铜-铝电磁脉冲焊接界面形成过程的原子扩散行为

电磁脉冲焊接技术以高压脉冲放电驱使异种金属可靠连接而备受关注,但其界面结合机制尚不明确.该文搭建了铜-铝电磁脉冲焊接综合试验平台,捕获了焊接的动力学过程,得到碰撞点速度与碰撞角度的变化规律.在此基础上,构建了基于分子动力学模拟的电磁脉冲焊接典型界面(平直界面与涡旋界面)形成过程的对应模型,探究了焊接中的原子扩散行为,并根据模拟结果计算了典型结合界面的扩散层厚度,同时采用透射电子显微镜分析了结合界面的微观结构.研究结果表明,剧烈碰撞驱使界面材料塑性变形,界面材料塑性形变形成冶金结合和机械咬合是铜-铝电磁脉冲焊接界面的结合机制,且涡旋界面处的原子扩散厚度大于平直界面.该文可为深入理解电磁脉冲焊接机理和调控焊接效果提供科学依据.

铝/钢电磁脉冲焊接IMCs性能的计算与试验分析

采用第一性原理计算了铝/钢电磁脉冲焊接极窄焊缝Fe-Al金属间化合物(intermetallic compounds,IMCs)的不同晶面的热力学稳定性、表面能和电子功函数值,并结合界面微观形貌的扫描电子显微镜(scanning electron microscopy,SEM)、X射线衍射(X-ray diffraction,XRD)等测试方法,分析了焊缝可能存在的IMCs及其对界面腐蚀性能的影响.结果表明,第一性原理计算结果与试验数据基本吻合,计算得到铝/钢IMCs形成能和结合能均为负值,且满足热力学稳定结构,其形成能力强弱顺序为Fe_(2)Al_(5),FeAl,FeAl_(3),Fe_(3)Al和FeAl_(2),稳定性强弱顺序为Fe_(2)Al_(5),Fe_(3)Al,FeAl,FeAl_(3)和FeAl_(2),其中Fe_(2)Al_(5)的形成能为-9.379 eV/atom,结合能为-13.612 eV/atom,是焊缝最稳定的相;电子功函数值对应的耐腐性由弱到强顺序为Al,FeAl_(2),FeAl_(3),Fe_(2)Al_(5),FeAl和Fe_(3)Al;能谱仪(energy dispersive spectroscope,EDS)分析表明,焊缝主要存在Fe_(2)Al_(5),FeAl_(3)和少量FeAl_(2),椭圆环形焊缝还存在FeAl,直形焊缝还有Fe_(3)Al;焊缝FeAl_(3)的电子功函数较小,在盐雾腐蚀介质中充当阳极,易被腐蚀,并随着腐蚀周期增长,焊缝主要相Fe_(2)Al_(5)充当阳极,并由直形焊缝向椭圆环形焊缝快速腐蚀扩展,至整条焊缝失效.

异种有色金属电磁脉冲焊接研究现状及发展趋势

电磁脉冲焊接技术由电磁脉冲成形技术演化而来,通过电磁力驱动被焊接金属发生高速碰撞,实现碰撞界面的冶金结合进而获得焊接接头,作为一种固相连接技术,尤其适用于性能差异显著的异种材料焊接。随着国内外研究者对电磁脉冲焊接技术的深入研究,发现该技术在铝与镁、铝与铜、铝与钛、铝与镍钛等异种有色金属焊接领域的应用前景日益广阔。然而,目前缺乏对异种有色金属电磁脉冲焊接研究现状及发展趋势的综述研究,未能明确该技术在异种有色金属焊接中存在的问题和发展方向。因此,本文详细探讨了异种有色金属电磁脉冲焊接接头的微观结构特征、元素分布规律及显微组织特性,并阐述了接头形成机理,主要包括碰撞界面结合模型和缺陷形成机制。研究发现,不同异种有色金属组合的焊接界面结构明显不同,电磁脉冲焊接接头的力学性能优化需要通过进一步揭示焊接界面结构的形成机制来实现,电磁脉冲焊接技术难以对电学性能差、厚度大以及强度高的材料进行高质量焊接,需要加强相关辅助焊接技术、辅助装备的研究开发。最后对电磁脉冲焊接技术在异种有色金属的焊接过程中存在的问题及未来发展方向进行了展望,提出了未来该技术的研究发展方向,为电磁脉冲焊接技术的相关研究奠定了基础。

