AA1060–DP600板材電磁脈沖連接工藝研究

李昊樺，張梅富，姜爔，于海平,b

先進焊接與連接

AA1060–DP600板材電磁脈沖連接工藝研究

李昊樺a，張梅富a，姜爔a，于海平a,b

（哈爾濱工業大學 a.材料科學與工程學院；b.金屬精密熱加工國家級重點實驗室，哈爾濱 150001）

基于平板線圈對AA1060–DP600板材電磁脈沖連接過程進行數值模擬與工藝實驗，探索線圈匝數、搭接區寬度、搭接間隙和放電電壓等4個參數對連接接頭質量的影響?；谟邢拊治鲕浖↙S–DYNA），建立尺寸參數為80 mm×40 mm×1 mm的AA1060–DP600板材電磁脈沖連接有限元模型；基于平板線圈搭接實驗裝置進行工藝實驗，采用電子萬能實驗機、金相顯微鏡對接頭拉伸性能進行測試并觀察其微觀形貌，結合模擬與工藝實驗的結果分析各個參數對接頭質量的影響。隨平板跑道線圈匝數由1匝增至6匝，飛板與基板碰撞速度先升后降，在3匝時達到最大值；搭接間隙過大（2.5 mm）或過小（1.5 mm）都會使碰撞速度下降，進而使接頭強度下降；碰撞速度和接頭強度與搭接區寬度和放電電壓成正相關，放電電壓在9 kV及以上時更易實現連接；連接接頭界面總體趨于平直，部分區域出現小波峰大波長的波形。以拉伸性能最優為標準，最優的工藝參數為線圈匝數3匝、搭接間隙2 mm、搭接區寬度25 mm、放電電壓11 kV，此條件下試件可承受的最大載荷為2.33 kN，達到母材AA1060的75%。

磁脈沖連接；異種金屬板連接；鋁–鋼；數值模擬

鋁–鋼異種金屬連接件可以在保證整體結構強度的同時顯著降低結構質量，實現汽車輕量化，減少能源的消耗及溫室氣體排放[1-2]。但由于鋁和鋼等2種金屬之間的物理化學性質差異大，用常規的熔化連接方法很難得到質量較好的連接接頭[3-5]。因此，針對鋁–鋼異種金屬連接，亟需探索和研究合適的連接工藝。

近年來，國內外學者圍繞鋁–鋼連接工藝展開了廣泛研究。Mathieu等[6]發現以Zn作為填充金屬，使用激光釬熔焊可以抑制鋼與鋁焊接形成大量硬而脆的金屬間化合物；黃鵬飛等[7]使用冷金屬過渡焊接鍍鋅鋼和3A21鋁合金，得到接頭的抗剪切強度能達到較弱母材的70%；Chen等[8]在對6系鋁合金和鋼進行攪拌摩擦焊時發現，將具有較高硬度的母材放置在攪拌頭旋轉方向與焊接方向一致的一側時，能得到力學性能優良的焊接接頭；Ying[9]等將超聲波電焊與電阻電焊相結合，對厚AA6061?T6鋁合金與AISI1008冷軋鋼進行搭接，在焊接電流為16.5 kA時，得到最大抗剪強度為188.6 MPa。雖然這些方法均具有其獨特的優點，但均不可避免地存在加工成本高、工作效率低等不足。除焊接方法外，機械連接也是實現鋁–鋼連接的常見手段，目前使用較廣的如自沖鉚接技術（SPR）、熱融流鉆螺接技術（FDS）等也存在鉚釘成本高、設備相對復雜等缺點[10-12]。

磁脈沖連接技術（Magnetic Pulse Joining，MPJ）是一種基于電磁成型技術的新型固相連接技術。已有的銅–鋼[13]、鋼–鋁合金[14]、碳纖維–鋁合金[15]等異種材料的磁脈沖連接實驗表明，磁脈沖連接技術連接接頭強度高，氣密性、水密性好；連接速率非常高，可在毫秒級時間內完成連接；工序簡單，無需后續清理工序及焊后熱處理，是一種綠色新型連接技術。

