AA1060–DP600板材电磁脉冲连接工艺研究
李昊桦，张梅富，姜爔，于海平,b
先进焊接与连接
AA1060–DP600板材电磁脉冲连接工艺研究
李昊桦a，张梅富a，姜爔a，于海平a,b
（哈尔滨工业大学 a.材料科学与工程学院；
b.金属精密热加工国家级重点实验室，哈尔滨 150001）
基于平板线圈对AA1060–DP600板材电磁脉冲连接过程进行数值模拟与工艺实验，探索线圈匝数、搭接区宽度、搭接间隙和放电电压等4个参数对连接接头质量的影响。基于有限元分析软件（LS–DYNA），建立尺寸参数为80 mm×40 mm×1 mm的AA1060–DP600板材电磁脉冲连接有限元模型；
基于平板线圈搭接实验装置进行工艺实验，采用电子万能实验机、金相显微镜对接头拉伸性能进行测试并观察其微观形貌，结合模拟与工艺实验的结果分析各个参数对接头质量的影响。随平板跑道线圈匝数由1匝增至6匝，飞板与基板碰撞速度先升后降，在3匝时达到最大值；
搭接间隙过大（2.5 mm）或过小（1.5 mm）都会使碰撞速度下降，进而使接头强度下降；
碰撞速度和接头强度与搭接区宽度和放电电压成正相关，放电电压在9 kV及以上时更易实现连接；
连接接头界面总体趋于平直，部分区域出现小波峰大波长的波形。以拉伸性能最优为标准，最优的工艺参数为线圈匝数3匝、搭接间隙2 mm、搭接区宽度25 mm、放电电压11 kV，此条件下试件可承受的最大载荷为2.33 kN，达到母材AA1060的75%。
磁脉冲连接；
异种金属板连接；
铝–钢；
数值模拟
铝–钢异种金属连接件可以在保证整体结构强度的同时显著降低结构质量，实现汽车轻量化，减少能源的消耗及温室气体排放[1-2]。但由于铝和钢等2种金属之间的物理化学性质差异大，用常规的熔化连接方法很难得到质量较好的连接接头[3-5]。因此，针对铝–钢异种金属连接，亟需探索和研究合适的连接工艺。
近年来，国内外学者围绕铝–钢连接工艺展开了广泛研究。Mathieu等[6]发现以Zn作为填充金属，使用激光钎熔焊可以抑制钢与铝焊接形成大量硬而脆的金属间化合物；
黄鹏飞等[7]使用冷金属过渡焊接镀锌钢和3A21铝合金，得到接头的抗剪切强度能达到较弱母材的70%；
Chen等[8]在对6系铝合金和钢进行搅拌摩擦焊时发现，将具有较高硬度的母材放置在搅拌头旋转方向与焊接方向一致的一侧时，能得到力学性能优良的焊接接头；
Ying[9]等将超声波电焊与电阻电焊相结合，对厚AA6061?T6铝合金与AISI1008冷轧钢进行搭接，在焊接电流为16.5 kA时，得到最大抗剪强度为188.6 MPa。虽然这些方法均具有其独特的优点，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，机械连接也是实现铝–钢连接的常见手段，目前使用较广的如自冲铆接技术（SPR）、热融流钻螺接技术（FDS）等也存在铆钉成本高、设备相对复杂等缺点[10-12]。
磁脉冲连接技术（Magnetic Pulse Joining，MPJ）是一种基于电磁成型技术的新型固相连接技术。已有的铜–钢[13]、钢–铝合金[14]、碳纤维–铝合金[15]等异种材料的磁脉冲连接实验表明，磁脉冲连接技术连接接头强度高，气密性、水密性好；
连接速率非常高，可在毫秒级时间内完成连接；
工序简单，无需后续清理工序及焊后热处理，是一种绿色新型连接技术。
在磁脉冲连接过程中，影响接头质量的根本因素是连接接头的界面形貌与组织结构，不同的电磁连接工艺参数会对界面形貌产生影响，进而影响连接接头质量。放电线圈匝数的不同会影响连接体系周围的磁场分布；
搭接区宽度会影响飞板的抗变形能力；
搭接间隙和放电电压分别影响连接时间和磁脉冲力，进而对碰撞速度产生影响。为此，主要通过数值模拟和工艺实验对AA1060铝板和DP600钢板的磁脉冲连接过程进行研究，探索线圈匝数、搭接区宽度、搭接间隙、放电电压等4个参数对连接接头质量的影响。