镀钴对铝/钢电磁脉冲焊接头性能的影响

在Q235钢板待焊面的表面电镀一层钴金属薄膜,再采用电磁脉冲焊接(MPW)技术对1060铝板/Q235钢板进行焊接,运用扫描电子显微镜(SEM)观察、能谱分析(EDS)、显微硬度测试及拉伸性能分析等手段对其焊接接头界面形貌、微观组织及力学性能进行了研究,并与Al/无镀层钢接头进行了对比。结果表明,铝/无镀层钢电磁脉冲焊接焊缝由中间未焊接区及两侧连接区组成,具有直缝、小波及大波形界面形貌,波形界面的过渡区宽度约为6μm,过渡区存在FeAl_(3)脆性金属间化合物,拉剪强度为122.22 MPa。镀钴钢/铝焊接界面的材料成形良好,形成明显的大波形连接界面,过渡区宽度约为8μm,镀层钴元素有效阻碍了铁元素向过渡区扩散,避免了铝铁金属间化合物的生成,增大了波形界面,有效提高了接头的力学性能,拉剪强度为137.78 MPa,提高了12.7%。

不同搭接形式下铜/钢电磁脉冲焊接界面分析

由于铜/钢的物化参数相差较大,熔钎焊时存在接头脆性、应力集中等问题,本研究借助新型电磁脉冲焊接技术,通过设计锥度或台阶形式的搭接方法,获得了铜/钢焊接接头,并借助界面微观SEM、EDS观察及显微硬度测试,分析不同搭接形式下的接头连接特征。结果表明:直接搭接时界面波形较差,有少量孔隙;台阶搭接时界面波形较大,但是,波形界面存在前后漩涡,且有“熔合区”;锥度搭接时界面为近似均波连接特征。当采用锥度结构设计时,波状界面的扩散区宽度为5μm,两种材料结合相对紧密。界面塑性变形、元素扩散程度决定界面硬度分布,采用锥度搭接设计时金属粒子流能够飞出界面,产生的塑性变形相对较小,其硬度过渡平缓,有利于冶金结合。

电磁脉冲焊接用真空触发开关工作特性及影响因素

电磁脉冲焊接是脉冲功率技术在材料加工中的应用之一,常采用真空触发开关(TVS)作为放电开关。根据电磁脉冲焊接过程特征,针对课题组所用的ZKTC国产新型TVS,详细探究了ZKTC在其触发阶段、导通阶段与初次放电阶段的工作特性。通过仿真研究了电路参数对ZKTC工作过程的影响;研制了Marx电路与脉冲变压器结合的触发装置,脉宽0~10μs可调、幅值0~20 kV可调,基于ZKTC搭建了放电能量为27 kJ的脉冲大电流发生器测试平台并开展实验分析。结果表明,触发信号的电压幅值与上升前沿均会显著影响ZKTC触发过程;放电主回路工作电压幅值会影响ZKTC导通阶段中带电粒子的定向迁移速率与放电电流幅值,改变开关放电回路的参数并加快电压下降速度,从而对导通阶段和放电阶段产生明显影响。

铝钢电磁脉冲焊接界面特性及金属粒子分布分析

为明确铝/钢电磁脉冲焊接过程金属粒子运动对界面连接性能的影响,基于金属粒子流形成机理,对界面形貌及抗剪强度进行分析.结果表明,金属粒子滞留界面造成铝局部熔化,钢粒子原位生成FeAl,形成未结合区;沿着焊接方向,分射流对铝板压入作用逐渐增大,形成冶金结合的界面,并伴有富铝金属间相,直缝区为FeAl+Fe_(2)Al_(5),小波区为Fe_(2)Al_(5)+FeAl_(3),大波区为FeAl+FeAl_(3);铝钢焊接界面过渡区由塑变铝压入钢形成,铝侧焊缝的外边缘存在钢粒子,而钢侧焊缝存在熔融铝携带钢粒子,主要为FeAl+Fe_(2)Al_(5)+FeAl_(3),且在焊缝内侧滞留了大量金属粒子,并以椭圆环的形式分布,在焊缝外侧,金属粒子滞落铝板表面造成凹坑,但在钢板表面为嵌入的片状铝;因此,在金属粒子滞留,并产生较多金属间化合物的位置成为剪切试验断裂源;通过波长公式调整搭接间隙,减少粒子滞留界面,椭圆焊缝断裂于铝材,提高了接头强度.创新点:基于金属粒子流形成机理,控制IMCs组织,微调铝钢界面波形以减少滞留粒子,提高接头强度.

