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

Содержание

Магнитно-импульсная сварка — Применение, преимущества, ограничения

Страница 2 из 2

Применение магнитно-импульсной сварки

Технология магнитно-импульсной сварки находит применение во многих областях. Она успешно применяется в таких отраслях, как автомобилестроение, авиакосмическая промышленность, военная промышленность, производство потребительских товаров, упаковочное производство и электротехническая промышленность.

Преимущества магнитно-импульсной сварки

Наиболее выгодным достоинством этой технологии является возможность сварки большого числа разных материалов, которые раньше считались плохо поддающимися или вообще не поддающимися сварке.

К числу других преимуществ магнитно-импульсной сварки относятся, в частности, низкая себестоимость продукции, экологичность производства, высокое качество продукции и высокая производительность.

Ограничения по применению магнитно-импульсной сварки

Эта технология, как и другие виды сварки, имеет определённые ограничения по применению.

– Так, бесштамповой магнитно-импульсной формовке поддаются только электропроводящие материалы. Для формовки непроводящих материалов необходимо использовать электропроводящую метаемую пластину.

– В настоящее время ограничение по максимальной толщине свариваемого листового металла составляет 6 мм для алюминия и 1-2 мм – для стали.

– Сложно найти оптимальный зазор между свариваемыми заготовками, который играет важную роль при создании должной скорости их соударения.

– Для сварки материалов, обладающих меньшей удельной электропроводностью, требуется большое количество электроэнергии.

– Трудно обеспечить сварку между листовым алюминием и термочувствительным листовым алюминиево-литиевым сплавом.

– Практические ограничения применения магнитно-импульсной сварки связаны с использованием электрических токов очень большой силы.

– Основное ограничение конструкции оборудования для магнитно-импульсной сварки связано с электрическими соединениями между конденсаторами, выключателем и индуктором.

Устройство установки для магнитно-импульсной сварки

В зависимости от конкретного производителя оборудования существуют установки различных размеров и форм, однако принципиальная схема компоновки электрической части стандартна для всех сварочных установок.

Электрическая часть установки для магнитно-импульсной сварки состоит из 4 агрегатов:

– генератора импульсов,

– шкафа управления,

– рабочей станции и

– исполнительного механизма.


ПерваяПредыдущая 1 2 Следующая > Последняя >>
< Предыдущая   Следующая >

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,!.

Блог сварщика

Альтернативные источники энергии


2021-12-20


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


2021-12-15

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 — презентация на Slide-Share.ru 🎓

1

Первый слайд презентации: МАГНИТНО-ИМПУЛЬСНАЯ СВАРКА

Изображение слайда

2

Слайд 2

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.

Изображение слайда

3

Слайд 3

Схема магнито -импульсной сварки. 1 — зарядное устройство, 2 – конденсатор, 3 — коммутирующее устройство, 4 — индуктор, 5, 6 — свариваемые детали, 7 – опора.

Изображение слайда

4

Слайд 4

Схемы осуществления магнитно-импульсной сварки: 1,2 — свариваемые заготовки; 3 — индуктор

Изображение слайда

5

Слайд 5

Недостатки: магнитно-импульсную сварку нельзя применять для получения соединений большой площади. Преимущества: магнитно-импульсным способом можно сваривать практически любые материалы за микросекунды; по сравнению со сваркой взрывом в магнитно-импульсной сварке получаются сварные соединения минимальной длины, равнопрочные с основным металлом; допускается сварка деталей в среде с заданными свойствами (вакууме, защитной атмосфере и другие) с помощью удаленного индуктора, отделённого неметаллической оболочкой.

Изображение слайда

6

Слайд 6

Изображение слайда

7

Слайд 7

В зависимости от конкретного производителя оборудования существуют установки различных размеров и форм, однако принципиальная схема компоновки электрической части стандартна для всех сварочных установок. Электрическая часть установки для магнитно-импульсной сварки состоит из 4 агрегатов : – генератора импульсов, – шкафа управления, – рабочей станции и – исполнительного механизма.

Изображение слайда

8

Последний слайд презентации: МАГНИТНО-ИМПУЛЬСНАЯ СВАРКА: Типовой ряд магнитно-импульсных установок

Изображение слайда

Магнитно-импульсная сварка — Большая Энциклопедия Нефти и Газа, статья, страница 1

Магнитно-импульсная сварка

Cтраница 1

Магнитно-импульсная сварка имеет схожую со сваркой взрывом природу образования соединения, что позволяет получать доброкачественные соединения с минимальным количеством интерметаллидной фазы.  [1]

Магнитно-импульсная сварка, как и сварка взрывом, позволяет получать качественные соединения разнородных металлов. Она высокопроизводительна, проста в управлении, легко автоматизируется. Это делает магнитно-импульсную сварку перспективным способом соединения деталей.  [2]

Недостатками магнитно-импульсной сварки являются: давление на метаемую заготовку ограничивается прочностью и долговечностью индуктора, ширина зоны соединения ограничена и поэтому для плакирования больших поверхностей ее не применяют.  [3]

В процессе магнитно-импульсной сварки при соударении заготовок на их поверхностях возникают контактные давления, соизмеримые с контактными напряжениями при сварке взрывом. Природа образования соединения имеет много общего со сваркой взрывом.  [5]

Однако при магнитно-импульсной сварке существует критический порог энергии импульса ( около 10 кДж), при превышении которого соединение деталей самопроизвольно разрушается. Кроме того, здесь осуществляется плоский удар, поэтому могут образовываться местные непровары, которые трудно обнаружить. Поэтому магнитно-импульсная сварка применяется в основном для соединения тонкостенных деталей, толщина метаемой детали не должна превышать 3 мм. Индуктор испытывает те же нагрузки, что и метаемая деталь, возникает проблема его прочности и долговечности.  [6]

Разновидностью сварки взрывом является магнитно-импульсная сварка. При магнитно-импульсной сварке соударение свариваемых деталей обеспечивается импульсным магнитным полем от разряда батарей конденсаторов. Длительности импульса и скорости соударения при этом способе близки к сварке взрывом. Преимуществом магнитно-импульсной сварки по сравнению со сваркой взрыюм является более легкое управление параметрами процесса.  [7]

Разновидностью сварки взрывом является магнитно-импульсная сварка. При магнитно-импульсной сварке соударение свариваемых деталей обеспечивается импульсным магнитным полем от разряда батарей конденсаторов. Длительности импульса и скорости соударения при этом способе близки к сварке взрывом. Преимуществом магнитно-импульсной сварки по сравнению fco сваркой взрывом является более легкое управление параметрами процесса.  [8]

В чем состоит сущность магнитно-импульсной сварки.  [9]

По сравнению со сваркой взрывом магнитно-импульсная сварка более производительна ( процесс длится 10 с), размер нахлестки в соединении относительно сокращен ( 30 — 50 мм), а опасности гораздо ниже, чем у сварки взрывом. Магнитно-импульсная сварка возможна на воздухе, в защитном газе, в вакууме.  [10]

К сварке давлением без нагрева относится холодная сварка, сварка взрывом, магнитно-импульсная сварка. Для этих способов характерно высокое давление на детали в зоне соединения, в несколько раз превышающее предел текучести и даже предел прочности свариваемого металла при комнатной температуре, что обеспечивает совместное пластическое деформирование соединяемых поверхностей.  [12]

К этому классу сварки относятся холодная, трением, ультразвуковая, взрывом и магнитно-импульсная сварка.  [14]

Для серийного и массового производства небольших деталей иногда более удобным может оказаться способ магнитно-импульсной сварки, во многом подобной сварке взрывом. Например, для магнитно-импульсной сварки стыка труб на стык вместо кольцевой полосы взрывчатки надевают соленоид из нескольких витков, и через него подается мощный импульс электрического тока от батареи электрических конденсаторов; возникновения кратковременного магнитного потока высокой плотности производит действие, аналогичное взрыву, трубы прочно свариваются, причем они могут быть из разнородных металлов, например алюминия и меди.  [15]

Страницы:      1    2

2. Технология и оборудование магнитно-импульсной сварки. Магнитно-импульсная сварка

Похожие главы из других работ:

Высокопроизводительные методы обработки металлов давлением

4.3 Технологические возможности магнитно-импульсной обработки металлов

В результате применения магнитно-импульсной обработки представляется возможной штамповка листовых и трубчатых заготовок толщиной до 5 мм. Размеры заготовок (диаметр, обрабатываемая площадь) обуславливаются запасом энергии установки…

Ликвидация трещины в алюминиевом поддоне автомобиля

5. Оборудование для сварки

Установки УДГ для сварки изделий из легких сплавов. Установки УДГ-301 и УДГ-501 рассчитаны на повторно-кратковременный режим работы при принудительном воздушном охлаждении…

Магнитно-импульсная сварка

1.1 История развития магнитно-импульсной сварки

Первое упоминание о возможности осуществления магнитно-импульсной сварки имеется в патенте Давида Ф. Броуэра, в котором автором патентуется метод формовки и устройство для его осуществления…

Магнитно-импульсная сварка

1.2 Магнитно-импульсный способ сварки

Магнитно-импульсный способ принципиально отличается от других способов сварки в условиях высокоскоростного соударения метаемой неподвижной заготовок. Это отличие заключается в том, что динамические усилия, вызывающие ускорение…

Магнитно-импульсная сварка

1.3 Физические основы магнитно-импульсной обработки металлов

Магнитно-импульсная обработка металлов основывается на использовании сил электромеханического взаимодействия между вихревыми токами…

Магнитно-импульсная сварка

1.4 Параметры магнитно-импульсной сварки

Как уже отмечалось, процесс сварки в условиях высокоскоростного соударения можно регулировать изменением скорости соударения, скорости движения фронта контакта и угла соударения поверхностей…

Магнитно-импульсная сварка

1.5 Определение основных параметров процесса магнитно-импульсной сварки

Для установления значений динамических параметров магнитно-импульсной сварки проводили исследования по схеме, представленной на рисунке. Метаемый цилиндрический образец А с наружной поверхностью радиусом Rн надевался на индуктор…

Магнитно-импульсная сварка

2.2 Установки для магнитно-импульсной сварки

Установки для магнитно-импульсной обработки металлов представляют собой генераторы импульсных токов (ГПТ) емкостного типа с индуктивной нагрузкой…

Повышение эффективности процессов обжима трубчатых заготовок давлением импульсного магнитного поля

1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ТЕОРИИ И ТЕХНОЛОГИИ МАГНИТНО-ИМПУЛЬСНОЙ ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛОВ

Магнитно-импульсной обработка металлов характеризуется тем, что на давление на деформируемую металлическую заготовку создается непосредственно воздействием импульсного магнитного поля без участия промежуточных твердых…

Повышение эффективности процессов обжима трубчатых заготовок давлением импульсного магнитного поля

1.3 Математическое моделирование электромеханических процессов при магнитно-импульсной обработки металлов

В случае переменной величины рабочего зазора, например, в процессе формоизменения заготовки, импульсное магнитное поле в системе «индуктор-заготовка» неоднородно…

Повышение эффективности процессов обжима трубчатых заготовок давлением импульсного магнитного поля

1.4 Интенсификация процессов магнитно-импульсной обработки

Одним из путей повышения эффективности работы индукторов является интенсификация процесса МИОМ. В работах А.К. Талалаева [48] экспериментально показано…

Специальные методы штамповки

1.1 Физические основы магнитно-импульсной штамповки

Импульсная штамповка относится к высокоскоростным методам штамповки. Особенностью таких методов является высокая скорость деформирования в соответствии с высокими скоростями преобразования энергии…

Специальные методы штамповки

2.3 Оборудование для магнитно-импульсной штамповки

Основными элементами установок для магнитно-импульсной обработки металлов являются трансформатор, высоковольтный выпрямитель, конденсаторная батарея и технологический блок, включающий рабочий индуктор и матрицу либо оправку…

Специальные методы штамповки

3.1 Оснастка для магнитно-импульсной штамповки

Основным рабочим органом при магнитно-импульсной штамповке является индуктор. Его изготовляют из медных трубок, ленты или проволоки круглого или прямоугольного сечения. В связи с тем, что плотность тока, протекающего по виткам индуктора…

Специальные методы штамповки

4.1 Режимы обработки при магнитно-импульсной штамповке

В результате применения магнитно-импульсной обработки представляется возможной штамповка листовых и трубчатых заготовок толщиной до 5 мм. Размеры заготовок (диаметр, обрабатываемая площадь) обуславливаются запасом энергии установки…

Лекция № 15. Магнитно-импульсная сварка.


⇐ ПредыдущаяСтр 14 из 18Следующая ⇒

Сущность магнитно-импульсной сварки.

Магнитно-импульсная сварка относится к способам сварки с высокоинтенсивным силовым воздействием. Она характеризуется высокой скоростью соударения соединяемых деталей и малой длительностью процесса, стабильностью воспроизведения рабочих режимов, высокой производительностью.

Магнитно-импульсная сварка – сварка с применением давлением, при которой соединение осуществляется в результате соударения свариваемых частей, вызванного воздействием импульсного магнитного поля. Малая длительность процесса магнитно-импульсной сварки и отсутствие рекристаллизации или образования новых фаз в зоне соединения позволяет предположить, что прочность соединения определяется числом атомов, образовавших химические связи и релаксации упругих напряжения в той мере, в какой это необходимо для возникновения связей.

Рис. 15.1. Схема магнитно-импульсной сварки:

Метаемая деталь; 2 – неподвижная деталь; 3 – индуктор-концентратор; 4 – центрирующая металлическая оправка; ЗУ – зарядное устройство; С – емкость накопителя; З – разрядник.

Свариваемые метаемые 1 и неподвижные 2 детали с зазором вводят в рабочую зону индуктора 3, питаемого током от мощной батареи конденсаторов С. При разряде конденсаторных батарей ток, протекающий через индуктор, образует в окружающем его пространстве электромагнитное поле, которое наводит вихревой ток в подвижной детали. Взаимодействие двух встречно-направленных токов приводит в движение метаемую деталь, которая мгновенно с большой скоростью перемещается до соударения с неподвижной деталью, обеспечивая их сварку.

Основными управляемыми параметрами магнитно-импульсной сварки является энергия магнитного импульса W, толщина метаемой детали s, зазор между неподвижной и метаемой деталями ,а также величина ввода метаемой детали в рабочую зону индуктора b и длина ее метаемого участка l0.

15.1. Технологические возможности.

Магнитно-импульсной сваркой соединяют трубчатые детали диаметром до 100 мм как между собой, так и с другими деталями, а также плоские детали по внутреннему и наружному контуру с толщиной метаемых деталей 0,5 – 2,5 мм при минимальной толщине неподвижных деталей 0,3 мм. Магнитно-импульсной сваркой сваривают алюминий, алюминиевые сплавы, медь, нержавеющие стали и титановые сплавы в однородном и разнородном сочетании.

 

Технология магнитно-импульсной сварки.

 

15.2.1. Подготовка поверхностей к сварке.

