Магнитно импульсная сварка: Магнитно-импульсная сварка

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 >

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

Физическая сущность магнитно-импульсной сварки | Инструмент, проверенный временем

Магнитно-импульсная сварка металлов (МИС) — это разно­видность сварки, при которой для контактирования и сварки ис­пользуют взаимодействие внешних мощных импульсных магнит­ных полей индуктора с магнитным полем свариваемой детали. Магнитное поле в детали наводится индуктором в момент разряда импульсной высоковольтной конденсаторной батареи (рис. 13.1).

Способ МИС впервые запатентован в США в 1964 г. Ф. Брауэром. По этому способу зону сварки герметизируют и создают в ней ней­тральную атмосферу. Предварительно детали нагревают с помощью индуктора от генератора токов высокой частоты, затем на этот же индуктор подается импульс тока от магнитно-импульсной конден­саторной установки. Взаимодействие магнитных полей индуктора и метаемой детали создает между ними усилия отталкивания. Под­вижная деталь метается на неподвижную и происходит их сварка.

По способу, разработанному Д. Н. Лысенко, В. В. Ермолаевым и А. А.Дудиным, сварку производят на воздухе без предваритель­ного нагрева, а метаемую деталь располагают под углом а0 к не­подвижной. Используется плоский и кольцевые индукторы.

2 3 4 5 6 Рис. 13.1. Принципиальная схема магнитно-импульсной сварки: / — неподвижная деталь; 2 — метаемая деталь; 3 — индуктор; 4 — коммутирую­щее устройство; 5 — батареи конденсаторов; 6 — зарядное устройство; 7 — опора; ско — установочный угол; 8 — установочный зазор

В основе МИС лежит использование сил электромеханическо­го взаимодействия между индуцированным магнитным полем де­тали и импульсным магнитным полем индуктора. При этом элек­трическая энергия через импульс магнитного поля без участия какой-либо передающей среды преобразуется в механическую силу давления. Давление магнитного поля характеризуется плотностью энергии:

р = 0,5 ВН,

где В — индукция магнитного поля, В = Нц; Н — напряженность магнитного поля; ц — магнитная проницаемость среды.

При магнитно-импульсной обработке, когда значения В на по­рядок выше индукции насыщения ферромагнитных материалов, ц следует заменить на Цо — магнитную постоянную.

Отсюда р = 0,5jIqFP, или р — К2р-, или р = K2U2CL~K Здесь К2 — коэффициент, учитывающий соотношение геометрических пара­метров системы индуктор—деталь; / — разрядный ток в индукто­ре; U и С — напряжение и емкость батареи конденсаторов; L — индуктивность разрядного контура.

При МИС, как и при сварке взрывом, независимо от началь­ного расположения поверхностей свариваемых деталей, их соуда­рение во время сварки происходит под углом. Это создает при достаточной скорости удара локальную зону контакта по линии (ситуация наката), на которой давление в десятки раз превышает предел пластичности материала, в результате чего он приобрета­ет свойства несжимаемой жидкости. При этом происходит выброс оксидных пленок и других загрязнений со свариваемых поверхно­стей под воздействием кумулятивной струи. Это создает условия для активации поверхностей и их совместной пластической де­формации с образованием металлических связей.

Импульсная сварка | svarkalegko

В сварочном деле появляются все более совершенные технологии. Одна из них – импульсная сварка. Используется импульсная сварочная технология в различных сферах: в строительстве современных трубопроводов, в промышленном и гражданском строительстве и в быту. Этот вид сварки эффективен в работе с конструкциями, выполненными из сталей и сплавов меди, алюминия, никеля, титана и других цветных металлов. Она используется в сварке стыковых соединений при обработке кромок с узкими щелями из толстолистового металла. Импульсно дуговая сварка была разработана в качестве альтернативы дуговой сварке, у которой много нареканий по качеству и производительности

Особенности импульсной сварки

Суть импульсной сварочной технологии – соединение металлических поверхностей посредством коротких импульсов, за счет запаса энергии аккумулятора подключаемого к электрической цепи. Ее отличительной особенностью является возможность выполнения неразъемных соединений металлов, имеющих разнородный состав. Для выполнения сварки импульсным током необходимо специальное оборудование – импульсный сварочник и расходные материалы. Сварочный аппарат – это устройство, который обеспечивает дозирование энергии сварочных импульсов. В качестве расходных материалов используются плавящиеся и неплавящиеся электроды. В зависимости от типа электродов, сварка выполняется двумя способами:

• С использование неплавящихся электродов с помощью импульсной дуги;

• С использованием плавящихся электродов, с контролем проплавления и переноса металла электрода в тело шва и контролем разбрызгивания сварочной капли.

Импульсная сварка представляет собой цикличный контролируемый процесс переноса металла в среде защитного газа:

В принципе работы импульсного сварочного аппарата используется преобразование сетевого напряжения в постоянное, после чего происходит преобразование выпрямленного напряжения в высокочастотное. В импульсный сварочник входят:

• Выпрямитель низкочастотный;

• Инвертор;

• Трансформатор;

• Выпрямитель высокочастотный;

• Рабочий шунт;

• Блок управления (электронный).

Виды импульсной сварки

Импульсная сварка имеет несколько вариантов. Для каждого из них характерны свои особенности и сферы назначения. Выделяют четыре основных разновидности сварки:

Рассмотрим подробнее каждую из них.

Конденсаторная

Конденсаторная сварка осуществляется агрегатами, как малой, так и большой мощности. Максимально выдаваемый ток мощных агрегатов может достигать 100 000 А и больше. Сварочные аппараты конденсаторного типа отличаются большой точностью дозирования энергии, затрачиваемой на сварочный импульс. Эта сварка осуществляется путем сильного выплеска энергии и предназначается для соединения алюминия и нержавеющих сталей.

Инерционная

Этот вид сварного соединения имеет в своей основе применение накопленной энергии вращающегося массивного маховика генератора. Для разгона и вращения маховика в конструкции имеется электродвигатель. Накопленная маховиком кинетическая энергия, после снижения частоты оборотов передается импульсам тока сварки. Для выполнения инерционной сварки применяется сварочный инвертор импульсный – аппарат, принцип работы которого заключается в использовании импульсного резонанса.

Магнитно-импульсная

Сварочное оборудование магнитно-импульсного типа преобразует электрическую энергию в механическую. Это происходит за счет наведения магнитного поля. Под его действием, и под действием высокого давления, происходит сварное соединение между деталями. Магнитно-импульсная сварка применяется в соединении любых материалов как однородных, так и разнородных по составу.

Аккумуляторная

В аппаратах, предназначенных для аккумуляторной сварки, используются щелочные аккумуляторы. Они имеют прочную конструкцию и хорошо выдерживают короткие замыкания.

Что выбрать – полуавтоматическую сварку или импульсно-дуговую?

