Магнитно импульсная сварка: Магнитно-импульсная сварка: принцип, схемы, особенности применеия

Магнитно-импульсная сварка

Магнитно-импульсная сварка

Магнитно-импульсная сварка, согласно ГОСТ 2601-84. Сварка металлов. Термины и определения основных понятий, сварка с применением давления, при которой соединение осуществляется в результате соударения свариваемых частей, вызнанного воздействием импульсного магнитного поля.

Применение этого способа целесообразно для получения всевозможных соединений трубчатых деталей между собой и с другими деталями, а также плоских деталей по наружному и внутреннему контуру. Магнитно-импульсным способом можно сваривать практически любые материалы в однородном и разнородном сочетаниях. Диапазон толщин метаемых деталей составляет 0,5-2,5 мм.

Магнитно-импульсная сварка позволяет получать качественные соединения разнородных металлов. Она высокопроизводительна, проста в управлении, легко автоматизируется. Это делает магнитно-импульсную сварку перспективным способом соединения деталей.

Магнитно-импульсная сварка металлов использует силы электромеханического взаимодействия между вихревыми токами, наведенными в стенках обрабатываемой детали при пересечении их силовыми магнитными линиями импульсного магнитного поля и самим магнитным потоком.

При этом электрическая энергия преобразуется в механическую, и импульс давления магнитного поля действует на заготовку без участия какой-либо передающей среды.

В установку для магнитно-импульсной сварки (рис. 1) входят:

• Зарядное устройство 1. Состоит из высоковольтного трансформатора и выпрямителя.
• Коммутирующее устройство 3. Включается при подаче поджигающего импульса на вспомогательный электрод и вызывает разряд батареи высоковольтных конденсаторов 2 на индуктор 4.
• Свариваемые детали 5 и 6 устанавливают внахлестку под углом, а одну к другой — с зазором δ между ними.
• Индуктор 4 устанавливают на поверхности, противоположной свариваемой. Чтобы избежать перемещения при сварке, деталь 6 жестко закрепляют в опоре 7. Закрепление детали 5 обеспечивает перемещение ее свариваемого конца в направлении детали 6.

Рис. 1. Принципиальная схема магнитно-импульсной сварки

При разрядке батареи конденсаторов в зазоре между индуктором и заготовкой возникает сильное магнитное поле, индуктирующее в этой заготовке ток. Взаимодействие тока индуктора с индуктированным током в заготовке приводит к возникновению сил отталкивания между индуктором 4 и деталью 5. В результате деталь 5 с большой скоростью перемещается от индуктора в направлении неподвижной детали 6. При соударении в зоне контакта развиваются высокие давления и образуется сварное соединение.

Магнитно-импульсная сварка позволила получать соединения деталей в однородном и разнородном сочетании материалов (Х18Н10Т+AMг6, Cu+Al и др.), примеры таких деталей показаны на рис. 2.

Рис. 2. Сваренные детали двигателей и холодильных агрегатов из однородных и разнородных материалов

На рис. 3 показан электронный прибор – тиристор таблеточного типа и микрошлиф зоны сварки. Манжеты тиристора, изготовленные из меди толщиной 0,5 мм и покрытые никелем, сварены по схеме встречного метания. На микрошлифе видно, что в сварном шве остался слой никеля. Поэтому соединение обладает высокой коррозионной стойкостью.

Герметизация тиристора и конденсатора является заключительной операцией при изготовлении данных приборов.

Рис. 3. Тиристор таблеточного типа, полученный с помощью магнитно-импульсной сварки

На рис. 4 показан конденсатор, герметизированный магнитно-импульсной сваркой.

Рис. 4. Конденсатор электротехнического производства

Проводимые испытания экспериментального участка трубопровода, изготовленного с применением магнитно-импульсной технологии, подтвердили высокое качество антикоррозионной защиты зоны труб, прилегающей к сварному стыку.

При изготовлении деталей и узлов различного назначения используется совмещение магнитно-импульсных технологий, например, резки и калибровки, резки и формовки, резки и сборки и других. Результат совмещения операций формовки и сварки могут служить полученные с их помощью корпуса электросоединителей бортовых кабелей ракетно-космической техники (рис. 5).

Рис. 5. Корпуса электросоединителей бортовых кабелей ракетно-космической техники

Корпуса, изображенные на рис. 5. изготавливали из алюминиевой фольги толщиной 0,15 мм. Такая продукция используется в бортовых системах 10 типов ракетной техники.

Только для ракеты одного типа достигнуто снижение веса не менее чем в 17 раз, уменьшение габаритных размеров в 1,5–2 раза.

Магнитно-импульсная сборка и сварка

К основным сборочным операциям, выполняемым магнитно- импульсным методом, относят:

• соединение трубчатых заготовок;
• запрессовку труб в трубные решетки;
• опрессовку кабельных наконечников;
• опрессовку штуцеров в шлангах высокого давления;
• опрессовку наконечников на канаты;
• соединение проводов трубкой.

Наиболее распространенной сборочной операцией, выполняемой магнитно-импульсным методом, является соединение трубчатой детали со стержнем или с другой трубчатой деталью посредством обжима наружной трубы по внутренней. Так можно соединять детали из разнородных металлов, сварка которых затруднена или невозможна. Процесс передачи теплоты от одного теплоносителя к другому — один из наиболее важных и часто используемых в технике процессов. Устройство, в котором осуществляется теплообмен между двумя или несколькими теплоносителями либо между теплоносителем и поверхностью твердого тела называется теплообменным аппаратом или теплообменником.

Одним из наиболее распространенных типов теплообменников являются кожухотрубные теплообменники, широко применяемые в химических производствах и нефтепереработке. Кожухотрубные теплообменники состоят из пучка труб, концы которых закреплены в специальных трубных решетках путем развальцовки, электросварки, пайки, а иногда на сальниках.

Импульсные методы крепления труб, к которым относится и магнитно- импульсный метод, позволяют крепить трубы из любых высокопрочных материалов в отверстиях трубных досок практически сколь угодно большой толщины. На рис. 6 показана схема магнитно-импульсного закрепления латунных труб в стальных трубных решетках теплообменников.

Рис. 6. Схема магнитно-импульсной запрессовки трубы в трубную решетку теплообменника

В отверстие трубной решетки 3 вставляется труба 2 (рис. 6). Внутрь конца трубы 2 вставляется цилиндрический индуктор 1. При разряде происходит раздача трубы 2, которая запрессовывается в трубную решетку 3.

Магнитно-импульсная сборка может успешно применяться при изготовлении узлов автомобилей, в авиакосмической технике — при сборке рам, ферм, тяг управления, при запрессовке рубашки охлаждения в корпус камеры сгорания жидкостного реактивного двигателя, в нефтяной промышленности — при производстве коррозионно-стойких трубопроводов и др. , при изготовлении товаров широкого потребления и производстве медицинской техники.

Особенности и преимущества магнитно-импульсной сборки:

• импульсный характер нагружения и строгая дозировка энергии, что позволяет выполнять сборку хрупких неметаллических оснований (керамика, стекло, углепластик) с металлическими элементами. В ряде случаев магнитно-импульсная обработка является едва ли не единственно возможной при осуществлении операций сборки пластическим деформированием;
• отсутствие промежуточных сред, бесконтактное воздействие давления магнитного поля на деталь, возможность осуществления операций сборки через стенки неэлектропроводных защитных оболочек в стерильных условиях, вакууме, среде инертных газов;
• высокая производительность процесса сборки.

Понравилась статья? Всё ли вам понятно? Хотел вам порекомендовать заглянуть на наш YouTube канал. Так же посмотреть уже готовые проекты на скачивание, среди которых чертежи, схемы и 3D-модели.

Поделиться статьёй:

SVARKA-INFO.COM — виртуальный справочник сварщика

Главная » Сварочные технологии

Альтернативные источники энергии

2022-09-05

…

Владимир Будянов. Альтернативные технологии, Россия и Новый мировой порядок.

2022-08-31

Доктора наук Сергей Салль, Анатолий Конев, Валерий Дудышев (акад. Российской экологической академии) и ряд других учёных работают над созданием эффективных технологий, направленных на решение ключевых проблем человечества. Но на их пути стоит Всемирное мировое правительство… Передовые русские учёные обоснованно связывают современную мировую политику, направленную на установление Нового мирового порядка на основе всесилия «золотого тельца», с повсеместным обязательным подавлением новых технологий, в первую очередь энергетических и. ..

Альтернативная энергия своими руками: обзор лучших возобновляемых источников электричества

2017-12-21

Сегодня всем известно, что запасы углеводородов на Земле имеют свой предел. С каждым годом все труднее становится добывать нефть и газ из недр. Кроме того, их сжигание наносит непоправимый ущерб экологии нашей планеты. Несмотря на то, что технологии производства возобновляемой энергии сегодня очень эффективны, государства не спешат отказываться от сжигания топлива. При этом, цены на энергоносители растут с каждым годом, заставляя простых граждан все больше и больше раскошеливаться. В связи с этим, производство альтернативной энергии сегодня…

Альтернативные виды энергии. Обзор источников электичесива

2017-12-21

Ограниченные запасы ископаемого топлива и глобальное загрязнение окружающей среды заставило человечество искать возобновляемые альтернативные источники такой энергии, чтобы вред от ее переработки был минимальным при приемлемых показателях себестоимости производства, переработки и транспортировки энергоресурсов. Современные технологии позволяют использовать имеющиеся альтернативные энергетические ресурсы, как в масштабе целой планеты, так и в пределах энергосети квартиры или частного дома. Буйное развитие жизни на протяжении нескольких…

Альтернативные технологии — Россия и Новый мировой порядок.

2017-12-21

http://www.dal.by/news/89/28-08-12-25/             Альтернативные технологии, Россия и Новый мировой порядок     Доктора наук Сергей Салль, Анатолий Конев, Валерий Дудышев (акад. Российской экологической академии) и ряд других учёных работают над созданием эффективных технологий, направленных на решение ключевых проблем человечества. Но на их пути стоит Всемирное мировое правительство… Передовые русские учёные обоснованно связывают современную мировую политику, направленную на установление Нового мирового порядка на основе всесилия «золотого…

Аккумуляторы для солнечных батарей

2017-12-21

Аккумуляторы для солнечных батарей — это буфер, обеспечивающий накопление энергии посредством обратимых химических реакций, благодаря чему гарантируется работа в циклическом режиме.

В солнечных системах используются аккумуляторные батареи герметичные и малообслуживаемые , а также Никель-солевые накопители энергии которые обладают большим ресурсом и предназначены специально для циклической работы. В настоящий момент самые востребованные свинцово-кислотные аккумуляторы для солнечных батарей , т.к это самый доступный класс накопителей…

Аккумуляторы для рынка возобновляемых источников энергии

2017-12-21

Журнал РАДИОЛОЦМАН, июнь 2014 Bruce Dorminey Renewable Energy World Magazine Как развивающиеся, так и развитые страны мира имеют веские основания задуматься об использовании аккумуляторных технологий. И вот почему. С тех дней, когда ваш дедушка вынужден был периодически открывать капот, чтобы добавить воды в свинцово-кислотную батарею, технология аккумуляторов прошла долгий путь. Всего десять лет назад идея, что блоки аккумуляторов скоро будут «сглаживать потоки энергии», текущей от ветряных и солнечных ферм в электрические сети, казалась почти фантастической. …

Безтопливные генераторы — уже реальность (+видео) — Форум Izhcommunal.ru

2017-06-30

Гидроэнергоблок для безплотинных ГЭС Изобретатель Ленёв Николай Иванович. Патент №2166664 В изобретении предлагается оригинальный, ранее не использовавшийся ни в одной из существующих конструкций, способ использования энергии как водного потока любого вида (рек, ручьёв, приливов, морской волны и т.д.) так и движения воздушных масс. При этом используется естественный поток, без предварительного преобразования (строительства дамб, каналов, напорных труб). Данный способ отъёма мощности водного потока является наиболее выгодным и с экологической…

Альтернативная энергетика

2017-06-22

содержание презентации «Альтернативная энергетика.ppt» № Слайд Текст 1 Альтернативная энергия в помощь Экологии и Энергосбережению Псков 2010г. Автономная некоммерческая организация Cоциально-консультационный центр «ПсковРегионИнфо» Альтернативная Энергия 2 Возобновляемые источники энергии Автономная некоммерческая организация Cоциально-консультационный центр «ПсковРегионИнфо» Альтернативная Энергия. Возобновляемые источники энергии – это не альтернатива существующей энергетике, а ее будущее, и вопрос лишь в том, когда…

Магнитно-импульсная сварка

Поделиться:

Магнитно-импульсная сварка

16.01.2017

Магнитно-импульсная обработка металлов основывается на использовании сил электромеханического взаимодействия между вихревыми токами, наведенными в стенках обрабатываемой детали при пересечении их силовыми магнитными линиями импульсного магнитного поля, и самим магнитным потоком. При этом электрическая энергия непосредственно преобразуется в механическую, и импульс давления магнитного поля действует непосредственно на заготовку без участия какой-либо передающей среды.

В установку для магнитно-импульсной сварки входят: зарядное устройство 1, состоящее из высоковольтного трансформатора и выпрямителя; коммутирующее устройство 3, включающееся при подаче поджигающего импульса на вспомогательный электрод и вызывающее разряд батареи высоковольтных конденсаторов 2 на индуктор 4. Свариваемые детали 5 и 6 устанавливают внахлестку под углом а одна к другой с зазором б между ними. Индуктор 4 устанавливают на поверхности, противоположной свариваемой. Для предотвращения перемещения при сварке деталь 6 жестко закрепляют в опоре 7. Закрепление детали 5 должно обеспечить перемещение ее свариваемого конца в направлении детали 6.

При разрядке батареи конденсаторов в зазоре между индуктором и заготовкой возникает сильное магнитное поле, индуктирующее в этой заготовке ток. Взаимодействие тока индуктора с индуктированным током в заготовке приводит к возникновению сил отталкивания между индуктором 4 и деталью 5, вследствие чего деталь 5 с большой скоростью перемещается от индуктора в направлении неподвижной детали 6. При соударении в зоне контакта развиваются высокие давления и образуется сварное соединение.

При магнитно-импульсной сварке давление на метаемый элемент передается мгновенно (со скоростью распространения магнитного поля), и движение сообщается не отдельным участкам, как при сварке взрывом, а всей метаемой детали. Для обеспечения последовательного перемещения зоны контакта при сварке детали устанавливают свариваемыми поверхностями под углом одна к другой, метаемую деталь перед сваркой обрабатывают «на ус». Соединение, как и при сварке взрывом, образуется в результате косого соударения свариваемых поверхностей. При этом создаются условия для очистки свариваемых поверхностей от оксидов и загрязнений кумулятивной струей и для интенсивной пластической деформации поверхностей металла с образованием между ними металлических связей.

Формирование сварного соединения возможно и между параллельно расположенными поверхностями. При этом вследствие рассеяния магнитного поля на концах индуктора распределение давления вдоль образующей метаемого элемента неравномерное — меньше по концам и больше в средней части. При таком нагружении первоначально прямолинейный метаемый элемент, перемещаясь к моменту встречи с неподвижной деталью, становится выпуклым, и плоское соударение переходит в косое, распространяющееся в общем случае в двух противоположных направлениях от зоны начального контакта.

Существуют три основные схемы магнитно-импульсной сварки: обжатием трубчатых заготовок с применением индуктора, охватывающего заготовку; раздачей трубчатых заготовок с применением индуктора, помещенного внутрь заготовки; деформированием листовых заготовок плоским индуктором. Для предотвращения деформации тонкостенных элементов в процессе сварки внутрь трубы 1 вставляют металлическую оправку, удаляемую после сварки.

Действие импульсного магнитного поля на метаемый элемент зависит главным образом от длины и числа витков индуктора, напряжения разряда, емкости батареи конденсаторов, энергии разряда, индуктивности и активного сопротивления разрядного контура, площади внутренней поверхности индуктора в поперечном сечении.

Целесообразно применение этого способа для получения всевозможных соединений трубчатых деталей между собой и с другими деталями, а также плоских деталей по наружному и внутреннему контуру. Магнитно-импульсным способом можно сваривать практически любые материалы в однородном и разнородном сочетаниях. Диапазон толщин метаемых деталей составляет 0,5—2,5 мм.

Одна из основных проблем расширения области применения магнитно-импульсной сварки — получение сильных импульсных магнитных полей при высокой стойкости индуктора. Для разрешения этой проблемы необходимо создание новых и совершенствование существующих конструкций индукторов, применение высокопрочных материалов как для токопроводов, так и для элементов механического усиления, разработка новых схем магнитно-импульсных установок.

Источник:  svarkainfo.ru

Советуем подписаться на наши страницы в социальных сетях: Facebook | Вконтакте | Twitter | Google+  | Одноклассники

Рейтинг статьи:

Просмотров: 883

Поделиться:

Теги

История (1) Ковка (1039) Самоделки (1) Сварка (1008)

Еще

1.3 Физические основы магнитно-импульсной обработки металлов. Магнитно-импульсная сварка

Магнитно-импульсная сварка

курсовая работа

Магнитно-импульсная обработка металлов основывается на использовании сил электромеханического взаимодействия между вихревыми токами, наведенными в стенках обрабатываемой детали при пересечении их силовыми магнитными линиями импульсного магнитного поля, и самим магнитным потоком импульса. В отличие от других известных методов деформирования при магнитно-импульсной обработке электрическая энергия непосредственно преобразуется в механическую и импульс давления магнитного поля действует непосредственно на заголовку без участия какой-либо передающей среды. Это позволяет осуществлять деформирование как в вакууме, так и в любой среде, не препятствующей распространению магнитного поля. В установку для магнитно-импульсной обработки обычно входят зарядное устройство 1, состоящее из высоковольтного трансформатора и выпрямителя, коммутирующее устройство З, включающееся при подаче поджигающего импульса на — вспомогательный электрод и вызывающее разряд батареи высоковольтных конденсаторов 2 на индуктор 4.

Рис. 1.3. Принципиальная схема процесса магнитно-импульсной обработки металлов.

При прохождении разрядного тока через индуктор в окружающем его пространстве образуется электромагнитное поле, которое в соответствии с законом электромагнитной индукции наводит токи в заготовке 5. В результате взаимодействия тока, наведенного в заготовке, с электромагнитным полем индуктора возникают динамические воздействия на заготовку и ее деформация.

Электродинамические силы взаимодействия между индуктором и деформируемой металлической заготовкой зависят от электрических и магнитных характеристик, а также размеров и взаимного расположения индуктора и заготовки.

Для разгона метаемого элемента при магнитно-импульсной сварке необходимо сильное магнитное поле. Энергия, накапливаемая в батарее конденсаторов, сравнительно невелика. Эффективность использования этой энергии на разгон метаемого элемента зависит от правильного расчета электродинамических сил, действующих на индуктор и деформируемую заготовку. Поэтому важно знать основные параметры процесса магнитно-импульсной сварки металлов.

Одним из наиболее важных параметров является энергия, запасаемая в батарее конденсаторов:

W=0,5CU² (1)

Параметры разрядного контура при магнитно-импульсной обработке подбираются такими, чтобы разряд был периодическим.

В большинстве процессов магнитно-импульсной обработки, в том числе и при магнитно-импульсной сварке, заготовка под действием магнитного поля деформируется, что ведет с изменению w и p вследствие изменения параметров системы индуктор — заготовка. Это значительно усложняет расчет давлений при магнитно-импульсной обработке металлов.

Энергия, накопленная в конденсаторной батарее, при разряде превращается в полезную механическую работу деформаций заготовки и теряется на нагрев цепи.

Полный баланс энергии системы к концу процесса деформации:

W=W₁+W₂+W₃ (2)

Для повышения КПД следует стремиться к уменьшению потерь энергии на нагрев установки, индуктора и заготовки.

Тепловые потери пропорциональны активному сопротивлению, зависящему от глубины проникновения магнитного поля , которая при деформации плоских заготовок должна быть меньше толщины материала заготовки.

При больших частоте разряда и удельной электрической проводимости материала заготовки глубина проникновения магнитного поля невелика и ограничивается поверхностных слоем заготовки.

В расчетах активного сопротивления проводника считают, что ток протекает только в слое с равномерной плотностью и за пределами этого слоя отсутствует.

Точное определение активного сопротивления системы индуктор — заготовка представляет значительные трудности, так как в процессе деформации заготовки вследствие изменения круговой частоты разряда w изменяется толщина скин-слоя, а вследствие нагрева проводников изменяется их удельное сопротивление. Этому

Для упрощения расчетов принимают, что весь ток в проводнике сосредоточен в середине скин-слоя. В связи с этим расчетный зазор между индуктором и заготовкой можно определить соотношением:

z_p=z_г+0,5(?_и+?_з)

где z_г — геометрический зазор между индуктором и заготовкой; ?_и, ?_{з— глубина проникновения тока для материалов индуктора и заготовки, определенная по формуле:}

?=v2/(щм₀у₀)

С увеличением круговой частоты разряда уменьшается активное сечение проводников, а следовательно, увеличивается их активное сопротивление. При магнитно-импульсной сварке или штамповке в металлическую матрицу тонких заготовок проникновение магнитного поля через заготовку приводит к появлению так называемой магнитной подушки. Сущность этого явления состоит в том, что объем поля, проникшего между свариваемыми поверхностями заготовок или между заготовкой и металлической матрицей, уменьшается с уменьшением зазора между ними. Поскольку общий магнитный поток

Ф₁=Н Fп

Где Fп — площадь, пронизываемая полем, H — напряженность поля в зазоре между заготовкой и инструментом должен сохраняться, напряженность поля Н в зазоре при деформации заготовки будет увеличиваться и может достичь значений, при которых будет наблюдаться резкое снижение скорости деформирования.

Во избежание появления «магнитной подушки» длительность импульса магнитного поля не должна превышать длительность деформирования заготовки, или t_д < t_м, где t_{д —время, необходимое для перемещения трубчатой заготовки на требуемую величину; tм — длительность импульса, при которой магнитное поле не проникает на значительную глубину в стенку трубчатой заготовки.}

«Магнитная подушка» может появиться также при обжиме трубчатой заготовки на неметаллической оправке или без оправки.

Наиболее широко применяют способ деформирования при магнитно-импульсной обработке металлов, основанный на использовании динамических усилий отталкивания, возникающих между индуктором и заготовкой при разряде батареи конденсаторов через индуктор. [11]

автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.06, диссертация на тему:Технология магнитно-импульсной сварки тонкостенных трубчатых деталей

Автореферат диссертации по теме «Технология магнитно-импульсной сварки тонкостенных трубчатых деталей»

На правах рукописи

Бацемакин Максим Юрьевич

ТЕХНОЛОГИЯ МАГНИТНО-ИМПУЛЬСНОЙ СВАРКИ ТОНКОСТЕННЫХ ТРУБЧАТЫХ ДЕТАЛЕЙ

Специальность 05.03.06 — «Технология и машины сварочного производства»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

003066633

Ростов-на-Дону 2007

003066633

Работа выполнена в ГОУ ВПО Донском государственном техническом университете (ДГТУ).