Очистка свариваемых поверхностей включает следующие операции: удаление внешних загрязнений, масла, краски, пыли и других; обезжиривание в бензине, ацетоне свариваемых поверхностей и инструмента; механическая зачистка специальным резаком, шабером; обезвоживание спиртом.

15.2.2. Выбор параметров режима.

В режим магнитно-импульсной сварки входят следующие параметры:

1) нормальная скорость соударения метаемой детали vн:

,

где — магнитная индукция, Тл; – плотность материала, кг/м3; – магнитная проницаемость, Гн/м; — напряжение магнитного поля, А/м; I – сила тока; r – радиус рабочей зоны индуктора.

2) скорость движения точки контакта свариваемых материалов:

,

где – угол соударения.

3) нормальное давление соударения Рк.

Сварное соединение при магнитно-импульсной сварке образуется при vн=150-300м/с и vк=1500-2400м/с независимо от начальных параметров процесса при Рк=400-500МПа.

15.2.3. Оборудование

Магнитно-импульсная установка представляет собой комплекс энергетического и технологического оборудования.

В настоящее время в эксплуатации находятся универсальные установки разных модификаций типа МИУ-20, МИУ-50, МИУ-100, ЭМУ-1, ЭМУ-2 и другие.

Основным узлом магнитно-импульсной установки является индуктор, состоящий из токопроводящей спирали, токоподводов, изоляции и элементов механического усилия. Индукторы делятся по назначению – для обжима, раздачи трубных и деформации плоских деталей; по принципу работы – одноступенчатые, многоступенчатые, с непосредственным подводом тока к метаемой детали.

 

Контрольные вопросы:


Рекомендуемые страницы:

Электромагнитная импульсная сварка | Бельгийский институт сварки npo

Принцип работы

Основной принцип показан на рисунке ниже. Заготовки помещаются внутрь катушки. Большое количество энергии сжимается и разряжается за чрезвычайно короткий период времени. Некоторые системы могут разряжать до 2 миллионов ампер всего за 100 микросекунд. В катушке течет большая энергия, а разряд электрической энергии вызывает так называемые «вихревые токи» во внешней заготовке.Оба тока (в катушке и во внешней детали) индуцируют магнитные поля, которые противоположны друг другу. Силы реакции между противостоящими магнитными полями вынуждают внешнюю часть к внутренней части с высокой скоростью, чтобы вызвать сварку. Скорость удара более 1000 км / ч. Это приводит к необратимой деформации без пружинения заготовки.

Фактический процесс длится не более 100 микросекунд. Никакой защитной атмосферы, наполнителей или других вспомогательных материалов не требуется.Магнитно-импульсная сварка — это «холодная» сварка, материал не нагревается выше 30 ° C. Благодаря этому не создается зона термического влияния, и металл не разрушается. Сварной шов становится самой прочной частью сборки.

Не требуются защитные газы, присадочные материалы или другие вспомогательные материалы. Процесс магнитно-импульсной сварки также является «холодным» процессом сварки, тепловыделение очень ограничено. Это не создаст зоны термического влияния, и свойства материала в зоне сварного шва не изменятся.Отсутствие нагрева во время цикла сварки позволяет соединять материалы с сильно различающейся температурой плавления. Это, например, возможно соединение алюминия с медью, алюминия со сталью или медью с латунью. Микроскопическое изображение поперечного сечения сварного шва показывает много общего с изображением сварного взрывом соединения.


Соединение медных и алюминиевых трубок

Переход медно-латунного шва

Оборудование

Оборудование для магнитно-импульсной сварки состоит из следующих компонентов:

  • трансформатор высоковольтный,
  • емкостей, в которых хранится электрическая энергия,
  • катушка для сварки,
  • — обмотка 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 составляет 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 за пределами области сварного шва.
  • Защитная атмосфера, наполнители или другие вспомогательные материалы не требуются.
  • Магнитно-импульсная сварка — это процесс «холодной» сварки, детали не нагреваются. Таким образом, не создается зона термического влияния и не происходит потери свойств материала. Это также означает, что свариваемые детали можно разжать сразу после сварки и сразу же обработать.
  • Высокая скорость производства, иногда до 10 штук в минуту.
  • Это экологически чистый процесс сварки, так как не выделяются тепло, излучение, газ или сварочный дым.

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

Материалы

Этот процесс можно использовать для соединения цилиндрических или плоских заготовок внахлест. Отсутствие нагрева во время цикла сварки позволяет соединять разнородные материалы.До сих пор было исследовано небольшое количество комбинаций материалов. Магнитно-импульсная сварка успешно применяется при сварке алюминия со сталью. Также успешно сваривались другие разнородные и похожие металлы (см. Таблицу ниже).

Этот метод соединения применим к широкому спектру электропроводных материалов. Менее проводящие материалы требуют более высокой энергии. Поперечное сечение сварного шва во многом похоже на поперечное сечение шва взрывом.

Возможные комбинации материалов:

  • алюминий в алюминий
  • алюминий в медь
  • из алюминия в магний
  • из алюминия в титан
  • от меди к меди
  • от меди к стали
  • из меди в бронзу
  • никель на титан
  • никель в никель
  • сталь к стали

Соединение разнородных материалов

Можно найти области применения для соединения материалов, которые трудно соединить с помощью традиционных методов сварки.Например, медь и алюминий — это материалы, которые обычно соединяются пайкой или пайкой, но эти процессы трудозатратны и поэтому дороги. Другие секторы, которые рассматривают использование процесса для своих приложений, — это аэрокосмическая и ядерная промышленность, где используются очень специфические термостойкие материалы.

Другие области применения — медные трубы в холодильных системах, которые можно сваривать по этой технологии.

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

Сварочный процесс особенно удобен для производства нишевых продуктов или больших серий.Например, компоненты для кондиционирования воздуха, где необходимо соединять медные трубы с фланцами из нержавеющей стали. В настоящее время эти стыки все еще нуждаются в пайке. Другие возможные применения — это сосуды под давлением для систем кондиционирования воздуха в легковых автомобилях или топливные фильтры. На следующем рисунке показан сосуд высокого давления, сваренный электромагнитной импульсной сваркой, состоящий из алюминиевой трубы и двух алюминиевых наконечников. Сварные швы в этом резервуаре защищены от гелия и выдерживают очень высокое давление систем кондиционирования воздуха.


Сосуд под давлением, сваренный электромагнитным импульсом, для систем кондиционирования воздуха (Источник: PSTProducts)


Алюминий-нержавеющая сталь (Источник: BMax)

Магнитно-импульсная сварка в сравнении с сваркой MIG / MAG (компоненты систем кондиционирования воздуха)


Приводной вал, сваренный магнитно-импульсной сваркой (соединение алюминия и стали)
(Источник: PSTproducts)

Открытие новой технологии для сварки токопроводящих материалов

Объект

Инженеры открывают для себя множество применений нового процесса сварки в твердом состоянии, известного как магнитно-импульсная сварка (MPW).MPW теоретизировался и тестировался на протяжении десятилетий, но только недавно производители узнали о возможностях использования системы MPW на своих линиях.

Как работает MPW

В MPW огромное количество энергии сжимается и разряжается за чрезвычайно короткий период времени. Например, некоторые системы могут разрядить до 2 миллионов ампер менее чем за 100 микросекунд. Это приводит к тому, что большое количество энергии разряжается так быстро, что фактические затраты энергии очень низкие.Электронная система основана на емкостной мощности, однако, поскольку эффект настолько быстр, нагрев металла незначителен.

Разрядный ток проходит через катушку, окружающую свариваемые трубы. Катушка наматывается на детали, но не контактирует с ними. Сильный ток в катушке генерирует вихревой ток во внешней трубке, который сжимает внешнюю трубку и приваривает ее к внутренней трубке.

Оба тока создают очень сильные магнитные поля, но в противоположных направлениях, поэтому магнитные поля отталкиваются друг от друга.Поскольку катушка более прочная, чем внешняя труба, внешняя труба перемещается от катушки с большой скоростью. Скорость аналогична скорости сварки взрывом, как и структура поверхности раздела материалов.

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

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

Что может сваривать MPW

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

MPW успешно сваривает алюминий со сталью.Среди других разнородных и подобных металлов, которые были успешно сваривались, среди многих других:

  1. Алюминий с алюминием.
  2. Алюминий в медь.
  3. Алюминий в магний.
  4. Алюминий на титан.
  5. От меди к меди.
  6. Медь к стали.
  7. От меди до латуни.
  8. От никеля к титану.
  9. Никель в никель.
  10. Сталь к стали.

Магнитно-импульсная технология также может использоваться для соединения или обжима деталей, которые не обязательно требуют металлургического соединения, например, металла с неметаллической деталью.Он может создавать механический замок на керамике, полимерах, резине и композитах, поэтому нет необходимости в клеях, герметиках и механических зажимах. В этом процессе металлические детали в основном оборачиваются в термоусадочную пленку.

Отраслевые приложения

Одно из естественных применений MPW — это замена пайки. В производстве бытовых приборов растет спрос на альтернативный метод традиционной пайки, который снижает вероятность коррозии. MPW снижает риск коррозии, ограничивая взаимодействие металлов только двумя свариваемыми металлами.

После небольшого изменения конструкции детали многие компоненты, которые ранее подвергались сварке трением, можно сваривать с помощью MPW. Во многих случаях это позволяет использовать экструдированные трубы, а не стержни, которые необходимо подвергнуть механической обработке.

Другие области применения можно найти в автомобильной промышленности, от сварки больших гидроформованных труб до изготовления рам автомобилей и соединения клапанов малого диаметра. Другие области применения включают соединение кабелей и трубопроводов кондиционирования воздуха, нанесение покрытий на выхлопные системы, сварку трубок автомобильных сидений и закрытие масляных фильтров.

Ограничения по току

Максимально допустимая нагрузка на массу ограничена трубчатой ​​геометрией и соединениями внахлест. Из-за особенностей технологического процесса невозможно выполнить стыковой сварной шов с помощью MPW. Однако на некоторых деталях соединение может быть изменено так, чтобы оно было внахлестку или даже частичное или угловое соединение внахлестку.

Наибольший на сегодняшний день размер трубы, успешно свариваемой MPW, составляет 5 дюймов в диаметре, хотя это не теоретическое ограничение. Просто не существовало спроса на использование процесса на больших диаметрах, поэтому минимальные усилия были затрачены на разработку возможностей больших размеров.

Аналогичным образом, плоская или другая геометрия еще не пробовала. Трубчатая форма имеет самую простую геометрию как с точки зрения энергопотребления, так и с точки зрения конструкции змеевика. Пока перемещаемая трубчатая часть закрыта (например, прямоугольная трубка), катушка будет генерировать сильный вихревой ток. Трубка с прорезью не будет иметь необходимой проводимости и, следовательно, не будет реагировать должным образом.

Кроме того, трубчатые змеевики являются наиболее мощными и энергоэффективными. Тем не менее, продолжаются разработки по использованию MPW с другими геометрическими формами.

Рекомендации по проектированию

При проектировании соединений для MPW необходимо учитывать несколько основных принципов:

  1. Зазор — для обеспечения качественной сварки в процессе требуется в среднем 1-миллиметровый зазор между поверхностями труб. Причина в том, что металлу нужно время, чтобы достичь предельной скорости при ударе. Если металлы расположены слишком близко, можно добиться хорошего обжима, но не сварного шва.
  2. Перекрытие — Как правило, для получения сварного шва требуется как минимум в два-три раза больше толщины внешнего материала.Чем больше места и перекрытия доступно для MPW, тем это проще.
  3. Подготовка поверхности — для MPW достаточно стандартной очистки для сопоставимых процессов сварки или пайки. Скорость волны, которую создает MPW, на самом деле разрушает слои легкого оксида и выталкивает любую грязь из области сварного шва.
  4. Доступ — в зоне стыка обычно требуется зазор в несколько дюймов, чтобы катушки окружали стыки. Чаще всего используются катушки закрытого типа, в которые вставляется деталь.Это подходит для деталей, у которых хотя бы один конец не имеет диаметра намного больше диаметра соединения. Были разработаны открывающиеся 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 возможности для различных применений труб и труб. Как и в случае с любой новой технологией, первые адаптеры будут нести основную тяжесть обнаружения всех плюсов и минусов, но они также могут первыми воспользоваться преимуществами.

Магнитно-импульсная сварка — Директива AHSS

Магнитно-импульсная сварка (MPW) — это твердотельный процесс, в котором используется электромагнитное давление для ускорения одной детали и удара по другой детали. Металлическая связь, создаваемая этим процессом, аналогична связи, создаваемой сваркой 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 большинство применений этой технологии было в обработке металлов давлением.Это не было признано жизнеспособным сварочным процессом, но недавно произошло существенное возобновление интереса к дальнейшему развитию этой технологии для сварки.

По сути, и обработка металлов давлением, и сварка используют одну и ту же основную физику. Процесс управляется первичным контуром. Значительное количество энергии, обычно от 5 до 200 кДж (сила от 1 124 до 44 962 фунта), хранится в конденсаторах, заряженных до высокого напряжения, которое может находиться в диапазоне от 3000 до 30 000 В. Затем конденсаторы разряжаются за счет низкой индуктивности и шины с высокой проводимостью в катушку или привод.Результирующий ток принимает форму затухающей синусоидальной волны, характеризуемой как звенящая цепь индуктивность-сопротивление-емкость. Пиковые токи во время этого процесса находятся в диапазоне от десятков тысяч до миллионов ампер (А) с длительностью импульса порядка десятков микросекунд. Это создает чрезвычайно интенсивное кратковременное магнитное поле вблизи катушки. Магнитное поле индуцирует вихревые токи в любых проводящих материалах поблизости в направлении, противоположном первичному току. Противоположные поля в катушке и заготовке приводят к высокой силе отталкивания.Эта сила движет летающую или приводную деталь (деталь, ближайшую к катушке возбуждения) с высокой скоростью к цели, неподвижной детали, что приводит к сильному удару между двумя металлами.

Ударное давление отталкивает поверхностные загрязнения и обеспечивает плотный контакт чистых поверхностей на стыке сварных швов. В результате этого контакта возникает металлическое соединение. Схема процесса показана на рисунке 1 и в следующем видео.

Рисунок 1: Принципиальная схема процесса MPW.

Следующие три элемента являются основополагающими для получения хороших сварных соединений магнитной импульсной сваркой:

  1. Правильные параметры сварочного аппарата.
  2. Учет свойств металла или материала.
  3. Относительное позиционирование направляющей и целевой заготовки.

Параметры сварочного аппарата определяют частоту и величину формы волны тока. Для MPW обычно предпочтительны высокие частоты.Если частота слишком низкая, нарастания вихревых токов в обрабатываемой детали будет недостаточно для достижения скоростей, необходимых для ударного соединения. Частота напрямую связана с электрическими характеристиками (LRC) цепи, включая конденсаторы и катушку. Низкие емкости и индуктивности системы благоприятствуют высокочастотным характеристикам.