铝钢电磁脉冲焊接接头中性盐雾腐蚀行为

为了获得铝钢电磁脉冲焊接接头中性盐雾介质的腐蚀过程及机理,对5%NaCl腐蚀后的焊接接头进行拉剪试验,并采用带能谱的扫描电子显微镜进行断口微观形貌分析.结果表明,铝钢电磁脉冲焊接接头中性盐雾腐蚀3天后的抗剪强度由原态74 MPa降为33 MPa,为原态的44.6%,腐蚀周期7天时,焊缝完全失效;在焊缝外围,粒子流击碎铝板表面氧化物生成粒状腐蚀物NaAlO2,焊缝上FeAl3破碎,露出铝被快速腐蚀为Al(OH)3;在铝板表面撞击产生凹坑和嵌入钢板表面片状铝的位置最先被腐蚀,NaCl液体堆积并在表层金属下流动腐蚀,且沿着腐蚀坑互连方向扩展,再向焊缝存在FeAl3相的连接区延伸;当氧化膜或焊缝被NaCl介质腐蚀抬起且破碎后,向着铝基体深层腐蚀,形成多而深的沟壑或凹坑,这成为接头快速失效的主要腐蚀机理.

热场辅助电磁脉冲焊接Al/Cu异种金属接头组织性能研究

采用热场辅助电磁脉冲焊接技术对Al/Cu异种金属进行焊接,对比分析了热场温度分别为室温、100℃和200℃条件下焊接接头的宏观形貌、界面组织及力学性能。结果表明:热场辅助电磁脉冲焊接技术能够实现Al/Cu异种金属的优质焊接;随着热场温度的增加,焊接接头有效结合区的尺寸增大。而波状界面形貌随着热场温度不同呈现不同的形态,室温下界面呈现正弦波和剪切波的混合波形,100℃下呈不规则的嵌入式波形形貌,200℃下的形貌与室温类似,但是界面反应层的厚度最大;三种温度下的界面反应区都检测到了Al-Cu化合物的存在。力学性能测试结果表明,随着热场温度的升高,焊接接头的力学性能逐渐提高。当加热温度为200℃时,焊接接头的抗拉剪力达到了4076 N;所有试样都在界面处发生断裂,断裂区域存在断口形貌呈现“河流状”和韧窝结构混合形式,推断焊接接头的失效模式为韧脆混合断裂。在外场温度作用下,焊接接头的有效结合区增大,界面波形结构发生改变,进而有效地提升了接头的力学性能。

针对H型线圈的电磁脉冲焊接仿真及线圈截面结构影响分析

电磁脉冲焊接是一种环保、便捷的固态焊接技术,在异种金属焊接中具有广阔的应用前景。作为主要部件的焊接线圈,其结构是影响焊接质量的关键因素之一。该文针对常用的H型焊接线圈,建立了铜板-铝板电磁脉冲焊接的有限元仿真分析模型,该模型耦合了电路模块、磁场模块及固体力学模块,计算焊接过程中放电回路的电流、磁场的分布情况、工件上的涡流及所受洛伦兹力、工件变形的速度和位移,同时结合焊接窗口理论对采用三种典型截面结构H型线圈(5-5H,2.5-5H,7.5-5H)进行电磁脉冲焊接时工件的碰撞过程和焊接效果进行对比分析。结果表明,线圈截面结构不同,会引起铜板、铝板的位移和形变区域的改变,从而使碰撞角度、碰撞速度、碰撞前端点移动速度及其变化产生差异。相同焊接能量下,2.5-5H、5-5H、7.5-5H型线圈的碰撞角度和碰撞前端点移动速度在焊接窗口范围内的时间长度分别为0.5μs,0.5μs和0.65μs,对应的焊缝长度分别为1.015 0mm,1.202 6mm和1.440 7mm。由此可见,对于H型线圈,在一定范围内,铜板侧线圈较铝板侧越宽,越有利于实现焊接。该文研究可为H型焊接线圈的设计提供参考。