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Стрижаков Е.Л.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Дюргеров Н.Г.

кандидат технических наук Курганов В.В.

Ведущее предприятие: Самарский государственный

аэрокосмический университет им Королева.

Защита состоится 30 октября 2007 года в 14 часов на заседании диссертационного Совета Д212.058.01 в Донском государственном техническом университете по адресу: 344010, г. Ростов-на-Дону, пл. Гагарина 1, ауд. 252

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Донского государственного технического университета.

Автореферат разослан сентября 2007 года.

Ученый секретарь диссертационного совета, канд. техн. наук, доцент

А.И. Шипулин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы.

Тонкостенные трубчатые конструкции широко применяются в устройствах, авиационной и космической техники. Для этих деталей характерны сложный профиль сечения, большие перепады размеров, изменение формы, наличие различных отверстий, ребер жёсткости и т. д.

Тонкостенные трубчатые детали, в основном, являются корпусными и обеспечивают механическую прочность отдельных частей конструкций, но чаще всего, они служат для экранировки паяных элементов от радиопомех. Материал, из которого изготавливают корпусные детали, должен быть легким и иметь хорошую электропроводность.

Традиционные методы механической обработки резанием не могут быть рекомендованы для внедрения в серийное производство облегчённых деталей из-за низкого коэффициента использования материала и большой трудоемкости процесса.

Одним из направлений снижения трудоёмкости, при изготовлении тонкостенных трубчатых деталей различной формы является получение их штампосварными. Заготовки предварительно штампуются, а затем паяются или свариваются по образующей одним из видов микросварки. Но и в этом случае, трудоемкость остается достаточно высокой. При применении пайки требуется использование дорогостоящих и дефицитных припоев. Контактная и лазерная сварка тонкостенных деталей требует применения трудоёмкой дорогостоящей оснастки. Получение соединений сложного профиля при данных способах неизбежно приводят к большому проценту брака.

Для формовки и сварки тонкостенных трубчатых деталей перспективно использовать магнитно-импульсную обработку (МИО) существенно упрощающую схему обработки.

Однако, при изготовлении деталей, не имеющих замкнутый контур, МИО не рекомендуется. Типовым процессом магнитно-импульсной сварки соединения осуществляются в процессе косого соударения, что не выполнимо при получении тонкостенных деталей.

В ДГТУ на кафедре «Машины и автоматизация сварочного производства» совместно со специалистами ГКНПЦ им. М. В. Хруничева разработан процесс магнитно-импульсной сварки

нахлёсточных соединений предварительно сформованной тонколистовой заготовки. Процент выхода годных деталей при данном виде микросварки значительно возрастает. МИО позволяют совместить отдельные переходы и снизить трудоемкость изготовления корпусных деталей.

Однако, литературный и патентный поиск не выявил публикаций с результатами исследовательских и опытно -конструкторских работ по реализации совмещенного процесса сварки-формовки. Не исследовано влияние величины исходного зазора между соединяемыми кромками, степени деформации материала и разрежения в технологической камере на качество соединения.

Цель работы.

Разработка совмещенного процесса магнитно-импульсной сварки-формовки (МИСФ) тонкостенных трубчатых деталей. Создание научно обоснованных методов выбора и расчета энергетических параметров технологии.

Для реализации поставленной цели необходимо было решить ряд задач:

1. Научно обосновать выбор комбинированного процесса магнитно-импульсной сварки-формовки для изготовления тонкостенных штампосварных трубчатых деталей.

2. Создать экспериментальное оборудование и исследовать совмещенный процесс МИСФ.

3. Разработать алгоритм выбора и расчета рациональных параметров технологии и оборудования МИСФ.

4 Разработать технологию и автоматизированное

оборудование МИСФ.

5. Внедрить результаты исследований и проектных

изысканий в производство.

Методы исследования.

Анализ процесса магнитно-импульсной сварки-формовки осуществлялся на основе теории электроэрозионной обработки, дислокационной теории образования соединений в твёрдой фазе, электродинамики.

Качество сварного соединения оценивалось по результатам испытаний на механическую прочность, термостойкость, герметичность, а так же металлографическими исследованиями.

Электромагнитные параметры обработки регистрировались

современными электронными измерительными приборами с использованием специально разработанных датчиков.

Научная новизна.

Вскрыт механизм принципиально нового способа магнитно-импульсной сварки тонкостенных трубчатых деталей, выявлена взаимосвязь между деформацией заготовки, магнитно-импульсным воздействием и формированием неразъемного соединения в твердой фазе.

Обосновано использование магнитно-импульсной обработки для электроэрозионной очистки (ЭЭО) между соединяемыми поверхностями. ЭЭО происходит в результате электрического пробоя зазора между соединяемыми поверхностями и выплеска жидкого металла с загрязнениями из зоны сварки.

Установлено, что магнитно-импульсное воздействие необходимо формировать таким образом, что бы элекгроэрозионная очистка и формообразование были завершены до сближения очищенных поверхностей под действием магнитного давления.

Определены соотношения между удельной энергией необходимой для осуществления формообразования \Л/ф и удельной энергией необходимой для реализации сварочного процесса \А/СВ. При условии У\/СВ/\Л/Ф<0,9 возможен непровар -необходимо увеличить энергию воздействия. Если \Л/фЛЛ/св>1Д -процесс, в принципе, не реализуется.

Разработан алгоритм расчета и выбора параметров техпроцесса и оборудования, отличающийся тем, что энергетические характеристики магнитно-импульсной обработки определяются с учетом электроэрозионной очистки поверхностей, соотношения энергий необходимых для реализации процессов формообразования и сварки, соединения материалов в твёрдой фазе. }

Практическая ценность и реализация результатов работы.

Результаты исследований и алгоритм расчета параметров процесса МИСФ были использованы при разработке технологии и оборудования для изготовления облегчённых экранирующих корпусов электросоединителей. Работы проводились в рамках программы исследовательских работ ГКНПЦ им. М.В. Хруничева и ДПУ.

Полученные результаты использованы в учебном процессе

Донского государственного технического университета.

На защиту выносится: результаты экспериментальных и теоретических исследований нового комбинированного магнитно-импульсного способа получения штампосварных трубчатых деталей. — гипотеза формирования соединения в процессе МИСФ; условия качественной обработки при МИСФ; алгоритм расчета и выбора параметров техпроцесса и оборудования МИСФ;

проектные изыскания и разработанные конструкции установки и инструмента.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на:

заседаниях кафедры «Машины и автоматизация сварочного производства» ДГТУ, 2001-2007.

IV международной научно-технической конференции по динамике технологических систем, г. Ростов-на-Дону, 2001.

научно-технической конференции «Сварка на рубеже веков» МГТУ им. Н.Э. Баумана г. Москва, 2002.

научно-технической конференции «Эффективные материалы, технологии и оборудование для сварки плазмы, нанесение покрытий, металлообработки и порошковой металлургии», г. Ростов-на-Дону, 2004.

II междуйародной научно-технической конференции «Металлофизика, механика материалов и процессов деформирования» — Металлдеформ. г. Самара, 2004.

международной научно-технической конференции «Магнитно-импульсная , обработка материалов. Пути совершенствования и развития», г. Самара, 2007.

ежегодных научно-технических конференциях студентов и профессорско-преподавательского состава ДГТУ, 2000-2007.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 15 научных статей и докладов, получены два патента на изобретения.

Объём и структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы, содержащего 113 наименований и приложения.

Диссертация изложена на 140 страницах машинописного текста, содержит 15 таблиц, 47 рисунков.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ. Во введении обоснована актуальность и необходимость решения данной проблемы, сформулирована цель работы, изложены основные положения, которые составляют научную новизну и выносятся на защиту

В первой главе проанализированы проблемы получения тонкостенных трубчатых деталей, выявлено, что традиционные технологии имеют существенные недостатки

Механической обработкой резанием можно получить осесимметричные тонкостенные детали с одной установки без ребер жесткости, но ограничения по толщине и низкий коэффициент использования материала не позволяет рекомендовать данный метод для внедрения в серийное производство Многопереходной штамповкой получить данные тонколистовые детали затруднительно или вообще не возможно.

Целесообразно изготовление таких деталей штампосварными из плоских заготовок с образованием нахлесточного сварного соединения по образующей конструкции. В работе проанализирована возможность использования в этих целях конденсаторной, лазерной и индукционной микросварки.

Для реализации этой идеи перспективно использование магнитно-импульсной обработки, осуществляющей силовое- и тепловое воздействие на обрабатываемое изделие.

Проблемы, связанные с использованием в технологических целях импульсных магнитных полей, в России и ближнем зарубежье решаются в МГТУ им. Баумана, ИЭС им. Патона, СГАУ им. Королева, ДГТУ и других организациях. Все они объединены в международную ассоциацию магнитно-импульсной обработки, базирующуюся в Самарском государственном аэрокосмическом университете. На Западе наиболее известны разработки фирмы «Максвелл» США.

Существенный вклад и наиболее выдающиеся результаты в исследования, и разработку технологических процессов МИО принадлежат ученым России и СНГ. Бандалетову В. М., Глущенкову В А.,, Хименко Л. Т., Чудакову Е В., Михайлову В. М., Яблочникову Б А , Шоршорову М. X., Стрижакову Е. Л. и др.

Типовым процессом магнитно-импульсной сварки, где используется высокоскоростное косое соударение получить тонколистовые замкнутые штампосварные конструкции

невозможно.

В настоящее время в ДГТУ разработана технология и оборудование контактной магнитно-импульсной сварки (КМИС) предварительно штампованных заготовок. Для получения нахлесточного соединения используются индуцированные токи и магнитное давление. Исходя из принципа данного вида обработки возможно совмещение процесса формовки и сварки за один разряд, что позволит снизить трудоемкость изготовления тонкостенных деталей.

Для улучшения условий ЭЭО поверхностей целесообразно осуществлять процесс в разрежённом пространстве с зазором между соединяемыми поверхностями в исходном состоянии, что должно существенно улучшить условия ЭЭО и, как следствие, обеспечить лучшее качество обработки.

На базе проведенного анализа проблемы сформулированы цель и задачи диссертационной работы.

Во второй главе приведены результаты экспериментальных исследований принципиально нового метода получения тонкостенных трубчатых деталей с использованием импульсных магнитных полей. Изложены особенности ЭЭО соединяемых поверхностей при МИО. На специально разработанном лабораторном оборудовании определены факторы, влияющие на качество штампосварного соединения, проведены экспериментальные исследования зависимости качества соединения от различных параметров магнитно-импульсного воздействия.

Сущность совмещенного процесса заключается в следующем (рис. 1): предварительно выкроенная тонколистовая заготовка 1 сворачивается с перехлестом Д, и устанавливается в матрицу 2 имеющую форму будущего изделия. В зоне перехлёста устанавливается исходный зазор И. Для реализации МИО имеется рабочий инструмент-индуктор 3.

При разряде генератора импульсных токов (ГИТ), в индукторе создается высокочастотное магнитное поле, под действием которого, в заготовке наводится ЭДС самоиндукции, за счет которой происходит пробой исходного зазора. Импульсный разряд большой плотности (1-100кА/мм2) оплавляет, и взрывообразно испаряет поверхностные слои металла. В результате действия давления паров из зоны соединения

выплёскивается жидкий металл с загрязнениями. По мере нарастания магнитного давления поверхности материала сближаются. Остатки жидкого металла вытесняются окончательно из зоны соединения. Магнитное давление становится достаточным для преодаления сопротивления материала деформированию и происходит процесс формовки заготовки. За один разряд батареи конденсаторов происходит совмещённый процесс сварки-формовки с использованием магнитного давления.

Д-А

сплавления \

а ———-

а) Начало процесса 6} Окончание процесса

Рис. 1, Принципиальная схема совмещённого процесса МИСФ.

1 — заготовка; 2 — матрица; 3 — индуктор; ГИТ — генератор импульсных токов; Ь -исходный зазор; Д — перехлёст; 1Р — ток разряда; Н — магнитный поток; ]„ — ток индуцированный; Р„ — магнитное давление; Рф — давление формовки; Р(0 — сварочное давление.

Способ получения штампосварных замкнутых конструкций из листовых металлических материалов защищен патентом РФ.

Процесс сварки и формовки можно осуществлять как в атмосфере, так и в вакууме.

Проведённые оценочные расчёты энергии и длительности воздействия при обработке опытных образцов позволили определить технические характеристики экспериментальной установки магнитно-импульсной сварки-формовки в вакууме (ЭУМИСФВ): запасённая энергия в накопителе должна составлять W= 100-10000 Дж; при этом ёмкость батареи конденсаторов должна составлять С=3-б00 мкФ; рабочее напряжение и=1-15 кВ;

длительность воздействия 50-200 икс.

Разработанная экспериментальная установка позволила получить качественные соединения материалов, которые широко используются для изготовления тонкостенных трубчатых деталей: алюминия, меди, и их сплавов.

В результате проведённых постановочных экспериментов выявлены разновидности приёмов магнитно-импульсной сварки тонкостенных трубчатых деталей (рис. ууууу’ ‘уу»

С»й>ус.ч » ¡закуумё ?!

Рис. 2, Разновидности приёмов МИС.

Выявлены разновидности приёмов магнитно-импульсной сварки и установлено, что наиболее целесообразно осуществлять совмещённый процесс сварки и формовки с возбуждением разряда электрическим пробоем зазора между свариваемыми деталями, по схеме на раздачу, осуществляя соединение в твердой фазе Для получения вакуумоплотных соединений процесс необходимо осуществлять в контролируемой среде.

ЭЭО очистка позволяет осуществлять процесс без специальной подготовки соединяемых поверхностей. Этот эффект основан на расплавлении и взрывообразном испарении материала под, тепловым воздействием импульса электрической энергии, которая выделяется между соединяемыми поверхностями при электрическом пробое исходного зазора

При использовании вакуума в качестве защитной среды появляется принципиальная возможность уменьшить содержание вредных примесей в сварном соединении. Кроме того, в безвоздушном пространстве нет сопротивления выбросу загрязнений, и эффективней осуществляется ЭЭО.

Оценка качества соединения проводилась по результатам испытаний на механическую прочность, термостойкость, герметичность, металлографическим анализом.

Установлено, что на качество соединения влияют следующие электрические параметры: емкость накопительного блока С; рабочее напряжение 1)р; индуктивность рабочего инструмента, определяемая числом витков индуктора N. Эти параметры процесса и оборудования полностью определяют энергию \Л/ и длительность воздействия.

Кроме того, на качество соединения влияют следующие геометрические параметры: величина перехлеста А, зазор Ь между соединяемыми поверхностями в исходном состоянии, степень деформации материала при формовке Еф, которая определяется в экспериментальных образцах радиусом формующей канавки г.

В результате постановочных экспериментов определились рациональные параметры исходного зазора Ь=0,75мм, величины перехлеста д=3мм, радиуса формующей канавки г<3мм, и необходимое разрежение в технологической камере В= 133,33^-13,33 Па.

Рациональные режимы магнитно-импульсной сварки

образцов в зависимости от параметров определяющих энергию и длительность воздействия (С, ир, 1М) были получены, с применением математических методов планирования многофакторного эксперимента.

В основном цикле экспериментальных исследований для определения влияния деформации на качество сварки было предложено два вида диэлектрических матриц для образцов определенных размеров.

При использовании матрицы с продольными формующими канавками, (формообразование осуществляется вне зоны соединения), зависимость усилия разрыва сварных соединений от энергии импульса аналогична тем, которые получены при МИС с предварительной статической формовкой. Необходимо лишь увеличивать энергию разряда для реализации большей степени деформации.

При использовании матрицы с поперечной формующей канавкой, влияние формовки существенно. Лишь при очень малых деформациях (г<1мм), сварка происходит практически по всей поверхности сопряжения. По мере увеличения глубины формообразующей канавки, наблюдаются расслоения -непровары, а по достижению величины г>3мм — сварка в данной зоне не образуется.

Микроструктурный анализ показал, что зона соединения характерна для сварки в твердой фазе

известными импульсными методами. Имеется четкая линия границы раздела — зона «схватывания» — аналогично сварки взрывом и классической МИС.

При проведении процесса в атмосфере схватывание происходит не по всей поверхности сопряжения. Швы герметичные, но участки сплавления чередуются с непроварами -«карманами», где скапливаются выплескнутые «загрязнения». При проведении МИСФ в вакууме соединение происходит по всей поверхности при отсутствии дефектов. Швы вакуумоплотные. Такая дорогостоящая технология экономически оправдана при изготовлении наиболее ответственных сварных конструкций.

В третьей главе проведен теоретический анализ комбинированного процесса сварки. Учтены основные физические процессы при магнитно-импульсной сварке-формовке: разряд батареи конденсаторов на индуктивную нагрузку; возникновение

ЭДС самоиндукции в переменном магнитном поле; электрический пробой между поверхностями; возникновение индуцированного тока в заготовке и магнитного давления; электроэрозионная очистка соединяемых поверхностей; сближения кромок под действием сил магнитного давления; совместная деформация и сварка контактных поверхностей в твердой фазе. — время формовки — время сварки

На первой стадии I, в результате появления в заготовке ЭДС самоиндукции, между соединяемыми поверхностями происходит электрический пробой исходного зазора. Импульсный электрический разряд оплавляет и взрывообразно испаряет поверхностные слои металла. В результате давления паров металла Рп.„ из зоны соединения выплескивается жидкий металл

вместе с поверхностными загрязнениями — происходит электроэрозионная очистка поверхностей.

На второй стадии II, по мере нарастания магнитного давления Р„ соединяемые поверхности сближаются Остатки жидкого металла вытесняются окончательно. Магнитное давление становится достаточным для преодоления сопротивления материала деформированию, и происходит процесс формовки заготовки в канавках матрицы.

На третьей стадии III, происходит сварка очищенных поверхностей в твердой фазе с использованием магнитного давления.

Ранее было экспериментально установлено, что сварка и формовка изделия, осуществлённые однополярным импульсом и колебательным разрядом, практически не отличаются по качеству. Основываясь на данных этих экспериментов, можно сделать вывод, что все процессы формовки и сварки протекают за первый полупериод магнитного давления Т/2.

Магнитно-импульсное воздействие для получения качественного соединения необходимо формировать таким образом, что бы формовка осуществлялась на первой и второй стадии и была завершена до сближения кромок.

Это объясняется тем, что образовавшееся на ранней стадии процесса соединение может быть разрушено усилиями, возникающими в процессе деформаций.

Определены соотношения между удельной энергией необходимой для осуществления формообразования \Л/Ф и удельной энергией необходимой для реализации сварочного процесса Wce. При условии \Л/св/\Л/ф<0,9 возможен непровар -необходимо увеличить энергию воздействия, проверив стойкость рабочего инструмента и матрицы Если \Л/Ф/\Л/СВ> 1,1 — процесс, в принципе, не реализуется. Необходимо осуществлять предварительную статическую формовку заготовки

Выше изложенное можно представить неравенствами (1), (2), (3), которые являются условиями качественной обработки:

Т/2 = tM. — 1(Ги с -постоянная времени; Ер — энергия релаксации по границам зерен; Я — универсальная газовая постоянная; Тх — температура, ёл -скорость относительной локальной пластической деформации; Б -площадь активного центра

Анализ соотношения (4) показывает, что при выборе параметров процесса необходимо знать скорость относительной локальной пластической деформации ¿л=ел/1св, которая является определяющим параметром времени активации tэ, а так же учитывать релаксационные характеристики обрабатываемого материала.

Величина скорости относительной локальной пластической деформации ел, при фиксированной частоте разряда зависит от энергии импульса \Л/ Для определения зависимости значения скорости относительной локальной пластической деформации ел от энергии импульса \А/ для используемых материалов, были проведены дополнительные эксперименты. Результаты этих экспериментов приведены на рис 4. Значения скорости относительной локальной пластической деформации определялись для Си и А1 толщиной 0,1-2мм, при энергиях импульса от 75-1800 Дж.

о

300

600

900 1200 1500 1800

\Л/, Дж

Рис. 4. Зависимость скорости относительной локальной пластической деформации ¿л от энергии импульса \Л/.

-А— —А—— алюминий,——-0 ~ ° медь,

-е -

-о-

медь.

Период Т разряда батареи конденсатора, выбирается из условия малого проникновения магнитного потока в материал матрицы и необходимости реализации твердофазного взаимодействия. Для этого с одной стороны, необходимо уменьшать период разряда Т с другой — «растягивать» процесс. Удовлетворяя эти противоречивые требования, и определим рациональное значение периода разряда. Это дополнительное условие магнитно-импульсного воздействия сформулировано соотношением:

где у — удельная электропроводность материала; 5 -толщина заготовки; ц — магнитная проницаемость.

Проведенные теоретические и экспериментальные исследования позволили сформулировать условия получения качественного соединения — ограничения, накладываемые на

(5)

параметры техпроцесса и оборудования МИСФ. Они сформулированы неравенствами (1-5), которые учитывают условия твердофазного взаимодействия, оценку энергии магнитно-импульсного воздействия, ограничения на период разряда.

В четвёртой главе изложены проектные изыскания элементов генератора импульсов магнитных полей. Исследовался разрядный контур переналаживаемого емкостного накопителя и рабочая зона индукторных систем. Ток разряда 1Р измерялся с использованием пояса Роговского, напряжённость осевой составляющей магнитного поля И в рабочей зоне индуктора определялась с помощью специального индуктивного датчика. Результаты фиксировались двухлучевым запоминающим осциллографом.

Обработка данных экспериментальных исследований технологического процесса, анализ выражения магнитного давления через параметры оборудования определили необходимость исследования характеристик переналаживаемого генератора импульсных токов. Определялись собственная и рабочая частота разрядного контура, при подключении определенного числа секций с различными типами стандартных импульсных конденсаторов серии ИК, с использованием малоиндуктивных токоподйодов. Для использования в промышленном оборудовании рекомендовано применять смешанную ошиновку — плоские шины и коаксиальный кабель.

Разработанные применительно к магнитно-импульсной сварке индуктора оценивались по следующим критериям: индуктивность Ц,, активное сопротивление ги< среднестатистическая наработка на отказ Г4Ц/ стоимость инструмента Си и максимальная напряжённость магнитного поля Н в рабочей зоне индуктора Анализировались точеные, витые и пластинчатые индуктора.

Для промышленного внедрения рекомендован витой индуктор, обладающий наилучшими характеристиками магнитного воздействия и экономически целесообразной стойкостью.

Анализ номенклатуры тонкостенных трубчатых деталей позволил определить необходимые энергетические характеристики ГИТ для установки МИСФ. Запасаемая энергия должна быть в диапазоне \Л/=0.5-3 кДж; период разряда

Т 50 200 мкс; ёмкость накопительного блока С=24 мкФ, рабочее напряжение и==0.5-3 кВ.

Пятая глава посвящена разработке технологии магнитно-импульсной сварки-формовки тонкостенных трубчатых деталей, и автоматизированного промышленного оборудования.