В последнее время распространение получила импульсно дуговая сварка полуавтоматом. Он состоит из сварочной горелки и устройства автоматизированной подачи сварочной проволоки. Надо сказать, что это единственная автоматизированная операция. К преимуществам данного вида сварки относят высокую производительность и непрерывность сварочного процесса. Но, у метода есть и недостатки. Это, прежде всего – разбрызгивание металла во время сварки. Почти 30% проволоки не попадает точно в шов. Брызги металла требуют дополнительных трудозатрат на их зачистку, что в свою очередь портит внешний вид изделия.

Импульсная сварка ручная лишена этих недостатков. Использование данной сварочной технологии позволяет получать максимально качественные сварочные параметры. Она сочетает в себе лучшие достижения других технологий. Вот основные ее достоинства:

• Сварочное соединение получается надежным, с ровными краями;

• Практически исключается брак в виде прожогов и несплавлений;

• Эффективный мониторинг дуги;

• Управляемость процесса переноса металла;

• Отсутствуют брызги металла;

• Рациональный расход проволоки;

• Сварка производится на разных по составу металлах;

• Незначительные затраты на обработку швов.

Импульсную сварку применяют в монтаже трубопроводов разного назначения. Для этих конструкций очень важен провар шва и и хорошо сформированный обратный валик, не требующий зачистки. Такой шов отличается высокой прочностью.

К недостаткам технологии можно отнести невозможность ее использования на больших сварочных площадях и необходимость интенсивного охлаждения индуктора.

Микроимпульсная сварка

Импульсная сварочная технология получила свое развитие в зубопротезировании в виде дуговой микросварки. Ее преимущества заключаются в целесообразности использования этой технологии при сварке такого тонколистового зуботехнического металла как титан. Используемый микроимпульсный сварочный аппарат хорошо себя зарекомендовал в зуботехнической практике. Это устройство способно соединять любые дентальные сплавы, в том числе титан. По качеству сварного шва он не уступает лазерному аппарату, но при этом стоит гораздо дешевле. Поэтому его могут себе позволить владельцы даже небольших зуботехнических клиник.

Микроимпульсный сварочный аппарат имеет закрытый корпус, который защищает от искр и вспышек, а также оснащен удобным наконечником и яркими светодиодами, что позволяет работать с максимальным удобством. Для работы с подобным устройством навыков сварщика не требуется.

Импульсный сварочный аппарат своими руками

В домашних условиях можно изготовить сварочный аппарат своими руками. Запчасти для этого устройства можно легко найти в продаже, однако при этом надо учитывать некоторые тонкости.

Особое внимание необходимо уделить транзисторам, так как они быстро выходят из строя. Поэтому на этих деталях лучше не экономить. Самодельный сварочный инвертор оснащается четырьмя транзисторами, которые присоединяются к изолированным радиаторам.

Для того чтобы правильно собрать импульсный сварочный аппарат, необходимо просчитать его мощность и силу тока. Примеры расчетов можно посмотреть в Интернете. Установленный фильтр поможет поддерживать напряжение 220 В. Для сборки своего аппарата понадобятся инструменты и специальные приборы, такие как осциллограф, паяльник, мультиметр, вольтметр и т.д. Во время сборки следует соблюдать технику безопасности.

Поделись с друзьями

1

0

1

0

Магнитно-импульсная сварка

Московский Государственный Технический  Университет

Им. Н.Э. Баумана

Калужский филиал.

 

 

Домашняя  работа по разделу курса ТКМ

«Сварочные  технологии»

 

 

Часть I: Углублённое изучение способа магнитно-импульсной сварки.

Часть II: Анализ негативного влияния физико-химических и механических процессов магнитно-импульсной сварки на БЖД и экологию.

 

 

 

 

 

 

 

 

Выполнил:

Студент группы ЭКД-51

Минниахметов В.Р.

Преподаваель:

Фатиев И.С.

 

 

Калуга 2011г. 

Цель работы: Углубленное изучение способа магнитно-импульсной сварки и физико-химических процессов  происходящих при образовании сварного соединения.

Часть 1. Способ магнитно-импульсной сварки

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

В установку  для магнитно-импульсной сварки (рис. 3.55) входят: зарядное устройство 1, состоящее  из высоковольтного трансформатора и выпрямителя; коммутирующее устройство 3, включающееся при подаче поджигающего импульса на вспомогательный электрод и вызывающее разряд батареи высоковольтных конденсаторов 2 на индуктор 4. Свариваемые  детали 5 и 6 устанавливают внахлестку под углом друг к другу с  зазором между ними. Индуктор 4 устанавливают  на поверхности, противоположной свариваемой. Для предотвращения перемещения  при сварке деталь 6 жестко закрепляется в опоре 7. Закрепление детали 5 должно обеспечить перемещение ее свариваемого конца в направлении детали 6. При разрядке батареи конденсаторов  в зазоре между индуктором и заготовкой возникает сильное магнитное  поле, индуктирующее в этой заготовке  ток. Взаимодействие тока индуктора  с индуктированным током в  заготовке приводит к возникновению  сил отталкивания между индуктором 4 и деталью 5, вследствие чего деталь 5 с большой скоростью перемещается от индуктора в направлении неподвижной  детали 6. При соударении в зоне контакта развиваются высокие давления, и  образуется сварное соединение.

МИС выполняется  по различным схемам:

1— метаемая  деталь; 2 — неподвижная деталь; 3 — индуктор; 4, 5 — металлические  обойма и оправка; 6 — тяга; 7 —  стержень; 8 — опора

Магнитно-импульсные установки (МИУ) представляют собой  комплекс энергетического и технологического оборудования. Индуктор — основной инструмент при МИС — состоящий  из токопроводящей спирали, токоподводов, изоляции и элементов механического  усилия. Индукторы делятся: по назначению — для обжима, раз дачи трубных  и деформации плоских деталей; по принципу работы — одноступенчатые, многоступенчатые, с непосредственным подводом тока к метаемой детали; по конструктивному выполнению — спиральные, с концентраторами магнитного поля, одновитковые, одновитковые с согласующими устройствами, коаксиальные, петлевые. Спирали витого индуктора и корпуса  индукторов с концентраторами магнитного поля выполняются из следующих материалов — медь, латунь, бронза, малоуглеродистые 
стали, бериллиевая бронза, циркониевая и кадмиевая медь, вольфрам, молибден. Конструктивные элементы индуктора и их изоляция изготавливаются из малоуглеродистой стали, текстолита, дельта-древесины, стеклоэпоксидных композиций, слюды, фторопластовых и полиамидных пленок.

При магнитно-импульсной сварке давление на метаемый элемент  передается мгновенно (со скоростью  распространения магнитного поля) и  движение сообщается не отдельным участкам, как при сварке взрывом, а всей метаемой детали. Для обеспечения  последовательного перемещения  зоны контакта при сварке детали устанавливаются  свариваемыми поверхностями под  углом друг к другу, метаемая деталь перед сваркой обрабатывается «на ус» и т.п.