在磁脈沖連接過程中，影響接頭質量的根本因素是連接接頭的界面形貌與組織結構，不同的電磁連接工藝參數會對界面形貌產生影響，進而影響連接接頭質量。放電線圈匝數的不同會影響連接體系周圍的磁場分布；搭接區寬度會影響飛板的抗變形能力；搭接間隙和放電電壓分別影響連接時間和磁脈沖力，進而對碰撞速度產生影響。為此，主要通過數值模擬和工藝實驗對AA1060鋁板和DP600鋼板的磁脈沖連接過程進行研究，探索線圈匝數、搭接區寬度、搭接間隙、放電電壓等4個參數對連接接頭質量的影響。

1 數值模擬

磁脈沖連接技術的基本原理是利用電磁力驅動連接結構中的動件（飛板）與靜件（基板）高速碰撞而實現冶金結合。如圖1所示，在經過一定時間的充電過程使電容器儲存足夠的電能后，通過放電回路將這些電能轉化為磁場能，飛板受脈沖磁場作用產生感應電流，感應電流在脈沖磁場作用下產生幅值巨大的電磁脈沖力，在峰值極大而周期很短的電磁脈沖力作用下，飛板將發生高速率變形。在磁壓力作用的第一個半波時間內，能量主要用來為飛板提供巨大的加速推動力，當磁壓力急速下降時，飛板在慣性力的作用下繼續發生變形。在磁壓力作用時間內，飛板通過運動來吸收外力功，這一時期為能量的吸收時期。隨后加載停止，飛板在慣性力作用下將吸收的動能轉化為塑性變形能，將其稱之為能量的耗散時期，最終通過飛板和基板的高速碰撞實現冶金結合[13,16]。此過程與爆炸焊接類似，屬于高能率連接范疇。

圖1 磁脈沖連接原理示意圖[16]

在磁脈沖連接過程中，連接效果除受到放電參數的影響之外，還會受到連接系統的幾何尺寸影響[17]。對于AA1060-DP600磁脈沖板連接系統而言，線圈的匝數、放電電壓、搭接間隙和搭接區寬度是影響連接效果的重要參數?；诖?，首先通過ANSYS/LS– DYNA模塊進行鋁板–鋼板磁脈沖連接變形過程的數值模擬，以探討線圈匝數、搭接區寬度、搭接間隙和放電電壓等4個參數對飛板撞擊速度的影響，為后續進行工藝實驗提供指導。

通過對板連接實驗中常見的線圈結構進行比較，基于跑道形線圈具有可產生集中磁場、所需放電電壓小、線圈壽命高等優點，該實驗的線圈形狀確定為跑道形[18-24]，如圖2所示。

圖2 跑道線圈三維模型（3匝）

將飛板與基板置于跑道線圈的直線段處，通過改變限位塊的間距來改變搭接區寬度，改變限位塊的厚度來改變搭接間隙。接頭搭接示意圖見圖3。AA1060鋁板和DP600鋼板的厚度均為1 mm，平面內尺寸均為80 mm×40 mm，線圈截面為2.5 mm×16 mm。

圖3 磁脈沖連接搭接示意圖

假設跑道線圈、限位塊、鋼板為剛體，采用20號rigid模型，鋁板由于應變率大，采用98號Johnson Cook模型[25]。Johnson Cook模型的參數設為6.65×107、設為1.08×108、設為0.223、設為0.029、設為0.5。材料的主要屬性見表1。

表1 材料主要屬性

Tab.1 Main properties

磁脈沖連接過程與爆炸連接類似，參考爆炸連接金屬流動限概念，只有當飛板與基板碰撞速度超過金屬流動限時，才能發生基體金屬的元素擴散現象，從而產生連接。且在一定范圍內，碰撞速度越大，連接效果越好?；谠摾碚摚M部分以飛板碰撞速度的高低作為飛板與基板連接效果的判據。

首先針對線圈最合適匝數進行探索，3匝線圈俯視圖見圖4（單位均為mm）。在保持線圈直線段長度、圓弧段半徑及間隙不變的情況下，分別設置1～6匝跑道線圈，不同匝數的跑道線圈裝配體見圖5。通過數值模擬得到在不同匝數跑道線圈下飛板的碰撞速度，以飛板最大速度的高低作為接頭質量的判據。在5 kV放電電壓下，不同匝數跑道線圈下飛板的碰撞速度見圖6。