Проведенные теоретические и экспериментальные исследования и проектные изыскания устройств МИСФ, позволили разработать научно-обоснованный алгоригм расчёта и выбора параметров техпроцесса и оборудования. Алгоритм определения основных характеристик включает четыре взаимосвязанных этапа. Блок схема расчёта приведена на рис. 5.

I. ЭТАП. Анализ конструкции изделий и подготовка исходных данных. Т1г Та» Из/ Р> » Р/ е, й, 1св(т.и)’ 1а,

… .,

I \

II, ЭТАП. (Йпрделенир И|н;м(;пиых

Процесс не реализуется необходимо изменить

КОН( ГруКЦИЮ И (/К’ЛИ>1

соотношений и параметре да процесса мисф.

V I., 1„, т, гр, \л/„„ \л/и„ и,:„, !е„ ; |

II]. ЭТАП. Выбор и расчёт параметров установки и инструмента. С, иР, Ц, N. с1„, 1И

IV. ЭТАП. Уточнённый расчёт параметров процесса и оборудования; Определение 1Ь, |ф, Т, |р, УУф, \Л/(ПГ 1\в, 1со

Проверка условий качес пвонной обработки (15)

Коне) к

Рис.

Выбирается собственная и рабочая частота разряда тока. Зная энергию проведения совмещенного процесса, определяем сварочное магнитное давление и сварочный ток.

На третьем этапе — осуществляется выбор и расчет характеристик элементов разрядного контура, рабочего инструмента и оснастки. Определяется емкость накопителя С, рабочее напряжение 11р, индуктивность установки |_у, число витков индуктора 1М, диаметр индуктора йт длинна индуктора 1„.

Уточненный расчет параметров разрядно-импульсных процессов, процессов сварки и формообразования, энергии и периода разряда осуществляется на четвертом этапе.

Проверяется выполнимость условий качественной обработки, проверка неравенств (1-5). В случае невыполнения этих соотношений, осуществляется корректировка расчетов.

Данная методика выбора и расчета параметров процесса была апробирована при разработке оборудования и технологии изготовления облегчённых экранирующих корпусов электросоединителей летательных аппаратов и наземных устройств космической техники. Трубчатые конструкции изготавливаются штампосварными из листовых заготовок. Для реализации сварки-формовки корпусов диаметром 20-50мм энергия воздействия менялась в диапазоне 50-500Дж; длительность воздействия составляла 50-100мкс Новый техпроцесс позволяет значительно снизить трудоемкость получения штампосварных изделий.

Для повышения производительности оборудования, используя принцип совмещения вспомогательных операций, была разработана трехпозиционная установка со специальным многоканальным блоком поджига коммутирующих устройств Это позволило одним накопительным блоком обеспечить работу нескольких рабочих позиций Оборудование позволяет осуществлять совместную обработку нескольких деталей за одну загрузку технологического блока В результате, снижена трудоемкость изготовления тонкостенных трубчатых деталей. Данное устройство запатентовано ДГТУ.

Технология и оборудование внедрены в кабельное производство на ракетном космическом заводе ГКНПЦ им. М.В Хруничева.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ:

1. Разработан принципиально новый комбинированный процесс магнитно-импульсной сварки-формовки. Обосновано использование данного способа для изготовления тонкостенных трубчатых деталей.

2. Вскрыт механизм образования неразъемного соединения заключающийся в том, что в процессе магнитно-импульсного воздействия реализуется электроэрозионная очистка, формовка и сварка в твердой фазе.

3. Выявлены разновидности приемов магнитно-импульсной сварки и установлено, что наиболее целесообразно осуществлять совмещенный процесс сварки и формовки с возбуждением разряда электрическим пробоем зазора между свариваемыми деталями, по схеме на раздачу, осуществляя соединение в твердой фазе. Для получения вакуумоплотных соединений процесс необходимо осуществлять в контролируемой среде.

4. Определены условия качественной обработки в процессе МИСФ, предусматривающие необходимость формировать импульс магнитного воздействия таким образом, что бы формообразование завершилось за время электровзрывного выплеска жидкого металла из зоны контакта и сближения соединяемых поверхностей.

5. Определены соотношения между удельной энергией необходимой для осуществления сварки и удельной

энергией необходимой для осуществления формообразования: Мф/У\/С8<0,9.

6. Расчет и выбор энергетических и временных параметров процесса для получения тонкостенных трубчатых деталей магнитно-импульсной обработкой должен вестись с учетом электроэрозионной очистки, обеспечения необходимой деформации и условий твёрдофазного взаимодействия.

7. Разработано автоматизированное оборудование, позволяющее от одного накопительного блока осуществлять обработку нескольких деталей, совмещая вспомогательные операции.

8. Результаты исследований процесса и проектные изыскания оборудования МИСФ внедрены в ГКНПЦ им. Хруничева.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ

В РАБОТАХ:

1. Особенности магнитно-импульсной сварки оболочковых конструкций / Е. Л. Стрижаков, В. В. Плотников, М. Ю. Бацемакин и др. // Тезисы докладов VI международной научно — технической конференции по динамике технологических систем / ДГ7У-Ростов н/Д, 2001 — Т III. — С 237-241.

2. Магнитно-импульсная штамповка-сварка оболочковых конструкций / Е. Л. Стрижаков, Н. А. Карандашев, М. Ю. Бацемакин и др. // Кузнечно-штамповочное производство. — 2002. — № 3. — С. 12-14,

3. Получение штампосварных замкнутых конструкций магнитно-импульсной сваркой / Е. Л. Стрижаков, М. Ю. Бацемакин, Д. С. Хохлов // Сварка на рубеже веков: тез. докл. науч. — техн. конф. — М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана. — 2002. -С. 58.

4. Классификация приёмов и исследование контактной магнитно-импульсной сварки / Е. Л. Стрижаков, М. Ю. Бацемакин, Д С. Хохлов и др. // Сварочное производство. — 2003. — № 8. — С. 11-14

5 Пат. 32713 Россия, МПК7 B21D 26/14. Установка для магнитно-импульсной обработки металлов / Е. Л, Стрижаков, Н. А. Хахин, М. Ю Бацемакин, Д. С. Хохлов. — № 2003108069/20, заявл. 27.03 03; опубл. 27.09 2003, Бюл. № 27.

6. Трёхканальная автоматизированная установка магнитно-импульсной штамповки сварки / Е. Л. Стрижаков, Н. А. Карандашев, М. Ю. Бацемакин и др. // Кузнечно-штамповочное производство. — 2004. — № 2. — С. 17-20.

7. Classification of methods and examination of the process of resistance magnetic-pulse welding / E. L. Strizhakov, M. YU. Batsemakm, О. V. Yatsenko etc. // Welding International. — 2004. -Vol. 18 (1). — P. 57-60.

8. Бацемакин M. Ю. Полуавтомат магнитно-импульсной сварки-формовки замкнутых тонколистовых конструкций / М. Ю. Бацемакин, П.В. Сарычев // Вестник ДГТУ. — 2004. — Т. 4 № 2 (20). — С. 191-195.

9. Бацемакин М. Ю. Магнитно-импульсная сварка в приборостроении / М. Ю. Бацемакин, П. В. Сарычев // Сборник трудов научно — технической конференции «Эффективные материалы, технологии и оборудование для сварки плазмы, нанесение покрытий, металлообработки и порошковой металлургии». — Ростов н/Д, 2004. — С. 83-84.

Юг Пат. 2228826 Россия, МПК7 В23К 20/06, B21D 26/12. Способ получения штампосварных замкнутых конструкций из листовых металлических материалов / Е. Л. Стрижаков, Н. А. Карандашев, М. Ю. Бацемакин и др. — № 2002122554/02; заявл. 20.08.2002; опубл. 20.05.2004, Бюл. № 14.

11. Автоматизированная установка для магнитно-импульсной сварки / Е.Л. Стрижаков, H.A. Хахин, М.Ю. Бацемакин и др. // Автоматическая сварка. — 2004. — № 2 (610). — С. 53-55.

12. Стрижаков Е. Л. Технология и оборудование микросварки: программа, методические указания и задания к контрольным работам для студентов заочного факультета специальности 120500 «Оборудование и технология сварочного производства» / ДГТУ; Е. Л. Стрижаков, М. Ю. Бацемакин. — Ростов н/Д, 2004.-14C.

13. Оборудование магнитно-импульсной сварки-формовки / Е. Л. Стрижаков, Н. А. Хахин, М. Ю. Бацемакин // Тезисы докладов II международной научно-технической конференции «Металлофизика, механика материалов и процессов деформирования» — Самара, 2004. — С. 27.

14. Компьютерное моделирование контактной магнитно-импульсной сварки. Ч. 1: Динамика, тепло — и электрофизика процесса / М. Ю. Бацемакин, Е. Н. Ладоша, О. В. Яценко и др. //

Изв. вузов. Сев. — Кавк. регион. Техн. науки. -2004.-№2.-С. 14-18.

15. Гипотеза образования соединений и методы выбора и расчета параметров режимов и оборудования магнитно-импульсной сварки нахлёсточных соединений / Е. Л. Стрижаков, М, Ю. Бацемакин, С. В. Нескоромный // Известия вузов. Сев. -Кавк. регион. — 2005. — Спец. вып. С. 72-74.

16. Анализ комбинированного процесса магнитно-импульсной сварки — формовки (МИСФ) / Е. Л. Стрижаков, М. Ю. Бацемакин, С. В. Нескоромный // Сварочное производство: сб. молодых учёных. — Ростов н/Д, 2006. — С. 43-52.

17. Бацемакин М. Ю. Экспериментальная установка магнитно-импульсной сварки в вакууме (ЭУМИСФВ) / М. Ю, Бацемакин, С. В. Нескоромный // Сварочное производство: сб. молодых ученых. -Ростов н/Д, 2006. — С. 37-42.

18. Условия качественной обработки и алгоритм расчета и выбора параметров магнитно-импульсной сварки нахлёсточных соединений / Е. Л. Стрижаков, М. Ю Бацемакин, С. В. Нескоромный // Физика и химия обработки материалов. — 2007. -№ 1. — С. 64-67.

В печать 19.09.07.

Объем 1,4 уел п л Офсет. Бумага тип №3.

Формат 60×84/16. Заказ № 444. Тираж 100 экз. Бесплатно

‘Издательский центр ДГТУ

Адрес университета и полиграфического предприятия: 344010, г.Ростов-на-Дону, пл.Гагарина,!.

Что такое импульсная сварка?

Импульсная сварка является одной из самых востребованных. Существует несколько типов сваривания, каждый из них пользуется успешностью и применяется в конкретном случае.

Классификация основных видов сварки.

Различают контактную, ручную дуговую, лазерную, импульсную сварку. Последняя является одним из самых продвинутых и успешных методов, в процессе скрепления деталей используется специализированный агрегат.

Данный метод был разработан для замещения обычного дугового сваривания.

Параметры сварки

Процесс можно произвести своими руками, методика позволяет получить надежные, прочные соединения (они могут быть выполнены из цветных металлов и различных стальных деталей). Сварочная операция не займет много времени, в процессе применяется запас энергии в приемнике. Приемник требуется подключить к сети электропитания и зарядить до определенного уровня, линии электропередач при этом не перегружаются.

Принципиальная схема импульсного сварочного аппарата для точечной сварки.

Сварочные аппараты не позволяют материалу разбрызгиваться. Благодаря новшествам импульсные аппараты дают возможность получать самодельные швы, которые образуются за счет расплавления отдельных компонентов с покрытием.

Дежурная и импульсная дуги должны быть выставлены в верном значении, благодаря этому сварка пройдет максимально правильно и безопасно, кратеров в местах стыка не будет. Сварка импульсная имеет свои технологические особенности, одна из основных – жесткость режима. Данный параметр указывает на продолжительность импульса. Если оператор изменит некоторые параметры сварочного процесса, он может поменять параметры сварки. Помимо этого, можно корректировать форму сварочной ванны. Имеется возможность контроля кристаллизации металла. Благодаря некоторым функциям можно нормализовать сварочный самодельный шов, отрегулировать пределы, в которых возможна деформация.

Импульсный сварочный аппарат часто необходим для скрепления металлических листов толщиной от 3 мм. Методика отлично подходит для создания швов в различных пространственных положениях. Технологии импульсной сварки используются при создании различных швов. Чтобы обеспечить источник питания во время сварки, необходимо использовать преобразователи тока. Аккумулятор-приемник подает импульсы в область сварочного соединения, импульсы при этом очень короткие, но мощные, в общих чертах процесс сваривания схож с привычными нам технологиями.

Читайте также:

Как производится ультразвуковая сварка.

Вернуться к оглавлению

Особенности и разновидности импульсного сваривания

Импульсная сварка на постоянном токе.

В общих чертах выделяют конденсаторную импульсную сварку, инерционную, электромагнитную и аккумуляторную. Устройства, предназначенные для конденсаторной импульсной сварки, имеют большой разброс относительно диапазона тока. В них есть агрегаты, которые поддерживают ток малой мощности, имеются также аппараты с очень высоким уровнем мощности. Сварочный агрегат – это устройство, благодаря которому происходит дозированное распределение энергии, она уходит на затрату сварочных импульсов. Данная разновидность импульсной сварки должна быть в очень жестком режиме, детали при этом хорошо нагреваются. Конденсаторная сварка подходит для скрепления деталей из алюминия.

Как настроить импульсные параметры? В аккумуляторной сварке используются конструкции агрегатов, в которых есть щелочные аккумуляторы. Они имеют прочную, надежную систему и отличаются тем, что хорошо переносят замыкания, у аккумуляторов такого типа невысокое внутреннее сопротивление. Магнитно-импульсное оборудование необходимо для того, чтобы получить механическую энергию. Это происходит с участием магнитного поля, таким образом элементы скрепляются при помощи магнитных сил. В область соприкосновения подается высокое давление, в результате получается соединение для сваривания. Инверторные импульсные агрегаты используют массивный маховик, который имеет кинетическую энергию сращения, при выполнении сваривания частота оборотов уменьшается.

Вернуться к оглавлению

Этапы рабочего процесса

Сравнение традиционной сварки с инновационной импульсной технологией.

Перенос металла помогает улучшить качество сварки. Данный метод является одним из самых лучших и эффективных. Во время осуществления импульсной сварки разбрызгивания совершенно отсутствуют, не образуются несплавления.

Благодаря современным аппаратам есть возможность сваривать детали в любом пространственном положении, при этом происходит рациональный расход проволоки. В результате получается максимально качественное соединение, прожогов при этом не возникает. Перед тем как приступить в процессу сваривания, рекомендуется рассмотреть схемы.

Как работает сварочный инвертор? Если процесс осуществляется с применением импульсной технологии, происходит перенос металла электрода в имеющуюся ванну, при этом можно воспользоваться опцией высокоскоростного регулирования током.

Процедура начинается с того, что одна капля металла образуется на конце электрода сварки, затем сила тока повышается и капля сбрасывается в ванну. Горячая фаза должна быть заменена на холодную, далее происходит еще несколько операций. Импульсный процесс является высокоэффективным и надежным. При варке на низком токе специализированная проволока должна быть тщательно нагрета. Когда нужно осуществить сбор капли, ток возрастает до максимального значения, затем снова снижается.

Импульсный сварочный аппарат может использоваться в защитной газовой среде, его применяют для соединения деталей самой различной толщины. Агрегаты обеспечивают удобство при работе, на источнике имеется множество органов управления, благодаря которым можно осуществить тонкую настройку процесса. Устройства имеют очень удобное программное обеспечение, которое сэкономит усилия специалиста.

Вернуться к оглавлению

Основные преимущества технологии

В данном случае важно отметить отличное качество скрепляемых элементов. Стоит заметить, что импульсное оборудование стоит дорого, но его смело можно использовать в защитной газовой среде. Импульсное сваривание часто подходит для соединения стали и деталей из алюминия. При этом следует заметить, что работа выполняется с использованием минимума инструментов.

Процесс происходит без излишних брызг, и в этом заключается его главное достоинство. Расплавление проволоки происходит с определенными перерывами, поэтому производительность расплавления имеет верхнюю границу. Импульсная сварка является одним из самых продвинутых и перспективных методов, ее без проблем можно осуществить своими руками.

Магнитно-импульсная сварка и формовка – уникальные технологии высокоскоростной обработки металлов

16:23 11 июля в Без рубрики by Ana

0 Likes

Использование алюминиевых сплавов для автомобильных компонентов может снизить вес конструкции кузова автомобиля, и использование этих сплавов привлекает большое внимание. Магнитно-импульсная технология (MPT) (формовка/сварка) — это технология высокоскоростной обработки металлов, в которой используется электромагнитная сила для формирования или сварки различных материалов, и она особенно хороша для алюминиевых и медных сплавов, обладающих высокой электропроводностью.

FOURIN представляет компанию Bmax (Франция). Bmax разрабатывает и предоставляет MPT в нескольких промышленных областях. Их цель — предоставить комплексные производственные системы с использованием MPT для рынков Японии и Азии, а также сотрудничество IHI с Bmax на японском рынке с 2015 года. производственный процесс.

MPT — это высокоскоростной процесс обработки металлов, при котором скорость формования может быть в 10-50 раз выше, чем скорость обычного пресса. Хотя этот принцип был известен давно, он не применялся в коммерческих целях по той причине, что было трудно найти оптимальные условия, позволяющие формовать или сваривать в реальности. Тем не менее, Bmax успешно коммерциализировала MPT, разработав программный код моделирования в LS-Dyna.

Машины Bmax могут использоваться для нескольких методов обработки, таких как сварка и формовка, путем разработки различных типов рулонов. Магнитно-импульсная сварка — это процесс холодной сварки в твердом состоянии, при котором атомы двух металлов соединяются при комнатной температуре. Угол удара (зазор между материалами перед сваркой) и скорость удара являются важными параметрами, и при соблюдении этих параметров в определенных условиях происходит склеивание. Поверхность склеивания очень гладкая, а прочность соединения выше, чем у основного металла.

Магнитно-импульсная формовка имеет тот же принцип, что и соединение, за исключением того, что скорость удара ниже, чем при сварке, и ускоренный металл ударяет по матрице. Высокоскоростную формовку можно проводить и в воде, используя разряд импульсной мощности. В этом случае ударная волна, создаваемая разрядом, может прижимать металл к штампу и формировать его. С помощью этой технологии можно достичь более высокой формуемости и более низкой упругости металла. Эта технология также может быть использована в сочетании с обычным прессом. Его также можно использовать для изготовления острых кромок и тонких форм, которые невозможно реализовать с помощью обычного пресса. Кроме того, магнитно-импульсный обжим можно использовать для опрессовки кабеля с более низким электрическим сопротивлением и более высоким коэффициентом площади соединения.

МПТ уже используется в производстве автомобилей. Две линии символов были сформированы MPT на алюминиевом капоте Lamborghini Huracan в 2014 году. MPT используется на некоторых других заводах для сварки автомобильных деталей HVAC или топливных фильтров. Отсутствие теплового эффекта является очень хорошим преимуществом этого процесса по сравнению с обычными процессами сварки. Кроме того, производители жгутов проводов готовятся к внедрению МРТ в серийное производство в ближайшем будущем. Ожидается, что спрос на MPT будет расти из-за его преимуществ, таких как более низкая стоимость и более высокое качество продукции.

Применение магнитно-импульсной сварки и формирования магнитных импульсов для производства автомобилей

IHI ​​Yokohama office, Ltd. 21 февраля 2017 г.
На основе интервью с доктором Мехрдадом Кашани (Bmax, технический директор), г-ном Такаши Ямазаки (заместитель директора, IHI Logistics Industry System)

Bmax предоставляет технологию электромагнитного формования/склеивания

Bmax является мировым лидером в области импульсных систем питания и их приложений, таких как магнитно-импульсная сварка (MPW) и магнитно-импульсное формование ( МПФ). Bmax создана в 2011 году и имеет штаб-квартиру во Франции, Тулуза. Bmax продвигает разработку продуктов в основном в Европе и Северной Америке в сотрудничестве с производителями автомобилей и другими компаниями. Особенно в Европе существует повышенный спрос на использование алюминиевых сплавов для производства автомобилей, поэтому MPW и MPF могут стать хорошим решением для формовки и сварки алюминия.

В Bmax есть две основные базовые технологии. MPW и MPF — это технология высокоскоростной обработки металла. I-Pulse (компания Bmax Group) предлагает уникальные технологии с профессиональным проектированием и поддержкой моделирования для широкого спектра приложений в горнодобывающей и автомобильной промышленности.

IHI обеспечивает полную координацию системы

IHI ​​заключила соглашение о сотрудничестве с Bmax (Франция) в мае 2015 года и занимается деятельностью, направленной на развитие рынка в Японии и Азии. IHI при поддержке Bmax открыла демонстрационную площадку на заводе IHI в Йокогаме и пригласила клиентов, которые хотели увидеть обработку MPT.

IHI ​​в основном работает в четырех областях. «Ресурсы · Энергетика · Окружающая среда», «Промышленные системы · Машины общего назначения», «Аэрокосмическая промышленность · Оборона», «Социальная инфраструктура · Океан». Компания IHI Logistics Industry System (ILM) принадлежит к «промышленной системе · машинам общего назначения» группы IHI. В этой компании ILM работает с крупными прессами для автомобильной промышленности, каландровыми машинами для производства многослойной резины для шин и т. д., а также с логистическими системами. ILM занимается транспортным складом, чистым складом для завода, FA (автоматизация производства) и т. д.

Два подразделения промышленного оборудования и систем логистики работают вместе с 2016 года, ILM смогли предоставить прессовые цеха, необходимые для производства кузовов для производителей автомобилей.

ILM стремится начать бизнес по предоставлению полной автоматизированной системы для клиентов в Японии и Азии на основе технологий MPW и MPF, которые предоставляются Bmax. В настоящее время ILM и Bmax могут проводить технико-экономические испытания и подготовку образцов на своей демонстрационной площадке IHI.

Что такое магнитно-импульсная технология (MPT)?

MPT — это технология высокоскоростной обработки металла, которая ускоряет металл с высокой скоростью с помощью электромагнитной силы. Скорость MPF примерно в 10-50 раз выше, чем у обычных прессов.

Принцип этой технологии известен давно, и с 1960-х годов было опубликовано множество статей. Однако для коммерческого использования потребовалось много времени из-за сложности поиска оптимальных условий для сварки и формовки материала. Кроме того, было трудно уменьшить размер оборудования, необходимого для MPT, такого как батареи конденсаторов и переключатели питания, чтобы сделать их пригодными для коммерческого использования.

Ситуация изменилась в последние годы благодаря развитию технологий моделирования и электрических импульсных компонентов. Bmax также использует программное обеспечение для 2D- и 3D-моделирования (LS-Dyna) для получения окон сварки для пар материалов и прогнозирования поведения материала при формовании на высокой скорости.

Продолжительность импульса тока в системе МРТ очень короткая, что очень похоже на грозу, в природе медленную зарядку и быструю разрядку.

Используя несколько форм рулонов, системы Bmax можно адаптировать для выполнения различных видов обработки, таких как сварка, формовка и опрессовка. Аналогичные панели управления и генераторы импульсов могут использоваться для всех этих приложений. Генератор импульсов представляет собой модульную конструкцию, мощность которой может варьироваться от 10 кДж до 1 МДж в зависимости от конкретного применения.