Высокоскоростное  соударение метаемой части металла  с неподвижной развивает в  окрестностях движущейся вершины угла у встречи их контактирующих поверхностей давления 10² — 10³ кбар. Вызываемое им всестороннее неравномерное сжатие с наиболее благоприятными условиями для пластического течения в направлении процесса сварки благодаря налчию свободной поверхности перед вершиной угла и возникновению тангенциальной составляющей скорости V_c заставляет металл поверхностных слоев обеих соударяющихся частей совместно деформироваться в этом же направлении со скоростью Vk что приводит к тесному сближению свариваемых частей. При этом процессе окисные пленки и другие поверхностные загрязнения дробятся, рассредотачиваются, а также выносятся их вершины угла под действием кумуляивного эффекта. Таким образом, реализуется способность металлов образовывать прочные металлические связи в твердой фазе при создании между соединяемыми поверхностями физического контакта и условий для химического взаимодействия между ними. Требуемая для второй стадии процесса энергия активации обеспечивается за счет работы пластической дейормации и вызываемого ею нагрева.

Малая длительность процесса МИС и отсутствие рекристаллизации или образования новых фаз  в зоне соединения позволяет предположить, что прочность соединения определяется числом атомов, образовавших химические связи и релаксации упругих напряжений в той 
мере, в какой это необходимо для возникновения связей . При соударении поверхностей удаляются из зоны контакта загрязнения и оксидные пленки, формируется физический контакт, образуются металлические связи и возможно образование объемной зоны взаимодействия за счет диффузионных процессов.

Сближение атомов и активация поверхностей достигаются в результате совместной упругопластической деформации соединяемых  материалов в контакте, одновременно с нагревом.

Магнитное поле (постоянное или импульсное) подобно  упругой и пластической деформации влияет на протекание диффузионных процессов  и массоперенос. Скорость соударения достигает в зоне контактирования 102-103 м/с, а давление в зоне контактирования 103— 104 МПа. МИС с одинаковым основанием можно отнести как к способам сварки с оплавлением при кратковременном  нагреве, так и к холодной сварке. При исследовании места соединения можно обнаружить как участки  оплавленного металла, так и участки  со структурой, характерной для холодной сварки.

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

 Целесообразно применение этого способа для получения всевозможных соединений трубчатых деталей между собой и с другими деталями, а также плоских деталей по наружному и внутреннему контуру. Магнитно-импульсным способом можно сваривать практически любые материалы в однородном и разнородном сочетаниях. Диапазон толщин метаемых деталей составляет 0,5—2,5 мм.  Основным условием магнитно-импульсной сварки является высокая электропроводимость соединяемых деталей, так как магнитное поле индуктора интенсивно влияет на деформируемую деталь (трубку). Малопроводящие ток материалы обрабатывают, используя покрытия с высокой электропроводностью.

 

Часть 2. Анализ негативного влияния  на БЖД и экологию.

 

Основным опасным  фактором при магнитно-импульсной сварке является электрический ток, так  как магнитное поле создается  высоковольтным трансформатором. Контакт  с токоведущими частями установки  может вызывать токовые ожоги  и металлизацию кожи – проникновение  расплавленных металлических частиц вглубь кожи, в результате механического  и химического воздействия тока.

Электрический удар приводит к возбуждению живых  тканей организма и сопровождается непроизвольными судорожными сокращениями мышц при 
прохождении через тело человека электрического тока.

Электрический ток воздействует на нервную систему. Такое воздействие выражается очень  резко, так как при прохождении  через организм электрический ток  поражает огромное количество чувствительных нервов Существенное влияние оказывает  действие электрического тока на скелетную  мускулатуру, вызывая судорогу, и  особенно на сердце, вызывая фибрилляцию  его (отдельные некоординированные «подергивания» волокон сердечной  мышцы). При этом насосная функция  сердца прекращается и может наступить  смерть.

Электромагнитное поле само по себе может оказывать негативное воздействие  на организм человека.  Биологический  эффект электромагнитных полей в  условиях длительного многолетнего воздействия накапливается, в результате возможно развитие отдаленных последствий, включая дегенеративные процессы центральной  нервной системы, рак крови (лейкозы), опухоли мозга, гормональные заболевания.

Высокий уровень шума, создающийся  при соударении поверхностей, при  МИС также является вредным фактором. Интенсивный шум при ежедневном воздействии медленно и необратимо влияет на звуковой анализатор человека, вызывая потерю слуха, прогрессирующею  с увеличением длительности работы в таких условиях. Шум также  угнетает центральную нервную систему (ЦНС), вызывает изменения скорости дыхания и пульса, способствует нарушению  обмена веществ, возникновению сердечно-сосудистых заболеваний, язвы желудка, гипертонической  болезни.

В процессе сварки в воздух может  выбрасываться большое количество сварочной пыли. Основными компонентами пыли окислы железа, марганца и кремния (около 41, 18 и 6% соответственно). В пыли могут содержаться другие соединения легирующих элементов. Токсичные включения, входящие в состав сварочного аэрозоля, и вредные газы при их попадании  в организм человека через дыхательные  пути могут оказывать на него неблагоприятное  воздействие и вызывать ряд профзаболеваний. Мелкие частицы пыли (от 2 до 5 мкм), проникающие  глубоко в дыхательные пути, представляют наибольшую опасность для здоровья, пылинки размером до 10 мкм и более  задерживаются в бронхах, также  вызывая их заболевания.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Список литературы:

1. Дальский А.М. — Технология конструкционных материалов – 2004
2. Волченко В.Н. — Сварка и свариваемые материалы – 1991
3. Глазименко Д.Л. – Сварка и резка металлов.
4. Фролов В.В. – Теория сварочных процессов

Магнитно-импульсная сварка — Magnetic pulse welding

Магнитно-импульсная сварка ( MPW ) — это процесс сварки в твердом состоянии , в котором для сварки двух деталей используются магнитные силы. Сварочный механизм больше всего похож на сварочный взрыв . Магнитно-импульсная сварка началась в начале 1970-х годов, когда автомобильная промышленность начала использовать сварку в твердом состоянии. Самым большим преимуществом магнитно-импульсной сварки является то, что исключается образование хрупких интерметаллических фаз. Следовательно, можно сваривать разнородные металлы, которые нельзя эффективно соединить сваркой плавлением . С помощью магнитно-импульсной сварки высококачественные сварные швы одинаковых и разнородных металлов можно выполнять за микросекунды без использования защитных газов или сварочных материалов.

Процесс

Магнитно-импульсная сварка основана на очень коротком электромагнитном импульсе (<100 мкс), который получается за счет быстрого разряда конденсаторов через переключатели с низкой индуктивностью в катушку. Импульсный ток очень высокой амплитуды и частоты (500 кА и 15 кГц) создает магнитное поле высокой плотности, которое создает вихревой ток в одной из заготовок. Создаются отталкивающие силы Лоренца и высокое магнитное давление, значительно превышающее предел текучести материала, вызывая ускорение, и одна из заготовок ударяется о другую часть со скоростью столкновения до 500 м / с (1100 миль в час).

