基于集磁器的电磁脉冲点焊设计及实验

吴铁洲　熊厚博　邓方雄

摘要：阐述了一种基于集磁器的电磁脉冲点焊原理和实现方法，可用于金属板件的焊接。利用集磁器感应产生高强度磁场，高速变化的磁场在金属板件上形成涡流并产生巨大的洛伦兹力，推动金属材料快速移动并撞击另外一种金属以完成焊接。对集磁器进行了优化设计，详细介绍电磁线圈的形状、匝数和放电参数，并运用有限元法对电磁场、结构场等进行数值分析。以1 mm厚的1060铝板和316不锈钢板为对象进行实验，对焊接后的构件进行了宏观和微观分析，并进行强度测试。結果表明，该焊接方法能够完成铝板和不锈钢板的电磁脉冲焊接。

关键词：焊接;线圈;脉冲磁场

中图分类号：TG456.9 文献标志码：A 文章编号：1001-2303（2020）02-0025-05

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.02.05

0 前言

电阻点焊广泛应用于汽车制造中。电阻焊要求被焊金属熔点不能相差太大，否则会出现低熔点金属已熔化而高熔点的金属不熔化的现象，进而形成不可靠焊点。为减少能源消耗，现大量采用铝合金构件来减轻汽车自重[1]，研究铝合金和铁合金的焊接具有广泛的应用价值[2-5]。目前铝合金与铁合金之间的焊接方法主要有激光焊、摩擦焊、钎焊、熔化焊[5-13]。

电磁脉冲焊是一种新颖的焊接方法，已逐渐应用于工业中[14-17]，它是通过电磁线圈在金属部件附近产生快速变化的磁场，变化的磁场在金属部件中感应出涡流，涡流在磁场中形成洛伦兹力推动板件高速运动，与另一种金属发生碰撞，从而实现两种金属的连接。电磁脉冲焊的温度低，无热影响区，无污染，高速安全。Aizawa[18-20]设计了一种低电感的放电回路，利用一根导线驱动金属板件与另一种金属高速碰撞，实现金属板件电磁脉冲缝焊。Kore[21]采用相同的装置实现了铝板与不锈钢板的焊接，焊缝界面连续。Yu[14-15]通过电磁脉冲焊实现了铝合金管与不锈钢管的有效连接。而电磁脉冲点焊的相关研究较少，仅Manogaran[22]对电磁脉冲缝焊进行了适当改进，设计了一种用于电磁脉冲点焊的焊接方法。该方法焊接时线圈电流较大，对电源设备要求较高。

本文设计了一种带集磁器的电磁脉冲点焊方法，适用金属板件的焊接，其原理是通过集磁器集中电流，感生电场交变形成巨大磁场，电磁场在空间相互作用对所处空间内的板件形成强洛伦兹力，较易实现异种金属的局部连接。

1 原理及设计

1.1 基于集磁器的点焊原理

电磁焊接中由洛伦兹力推动工件进行加速，其表达式为

式中 J为涡流电流密度;B为磁通密度;F为洛伦兹力。在条件允许情况下，提高J或B均能达到提高洛伦兹力的目的。为了尽可能提高工件焊接部位的涡流和磁通密度，实验装置采用集磁来达到该目的。

实验装置原理如图1所示，包括电容器组、集磁器、工件、直流电源、气体开关、线圈。由于电回路中的阻抗参数较小，电容器组通过装置中产生电回路的部分迅速放电，线圈中形成频率极高的交变电流。同时，在集磁器上表面会形成与线圈中电流方向相反的涡流。由于集磁器缝隙的存在，集磁器上表面形成的与线圈电流方向相反的涡流将沿集磁器孔的内表面流动。高密度的感应涡流在集磁器孔内部形成迅速变化的局部时变磁场，感应电磁场在空间相互作用使金属工件表面产生量级更高的涡流，根据式（1）中洛伦兹力的决定因素，高量级的涡流密度将会产生强度极大的洛伦兹力，作用于工件上使其与基材强烈碰撞以完成焊接。

1.2 装置基本尺寸

实验装置基本尺寸如图2所示。线圈的内径为14 mm，采用3 mm×5 mm铜导线绕制，匝数为8匝，导线外部包裹0.2 mm厚绝缘层，并采用柴龙加固线圈，抵抗线圈通电时向外的膨胀力。

2 仿真及分析

2.1 电磁脉冲点焊有限元模型

采用ANSYS18进行有限元仿真。首先在ANSYS

electronics suite分析电磁特性以得到电磁力数值模型，然后将其导入ANSYS trans-ient structural进行碰撞环节的瞬态速度以及受力分析，对磁场和结构场之间施加松弛变量以达到局部最优耦合并忽略极小范围变形对电磁场的影响，最后基于集磁器缝隙非对称结构采用1/2三维有限元模型对装置进行最优展示。