Электромагнитно-импульсная сварка | Бельгийский институт сварки NPO

Магнитно-импульсная сварка — это новый, очень инновационный, но почти неизвестный производственный процесс. Принцип работы процесса сварки основан на использовании электромагнитных сил для деформации и сварки заготовок. Поскольку этот сложный процесс сварки не использует тепло для создания сварного шва, он предлагает важные преимущества по сравнению с традиционными методами сварки!

Принцип работы

Основной принцип показан на рисунке ниже. Заготовки помещаются внутрь катушки. Большое количество энергии сжимается и высвобождается за чрезвычайно короткий промежуток времени. Некоторые системы могут разрядить до 2 миллионов ампер всего за 100 микросекунд. В катушке течет высокая энергия, и разряд электрической энергии индуцирует так называемые «вихревые токи» во внешней заготовке. Оба тока (в катушке и во внешней заготовке) индуцируют магнитные поля, которые противодействуют друг другу. Силы реакции между противоположными магнитными полями прижимают внешнюю часть к внутренней с высокой скоростью, вызывая сварку. Скорость удара более 1000 км/ч. Это приводит к постоянному искажению без пружинения заготовки.

Реальный процесс длится не более 100 микросекунд. Нет необходимости в защитной атмосфере, наполнителях или других вспомогательных материалах. Процесс магнитно-импульсной сварки является «холодным» процессом сварки, материал не нагревается выше 30°С. За счет этого не создается зона термического влияния, а металл не деградирует. Сварной шов становится самой прочной частью сборки.

Защитные газы, наполнители или другие вспомогательные материалы не требуются. Процесс магнитно-импульсной сварки также является «холодным» процессом сварки, выделение тепла очень ограничено. При этом не создается зона термического влияния и свойства материала в зоне сварки не изменяются. Отсутствие нагрева во время цикла сварки позволяет соединять материалы с сильно различающейся температурой плавления. Это, например, можно соединить алюминий с медью, алюминий со сталью или медь с латунью. Микроскопическая картина поперечного сечения сварного шва обнаруживает много сходства с изображением соединения, сваренного взрывом.

 

Соединение медных и алюминиевых трубок

Интерфейс сварного шва медь-латунь

Оборудование

Оборудование для магнитно-импульсной сварки состоит из следующих компонентов:

• высоковольтный трансформатор,
• емкости, в которых хранится электрическая энергия,
• катушка для сварки,
• катушка трансформатора, с помощью которой можно регулировать частоту и амплитуду разряда электрического тока.

BWI имеет тестовую установку, которая позволяет исследовать применимость процесса для определенных приложений. Максимальная энергия сварочного аппарата 50 кДж при зарядном напряжении 25 кВ. На следующем рисунке показана катушка в сочетании с формирователем поля.

 

Преимущества и ограничения процесса магнитно-импульсной сварки

• Сварной шов прочнее самого слабого основного материала: при испытании материала трещина появляется вне зоны сварного шва.
• Защитная атмосфера, наполнители или другие вспомогательные материалы не требуются.
• Магнитно-импульсная сварка – это «холодный» процесс сварки, детали не нагреваются. Поэтому не создается зона термического влияния и не происходит потери свойств материала. Это также означает, что свариваемые детали можно разжимать сразу после сварки и сразу же приступать к дальнейшей обработке.
• Высокая скорость производства, иногда до 10 штук в минуту.
• Это экологический процесс сварки, так как не выделяется тепло, излучение, газ или сварочный дым.

Условием магнитно-импульсной сварки является то, что деформируемый материал должен обладать хорошей электропроводностью. Если это не так, необходимая энергия для деформации или сварки материала увеличивается. Другим условием является то, что соединяемые поверхности должны располагаться в конфигурации внахлест.

 

Материалы

Процесс можно использовать для соединения цилиндрических или плоских заготовок внахлест. Отсутствие нагрева во время цикла сварки позволяет соединять разнородные материалы. До сих пор исследовано небольшое количество комбинаций материалов. Магнитно-импульсная сварка успешно применяется при сварке алюминия со сталью. Также другие разнородные и подобные металлы, которые были успешно сварены (см. таблицу ниже).

Этот метод соединения подходит для широкого спектра электропроводных материалов. Менее проводящие материалы требуют более высокой энергии. Поперечное сечение сварного шва во многом похоже на сечение сварного шва взрывом.

Возможные комбинации материалов:

• алюминий к алюминию
• алюминий к меди
• алюминий к магнию
• алюминий к титану
• медь к меди
• медь к стали
• от меди до бронзы
• никель к титану
• никель к никелю
сталь
• к стали

 

Соединение разнородных материалов

Можно найти применение для соединения материалов, которые трудно соединить с помощью обычных методов сварки. Например, медь и алюминий — это материалы, которые обычно соединяются пайкой или пайкой, но эти процессы трудоемки и поэтому дороги. Другими отраслями, которые исследуют использование процесса для своих приложений, являются аэрокосмическая и ядерная отрасли, где используются очень специфические жаростойкие материалы.

Другими областями применения являются медные трубы в холодильных системах, которые можно сваривать по этой технологии.

Алюминий-медь и алюминий-сталь (Источник: BWI & SLV München

 

) где должны быть соединены медные трубы с фланцами из нержавеющей стали. В настоящее время эти соединения все еще нуждаются в пайке. Другими возможными применениями являются сосуды под давлением для систем кондиционирования воздуха в легковых автомобилях или топливных фильтров. На следующем рисунке показан сосуд высокого давления, сваренный электромагнитным импульсом изготовлен из алюминиевой трубы и двух алюминиевых концевых частей.Сварные швы в этом сосуде непроницаемы для гелия и устойчивы к очень высокому давлению систем кондиционирования воздуха.

Electromagnetic pulse welded pressure vessel for airconditioning systems (Source: PSTProducts)

 

Aluminium-Stainless steel (Source: BMax)

Магнитно-импульсная сварка по сравнению со сваркой MIG/MAG (компоненты систем кондиционирования)

 

 
Магнитно-импульсная сварка карданного вала (соединение алюминий-сталь)
(Источник: PSTproducts)

Магнитно-импульсная сварка: инновационная технология соединения одинаковых и разнородных пар металлов

• Панель авторов Войти

Что такое открытый доступ?

Открытый доступ — это инициатива, направленная на то, чтобы сделать научные исследования бесплатными для всех. На сегодняшний день наше сообщество сделало более 100 миллионов загрузок. Он основан на принципах сотрудничества, беспрепятственного открытия и, самое главное, научного прогресса. Будучи аспирантами, нам было трудно получить доступ к нужным нам исследованиям, поэтому мы решили создать новое издательство с открытым доступом, которое уравняет правила игры для ученых со всего мира. Как? Упрощая доступ к исследованиям и ставя академические потребности исследователей выше деловых интересов издателей.

Наши авторы и редакторы

Мы являемся сообществом из более чем 103 000 авторов и редакторов из 3 291 учреждения в 160 странах, в том числе лауреатов Нобелевской премии и самых цитируемых исследователей мира. Публикация на IntechOpen позволяет авторам получать цитирование и находить новых соавторов, а это означает, что больше людей увидят вашу работу не только из вашей собственной области исследования, но и из других смежных областей.

Оповещения о содержимом

Краткое введение в этот раздел, описывающий открытый доступ, особенно с точки зрения IntechOpen

Как это работаетУправление настройками

Контакты

Хотите связаться? Свяжитесь с нашим головным офисом в Лондоне или командой по работе со СМИ здесь

Карьера

Наша команда постоянно растет, поэтому мы всегда ищем умных людей, которые хотят помочь нам изменить мир научных публикаций.

Рецензируемая глава в открытом доступе

Автор:

Т. Сапанатан, Р. Н. Раоэлисон, Н. Буирон и М. Рачик0004

DOI: 10.5772/63525

Скачать бесплатно

из редактированного тома

Под редакцией Mahadzir Ishak

Заказ о заказах

Глава Metrics Обзор

3 099 ГЛАВА.

Abstract

Когда-то магнитно-импульсная сварка считалась исключительным инновационным решением в области сварки, и в начале 2000-х годов она привлекла смежные производственные отрасли и, в частности, автомобильные компании к своим сложным сборочным решениям. Хотя этот метод был реализован некоторыми крупными производителями для различных задач соединения, этот процесс все еще не нашел широкого применения в промышленности. Однако в последние годы многие исследователи обратили свое внимание на потенциальные приложения и исследования этого процесса из-за наличия узких мест и принципиальной новизны этой техники. В этой главе четко описываются процесс, области применения, требования, кинематика межфазной поверхности сварки, численные прогнозы поведения межфазной границы и мультифизическое моделирование. В этой главе рекомендуется, чтобы общий вид процесса был многообещающим, хотя он требует особого внимания к отдельным случаям сварки и сочетаниям материалов.

Ключевые слова

• магнитно-импульсная сварка
• интерфейс
• численное моделирование
• свариваемость
• пластическая деформация

–5]. Эти типы материалов становятся привлекательными для современных инженерных приложений, поскольку они могут обеспечивать несколько свойств в одном решении [6–9]. Магнитно-импульсная сварка (ИМС) представляет собой инновационную технологию соединения, которая в основном рассматривалась для этой цели [10]. Эта технология включает в себя значительно высокую скорость столкновения и пластическую деформацию с высокой скоростью деформации. Как правило, заготовка испытывает скорость деформации до 10

² –10 ⁴ с ^-1 [11], в то время как на интерфейсе это может достигать 10 ⁶ –10 ⁷ с ^-1 [12]. Синергетический эффект между электромагнитными явлениями и пластичностью металла способствует преимуществам этого процесса по сравнению с обычными и другими методами высокоскоростной сварки. Однако этот процесс до сих пор не получил широкого распространения, несмотря на то, что он известен с конца 1960-х годов [13, 14], а его бурно развивающиеся преимущества привлекли внимание автопроизводителей в начале 2000-х годов. То есть широкомасштабное внедрение этой технологии всегда было затруднено существованием уникальных сложных реалий этого процесса. Но, к счастью, последние технологические достижения позволяют провести тщательные исследования, чтобы понять физические явления этого мультифизического процесса и облегчить эффективное использование технологии в современных инженерных приложениях. Новые научные технологии предоставляют больше возможностей для изучения таких высокоскоростных производственных процессов с использованием сложных инженерных инструментов, таких как высокоскоростные измерения, экспериментальные наблюдения, микроскопический анализ и передовые вычислительные методы.

Считается, что MPW предлагает инновационные решения в области технологии соединения, и в этом контексте рассматриваются достоинства этого процесса. Цели этой главы разделены на пять основных разделов, включая текущее положение MPW и его потенциал, описание процесса, характеристики сварного шва и отклонения, идентификацию характера сварного шва путем моделирования поведения границы раздела во время столкновения и вычисление -динамика полета с использованием сопряженного мультифизического численного моделирования.

Реклама

2. Положение процесса MPW сегодня и его влияние

Техническое и финансовое объединение процессов предлагает большой потенциал и представляет собой значительный глобальный рынок. Краткий обзор добавленной стоимости, принесенной совместными действиями, посвящен растущему интересу к этой инженерной области. В этой части главы объясняется технико-экономическое состояние технологии сварки, включая последние разработки в 2005–2007 гг. , о добавленной стоимости с ее растущей тенденцией для мирового рынка сварки. Текущее состояние технического развития знаменует собой крупный технологический переход с появлением метода сварки в твердом состоянии для MPW. Дан краткий обзор технических решений, разработанных MPW. Он также предоставляет различные представления успешных конфигураций, подходящих комбинаций материалов и основных преимуществ, предлагаемых процессом MPW.

2.1. Социально-экономическое влияние процессов соединения и сварки

Недавнее исследование, посвященное европейской зоне, предоставляет данные, касающиеся технических и финансовых последствий технологии соединения и добавленной стоимости, создаваемой производственной деятельностью соединения [15]. В случае Германии данные являются репрезентативными, поскольку эта страна является ведущим производителем соединительных машин, которые составляют около одной трети производства ЕС [15]. Имеющиеся данные сообщают, что только для этой страны добавленная стоимость, создаваемая сборочной промышленностью, увеличилась более чем на 22 миллиарда евро к 2000-м годам без какого-либо значительного снижения [15], что соответствует пропорции увеличения на 26% на европейском уровне. Но вклад других стран также важен; это включает Италию, Францию, Польшу и Великобританию, которые соответственно предоставили 18%, 10%, 9% и 8% [15]. Эта оценка не включает ни мировые данные, ни последние данные, но представляет собой показатель социально-экономического влияния технологии соединения.

Сварочные работы обычно охватывают значительную часть сборочного производства. Для справки: общий рыночный оборот Германии в 2003 г. составил 19,3 млрд евро, что обеспечило 6% рабочих мест, связанных с этой отраслью, что составляет 1,7% прироста возможностей трудоустройства, включая все сектора [16]. Сравнительное исследование, проведенное в период с 2001 по 2005 год, показало, что добавленная стоимость увеличилась на 18% за счет создания рабочих мест, в том числе 5%, непосредственно связанных со сварочной деятельностью [16]. Такое расширение подчеркивает социально-экономические преимущества технологии сварки. Кроме того, обратите внимание, что сварка представляет собой значительные инвестиции в несколько отраслей промышленности, включая самые передовые отрасли транспорта, энергетики и медицины.

В конкретном случае соединения металлов методы сварки обеспечивают некоторую полезную гибкость. Он не требует промежуточных соединительных компонентов (болтов, заклепок, клеевого слоя, припоя и т. д.), что позволяет производить конструкции с преимуществами снижения стоимости и веса. Сварной шов может представлять собой неразъемное соединение, которое подходит для многих механических характеристик. Кроме того, методы сварки могут применяться в различных масштабах длины, от микрометрических (микросварка) до нескольких сотен миллиметров. Кроме того, методы сварки включают в себя несколько методов и процессов, что делает их надежными, широко используемыми и неотъемлемыми от технологических достижений и инноваций.

2.2. Инновационный характер технологии электромагнитных импульсов (EMPT)

Традиционные процессы сварки демонстрируют трудности при соединении новых комбинаций металлов. Нынешние инновации все чаще представляют собой разнородные узлы, которые позволяют решать новые задачи, такие как требования к легкому весу, структурное усиление и другие функциональные характеристики. В этом отношении инновационные решения привели к рассмотрению сложных функциональных комбинаций материалов, включая металлические сборки с различными температурами плавления, где процессы сварки плавлением не работают при создании таких соединений на границе раздела. Несовпадение температур плавления двух разнородных металлов препятствует успешному формированию соединения за счет затвердевания расплавленной ванны, что обычно достигается в процессе сварки плавлением. Изучение новых методов привело к появлению различных принципов сварки, среди которых методы высокоскоростной ударной сварки (HVIW) позволяют соединять разнородные металлические комбинации. Высокое давление, короткая продолжительность и низкотемпературная сварка составляют основную особенность этих методов [17]. Сварка включает сильное межфазное столкновение в различных высокоскоростных методах удара с использованием взрывной детонации (сварка взрывом), лазерного ударного импульса (лазерная точечная сварка), магнитного импульса (MPW) или срабатывания испаряющей фольги (сварка с испаряющей фольгой). .

Использование электромагнитного импульса для создания значительной силы Лоренца делает MPW привлекательным методом по сравнению с другими высокоскоростными процессами контактной сварки. EMPT особенно отличается с точки зрения стоимости, надежности, простоты использования, гибкости, скорости работы, отсутствия требований к расходным материалам и экологической эффективности [18]. Этот метод просто периодически использует стандартный электрический источник и магнитную катушку. Испытание на сварку не требует ни обработки поверхности, ни длительной экспериментальной подготовки и выполняется за очень короткий промежуток времени, т. е. на изготовление соединения уходит менее нескольких сотен микросекунд. Это точный метод соединения, который был успешно применен для нескольких одинаковых и разнородных металлических комбинаций для различных конфигураций, таких как нахлест, половинный нахлест, перекрестный нахлест, торцевой нахлест и т. д. Этот метод соединения также подходит для различных геометрических компонентов, включая трубчатые сборки, пластины. или любой конкретной формы. Возможно создать сложное распределение силы магнитного импульса благодаря высокой гибкости конструкции инструмента для электромагнитной сварки [19].]. Текущие возможности EMPT описаны Kapil et al. [18]. Авторы обратились к всестороннему обзору успешных приложений, некоторые из которых переходят в промышленное производство, а также к растущему интересу к этому процессу в нескольких промышленных секторах, таких как автомобильная, аэрокосмическая, ядерная, электрическая и микроэлектромеханическая системы (МЭМС), ордонансы и упаковка [18]. ]. Несмотря на многочисленные прагматические результаты, вкратце его применение хорошо подходит для любой трубной сборки, правильной или неправильной формы, а также для любых соединений плоской формы (рис. 1). EMPT успешно применяется для выполнения различных производственных задач с использованием полуавтоматических и полностью автоматизированных линий компанией «PSTproducts GmbH», которая также предлагает инженерные и промышленные решения, включая роботизированный манипулятор, для эффективной переноски устройства в случаях промышленной сварки (рис.  2) [20]. . Кроме того, процесс охватывает широкий спектр комбинаций материалов, включая металлическое стекло на основе Cu/Zr [21], алюминий/металлическое стекло [22], Cu/манганин [23], гибкие печатные платы [24], Cu/латунь, Cu/сталь, Cu/Al, Al/сталь, Al/Mg, Al/Ni, Al/Fe, Al/Ti и Ti/Ni [25–27]. Обладая всеми этими вышеупомянутыми преимуществами, EMPT постоянно исследуется и оптимизируется, чтобы привнести новые потенциальные достижения для эффективного промышленного внедрения.

Рис. 1.

EMPT для промышленного применения, реализованного «PSTproducts» (a) Электрическая шина Al/Cu [www.pstproducts.com], (b) гофрированная часть коробки передач EMPT [www.pstproducts.com] (c ) Сварной алюминиевый сосуд высокого давления EMPT для системы кондиционирования воздуха [28], (d) Сварной EMPT аварийный бокс из алюминия/стали [www.pstproducts. com], (e) Сварная охлаждающая пластина EMPT из алюминия/меди [www.pstproducts.com] ( f) балка инструментальной панели из гофрированной алюминиевой/стальной трубы EMPT [28], (g) EMPT для окантовки алюминиевого сосуда под давлением [28], (h) гофрированная крышка EMPT из алюминия на фармацевтической стеклянной бутылке [29], (i) гофрированный ведущий вал EMPT [28] и (j) гофрированная пневматическая подвеска EMPT [28].

Рис. 2.

(а) Автоматизированный манипулятор, используемый для реализации ЭМИ при строительстве тела в белом (BIW), и (б) различные сварные компоненты, изготовленные с использованием манипулятора компанией «PSTproducts» [20].

Объявление

3. Описание процесса MPW

В общем, процесс MPW представляет собой удобный метод соединения. Принцип работы процесса прост, а процедура сварки быстра, легка и жизнеспособна. В этом разделе кратко объясняется общий принцип процесса, включая архитектуру сварочного аппарата и параметры сварки. Представлены взаимодействия между параметрами процесса и сварки, включая спецификации их контролируемого и измеримого характера. Это дает целостное понимание принципа процесса с различными переменными, участвующими в выборе параметров сварки.

3.1. Схема магнитно-импульсной сварки

На рис. 3 показана типичная схема магнитно-импульсной сварки с конфигурацией внахлест, используемой для сварки комбинации сердцевина-оболочка. MPW достаточно гибок, чтобы сваривать компоненты различной формы для различных конфигураций соединений, таких как половинный нахлест, внахлест, внахлест и внахлест (раздел 2.2). По сути, установка MPW состоит из генератора импульсов, катушки и дополнительного формирователя поля. Генератор содержит трансформатор, который преобразует низковольтный источник питания в высоковольтный заряд в диапазоне киловольт, хранящийся в конденсаторной батарее. Эта генераторная установка, подключенная к катушке индуктивности через управляющий переключатель, обеспечивает высокий разрядный ток в диапазоне нескольких сотен килоампер. Электрический разряд, протекающий через катушку, создает магнитное поле, которое создает значительно большую силу Лоренца во внешней трубе (рогале) в случае трубчатого узла. Таким образом, трубка флаера претерпевает пластическую деформацию с высокой скоростью деформации и сталкивается с неподвижным внутренним стержнем, вызывая столкновение с высокой скоростью. Частота разрядных импульсов зависит от параметров электромагнитной цепи (уравнение 1) и находится в пределах 10–200 кГц, но обычные рабочие частоты во время применения находятся в пределах 10–20 кГц. Индуктивную многовитковую катушку можно использовать с формирователем поля, который концентрирует магнитное поле в рабочей зоне, увеличивая напряженность магнитного поля. Кроме того, можно также контролировать электромагнитное поле и последующую деформацию материала, используя формирователь поля различной геометрии для одной и той же катушки [30]. Процесс также может выполняться без формирователя поля в зависимости от требуемых параметров процесса, или может быть изготовлена ​​сама катушка с геометрией формирователя поля, особенно подходящей для одновитковых катушек. Однако использование многовитковой катушки с одновитковым формирователем поля является примечательной практикой в ​​современном производстве, которая снижает стоимость замены в случае повреждения любого инструмента. На рис. 3 показана конфигурация MPW, включающая катушку с отдельным формирователем поля, а также указано направление электромагнитных сил на внешней трубе, где сжимающая сила Лоренца способствует деформации трубки флаера.

Рис. 3.

Типичная архитектура MPW и опрессовка трубчатых сборок, используемых в конфигурации внахлест.

Частота цепи f может быть определена другими параметрами с использованием уравнения (1).

f=12π1LCE1

Где L — общая индуктивность цепи (Гн) и C — емкость генератора (Ф).

3.2. Описание влияющих параметров и рабочих условий

Тест MPW состоит в основном из простой процедуры. Заготовки размещаются внутри рабочей секции трубчатой ​​сборки. Диаметры флаера и внутреннего стержня определяют воздушный зазор, который находится между внутренней поверхностью флаера и внешней поверхностью стержня. Формирование соединения в конфигурации внахлест определяет длину сварного шва в зависимости от вставленных длин стержня и трубы внутри рабочей зоны в сборке. Пользователь MPW подготавливает эту установку, в которой начальный воздушный зазор является одним из основных геометрических параметров, влияющих на условия столкновения и, следовательно, на формирование сварного шва. Пульт управления позволяет настроить напряжение разряда, которое является основным регулируемым параметром, управляющим испытанием на сварку. Значение напряжения разряда указывается как таковое или в единицах энергии разряда ( E ), определяемое уравнением (2).