磁脉冲连接技术的基本原理是利用电磁力驱动连接结构中的动件（飞板）与静件（基板）高速碰撞而实现冶金结合。如图1所示，在经过一定时间的充电过程使电容器储存足够的电能后，通过放电回路将这些电能转化为磁场能，飞板受脉冲磁场作用产生感应电流，感应电流在脉冲磁场作用下产生幅值巨大的电磁脉冲力，在峰值极大而周期很短的电磁脉冲力作用下，飞板将发生高速率变形。在磁压力作用的第一个半波时间内，能量主要用来为飞板提供巨大的加速推动力，当磁压力急速下降时，飞板在惯性力的作用下继续发生变形。在磁压力作用时间内，飞板通过运动来吸收外力功，这一时期为能量的吸收时期。随后加载停止，飞板在惯性力作用下将吸收的动能转化为塑性变形能，将其称之为能量的耗散时期，最终通过飞板和基板的高速碰撞实现冶金结合[13,16]。此过程与爆炸焊接类似，属于高能率连接范畴。
图1 磁脉冲连接原理示意图[16]
在磁脉冲连接过程中，连接效果除受到放电参数的影响之外，还会受到连接系统的几何尺寸影响[17]。对于AA1060-DP600磁脉冲板连接系统而言，线圈的匝数、放电电压、搭接间隙和搭接区宽度是影响连接效果的重要参数。基于此，首先通过ANSYS/LS– DYNA模块进行铝板–钢板磁脉冲连接变形过程的数值模拟，以探讨线圈匝数、搭接区宽度、搭接间隙和放电电压等4个参数对飞板撞击速度的影响，为后续进行工艺实验提供指导。
通过对板连接实验中常见的线圈结构进行比较，基于跑道形线圈具有可产生集中磁场、所需放电电压小、线圈寿命高等优点，该实验的线圈形状确定为跑道形[18-24]，如图2所示。
图2 跑道线圈三维模型（3匝）
将飞板与基板置于跑道线圈的直线段处，通过改变限位块的间距来改变搭接区宽度，改变限位块的厚度来改变搭接间隙。接头搭接示意图见图3。AA1060铝板和DP600钢板的厚度均为1 mm，平面内尺寸均为80 mm×40 mm，线圈截面为2.5 mm×16 mm。
图3 磁脉冲连接搭接示意图
假设跑道线圈、限位块、钢板为刚体，采用20号rigid模型，铝板由于应变率大，采用98号Johnson Cook模型[25]。Johnson Cook模型的参数设为6.65×107、设为1.08×108、设为0.223、设为0.029、设为0.5。材料的主要属性见表1。
表1 材料主要属性
Tab.1 Main properties
磁脉冲连接过程与爆炸连接类似，参考爆炸连接金属流动限概念，只有当飞板与基板碰撞速度超过金属流动限时，才能发生基体金属的元素扩散现象，从而产生连接。且在一定范围内，碰撞速度越大，连接效果越好。基于该理论，模拟部分以飞板碰撞速度的高低作为飞板与基板连接效果的判据。
首先针对线圈最合适匝数进行探索，3匝线圈俯视图见图4（单位均为mm）。在保持线圈直线段长度、圆弧段半径及间隙不变的情况下，分别设置1～6匝跑道线圈，不同匝数的跑道线圈装配体见图5。通过数值模拟得到在不同匝数跑道线圈下飞板的碰撞速度，以飞板最大速度的高低作为接头质量的判据。在5 kV放电电压下，不同匝数跑道线圈下飞板的碰撞速度见图6。
图4 3匝跑道线圈俯视图
图5 不同匝数跑道线圈磁脉冲连接示意图
图6 不同匝数线圈下飞板碰撞速度
数值模拟的结果显示，在线圈匝数为2匝或3匝时，能得到较大的碰撞速度，出于线圈使用寿命的考虑，最终确定线圈匝数为3匝。基于3匝线圈，放电电压取8 kV，搭接间隙分别取1.5、2、2.5 mm，搭接区宽度分别取15、20、25 mm进行模拟。飞板碰撞速度（m/s）见表2。
表2 不同放电参数的飞板碰撞速度
Tab.2 Impact velocity of flying plate at different discharge parameters m/s
从模拟结果可以看出，在搭接区宽度取 25 mm时，所能达到的碰撞速度高于同等条件下宽度取15 mm和20 mm的情况；
在搭接间隙较小（1.5 mm）时，由于飞板加速距离短，加速时间短，其碰撞速度较小；
当搭接间隙过大（2.5 mm）时，其碰撞速度又有下降的趋势。搭接间隙取2 mm能得到更高的碰撞速度。
基于3匝跑道线圈进行AA1060–DP600板电磁脉冲连接实验。其中，被连接板材为DP600钢板，连接板为AA1060铝板，厚度均为1 mm，平面内尺寸均为 80 mm×40 mm。在进行实验前，首先需要对AA1060铝板和DP600钢板的搭接部位进行砂布打磨（砂布规格400#）除锈，直至出现新金属表面粗糙度达到12.5左右即可，然后用高纯度（乙醇质量分数99.7%）工业酒精进行表面清洗。实验所用放电设备的额定放电能量为50 kJ，额定放电电压为18 kV。实验装置见图7，刚性块和辅助工装用于压紧基板，减少基板的塑性变形，线圈约束装置用于抑制放电过程中线圈的塑性变形，以提高线圈使用寿命。