Во время магнитно-импульсной сварки развивается высокая пластическая деформация наряду с высокой деформацией сдвига и разрушением оксидов благодаря струе и высоким температурам вблизи зоны столкновения. Это приводит к сварке в твердом состоянии из-за измельчения микроструктуры, наличия дислокационных ячеек, изгибов скольжения, микродвойников и локальной рекристаллизации.

Принципы

Чтобы получить прочный сварной шов, необходимо выполнить несколько условий:

• Условие струи: столкновение должно быть дозвуковым по сравнению со скоростью звука местного материала, чтобы образовалась струя.
• Режим высокого давления: скорость удара должна быть достаточной для получения гидродинамического режима, иначе детали будут только гофрироваться или формироваться.
• Отсутствие плавления во время столкновения: при слишком высоком давлении материалы могут локально расплавиться и повторно затвердеть. Это может вызвать слабый сварной шов.

Основное различие между магнитно-импульсной сваркой и сваркой взрывом состоит в том, что угол столкновения и скорость практически постоянны во время процесса сварки взрывом, тогда как при магнитно-импульсной сварке они постоянно меняются.

Преимущества MPW

• Позволяет сваривать конструкции, которые с другими процессами являются сложными или невозможными.
• Длительность высокоскоростного импульса от 10 до 100 мкс, единственное ограничение по времени — это время загрузки и разгрузки и время заряда конденсатора.
• Меньшее время простоя из-за отсутствия расходных деталей (например, электродов) и отсутствия необходимости чистки.
• Подходит для массового производства: обычно 1-5 миллионов сварных швов в год.
• Возможна сварка разнородных металлов.
• Сварка без зоны термического влияния .
• Не требуются присадочные материалы.
• Экологичный процесс: без дыма, без излучения и без оборудования для вытяжки.
• Сохраняется объемная чистота и чистота поверхности.
• Может производить сварные швы без защитного газа, может использоваться для герметизации деталей в вакууме.
• Механическая прочность соединения выше, чем у основного материала.
• Высокая точность достигается за счет регулировки магнитного поля, параметры сварки можно изменять электронным способом.
• Нулевое искажение может быть достигнуто в зависимости от материалов и геометрии детали.
• Практически нулевые остаточные напряжения.
• Отсутствие коррозии в зоне сварки.

Недостатки

• Сложно применить к сварным швам, которые не являются примерно круглыми.
• Возможно, придется изменить геометрию деталей, чтобы разрешить процесс магнитного импульса.
• Если детали не могут быть вставлены в импульсную катушку и из нее, необходимо разработать более сложную, состоящую из нескольких частей, катушку.
• Импульсную катушку, возможно, придется перепроектировать, если будут изменены материалы или размеры.
• Хрупкие компоненты могут быть разрушены ударом (не исключает использования таких материалов, как стекло, но это необходимо учитывать).
• Может вызвать эффект ЭМИ на любую электронику, присутствующую внутри или рядом с деталью.
• Первоначальные инвестиционные затраты могут перевесить более низкую цену за сварку деталей небольшого объема.

Численное моделирование MPW

Были проведены различные численные исследования для прогнозирования поведения границы раздела MPW и поведения летательного аппарата в полете для определения условий столкновения. Обычно скорость полета до удара определяет межфазные явления. Это характеристический параметр, который должен быть известен на основе процесса и регулируемых параметров процесса. Хотя экспериментальные измерения с использованием методов лазерной велосиметрии обеспечивают точную оценку скорости летящего (одним из примеров такого измерения является фотонная доплеровская велосиметрия (PDV) ), численные расчеты позволяют лучше описать скорость полета с точки зрения пространственного и временного распределения. Более того, мультифизическое вычисление процесса MPW учитывает электрический ток через катушку и вычисляет физическое поведение для электромагнитно-механической связанной задачи. Иногда это моделирование также позволяет учесть тепловой эффект во время процесса. Пример 3D-модели, используемой для моделирования LS-DYNA, также описан в, и он также предоставляет некоторые детали физических взаимодействий процесса, определяющих уравнений, процедуры разрешения, а также граничных и начальных условий. Модель используется для демонстрации возможности трехмерных вычислений для прогнозирования поведения процесса и, в частности, кинематики флаера и макроскопической деформации.

Ссылки

внешняя ссылка

<img src=»https://en.wikipedia.org//en.wikipedia.org/wiki/Special:CentralAutoLogin/start?type=1×1″ alt=»» title=»»>

Что собой представляет импульсная сварка

Процесс создания сплошных сварных швов посредством расплавления в определенных точках при последующем их покрытии получил название импульсной сварки. Оборудование, имеющее данную функцию, в перерывах между регулярно повторяемыми импульсами работает в состоянии дежурной дуги малой мощности, пропускающей только часть импульсного тока. Такая дуга в паузах между возбуждениями импульса не оказывает существенного влияния на глубину расплавления металла. За счет этого достигается устойчивое горения дуги в пространстве, целиком устраняются кратеры из сварных точек при уменьшении требуемых участков перекрытия в месте сварного шва. Выбор целесообразного отношения токов дуг (импульсной и дежурной) способен также значительно ускорить процесс сварки.

Используя импульсную дугу в виде источника тепла, можно существенно расширить возможности традиционной сварки дугой в защитной газовой среде. Технология импульсно-дуговой сварки характеризуется режимами пульсации дуги (объемом и скоростью введения теплоты в заготовку). Они определяются определенной программой, исходя из толщин и свойств соединяемых материалов, а также положения швов в пространстве и др.

Если сварка ведется неплавящимися электродами, то импульсная (или пульсирующая) дуга служит инструментом воздействия на основной металл с образованием шва. При использовании плавящихся электродов она предназначается для регулирования операций плавления и перенесения металла электрода. В ходе процесса импульсно-дуговой сварки с помощью электродов из вольфрама пульсация дуги имеет постоянно заданное отношение импульсов к паузам. Получение сплошного соединения достигается посредством расплавления отдельно взятых точек при их покрытии впоследствии.

 

Применение имульсной сварки

 

К важнейшим параметрам, характеризующим этот процесс, относят продолжительности импульсов с паузами, всего цикла и шаг точек со скоростью сваривания. Способность к проплавлению пульсирующей дуги с заранее установленной продолжительностью цикла и импульса определяется импульсным режимом сварки, его жесткостью. Этот параметр технологии в своем крайнем значении характерен для дугового варианта сварки. При традиционной сварке дугой постоянного горения он равен нулю, а при точечной сварке дугой стремится к бесконечности. Регулируя импульсные характеристики, можно оказывать воздействие как на размер с формой зоны сваривания, процесс кристаллизации металлов, так и на образование швов, остаточные либо временные деформации, прочие характеристики хода сварки. При определении режима сварки этим способом немаловажное значение придается шагу точек, особенно при соединении тонколистовых материалов.

 

 

Способность к проплавлению пульсирующей дуги дает наибольший эффект при импульсной сварке алюминия с толщинами листов менее 3 мм. Возможность рационального применения поверхностного натяжения металлов в ходе импульсно-дуговой сварке создает необходимые условия для должного формирования шва независимо от его положения в пространстве. Этим объясняется активное применение свойств импульсной дуги при выполнении швов в потолочном, вертикальном либо горизонтальном положении на металлоизделиях самого большого диапазона толщин и для соединения автоматической сваркой участков труб с неповоротными стыками.