圖4 3匝跑道線圈俯視圖

圖5 不同匝數跑道線圈磁脈沖連接示意圖

圖6 不同匝數線圈下飛板碰撞速度

數值模擬的結果顯示，在線圈匝數為2匝或3匝時，能得到較大的碰撞速度，出于線圈使用壽命的考慮，最終確定線圈匝數為3匝?；?匝線圈，放電電壓取8 kV，搭接間隙分別取1.5、2、2.5 mm，搭接區寬度分別取15、20、25 mm進行模擬。飛板碰撞速度（m/s）見表2。

表2 不同放電參數的飛板碰撞速度

Tab.2 Impact velocity of flying plate at different discharge parameters m/s

從模擬結果可以看出，在搭接區寬度取 25 mm時，所能達到的碰撞速度高于同等條件下寬度取15 mm和20 mm的情況；在搭接間隙較小（1.5 mm）時，由于飛板加速距離短，加速時間短，其碰撞速度較小；當搭接間隙過大（2.5 mm）時，其碰撞速度又有下降的趨勢。搭接間隙取2 mm能得到更高的碰撞速度。

2 工藝實驗

基于3匝跑道線圈進行AA1060–DP600板電磁脈沖連接實驗。其中，被連接板材為DP600鋼板，連接板為AA1060鋁板，厚度均為1 mm，平面內尺寸均為 80 mm×40 mm。在進行實驗前，首先需要對AA1060鋁板和DP600鋼板的搭接部位進行砂布打磨（砂布規格400#）除銹，直至出現新金屬表面粗糙度達到12.5左右即可，然后用高純度（乙醇質量分數99.7%）工業酒精進行表面清洗。實驗所用放電設備的額定放電能量為50 kJ，額定放電電壓為18 kV。實驗裝置見圖7，剛性塊和輔助工裝用于壓緊基板，減少基板的塑性變形，線圈約束裝置用于抑制放電過程中線圈的塑性變形，以提高線圈使用壽命。

實驗結果見表3。其中，×表示連接未成功，√表示連接成功，未連接成功和連接成功的典型試樣見圖8。由圖8a可知，未連接成功的試樣鋁板同樣發生了與連接成功的試樣相似的變形情況，說明其未連接成功的原因在于撞擊速度不夠。在9 kV放電電壓下，搭接間隙取1.5 mm和2.5 mm的試樣都沒能連接成功，而搭接間隙取2 mm、搭接區寬度取25 mm時連接成功，說明搭接間隙取為2 mm最為合適。這與模擬結果中搭接間隙取2 mm時碰撞速度最高保持一致。

圖7 3匝跑道線圈的電磁脈沖連接實驗裝置

表3 不同工藝參數的實驗結果

Tab.3 Experimental results of different process parameters

圖8 不同工藝參數下電磁脈沖連接實驗結果

3 性能檢測

3.1 拉伸剪切實驗

根據放電電壓和搭接區寬度等2個參數分為2組，一組按照放電電壓變化，搭接間隙均為2 mm，搭接區寬度均為25 mm，電壓分別為9、10、11 kV；另一組按照搭接區寬度變化，電壓均為10 kV，搭接間隙均為2 mm，搭接區寬度分別為15、20、25 mm。

對這2組5個連接件進行拉伸剪切實驗。在進行拉伸剪切實驗時需要在連接件上、下兩側加厚度合適的金屬墊板，以免在實驗過程中產生力矩干擾實驗結果，如圖9所示。將5組實驗結果按載荷–位移制成曲線圖見圖10，實驗參數見表4。

圖9 拉伸剪切實驗裝置

圖10 載荷–位移曲線

表4 不同工藝參數下的拉伸剪切實驗結果

Tab.4 Tensile shear test results at different parameters

由圖10和表4可以看出，在搭接間隙和搭接區寬度恒定時，以放電電壓為單一變量（實驗3—5），放電電壓越大，接頭強度也越大；在放電電壓和搭接間隙一定時，以搭接區寬度為單一變量（實驗1—3），搭接區寬度增大，接頭強度也增大，與模擬結果一致；鋁板–鋼板磁脈沖連接接頭所能達到的最大載荷為2 332.93 N，對應抗拉強度為58.25 MPa，實驗條件為放電電壓11 kV、搭接間隙2 mm、搭接區寬度25 mm。與較弱母材AA1060鋁的抗拉強度（78 MPa）比較可以發現，實驗得到的磁脈沖連接接頭強度已達到母材的75%。