磁场模型中包含集磁器、线圈、工件、集磁器支撑板、近远场空气。模型中空气远场采用特殊单元INFIN111模拟磁能耗散，而在整体场中采用三维矢量单元SOLID235进行仿真。精细剖分铝板和不锈钢板以分析电磁力的分布及影响，有限元模型如图3所示。图3a为经Grid函数包处理后的模型整体图，图3b为模型局部同比放大图。在进行磁场分析时，对线圈加入经调制器实验模拟后的正弦衰减激励电流，设置碰撞过程总时间为15 μs，并以1 μs为步长分割以细化整个过程。

对铝板和不锈钢板进行结构分析。将上述电磁场模型中的电磁力作为结构场铝板所受的电磁力，同时为了简化模型，将基板对不锈钢板底部固定替换为固定约束的模式，整个有限元模型采用三维单元SOLID186。材料采用copwer本构模型，考虑了应变率和惯性对变形的影响。模型表达式为

根据参考文献[23]，常数p为6500，参数m为0.25。

试验板材为316不锈钢板和1060铝板，厚度1 mm。工件材料的相关参数如表1所示。实验电源装置基本参数如表2所示。

2.2 工件塑性变形过程分析

工件的碰撞速度和变形过程是电磁脉冲焊接中重要的分析参数，本文通过三维有限元模型模拟了相关参数，如图4所示。

在6～10 μs阶段，铝板运动加速，两工件即将发生碰撞，对比图4a与图4b可知，在集磁器中心位置不变的情况下，处于集磁器缝隙间工件的运动速度与位移快速增大且与其他位置的相对变化量持续上升，随着进一步加速，铝板与不锈钢板（基板）发生碰撞。在10～14 μs阶段，碰撞首先从速度最快的一点开始，然后向其他位置延伸。在碰撞范围扩展过程中，工件之间会有不同的碰撞角度。随着焊接区域碰撞过程的完成，在末态云图中（见图4c）发现集磁器内孔对应位置几乎无变形，这是因为主要完成碰撞位置位于集磁器下端面对应区域。基于集磁器托板位置处的工件有一定变形，可进一步发现该区域对应位置在涡流电流较小时集中了较强的磁场。

3 实验及讨论

3.1 实验装置及方法

基于上述分析，设计了如图5所示的焊接装置结构。为提高电磁能量效率并保护设备安全，用两块环氧板配合螺栓固定焊接对象，以抵抗焊接过程中的反作用力。在线圈和集磁器之间放置0.5 mm厚环氧板，起绝缘作用。由于集磁器在工作过程中会受到线圈施加的较大排斥力，将其镶嵌在一块厚度10 mm的不锈钢板内部，用于支撑集磁器。不锈钢支撑板上开有一个与集磁器缝隙方向一致的缝隙，避免涡流从不锈钢板上形成环路。焊接时，工件放在不锈钢支撑板与底部环氧板之间，且两个工件之间间隙可进行调整。

实验主要装置如图6所示，电源电容容量100 μF，最高充电电压13 kV，最大储能20 kJ。用4个小螺栓将集磁器、线圈、不锈钢支撑杆固定到一起。

3.2 样件宏观分析

选择焊接电压10 kV、工件间隙2 mm的样件进行外观分析，如图7a所示，工件的变形区域整体为圆形，焊接区域与集磁器的圆台形状相似。整体外观呈现出3个特征：（1）鼓包区域位于变形区域正中间;（2）焊接区域位于鼓包区域外围，有明显的焊接痕迹;（3）非焊接区域也位于鼓包区域外围， 焊接区域大于非焊接区域。

为了查看焊接的细节特征，对相同焊接条件下的样件进行切割，图7a中切割线A的方向与集磁器缝隙方向一致，切割线B与切割线A的方向垂直，切割线A、B对应截面分别如图7b、7c所示，均可清晰看到区域B的鼓包部分。但图7b的区域A的工件之间有一定缝隙，未完成焊接过程，该部分恰好位于集磁器缝隙位置处，而其他部分均完成焊接过程。

3.3 焊接区域微观分析

为更进一步观察焊接区域的微观结构，将图7b的区域C进行光学显微放大，如图8所示。可以看出，焊接工件被划分为中间的有些许间隙的非焊接区域和两侧的焊接效果良好的焊接区域。

为了更细致地理解焊接过程和焊接机理，选择分析过渡区域的微观结构和元素构成方式。采用SEM-EDS扫描图8中焊接区域的过渡区域，结果如图9所示。由图9a可知，过渡区域为1060铝板和316不锈钢板的混合物，可判断该剧烈碰撞过程达到了金属固相连接的目的。由图9b可知，在焊接板件厚度约为5 μm的过渡区中，组成元素成分呈随空间分布变化的状态，同时铝成分和不锈钢成分表现出此消彼长的特性。

4 结论

（1）通过实验和仿真验证，可以在局部范围内实现点焊工艺。采用该方法能够降低放电电压和回路电流，降低对设备的要求。

（2）当电压达到10 kV、板件间隙为1.5 mm时，两种板材可以形成較好的冶金连接接头，且剪切拉伸应力大于两种母材中强度较弱的。

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