В аппаратах импульсной сварки в виде источника питания чаще всего применяются сварочные преобразователи, оснащенные регуляторами тока с прерывателями, работающие на постоянных токах. Использование в них плавящихся электродов целесообразно в ситуациях, когда горение дуги постоянно, а на обычный сварочный ток время от времени накладывается импульсный. Преобладание при этом электродинамической силы приводит к отделению капли. Таким образом осуществляется направляемый перенос металла по частоте соизмеримый с импульсами при значении тока, на порядок меньшем, чем критическое.

 

 

Поэтому, в отличие от применения неплавящихся электродов, точечная импульсная сварка с помощью плавящегося электрода намного производительнее и позволяет существенно снижать сварочную деформацию с равными качественными характеристиками получаемых соединений. Она наиболее эффективна в конструкциях важного назначения, выполненных из сталей различных марок, сплавов меди, никеля, алюминия и титана для швов любых пространственных ориентаций. Этот вариант сварки способствует хорошей стабилизации дуги в пространстве. Учитывая способность вылета электродов больших длин, его эффективно применять при осуществлении стыковых соединений при обработке кромок с узкими щелями из толстых листов металла.

 

Особенности магнитно-импульсной сварки

 

В принципе действия магнитно-импульсной сварки лежит использование силы электромеханического действия вихревых токов. При наведении на стенки обрабатываемого изделия они пересекаются с линиями магнитных сил импульсного поля и с магнитным потоком. Одновременно электроэнергия превращается в механическую, а импульсы давления магнитного поля воздействуют на детали напрямую, без помощи специальных передающих сред.

 

 

 

Процесс такой сварки предполагает мгновенную передачу давления обрабатываемой заготовке на скорости магнитных полей, а в движение приводятся не только определенные участки, а деталь полностью. Чтобы обеспечить последовательное передвижение контактирующей зоны, заготовки помещают соединяемыми кромками под углом друг к другу. Соединение формируется в ходе соударений сопряженных деталей. Одновременно происходит очищение кумулятивной струей соединяемых поверхностей от грязи и окислов и пластическая деформация поверхностных слоев материалов с образованием между ними химических связей.

 

 

Соединение магнитно-импульсным способом осуществляется по трем традиционным схемам импульсной сварки: обжатие изделий из трубчатых материалов, их раздача и деформирование листового материала. В первом случае используют индуктор, обхватывающий изделие, во втором – его помещают внутрь заготовки, а в третьем – применяется плоский индуктор. Во избежание деформаций тонкостенных деталей в ходе сварки во внутренность труб вставляются специальные металлические оправки, которые удаляются по завершении работ.

Применение данной технологии сварки наиболее эффективно в производстве различных конструкций из трубчатых деталей, свариваемых как между собой, так и в сочетаниях с другими заготовками. Использование возможностей импульсной лазерной сварки необходимо при соединении плоских заготовок по внутренним либо наружным контурам. При этом возможна сварка различных материалов в любых сочетаниях в широком диапазоне толщин.

 

 

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

Использование алюминиевых сплавов для автомобильных компонентов может снизить вес конструкции кузова автомобиля, и использованию этих сплавов уделяется много внимания. Магнитно-импульсная технология (MPT) (формовка / сварка) — это технология высокоскоростной обработки металлов, в которой используется электромагнитная сила для формирования или сварки различных материалов, и особенно хороша для алюминия и медных сплавов, которые имеют высокую электропроводность.

FOURIN представляет здесь компанию Bmax (Франция). Bmax разрабатывает и поставляет MPT в нескольких промышленных областях. Их цель — предоставить комплексные производственные системы с использованием MPT для японского и азиатского рынков, а также сотрудничество IHI с Bmax на японском рынке с 2015 года. В настоящем интервью я услышал об общих чертах технологии и возможности будущего развития в автомобилестроении. производственный процесс.

MPT — это высокоскоростной процесс обработки металла, при котором скорость формования может быть достигнута в 10-50 раз выше, чем скорость обычного пресса.Хотя этот принцип был известен давно, он не получил коммерческого применения по той причине, что было трудно найти оптимальные условия, которые позволяют формовать или сваривать в реальности. Тем не менее, Bmax успешно преуспела в коммерциализации MPT, разработав программный код моделирования в LS-Dyna.

Машины

Bmax могут использоваться для нескольких методов обработки, таких как сварка и формовка, путем создания различных типов катушек. Магнитно-импульсная сварка — это процесс сварки в холодном твердом состоянии, при котором происходит атомарное соединение двух металлов при комнатной температуре.Угол удара (зазор между материалами перед сваркой) и скорость удара являются важными параметрами, и когда эти параметры соблюдаются при определенных условиях, происходит соединение. Склеиваемая поверхность очень гладкая, а прочность сцепления выше, чем у основного металла.

Магнитно-импульсное формирование работает по тому же принципу, что и соединение, за исключением того, что скорость удара ниже, чем при сварке, и ускоренный металл ударяет по матрице. Высокоскоростное формование также может выполняться в воде с использованием импульсного силового разряда.В данном случае это ударная волна, создаваемая разрядом, которая может толкать металл о штамп и образовывать его. С помощью этой технологии можно добиться более высокой формуемости и более низкой упругости металла. Эта технология также может использоваться в сочетании с обычным прессом. Его также можно использовать для изготовления острых кромок и мелких форм, которые невозможно реализовать на обычном прессе. Кроме того, опрессовка с помощью магнитного импульса может использоваться для опрессовки кабеля с более низким электрическим сопротивлением и большей площадью стыка.

MPT уже используется в автомобильной производственной линии. Две характерные линии были сформированы MPT на алюминиевом капоте Lamborghini Huracan в 2014 году. MPT используется на некоторых других заводах для сварки автомобильных деталей HVAC или топливных фильтров. Отсутствие теплового воздействия является большим преимуществом этого процесса по сравнению с обычными сварочными процессами. Кроме того, производители жгутов проводов готовятся в ближайшем будущем внедрить MPT в массовое производство. Ожидается, что спрос на MPT вырастет из-за его преимуществ, таких как более низкая стоимость и более высокое качество продукции.

Применение магнитно-импульсной сварки и формирования магнитных импульсов в автомобилестроении

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

Bmax обеспечивает технологию электромагнитного формования / склеивания

Bmax — компания-первопроходец в области импульсных систем питания и таких приложений, как магнитно-импульсная сварка (MPW) и формирование магнитных импульсов (MPF).Компания Bmax основана в 2011 году, ее штаб-квартира находится во Франции, Тулуза. Bmax способствует развитию продуктов в основном в Европе и Северной Америке в сотрудничестве с производителями автомобилей и другими компаниями. Особенно в Европе существует более высокий спрос на использование алюминиевых сплавов для производства автомобилей, поэтому MPW и MPF могут стать хорошим решением для формовки и сварки алюминия.