铝/不锈钢电磁脉冲焊接界面组织性能分析

利用改进的70 k J高能量电磁脉冲设备,在最佳焊接工艺参数下(脉冲电流750k A,电压17 k V,频率18 k Hz),实现了高强度的铝/钢电磁脉冲焊接。进行扫描电镜对接头微观形貌观察和元素分布的EDS分析,结果表明:铝/钢焊接界面呈小波状形貌,界面波幅和波长比值是0.27,界面性能比较稳定;接头界面存在5~13μm的过渡区,点扫描元素含量并取其均值,铝为75.33%,铁为23.23%,推断生成Fe Al3金属间化合物;铝基体到结合界面硬度逐渐增大,钢基体到结合界面硬度逐渐减小;拉伸试样断裂位置在铝合金近搭接接头处,断口形貌呈现大小、深浅不一的韧窝塑性断裂,第二相粒子产生空洞形核后长大、聚集和断裂的特征,研究结果可为电磁脉冲焊接提供理论数据。

40Cr中碳钢与6061铝合金管件电磁脉冲焊接研究

采用电磁脉冲焊接实现了40Cr中碳钢与6061铝合金异种金属管件的焊接。对焊接接头进行了剥皮试验,并结合光学显微镜、SEM、EDS分析了焊接接头的微观形貌和界面的元素分布。结果表明：焊接结合处无法剥离,最终在铝管侧发生断裂,焊缝强度高于铝材。焊缝为波形界面,界面处形成很薄（〈10 mm）的过渡层。该过渡层主要由Al-Fe金属间化合物组成。

电磁脉冲焊接新工艺

电磁脉冲焊接新工艺訾炳涛巴启先崔建忠（辽宁省沈阳市东北大学材料与冶金学院１１０００６）电磁脉冲焊接工艺是本世纪６０年代国外兴起的新型焊接方法。它不同于传统的或一般的焊接工艺，不失为一种良好的焊接方法。鉴于我国在这方面的研究与应用尚属空白，在此作一介绍...

电磁脉冲焊接电缆接头的装置的研制及测试

为了研究电磁脉冲焊接技术在电力电缆接头焊接领域的应用,设计了一套能够用于不同型号电缆接头焊接的电磁脉冲焊接装置,该装置包括大电流脉冲发生器、焊接线圈及系统控制模块。大电流脉冲发生器由6个并联的脉冲发生模块组成,每个模块包括4个并联电容器与1个触发真空开关,可根据不同的焊接需求调整模块工作电压与数量从而输出不同参数的电流脉冲。此外,为减小回路杂散参数对脉冲电流峰值的影响,提高焊接效果,设计了低阻抗同轴电缆与具有集磁器功能的焊接线圈。结合焊接装置结构和理论与仿真计算参数,最终研制出了电磁脉冲焊接装置样机,该装置工作电压可达15kV,峰值电流为600kA,能够成功完成电缆接头的焊接。

电磁脉冲焊接技术研究现状及发展趋势

文中重点介绍了电磁脉冲焊接技术的原理和特点,并对国内外平板搭接、管/棒套接等电磁脉冲焊及其数值模拟的相关研究进行了较为系统的阐述,最后根据电磁脉冲焊接技术的研究现状对其今后的发展趋势进行了展望。

SAC0307/Cu电磁脉冲焊接接头的组织和性能研究

在保证空气间隙1.5 mm不变的情况下,采用电磁脉冲焊接技术分别在13 kV、14 kV和15 kV的充电电压下完成了99.0Sn-0.3Ag-0.7Cu(SAC0307)和T2 Cu薄板的连接,并对其焊接接头的显微组织、拉伸强度和显微硬度进行了研究。结果表明:SAC0307/Cu电磁脉冲焊接的临界充电电压介于13~14 kV之间;当充电电压为15 kV时,获得的焊接接头性能最佳,其拉伸强度为22.23 MPa,界面平均显微硬度为41.04 HV;此外,扫描电镜观察和X射线能谱分析发现,接头中基本没有金属间化合物形成。