E=12CU2E2

Где E — энергия разряда (Дж), C — используемая общая емкость конденсатора батареи (Ф) и U — напряжение разряда (В). Как правило, разрядное напряжение и начальный воздушный зазор обеспечивают набор контролируемых параметров, обозначаемых как ( U, g ). Они указаны для каждого соответствующего испытания сварки. Однако частота разрядных импульсов также становится решающим параметром процесса, поскольку она определяет проникновение магнитного поля от катушки через толщину рогульки. Это создает вихревой ток во внешней области флаера, который проникает в соответствии с глубиной скин-слоя, определяемой уравнением. (3). Взаимодействие вихревого тока с магнитным полем катушки создает силу Лоренца, ускоряющую летун до момента его столкновения с внутренним стержнем. Следовательно, без эффекта скин-глубины движение летательного аппарата невозможно. Следовательно, для эффективного столкновения частота импульса разряда должна быть выбрана так, чтобы глубина скин-слоя была меньше толщины стенки летательного аппарата. уравнение (3) также показывает влияние глубины скин-слоя на частоту разрядного импульса. Более подробную информацию о глубине скин-слоя можно найти в другом месте [31].

δ=ρπfμoE3

Где δ, ρ, f и µ _o соответственно обозначают толщину зоны воздействия глубинного скин-эффекта (м), удельное электрическое сопротивление флаера (Ом·м) , частота разрядного тока (Гц) и магнитная проницаемость в свободном пространстве.

Высокочастотный ток обычно рекомендуется для металлов с высоким сопротивлением. Также следует внимательно отнестись к частоте разрядных импульсов, необходимой для установки генератора, который также изменяет мощность сварочного аппарата. Кроме того, увеличение частоты разряда уменьшает продолжительность импульса, что впоследствии увеличивает скорость деформации флаера и, как следствие, динамическую реакцию материала и условия столкновения. Эти взаимосвязанные эффекты могут затруднить выбор подходящей частоты разряда, которая способствует получению ожидаемых результатов. Как правило, напряжение разряда и воздушный зазор являются наиболее регулируемыми параметрами для испытания MPW. Значение частоты импульса разряда определяется экспериментальным измерением с использованием зонда Роговского.

Реклама

4. Поведение поверхности раздела и отклонения сварного шва

В обычном процессе сварки сварной шов в основном определяется тремя отдельными зонами: затвердевшей расплавленной зоной в месте соединения, окружающей зоной термического влияния и основными металлами, свойства которых оставаться прежним. Сварной шов обычно производится в больших масштабах, чтобы обеспечить эффективное соединение на границе раздела во время обычного процесса сварки. Но в MPW, поскольку принцип соединения совершенно другой, понятие характера сварного шва особенно разнообразно с точки зрения размера и морфологии. Высокоскоростные ударные сварные швы обычно ограничены на границе раздела зонами толщиной в несколько микрометров. Непосредственно между двумя компонентами возникает постоянная связь, но поведение границы раздела представляет различные отклонения сварного шва. Исследования сварных образцов из соединений Al6060-T6/Al6060-T6 позволили выявить характерные отклонения для аналогичной пары металлов [32–35]. Основные наблюдения таких исследований представлены в следующих разделах, которые также касаются эффекта объединения разнородных комбинаций.

4.1. Начало сварного шва без видимой межфазной деформации

Рис. 4.

Типичные межфазные характеристики начала соединения [32,33]: (a) увеличенный вид прямой склеенной поверхности, (b) типичная большая зона склеивания и (c) типичный связанный интерфейс с началом межфазного сдвига.

Интерфейс подвергается прогрессивному кинематическому явлению, которое определяет генерацию различных морфологий интерфейса при столкновении на высокой скорости. В MPW природа сварного шва, как правило, определяется на микроскопическом уровне, и первый случай представляет собой очевидное соединение, показывающее непрерывность металла на прямом соединении (рис. 4). Это соответствует возникновению сварного шва, вызванного преобладающим высоким сжимающим напряжением, которое является гидростатическим напряжением, поскольку зерна, прилегающие к границе раздела, остаются недеформированными (рис. 4). Межфазная зона имеет равноосную зернистую структуру без какой-либо заметной деформации, способствующей образованию связи за счет гидростатических напряжений. Как правило, контактное давление ожидается в диапазоне 1–20 ГПа в соответствии с простой оценкой, основанной на выражении давления столкновения P=ρ1ρ2C1C2Vi/(ρ1C1+ρ2C2), где ρ ₁ and ρ ₂ are the material densities, C ₁ and C ₂ are the speed of longitudinal waves in those materials and V _i is скорость удара. Сварной шов может быть в значительной степени прямым, если граница раздела остается стабильной во время полного столкновения (рис. 4b). Гидростатическая связь однородна вдоль границы раздела, и столкновение в основном определяется нормальным напряжением. Однако из-за косого столкновения тангенциальная составляющая скорости удара может быть достаточно высокой, чтобы вызвать сдвиговое действие на границе раздела. Поэтому в результате ограниченного сдвига близлежащие зерна вблизи границы раздела становятся сплющенными и удлиненными, как показано на рисунке 4c.

4.2. Межфазная деформация и волнообразный характер связанных поверхностей раздела

Межфазный сдвиг вызывает серию кинематических неустойчивостей, которые изменяют морфологию границы раздела, поведение которой похоже на неустойчивость Кельвина-Гельмгольца, возникающую на границах раздела жидкостей, подвергающихся межфазному сдвигу. Прямой интерфейс становится волнистым в начале нестабильности. Развитие волны на границе определяется двумя основными явлениями: интерференцией сжимающих ударных волн из-за динамического столкновения и явлением струйной обработки, обусловленным попеременной инверсией. Как предположили Бен-Арци и др., первое явление представляет собой механизм создания периодических горбов правильной формы [36]. Высота и периодичность волн зависят от размеров конструкции, интенсивности сжимающих напряжений и интерференции ударных волн вдоль границы раздела. В этих условиях зарождение и развитие горба можно рассматривать как следствие деформации скрепленной и сдвинутой границы раздела при отражении механических волн. Все горбы, независимо от их амплитуды, обнаруживают деформации сдвига вдоль границы раздела, которые должны были бы формировать волнообразную поверхность раздела (рис. 5).

Рис. 5.

Типичные поверхности раздела, сваренные магнитным импульсом, с волнистой морфологией, демонстрирующие сдвиг зерен вдоль волнообразной структуры [32,33].

4.3. Феномен струйной обработки и поверхности раздела с неправильными волнистыми формами

Межфазный сдвиг может достигать порога неустойчивости из-за высокой скорости деформации и сильного сдвига. В литературе по ударной сварке для демонстрации этого обстоятельства используется понятие сдвиговой неустойчивости. Ограниченный сдвиг остается на границе раздела, но резко становится чрезмерным, так что возникает явление струйной обработки. Перед точкой столкновения формируется тангенциальная струя, а кинематика струи контролируется нормальной составляющей силы вдоль границы раздела, которая возникает как от ударных волн, так и от скорости удара. Струя может развиваться после серии восходящих и нисходящих струй, образуя последовательность перевернутых кривых вдоль границы раздела. Таким образом, граница раздела развивается за счет явления струйной обработки, которое интерпретируется как индикатор сварного шва и как механизм образования межфазных горбов. Однако кинематика сдвинутой границы настолько сложна, что трудно однозначно сказать, какой механизм действительно формирует волнистую границу: интерференция сжимающих ударных волн или явление струйной обработки. Эти два фактора могут быть сопутствующими, асинхронными или обусловленными их последствиями. В частности, для горбов правильной формы может преобладать одновременный выступ, как показано на рис. 6. Деформация границы раздела создает горб почти симметричной формы (правильной формы), в то время как зерна, прилегающие к связанной границе раздела, сильно сдвигаются с восходящей кинематикой при левая передняя часть горба и нисходящая кинематика в правой передней части (рис. 6а). Если струйное явление становится преобладающим, из-за прогрессирования горбов возникают неправильные формы. Можно четко наблюдать струйный аспект и его ориентацию, которые зависят от управляющих напряжений. В типичном случае, показанном на рис. 6b, возникает нисходящая струя. Первоначально это может быть восходящая струя, которая инвертируется интерференцией ударных волн на границе раздела, или чисто нисходящая струя, направляемая локальной эволюцией напряжения, или кинематическая неустойчивость, управляемая только противоположным сдвигом, аналогичная неустойчивости Кельвина-Гельмгольца. на границах раздела жидкостей, подвергающихся сдвигу. Следовательно, механизм образования волнистой границы раздела должен быть полностью изучен, несмотря на экспериментальную идентификацию конкретных морфологий.

Рисунок 6.

Волнообразная морфология с сильным ограниченным сдвигом, струйной обработкой, границей неправильной формы и началом дефекта [32,33]. (а) Волнообразование с восходящей кинематикой, (б) нисходящей кинематикой и (в) волнистой границей раздела с появлением дефектов.

4.4. Развитие вихря и образование дефектных сварных швов

Как правило, волнообразная форма идентифицируется как особенность высокоскоростного сварного соединения, а также предлагается в качестве индикатора сварного шва. Тем не менее, различие между регулярным и нерегулярным развитием волнистых интерфейсов может быть полезным. Образование выпуклостей неправильной формы из-за преобладания струйного явления указывает на сильный сдвиг, который может способствовать ограниченному нагреву. Пластическая работа также может быть достаточно высокой, чтобы вызвать сильное термомеханическое размягчение, даже плавление, и, таким образом, сильное напряжение сдвига будет неблагоприятным для образования сварного шва. Потенциальные вещества от выброса также приводят к образованию полостей в зоне сварки. Наблюдение за границей на Рисунке 7 представляет собой типичное начало дефектов, появляющихся на нерегулярной волнистой границе раздела, вызванной явлением струйной обработки. Формирование отверстий наблюдается на вершине струи и вблизи сильно сдвинутых границ раздела (рис. 7). Кроме того, дефекты ограничиваются клеевым соединением. Дефектный сварной шов также может быть вызван кинематическим продвижением границы раздела. Струйное течение может развиваться в сторону сложной кинематики, такой как закрученный поток. Зоны возникновения струйного течения становятся потенциальными местами развития вихрей, подобных неустойчивости Кельвина-Гельмгольца в жидкости. Экспериментально было очевидно, что зона воздействия струи (JAZ), содержащая заметные пустоты с круговой морфологией, подтверждает предположение о развитии вихря (рис. 7). Эти пустоты увеличиваются в размерах в зоне влияния вихря (ВАЗ), и их увеличение зависит от локальной кинематики и распределения напряжений. Отметим, что размер пустот может достигать нескольких сотен мкм, в том же диапазоне высоты горба, т.е. примерно равной величине ширины шва. Механизм образования пустот может быть связан с выбросом расплавленной жидкости, усадкой при затвердевании или локальной фрагментацией в сочетании с выбросом частиц под действием касательных напряжений [32]. В любом случае сварной стык становится дефектным из-за образования прерывистых пустот (рис. 7).

Рис. 7.

Типичные магнитно-импульсные швы с дефектами на ВАЗ [33,34].

MPW одинаковых пар металлов, как правило, раскрывает природу сварного шва среди вышеупомянутых отклонений. Это крупное изображение полезно для определения свариваемости. Ясно, что одного случая волнистой морфологии недостаточно, чтобы обосновать формирование сварного шва, как обычно предполагалось. Хотя этот индикатор сварки является ценным, соединение может происходить независимо от формы поверхности раздела, поэтому образование выпуклостей может привести к дефектному соединению. Кроме того, обсуждается актуальность волнистой морфологии для комбинаций разнородных металлов. Тем не менее, эта ситуация определяется как ненадежное рассмотрение формирования связи. Хотя в литературе по ударной сварке описано несколько случаев разнородных соединений правильной или неправильной волнообразной формы, существуют случаи, когда образование горбов способствует хрупким соединениям. Этот сценарий был обнаружен при замене предыдущей пары Al6060-T6/Al6060-T6 другой комбинацией Al6060-T6/Cu, при этом медь была внутренним стержнем, чтобы обеспечить такое же поведение летательного аппарата в полете до столкновения. Дальнейшие исследования поведения в полете сходных и непохожих случаев также изучаются с использованием мультифизического моделирования в разделе 6.

4.5. Сварка с межфазным смешением или интерметаллическими соединениями

С точки зрения несхожести материалов медь мягче, имеет более высокую температуру плавления и быстрее рассеивает межфазный нагрев, чем алюминиевый сплав. Сочетание этих свойств приводит к различному отклику на границе Al/Cu во время столкновения. В отличие от предыдущего случая (Al/Al) основные заметные изменения связаны с характером границы раздела и особенно заметны с развитием вихря. При развитии вихревой неустойчивости медь образует сплошную спираль из-за более высокой пластичности и более высокой температуры плавления, чем у летучей части. ВАЗ состоит из скрученного материала, так что медь и алюминий локально перемешаны (рис. 8а). Кинематика вихря вносит свой вклад в стыковку интерфейса с помощью механизма блокировки, управляемого явлениями перемешивания. Обратите внимание, что вихревая неустойчивость развивается при высокой скорости деформации и чрезмерной деформации, так что нагрев пластической детали позволяет расплавить алюминий во время явления закрутки. Расплавленная фаза быстро затвердевает из-за ограничения нагрева, а быстрому отводу тепла способствует хорошая теплопроводность как меди, так и алюминия. Эти два фактора способствуют высокой скорости охлаждения в диапазоне 10 ^4-6 К/с, что предотвращает атомные структурные изменения, такие как кристаллизация во время медленной термической кинетики. Гипертушение замораживает случайное распределение атомов в исходной расплавленной фазе и создает интерметаллическую фазу, которая, как было доказано, является аморфной [37]. Следовательно, разнородная комбинация Al/Cu способствует образованию интерметаллидов внутри ВАЗ и вдоль границы раздела, что изменяет физическую природу сварного шва. Интерметаллические фазы могут появляться в виде прерывистых карманов (рис. 8b) или в виде сплошного слоя с неравномерной толщиной (рис. 8c). В любом случае наличие промежуточной интерметаллической среды вносит новую дисперсию сварного шва, которая особенно рекомендуется для соединений разнородных металлов, изготовленных в MPW.

Рис. 8.

Типичные разнородные магнитно-импульсные сварные швы с (а) развитием вихрей, (б) интерметаллическими карманами и (в) сплошным интерметаллическим слоем на границе раздела [33].

4.6. Разрушение интерметаллических фаз и сварных швов

Формирование неразъемного соединения затруднено из-за накопления промежуточных интерметаллических соединений (ПМС). Быстрая усадка на стадии затвердевания связана с явлением холодного растрескивания, обусловленным неоднородной теплопроводностью в сочетании с несовместимостью коэффициентов теплового расширения. В случае тонкого слоя IMC наблюдения с помощью светового микроскопа при малом увеличении выявляют поперечные трещины по всей толщине без дальнейшего распространения за пределы интерметаллической зоны (рис. 9).а). Эти микротрещины случайным образом сливаются и образуют произвольное разнонаправленное распространение трещин. Интерметаллическая среда способствует фрагментации трещин, что приводит к катастрофическому разрушению соединения (рис. 9b). Показано, что загущение интерметаллидной фазы способствует образованию многочисленных трещин, поэтому его появление может сильно ухудшить целостность сварного шва. В конечном итоге граница раздела может полностью разрушиться из-за распространения макротрещины внутри интерметаллидной зоны вдоль границы раздела. Согласно экспериментальным анализам, это крупное разрушение связано с развитием преобладающих усадочных напряжений во время затвердевания интерметаллидов или с вредным напряжением сдвига, возникающим из-за выброса жидких или твердых интерметаллических фаз с поверхности раздела [33-35]. Наконец, разъединение границы раздела может быть также результатом отделения расплавленных ИМК от твердой стенки алюминия, в то время как во время ограниченного плавления могут действовать открывающие напряжения. Такая гипотеза была подтверждена экспериментальными наблюдениями, обнаруживающими типичные черты жидкости, свободно растекающейся до затвердевания [33–35]. Действительно, верхняя поверхность идентифицированной интерметаллической области имеет гладкий вид без трещин из-за отслоения, а неоднородный характер этой поверхности свидетельствует о свободном течении жидкости [33]. Все эти явления, связанные с образованием интерметаллидов, отрицательно сказываются на эффективности сварки комбинаций разнородных металлов. Единственной альтернативой является минимизация толщины интерметаллического слоя с использованием определенной минимальной критической энергии удара. Следовательно, от сходного к разнородному сочетанию металлов понятия склеивания и свариваемости феноменологически различны, так что их отождествление должно быть точно установлено. Следующий раздел представляет собой численное моделирование для воспроизведения морфологии межфазной поверхности, которая может быть использована для выявления потенциальных отклонений сварного шва, включая окно свариваемости для сходных и непохожих сборок.

Рис. 9.

org/1998/Math/MathML» xmlns:xlink=»http://www.w3.org/1999/xlink» xmlns:xsi=»http://www.w3.org/2001/XMLSchema-instance»> Типичные дефектные разноимпульсные магнитно-импульсные швы с (а) появлением трещин в интерметаллических фазах, (б) фрагментацией и (в) катастрофическим разрушением [33].

Реклама

5. Численное моделирование поведения границы раздела

Этот раздел начинается с обзора литературы, касающегося численного моделирования поведения границы раздела во время ударной сварки, прежде чем будет предложен подходящий метод, а именно моделирование Эйлера для расчета столкновения и формирование сварного шва. Этот метод применяется как для одинаковых, так и для разнородных комбинаций металлов (Al/Al и Al/Cu), чтобы продемонстрировать убедительные предсказания типичных особенностей поверхности раздела, включая волнистую морфологию и образование дефектов.

5.1. Краткий литературный обзор по моделированию ударной сварки

Численное моделирование образования сварного шва во время процессов ударной сварки можно разделить на пять отдельных методов, известных как лагранжев, адаптивный лагранжево-эйлеров (ALE), эйлеров, гидродинамический с гладкими частицами (SPH) и молекулярный. динамика (МД). Как правило, лагранжево вычисление терпит неудачу во время развития чрезмерного межфазного сдвига. Из-за большой деформации, вызванной кинематической нестабильностью интерфейса, сетка испытывает сильное сплющивание и искажение, что в конечном итоге приводит к прекращению расчета [38–48]. Волнистый интерфейс трудно выполнить, даже начало кинематики струи можно обнаружить с помощью этого метода. В качестве альтернативы предлагается метод ALE для улучшения качества сетки за счет использования алгоритма перемещения узлов во время вычислений [39].–41, 46, 49], но его реальная способность создавать убедительные волнообразные узоры должна быть продемонстрирована. Метод ALE также страдает от плохого качества сетки из-за межфазного сдвига и струйной обработки. Чтобы преодолеть проблемы с сеткой, были исследованы методы на основе частиц, среди которых расчеты МД позволяют точно моделировать сложные межфазные морфологии, но они соответствуют ограничениям масштаба [50–52]. Метод МД скорее подходит для малых масштабов, в диапазоне 10–100 нм, в отличие от метода SPH, который позволяет рассчитывать межфазную струйную и волнистую морфологию в больших масштабах [42, 43, 53, 54]. Однако точность метода SPH обсуждается в части учета диссипативных членов [55]. Метод становится непригодным, если преобладает такое физическое явление.

В настоящее время вычисление Эйлера дает возможность воспроизвести кинематику границы раздела во время столкновения. Как правило, метод Эйлера используется в вычислительной гидродинамике, но может применяться к твердому телу для моделирования потока материала с приемлемыми результатами при использовании определяющей модели Джонсона-Кука для описания материала [44, 45, 56, 57]. В литературе были представлены некоторые моделирующие интерфейсы слабой формы [42, 43, 50–53]. Метод заслуживает дальнейшего изучения для расчета полного развития волнистой морфологии, а также образования дефектов. Разделы 5.2–5.4 включают описание эйлеровой процедуры и убедительные результаты моделирования, поощряющие применение такого метода в MPW.

5.2. Метод Эйлера

Метод Эйлера в основном используется в вычислительной гидродинамике, которая решает уравнения сохранения массы, импульса и энергии. История переменных состояния вычисляется в любой точке (M) домена. Метод использует фиксированную вычислительную сетку, и зависящее от времени изменение этих переменных на каждой сетке описывает поток жидкости. Это называется чистым вычислением Эйлера применительно к ньютоновским и неньютоновским жидкостям. Основное различие между жидкостями и твердыми телами заключается в описании и трактовке механического поведения. Для особого случая динамики твердого тела зависимость напряжения от высокой скорости деформации определяет механическое поведение, и обычно используется определяющий закон, закон Джонсона-Кука. Для подходящей численной обработки этого закона предлагается метод расщепления для решения основных уравнений метода Эйлера, дифференциальные формы которого выражаются следующим образом:

∂ψ∂t+u.→grad(ψ)→=−ψdiv(u→)E4

∂u→∂t+u.→grad(u→)__=1ψdiv(σ__)→+1ψFv→E5

∂e∂t+u→.grad(e)→=σ__:D__E6

где, ψ,u→,σ__,Fv→,D__, соответственно обозначают плотность, вектор скорости, напряжение Коши, вектор внутренней силы тела, тензор скорости деформации и удельная внутренняя энергия, которая принимается за энтальпию для расчета нагрева за счет пластической работы σ__:D__.

Стратегия разделения состоит из операции, которая разлагает каждое уравнение сохранения на две части, чтобы отдельно вычислить переменные адвекции. В одномерной форме общее уравнение сохранения задается (уравнение 7), а расщепление дает пару уравнений (уравнения 8 и 9).

∂∅∂t+ux∂∅∂x=FE7

∂∅∂t=FE8

∂∅∂t+ux∂∅∂x=0E9

Уравнение (8) представляет собой обычное динамическое уравнение твердого тела решается обычным лагранжевым методом, то есть механическим расчетом пространственно-временного движения, заданного деформацией сетки в зависимости от поведения материала. Это называется лагранжевым шагом. После этого переменные конвергентного состояния, заданные лагранжевым шагом, переносятся с использованием уравнения (9) на фиксированной пространственной сетке. Это называется эйлеровым шагом, во время которого адвекция вычисляет материальный поток. Поверхность раздела материалов рассчитывается методом отслеживания фронта объема жидкости (VOF). Последовательное лагранжево/эйлерово вычисление устраняет проблемы искажения и уплощения сетки, что позволяет воспроизводить сложную кинематику границы раздела во время развития столкновения.

5.3. Виртуальные испытания поколения волнистой поверхности раздела

Виртуальные испытания проводятся в тех же условиях, что и для экспериментальных результатов, представленных в разделе 4. На рис. 10 показаны результаты, полученные при 2D-моделировании. Первый расчет рассматривает аналогичную комбинацию Al/Al с толщиной фланец 1,5 мм и воздушным зазором 2 мм. Закон Джонсона-Кука используется для описания поведения материала с предположениями об изотропном упрочнении, поверхности текучести фон Мизеса и геометрической нелинейности.