В Bmax есть две основные базовые технологии. MPW и MPF — это технология высокоскоростной обработки металлов. I-Pulse (компания Bmax Group) предоставляет уникальные технологии с профессиональной инженерной и симуляционной поддержкой для широкого спектра приложений в горнодобывающей и автомобильной промышленности.

IHI ​​обеспечивает полную координацию системы

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

IHI ​​в основном работает в четырех областях. «Ресурсы · Энергия · Окружающая среда», «Промышленные системы · Машины общего назначения», «Аэрокосмическая промышленность · Оборона», «Социальная инфраструктура · Океан».Компания IHI Logistics Industry System (ILM) принадлежит к группе «Промышленные системы · машины общего назначения» группы IHI. В этой компании ILM обрабатывает большие прессы для автомобильной промышленности, календарные машины для производства ламинированной резины для шин и т. Д., А также для логистических систем. ILM обрабатывает склад для транспортировки, чистый склад для завода, FA (Factory Automation) и т. Д.

Два подразделения промышленного оборудования и логистических систем, работающих вместе с 2016 года, ILM смогли предоставить цеха прессования, необходимые для производства кузовов для автопроизводителей.

ILM стремится начать бизнес по предоставлению полной автоматизированной системы для клиентов в Японии и Азии, основанной на технологии MPW и MPF, предоставляемой Bmax. В настоящее время ILM и Bmax могут проводить технико-экономические испытания и подготовку образцов на своем демонстрационном сайте IHI.

Что такое магнитно-импульсная технология (MPT)?

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

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

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

Длительность импульса тока в системе MPT очень мала, что очень похоже на грозу в природе, медленную зарядку и быструю разрядку.

Используя несколько форм катушек, системы Bmax могут адаптироваться для выполнения различных видов обработки, таких как сварка, формовка и опрессовка. Подобные панели управления и генераторы импульсов могут использоваться для всех этих приложений.Генератор импульсов представляет собой модульную структуру с мощностью, которая может варьироваться от 10 кДж до 1 МДж в зависимости от конкретного применения.

Открытие новой технологии для сварки токопроводящих материалов

Объект

Инженеры открывают для себя множество применений нового процесса твердотельной сварки, 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 отодвигается 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 можно сваривать с помощью MPW

MPW может работать с любыми проводящими материалами. Чем более проводящая деталь, 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 в клеях, герметиках и механических зажимах нет необходимости.В этом процессе металлические детали в основном оборачиваются в термоусадочную пленку.

Промышленные применения

Одно из естественных применений MPW — это замена пайки. В индустрии бытовой техники 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 трубок кондиционирования воздуха, нанесение покрытий на выхлопные системы, сварку трубок автомобильных сидений и закрытие масляных фильтров.

Ограничения по току

MPW ограничивается геометрией труб и соединениями внахлест.Из-за особенностей технологического процесса невозможно выполнить стыковой шов с помощью MPW. Однако на некоторых деталях соединение внахлестку можно изменить так, чтобы оно было внахлестку или даже частичное или угловое соединение внахлестку.

Наибольший размер трубы, успешно свариваемой MPW на сегодняшний день, 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 большего размера.

Аналогичным образом, плоская или другая геометрия еще не была опробована.Трубчатая форма — самая простая геометрия 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, фактически 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 открываемые катушки, которые могут зажимать детали, которые нельзя вставить в катушку.

Заключение

MPW только что был представлен на промышленном рынке, поэтому производственному миру требуется больше времени, чтобы внедрить его в полную силу. Предварительная оценка показывает многообещающие возможности для различных применений труб и трубопроводов. 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 находит новые применения

За последние несколько лет инженеры Института сварки Эдисона (EWI) разработали приложения для магнитно-импульсной сварки (MPW) для множества одинаковых и разнородных комбинаций материалов, помогая снизить общие производственные затраты при одновременном улучшении сварных швов. Теперь EWI и профессор Гленн Дээн из Университета штата Огайо распространили этот процесс на структурные обжимные соединения.

В этих соединениях используются канавки, гайки, накатки и резьба для обеспечения значений прочности, сопоставимых со значениями прочности основных материалов. EWI заявляет, что это эффективное, элегантное и недорогое решение для соединения разнородных материалов и для приложений, где не требуется металлургическое соединение. По сравнению со сваркой оборудование для опрессовки более прочное, более дешевое и компактное.

Обжим — это метод соединения, при котором пластическая деформация компонентов приводит к механической блокировке.Электромагнитно-импульсный (ЭМ) процесс использует токи высокой частоты для создания магнитного давления высокой интенсивности (~ 200 МПа) и кратковременного (10-20 мкс) магнитного давления, вызывающего пластическую деформацию заготовки.

Большинство применений ЭМ опрессовки — это соединение труб с оправками с поверхностными элементами. Перед контактом с оправкой труба разгоняется до высоких скоростей. EWI утверждает, что у высокоскоростной обжимки есть три основных преимущества. Во-первых, заявляет организация, при высокоскоростной опрессовке две детали можно легко согласовать друг с другом, чтобы вызвать макроскопическую блокировку.Во-вторых, обжим с высокой скоростью почти всегда вызывает естественную посадку с натягом или состояние остаточного напряжения, которое удерживает два компонента вместе. Наконец, есть возможность использовать углубление на поверхности для удержания компонентов вместе, аналогично действию резьбовых крепежных элементов.

EM обжим может заменить клепанные сборки, сварочные работы и традиционные процессы механического соединения, говорит EWI. Этот процесс может помочь снизить производственные затраты, повысить надежность соединения и упростить соединение оборудования.Но EWI признает, что гибкий и простой в использовании процесс может создавать проблемы при проектировании из-за стоящих за ним сложных электромагнитных реакций. Более того, в литературе очень мало инженерной информации о том, как проектировать ЭМ обжимные соединения и прогнозировать характеристики соединения.

Соединение разнородных тонкостенных труб с помощью магнитно-импульсной сварки, Журнал технологий обработки материалов

Сварка труб из разнородных металлов вызывает <- -> интерес для широкого спектра автомобильных, авиационных и промышленных приложений, а также для других расходных материалов.Гибридные карданные валы или конструктивные элементы могут соответствовать механическим требованиям при меньшем весе. Однако соединение материалов с сильно различающимися теплофизическими свойствами является проблемой для обычных процессов сварки плавлением. При магнитно-импульсной сварке (MPW) формирование сварного шва основано на высокоскоростном столкновении между соединяемыми партнерами без дополнительного тепловложения. Это позволяет выполнять качественные «холодные» сварные швы.

Максимально допустимая нагрузка на массу

трубчатых деталей обычно достигается за счет радиального электромагнитного сжатия внешней «летучей» части и последующего воздействия на внутреннюю «родительскую» часть.Этот удар представляет собой серьезную нагрузку для родительского элемента, который поэтому обычно проектируется как толстостенная или сплошная деталь, чтобы избежать повреждений или нежелательных деформаций.