实验结果见表3。其中，×表示连接未成功，√表示连接成功，未连接成功和连接成功的典型试样见图8。由图8a可知，未连接成功的试样铝板同样发生了与连接成功的试样相似的变形情况，说明其未连接成功的原因在于撞击速度不够。在9 kV放电电压下，搭接间隙取1.5 mm和2.5 mm的试样都没能连接成功，而搭接间隙取2 mm、搭接区宽度取25 mm时连接成功，说明搭接间隙取为2 mm最为合适。这与模拟结果中搭接间隙取2 mm时碰撞速度最高保持一致。
图7 3匝跑道线圈的电磁脉冲连接实验装置
表3 不同工艺参数的实验结果
Tab.3 Experimental results of different process parameters
图8 不同工艺参数下电磁脉冲连接实验结果
3.1 拉伸剪切实验
根据放电电压和搭接区宽度等2个参数分为2组，一组按照放电电压变化，搭接间隙均为2 mm，搭接区宽度均为25 mm，电压分别为9、10、11 kV；
另一组按照搭接区宽度变化，电压均为10 kV，搭接间隙均为2 mm，搭接区宽度分别为15、20、25 mm。
对这2组5个连接件进行拉伸剪切实验。在进行拉伸剪切实验时需要在连接件上、下两侧加厚度合适的金属垫板，以免在实验过程中产生力矩干扰实验结果，如图9所示。将5组实验结果按载荷–位移制成曲线图见图10，实验参数见表4。
图9 拉伸剪切实验装置
图10 载荷–位移曲线
表4 不同工艺参数下的拉伸剪切实验结果
Tab.4 Tensile shear test results at different parameters
由图10和表4可以看出，在搭接间隙和搭接区宽度恒定时，以放电电压为单一变量（实验3—5），放电电压越大，接头强度也越大；
在放电电压和搭接间隙一定时，以搭接区宽度为单一变量（实验1—3），搭接区宽度增大，接头强度也增大，与模拟结果一致；
铝板–钢板磁脉冲连接接头所能达到的最大载荷为2 332.93 N，对应抗拉强度为58.25 MPa，实验条件为放电电压11 kV、搭接间隙2 mm、搭接区宽度25 mm。与较弱母材AA1060铝的抗拉强度（78 MPa）比较可以发现，实验得到的磁脉冲连接接头强度已达到母材的75%。
3.2 金相分析
将放电电压11 kV、搭接间隙2 mm、搭接区宽度25 mm的磁脉冲连接接头进行剖切取样，依次使用1000#、2000#和3000#的砂纸对其表面进行打磨，打磨完成后于抛光机上进行抛光处理，最后使用凯勒试剂进行腐蚀。磁脉冲连接界面处的微观组织形貌如图11所示，按焊缝分界，上半部分为钢、下半部分为铝。由图11可以看出，磁脉冲连接界面为趋于平直的界面，图11中方框内出现小波峰、大波长的波形，波长约为120 μm，波峰高度约为5 μm。根据以往学者的研究，连接界面由平直形向波形转变需要碰撞速度达到某一临界速度[26]，在连接过程中，随碰撞点向前移动，碰撞速度逐渐减小，导致塑性变形程度相对较小，使得界面相对平坦[27]。
图11 磁脉冲连接界面微观形貌
1）有限元分析和工艺实验结果显示，在使用平板跑道形线圈时，最合适的线圈匝数为3匝；
搭接间隙过大或过小都会使碰撞速度下降，进而使接头强度下降；
碰撞速�人娲罱忧矶鹊脑龃蠖龃螅�
放电放电电压在9 kV及以上更易实现连接，接头强度随放电电压的增大而增大（9～11 kV）。
2）以拉伸性能最优为标准，最优的工艺参数为线圈匝数3匝、搭接间隙2 mm、搭接区宽度25 mm、放电电压11 kV。在此条件下试件可承受的最大载荷为2.33 kN，达到母材AA1060铝的75%。
3）微观形貌观察结果显示，得到的连接接头界面趋于平直，部分区域出现小波峰、大波长的波形。
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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
国家自然科学基金（52175304）
李昊桦（2000—），男，硕士生，主要研究方向为异种金属材料的电磁连接。
于海平（1974—），男，博士，副教授，主要研究方向为高速率成形、变形连接和板材成形新方法。
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