Вычисление методом конечных элементов по Эйлеру может обеспечить точные прогнозы в отношении формирования сварного шва и особенностей, характерных для ударной сварки, включая развитие межфазной волнообразной морфологии во время развития столкновения. На рисунке 10 столкновение распространяется справа налево. Склеивание начинается с прямого интерфейса, как описано ранее в разделе 4.1. Хотя эта ситуация может быть успешно просчитана обычным лагранжевым методом, основанным на деформации сетки, он не может создать волнистую поверхность раздела. Напротив, расчет Эйлера позволяет моделировать формирование слабых или больших волн вдоль границы раздела, как ясно показано на рисунке 10. Сложная кинематика струйной обработки воспроизводится с точным описанием поверхности раздела материала. На рис. 11 показаны три типа типичных струйных стадий перед точками столкновения. Наблюдается развитие последовательных перевернутых струй [вниз (рис. 11а) и вверх (рис. 11б, в)]. Поток материала, управляемый этим явлением струйной обработки, образует прогрессивную волнистую морфологию. Выброс частиц также проявляется в моделировании. С численной точки зрения этот результат возникает из-за процедуры переноса, которая вычисляет временную эволюцию каждой переменной состояния по расчетной сетке. Материальные потоки возникают там, где их появление ожидается. Обратите внимание, что выброс является физически реалистичным явлением в MPW. Показано, что твердые фрагменты или агрегаты выбрасываются из границы раздела при столкновении [32, 33].

Рис.

10.

Моделирование Эйлера, показывающее развитие волнистого узора на границе сварки.

Рис. 11.

Эйлерово моделирование кинематики струйного течения при распространении столкновения с нисходящей струей в (а) и восходящей струей в (б) и (в).

5.4. Расчет термомеханических явлений

Пластическая работа из-за межфазного сдвига играет значительную роль в межфазном поведении. Это вызывает явление локализованного нагрева вблизи зоны чрезмерного сдвига, где возникает изменение температуры. Благодаря точному расчету межфазной деформации моделирование Эйлера фиксирует межфазный нагрев, обеспечивая при этом точные прогнозы с точки зрения местоположения нагрева и формы зоны термического влияния (ЗТВ). На рис. 12 представлено сравнение расчетной ЗТВ и экспериментальных наблюдений. Результаты моделирования показывают особую ЗТВ, где самая высокая температура указывает на потенциальное место образования дефекта. В этой зоне происходит термомеханическое разупрочнение, способствующее развитию разрушения при возникновении неблагоприятных условий (критическая деформация, напряжения, параметры поврежденности и т. д.). Экспериментально вдоль волнообразного рисунка наблюдается образование пустот в пределах предсказанных численно экстремально нагретых участков. Экспериментальное наблюдение форм пустот также совпадает с формами высокотемпературного распределения во время численного моделирования соединения Al/Al (рис. 12a,b). В случае комбинации Al/Cu моделирование Эйлера также воспроизводит межфазный нагрев, что подтверждает соответствующие экспериментальные наблюдения (рис. 12c–e). Расчетный нагрев четко указывает на развитие ограниченного нагретого слоя для соединения Al/Cu. Распределение температуры слоя показывает убедительную форму и размер, что дает возможность предсказать образование промежуточных интерметаллических фаз на границе раздела. Кроме того, выброс значительного количества материала из-за сильного межфазного сдвига в сочетании с относительно более мягким материалом меди, чем у алюминия (рис. 12c–e), вызывает потенциально вредное явление, которое может объяснить большие экспериментальные трещины (рис. 12d). . Эти общие прогнозы демонстрируют возможности эйлерового моделирования для исследования условий свариваемости для MPW путем прямого расчета межфазного поведения во время столкновения. Такой подход значительно облегчит точное отображение условий сварки и тем самым будет способствовать повышению квалификации процесса.

Рис. 12.

Типичные результаты моделирования характера сварного шва для (а) сходных и (д) разнородных материалов, предсказание волнистой поверхности раздела и локализованных тепловых эффектов. Экспериментальные наблюдения волнообразования на (б) и вредных явлений на б–г.

Реклама

6. Мультифизический расчет поведения рогульки в полете

При ударной сварке поведение рогульки в полете определяет условия столкновения. Как правило, скорость летательного аппарата до удара определяет межфазные явления. Это характерный параметр, который следует знать в зависимости от процесса и регулируемых параметров. Экспериментальные измерения с использованием методов лазерной велосиметрии обеспечивают точную оценку скорости летательного аппарата, но численные расчеты дают лучшее описание скорости летательного аппарата с точки зрения пространственного и временного распределения. В этом разделе представлен мультифизический расчет поведения процесса MPW. Он охватывает электромагнитный разряд через катушку и сопряженный электромагнитно-механический расчет поведения летательного аппарата. Описывается трехмерная модель, включая физические взаимодействия процесса, определяющие уравнения, процедуру разрешения, а также граничные и начальные условия. Он используется, чтобы показать способность модели вычислять поведение процесса и, в частности, кинематику летательного аппарата и макроскопическую деформацию. Представлены иллюстрации моделирования пространственно-распределенной скорости удара.

6.1. Взаимодействие физики и мультифизики в процессе MPW

На рис. 13 описаны мультифизические явления, связанные с процессом MPW. Поведение летательного аппарата в полете в основном определяется электромагнитной индукцией и механической реакцией материала через силу Лоренца, в то время как структурная деформация изменяет распределение магнитного поля, которое, в свою очередь, влияет на электромагнитное взаимодействие между катушкой и летательным аппаратом. Этот процесс вызывает макроскопическую деформацию конструкции. Обратите внимание, что эффект глубины скин-слоя и связанное с ним ограничение тока вызывают эффект Джоуля, который нагревает внешнюю часть летательного аппарата, где возникает сила Лоренца. Как правило, интенсивность вихревых токов достаточно высока, до нескольких сотен кА, для создания сильного нагрева, который распространяется внутри флаера. Ожидается, что проводящий материал будет иметь хорошую теплопередачу, и наоборот, материал с низкой теплопроводностью. Металлы, такие как сталь, страдают от сильного нагрева из-за этого явления, тогда как алюминий или медь, по-видимому, ограничивают такой эффект нагрева. Следствием чего станет отклонение электромагнитных свойств от температуры, что может изменить силу Лоренца. Поэтому полное физическое описание явления, управляющего поведением летательного аппарата в полете, должно включать это электромагнитно-тепломеханическое взаимодействие. Однако при подходящих условиях электромагнитно-механическая связь обеспечивает точный расчет кинематики летательного аппарата.

Межфазное столкновение представляет собой скорее микроскопическое явление, которое можно рассматривать отдельно, используя кинематику летательного аппарата, заданную электромагнитно-механическим макроскопическим расчетом. Зависимое от времени распределение скоростей летательного аппарата становится начальным условием для расчета удара, как описано ранее в разделе (раздел 5. 3). Структурные изменения, связанные как с межфазной динамикой, так и с термокинетикой, предполагают рассмотрение конкретных металлургических явлений, которые определяют свойства соединения. Однако мультифизическое моделирование интерфейса может быть ограничено механическими и тепловыми аспектами для воспроизведения морфологических особенностей интерфейса. В моделировании интерфейса (раздел 5.3) механические расчеты описывают кинематику интерфейса с нагревом пластической детали, в то время как теплопередача учитывает изменения механических свойств из-за теплового эффекта.

Рис. 13.

Синоптическое изображение мультифизических взаимодействий, вовлеченных в процесс MPW.

Кроме того, временные шаги решения являются важными входными параметрами, которые определяют сходимость моделирования. В электромагнитно-механической связи это требует как электромагнитного, так и механического временных шагов во время моделирования. В общем случае шаг по электромагнитному времени Δ T ≤ p ² /2 D , где p и D — характерный размер ячеек и характерное время диффузии. Характерное время диффузии D определяется формулой D = 1/ мкс . Шаг механического времени (Δ t ) всегда меньше, чем шаг электромагнитного времени, Δ t ≪ Δ T .

6.2. Трехмерная связанная электромагнитно-механическая модель

Электромагнитная задача определяется уравнениями Максвелла (уравнения 10–13) и определяющими соотношениями электричества и магнитного поля (уравнения 14 и 15). Расчет магнитного поля и вихревых токов может быть выполнен с использованием этих уравнений.

∇→×E→=−∂B→∂t→E10

∇→×H→=j→+ε∂E→∂tE11

∇→⋅B→=0E12

∇→⋅E→= ρεE13

j→=σE→+Js→E14

B→=µH→E15

В этих уравнениях σ, μ и ε представляют соответственно электрическую проводимость, магнитную проницаемость и электрическую диэлектрическую проницаемость. E→,B→,H→,ρ,j→и Js→обозначают электрическое поле, плотность магнитного потока, напряженность магнитного поля, полную плотность заряда, полную плотность тока и плотность тока источника соответственно. В процессах формирования магнитных импульсов и сварки не происходит накопления заряда, и приближение вихревых токов следует плотности тока без расхождения, что подразумевает ρ = 0 и ε∂E→∂t=0.

Из-за условия дивергенции уравнения. (10) и уравнение (12), они должны удовлетворять следующим соотношениям, записанным в уравнении (16) и уравнение (17) соответственно.

E→=−∇→Φ−∂A→∂tE16

B→=∇→×A→E17

, где Φ и A→ соответственно электрический скалярный потенциал магнитный векторный потенциал. Поскольку математическая степень свободы удовлетворяет магнитному векторному потенциалу A→, применимо калибровочное уравнение. Используя вышеупомянутые корреляции с обобщенным условием калибровки Кулона, ∇(σA→)=0, можно разделить векторный и скалярный потенциалы, как показано в уравнении (18) и уравнении (19). ) соответственно.

∇(σ∇→Φ)=0E18

σ∂A→∂t+∇→×(1μ∇→×A→)+σ∇→Φ=js⇀E19

Следовательно, путем решения этих уравнений 18–19 , две неизвестные A → и Φ в электромагнитной системе могут быть решены. Наконец, на основе этой процедуры решения и расчетов магнитного давления оценивается сила Лоренца.

В этом исследовании численное моделирование с электромагнитной связью проводилось с использованием пакета LS-DYNA® с решателем версии R8. Схема разрешения в электромагнитно-механическом решателе использует как метод конечных элементов (МКЭ), так и метод граничных элементов (МГЭ) [58]. BEM используется для оценки поверхностного тока и электромагнитного поля, поэтому магнитное поле в воздухе не требуется при моделировании LS-DYNA®. МКЭ используется при расчете вихревых токов и силы Лоренца в заготовках. На каждом электромагнитном временном шаге электромагнитные и механические вычисления объединяются.

Типичная ситуация одновитковой катушки с отдельной моделью формирователя поля рассматривается в качестве иллюстративного случая 3D-моделирования (рис. 14). Модель состоит из узловых элементов solid8 как для заготовок, так и для инструментов для работы с электромагнитным алгоритмом в LS-DYNA. Наибольший размер элемента был выбран на основе глубины скин-слоя и гарантировал, что размер элемента достаточен для точного захвата электромагнитного скин-эффекта (уравнение 3).

Рис. 14.

Трехмерная геометрическая модель.

Модель материала была описана с использованием упрощенной модели Джонсона-Кука (уравнение 20) в численном моделировании, чтобы зафиксировать поведение деформирования заготовок с высокой скоростью деформации.

σ¯=(A+Bε¯n)[1+Cln(ε¯˙ε¯˙0)]E20

где, σ¯ и σ¯ — эквивалентные напряжения и деформации фон Мизеса соответственно, ε¯˙is скорость деформации. Здесь ε¯˙0 — квазистатическая пороговая скорость деформации, принятая равной 1/с. A, B, C и n – константы, полученные из литературы, приведены в таблице 1. Другие механические, электромагнитные и тепловые величины, используемые в модели, перечислены в таблице 2.

Johnson-Cook parameters	A (MPa)	B (MPa)	C	n
Aluminium alloy	352	440	0. 0083	0.42
Commercially pure copper	90	292	0.025	0.31

Таблица 1.

Параметры Джонсона-Кука, используемые для определения определяющего поведения заготовок.

Material	5″ border-left=»0″ border-right=»0″ align=»left»> Part	Density ( kg/m 3 )	Young’s modulus( GPa )	Poisson’s ratio	Электропроводность ( См/м )
Aluminium alloy 2024	Tubeand Rod	2700	73	0.33	1.74 × 10 7
Commercially pure copper	Rod	8900	124	0. 34	3,48 × 10 7
Медный сплав	Полевой шейпер	7900	210	0,29	2,66 × 7 9063	2,66 × 9063	2,66 × 40	Сталь	Катушка	——————— Жесткая ———————			4,06 × 10 6

Таблица 2.

Физические свойства материалов и соответствующих им частей.

6.3. Граничные и начальные условия и другие спецификации

В этом разделе рассматривается общая процедура для спецификации граничных и начальных условий для электромагнитно-механической модели. В текущем примере нижняя сторона трубы и верхняя сторона стержня зафиксированы во время моделирования. Катушка считалась жесткой и неподвижной при моделировании. Геометрия формирователя поля была размещена внутри катушки и оставлена ​​свободной без каких-либо граничных условий, чтобы хорошо представить экспериментальные условия. Между стержнем и трубкой был предписан автоматический контакт «поверхность-поверхность», чтобы зафиксировать контактное поведение во время столкновения. Электропроводность (σ) определяется электромагнитной картой и относительной магнитной проницаемостью (µ _r ) рассматривался как один для всех материалов, что указывает на пренебрежение при моделировании ферромагнитными эффектами материалов, у которых значения µ _r обычно больше единицы. Электрические и магнитные поля зависят не только от геометрии, конфигурации сборки и входных параметров, но также они зависят от входной и выходной поверхности токовых определений в связанном моделировании. Поэтому для точного представления экспериментальных условий в численном моделировании используются точно такие же площади точек соединения.

Как правило, электромагнитная симуляция должна быть определена хотя бы с одной электрической цепью. Чтобы определить электрическую цепь, на входную и выходную поверхности накладывают кривую напряжения или тока. В качестве альтернативы цепь может быть указана с параметрами R, L, C (сопротивление, нагрузка и емкость соответственно) внешних частей цепи без включения этих параметров катушки и других компонентов, используемых в конкретном моделировании. Спецификация тестового примера и входной ток, использованный в численном моделировании, показаны на рисунке 15.9.0004

Рис. 15.

(a) Схематическое изображение, показывающее основную рабочую зону модели (формирователь поля и заготовки), за исключением катушки и (b) источника тока, используемого в модели.

6.4. Результаты моделирования поведения летательного аппарата в полете

В этом численном моделировании аналогичные комбинации Al/Al и Al/Cu были исследованы на предмет их поведения в полете с точки зрения скорости удара и угла столкновения в начале удара. . Свойства, использованные в этом моделировании, соответствуют алюминиевому сплаву 2024 и технически чистой меди соответственно для Al и Cu. Углы столкновения рассчитывались по углу между радиальной и продольной компонентами скорости (соответственно V _r и V _z , подробности см. на рис. 17) из моделирования. Скорость удара рассчитывалась внутри трубы в продольном направлении. Внезапное изменение результирующей скорости использовалось для определения начала удара и последующих условий. То есть сразу в начале удара результирующая скорость трубы быстро уменьшается. На основе предсказания соответствующего времени начала, результирующей скорости и угла атаки [ tan ¹ (Vz/Vr) ].

Скорость удара и угол удара в зависимости от продольного расстояния от верхнего края трубы представлены на рисунке 16. Выделенные области на рисунках 16a и b могут соприкасаться во время моделирования, что согласуется с ~9 мм контактного расстояния, наблюдаемого в экспериментально сваренных образцах (рис. 16в), полученных при той же конфигурации сборки.

Эти результаты показывают, что динамика высоких скоростей для конкретного случая сварки, как показано на рис. 15. То есть для конкретной конфигурации моделирования (рис. 15а) верхняя кромка трубы расположена немного плоскость формирователя поля. Это условие вызывает наибольшую скорость и первое возникновение удара чуть ниже верхнего края трубы. При измерении углов использовались знаки, указанные на рис. 17а. Более пристальный взгляд на динамику столкновения в полете, показанную на рисунке 17b, иллюстрирует потенциальное условие столкновения для конкретной конфигурации сборки, используемой в этом численном исследовании.

Рис. 16.

Углы удара вдоль продольного расстояния от верхнего края трубы для моделирования в (а) и мгновенная результирующая скорость в соответствующих точках в течение времени начала в (б). Выделенные области в (а) и (б) хорошо представляют начало удара. (c) MPW образца Al/Cu и (d) окончательная форма заготовок из численного моделирования.

Рис. 17.

(a) Условное измерение угла и (b) более детальное рассмотрение динамики скорости летательного аппарата в полете и изменения угла столкновения.

Хотя эти исследования показывают, что разница в угле удара и скорости удара не очевидна для разных внутренних стержней, предполагается, что это влияние сильно зависит от текущей частоты. То есть можно было бы пренебречь отличием внутреннего стержня при прогнозировании поведения в полете при более высоких частотах тока, чем критическая частота, которую можно оценить, приравняв время первого столкновения к полному времени диффузии магнитного поля через толщу от внешней к внутренней поверхности флаера. Напротив, разница в условиях удара не является незначительной для различных внутренних стержней при более низких частотах, чем у критической. На этих более низких частотах на удар может влиять проводимость внутреннего стержня [59].].

Рис. 18.

Зависимая от времени радиальная составляющая силы Лоренца (а) и скорости (б), полученная из различных точек летательного аппарата.

Совместное мультифизическое моделирование имеет особое преимущество, заключающееся в прогнозировании зависящих от времени силы Лоренца (рис. 18а) и скорости (рис. 18b) во время процесса. Эти макроскопические данные определяют условия столкновения, которые, в свою очередь, определяют формирование сварного шва. Они имеют решающее значение для расчета поведения границы раздела во время сварки и, таким образом, служат требуемым входным условием. Как правило, распределение скоростей подходит для моделирования поведения границы раздела, которое может воспроизводить физически реалистичные результаты (раздел 5.4).

Реклама

7. Выводы

Магнитно-импульсная сварка определена как многообещающая альтернатива для производства сборок из нескольких материалов, поскольку она обеспечивает привлекательные преимущества с точки зрения стоимости, надежности, простоты использования, гибкости, скорости работы, отсутствия требование расходных материалов и экологичности. Были выделены рабочие условия, в том числе входное напряжение и начальный зазор между флаером и стержнем, которые были определены как важные параметры сборки для конкретной конфигурации перекрытия процесса MPW. Кроме того, на процесс MPW сильно влияет частота тока и эффект глубины электромагнитного поля. После этого были исследованы межфазные свойства и вариации сварного шва как для одинаковых, так и для разнородных комбинаций материалов, где было установлено, что дисперсии сварного шва развиваются в начале склеивания, образования волнистой границы раздела, нерегулярных границ раздела, струйной обработки, возникновения вихрей, границ раздела с дефектами и образования интерметаллидов. . Формирование вихрей хорошо заметно в разнородной сборке, в то время как интерметаллические фазы также формируются на границе раздела, что является явной отличительной чертой от аналогичной металлической сборки. После этого было использовано численное моделирование для определения межфазных характеристик, что может служить потенциальным методом для определения влияющих параметров во время формирования сварного шва. Эти симуляции хорошо отражают особенности интерфейса, включая явления струйной и эжекции. Кроме того, эти модели показывают межфазный нагрев, который очень похож на дефекты с точки зрения расположения сторон и формы в этих сборках, что указывает на то, что эти модели можно использовать для прогнозирования оптимального окна свариваемости для различных комбинаций. Наконец, исследование сопряженного электромагнитно-механического моделирования обеспечивает понимание кинематики летательного аппарата в полете, которая позволяет прогнозировать условия столкновения во время процесса MPW. Таким образом, все эти результаты указывают на перспективность и инновационный характер процесса среди других существующих технологий сварки. Мультифизическое развитие с высокоскоростной динамикой и связанной с этим высокой деформацией делает процесс более сложным, что требует дополнительного внимания при управлении процессом. Тем не менее, многообещающие преимущества и доказательства потенциально постоянного образования сварных швов всегда прокладывают путь и продолжают привлекать обрабатывающую промышленность.

Реклама

Благодарности

Авторы выражают признательность за финансирование проекта MSIM от «Регион Пикардия» и за финансовую поддержку проекта COILTIM от «Регион Пикардия» и «Европейский фонд экономического развития (FEDER)». Авторы также благодарят «PlateformeInnovaltech» за сотрудничество. Более того, авторы высоко ценят разрешение «PSTproducts GmbH» на повторное использование их изображений в этой главе.