Для дальнейшего увеличения потенциала облегчения, целью данной рукописи является всесторонний анализ MPW с тонкостенными исходными частями. Приведены экспериментальные и аналитические исследования, позволяющие уменьшить толщину основного слоя без ущерба для прочности соединения. Подходы включают наблюдение за поведением при ударах и деформациях с помощью встроенных лазерных измерительных технологий, а также разработку адекватных многоразовых оправок для поддержки исходных деталей.Основное внимание уделяется алюминиевым деталям флаеров, которые приварены к основным деталям из стали и меди. Выведены критические значения толщины основной стенки и даны рекомендации по проектированию технологического процесса MPW с тонкостенными трубами.

Hirotec America создает легкий гибридный аварийный луч с магнитно-импульсной технологией

Home / Hirotec America создает легкий гибридный аварийный луч с магнитно-импульсной технологией Магнитно-импульсная сварка

C3 имеет более короткое время цикла, чем традиционная дуговая сварка, не требует расходных материалов и создает более прочные соединения без нагрева и искр.

Магнитно-импульсная сварка Hirotec C3 выполняется быстрее и обеспечивает более прочное соединение, чем при традиционной дуговой сварке.

Специалист по закрытию автомобильных крышек Hirotec America (Оберн-Хиллз, Мичиган) усовершенствовал производственный процесс для ударной балки, благодаря чему удалось снизить вес почти на 35% по сравнению с предыдущими конструкциями.

Благодаря использованию фирменной магнитно-импульсной технологии C3 (Чистая, экономичная холодная сварка), традиционно цельностальная деталь теперь представляет собой комбинацию алюминия и стали, что стало возможным благодаря «холодной» сварке с помощью концентрированных электрических импульсов.Hirotec America — первая компания, которая предложила OEM-производителям и поставщикам технологию магнитных импульсов в качестве производственного решения.

«Мы усовершенствовали метод изготовления защитной балки из алюминия и стали, которую можно приваривать непосредственно к существующим дверным конструкциям», — сказал д-р Цзяньхуи Шан, специалист по продукции Hirotec America, который разработал процесс, ведущий к достижениям, показанным в аварийная балка. «Магнитно-импульсная технология снижает вес за счет использования более легких материалов, и с учетом сегодняшнего акцента на топливной эффективности снижение веса является ключевым моментом.Магнитно-импульсная сварка позволяет соединять разнородные металлы на молекулярном уровне — процесс, который невозможно было сделать раньше ».

Несущая балка обеспечивает необходимую прочность за счет использования стали, сваренной точечной сваркой по бокам, и алюминия в основной конструкции, что решает давнюю производственную задачу снижения веса при сохранении требуемых уровней ударопрочности.

«Мы изобретатели», — сказал Джеймс Тоенискуттер, президент Hirotec America. «Мы постоянно разрабатываем новые технологии сборки, чтобы решать проблемы, с которыми сталкиваются наши клиенты, особенно проблемы, связанные с крышками.«Hirotec Group, материнская компания Hirotec America, является крупнейшим в мире независимым производителем автомобильных дверей, ежегодно производя 6 миллионов дверей.

Магнитно-импульсная сварка

C3 имеет более короткое время цикла, чем традиционная дуговая сварка, не требует расходных материалов и создает более прочные соединения без нагрева и искр. Процесс C3 также позволяет получать качественные продукты с более высоким выходом, поскольку не требуется предварительной или последующей обработки; чистый, потому что не требует смазки для штамповки и минимальный заусенец; и отличается минимальным пружинящим возвратом и воспроизводимым качеством, что позволяет разрабатывать продукцию высочайшего качества.

www.hirotecamerica.com

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 обычно 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 площадей соединения. 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 того, чтобы получить более глубокое понимание наблюдаемых эффектов.

Ключевые слова: Соединение / сварка / магнитно-импульсная сварка

© V. Psyk et al., 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 инкрементной 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 дизайна 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.Выполнимость была доказана для сочетаний 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 ускоренный соединяющий партнер — и цель — то есть статический соединительный партнер — 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.С увеличением 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 для процесса, 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 соединения для 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 можно постепенно увеличивать площадь стыка 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 больших размеров 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 к магнитно-импульсной сварке 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 инкрементной магнитно-импульсной сварки листов в качестве эталона используется обычное магнитно-импульсное сварное соединение, состоящее из одной последовательности сварных швов. В частности, в этом документе 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 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 g _{начальный} и параметр x _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.грамм. Ссылка [6,8,21–23]). Для этой цели используются простые прямоугольные или суженные образцы, аналогичные тем, которые используются при 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.

Учитывая влияние энергии заряда конденсатора, рис. 4 ясно показывает, что существует минимальное значение, необходимое для того, чтобы сварка вообще была возможна. 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 сил 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: разрушение сварного шва из-за отделения двух листов указывает на низкое качество сварки, в то время как разрушение основного материала часто рассматривается как грубый критерий, указывающий на «высокое» качество сварного шва.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 его прочность 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 шва, очевидно, указывает на более высокое качество сварного шва. .

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, характеризующегося повреждением 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 Фигуре 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 в качестве компромисса был выбран начальный зазор 1 мм.

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 края 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 испытании 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 другие 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.

Было исследовано

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 толщины из-за удара и соответствующей серьезной пластической деформации соединяемых партнеров, что, по-видимому, является обязательным 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 рулона 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 в размере 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, большинство дальнейших сварочных операций приводят 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 к увеличению общей длины сварного шва за последовательность сварки l _всего / n с увеличивающимся относительным перемещением Δ x , что проиллюстрировано на Фигуре 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 свариваемая область всегда нагружена, поскольку силы прилагаются к двум противоположным концам зоны сварного шва. Что касается однопоследовательных сварных швов, прочность соединения, полученного посредством 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 на изгиб медных листов 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 значительно 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 качественной деформации 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 различной толщины листов.Однако испытание может привести к значимым результатам в случае сварных швов с аналогичными деталями из листового металла.

Рис. 12 Геометрия образцов и стадии деформации 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 рис. 13 показана 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 дифференцировать 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, была проверена последней, а последовательность сварки, которая была произведена последней, была первой, которая была проверена.Во многих случаях сначала провалилась испытанная последовательность сварки основного материала. В этом случае дальнейшее испытание другой сварки было невозможно, потому что для долота не могло быть создано подходящей области приложения усилия для проверки дальнейших последовательностей. 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 прошла в основном материале. Измерение толщины этих конкретных образцов показало, что значения толщины в области последовательностей сварных швов, поврежденных 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 с повреждением 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 долотом 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 повреждением материала в последовательностях сварки, 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 одной последовательности.

Для образцов с разрушением основного материала в первых последовательностях сварных швов и разрушением соединения 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 меньше по сравнению с максимальными значениями силы, измеренными во время испытаний, можно сделать вывод, что такие низкокачественные соединения действительно работают. не вносят значительного 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 сварке одинарной последовательности.

Рис 13 Геометрия и этапы деформации образцов при испытаниях долотом.