基于固态开关RSD的电磁脉冲焊接装置设计

电磁脉冲焊接是利用脉冲大电流发生装置通过磁场驱动线圈在微秒量级的洛伦兹力作用下将金属管件箍缩变形,实现金属管件与材料高速连接的新兴技术。该技术不仅能应用于同种金属焊接,还能实现异种金属、金属与非金属的焊接,且施工过程不存在污染物的排放,工业应用潜力巨大。高效长寿命的电磁脉冲焊接装置是工业化应用的前提。为提高装置寿命,提出采用固态反向开关晶体管(RSD)器件取代现有的气体开关方案,解决了使用气体开关存在电极烧蚀的问题;此外,该方案使用集磁器和多匝线圈结合的磁场驱动技术提升了装置的能量利用率。基于所提方案设计原理样机,可在储能1.08 kJ、电流峰值120 kA的条件下实现70 mm2配电电缆的可靠焊接,为电磁脉冲焊接装置的研制提供了新思路。

电磁脉冲板件焊接设备研制及镁/铝合金板焊接实验研究

镁合金、铝合金作为轻质材料,因具有优异性能可替代传统钢材而广泛应用于轻量化设备制造中。然而,由于镁合金与铝合金物理、化学性能存在差异,使得传统工艺难以实现两者之间的良好焊接。电磁脉冲焊接(EMPW)借助电磁力实现金属材料的冶金结合,有望解决镁合金、铝合金的焊接难题。为探究电磁脉冲焊接镁合金-铝合金的可行性及影响因素,该文从电磁脉冲焊接原理着手,研制出一套28kJ的电磁脉冲焊接设备原型机,并在此基础上研究镁合金板(基板)、铝合金板(飞板)电磁脉冲焊接所需外部条件(放电电压和焊接间隙)以及镁合金自身力学特征对焊接条件的影响。结果显示:电磁脉冲焊接技术能够实现镁合金、铝合金板件的可靠焊接;在一定范围内,放电电压的升高能够提高接头的机械性能;焊接间隙的增加使接头的机械性能先提高后降低。此外,镁合金板件自身特殊结构导致的力学各向异性也将影响接头的机械性能,相同条件下,与轧制方向成0°时,焊接所得接头拉伸强度最佳;与轧制方向成90°时,接头拉伸强度最低。该文可为电磁脉冲焊接镁合金-铝合金板件提供技术支撑和理论参考。

NiTi/6061铝合金异种材料电磁脉冲焊工艺研究

NiTi形状记忆合金具有优良的形状记忆效应、超弹性、生物相容性、抗阻尼性能、抗腐蚀性能及综合力学性能,为了扩展其在智能开发中的应用,NiTi合金与其他综合性能良好的结构材料的连接备受关注。采用电磁脉冲焊连接NiTi/6061铝合金,利用光学显微镜(OM)以及扫描电镜(SEM)分析了不同热处理状态(T6态和完全退火态)和放电能量对母材及焊接接头微观组织的影响,利用DSC分析不同放电能量下NiTi合金的形状记忆效应。结果表明,完全退火处理有利于6061铝合金与NiTi的连接,电磁脉冲焊界面区厚度小于5μm,对NiTi合金的形状记忆效应影响较小。

磁脉冲焊接外管周向变形研究

采用Ansoft Maxwell电磁仿真软件模拟了磁脉冲焊接中外管表面磁感应强度分布,研究了外管周向磁感应强度分布。通过空管变形实验研究了放电电压对外管变形的影响,并以此来验证仿真结果。结果表明:集磁器开口间隙减弱了其附近位置外管上的磁感应强度,并且随着电压的增大,这种不均匀性加剧。空管变形实验表明,外管在集磁器开口间隙附近变形量比周向其它位置小,随着电压的增大,这种变形差异逐渐增大。