异种金属管件磁脉冲焊接机理与接头性能研究

Using aluminum instead of steel is an effective way to achieve energy-saving and emission reduction for automotive industry, which will induce the relevant joining process. Welding process is a normal technology to join the tubes, whereas it is usually failure for two tubes with significant differences thermal physical parameters, thus limiting the aluminum tube developed in automotive industry. This project aims to study the material flow behavior of 3A21 and 20Fe during magnetic pulse welding, and establish the constitutive equations considering the strain rate effect. Based on the molecular dynamics and smooth particle hydrodynamics, we will divide and simulate the welding interface, and reveal the formation mechanism of magnetic pulse welding interface. High speed camera system is employed to obtain the impact velocity of the two tubes. With the various structure parameters including gap between two tubes, wall thickness, and joint Angle, the relationship between impact velocity and structure parameters can be obtained. The welded joint service behavior will be studied with the macro performance testing and micro analysis. After that, the welding window for the magnetic pulse welding is set up. The project is aims to explore how impact velocity affects the joint quality, and establish the welding window for Al-Fe. The project will lay the foundation for applications of dissimilar metals welding to modern vehicles.

以铝代钢是实现汽车轻量化，达到节能、减排的有效途径。钢管的替换必然涉及到后续铝、钢的连接问题。焊接工艺是实现管件连接的常用手段，在工业生产中应用广泛。然而对于热物性参数差异较大的铝、钢而言，常规的焊接工艺难以奏效，限制了铝管在汽车行业中的发展。项目以3A21/20Fe管件结构为研究对象，揭示高速变形下材料的流体规律，建立考虑应变速率的本构方程。基于分子动力学和光滑粒子流体力学，对焊接界面进行分区计算，揭示磁脉冲焊接波形界面的形成机理。设计试验工装，通过改变焊接结构中的两管间隙、内管厚度以及搭接角度等，建立碰撞速度与焊接结构参数的辩证关系，进而构建磁脉冲焊接工艺窗口。采用高速摄像系统、宏观性能测试和微观分析技术揭示碰撞速度对焊接接头服役行为的影响规律。本项目旨在探索磁脉冲焊接过程中碰撞速度、接头质量的关系，建立适用于铝-钢管件磁脉冲焊接工艺窗口，为磁脉冲焊接技术在汽车领域的应用奠定基础。

以铝代钢是实现汽车轻量化，达到节能、减排的有效途径。钢管的替换必然涉及到后续铝、钢的连接问题。焊接工艺是实现管件连接的常用手段，在工业生产中应用广泛。然而对于热物性参数差异较大的铝、钢而言，常规的焊接工艺难以奏效，限制了铝管在汽车行业中的发展。本项目以3A21/20Fe管件结构为研究对象，揭示高速变形下材料的流体规律，建立考虑应变速率的本构方程。主要研究内容包括：基于分子动力学和光滑粒子流体力学的磁脉冲焊接波形界面的形成机理研究；管件磁脉冲焊接过程仿真模型的建立和分析；磁脉冲焊接工艺窗口的建立等。经过对本项目研究内容的深入探索，得到如下重要结果：基于磁脉冲焊接平台开展了不同参数下的工艺实验，并采用SEM对焊接界面进行微观观测，揭示了波形界面的生长规律；基于Ls-Dyna软件平台，建立了磁脉冲焊接的光滑粒子流体动力学（SPH）仿真模型，通过对碰撞点处的材料进行离散化，在SPH模拟中很好地再现了剪切波的形成过程，并可以成功预判某个工艺参数下焊缝是否能形成；基于Ls-Dyna软件的EM模块，设计开发了包括单孔、偏置孔以及多孔等多种结构形式的集磁器，减少了工装的设计开发时间，同时降低了成本；通过改变磁脉冲焊接接头内管结构，分析焊接接头的力学性能及焊接界面形貌，揭示了碰撞速度、内管厚度与接头性能的对应关系，并建立了磁脉冲焊接工艺窗口。本项目将为磁脉冲焊接技术在汽车领域的应用奠定基础。基于研究成果，共计发表学术论文7篇，其中SCI检索4篇，并培养了研究生4名。