Свойства обрабатываемого металла, особенно листового металла, также влияют на свариваемость данного металла. Рассматриваемые свойства включают электрическую проводимость и прочность.Металлы с высокой электропроводностью и низкой прочностью легче всего сваривать с помощью магнитно-импульсной сварки. Более высокая электрическая проводимость способствует увеличению наведенных токов в заготовке летательного аппарата с, соответственно, более высоким магнитным давлением. Более низкий YS способствует перемещению летательного аппарата при более низком магнитном давлении и его легче разогнать до скорости, необходимой для сварки. Углеродистую сталь также можно сваривать при регулировке мощности и частоты системы. Металлы с относительно низкой электропроводностью, такие как аустенитные нержавеющие стали, практически невозможно напрямую сваривать с помощью магнитно-импульсной сварки.Однако их легко сваривать с помощью направляющей пластины. Пластина драйвера — это, по сути, лента из проводящего материала (обычно Cu), обернутая вокруг летательного аппарата с низкой проводимостью. Во время сварки драйвер взаимодействует с катушкой, подталкивая фактический летательный аппарат к скорости, необходимой для соединения металла. А-11

Источник питания

Важнейшим компонентом системы MPW является конденсаторная батарея. Энергия, запасенная в системе, может быть определена по размеру (емкости) батареи и напряжению заряда, используя следующее уравнение:

где:
E = энергия
C = емкость
В = напряжение

Энергия подается на конденсаторы с помощью специальной системы зарядки.Емкость системы зарядки в значительной степени определяет время, необходимое для зарядки батареи между последующими сварками. Цепь зарядки обычно активно охлаждается, что позволяет многократно использовать ее в производственных процессах.

Как упоминалось ранее, энергия передается от конденсаторов к катушке с помощью сборных шин. При проектировании сборной шины ключевыми являются два соображения: 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 достигается, используется переключатель быстрого действия, позволяющий току течь в катушку. Переключение обычно выполняется с помощью твердотельных выпрямителей с кремниевым управлением (SCR). А-11

Трубчатые конструкции

MPW имеет большой потенциал для соединения трубчатых конструкций для автомобильной и аэрокосмической промышленности, а также для трубок, несущих жидкость. Примеры трубных применений MPW показаны на Рисунке 2.Этот процесс имеет несколько преимуществ, которые могут значительно снизить производственные затраты, которые резюмируются следующим образом:

1. Соединения HS могут быть прочнее, чем соединения BM.
2. Возможно выполнение герметичных сварных швов.
3. Высокая скорость сварки в миллисекундах позволяет легко адаптировать процесс к автоматизации.
4. Можно соединять разнородные металлы и трудносвариваемые материалы, такие как нержавеющая сталь 303.
5. Холодная обработка обеспечивает немедленное обращение.
6. Сварные швы выполняются без ЗТВ и с минимальной деформацией.
7. Операции доочистки и термообработки после сварки (PWHT) не требуются.
8. Процесс экономичен, поскольку не требуются присадочные металлы или защитные газы, а также снижаются экологические затраты.

Рис. 2: Примеры применения труб MPW.

Приложения

MPW был успешно применен к различным подобным и разнородным комбинациям металлов. Материалы с высокой проводимостью, такие как Al и Cu, легче всего сваривать с помощью магнитно-импульсной сварки.Al был успешно сварен со сталью и нержавеющей сталью. Медь успешно сваривается со сталью и нержавеющей сталью.

MPW используется для соединения топливных трубок, топливных фильтров, компонентов выхлопной системы, силовых кабелей, а также для изготовления деталей автомобильного кузова. Разработка новых приложений процесса MPW продолжается с целью продвижения этих приложений в массовое производство. Этот процесс обеспечивает все большее признание приложений во всем промышленном спектре. А-11

Безопасные методы

Потенциальные опасности, связанные с MPW, включают механические и электрические риски, шум, вспышку и испарения.

Механический

Сварочный аппарат должен быть оборудован соответствующими устройствами безопасности для предотвращения травм рук или других частей тела оператора. Пусковые устройства, такие как кнопки или ножные переключатели, должны быть расположены и защищены от случайного срабатывания.

Защитные ограждения машины, приспособления и органы управления должны препятствовать контакту оператора со змеевиком и заготовкой, а также блокировать или отклонять сварочную струю, связанную с процессом.

Электрооборудование

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

Персональная защита

Должны быть установлены соответствующие ограждения, чтобы изолировать оператора от процесса. Обслуживающий персонал должен носить средства защиты органов слуха, если сварочные работы производят высокий уровень шума.

Дополнительная информация о безопасных методах сварки представлена ​​в последнем издании ANSI «Безопасность при сварке, резке и смежных процессах», Z49.1, опубликованном AWS.

Вернуться к началу

Похожие сообщения Фильтровать по Тип сообщения Категория главная страница-избранное-вверх главный блог Индивидуальные продукты Промышленность 4.0 и приложения AHSS Сварка с высокой плотностью энергии Сварка твердого тела Соединение разнородных материалов Контактная сварка стали с алюминием Цитаты Сортировать по Заголовок Актуальность

Лазерная сварка

Слово «лазер» является аббревиатурой от «усиления света за счет вынужденного излучения».”Лазеры производят особенность

8

Сварка твердого тела

Введение Сварка твердым телом относится к семейству процессов, которые позволяют производить сварные швы без требования

.

8

Соединение разнородных материалов

Подход к проектированию с использованием нескольких материалов предполагает использование высокопрочных сталей и материалов с низкой плотностью, таких как алюминий.

8

W-9

Цитата: W-9. Люк Уокер, Коллин Хилла, Менахем Кимчи и Вэй

0

Взгляд на магнитно-импульсную сварку

Инновация в области магнитно-импульсной сварки (MPW), появившаяся в атомной энергетике всего полвека назад, расширяет возможности твердотельной сварки за счет применения теории электромагнитных сил.

В этом методе используются короткие электромагнитные импульсы, обычно длительностью от 10 до 100 микросекунд, для создания магнитного поля высокой плотности в целевой заготовке. Это создает встречный контур электрического тока, известный как вихревой ток, в детали летательного аппарата.

Рис. 1. Космический каркас автомобиля, созданный с помощью MPW. Источник: PSTproducts GmbH / CC BY-SA 3.0

Возникающие в результате силы отталкивания и высокое магнитное давление превышают предел текучести материала. Сварное соединение создается за счет высокоскоростного (до 500 м / с) столкновения детали на коротком расстоянии, вызванного магнитным отталкиванием.Это вызывает пластическую деформацию на стыках деталей и заставляет две детали делить электроны на атомном уровне. MPW создает сварной шов, который обычно прочнее, чем исходные материалы, с почти нулевым остаточным напряжением.

Одно из основных преимуществ этого подхода состоит в том, что, в отличие от методов сварки плавлением, детали не прилегают к границе раздела сварных швов, что сохраняет свойства материала неизменными и позволяет соединять похожие и разнородные металлы. Он также может сваривать металлы с неметаллическими материалами, такими как керамика, полимеры, каучуки и композиты.Кроме того, процесс холодной сварки исключает вредные выбросы, связанные со сваркой плавлением, что делает ее экологически чистой производственной технологией.

MPW реализует несколько других производственных преимуществ. Точный характер метода обеспечивает возможность регулировки до одного микрона, а надежность и скорость процесса делают его пригодным для крупносерийного производства и автоматизации. Кроме того, нет необходимости в очистке материала перед сваркой и после нее, поскольку в месте столкновения образуются металлические струи для удаления поверхностного загрязнения и предотвращения развития коррозии.MPW — не дешевый процесс, но он устраняет необходимость в дополнительных ресурсах, таких как защитные газы и присадочные материалы, также известные как сварочные материалы. А поскольку не образуется зоны термического влияния, можно сразу обрабатывать свариваемые детали.

Есть некоторые необходимые условия для создания прочного сварного шва через MPW. Например, если ударная сила недостаточна, детали будут только гофрироваться или формоваться. Или, если давление слишком высокое, материалы могут локально расплавиться и образовать слабый сварной шов при повторном затвердевании.Кроме того, пластическая деформация, присущая процессу, лучше всего работает с материалами листовок с хорошей электропроводностью. Могут использоваться материалы с меньшей проводимостью, но требуются более высокие уровни энергии, соответствующие более высоким производственным затратам.

MPW по своей природе аналогичен сварке взрывом, которая создает ускоряющую силу с помощью химического взрывчатого вещества. Оба метода основаны на пластической деформации, силе ускорения и ударе, и оба могут использоваться для соединения разнородных металлов. Тем не менее, сварка взрывом основана на постоянном поддержании угла столкновения и скорости удара, что ограничивает диапазон производимых геометрических форм; MPW использует постоянно изменяющуюся взаимосвязь между этими двумя факторами.В результате он поддерживает широкий спектр дизайнов, которые иначе было бы невозможно создать. Также для безопасной эксплуатации не требуются знания взрывчатых веществ.

В частности, автомобильная промышленность нашла бесчисленное множество применений для этого процесса, который особенно хорошо подходит для использования со сплавами с высокой проводимостью. Например, алюминиевые сплавы являются ключевым материалом, который в настоящее время исследуется для снижения веса конструкции кузова автомобиля. MPW также позволяет сваривать металлические детали, содержащие пластик, такие как компоненты автомобильных систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха или топливные фильтры, без опасности теплового повреждения.

Тем не менее, развертывание MPW исторически сдерживалось проблемами оптимизации необходимых условий. Короткий электромагнитный импульс, используемый в методике, создается быстрым разрядом конденсатора через переключатели с низкой индуктивностью в катушку; такие катушки должны быть подготовлены в соответствии с формой и типом материала. Конденсаторные батареи и переключатели мощности также должны быть уменьшены в размерах для обеспечения коммерческой жизнеспособности. В последние годы, однако, развитие программного обеспечения для моделирования и компонентов электропитания уступило место более широкому использованию MPW.

Измерения магнитного поля при магнитно-импульсной сварке с использованием скалярных датчиков CMR-B

3.1. Измерение динамики магнитного поля во время MPW

Перед исследованием процесса MPW была исследована динамика магнитного поля в зазоре между формирователем поля и жестким алюминиевым цилиндром, а также во время свободного сжатия алюминиевой трубки. Результаты этих исследований при энергии заряда 4 кДж показаны на примере стержня (алюминий EN AW-6060, поставленный BIKAR-Metalle, Бад-Берлебург, Германия) диаметром 40 мм и алюминиевой трубки с таким же внешним видом. диаметр и толщина стенки 1.5 мм. Ток катушки для обоих случаев показан на вставке. Форма волны периодически изменяющегося магнитного поля является униполярной, что является результатом измерения скалярного датчика CMR-B, поскольку он измеряет только абсолютное значение плотности магнитного потока B . В случае алюминиевого стержня амплитуды всех колебаний магнитного поля изменяются по закону затухания (пунктирная линия) с экспоненциальной постоянной времени τ = 75,5 мкс. Следует отметить, что по этому закону изменяются и амплитуды токов.Однако в случае сжатия трубки после первого полуволнового импульса амплитуда следующей полуволны значительно уменьшается, и магнитное поле колеблется по закону затухания с экспоненциальной постоянной времени τ = 90,7 мкс.

Динамика магнитного поля между формирователем поля и частью летательного аппарата. Красная кривая отмечает жесткий стержень; черная кривая отмечает алюминиевую трубку толщиной 1,5 мм. На вставке: ток разряда при сжатии трубки показан черной линией; при экспериментах с жестким стержнем красной линией.

Эти различия связаны с деформацией трубки во время первой полуволны тока, что приводит к значительному увеличению индуктивности системы, состоящей из трубки и формирователя поля. Это подтверждается также уменьшением частоты колебаний магнитного поля (см.). Согласно Kleiner et al. [23], в процессе сжатия, когда начинается деформация летуна, общая индуктивность нагрузки потребителя (змеевик-трубка) в разрядном контуре увеличивается, что приводит к уменьшению частоты и амплитуды колебательного тока.Однако из-за наличия формирователя поля, который используется в дополнение к катушке инструмента, деформация трубки лишь незначительно влияет на общую индуктивность системы (см. Henselek et al. [24]). Следовательно, ток в катушке изменяется незначительно (см. Вставку). Тем не менее это приводит к значительному уменьшению амплитуды магнитного поля в зазоре между формирователем поля и сжатой трубкой. Более того, как видно на фиг.4, во время сжатия трубки временной ход первой полуволны магнитного поля отличается от хода жесткого стержня.Здесь максимум магнитного поля достигается намного раньше, чем максимум тока катушки. Это означает, что несмотря на увеличение тока катушки, магнитное поле в зазоре уменьшается из-за деформации летуна.

Для изучения влияния энергии заряда E на формы колебаний магнитного поля во время максимальной нагрузки алюминиевого флаера со стальным основанием были проведены эксперименты при различных энергиях заряда (см. A) и с флаерами, имеющими разную толщину стенок (см. б).Результаты этих исследований с толщиной стенки флаера 1,5 мм при энергиях заряда 2, 3 и 4 кДж показаны на рисунке а. Первая полуволна во всех этих сварочных экспериментах имела два пика. Первый пик был аналогичен тому, который наблюдался при свободном сжатии трубки (см.). Амплитуда этих пиков зависела от энергии заряда конденсатора: чем меньше энергия заряда, тем меньше была амплитуда пика магнитного поля и максимум этих пиков был достигнут позже. Как упоминалось ранее, магнитная индукция в точке измерения представляет собой интерференцию поля, создаваемого формирователем поля, и индуцированного тока в летательном аппарате.Второй компонент, среди прочего, зависит от расстояния между формирователем поля и летчиком. Чем больше это расстояние, тем меньше становится вклад магнитного поля летуна. При определенной скорости летательного аппарата увеличение времени магнитного поля в формирователе поля (при еще увеличивающемся токе катушки) компенсировалось уменьшением магнитного поля, индуцированного в летательном аппарате. Таким образом был получен первый пик. После достижения первого пика плотность магнитного потока упала до некоторого локального минимального значения, затем увеличилась до второго пика и, наконец, упала до нуля.Более того, минимум между этими двумя пиками во времени был достигнут позже, а относительное значение второго пика было ниже, когда использовалась более низкая энергия заряда. После окончания первой полуволны следующие импульсы продолжали колебаться по закону затухания.

Магнитные поля между формирователем поля и алюминиевой направляющей трубкой при разных энергиях заряда, когда толщина стенки трубки составляет d = 1,5 мм, соединительный зазор составляет h = 1,5 мм ( a ), а энергия зарядки равна 5 кДж, также при толщине стенки d = 1, 2, 2.5 мм ( b ).

Для понимания динамики плотности магнитного потока в процессе сварки были рассмотрены процессы, происходящие в течение первой полуволны разрядного тока. показывает ток в катушке и изменения величины магнитного поля в зазоре между формирователем поля и флайером.