3.2 金相分析

將放電電壓11 kV、搭接間隙2 mm、搭接區寬度25 mm的磁脈沖連接接頭進行剖切取樣，依次使用1000#、2000#和3000#的砂紙對其表面進行打磨，打磨完成后于拋光機上進行拋光處理，最后使用凱勒試劑進行腐蝕。磁脈沖連接界面處的微觀組織形貌如圖11所示，按焊縫分界，上半部分為鋼、下半部分為鋁。由圖11可以看出，磁脈沖連接界面為趨于平直的界面，圖11中方框內出現小波峰、大波長的波形，波長約為120 μm，波峰高度約為5 μm。根據以往學者的研究，連接界面由平直形向波形轉變需要碰撞速度達到某一臨界速度[26]，在連接過程中，隨碰撞點向前移動，碰撞速度逐漸減小，導致塑性變形程度相對較小，使得界面相對平坦[27]。

圖11 磁脈沖連接界面微觀形貌

4 結論

1）有限元分析和工藝實驗結果顯示，在使用平板跑道形線圈時，最合適的線圈匝數為3匝；搭接間隙過大或過小都會使碰撞速度下降，進而使接頭強度下降；碰撞速度隨搭接區寬度的增大而增大；放電放電電壓在9 kV及以上更易實現連接，接頭強度隨放電電壓的增大而增大（9～11 kV）。

2）以拉伸性能最優為標準，最優的工藝參數為線圈匝數3匝、搭接間隙2 mm、搭接區寬度25 mm、放電電壓11 kV。在此條件下試件可承受的最大載荷為2.33 kN，達到母材AA1060鋁的75%。

3）微觀形貌觀察結果顯示，得到的連接接頭界面趨于平直，部分區域出現小波峰、大波長的波形。

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Experimental Study on Electromagnetic Pulse Joining Technology of AA1060-DP600 Sheet

LI Hao-huaa, ZAHNG Mei-fua, JIANG Xia, YU Hai-pinga,b

(a. School of Materials Science and Engineering, b. National Key Laboratory for Precision Hot Processing of Metals, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001, China)

The effects of coil turns, lap area width, lap gap and discharge voltage of magnetic pulse joining process on the quality of AA1060-DP600 plates joint was investigated by numerical simulation and experiments based on flat coil. The finite element model of magnetic pulse joining of AA1060-DP600 plates with size parameters of 80 mm×40 mm×1 mm was established based on LS-DYNA. Experiments were carried out by coilwith optimal number of turns, and the tensile properties of the joints were tested by electronic universal testing machine. The microstructure of the joint was observed by metallographic microscope. Combined with the results of simulation and process test, the influences of each parameters on the quality of the joint were analyzed. As the number of turns of the flat coil increases from 1 turn to 6 turns, the collision speed firstly increases and then decreases, and reaches the maximum value at 3 turns. 2.5 mm or 1.5 mm lap gap reduce the impact speed and thus the joint strength. The impact speed increases with the increase of the width of the lap area. The strength of the joint increases with the increase of the discharge voltage, and the joining is easier to achieve when the discharge voltage is 9 kV and above. The joint interface tends to be generally straight, with small peaks and large wavelengths appearing in some areas. With the optimum tensile performance as the standard, the optimal process parameters are: coil turns of 3 turns, lap gap of 2 mm, lap area width of 25 mm, discharge voltage of 11 kV. The optimal joint can withstand the maximum load of 2.33 kN, up to 75% of the base metal AA1060 aluminum.

magnetic pulse joining; dissimilar sheet metal joining; aluminum-steel; numerical simulation

10.3969/j.issn.1674-6457.2022.12.016

TG391

A

1674-6457(2022)12-0146-07

2022–07–31

國家自然科學基金（52175304）

李昊樺（2000—），男，碩士生，主要研究方向為異種金屬材料的電磁連接。

于海平（1974—），男，博士，副教授，主要研究方向為高速率成形、變形連接和板材成形新方法。