磁脉冲焊接的电磁机理及关键技术研究

Magnetic pulse welding is a fast material processing technology which using the Lorentz force to make the metal work-piece welding together. It has advantageous as dissimilar metal welding, high welding speed, high precision and green welding process. It has been applied in foreign countries, while it is in the experimental stage in China. There are still some key problems to be solved in electromagnetic mechanism. Therefore, a systematic electromagnetic mechanism research is necessary. The key technologies as discharge switch, the stability, components match and efficiency of the system, and the waveform forming etc. The magnetic field and magnetic force distribution, the discharge switch actual working process can be simulated numerically. The system stability ,components match and efficiency of magnetic pulse welding equipment can be analyzed by equivalent circuit. The required pulse current waveform can be generated by waveform forming circuit. Magnetic pulse welding is a kind of green welding technology which has a wide future. The research on the magnetic pulse welding is of great value and significance for improving the level of equipment manufacture and the processing technology of the metal material, especially the light alloy material.

磁脉冲焊接是一种利用洛仑兹力使金属工件快速焊接的加工技术，具有实现异种金属焊接、速度快、精度高、焊接过程绿色等突出优势，必将成为未来制造业的关键技术之一。该技术已在国外得到应用，但在国内一直处于试验推广阶段，其电磁机理研究不足并存在一些待解决关键问题，远没有产业化应用。因而课题拟开展系统研究磁脉冲焊接的电磁机理、放电开关、系统稳定性与优化设计等关键技术。包括采用数值模拟方法仿真焊接过程的磁场和磁场力分布、放电开关工作过程的仿真与多开关并联控制；采用电路和系统分析方法研究磁脉冲焊接设备的稳定性、部件匹配，以及系统效率；采用波形成形电路产生适合焊接要求的脉冲电流波形。磁脉冲焊接是一种“绿色焊接”工艺，有极广阔的发展前景。课题通过对磁脉冲焊接研究为提升装备制造水平、金属材料特别是轻合金材料加工工艺的水平具有重要的价值和意义。

传统焊接工艺及设备常出现焊件尺寸不精确导致装配质量降低、焊接效率低、劳动强度大、焊接过程的不均匀温度场也将导致残余应力和变形等问题，都严重制约了制造业及国防工业发展。尤其随着我国在能源化工、轨道交通、汽车船舶、航空航天等大型基础工程领域的快速发展，焊接技术及装备正处于前所未有的大繁荣时期。磁脉冲焊接是利用洛仑兹力使金属工件快速焊接的加工技术，具有实现异种金属焊接、速度快、精度高、焊接过程绿色等突出优势，可满足航空航天、汽车制造、核工业等对材料性能要求较高的场合。所以本项目针对磁脉冲焊接多物理场耦合分析困难、系统能量利用率偏低、焊接工艺有待优化等问题，经研究取得如下成果：（1）搭建了一套28kJ磁脉冲焊接实验系统，其中包括2个最大耐压20kV、并联140μF脉冲电容组、2个开断电流240kA的TVS真空触发开关、焊接线圈等；（2）应用场-路顺序耦合的方法在COMSOL有限元软件进行仿真，应用光滑粒子流模拟方法在AUTODYN软件中准确模拟动态焊接过程以及射流形成过程；（3）设计并优化了E形线圈和多焊缝线圈，研究了集磁器结构参数对焊接的影响，提出了凹型、直线型管件焊接集磁器以及应用于板件焊接的集磁器，提高了焊接效率与焊接接头的强度；（4）研究了铝/镁/铜/钛等适用于飞机蒙皮的轻质金属焊接参数与工艺，进一步地拓宽了磁脉冲焊接应用场景；（5）研究了板件距离、放电回路参数以及板件碰撞速度与碰撞角度对焊接接头的影响，通过使用万能拉伸机对焊接接头进行测试和使用200倍扫描电子显微镜对焊接接头的微观形态和结构进行研究，得到放电回路、工艺参数对焊接接头微观形态的影响和焊接接头性能。项目共发表SCI论文8篇，培养博士研究生1名，硕士研究生6名，毕业硕士生4名。