Динамика магнитного поля между формирователем поля и алюминиевой трубкой отмечена черной линией, ток катушки — красной линией, смещение стенок трубки — синей пунктирной линией, а скорость стенки трубки — пунктирная зеленая линия.Толщина стенок трубки составляла 1,5 мм, энергия заряда конденсатора — 4 кДж ( a ) и 2 кДж ( b ). Родитель был сделан из стали.

Перемещение летательного аппарата, а также его скорость при энергии заряда 4 кДж и 2 кДж представлены соответственно на а, б. Сравнение смещения летательного аппарата во времени и формы волны плотности магнитного потока B показывает, что локальный минимум B достигается при столкновении летчика с родителем. В момент удара скорость летчика достигает максимального значения, а затем резко падает.Для E = 4 кДж (а) начальное время столкновения составляет 11 мкс после начала текущего импульса, а максимальная скорость удара летательного аппарата составляет v i = 272 м / с. Общее смещение флаера составляет 1,5 мм (т.е. начальный зазор), и процесс деформации завершается через 14 мкс. Минимальная плотность магнитного потока достигается при уменьшении скорости полета до v i = 120 м / с. Как уже отмечалось выше, появление первого пика и последующее уменьшение магнитного поля явилось результатом деформации летуна, вызванной магнитным давлением.В этом случае увеличение индуктивности системы, вызванное прогрессирующей деформацией летательного аппарата, настолько сильно замедлило магнитное поле, что увеличение тока в катушке не смогло компенсировать это уменьшение. Однако, когда скорость уменьшалась, влияние тока катушки на магнитное поле преобладало, и наблюдалось общее увеличение B . По этой причине в момент минимума магнитного поля ток еще не достиг максимального значения и продолжал расти, что привело к появлению второго пика в динамике поля.

Было обнаружено, что существует взаимосвязь между энергией заряда E , моментом времени ( τ м ) минимума магнитного поля в форме сигнала с двойным пиком и качеством сварки. Когда E составлял 4 кДж, 3 кДж и 2 кДж, τ m составлял 11 мкс, 12,5 мкс и 15 мкс соответственно. Испытание на отслаивание вручную показало, что при τ м ≤ 12,5 мкс отрезанная полоса материала листовки не может быть отделена от основного материала, что свидетельствует о хорошем качестве сварки.Изображение испытанного образца после MPW при E = 3 кДж; τ м = 12,5 мкс показано на вставке. Между тем, такой же анализ выполнен при E = 2 кДж; τ м = 15 мкс (см. B) показало недостаточную прочность сварного шва, потому что листовая полоса легко отслаивалась от основной.

Влияние толщины стенки флаера на динамику магнитного поля было исследовано путем зарядки конденсатора до 5 кДж и использования флаеров с толщиной стенки 1, 2 и 2.5 мм. Результаты показаны на б. Видно, что флаер с толщиной стенки 1 мм ударяется о родительский элемент после τ м = 11 мкс (минимум кривой), в то время как флаер с толщиной стенки 2,5 мм сталкивается с родительским элементом после τ м = 16 мкс, когда ток катушки уже достиг максимального значения и начал падать. Более того, в случае флайера толщиной 2,5 мм энергии было недостаточно для качественной сварки деталей.

Таким образом, анализируя форму волны магнитного поля во времени, можно качественно определить качество процесса MPW с учетом следующих параметров: момент времени и амплитуда первого пика и момент времени минимума. Как указывалось ранее, деформация летуна начинается при достижении критического магнитного давления. Первый максимум является результатом компенсации увеличивающегося магнитного поля в формирователе поля, вызванного уменьшением магнитного поля, индуцированного в летательном аппарате.Максимальное магнитное давление можно оценить по этому максимальному значению. Однако трудно определить четкую связь между моментом времени первого максимума и его значением с качеством сварки. Причина в том, что положение и значение этого максимума зависят от увеличивающегося тока катушки, скорости летательного аппарата, его механических свойств и т. Д. Например, для летчиков с фиксированной толщиной стенки было получено, что при более высокой энергии заряда , достигается более ранний и более высокий максимум и повышается качество сварки (см. а).Однако промежутки времени между этими пиками различаются незначительно. Для листовок с разной толщиной стенок (см. B) первый максимум 6 Тл был достигнут через 6 мкс при энергии заряда 5 кДж, когда использовался флаер с толщиной стенки 1 мм. Однако, когда летун с толщиной стенки 2,5 мм использовался при той же энергии, это было достигнуто через 11 мкс, несмотря на более высокое значение первого пика (около 8,3 Тл). Причем момент минимума магнитного поля показывает время столкновения летчика с родителем.По полученным данным можно определить скорость летуна в момент его столкновения с родителем. После начала деформации скорость летуна изменяется почти линейно. Согласно Lueg-Althoff et al. [6], время столкновения флаера с родителем является особенно важным параметром в процессе MPW. Таким образом, зная зазор стыковки и время до столкновения, можно оценить скорость летуна. Чем позже достигается локальный минимум, тем ниже скорость полета незадолго до столкновения с родителем.Действующее давление на часть летательного аппарата можно оценить, проанализировав изменение скорости во время удара. Это было сделано Lueg-Althoff et al. [6], оценив изменение скорости полета при ударе с помощью кривых PDV. Однако, введя скалярную измерительную систему CMR-B в качестве нового и быстрого метода анализа процессов MPW, можно получить информацию не только о движении летательного аппарата, но также о значениях и динамике магнитного поля. Следовательно, комбинация нескольких параметров, таких как максимум первого пика, его временное положение и момент времени минимума формы сигнала, может использоваться в качестве индикатора или «отпечатка пальца» качества сварки для известных установок MPW с заранее заданными параметрами. параметры инструмента, такие как зазор между флаером и формирователем поля, зазор между флаером и родительским элементом и толщина стенки флаера.

Полученные результаты показывают, что анализ динамики магнитного поля в окрестности формирователя поля дает необходимую информацию о процессах, происходящих при магнитной сварке, которую нельзя получить прямым измерением тока катушки, что было предложено Автор: Henselek et al. [24], Zhang et al. [25] и Beerwald et al. [26]. Кроме того, анализируя данные, полученные путем измерения динамики магнитного поля, и сравнивая эти данные с результатами физической проверки качества сварки, можно будет оптимизировать энергию заряда конденсаторов для каждого случая.Например, видно, что для сварки флаера с толщиной стенки 1 мм нет необходимости заряжать конденсатор до 5 кДж, так как он воздействует на родительский элемент, когда ток в катушке еще не достиг своего максимума. Кроме того, предлагаемая система измерения магнитного поля может использоваться не только для анализа процессов, происходящих во время MPW, но и для мониторинга критических точек динамики магнитного поля (таких как величина и временное положение первого максимума и минимума). определяется заранее для выбранной системы MPW.CMR-B-скалярные датчики имеют небольшие размеры и нечувствительны к направлению магнитного поля, что значительно упрощает их установку. Они также быстрые и могут измерять короткие импульсы магнитного поля. Кроме того, по сравнению с датчиками PDV, они не требуют специальной обработки сигнала, так как вся динамика магнитного поля сразу отображается на экране монитора.

3.2. Численное моделирование плотности магнитного потока в зазоре между формирователем поля и деталью

Для численного моделирования динамики магнитного поля были созданы трехмерные имитационные модели с использованием коммерческого программного обеспечения LS-DYNA (Lorenz et al.[27]). Хотя эксперименты проводились с флаерами с разной толщиной стенок, моделирование проводилось только для одной геометрии флаеров. Поскольку численное моделирование высокоскоростных процессов формовки, таких как электромагнитное формование (или в данном случае MPW), является сложным и сложным, основное внимание было уделено листовке с толщиной стенки 2 мм. Для этой геометрии заранее были точно определены требуемые параметры материала с высокой скоростью деформации. Таким образом, может быть оценена стабильная и информативная численная модель.Схема моделирования показана на.

Настройка в моделировании LS-DYNA.

В этой установке флаер имел толщину d = 2 мм, начальный зазор между флаером и родительским h составлял 1,5 мм, а начальное расстояние между формирователем поля и флаером составляло 0,5 мм. Помимо механических свойств материала, в качестве входа использовался экспериментально измеренный импульс электрического тока через катушку. Точность моделей численного моделирования высокоскоростных процессов формовки, таких как MPW, сильно зависит от применяемых моделей материалов.Материальные данные для численного моделирования были получены путем обратной характеризации, как описано в Lorenz et al. [27]. Поскольку формирователь прикладного поля имеет несколько осевых и радиальных скважин для интеграции скалярных датчиков CMR-B и датчиков PDV (см.), Создание сетки трехмерной имитационной модели было сложной задачей. Требовалась исключительно мелкая трехмерная сетка, которая резко увеличивала время моделирования. Поэтому скважины не учитывались при моделировании LS-DYNA.Кроме того, влияние скважин и положения датчика магнитного поля на значения плотности магнитного потока было оценено с помощью мультифизического моделирования COMSOL. Результаты моделирования в COMSOL представлены ниже.

Сравнение результатов моделирования и измерений динамики магнитного поля показало хорошее качественное совпадение моделирования и эксперимента (см.). Особенно многообещающее соответствие показал временной ход в течение первой полуволны текущего импульса.

Динамика магнитного поля при сварке алюминиевой трубы с толщиной стенки d = 2 мм со стальным основанием. Масштабированное моделирование LS-DYNA (коэффициент масштабирования 0,3 — красная пунктирная линия), измерение — зеленая линия, а колебания тока через катушку — синяя пунктирная линия.

Обсуждавшееся ранее поведение двух пиков в динамике напряженности поля было обнаружено как при измерениях, так и при моделировании. Однако, как упоминалось ранее, динамическое моделирование LS-DYNA было выполнено без скважин, и результаты моделирования дают значительно более высокие значения магнитного поля, чем были получены из измерений с использованием скалярного датчика CMR-B.Например, максимальная плотность потока, рассчитанная для момента времени t = 7,1 мкс (см.), Составила 25,05 Тл (на рисунке не показано), а измеренное значение ≈ 7,48 Тл. Чтобы прояснить причины этого несоответствия, 3D-моделирование гармоник во времени было выполнено с помощью COMSOL Multiphysics. Целью была оценка влияния ствола скважины и положения датчика магнитного поля на плотность магнитного потока. Геометрии формирователя поля, флаера и родителя рассматривались как в их начальных (не деформированных) состояниях, так и в их конечных состояниях после столкновения летуна с родителем.Представленные результаты показывают, что скважина приводит к значительному локальному уменьшению магнитного поля. Вдоль оси скважины магнитное поле неоднородно. Сравнение максимального значения магнитного поля в Точке 1 (в которой проводились расчеты LS-DYNA) с максимумом в Точке 4 (в которой размещался датчик) показывает, что эти значения различались примерно в три раза. . Как уже упоминалось ранее, такая же трехкратная разница была получена при сравнении результатов моделирования и измерений в процессе сварки.Кроме того, можно видеть, что увеличение зазора между формирователем поля и летательным аппаратом из-за электромагнитного формирования приводит к уменьшению напряженности магнитного поля и временному сдвигу максимума и минимума.

Результаты моделирования в COMSOL распределения магнитного поля в четырех положениях в зазоре между летательным аппаратом и формирователем поля для начального и конечного состояний деформации летательного аппарата (( a ) напряженность магнитного поля, ( b ) колебания магнитного поля) .P1 не подвержен влиянию ствола скважины, P2 находится в том же радиальном положении перед стволом скважины, P3 и P4 находятся на 0,5 и 1 мм внутри ствола скважины, что приблизительно соответствует положению зонда в экспериментах.

Следовательно, наличие отверстия в формирователе поля и положение датчика в этом отверстии вызывают расхождение между измеренным значением и моделируемым магнитным полем. Таким образом, было решено, что результаты LS-DYNA необходимо масштабировать с коэффициентом 25,05 / 7,48, чтобы учесть влияние ствола скважины (см.).Поэтому данные результатов моделирования, представленные в, масштабируются на этот коэффициент. Это позволяет получить не только качественное, но и количественное согласие моделирования и измерений.

Численное моделирование позволяет провести подробный анализ взаимодействий между деформацией летуна, ударом между летуном и родителем и динамикой магнитного поля. На графике показана радиальная скорость кромки флаера во времени. Видно, что деформация летательного аппарата начинается с некоторой задержкой и только после установления определенного уровня магнитного поля.Индуцированные напряжения, вызванные так называемым магнитным давлением, превышают начальные напряжения течения материала летательного аппарата. Затем летун быстро ускоряется до тех пор, пока не будет преодолено противостояние между летуном и родителем. Контакт внутренней поверхности летательного аппарата с родительской поверхностью происходит при максимальной скорости летательного аппарата. Следует отметить, что при численном моделировании скорость пилота определяется для кромки пилота, которая, очевидно, выше, чем в позиции измерения PDV на несколько миллиметров вдоль оси пилота.За этим пиком скорости следует резкое замедление, во время которого летун и родитель слегка сжимаются, и образуется высокое контактное давление. Фаза замедления занимает всего несколько микросекунд, и ее окончание можно определить по локальному минимуму кривой магнитного поля. Это подтверждает экспериментальные результаты () и еще раз показывает потенциал измерений магнитного поля для углубленного анализа процессов МПВ. Сварка между летательным аппаратом и родительским элементом не была смоделирована в настоящем моделировании LS-DYNA, и летательный аппарат испытывает некоторые вибрации после удара.Это может быть причиной некоторых расхождений между моделированием и экспериментом во второй и третьей полуволнах импульса тока, показанных на. Однако общепринято, что, помимо других параметров, радиальная скорость удара пилы и фаза удара между соединяемыми партнерами имеют первостепенное влияние на формирование сварного шва. Следовательно, корреляция между кривой деформации флаера и измерениями магнитного поля и различными характеристиками для успешных и неудачных сварочных испытаний является многообещающим показателем для дальнейшего развития этого метода измерения CMR.

Радиальная скорость кромки флаера и магнитное поле во время процесса. Магнитное поле оценивалось на расстоянии 0,1 мм от края формирователя поля и масштабировалось с указанным коэффициентом 0,3 с учетом скважины в формирователе поля. Результаты получены при моделировании LS-DYNA.

Экспериментальный и численный анализ инкрементной магнитно-импульсной сварки разнородных листовых металлов

Производство Ред. 6 , 7 (2019)

Исследовательская статья

Экспериментальный и численный анализ инкрементной магнитно-импульсной сварки разнородных листовых металлов

Верена Псик * , Майк Линнеманн и Кристиан Шеффлер

Институт станков и технологий формовки им. Фраунгофера, Райхенхайнер Штрассе 88, 09126 Хемниц, Германия

* электронная почта: верена[email protected]

Поступило: 14 Декабрь 2018 г.
Принято: 29 марш 2019 г.

