnetic forming，magnetic pulse welding, numerical simulation

目录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 电磁成形原理 2

1.3 磁脉冲成形技术国内与国外的发展概况 3

1.4 电磁成形技术的应用 4

1.5 磁场力的研究 5

1.6 选题意义与研究内容 6

1.6.1 选题意义 6

1.6.2 本文主要研究内容 6

第二章 磁脉冲焊接过程理论分析 7

2.1 引言 7

2.2 磁场分析 7

2.3 工艺参数的理论分析 8

2.3.1 系统电感 8

2.3.2 集肤深度 10

2.3.3 成形参数 11

2.4本章小结 13

第三章 磁脉冲焊接中管件受力情况有限元分析 14

3.1 引言 14

3.2 电磁场分析模型的建立 14

3.2.1 单元类型的选择 15

3.2.2 材料属性设置 15

3.2.3 定义实常数 15

3.2.4 有限元模型的建立与网络划分 15

3.2.5 施加负载和边界条件 16

3.3 模拟结果分析 17

3.4 本章小结 19

第四章 工艺参数对磁脉冲焊接的影响分析 21

4.1 引言 21

4.2 电容参数对电磁场及电磁力的影响 21

4.3 电压参数对电磁场及电磁力的影响 24

4.4 电容电压对放电电流和电磁力影响 27

4.5 本章小结 29

第五章 结论与展望 30

5.1 全文总结 30

5.2研究展望 30

参考文献 31

致谢 33

第一章 绪论

1.1 引言

伴随着焊接技术的不断进步，异种金属之间的焊接研究越来越深入，这方面的实际应用也越来越广泛。由异种金属材料加工而成的复合材料零部件可以在性能和经济上产生互补，因此其应用前景和发展空间非常好。在空调制冷行业，铜管使用量极大，由于压缩成本、轻量化和节能环保的综合需求，用铝管部分代替铜管是一种必然趋势，因此铝-铜异质金属管的有效连接是亟待解决的关键技术问题^[1]。目前，常用的焊接方法有扩散焊、摩擦焊、爆炸焊和熔-钎焊等，但上述方法均难以获得强度高、密封性好且经济的铝-铜异种金属冶金接头。由于磁脉冲焊接技术属于压力固相焊接技术，所形成的接头不存在焊接热影响区，并且在焊接过程中不使用填充金属和保护气体,焊接过程中几乎不会产生焊接烟尘，工作环境相对于其他焊接工艺较好。可以防止或者减少产生低熔点和脆性的金属化合物, 能够明显提高焊接接头强度和耐腐蚀性能。对于铝铜这类金属，传统熔焊方法存在热变形较大，接头软化等问题，采用钎焊则存在服役温度的限制，磁脉冲焊可以有效避免这类问题的出现并为焊接接接头的设计提供更优的选择。研究铝类轻金属连接除了可以优化焊接接头设计，还可以适应车辆轻量化设计的大趋势，响应国家层面节能减排政策，也可为车船结构设计提供更多的选择。

磁脉冲焊接是工件通过使用磁脉冲成形工艺而使固体坯件紧密相连的一种焊接技术，在所有磁脉冲成形技术中，磁脉冲焊接工艺是其中非常典型的一种应用。磁脉冲成型是在电磁场中完成的，所以又可以称为电磁成型，是通过磁场力的作用使金属工件产生高速率变形的工艺^[2]。采用磁脉冲成形使工件达到成形目的时，其设备的工作原理主要是：首先在磁脉冲设备的充电回路中的电容内存储大量的电能，之后这些电能能够在放电回路中迅速释放出来，同时通过工作线圈产生强度极大而且存在时间极短的磁场，线圈周围的金属工件上会产生相应的感应磁场，在综合磁场力的作用下达到金属成型的目的。