Каталожные номера

1. 1. Лаповок Р., Нг Х.П., Томус Д., Эстрин Ю. Биметаллическая медно-алюминиевая трубка методом интенсивной пластической деформации // Scripta Materialia. 66, стр. 1081-1084 2012.
2. 2. М. Зебардаст и А. К. Тахери, «Холодная сварка меди с алюминием с использованием процесса равноканальной угловой экструзии (ECAE)», Журнал технологий обработки материалов, том. 211, pp. 1034-1043, 2011.
3. . 3. Сапанатан Т., Ходдам С., Захири С. Х., Зарей-Ханзаки А., Ибрагим Р. Гибридные металлические композитные материалы, изготовленные путем уплотнения порошка в оболочке. Материаловедение, том. 51, стр. 3118-3124, 2016.
4. 4. Т. Сапанатан, С. Ходдам и С. Х. Захири, «Спиральная экструзия алюминиево-медного композита для будущего изготовления гибридных стержней: исследование прочности связи и межфазных характеристик», Журнал сплавов и соединений, том. 571, стр. 85-92, 2013.
5. 5. М. Кнежевич, М. Джахеди, Ю. П. Корколис, И. Дж. Бейерлейн, «Материально-ориентированный дизайн экструзии биметаллических труб», Вычислительное материаловедение, том. 95, стр. 63-73, 2014.
6. . 6. Буазиз О., Ким Х. С., Эстрин Ю. Архитектура композитов на основе металлов с одновременным наноструктурированием: новая парадигма проектирования материалов. . 2013. Т. 15. С. 336–340.
7. 7. Д. Эмбери и О. Буазиз, «Композиты на основе стали: движущие силы и классификации», Ежегодный обзор исследования материалов, том. 40, стр. 213-241, 2010.
8. 8. Т. Сапанатан, С. Ходдам, С. Х. Захири и А. Зарей-Ханзаки, «Изменения прочности и исследования связанного интерфейса в спирально экструдированном алюминиево-медном композите», Материалы и дизайн, том. 57, стр. 306-314, 2014.
9. 9. Т. Сапанатан, «Изготовление осесимметричных гибридных материалов с использованием комбинации сдвига и давления», докторская диссертация, инженерный факультет. Факультет машиностроения и аэрокосмической техники, Университет Монаша, Мельбурн, 2015 г.
10. 10. Т. Айзава и М. Кашани, «Метод магнитно-импульсной сварки (MPW) для соединений разнородных листовых металлов», 57-я ежегодная ассамблея Международного института сварки (IIW), 2004 г., Осака, Япония.
11. 11. Джонсон Дж. Р., Табер Г., Вивек А., Чжан Ю., Головин С., Баник К. и др., «Эксперимент и моделирование в электромагнитной формовке с использованием фотонно-доплеровской велосиметрии», Steel Research International, vol. . 80, pp. 359-365, 2009.
12. 12. Y. Zhang, S. Babu, and G. Daehn, «Межфазные ультрамелкозернистые структуры на соединении из алюминиевого сплава 6061 и соединения из медного сплава 110, изготовленные магнитно-импульсной сваркой». Журнал материаловедения, вып. 45, стр. 4645-4651, 2010/09/01 2010.
13. 13. Тернер А., Чжан П. Х., Воноут В., Даен Г. С. Точечная ударная сварка листового алюминия // Материаловедческий форум. 396, pp. 1573-1578, 2002.
14. 14. Т. Айзава, М. Кашани и К. Окагава, «Сварка и формовка листового металла с использованием метода магнитно-импульсной сварки (MPW)», представленный на 4-й Международной конференция по высокоскоростной формовке, Колумбус, 2010 г.
15. 15. И. К. Миддельдорф, «Экономическое значение сварки и соединения в Европе, производственные ценности, добавленная стоимость и сотрудники», Дюссельдорф, Германия: Немецкое общество сварщиков, 2009 г..
16. 16. К. Миддельдорф, «Тенденции в соединении: добавленная стоимость сваркой», Конференция «Магнитно-импульсная сварка и формовка», Мюнхен, 2008.
17. 17. В. Лысак и С. Кузьмин, «Нижняя граница при сварке металлов взрывом. Эволюция идей», Journal of Materials Processing Technology, vol. 212, стр. 150-156, 2012.
18. 18. А. Капил и А. Шарма, «Магнитно-импульсная сварка: эффективный и экологически безопасный метод соединения нескольких материалов», Журнал более чистого производства, том. 100, стр. 35-58, 2015.
19. 19. Псик В., Риш Д., Кинси Б.Л., Теккая А.Е., Кляйнер М. Электромагнитное формование — обзор // Журнал технологии обработки материалов. 211, стр. 787-829, 2011.
20. 20. П. Паскуале и Р. Шефер, «Роботизированная автоматизированная листовая сварка EMPT», 5-я Международная конференция по высокоскоростной формовке, Технический университет Дортмунда, Германия, 2012.
21. 21. N Хатчинсон, Ю. Чжан, Г. Даэн и К. Флорес, «Твердофазное соединение массивного металлического стекла на основе циркония», TMS, Сан-Франциско, Калифорния, 2009 г..
22. 22. М. Ватанабэ, С. Кумаи, Г. Хагимото, К. Чжан и К. Накаяма, «Микроструктура поверхности раздела соединений внахлестку алюминия/металлического стекла, изготовленных с помощью магнитно-импульсной сварки», Материалы, том. 50, стр. 1279-1285, 2009.
23. 23. М. Кашани, Т. Айзава, К. Окагава и Ю. Сугияма, «Сварка манганиновых и медных листов с использованием метода магнитно-импульсной сварки (MPW)», IEICE Технический отчет EMD, том. 109, стр. 29-31, 2009.
24. 24. Т. Айзава, К. Окагава и М. Кашани, «Применение метода магнитно-импульсной сварки для гибких печатных плат (FPCB) внахлестку», Журнал обработки материалов Технология, вып. 213, стр. 1095-1102, 2013.
25. 25. В. Шрибман, «Магнитно-импульсная сварка разнородных и подобных материалов», 3-я Международная конференция по высокоскоростной штамповке, Дортмунд, 2008, стр. 13-22.
26. 26. Шрибман В., Лившиц Ю. и Гафри О. «Магнитно-импульсная сварка и соединение — новый инструмент для автомобилестроения», Технический документ SAE, стр. 3401-3408, 2001 г.
27. 27. Яссим А.К. , «Технология магнитно-импульсной сварки», в разделе «Энергия, мощность и управление» (EPC-IQ), 1-я международная конференция 2010 г., 2010 г., стр. 363-373.
28. 28. Калли С., Шефер Р., Паскуале П., «Применение технологии электромагнитных импульсов в автомобилестроении (EMPT)», Публикация, PSTproducts GmbH, 2010.
29. 29. Шефер Р., Паскуале П., Паскуале С. Калли, «Электромагнитно-импульсная технология (EMPT): формовка, сварка, опрессовка и резка», Бюллетень Института сварки, Польша, том. 58, стр. 50-57, 2014.
30. 30. Z. Fan, H. Yu, and C. Li, «Поведение пластической деформации биметаллических труб во время магнитно-импульсной наплавки: анализ конечных элементов и эксперименты», Journal of Materials Технология обработки, вып. 2292016. P. 230-243.
31. 7: McGraw-Hill, New York, 2001.
32. 32. Р. Раэлисон, Н. Буирон, М. Рачик, Д. Хэй, Г. Франц и М. Хабак, «Исследование разработки практического окна свариваемости». в магнитно-импульсной сварке», Journal of Materials Processing Technology, vol. 213, pp. 1348-1354, 2013.
33. 33. Раэлисон Р.Н., Сапанатан Т., Буйрон Н., Рачик М. Магнитно-импульсная сварка пар металлов Al/Al и Al/Cu: последствия разнородной комбинации о межфазном поведении в процессе сварки», Journal of Manufacturing Processes, vol. 20, часть 1, стр. 112-127, 2015.
34. 34. Р. Раолисон, Н. Буирон, М. Рачик, Д. Хэй и Г. Франц, «Эффективные условия сварки в процессе магнитно-импульсной сварки», Журнал производственных процессов, том. 14, pp. 372-377, 2012.
35. 35. Р. Раэлисон, М. Рачик, Н. Буирон, Д. Хэй, М. Морел, Б. Дос Санстос и др., «Оценка промежутка и зарядного напряжения». влияние на механическое поведение соединений, полученных магнитно-импульсной сваркой», на 5-й Международной конференции по высокоскоростной штамповке, Дортмунд, 2012 г. , стр. 207-216.
36. 36. Бен-Арци А., Штерн А., Фраге Н., Шрибман В. Интерфейсные явления при магнитно-импульсной сварке алюминия и магния // Наука и технология сварки и соединения. 13, pp. 402-408, 2008.
37. 37. Р. Раэлисон, Д. Расин, З. Чжан, Н. Буйрон, Д. Марсо и М. Рачик, «Магнитно-импульсная сварка: граница раздела алюминиево-медных соединений. и исследование влияния образования интерметаллидов на характеристики сварного шва», Journal of Manufacturing Processes, vol. 16, стр. 427-434, 2014.
38. 38. Э. Ульманн и А. Цифле, «Моделирование процессов импульсной магнитной сварки — эмпирический подход», 4-я Международная конференция по высокоскоростной штамповке, Колумбус, Огайо, США, 2010 г., стр. 108-116.
39. 39. А. Нассири, Г. П. Чини и Б. Л. Кинси, «Произвольный лагранжевой метод Эйлера для прогнозирования волнистого рисунка и окна свариваемости во время магнитно-импульсной сварки», в ASME 2015 International Manufacturing Science and Engineering Conference, Шарлотта, Северная Каролина, США, 2015.
40. 40. А. А. Мусави, С. Берли и С. Аль-Хассани, «Моделирование сварки взрывом с использованием уравнения состояния Вильямсбурга для моделирования взрывчатых веществ с низкой скоростью детонации», Международный журнал ударной инженерии, том. 31, стр. 719-734, 2005.
41. 41. Мусави С.А., Аль-Хассани С. Моделирование методом конечных элементов удара пластины взрывом с применением сварки взрывом // Материалы и проектирование. 29, стр. 1-19, 2008.
42. 42. X. Wang, Y. Gu, T. Qiu, Y. Ma, D. Zhang, and H. Liu, «Экспериментальное и численное исследование лазерной ударной точечной сварки «Материалы и дизайн», т. 1, с. 65, pp. 1143-1152, 2015.
43. 43. X. Wang, Y. Zheng, H. Liu, Z. Shen, Y. Hu, W. Li и др., «Численное исследование механизма взрывного / ударная сварка методом гидродинамики сглаженных частиц // Материалы и конструкции. 35, стр. 210-2192012.
44. 44. Мусави С. А.А. Численные исследования сварки взрывом трехслойных цилиндрических композитов. Часть 2. Материаловедческий форум. 580, 2008, стр. 327-330.
45. 45. Мусави А.А., Аль-Хассани С. Численное и экспериментальное исследование механизма формирования волнообразных границ раздела при сварке взрывом/ударом // Журнал механики и физики твердого тела. 53, стр. 2501-2528, 2005.
46. 46. А. Нассири, «Исследование волнистой межфазной морфологии при магнитно-импульсной сварке: математическое моделирование, численное моделирование и экспериментальные испытания», докторская диссертация, Университет Нью-Гэмпшира, Дарем, Нью-Хэмпшир, 2005.
47. 47. А. Оберг, Дж. Швейц и Х. Олфссон, «Компьютерное моделирование процесса сварки взрывом», в материалах 8-й Международной конференции по высокоэнергетическому производству, Сан-Антонио, Техас, 1984 г., стр. 75- 84.
48. 48. А. Нассири, Г. Чини, А. Вивек, Г. Даэн и Б. Кинси, «Произвольное лагранжево-эйлерово моделирование конечных элементов и экспериментальное исследование волнистой межфазной морфологии во время высокоскоростной ударной сварки», Материалы и конструкция , том. 88, стр. 345-358, 2015.
49. 49. А. Нассири, Г. Чини и Б. Кинси, «Анализ пространственной стабильности возникающих волнистых межфазных структур при магнитно-импульсной сварке», CIRP Annals-Manufacturing Technology, vol. 2014. Т. 63. С. 245–248.
50. 50. Киселев С., Мали В. Численное и экспериментальное моделирование струеобразования при высокоскоростном косом соударении металлических пластин // Горение, взрыв и ударные волны. об. 2012. Т. 48. С. 214–225. 53, стр. 907-917, 2012.
51. 52. O. Saresoja, A. Kuronen, and K. Nordlund, «Атомистическое моделирование процесса сварки взрывом», Advanced Engineering Materials, vol. 14, pp. 265-268, 2012.
52. 53. М. Лю, Д. Фэн и З. Го, «Модифицированный метод SPH для моделирования проблем взрыва и удара», в APCOM & ISCM, Сингапур, 2013.
53. 54. Какидзаки С., Ватанабэ М., Кумаи С. Моделирование и экспериментальный анализ эмиссии струи металла и морфологии поверхности сварного шва при ударной сварке // Материалы. Тр. 52, стр. 1003-1008, 2011.
54. 55. Д. Дж. Прайс, «Гидродинамика сглаженных частиц: вещи, которым я бы хотел, чтобы меня научила моя мать», в Достижениях в области вычислительной астрофизики: методы, инструменты и результаты, Чефалу, Италия, 2011 г.
55. 56. Ф. Гриньон, Д. Бенсон , К. Веккио и М. Мейерс, «Сварка взрывом алюминия к алюминию: анализ, расчеты и эксперименты», Международный журнал ударной техники, том. 30, стр. 1333-1351, 2004.
56. 57. W . Сюй и Сун, «Численное исследование сварных поверхностей электромагнитных импульсов между разнородными металлами», «Наука и технология сварки и соединения», DOI 10.1179./1362171815Y.0000000092, 2015.
57. . Раэлисон, Н. Буирон, Д. Жуаффр и М. Рачик, «Влияние проводимости внутреннего стержня на условия столкновения во время процесса магнитно-импульсной сварки», на 7-й Международной конференции по высокоскоростной штамповке, Дортмунд, DOI 10.17877/DE290R -16981, 2016.

Секции

Информация об авторе

• 1.Введение
• 2.Современное положение процесса MPW и его влияние
• 3.Описание процесса MPW
• 4.Поведение на границе раздела сред и отклонения сварного шва
• 5.Номер интерфейса поведение
• 6. Мультифизический расчет поведения летательного аппарата в полете
• 7. Выводы
• Благодарности

Ссылки

Реклама

Автор:

Т. Сапанатан, Р. Н. Раолисон, Н. Буйрон и М. Рачик

Поступило: 4 ноября 2015 г. Пересмотрено: 8 апреля 2016 г. Опубликовано: 21 сентября 2016 г.

СКАЧАТЬ БЕСПЛАТНО

© 2016 Автор(ы). Лицензиат IntechOpen. Эта глава распространяется в соответствии с условиями лицензии Creative Commons Attribution 3.0, которая разрешает неограниченное использование, распространение и воспроизведение на любом носителе при условии надлежащего цитирования оригинальной работы.

Компания была основана в Вене в 2004 году Алексом Лазиницей и Ведраном Кордичем, двумя аспирантами, изучающими робототехнику. Во время работы над докторской диссертацией нам было трудно получить доступ к необходимым исследованиям. Итак, мы решили создать новый издатель с открытым доступом. Лучшее, где такие исследователи, как мы, могли бы легко найти нужную им информацию. Результатом стал IntechOpen, издатель с открытым доступом, который ставит академические потребности исследователей выше деловых интересов издателей.

Мы начали с публикации журналов и книг по тем областям науки, с которыми мы были наиболее знакомы: искусственный интеллект, робототехника, исследования производства и операций. Через нашу растущую сеть учреждений и авторов мы вскоре расширились до смежных областей, таких как экологическая инженерия, нанотехнологии, информатика, возобновляемые источники энергии и электротехника. научные работы, включая рецензируемые материалы более 116 000 ученых из 161 страны. Наши авторы варьируются от всемирно известных лауреатов Нобелевской премии до перспективных исследователей на переднем крае научных открытий.

В том же году, когда был основан IntechOpen, мы запустили то, что было в то время первым рецензируемым журналом с открытым доступом в своей области: International Journal of Advanced Robotic Systems (IJARS).

Мы начали с публикации журналов и книг по тем областям науки, с которыми мы были наиболее знакомы — искусственному интеллекту, робототехнике, исследованиям производства и операций. Через нашу растущую сеть учреждений и авторов мы вскоре расширились до смежных областей, таких как экологическая инженерия, нанотехнологии, информатика, возобновляемые источники энергии и электротехника. научные работы, включая рецензируемые материалы более 116 000 ученых из 161 страны. Наши авторы варьируются от всемирно известных лауреатов Нобелевской премии до перспективных исследователей на переднем крае научных открытий.

В том же году, когда был основан IntechOpen, мы запустили то, что было в то время первым рецензируемым журналом с открытым доступом в своей области: International Journal of Advanced Robotic Systems (IJARS).

\r\n\tПреобразование нашего мира: Повестка дня в области устойчивого развития на период до 2030 г., одобренная Организацией Объединенных Наций и 193 государствами-членами, вступила в силу 1 января 2016 г. и служит руководством для принятия решений и действий до 2030 г. и далее. Центральное место в этой повестке дня занимают 17 целей, 169 связанных с ними задач и более 230 показателей, которые пересматриваются ежегодно. Видение, предусмотренное в реализации ЦУР, сосредоточено на пяти принципах: люди, планета, процветание, мир и партнерство. Этот призыв к новым целенаправленным усилиям гарантирует, что у нас будет безопасная и здоровая планета для нынешнего и будущих поколений.

\r\n\tЭта серия посвящена исследованиям и прикладным исследованиям, связанным с пятью P, по следующим темам:

\r\n\t1. Устойчивая экономика и справедливое общество, которые связаны с ЦУР 1 «Ликвидация бедности», ЦУР 2 «Ликвидация голода», ЦУР 8 «Достойная работа и экономический рост», ЦУР 10 «Сокращение неравенства», ЦУР 12 «Ответственное потребление и производство» и ЦУР 17 «Партнерство для достижения целей».

\r\n\t2. Здоровье и благополучие с упором на ЦУР 3 (Хорошее здоровье и благополучие) и ЦУР 6 (Чистая вода и санитария 9)0004

\r\n\t3. Инклюзивность и социальное равенство, включая ЦУР 4 по качественному образованию, ЦУР 5 по гендерному равенству и ЦУР 16 по миру, справедливости и сильным институтам

\r\n\t4. Изменение климата и экологическая устойчивость, включая ЦУР 13 по борьбе с изменением климата, ЦУР 14 по жизни под водой и ЦУР 15 по жизни на суше

\r\n\t5. Городское планирование и рациональное использование окружающей среды, включая ЦУР 7 по доступной чистой энергии, ЦУР 9 по промышленности, инновациям и инфраструктуре и ЦУР 11 по устойчивым городам и сообществам.

\r\n\tСерия также направлена ​​​​на поддержку использования сквозных ЦУР, поскольку многие из перечисленных выше целей, задач и показателей взаимосвязаны, чтобы влиять на нашу жизнь и решения, которые мы принимаем ежедневно, делая их невозможно привязать к одной теме.

\r\n\tВ этом разделе представлен всесторонний обзор последних тенденций в области гигиены полости рта на основе последних научных данных. Темы будут включать обзор заболеваний и инфекций полости рта, системных заболеваний, поражающих полость рта, профилактику, диагностику, лечение, эпидемиологию, а также текущие клинические рекомендации по лечению заболеваний полости рта, зубов и пародонта.

\r\n\tПреобразование нашего мира: Повестка дня в области устойчивого развития на период до 2030 г., одобренная Организацией Объединенных Наций и 193 государствами-членами, вступила в силу 1 января 2016 г. и служит руководством для принятия решений и действий до 2030 г. и далее. Центральное место в этой повестке дня занимают 17 целей, 169 связанных с ними задач и более 230 показателей, которые пересматриваются ежегодно. Видение, предусмотренное в реализации ЦУР, сосредоточено на пяти принципах: люди, планета, процветание, мир и партнерство. Этот призыв к новым целенаправленным усилиям гарантирует, что у нас будет безопасная и здоровая планета для нынешнего и будущих поколений.

\r\n\tЭта серия посвящена исследованиям и прикладным исследованиям, связанным с пятью P, по следующим темам:

\r\n\t1. Устойчивая экономика и справедливое общество, которые связаны с ЦУР 1 «Ликвидация бедности», ЦУР 2 «Ликвидация голода», ЦУР 8 «Достойная работа и экономический рост», ЦУР 10 «Сокращение неравенства», ЦУР 12 «Ответственное потребление и производство» и ЦУР 17 «Партнерство для достижения целей».

\r\n\t2. Здоровье и благополучие с упором на ЦУР 3 (Хорошее здоровье и благополучие) и ЦУР 6 (Чистая вода и санитария 9)0004

\r\n\t3. Инклюзивность и социальное равенство, включая ЦУР 4 по качественному образованию, ЦУР 5 по гендерному равенству и ЦУР 16 по миру, справедливости и сильным институтам

\r\n\t4. Изменение климата и экологическая устойчивость, включая ЦУР 13 по борьбе с изменением климата, ЦУР 14 по жизни под водой и ЦУР 15 по жизни на суше

\r\n\t5. Городское планирование и рациональное использование окружающей среды, включая ЦУР 7 по доступной чистой энергии, ЦУР 9 по промышленности, инновациям и инфраструктуре и ЦУР 11 по устойчивым городам и сообществам.

\r\n\tСерия также направлена ​​​​на поддержку использования сквозных ЦУР, поскольку многие из перечисленных выше целей, задач и показателей взаимосвязаны, чтобы влиять на нашу жизнь и решения, которые мы принимаем ежедневно, делая их невозможно привязать к одной теме.

\r\n\tВо всем мире экологический след растет быстрее, чем ВВП. Это явление изучается учеными уже много лет. Однако сейчас как никогда нужны четкие стратегии и действия. Каждый день человечество, от отдельных лиц до предприятий (государственных и частных) и правительств, призвано изменить свое мышление, чтобы найти благотворное сочетание для устойчивого развития. Устойчивое мышление предполагает, в первую очередь, эффективное и стратегическое управление доступными ресурсами, будь то природные, финансовые, человеческие или реляционные. Таким образом, стоимость создается за счет содействия росту, улучшению и социально-экономическому развитию сообществ и всех участников, составляющих цепочку создания стоимости. В ближайшие десятилетия нам нужно будет перейти от общества, в котором экономическое благополучие и здоровье измеряются ростом производства и потребления материалов, к обществу, в котором мы живем лучше, потребляя меньше. В этом контексте оцифровка может нарушить процессы, что будет иметь серьезные последствия для окружающей среды и устойчивого развития. Существует множество проблем, связанных с устойчивостью и цифровизацией, необходимостью рассмотрения новых бизнес-моделей, способных извлекать ценность, владение данными, их совместное использование и интеграция, а также сотрудничество по всей цепочке поставок продукта. Чтобы создать ценность, эффективная разработка сложной системы, основанной на принципах устойчивости, является сложной задачей, требующей глубокой приверженности как технологическим факторам, таким как данные и платформы, так и человеческим измерениям, таким как доверие и сотрудничество. Регулярные исследования, исследования и внедрение должны быть частью пути к устойчивым решениям. Следовательно, в этой теме будут проанализированы модели и методы роста, направленные на достижение справедливости между поколениями с точки зрения экономического, социального и экологического благополучия. Он также будет охватывать различные темы, в том числе оценку рисков в контексте устойчивой экономики и справедливого общества.

\r\n\tУстойчивые подходы к здоровью и благополучию в нашем восстановлении после COVID 19 должны быть сосредоточены на экологических подходах, которые отдают приоритет нашим отношениям друг с другом и включают взаимодействие с природой, искусством и нашим наследием. Это гарантирует, что мы найдем способы жить в нашем мире, которые позволят нам и другим существам процветать. Мы больше не можем полагаться на медицинские подходы к здоровью, которые ждут, пока люди заболеют, прежде чем пытаться их лечить. Нам нужно жить в гармонии с природой и заново открывать для себя красоту и баланс в нашей повседневной жизни и окружающей среде, которые способствуют нашему благополучию и благополучию всех других существ на планете. Эта тема предоставит информацию и знания о том, как добиться этого изменения в здравоохранении, основанного на экологически устойчивых методах.

\r\n\tЭта тема посвящена усилиям и продвижению ЦУР 4 ЮНЕСКО, инициативе ЮНЕСКО в отношении будущего образования и необходимости нового общественного договора в сфере образования. Он направлен на распространение знаний о политике, стратегиях, методах и технологиях, которые повышают устойчивость и устойчивость развития будущего образования и нового общественного договора в сфере образования. Он также рассмотрит глобальные проблемы, такие как глобализация, демографические изменения, цифровая трансформация, изменение климата, окружающая среда и социальные основы устойчивого развития.

\r\n\tРеагирование на пандемию и предшествовавшее ей широкое недовольство должно основываться на новом общественном договоре и Новом глобальном курсе в области образования, который обеспечивает равные возможности для всех и уважает права и свободы всех людей (ЮНЕСКО; 2021 г.). ). Такой новый общественный договор, предложенный ЮНЕСКО, должен основываться на общих принципах, лежащих в основе прав человека, — включенность и равенство, сотрудничество и солидарность, коллективная ответственность и взаимосвязь, — и руководствоваться следующим основополагающим принципом: обеспечить каждому доступ к к качественному образованию на протяжении всей жизни.