Аннотация

Магнитно-импульсная сварка — это процесс сварки в твердом состоянии с использованием импульсных магнитных полей, возникающих в результате внезапного разряда конденсаторной батареи через катушку инструмента, чтобы вызвать высокоскоростное столкновение двух металлических компонентов с образованием сварного соединения ударной сваркой. Стык формируется при комнатной температуре. Следовательно, исключаются проблемы, связанные с температурой, и эта технология позволяет использовать комбинации материалов, которые обычно считаются несвариваемыми.Расширение типично линейного сварного шва может достигать нескольких сотен миллиметров в длину, но лишь нескольких миллиметров в ширину. Инкрементальная или последовательная магнитно-импульсная сварка является многообещающей альтернативой для получения больших соединяемых участков. Здесь индуктор перемещается относительно соединяемых партнеров после последовательности сварки, а затем запускается другой процесс сварки. Таким образом, площадь сварки увеличивается за счет расположения нескольких смежных сварных швов. Эта статья демонстрирует возможность инкрементной магнитно-импульсной сварки.Кроме того, исследуется и оценивается влияние важных параметров процесса на качество компонентов. Обсуждается пригодность различных методов механических испытаний для определения прочности отдельных сварных швов. С результатами численного моделирования обращаются для получения более глубокого понимания наблюдаемых эффектов.

Ключевые слова: соединение / сварка / магнитно-импульсная сварка

© В. Псик и др., Опубликовано EDP Sciences 2019

Это статья в открытом доступе, распространяемая в соответствии с условиями лицензии Creative Commons Attribution License (http: // creativecommons.org / licenses / by / 4.0), что разрешает неограниченное использование, распространение и воспроизведение на любом носителе при условии правильного цитирования оригинальной работы.

1 Обоснование и принцип инкрементальной магнитно-импульсной сварки

На промышленное производство все больше и больше влияют социальные, экологические аспекты и аспекты здоровья. Политика поддерживает эту тенденцию, устанавливая соответствующие национальные и международные законы и соглашения, такие как «Климатический и энергетический пакет на 2020 год» [1] или Повестка дня на период до 2030 года [2].Экономия энергии и ресурсов и сокращение выбросов являются важными аспектами этого развития. Что касается проектирования и производства продукта, это, в частности, означает, что одно из основных направлений должно быть сосредоточено на снижении веса за счет последовательной реализации концепций облегченного дизайна, например мультиматериальный дизайн [3]. Исследования эффекта снижения веса показали, что снижение веса типичного автомобиля на 100 кг приводит к экономии топлива до 800 л в течение всего срока службы автомобиля [4].

При выборе материалов продукта решающее значение имеют технологические свойства и потенциал снижения веса, а также наличие и стоимость конкретных материалов.Кроме того, важно учитывать готовность экономичных технологий соединения, подходящих для конкретного материала или комбинации материалов. Традиционные технологии соединения, то есть обычно термические, такие как газовая дуговая сварка или контактная точечная сварка, часто достигают своих пределов, когда дело доходит до сочетания нескольких материалов [5].

Магнитно-импульсная сварка (иногда также называемая электромагнитной импульсной сваркой) — это технология, предлагающая высокий потенциал, особенно для соединения разнородных материалов, включая комбинации материалов, которые обычно считаются несвариваемыми.Была доказана возможность сочетания материалов, предназначенных, например, для производства кузовов автомобилей, таких как алюминий и сталь [6,7], в том числе нержавеющая сталь [8] и упрочняемая сталь (см. Рис. 1). Кроме того, осуществимость была проверена для комбинаций материалов, которые представляют особый интерес для приложений, связанных с электротехникой или теплопередачей и проводимостью, таких как алюминий и медь [9]. На рис. 1 показаны примеры соединений, полученных с помощью магнитно-импульсной сварки одинаковых и разнородных листовых металлов на заводе Fraunhofer IWU.

Процесс магнитно-импульсной сварки был первоначально предложен и запатентован Лысенко и др. в 1970 г. [10]. Эта технология представляет собой технологию ударной сварки, которая имеет некоторое сходство с хорошо известными методами сварки взрывом или наплавки [11]. Однако магнитно-импульсная сварка значительно менее критична с точки зрения безопасности, что значительно упрощает ее внедрение в промышленных условиях. Еще одно, более технологическое отличие состоит в том, что магнитно-импульсная сварка, в отличие от сварки взрывом, представляет собой очень переходный процесс [12].

Типичная установка для электромагнитной импульсной сварки деталей из листового металла проиллюстрирована на рисунке 2. Для выполнения процесса флаер, то есть партнер для ускоренного соединения, и цель, т.е. статический партнер для соединения, размещаются с помощью Определенный начальный зазор между ними и летуном ускоряется электромагнитным формованием [13]. Это означает, что конденсаторная батарея заряжается до энергии заряда, адаптированной к конкретному применению, и разряжается через так называемую катушку или индуктор.Как следствие, затухающий синусоидальный ток протекает через катушку инструмента и индуцирует соответствующее импульсное магнитное поле, которое, в свою очередь, индуцирует зависящий от времени ток в заготовке, то есть в листе флайера, который направлен против тока катушки. Силы Лоренца возникают из-за взаимодействия токов и магнитного поля, которые разгоняют летательного аппарата до скорости до нескольких сотен метров в секунду в течение нескольких микросекунд. Движение летуна направлено от катушки инструмента к цели (см. Рис.2, деталь X). Преодолев начальный разрыв, летчик и цель вступают в скоростное столкновение. Если параметры столкновения (скорость удара v и угол удара α) находятся в пределах технологического окна, которое является специфическим для комбинации материалов, создается ударное сварное соединение, которое часто (но не обязательно) имеет волнистую поверхность раздела [14] .

Для магнитно-импульсной сварки листового металла часто используются катушки с трезубцем намотки катушки. На рисунке 2 этот тип катушки используется в качестве примера.Здесь центральный проводник обмотки катушки инструмента используется для выполнения линейного сварного шва, в то время как два внешних проводника служат для направления тока обратно к импульсному генератору энергии и направления индуцированных токов в заготовке соответствующим образом. В этом частном примере поперечное сечение центрального проводника катушки узкое в области, близкой к флаеру, что позволяет сосредоточить действующую нагрузку на небольшой площади (область фокусировки a ) и, таким образом, достичь высокого ускорения.По мере увеличения расстояния до флаера ширина проводника постепенно увеличивается, пока не будет достигнута полная ширина b , чтобы обеспечить лучшую стабильность и позволить выдерживать высокие механические нагрузки, действующие на катушку инструмента. Закругленные края предотвращают скачки электрических и механических нагрузок. Поперечное сечение внешних проводников намного шире по сравнению с центральным проводником, чтобы уменьшить действующие нагрузки в этой области и предотвратить нежелательную деформацию поверхностных дефектов в заготовке [15].

В отличие от классических методов сварки, при магнитно-импульсной сварке соединение формируется при комнатной температуре без значительного нагрева и плавления деталей. Таким образом, исключаются связанные с температурой проблемы, такие как термическое размягчение или образование непрерывных интерметаллических фаз, ухудшающих качество сварки. Из-за настроек, обычно используемых в процессе, сварной шов обычно имеет линейную форму либо по окружности трубчатых компонентов, либо по краям соединительных деталей из листового металла.Расширение таких сварных швов может легко достигать нескольких сотен миллиметров в длину [16], но их ширина ограничивается несколькими миллиметрами.

Тем не менее, в некоторых приложениях необходимо иметь большую площадь подключения присоединяющихся партнеров, например для достижения лучших электрических или теплопроводных свойств. В этих случаях многообещающей альтернативой является пошаговая магнитно-импульсная сварка. В этом варианте процесса катушка инструмента перемещается относительно соединяемых партнеров после первой последовательности магнитно-импульсной сварки, а затем запускается другой процесс сварки (см. Рис.3).

При этом площадь стыка можно постепенно увеличивать за счет расположения нескольких смежных сварных швов. Выполнимость принципа расширения процесса электромагнитного формования путем применения инкрементального или последовательного подхода была доказана для процесса структурирования в [17], для простого процесса 3D-формования в ссылке [18] и для более сложного процесса 3D-формования. листового металла большого диаметра в справочнике [19]. Для процессов сварки труб первые исследования были проведены в отношении инкрементной магнитно-импульсной сварки в [20], но до сих пор не изучался переход на магнитно-импульсную сварку листового металла.Поэтому важной целью данной статьи является доказательство технологической целесообразности инкрементной магнитно-импульсной сварки листов. Кроме того, будут определены соответствующие параметры этого конкретного варианта процесса, и будет проанализировано их влияние на качество сварного шва. В дополнение к экспериментальному анализу будет также выполнено численное моделирование процесса, чтобы получить более глубокое понимание действующих нагрузок, а также соответствующих параметров удара. С результатами моделирования будут обращаться для объяснения эффектов, наблюдаемых во время экспериментального исследования.На основании этого будут сделаны выводы относительно технологического проектирования.

рисунок 1

Образцы соединений, полученных импульсной магнитной сваркой одинаковых и разнородных материалов.

Рис. 2

Принцип магнитно-импульсной сварки деталей из листового металла.

Рис. 3

Принцип инкрементной магнитно-импульсной сварки.

2 Методика экспериментального анализа процесса инкрементной магнитно-импульсной сварки

2.1 Справочник по однопоследовательной магнитно-импульсной сварке

При анализе пошаговой магнитно-импульсной сварки листов в качестве эталона используется обычное магнитно-импульсное сварное соединение, состоящее из одной последовательности сварных швов. В частности, в этой ссылке листовой лист толщиной 1 мм, изготовленный из EN AW-1050, приваривается к целевому листу толщиной 2 мм, изготовленному из Cu-DHP. Подходящие параметры процесса, гарантирующие высокое качество сварки для одинарных сварных швов, выбираются на основе результатов подробного исследования, количественно оценивающего влияние важных регулируемых параметров процесса на критерии качества получаемого сварного шва, такие как передаваемое усилие, электрическая и теплопроводность и ширина сварного шва. шов [14].

Отрывок из этого исследования проиллюстрирован на рисунке 4. Точнее, влияние энергии заряда конденсатора E , начальный зазор между соединяемыми партнерами г начальный и параметр х флаер , который характеризует перекрытие катушки инструмента и флаера (см. Рис. 3), о передаваемой силе при испытаниях на сдвиг внахлест и ширину сварного шва.

Испытания на сдвиг внахлестку — это часто применяемые испытания, характеризующие механическое качество соединений, полученных при магнитно-импульсной сварке (см. E.г. Ссылка [6,8,21–23]). Для этой цели используются либо простые прямоугольные образцы, либо образцы с перегибом, аналогичные тем, которые используются в обычном испытании на растяжение, но с соединением, полученным посредством магнитно-импульсной сварки в центре образца, и испытание проводится на стандартной испытательной машине. . Чтобы описать максимальное усилие, которое может быть передано гибридным компонентом F независимо от размера образца и свойств соединенных деталей-полуфабрикатов (например, их толщины), оно соотносится с максимальной передаваемой силой более слабого основной материал F база в этом исследовании.Это эталонное значение определяется с помощью обычных испытаний на растяжение основных материалов с использованием образца соответствующего размера.

Ширина сварного шва определяется микроструктурным анализом, другим методом, который часто используется для определения характеристик сварных соединений, выполненных импульсной магнитной сваркой. Как в качестве примера показано на фиг. 5, сварные участки часто характеризуются более или менее характерной волнистой структурой поверхности раздела между двумя соединяемыми партнерами. Иногда даже присутствуют вихри. Напротив, несварные секции имеют разрыв или разрушенную структуру.

Принимая во внимание влияние энергии заряда конденсатора, рисунок 4 ясно показывает, что существует минимальное значение, необходимое для того, чтобы вообще разрешить сварку. Ниже этого порога, который для данного случая составляет от 5 до 10 кДж, передаваемая сила, а также ширина сварного шва равны 0, т.е. сварной шов не образуется. Увеличение энергии заряда конденсатора сверх этого порогового значения первоначально приводит к значительному улучшению качества сварки, характеризующемуся быстрым увеличением передаваемых усилий и ширины сварного шва.Однако дальнейшее увеличение энергии заряда конденсатора приводит к менее заметному улучшению качества.

Если передаваемая сила F / F база близка к 1, что имеет место для энергии заряда конденсатора в диапазоне 20 кДж и более. В данном случае максимальная передаваемая сила гибридной части равна силе более слабого основного материала. В этом случае обычно происходит разрушение основного материала. На Рисунке 6 сравниваются различные виды отказов: отказ сварного шва из-за отделения двух листов указывает на низкое качество сварки, в то время как отказ основного материала часто рассматривается как грубый критерий, указывающий на «высокое» качество сварки.В изображенном образце медный листок является более слабым основным материалом. Причина этого в том, что она имеет значительно меньшую толщину по сравнению с алюминиевой мишенью. Следовательно, алюминиевый лист может передавать более высокие силы, хотя прочность его материала ниже по сравнению с медным материалом.

Как только происходит разрушение основного материала, дальнейшее улучшение качества сварного шва больше не может быть обнаружено с помощью испытаний на сдвиг внахлестку, в то время как оценка ширины сварного шва по-прежнему позволяет относительное сравнение качества сварного шва, поскольку более высокая ширина сварного шва, очевидно, указывает на более высокое качество сварки. .

Принимая это во внимание, рисунок 4 доказывает, что в дополнение к энергии заряда конденсатора, также правильный выбор относительного положения соединяемых партнеров друг к другу, характеризуемого начальным зазором между ними, и особенно перекрытием катушки инструмента. и заготовка, характеризуемая величиной х флаер , может способствовать формированию сварного шва и достигнутому качеству сварки.

Исходя из этих соображений, для эталонных испытаний с одной последовательностью были выбраны следующие значения:

  • Энергия заряда конденсатора E = 30 кДж: Согласно рисунку 4 это значение достаточно высоко, чем минимально необходимое значение для достижения передаваемых сил F / F base of 1, так что можно ожидать высокого качества сварки, характеризуемого разрушением основного материала.

  • Относительное положение катушки инструмента и флаера x flyer = 2 мм: Это значение было определено как оптимальное в исследовании, представленном в ссылке [14]. Дальнейшее изменение этого параметра, выполненное для других комбинаций материалов, показало, что тенденция улучшения качества с увеличением положения x , показанная на рисунке 4, меняется на противоположную для значений выше 2 мм.

  • Начальный зазор между летательным аппаратом и мишенью г начальный = 1 мм: Рисунок 4 показывает, что в принципе для начального зазора 2 мм можно ожидать наивысшего качества сварного шва.Однако по сравнению с энергией заряда конденсатора и положением x влияние начальной ширины зазора на качество соединения менее существенно. С другой стороны, желательны небольшие начальные зазоры, чтобы избежать сильного параллельного смещения листов после соединения. Поэтому начальный зазор 1 мм был выбран в качестве компромисса.