Рис. 14 Типичная кривая «сила-смещение», 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 сварных швов 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 протекает через центральный провод обмотки катушки в одном направлении. (т.е. здесь накладывается ток +454 кА), в то время как половина тока течет в обратном направлении по каждому 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, наведенный 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.грамм. 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. менее 18 мм в диаметре). этот конкретный случай). Распределения напряженности магнитного поля, плотности магнитного потока и индуцированного тока в летательном аппарате 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 (т. Е. 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, может привести к более раннему и / или более сильному ускорению летательного аппарата по сравнению с теми областями с относительно низкой 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 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, поэтому 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 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 показывают, 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 этого неблагоприятного сочетания 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, которая обращена 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 однопоследовательной сварки, 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 варьируется 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 процесса

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 соединительных элементов 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 приводят 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 необходимой скорости сварки. Следовательно, удлинение сварного шва невелико, и из-за прямой связи с соответствующей передаваемой силой механическая прочность также низкая.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 перемещение 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 сварки, 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, вариации толщины относительно невелики.

Если требуется как высокая прочность, так и хорошая плоскостность детали, решением может быть двухэтапный процесс. 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, принимая при этом, 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 были достигнуты в основном 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 ученый]
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 ученый]
3. M. Goede, M. Stehlin, L. Rafflenbeul, G. Kopp, E. Beeh, Super Light Car: легкая конструкция благодаря конструкции из различных материалов и функциональной интеграции, Eur.Трансп. Res. Ред. 1 (2009) 5–10 [CrossRef] [Google ученый]
4. ЧАС.Хелмс, У. Ламбрехт и др., Энергосбережение за счет облегчения: Заключительный отчет. Institut für Energie- und Umweltforschung Heidelberg GmbH, 2003 г. [Google ученый]
5. Серрено А.С., 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 ученый]
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 ученый]
7. В. Псик, Т. Либер, П. Курка, В.-Г. Дроссель, Электромагнитное соединение гибридных труб для гидроформовки, Процедуры CIRP 23 (2014) 1–6. [CrossRef] [Google ученый]
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 ученый]
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 ученый]
10. Д.Н. Лысенко, В.В. Ермолаев, А.А. Дудин, Метод сварки давлением, патент США 3520,049, 1970 г. [Google ученый]
11. F. Findik, Последние разработки в области сварки взрывом, Mater. Des. 32 (2011) 1081–1093 [CrossRef] [Google ученый]
12. ГРАММ.Гебель, Э. Бейер, Дж. Каспар, Б. Бреннер, Соединение разнородных металлов: макро- и микроскопические эффекты MPW, в: 5-я Международная конференция по высокоскоростному формованию, 24–26 апреля 2012 г., Дортмунд, стр. 179–188 [Google ученый]
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 ученый]
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 ученый]
15. С.Бирвальд, Х. Бирвальд, Спиральная катушка, передающая 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 ученый]
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 ученый]
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 ученый]
18. ИКС.Х. Цуй, Дж. Х. Мо, Дж. Ли, Дж. Чжао, Ю. Чжу, Л. Хуан, 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 ученый]
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 ученый]
20. ЧАС.Юа, З. Фан, К. Ли, Магнитно-импульсная наплавка алюминиевого сплава на трубу из мягкой стали, J. Mater. Процесс. Technol. 214 (2014) 141–150 [CrossRef] [Google ученый]
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 ученый]
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 ученый]
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 ученый]
24. ISO 10447: 2015 Контактная сварка — Испытание сварных швов — Испытание на отслаивание и вырывание контактных точечных и выступающих швов. [Google ученый]
25. http: // www.femm.info/wiki/HomePage (по состоянию на 12 декабря 2018 г.) [Google ученый]
26. Х. Бюлер, Д. Бауэр, Ein Beitrag zur Magnetumformung rohrförmiger Werkstücke, Werkstatt und Betrieb 110 (1968) 513–516 [Google ученый]
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 формовке (ICHSF), 2016, стр. 3–12 [Google ученый]

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 фигуры

	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 испытании 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

Сварка | Лаборатория импульсного производства

Сварка взрывом (EXW) используется с 1940-х годов для соединения самых разных металлов в твердом состоянии.Метод коммерчески используется в судостроении и строительстве сосудов высокого давления. Сварка взрывом воздействует на лист-лист с листом-мишенью с соответствующей скоростью (в диапазоне от 200 м / с до 5000 м / с) с малым косым углом удара. Удар выбрасывает поверхностные загрязнения из летательного аппарата и мишени в виде струи и переносит чистые металлические поверхности на расстояние атомной связи.

Малогабаритная сварка столкновением также получила ограниченное коммерческое развитие с использованием электромагнитной силы Лоренца в качестве движущей силы в процессе, известном как магнитно-импульсная сварка (MPW).Два новых метода, основанных на схожей физике, были разработаны в Государственном университете Огайо.

Два метода изобретены и доступны только в Университете штата Огайо (см. Видео!)

Приводная сварка с испарением фольги (VFAW) использует высоковольтную батарею конденсаторов для подачи электрического импульса на алюминиевую фольгу или проволоку, который испаряет ее в горячую плазму за период времени порядка микросекунд. Расширяющаяся плазма может почти мгновенно разогнать конструкционные металлические листы (толщиной порядка миллиметра) до скорости более 500 м / с.2 или больше, которые могут иметь исключительную прочность как на сдвиг, так и на отслаивание. Вся система является многоразовой, за исключением небольшого расходуемого ламината из алюминиевой фольги и полимерной изоляции, который стоит недорого и легко заменяется.

Лазерная ударная сварка (LIW) использует оптическую энергию импульсного лазера для ускорения одной тонкой металлической фольги по направлению к другой. Наша система выдает 3 Дж оптической энергии примерно за 8 нс на частоте 1060 нм и может работать с частотой 10 Гц. Эта система подходит для фольги или компонентов менее 0.01 ”(250 микрометров) и обычно дает сварной участок диаметром около 5 мм. Легко получить скорость 10 сварных швов / с, продемонстрировано точное пространственное управление и регулярные серии из сотен сварных швов.

И VFAW, и LIW могут легко генерировать скорость полета, превышающую 1 км / с (для листов толщиной ~ 1 мм с VFAW и ~ 200 микрометров с LIW), и оба показали свою эффективность при соединении с широким разнообразие разнородных металлов без плавления составляющих.Поскольку поверхности не плавятся, сплошные области интерметаллических фаз могут быть удалены, как в интерфейсе VFAW, показанном справа.

Оба метода находятся на ранних стадиях разработки. До сих пор эти методы доказали свою способность связывать все попытки сочетания разнородных металлов, включая Al-Mg, Al-Fe, Al-Ti, Al-Ni, Al-Cu, Ti-Fe, Cu-Fe, и ламинированные серии с тремя или более слоев. В отличие от сварки взрывом, эти методы можно выполнять в лаборатории или на заводе; и в отличие от магнитно-импульсной сварки, очень высокое давление создается без повреждения инструмента.

-Привод испарительной фольги Страница

-Лазерная ударная сварка Страница

-VFA Сварка

.