\r\n\tМы сталкиваемся с двойной задачей: выполнить невыполненное обещание обеспечить право на качественное образование для каждого ребенка, молодежи и взрослого, а также полностью реализовать преобразующий потенциал образования как пути к более устойчивое коллективное будущее. Для этого нам нужен новый общественный договор в сфере образования, который устранит неравенство и изменит будущее. Этот новый общественный договор должен основываться на правах человека и принципах недискриминации, социальной справедливости, уважения жизни, человеческого достоинства и культурного разнообразия. Она должна включать этику заботы, взаимности и солидарности. Новый общественный договор основывается на инклюзивности, справедливости, обучении на протяжении всей жизни, ЦУР, сотрудничестве и личном обучении в глобальном контексте демократии.

\r\n\tНа международном уровне принятие рекомендаций Open Educational Resources и Open Science представляет собой важный шаг на пути к построению более открытых и инклюзивных обществ знаний, а также к достижению Повестки дня ООН на период до 2030 года. Действительно, выполнение рекомендаций поможет достичь как минимум еще пяти Целей в области устойчивого развития (ЦУР), которые переплетаются с темой этой серии книг, а именно ЦУР 5 (Гендерное равенство), ЦУР 9 (Промышленность, инновации и инфраструктура), ЦУР 10. (Уменьшение неравенства внутри стран и между ними), ЦУР 16 (Мир, справедливость и сильные институты) и ЦУР 17 (Партнерство для достижения целей).

\r\n\tУстойчивое развитие направлено на увязку экономического развития с защитой окружающей среды и социальным развитием для обеспечения будущего процветания людей и планеты. Для решения глобальных проблем развития и окружающей среды Генеральная Ассамблея Организации Объединенных Наций в 2015 году приняла 17 целей в области устойчивого развития. В ЦУР подчеркивается, что экологическая устойчивость должна быть тесно связана с социально-экономическим развитием, которое должно быть отделено от эскалации использования ресурсов и ухудшения состояния окружающей среды с целью снижения нагрузки на окружающую среду, повышения благосостояния людей и улучшения региональной справедливости. Более того, устойчивое развитие ищет баланс между человеческим развитием и уменьшением экологических/экологических предельных выгод. В условиях усиливающегося стресса, вызванного изменением климата, возникло множество экологических проблем, вызывающих серьезные последствия как в глобальном, так и в местном масштабе, что приводит к сокращению экосистемных услуг и утрате биоразнообразия. Отношения человечества с эксплуатацией ресурсов и защитой окружающей среды являются серьезной глобальной проблемой, поскольку в антропоцене возникают новые угрозы безопасности человека и окружающей среды. В настоящее время мир сталкивается с серьезными проблемами в области экологической устойчивости для защиты глобальной окружающей среды и восстановления деградировавших экосистем при сохранении человеческого развития с региональным равенством. Таким образом, экологическая устойчивость со здоровыми природными экосистемами имеет решающее значение для поддержания процветания человечества на нашей потеплевшей планете.

\r\n\tЕсли мы стремимся к процветанию как общества и как вида, альтернативы развитию и росту, ориентированным на устойчивость, не существует. Устойчивое развитие больше не выбор, а необходимость для всех нас. Экосистемы и сохранение экосистемных услуг, а также инклюзивное городское развитие представляют собой многообещающие решения экологических проблем. В контексте акцент на изучении этих областей позволит нам выявить и определить критические факторы территориального успеха в предстоящие десятилетия, которые будут учитываться главными действующими лицами, лицами, принимающими решения и определяющими политику, техническими специалистами и общественностью в целом.

\r\n\tПоэтому целостное городское планирование и управление окружающей средой являются важнейшими сферами, которые будут определять устойчивые траектории для нашей урбанизирующейся планеты. Эта тема городского и экологического планирования направлена ​​​​на привлечение материалов, которые касаются проблем и решений в области устойчивого городского развития, включая комплексное управление городскими водными ресурсами, планирование городской экономики замкнутого цикла, мониторинг рисков, планирование на случай непредвиденных обстоятельств и реагирование на стихийные бедствия, а также ряд других проблем и решений.

Открытие новой технологии сварки проводящих материалов

Object

Инженеры открывают для себя множество применений нового процесса сварки твердого тела, известного как магнитно-импульсная сварка (MPW). Теория MPW разрабатывалась и тестировалась десятилетиями, но только недавно производители столкнулись с возможностями использования системы MPW на своих линиях.

Как работает MPW

В MPW огромное количество энергии сжимается и высвобождается за очень короткий промежуток времени. Например, некоторые системы могут разрядить до 2 миллионов ампер менее чем за 100 микросекунд. Это приводит к тому, что большое количество энергии высвобождается так быстро, что фактический расход энергии очень низок. Электронная система основана на емкостной мощности, однако, поскольку эффект настолько быстрый, что нагрев металла пренебрежимо мал.

Разрядный ток проходит через катушку, которая окружает свариваемые трубы. Катушка наматывается на детали, но не соприкасается с ними. Сильный ток в катушке создает вихревой ток во внешней трубе, который сжимает внешнюю трубку и приваривает ее к внутренней трубе.

Оба тока создают очень сильные магнитные поля, но в противоположных направлениях, поэтому магнитные поля отталкивают друг друга. Поскольку катушка прочнее внешней трубки, внешняя трубка удаляется от катушки с высокой скоростью. Скорость аналогична скорости сварки взрывом, как и результирующая структура поверхности раздела материалов.

Фактический процесс длится менее 100 микросекунд. Скорость производства может быть настроена от 2 до 10 секунд. Для сварки не требуются газы, наполнители, флюсы или другие материалы. Между деталями необходим зазор, чтобы процесс работал, поэтому жесткие допуски не являются проблемой.

MPW — это холодный процесс, при котором металл нагревается не более чем до 30 градусов Цельсия. Поэтому зона термического влияния (ЗТВ) не создается и металл не деградирует. Сварной шов становится самой прочной частью сборки.

Что MPW может сваривать

MPW может работать с любым проводящим материалом. Чем более токопроводящая деталь, тем меньше энергии требуется для получения сварного шва. Легче всего сваривать алюминий и медь — их можно сваривать практически с чем угодно.

Компания MPW успешно сварила алюминий со сталью. Другие разнородные и похожие металлы, которые были успешно сварены, включают, среди многих других:

1. Алюминий к алюминию.
2. Алюминий в медь.
3. Алюминий в магний.
4. Алюминий в титан.
5. Медь к меди.
6. Медь к стали.
7. Медь в латунь.
8. Никель в титан.
9. Никель к никелю.
10. Сталь по стали.

Магнитно-импульсная технология также может использоваться для соединения или опрессовки деталей, которые не обязательно нуждаются в металлургическом соединении, например, металла с неметаллической частью. Он может создавать механический замок на керамике, полимерах, резине и композитах, поэтому клеи, герметики и механические зажимы не нужны. В этом процессе металл в основном оборачивает компоненты в термоусадочную пленку.

Промышленное применение

Одним из естественных применений MPW является замена пайки. В отрасли бытовой техники растет спрос на метод, альтернативный традиционной пайке, который снижает вероятность коррозии. MPW снижает риск коррозии, ограничивая металлическое взаимодействие только двумя свариваемыми металлами.

Благодаря небольшому изменению конструкции деталей многие детали, которые ранее приваривались сваркой трением, теперь можно сваривать с помощью MPW. Во многих случаях это позволяет использовать экструдированные трубы, а не стержни, которые необходимо обрабатывать.

Другие области применения можно найти в автомобильной промышленности, начиная от сварки больших гидроформованных труб и заканчивая изготовлением рам транспортных средств и соединением клапанов малого диаметра. Другие области применения включают соединение кабелей и трубок кондиционирования воздуха, покрытие выхлопных систем, сварку труб автомобильных сидений и закрытие масляных фильтров.

Ограничения по току

MPW ограничен трубчатой ​​геометрией и соединениями внахлестку. Из-за того, как работает этот процесс, невозможно создать стыковой шов с помощью MPW. Тем не менее, на некоторых деталях соединение может быть преобразовано в соединение внахлестку или даже в частичное или угловое соединение внахлестку.

Наибольший размер трубы на сегодняшний день, успешно сваренный MPW, составляет 5 дюймов в диаметре, хотя это не является теоретическим ограничением. Просто не было спроса на использование этого процесса для больших диаметров, поэтому для разработки возможностей для больших размеров были затрачены минимальные усилия.

Аналогично, плоские или другие геометрические формы еще не опробованы. Трубчатая форма является самой простой геометрией как с точки зрения энергопотребления, так и с точки зрения конструкции катушки. Пока перемещаемая трубчатая часть закрыта (например, прямоугольная труба), катушка будет генерировать сильный вихревой ток. Трубка с прорезью не будет иметь необходимой проводимости и, следовательно, не будет реагировать должным образом.

Кроме того, трубчатые теплообменники являются самыми мощными и энергоэффективными. Тем не менее, продолжаются разработки по использованию MPW на других геометриях.

Рекомендации по проектированию

При проектировании соединений для MPW необходимо помнить о нескольких основных принципах:

1. Зазор — в процессе требуется в среднем 1-миллиметровый зазор между поверхностями труб для достижения успешного сварного шва. Причина в том, что металлу нужно время, чтобы набрать предельную скорость при ударе. Если металлы расположены слишком близко друг к другу, может быть достигнут хороший изгиб, но не сварной шов.
2. Нахлест — как правило, для получения сварного шва требуется минимум в два-три раза больше толщины внешнего материала. Чем больше места и перекрытий доступно для MPW, тем проще это сделать.
3. Подготовка поверхности — Стандартная очистка для сопоставимых процессов сварки или пайки достаточна для MPW. Скорость волны, которую создает MPW, фактически разрушает легкие оксидные слои и выбрасывает любую грязь из зоны сварки.
4. Доступ — в области соединения обычно требуется зазор в пару дюймов, чтобы катушки окружали соединения. Наиболее часто используемые катушки представляют собой закрытые катушки, в которые вставляется деталь. Это подходит для деталей, у которых хотя бы один конец имеет диаметр, не намного превышающий диаметр соединения. Были разработаны открываемые катушки, которые могут зажимать детали, которые нельзя вставить в катушку.

Заключение

MPW только что был представлен на промышленном рынке, поэтому производственному миру требуется больше времени, чтобы внедрить его в полную силу. Предварительная оценка показывает многообещающие результаты для различных применений труб и трубопроводов. Как и в случае с любой новой технологией, первые адаптеры должны будут изучить все плюсы и минусы, но они также могут быть первыми, кто воспользуется преимуществами.

Магнитно-импульсная сварка – Руководство по AHSS

• Физика процесса
• Источник питания
• Трубчатая конструкция
• Приложения
• Безопасная практика

Магнитно-импульсная сварка (MPW) — это процесс в твердом состоянии, в котором используется электромагнитное давление для ускорения одной заготовки, чтобы произвести удар по другой заготовке. Металлическая связь, создаваемая этим процессом, аналогична связи, создаваемой при сварке взрывом. MPW, также известная как электромагнитная импульсная или магнитно-ударная сварка, высоко ценится за возможность соединения разнородных материалов.

Физика процесса

Электромагнитная обработка металлов была разработана в конце 1800-х годов, и в последующие годы эта технология в основном применялась в обработке металлов давлением. Он не был признан жизнеспособным процессом сварки, но недавно произошло существенное возобновление интереса к дальнейшему развитию этой технологии сварки.

По сути, и формовка металлов, и сварка основаны на одной и той же физике. Процесс управляется первичным контуром. Значительное количество энергии, обычно от 5 до 200 кДж, (1,124- и 44,9сила 62 фунта) хранится в конденсаторах, заряженных до высокого напряжения, которое может варьироваться от 3000 до 30000 В. Затем конденсаторы разряжаются через шины с низкой индуктивностью и высокой проводимостью в катушку или привод. Результирующий ток принимает форму затухающей синусоиды, характеризуемой как звенящая цепь индуктивность-сопротивление-емкость. Пиковые токи во время этого процесса составляют от десятков тысяч до миллионов ампер (А) с длительностью импульса порядка десятков микросекунд. Это создает чрезвычайно интенсивное переходное магнитное поле вблизи катушки. Магнитное поле индуцирует вихревые токи в любых находящихся поблизости проводящих материалах в направлении, противоположном первичному току. Противоположные поля в катушке и заготовке приводят к высокой силе отталкивания. Эта сила приводит в движение фланец или приводную заготовку (заготовку, ближайшую к приводной катушке) с высокой скоростью к цели, стационарной заготовке, что приводит к сильному удару между двумя металлами.

Ударное давление удаляет поверхностные загрязнения и обеспечивает плотный контакт чистых поверхностей поперек сварного шва. В результате этого контакта возникает металлическая связь. Схема процесса показана на рисунке 1 и в следующем видео.

 

Рис. 1. Базовая схема процесса MPW.

 

Следующие три элемента имеют основополагающее значение для получения качественных соединений, сваренных импульсной магнитной сваркой:

1. Исправить параметры сварочного аппарата.
2. Рассмотрение свойств металла или материала.
3. Относительное позиционирование флаера и целевых заготовок.

Параметры сварочного аппарата определяют частоту и амплитуду формы волны тока. Обычно для MPW предпочтительны высокие частоты. Если частота слишком низкая, накопление вихревых токов в заготовке флайера будет недостаточным для достижения скоростей, необходимых для ударного соединения. Частота напрямую связана с электрическими характеристиками (LRC) цепи, включая конденсаторы и катушку. Низкие системные емкости и индуктивности благоприятствуют ВЧ характеристикам.

Свойства металла обрабатываемой детали, в частности литника, также влияют на определение свариваемости данного металла. Свойства, которые следует учитывать, включают электрическую проводимость и прочность. Металлы с высокой электропроводностью и низкой прочностью легче всего свариваются магнитно-импульсным процессом. Более высокая электропроводность способствует более высоким наведенным токам в заготовке флайера с, соответственно, более высоким магнитным давлением. Меньшие YS облегчают перемещение флайера при более низких магнитных давлениях и их легче разогнать до необходимой для сварки скорости. Углеродистая сталь также может быть сварена при регулировке мощности и частоты системы. Металлы с относительно низкой электропроводностью, такие как аустенитные нержавеющие стали, практически невозможно сварить непосредственно магнитно-импульсным процессом. Однако они легко свариваются с использованием приводной пластины. Пластина драйвера представляет собой полосу из проводящего материала (обычно Cu), обернутую вокруг лепестка с низкой проводимостью. Во время сварки привод взаимодействует с катушкой, толкая флайер до необходимой скорости для металлического соединения. ^A-11

Источник питания

Важным компонентом системы MPW является батарея конденсаторов. Энергия, накопленная в системе, может быть определена из размера (емкости) батареи и зарядного напряжения с использованием следующего уравнения:

где:
E = энергия
C = емкость
V = напряжение

Энергия равна подается на конденсаторы специальной системой зарядки. Емкость системы зарядки в значительной степени определяет время, необходимое для зарядки батареи между последующими сварными швами. Цепь зарядки обычно активно охлаждается, что позволяет многократно использовать ее в производственных приложениях.

Как упоминалось ранее, энергия передается от конденсаторов к катушке с помощью набора шин. Два соображения являются ключевыми при проектировании сборной шины: она должна иметь низкую индуктивность (как правило, большая часть индуктивности системы должна приходиться на катушку) и контакты с низким сопротивлением. При использовании конденсаторы заряжаются относительно медленно до заданного напряжения. Как только это напряжение достигнуто, используется быстродействующий переключатель, чтобы позволить току течь к катушке. Переключение обычно осуществляется с помощью полупроводниковых выпрямителей с кремниевым управлением (SCR). ^A-11

Трубчатые конструкции

MPW обладает большим потенциалом для соединения трубчатых конструкций для автомобильной и аэрокосмической промышленности, а также для труб, несущих жидкости. Примеры применения труб MPW показаны на рис. 2. Этот процесс имеет несколько преимуществ, которые могут значительно снизить производственные затраты, которые можно резюмировать следующим образом:

1. Можно производить соединения HS, которые прочнее, чем BM.
2. Могут быть выполнены герметичные сварные швы.
3. Высокие скорости сварки в миллисекундном диапазоне делают процесс легко адаптируемым для автоматизации.
4. Можно соединять разнородные металлы и трудносвариваемые материалы, такие как нержавеющая сталь 303.
5. Холодная обработка обеспечивает возможность немедленной обработки.
6. Сварные швы выполнены без ЗТВ и с минимальными деформациями.
7. Операции по очистке и термообработке после сварки (PWHT) не нужны.
8. Этот процесс экономически эффективен, поскольку не требуются присадочные металлы или защитные газы, а затраты на охрану окружающей среды снижаются.

Рис. 2: Примеры применения труб MPW.

 

Области применения

MPW успешно применяется для различных сочетаний похожих и разнородных металлов. Материалы с высокой проводимостью, такие как алюминий и медь, легче всего сваривать с помощью магнитно-импульсного процесса. Al был успешно приварен к стали и нержавеющей стали. Cu успешно приваривается к стали и нержавеющей стали.

MPW используется для соединения топливных труб, топливных фильтров, компонентов выхлопной системы, силовых кабелей и изготовления деталей кузова автомобиля. Продолжается разработка новых приложений процесса MPW с целью доведения этих приложений до массового производства. Этот процесс получает все более широкое признание для приложений во всем промышленном спектре. ^A-11

Меры безопасности

Потенциальные опасности MPW включают механические и электрические риски, шум, вспышки и пары.

Механический

Сварочный аппарат должен быть оборудован соответствующими предохранительными устройствами для предотвращения травм рук оператора или других частей тела. Инициирующие устройства, такие как нажимные кнопки или ножные переключатели, должны быть расположены и ограждены таким образом, чтобы предотвратить непреднамеренное срабатывание.

Защитные ограждения, приспособления и органы управления должны предотвращать контакт оператора с катушкой и заготовкой, а также должны блокировать или отклонять сварочную струю, связанную с процессом.

Электрооборудование

Все двери и панели доступа на машинах и элементах управления должны быть заперты или заблокированы для предотвращения доступа посторонних лиц. Блокировки должны отключать питание и разряжать все конденсаторы через соответствующую резистивную нагрузку, когда дверца панели открыта.

Средства индивидуальной защиты

Должны быть предусмотрены соответствующие ограждения, чтобы изолировать оператора от процесса. Рабочий персонал должен носить средства защиты органов слуха, когда сварочные операции создают высокий уровень шума.

Дополнительная информация о безопасных методах сварки содержится в последнем выпуске ANSI Safety in Welding, Cutting and Allied Processes, Z49.1, опубликованном AWS.

Вернуться к началу

• Физика процесса
• Источник питания
• Трубчатая конструкция
• Приложения
• Безопасная практика

Взрыв против магнитного импульса (и другие способы сварки) – Gary’s Welding Inc.

Возможно, вы слышали о сварке взрывом? Да есть такое! Если вы никогда не слышали об этом, просто краткое, очень простое объяснение: сварка взрывом берет два отдельных куска металла и под действием силы взрыва соединяет их вместе. Звучит круто и эпично, правда?

Сварка взрывом очень эффективна для очень больших кусков металла, которые труднее скрутить, а также для соединения совершенно разных металлов, которые невозможно сварить обычным способом. Но, как вы понимаете, сварка взрывом не может происходить в любом старом месте. И не все, что мы свариваем, огромно и стоит энергии сварки взрывом.

Одна из альтернатив сварке взрывом называется магнитно-импульсной сваркой (MPW). Это не новинка… судя по всему, она существует с 19 года.60-х и 70-х годов. Однако раньше он был менее известен и использовался только для эксклюзивных приложений, связанных с атомной энергетикой и автомобильной промышленностью, — сегодня он используется для более широкого круга приложений.

Как вы могли догадаться из названия, магнитно-импульсная сварка использует мощный электромагнит для сварки двух кусков металла вместе. Только металл, магнит и электрический ток! О, и кто-то, кто настроит его и нажмет кнопку 😉 Два металла сталкиваются с такой высокой скоростью, что фактически происходит обмен электронами, сплавляя металлы на молекулярном уровне. Опять же, аналогичный процесс происходит при сварке взрывом, но при MPW – без взрыва. Все чисто и аккуратно и можно сделать в гораздо меньших масштабах.

Подобно сварке взрывом, MPW может сваривать разрозненные металлы, например, сталь с алюминием или никель с титаном. Это, друзья мои, очень круто! Я уверен, что средневековые алхимики подумали бы, что MPW — это bomb.com (каламбур, видите?).

Для тех, кто привык сваривать по старинке, плюсам MPW действительно нет конца:

1. Нет сварочной дуги для защиты глаз, поэтому нет сварочного капюшона
2. Нет газовых баллонов для подключения
3. Никаких горячих искр, падающих на рубашку, ботинки или в уши
4. Нет заземления, которое можно было бы зажать, и нет поводков, стержня или жала, за которыми можно было бы следить, чтобы не споткнуться о них
5. Без бойка, либо
6. Не беспокойтесь о сварочном дыме
7. Без шлифовки или сколов, чтобы избавиться от неприглядного шлака
8. Кожаные перчатки не нужны, потому что этот процесс происходит при комнатной температуре!
9. Сварочная машина не нужна… потому что… сварочная машина не нужна
10. Наверное, есть еще, но я не могу сейчас о них думать, потому что делаю чашку капучино. И интересно, будет ли когда-нибудь эспрессо-кофемашина Magnetic Pulse, которая сможет приготовить пенистый мокко за время, необходимое для моргания?? Мы можем только надеяться.

Недостатки магнитно-импульсной сварки?

1. Стоимость
2. Стоимость
3. Я уже сказал стоимость??
4. Портативность… Я полагаю, что магнит и его установка будет непросто просто собрать и перевезти на место работы клиента (но мне было бы интересно посмотреть, разрабатываются ли другие портативные варианты!)
5. И размер, скорее всего, будет иметь значение. Если вам нужно сварить большой кусок, а ваш магнит и сопутствующее оборудование недостаточно велики, тогда не спешите избавляться от сварочного аппарата и кожуха.

Как и в случае со всем удивительным и техническим чудом, важным фактором будет стоимость. Вы знали, что это произойдет, не так ли? Тем не менее, Интернет уверяет нас, что после того, как вы выложите значительную сумму денег, необходимую для приобретения вашего необычного магнита, стоимость MPW на самом деле будет дешевле, чем более традиционные методы сварки. Я верю — вы видели цены на сварочные материалы в последнее время? Может быть, магнит — одна из тех вещей, которые окупятся за 5 лет? Не спешите брать кредит на основе этого, конечно. Но эта магнитно-импульсная сварка может быть чем-то, на что стоит обратить внимание.

GWInc.

 

Интересные веб-сайты, статьи и видео, которые можно посмотреть, если вам нужна дополнительная информация о MPW:

• ОБНОВЛЕНИЕ 7.6.18 — новая, очень подробная статья на эту тему, в частности, о меди/алюминии и меди/ сварка стали магнитной сваркой: статья в Machine Design «Проект JOIN’EM: как соединить разнородные металлы с помощью электромагнитной сварки»
• https://www.bmax.com/technology/magnetic-pulse-welding/ — компания во Франции, которая производит технологию MPW — вам также следует проверить их информацию о формовании магнитных импульсов!
• https://youtu.be/DAddzH6lutk — Демонстрация BMAX на плоском металле
• https://youtu.