Были проведены испытания однопоследовательной магнитно-импульсной сварки с использованием выбранных параметров, и полученные детали были охарактеризованы с точки зрения микроструктурного анализа.На Рисунке 7 показан результат этой характеристики с некоторыми типичными эффектами магнитно-импульсного сварного соединения. Область кромки выступа, где происходит первый контакт соединяемых партнеров (см. Рис. 2), обычно не сваривается. Сварной шов начинается на небольшом расстоянии от кромки выступа (здесь примерно 0,6 мм) и продолжается вдоль границы раздела. Иногда сварной шов может быть прерван, поэтому для правильного количественного определения площади сварки необходим точный анализ. В представленном случае общая ширина сварного шва (т.е.е. сумма отдельных сварных зон) составляет ∼5,2 мм, что хорошо соответствует ожиданиям, которые можно вывести из корреляций, показанных на Рисунке 4.

Рис. 4

Влияние регулируемых параметров процесса на параметры, характеризующие качество сварки согласно [14].

Рис. 5

Образцы микрофотографий сварных и несварных профилей.

Инжир.6

Случаи отказов при испытаниях на сдвиг внахлест соединений, полученных однопоследовательной магнитно-импульсной сваркой.

Рис. 7

Микрографический анализ эталонного сварного шва одинарной последовательности.

2.2 Параметры инкрементной магнитно-импульсной сварки

При пошаговых сварочных испытаниях для первой последовательности сварки применялись те же параметры процесса, что и в эталонной одиночной последовательности. Затем были добавлены дополнительные последовательности сварных швов с использованием той же энергии заряда конденсатора.В данной статье конкретно исследуется и оценивается влияние различного количества последовательностей n , с одной стороны, и различных относительных перемещений катушки и соединяемых партнеров Δ x , с другой стороны, на качество компонентов с точки зрения геометрии. микроструктурный анализ и механическая прочность.

Были исследованы

частей с n = 2 последовательностями, n = 3 последовательностями и n = 5 последовательностями. Рассматриваемые относительные перемещения Δ x = 9 мм, Δ x = 13.5 мм и Δ x = 18 мм были выбраны с учетом геометрии поперечного сечения типичного сварного шва с одинарной последовательностью, полученного в результате настройки, использованной в исследовании. На рис. 8 показано, что для этих видов сварных швов площадь контакта двух листов составляет ~ 9 мм, за ней следует наклонная геометрия выступа, которая простирается еще примерно на 9 мм. Это означает, что зазор между флаером и мишенью аналогичен начальной ширине зазора между флаером и мишенью в первой последовательности сварки на расстоянии 18 мм от кромки флаера.

Рис. 8

Поперечное сечение типичного соединения, полученного импульсной магнитной сваркой.

3 Экспериментальная характеристика и оценка результата соединения

3.1 Толщина свариваемых образцов

Значительно упрощенный подход к оценке общей толщины свариваемой детали заключается в добавлении номинальных толщин соединяемых деталей. В данном примере это приводит к значению общей ширины 3 мм.Однако хорошо известно, что и летун, и мишень могут претерпевать значительные изменения в толщине из-за удара и соответствующей серьезной пластической деформации соединяемых партнеров, что, по-видимому, является необходимым предварительным условием для магнитно-импульсной сварки. Это, в свою очередь, влияет на толщину детали, полученной при магнитно-импульсной сварке [9]. Деформация и результирующая толщина флаера и мишени в значительной степени зависят от соотношения плотности и прочности соединяемых партнеров. Как в качестве примера показано на Рисунке 9, удар медной летучей мыши по алюминиевой мишени вызывает значительно большую деформацию мишени, чем удар алюминиевой летучей мыши по медной мишени.

Рассматривая, например, применение процесса магнитно-импульсной сварки при производстве компонентов, связанных с теплопередачей, существенные аспекты включают свойства контакта. Следовательно, важна плоскостность контактных поверхностей, используемых для ввода тепла, которая тесно связана с распределением толщины. Таким образом, было исследовано распределение толщины различных листов, изготовленных с помощью инкрементной магнитно-импульсной сварки, и контрольного образца, изготовленного с помощью однопоследовательной магнитно-импульсной сварки.Рисунок 10 ясно показывает, что каждую последовательность сварных швов можно легко распознать на графиках толщины, так как это приводит к локальному минимуму толщины. Следовательно, по крайней мере, одна поверхность детали, полученная с помощью пошаговой магнитно-импульсной сварки, имеет более или менее характерную волнистость. Изменение толщины и соответствующая волнистость увеличиваются за счет увеличения движения катушки относительно положения соединяемых партнеров между двумя последовательными последовательностями соединения.

Инжир.9

Полученные сечения магнитно-импульсной сварки медного летчика с алюминиевой мишенью (слева) и наоборот (справа).

Рис. 10

Положение рулонов и соответствующее распределение толщины образцов, полученных при однократной и инкрементной магнитно-импульсной сварке.

3.2 Микроструктурные исследования сварных образцов

Еще одним важным критерием оценки соединений, полученных с помощью магнитно-импульсной сварки, является расширение зоны сварки, которая напрямую связана с проводимостью сварного шва и силой, которая может передаваться через сварной шов [14].Поэтому было проанализировано влияние различных параметров на сварные участки при пошаговой магнитно-импульсной сварке.

Как показано на Рисунке 11, все образцы, полученные с помощью инкрементной магнитно-импульсной сварки, имеют несколько сварных участков. Как и ожидалось, количество сварных участков и общая длина свариваемых участков л всего , то есть сумма индивидуальных длин всех сварных участков, увеличивается с увеличением числа последовательностей. Общая длина сварного шва, показанная на рисунке 11, представляет собой средние значения, рассчитанные по всем экспериментам, выполненным с набором параметров, в то время как локальные распределения удлинений сварного шва представляют собой один конкретный тестовый случай и, следовательно, могут незначительно отклоняться от среднего значения.

Прямое сравнение положения змеевика во время различных последовательностей сварки позволяет отнести отдельные сварные участки к различным последовательностям сварки. Скорее всего, все области сварки на расстоянии d ≤ 10 мм от кромки выступа могут быть отнесены к первой последовательности сварных швов. Различия в зоне сварки для этой последовательности, вероятно, можно объяснить небольшими неточностями в ручном позиционировании образцов по отношению к катушке инструмента и плоскостностью деталей, что привело к небольшим отклонениям x . флаер и г начальный .

Для образцов, сваренных в двух последовательностях, все последующие области сварки могут быть отнесены ко второй последовательности сварных швов. Для образца с пятью последовательностями сварки область сварного шва на расстоянии ∼16 мм от кромки выступа может быть отнесена ко второй последовательности сварки, а области сварки на расстоянии d ≈ 25 мм, d ≈ 34 мм и d ≈ 42 мм можно отнести к третьей, четвертой и пятой последовательностям сварки соответственно. Примечательно, что для последующих последовательностей зона сварки не находится непосредственно над областью фокусировки центрального проводника обмотки катушки, как можно было бы ожидать, а возникает при несколько более высоких значениях d .

Это показывает, что в идеальном случае две сварные зоны с обеих сторон рулона являются результатом единой последовательности сварки. Это справедливо для первой последовательности сварки почти на всех образцах. Напротив, большая часть дальнейших сварочных операций приводит только к одной единственной области сварки. Одна из возможных причин этого заключается в том, что расстояние между пилотом и мишенью в зоне, близкой к предыдущим последовательностям сварки, очень мало. Это означает, что особенно для процессов с небольшим относительным перемещением рулона и соединяемых партнеров между двумя последовательными последовательностями соединения доступное расстояние ускорения для флаера очень мало на стороне, обращенной к предыдущей последовательности сварки.Следовательно, скорость столкновения, необходимая для безопасного получения высококачественной магнитно-импульсной сварки, не может быть достигнута, поскольку она находится в диапазоне 300 м / с для этой конкретной комбинации материалов [9]. Если относительное перемещение катушки инструмента и заготовки достаточно велико, так что начальное расстояние между направляющей и мишенью примерно такое же, как в первой последовательности сварки, ускорение кажется более эффективным. Следовательно, условия столкновения более благоприятны, так что две области сварки снова возникают в результате одной последовательности сварки.В рассмотренных примерах это относится к относительному перемещению катушки инструмента и соединяемых партнеров Δ x = 18 мм. Эти корреляции до некоторой степени объясняют тенденцию увеличения общей длины сварного шва за последовательность сварки l всего / n с увеличивающимся относительным перемещением Δ x , что проиллюстрировано на рисунке 11. Здесь представлены средние значения, которые были рассчитаны из всех экспериментов, выполненных с определенным набором параметров.Более подробное объяснение будет дано по результатам численного исследования в Разделе 4.

Рис. 11

Положения катушек и соответствующие свариваемые участки образцов, полученных с помощью инкрементной магнитно-импульсной сварки.

3.3 Обсуждение методов определения механических характеристик образцов, полученных с помощью инкрементной магнитно-импульсной сварки

3.3.1 Испытание на сдвиг внахлестку

Как уже было показано, испытания на сдвиг внахлестку могут помочь оценить механическую прочность соединения, полученного импульсной магнитной сваркой, но они могут дать только общую оценку всей зоны сварки.Таким образом, ожидается, что информативная ценность будет ограничена в отношении испытаний деталей, изготовленных с помощью инкрементной магнитно-импульсной сварки. Дифференцированные выводы относительно вклада отдельных последовательностей сварных швов в общую передаваемую силу будут невозможны, потому что в этой испытательной установке вся сварная зона всегда нагружена, поскольку силы прилагаются к двум противоположным концам зоны сварного шва. Что касается однопоследовательных сварных швов, прочность соединения, полученного с помощью магнитно-импульсной сварки, может превышать прочность основного материала, незначительное качество отдельных сварных швов не может быть обнаружено, если одна отдельная последовательность сварных швов имеет высокое качество, что приводит к разрушению основного материала.

3.3.2 Испытание на отслаивание

В отличие от испытания на сдвиг внахлест, силы прилагаются перпендикулярно зоне сварки только на одном конце зоны сварки при испытании на отслаивание. Теоретически это должно позволить тестировать одну последовательность сварных швов за другой и делать выводы о качестве каждого отдельного сварного шва. Поэтому конец свариваемых листов был изогнут на 90 °, и на подготовленных образцах были проведены испытания на отслаивание в обычной испытательной машине (см. Рис. 12).

Однако данные сварные листы отличаются существенно разной прочностью и жесткостью материала.Жесткость медных листов на изгиб в ~ 1,8–2,8 раза выше, чем у алюминиевых листов, из-за более высоких значений модуля Юнга и толщины в этом примере соединения. Как уже было показано, толщина зоны соединения заметно выше, чем у основных материалов, что также означает, что здесь жесткость даже выше. В то же время квазистатический предел текучести медной мишени в ∼1,8 раза выше, а квазистатический предел текучести даже в 2,3 раза выше соответствующих значений алюминиевого флайера.Как следствие, не происходит заметных упругих или пластических деформаций в медном основном материале или в зоне деформации, в то время как алюминиевый основной материал сильно изгибается. Наконец, в основном алюминиевом материале вблизи зоны сварки происходит разрушение при изгибе. Некоторые этапы качественного деформирования процесса испытания показаны на Рисунке 12. Они ясно показывают, что этот вид испытаний не подходит для соединений, произведенных с помощью магнитно-импульсной сварки — ни одинарной, ни многосерийной сварки — из разных материалов или листов разной толщины.Однако испытание может привести к значимым результатам в случае сварных швов с аналогичными деталями из листового металла.

Рис. 12

Геометрия и этапы деформации образцов при испытаниях на отрыв.

3.3.3 Испытание долота

При точечной сварке так называемое испытание долотом — еще один признанный способ определения качества соединения путем приложения испытательного усилия на одной стороне соединения [24]. Таким образом, здесь был опробован аналогичный тест. На Рисунке 13 показаны установка, геометрия образца, характерные стадии деформации и типичный испытанный образец.Испытания проводились на шести образцах, изготовленных методом одинарной сварки, и шести образцах, сваренных пошагово.

В этих испытаниях использовались только образцы с числом последовательностей n = 3 и относительным перемещением Δ x = 9 мм. Как известно из исследований микроструктуры, эти образцы обеспечивают относительно короткие длины сварного шва; следовательно, ожидаемая передаваемая сила относительно мала. Это означает, что выбор этого набора параметров позволит в худшем случае оценить прочность сварного шва.Во время испытаний регистрировались сила и смещение движущегося долота, а после испытания анализировался тип отказа.

Подобно испытаниям на сдвиг внахлест, также для этих испытаний случаи отказа можно различать между отказом в соединении (т. Е. Отслоением листов) и разрушением более слабого основного материала (т. Е. Алюминиевого листового материала). На рисунке 13 показан пример образца с пошаговой сваркой, показывающий оба типа разрушения для различных последовательностей сварных швов. В случае разрушения стыка два листа разделяются без каких-либо серьезных повреждений.На медном листе можно обнаружить лишь незначительные остатки частиц от алюминиевого листка. В случае разрушения основного материала сцепление двух листов разнородного материала друг с другом настолько велико, что разделения материалов не происходит. Вместо этого происходит разрушение алюминиевого основного материала при сдвиге, хотя долото, использованное в этих испытаниях, имеет не острую, а закругленную кромку с радиусом 1 мм.

В эталонном случае одинарной последовательности с магнитно-импульсной сваркой все испытанные образцы разрушились в алюминиевом основном материале.Это доказывает, что набор параметров процесса, обеспечивающих получение высококачественных сварных швов с точки зрения прочности на сдвиг внахлест, электропроводности соединения и длины свариваемой области, также приводит к высокому качеству с точки зрения действующих нагрузок во время испытания долота.

В случае образцов, полученных с помощью инкрементной магнитно-импульсной сварки, важно учитывать, что последовательности сварки были испытаны в обратном порядке из-за настройки, в частности, ориентации образца. Это означает, что последовательность сварки, которая была произведена первой, проверялась последней, а последовательность сварки, которая была произведена последней, была первой, которая проверялась.Во многих случаях последовательность сварки, испытанная вначале, не удалась в основном материале. В этом случае дальнейшее испытание другой сварки было невозможно, так как не удалось создать подходящую область приложения силы для долота, чтобы проверить дальнейшие последовательности. Для двух образцов первая и вторая испытанные последовательности сварки не дали результата в соединении. Однако здесь последовательность сварки, которая была проверена последней (то есть последовательность, которая была сварена первой), не удалась в основном материале. Измерение толщины этих конкретных образцов показало, что значения толщины в области последовательностей сварных швов, выходящих из строя в соединении, незначительно (т.е.е. до двух десятых миллиметра) выше по сравнению с образцами, разрушенными в основном материале. Это говорит о том, что недостатки с точки зрения качества сварки также можно обнаружить по распределению толщины. Повторная оценка подробных результатов измерения толщины предполагает, что также для некоторых образцов, показывающих разрушение основного материала в первой испытанной последовательности сварных швов, средняя последовательность может иметь низкое качество.

На рис. 14 сравниваются измерения силового смещения, записанные во время испытания на долото эталонного сварного шва с одной последовательностью и образцов с пошаговой сваркой с различными случаями разрушения.Для эталонного сварного шва с одинарной последовательностью кривая «сила-смещение» имеет три отличительных участка: начальное небольшое увеличение силы до ∼200–400 Н, за которым следует гораздо более крутой подъем до ∼2500 Н, прежде чем аналогичный крутой спад сила возникает. Эта основная форма соответствует деформации образца. Эта деформация характеризуется упруго-пластическим изгибом свободного конца в начале испытания. Увеличивающийся наклон кривой характеризует переход от пластического изгиба к сдвигу.Наконец, сужение алюминиевого флайера заставляет усилие снова падать до тех пор, пока не произойдет разрушение.

Как и ожидалось, измерения силы-смещения, проведенные для образцов, полученных с помощью инкрементной магнитно-импульсной сварки с разрушением материала в последовательности сварных швов, которые были испытаны первыми, имеют такую ​​же принципиальную форму. Силы, измеренные при упруго-пластическом изгибе, находятся на том же уровне, что и на контрольном образце, но сила, достигаемая при сдвиге алюминия, на ∼30% ниже, чем в случае сварки в одну последовательность.

Для образцов с разрушением основного материала в первых последовательностях сварных швов и разрушением соединений в других последовательностях сварных швов на кривой измерения можно обнаружить заметное падение значений усилия. Это может быть связано с отслоением сварного шва. Однако пики силы, связанные с разрушением в соединении, не превышают значений ∼400–450 Н. Поскольку это на одну величину ниже максимальных значений силы, измеренных во время испытаний, можно сделать вывод, что такие низкокачественные соединения действительно работают. не вносят существенного вклада в общую прочность добавочного сварного шва.Напротив, измеренные силы во время сдвига алюминиевого основного материала в первой последовательности сварных швов были на том же уровне, что и при однократной сварке.

Рис 13

Геометрия и этапы деформации образцов при испытаниях долотом.

Рис. 14

Типичная кривая силы-смещения, измеренная во время испытаний долота.

3.4 Резюме экспериментального анализа

Экспериментальные исследования ясно показали, что возможна инкрементная электромагнитная сварка.В принципе, высокое качество сварки может быть достигнуто для всех последовательностей сварки путем применения параметров процесса, ведущих к высокому качеству сварки в случае однократной электромагнитной сварки. Однако надежность процесса может быть снижена для последующих последовательностей по сравнению с однократной сваркой и начальной последовательностью сварки постепенно свариваемой детали, соответственно.

4 Численное моделирование инкрементной магнитно-импульсной сварки

4.1 Несвязанное электромагнитное моделирование методом конечных элементов

Для более глубокого понимания особенностей инкрементной магнитно-импульсной сварки был проведен численный анализ, дополняющий экспериментальные результаты.На первом этапе были определены действующие нагрузки в первой и второй последовательности сварных швов для различных относительных перемещений рулона и заготовки между отдельными последовательностями сварки Δ x . Детали этого анализа показаны на рисунках 15 и 16. Чтобы продемонстрировать основные эффекты, было проведено простое двумерное гармоническое электромагнитное моделирование с использованием бесплатного инструмента моделирования FEMM [25]. Ток катушки был аппроксимирован синусоидальным колебанием с амплитудой 454 кА и частотой 22 кГц.Эти параметры хорошо соответствуют максимальному току и значительной частоте токов катушки, измеренным во время сварочных экспериментов, описанных в разделе 3. В численной модели предполагалось, что полный ток течет по центральному проводнику обмотки катушки в одном направлении. (т.е. здесь накладывается ток +454 кА), в то время как половина тока течет в обратном направлении в каждом из двух внешних проводников (то есть к каждому из них прикладывается ток -227 кА).Это упрощающее допущение не учитывает асимметрии в установке, такие как разная ширина зазора между катушкой и флайером, с одной стороны, и катушкой и мишенью, с другой стороны, вызовет неравномерное распределение тока в двух внешних проводниках. катушки. Однако распределение наложенных токов в отдельных проводниках было рассчитано численно в рамках анализа методом конечных элементов. Геометрия второй последовательности сварных швов моделировалась упрощенным способом, состоящим из трех линейных сегментов с закругленными переходами.

Были проанализированы результаты моделирования с точки зрения распределения тока (см. Рис. 15) и распределения магнитного потока (см. Рис. 16); кроме того, рассчитывалось так называемое магнитное давление (см. рис. 16). Последняя представляет собой фиктивную поверхностную нагрузку, которую можно определить из физически существующих объемных сил (сил Лоренца) с помощью математических преобразований [26]. Силы Лоренца, в свою очередь, можно вычислить через векторное произведение плотности магнитного потока и плотности тока.Распределение магнитного давления ясно показывает, что нагрузки, действующие в первой последовательности сварки, отличаются от нагрузок, действующих в последующих последовательностях. Это влияние может быть связано как с изменением ширины зазора между катушкой инструмента и флаером, так и с соответствующим изменением распределения тока в листе флайера.

В первой последовательности сварки зазор между катушкой инструмента и направляющей небольшой и однородный по координате d . Однако, поскольку флаер не полностью перекрывает катушку инструмента, индуцированный ток имеет максимум на краю флаера, что связано с более высокой напряженностью магнитного поля и плотностью потока в этой области.Таким образом, соответствующее магнитное давление также имеет максимум в области кромки флаера (т.е. при d ≈ 0). Она немного уменьшается с увеличением координаты d до тех пор, пока не будет достигнут край области фокусировки a центрального проводника обмотки катушки. При дальнейшем увеличении координаты d зазор между катушкой инструмента и заготовкой значительно увеличивается из-за формы поперечного сечения обмотки катушки, и хорошо известно, что это приводит к резкому падению магнитного давления (см.г. Ref. [13]). Причина в том, что с увеличением ширины зазора магнитное поле распространяется на больший объем и, следовательно, плотность энергии магнитного поля, которая напрямую соответствует магнитному давлению, уменьшается. По сравнению с центральным проводником обмотки катушки, плотность тока, напряженность магнитного поля и плотность магнитного потока значительно ниже в области двух внешних проводников обмотки катушки. Таким образом, магнитное давление, действующее в этой области, незначительно, что было предназначено для предотвращения деформации заготовки здесь.

В отличие от первой последовательности сварки, зазор между катушкой инструмента и заготовкой в ​​целом больше, а ширина зазора неоднородна для второй последовательности сварки, если относительное перемещение Δ x мало (т.е. этот конкретный случай). Распределения напряженности магнитного поля, плотности магнитного потока и индуцированного тока в флаере соответствуют локальной ширине зазора. Это означает, что они выше в тех областях, где разрыв относительно невелик.Эти тенденции также напрямую отражаются распределением магнитного давления. Сравнивая данные случаи, это означает, что магнитное давление, прикладываемое в последующих последовательностях сварки, является самым низким для относительного перемещения Δ x = 9 мм. Кроме того, в случае относительных перемещений Δ x <18 мм, магнитное давление, как правило, выше на стороне, противоположной предыдущей последовательности сварки (на рис. 15 и 16, это правая сторона). Для относительного перемещения Δ x = 13.5 мм, зазор у правого края области фокусировки центрального проводника обмотки катушки равен зазору для эталонного шва одинарной последовательности и первого сварочного шва пошагового шва, соответственно. Соответственно, переменные магнитного поля и магнитное давление также достигают соответствующих значений.

При относительном перемещении Δ x = 18 мм ширина зазора во второй последовательности сварных швов мала и снова одинакова в соответствующей области (то есть в области фокусировки центрального проводника обмотки катушки).Однако, в отличие от первой последовательности, заготовка полностью перекрывает катушку инструмента и даже выходит за край центрального проводника катушки. Таким образом, распределение напряженности магнитного поля, плотности магнитного потока и индуцированного тока в флайере более симметрично, и, следовательно, пик давления, возникающий на краю флайера в первой последовательности сварных швов, здесь не наблюдается.

Описанные корреляции хорошо объясняют наблюдения, сделанные во время экспериментальных испытаний.Пониженное магнитное давление в последующих последовательностях сварки, очевидно, приведет к меньшему ускорению и более низкой скорости удара, что может ухудшить качество сварки и надежность процесса. Таким образом, экспериментальные и численные исследования подтверждают друг друга и подтверждают принципиальную правдоподобность обоих. Однако из-за упрощений, сделанных в этом моделировании, ценность количественной информации ограничена. Несвязанный подход не учитывает обратное действие механической деформации на распределение переменных магнитного поля, и хорошо известно, что, следовательно, действующие нагрузки, как правило, переоцениваются [13].Более того, не считается, что в случае неоднородной ширины зазора высокое давление в тех областях, где ширина зазора мала, можно ожидать, что приведет к более раннему и / или более сильному ускорению летательного аппарата по сравнению с теми областями с относительно небольшой шириной зазора. небольшая ширина зазора. Игнорирование этого может также привести к переоценке влияния неоднородности, хотя можно ожидать, что основные тенденции будут правильными.

Рис. 15

Распределение плотности тока для пошаговой сварки с различными относительными перемещениями катушки инструмента и заготовок.

Рис.16.

Распределение плотности магнитного потока (слева) и распределение давления (справа) для пошаговой сварки с различными относительными перемещениями катушки инструмента и заготовок.

4.2 Совместное электромагнитное и структурно-механическое моделирование

Чтобы преодолеть описанные недостатки стратегии несвязанного моделирования, на следующем этапе были выполнены более точные связанные трехмерное электромагнитное моделирование и структурно-механическое моделирование с использованием LS-Dyna [26].Здесь структурно-механическое моделирование выполняется как анализ методом конечных элементов, а электромагнитное моделирование выполняется как анализ граничных элементов. Переходный ток катушки с максимальным значением 454 кА, измеренный во время экспериментальных исследований, описанных выше, использовался в качестве входных данных, характеризующих нагрузку, а распределение тока между двумя внешними проводниками, а также внутри отдельных проводников было рассчитано численно в рамках моделирования. Для моделирования последующих последовательностей сварных швов вся важная информация о деталях из первой последовательности сварных швов, такая как результирующая геометрия, распределение деформации и т. Д.были учтены, так что можно ожидать, что ошибка из-за неточностей в подходе к моделированию будет значительно меньше по сравнению с несвязанным моделированием, описанным в разделе 4.1.

Важные результаты совместного моделирования с точки зрения параметров удара суммированы на рисунках 17 и 18. Точнее, на рисунке 17 показано распределение скорости удара как функция расстояния d от кромки флаера, а на рисунке 18 — те же данные приведены для угла удара.Кроме того, в обоих случаях отмечен диапазон значений, который, как ожидается, будет подходящим для сварки. Эти диапазоны параметров были взяты из более раннего исследования, направленного на определение технологических окон на основе количественных параметров ударного воздействия для магнитно-импульсной сварки [9]. Это более раннее исследование показало, что минимальная скорость удара около 300 м / с в сочетании с углами удара в диапазоне ∼7–20 ° способствует формированию высококачественных сварных швов в надежном процессе. В случае более высоких углов удара по тенденции требуются более высокие скорости удара.В определенных случаях также при более низких скоростях удара, сварка может быть достигнута, но качество сварки, а также надежность процесса будут более критичными.

Результаты совместного моделирования демонстрируют, что для эталонной одиночной последовательности (и, соответственно, для первой последовательности инкрементной магнитно-импульсной сварки) скорость удара достаточно высока, чтобы способствовать сварке. Угол удара варьируется в широком диапазоне, и некоторые чрезвычайно высокие и низкие значения угла имеют тенденцию быть критическими в отношении технологического окна.Однако существует область длиной в несколько миллиметров, для которой оба соответствующих параметра, скорость удара и угол удара, находятся в пределах диапазона соответствующих значений. Это отражается в относительно длинной зоне сварного шва, наблюдаемой для одинарного шва (см. Рис. 11).

Учитывая пошаговую сварку с относительным перемещением Δ x = 9 мм, результирующая скорость удара в последующей последовательности заметно ниже и едва достигает области, для которой можно ожидать прочного образования сварного шва.Однако диапазон возможных углов удара полностью находится в пределах рекомендуемого диапазона значений. Это объясняет, что при механических испытаниях таких соединений наблюдались разные режимы разрушения. В целом условия воздействия для последующих последовательностей сварных швов здесь должны быть оценены как критические, и при применении этой комбинации параметров значительное количество последующих последовательностей может вообще не привести к образованию сварного шва. Тот факт, что в серии испытаний, представленных в этой статье, также для этой неблагоприятной комбинации параметров, многие образцы показали хорошие результаты оценки, доказывает, что окно процесса, указанное в ссылке [9], приводит к довольно консервативному дизайну процесса.

В случае пошаговой сварки с относительным перемещением Δ x = 13,5 мм, скорости удара в области края центрального проводника катушки, который обращен в сторону от предыдущей последовательности сварки, аналогичны тем, которые имеют место для справочной одиночной последовательности. , но область, в которой достигаются эти очень высокие скорости, меньше. Кроме того, что касается угла удара, диапазон возникающих значений аналогичен диапазону, наблюдаемому для сварки одинарной последовательностью, но область, для которой подходят возникающие значения, немного меньше.Тем не менее, в области от d ≈17 мм до d ≈ 22 мм, параметры удара предполагают, что можно ожидать сварки, прогноз, который относительно хорошо согласуется с результатами микроструктурных исследований, представленными на рисунке 11.

В случае пошаговой сварки с относительным перемещением Δ x = 18 мм, скорости удара для последующей последовательности сварки аналогичны эталонной одиночной последовательности на больших участках кривой.Это показывает, что небольшие различия в магнитных давлениях, определенные с помощью независимого моделирования (см. Рис. 16), не являются решающими в отношении скорости удара для этих случаев. Однако угол удара меняется больше, здесь и особенно в середине центрального проводника катушки (т.е. при d ≈ 20 мм) некоторые углы не соответствуют рекомендуемому диапазону значений, поэтому следует ожидать прерывистого сварного шва. здесь. Кроме того, для этого случая ожидания, основанные на численно определенных параметрах удара и соответствующих микроструктурных исследованиях, представленных на Рисунке 11, хорошо согласуются.

Рис.17.

Распределение скорости удара для пошаговой сварки с различными относительными перемещениями катушки инструмента и заготовок.

Рис.18

Угол удара для пошаговой сварки с различными относительными перемещениями катушки инструмента и заготовок.

5 Краткое изложение и выводы относительно технологического проектирования

Магнитно-импульсная сварка предлагает важные преимущества для изготовления соединений из разнородных материалов, которые не могут быть реализованы с помощью обычных технологий, но ширина обычно линейного сварного шва ограничена несколькими миллиметрами.Увеличенные площади стыков можно получить с помощью пошаговой магнитно-импульсной сварки. Здесь несколько сварных швов располагаются рядом друг с другом путем выполнения нескольких последовательностей сварки и перемещения катушки инструмента и соединения партнеров относительно друг друга в промежутках между последовательностями.

Возможность использования этого нового варианта процесса была доказана, и был проведен базовый экспериментальный и численный анализ процесса для соединений медь-алюминий. Помимо типичных параметров процесса, известных при однократной магнитно-импульсной сварке, дополнительные параметры существенно влияют на качество соединения при пошаговом подходе.Это, в частности, относительное смещение катушки инструмента и узлов соединения между двумя последовательными последовательностями и количество последовательностей сварных швов, необходимых для соединения определенной области.

Измерения распределения толщины показали, что уменьшение относительного перемещения катушки инструмента к соединяемым партнерам уменьшает вариации толщины и, как следствие, волнистость поверхности детали. Однако для короткого относительного перемещения катушки инструмента и заготовки условия для сварки менее благоприятны.Одна из причин заключается в том, что увеличенная ширина зазора между катушкой инструмента и флаером значительно снижает эффективность процесса, поэтому одинаковые параметры процесса приведут к более низкому магнитному давлению. Кроме того, ширина зазора между выступом и мишенью в непосредственной близости от предшествующего сварного шва настолько мала, что едва ли позволяет достичь скорости выступа, необходимой для сварки. Следовательно, удлинение сварного шва невелико, и из-за прямой зависимости от соответствующей передаваемой силы механическая прочность также мала.В крайних случаях магнитно-импульсная сварка больше невозможна. Таким образом, необходимо найти компромисс в зависимости от требований, касающихся плоскостности детали, с одной стороны, и требуемой механической прочности сварного шва, с другой стороны.

Если требуется высокая механическая прочность, относительное движение должно быть достаточно длинным, чтобы гарантировать начальную ширину зазора, аналогичную ширине высококачественного шва одинарной последовательности для всех последовательностей сварных швов. В рассматриваемом здесь конкретном случае это означает относительное перемещение Δ x ≥ 18 мм.

Если плоскостность детали имеет большое значение, как, например, в элементах теплопередачи, относительное перемещение должно быть как можно короче. Однако это, очевидно, приводит к увеличению количества последовательностей сварных швов, необходимых для соединения определенной области, что подразумевает более высокие усилия и затраты на производство. Для рассматриваемого здесь конкретного случая относительное перемещение Δ x = 9 мм кажется нижней границей. Испытания на механическую нагрузку для этого значения показали, что высокое качество сварного шва, характеризующееся разрушением основного материала, в основном может быть достигнуто для всех последовательностей детали, изготовленной с помощью инкрементной магнитно-импульсной сварки.Однако передаваемая сила последующих последовательностей сварных швов и надежность процесса, как правило, ниже по сравнению с однократной магнитно-импульсной сваркой. С другой стороны, изменение толщины относительно невелико.

Если требуются как высокая прочность, так и хорошая плоскостность, двухэтапный процесс может быть решением. В этом случае инкрементная магнитно-импульсная сварка должна выполняться с длительным относительным перемещением катушки и соединяемых партнеров, чтобы оптимизировать качество сварки отдельных последовательностей сварных швов, при этом признавая, что плоскостность детали должна быть улучшена за секунду. этап изготовления.Улучшение может быть достигнуто путем выравнивания изгибов с помощью этапов электромагнитной формовки между отдельными последовательностями сварных швов. Для этой операции можно снова использовать ту же катушку инструмента, которая уже использовалась для процесса магнитно-импульсной сварки, так что дополнительное оборудование не требуется. Однако эта процедура, вероятно, не приведет к идеально ровной поверхности. Следовательно, можно ожидать, что фрезерование сварной поверхности будет лучшим вариантом для ее выравнивания, если геометрические требования очень высоки.

Благодарности

Представленные результаты в основном достигнуты в рамках проекта ОБЪЕДИНЕНИЕ меди с алюминием с помощью электромагнитных полей — «JOIN’EM». Этот проект финансировался Европейским Союзом в рамках исследовательской и инновационной программы Horizon 2020 в соответствии с Соглашением о гранте № 677660.

Список литературы

  1. https://ec.europa.eu/clima/policies/strategies/2020_en#tab-0-1 (30.1.2018) [Google Scholar]
  2. Организация Объединенных Наций, Преобразование нашего мира: повестка дня в области устойчивого развития на период до 2030 года, A / RES / 70/1.https://sustainabledevelopment.un.org/content/documents/21252030%20Agenda%20for%20Sustainable%20Development%20web.pdf (30.01.2018) [Google Scholar]
  3. M. Goede, M. Stehlin, L. Rafflenbeul, G. Kopp, E. Beeh, Super Light Car: легкая конструкция благодаря конструкции из нескольких материалов и функциональной интеграции, Eur.Трансп. Res. Ред. 1 (2009) 5–10 [CrossRef] [Google Scholar]
  4. ЧАС.Хелмс, У. Ламбрехт и др., Энергосбережение за счет облегчения: Заключительный отчет. Institut für Energie- und Umweltforschung Heidelberg GmbH, 2003 г. [Google Scholar]
  5. Серрено А.К., Норман Дж. Б., Олвуд Дж. М. Влияние снижения веса автомобиля на глобальные выбросы: будущий автопарк в Великобритании, Philos.Пер. R. Soc. А 375 (2017) 20160364 [CrossRef] [Google Scholar]
  6. Т.Айзава, М. Кашани, К. Окагава, Применение магнитно-импульсной сварки для алюминиевых сплавов и стыков стальных листов SPCC, Welding J. 86 (2007) 119–124 [Google Scholar]
  7. В. Псик, Т. Либер, П. Курка, В.-Г. Дроссель, Электромагнитное соединение гибридных труб для гидроформинга, Процедуры CIRP 23 (2014) 1–6. [CrossRef] [Google Scholar]
  8. С.Д. Коре, П.П. Дата, С.В. Кулькарни, Электромагнитная ударная сварка алюминия к листам из нержавеющей стали, J. Mater. Процесс. Technol. 208 (2008) 486–493 [CrossRef] [Google Scholar]
  9. В.Psyk, C. Scheffler, M. Linnemann, D. Landgrebe, Производство гибридных алюминиево-медных соединений с помощью электромагнитной импульсной сварки: определение количественных окон процесса, AIP Conf. Proc. 1896 (2017) 110001 [CrossRef] [Google Scholar]
  10. Д.Н. Лысенко, В.В. Ермолаев, А.А. Дудин, Метод сварки давлением, патент США 3,520,049, 1970 г. [Google Scholar]
  11. F. Findik, Последние разработки в области сварки взрывом, Mater. Des. 32 (2011) 1081–1093 [CrossRef] [Google Scholar]
  12. Г.Гёбель, Э. Бейер, Дж. Каспар, Б. Бреннер, Соединение разнородных металлов: макро- и микроскопические эффекты MPW, в: 5-я Международная конференция по высокоскоростной формовке, 24–26 апреля 2012 г., Дортмунд, стр. 179–188 [Google Scholar]
  13. В.Psyk, D. Risch, B.L. Кинси, А.Е. Теккая, М. Кляйнер, Электромагнитное формование: обзор, J. Mater. Процесс. Technol. 211 (2011) 787–829 [CrossRef] [Google Scholar]
  14. В.Psyk, C. Scheffler, M. Linnemann, D. Landgrebe, Анализ процесса магнитно-импульсной сварки соединений листового металла из аналогичных и разнородных материалов, Procedure Eng. 207 (2017) 353–358 [CrossRef] [Google Scholar]
  15. С.Бирвальд, Х. Бирвальд, Спиральная катушка, доставляющая мощные электромагнитные импульсы для придания формы металлическому листу, имеет ленту переменной толщины, намотанную в виде часовой пружины, патент Германии DE 1020 7655, 2003 г. [Google Scholar]
  16. Р.Шефер, П. Паскуале, Робот-автоматическая сварка листов EMPT, в: 5-я Международная конференция по высокоскоростной формовке, 24–26 апреля 2012 г., Дортмунд, стр. 189–196. [Google Scholar]
  17. В. Псик, П. Курка, С. Кимме, М. Вернер, Д. Ландгребе, А.Эберт, М. Шварцендаль, Структурирование с помощью электромагнитной штамповки и штамповки эластомером как инструмент оптимизации компонентов в отношении механической жесткости и акустических характеристик, Manuf. Ред. 2 (2015) 23 [Google Scholar]
  18. ИКС.Х. Цуй, Дж. Х. Мо, Дж. Ли, Дж. Чжао, Ю. Чжу, Л. Хуанг, З. У. Ли, К. Чжун, Электромагнитное инкрементное формование (EMIF): новая технология формования листов и труб из алюминиевого сплава, J. ​​Mater. Процесс. Technol. 214 (2014) 409–427 [CrossRef] [Google Scholar]
  19. М.Линнеманн, К. Шеффлер, П. Курка, В. Псик, Д. Ландгребе, Numerische und Experimentelle Untersuchung von inkrementellen, elektromagnetischen Umformvorgängen, Zeitschrift für wirtschaftlichen Fabrikbetrieb — ZWF 112 (2017) 454–458 [CrossRef] [Google Scholar]
  20. ЧАС.Юа, З. Фан, Ч. Ли, Магнитно-импульсная наплавка алюминиевого сплава на трубу из мягкой стали, J. Mater. Процесс. Technol. 214 (2014) 141–150 [CrossRef] [Google Scholar]
  21. Т.Айзава, М. Кашани, К. Окагава, Применение магнитно-импульсной сварки для алюминиевых сплавов и стыков стальных листов SPCC, Welding World 49 (2005) 212–222 [Google Scholar]
  22. S.D. Коре, П. Дата, С.В. Кулькарни, Влияние параметров процесса на сварку алюминиевых листов электромагнитным воздействием, Междунар.J. Impact Eng. 34 (2007) 1327–1341 [CrossRef] [Google Scholar]
  23. Я.Кви, В. Псик, К. Фаес, Влияние параметров сварки на структурные и механические свойства соединений алюминиевых и медных листов с помощью электромагнитной импульсной сварки, World J. Eng. Technol. 4 (2016) 538–561 [CrossRef] [Google Scholar]
  24. ISO 10447: 2015 Сварка сопротивлением. Испытание сварных швов. Испытание на отслаивание и вырывание контактных точечных и выступающих сварных швов. [Google Scholar]
  25. http: // www.femm.info/wiki/HomePage (по состоянию на 12 декабря 2018 г.) [Google Scholar]
  26. Х. Бюлер, Д. Бауэр, Ein Beitrag zur Magnetumformung rohrförmiger Werkstücke, Werkstatt und Betrieb 110 (1968) 513–516 [Google Scholar]
  27. П.L’Eplattenier, I. aldichoury, Объединенный осесимметричный метод 3D / 2D для моделирования процессов магнитной обработки металлов в LS-Dyna, в: 7-я Международная конференция по высокоскоростной штамповке (ICHSF), 2016, стр. 3–12 [Google Scholar]

Цитируйте эту статью как : Верена Псик, Майк Линнеманн, Кристиан Шеффлер, Экспериментальный и численный анализ инкрементной магнитно-импульсной сварки разнородных листовых металлов, Manufacturing Rev. 6 , 7 (2019)

Все рисунки

рисунок 1

Образцы соединений, полученных импульсной магнитной сваркой одинаковых и разнородных материалов.

По тексту
Рис. 4

Влияние регулируемых параметров процесса на параметры, характеризующие качество сварки согласно [14].

По тексту
Инжир.6

Случаи отказов при испытаниях на сдвиг внахлест соединений, полученных однопоследовательной магнитно-импульсной сваркой.

По тексту
Рис. 8

Поперечное сечение типичного соединения, полученного импульсной магнитной сваркой.

По тексту
Рис.9.

Полученные сечения магнитно-импульсной сварки медного летчика с алюминиевой мишенью (слева) и наоборот (справа).

По тексту
Рис. 10

Положение рулонов и соответствующее распределение толщины образцов, полученных при однократной и инкрементной магнитно-импульсной сварке.

По тексту
Рис. 11

Положения катушек и соответствующие свариваемые участки образцов, полученных с помощью инкрементной магнитно-импульсной сварки.

По тексту
Инжир.15

Распределение плотности тока для пошаговой сварки с различными относительными перемещениями катушки инструмента и заготовок.

По тексту
Рис.16.

Распределение плотности магнитного потока (слева) и распределение давления (справа) для пошаговой сварки с различными относительными перемещениями катушки инструмента и заготовок.

По тексту
Инжир.17

Распределение скорости удара для пошаговой сварки с различными относительными перемещениями катушки инструмента и заготовок.

По тексту
Рис.18

Угол удара для пошаговой сварки с различными относительными перемещениями катушки инструмента и заготовок.

По тексту

Уникальные преимущества магнитно-импульсной сварки


Сварка — это процесс изготовления, который используется для соединения двух или более деталей.Обычно это выполняется с помощью устройства, известного как сварочный аппарат, который нагревает соответствующие детали, тем самым сплавляя их вместе на поверхности. Однако магнитно-импульсная сварка использует другой механизм для соединения деталей. Вместо тепла он использует магнетизм. Это уникальный процесс сварки, который при правильном выполнении дает несколько уникальных преимуществ.

Как работает магнитно-импульсная сварка

Возникнув в 1970-х годах, магнитно-импульсная сварка представляет собой процесс сварки в твердом состоянии, в котором используются свойства магнетизма для соединения двух или более деталей.Он предполагает использование специализированной сварочной установки, которая производит короткие импульсы электромагнетизма с помощью конденсаторов. Электромагнитные импульсы создают магнитное поле, которое заставляет детали врезаться друг в друга на скоростях, превышающих 1100 миль в час.

Преимущества магнитно-импульсной сварки

Поскольку магнитная импульсная сварка использует электромагнитные импульсы для соединения деталей, она не создает зон термического влияния. Большинство других сварочных процессов, конечно, создают слабые места на участках деталей, где они нагреваются.Известные как зоны термического влияния, они обычно более слабые и более хрупкие, чем другие участки деталей. Однако при магнитно-импульсной сварке нагревание не происходит, поэтому детали остаются без зон термического влияния.

Магнитно-импульсная сварка — это процесс сварки без коррозии. Другие типы сварочных процессов оставляют после себя загрязнения, в том числе влагу, которые могут привести к коррозии. Это может произойти не сразу, но детали, соединенные с другими сварочными процессами, часто страдают от коррозии.К счастью, магнитно-импульсная сварка не страдает этой проблемой. Это процесс сварки без коррозии, который защищает соединяемые детали.

Нет необходимости в присадочных материалах при магнитно-импульсной сварке. Обычно для сварки деталей используется присадочный материал. По мере нагрева заготовки соединяются с присадочным материалом. Магнитно-импульсная сварка, однако, не требует использования ни сердцевины, ни присадочного материала. Вместо этого он полностью полагается на электромагнетизм для соединения деталей.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *