基於感應加熱及電磁成形的鎂合金/碳鋼管件複合連接方法與流程

2023-06-02 02:18:36 1

本發明涉及異種金屬合金管件電磁連接技術，具體為一種鎂合金/碳鋼管件搭接接頭的感應加熱及電磁成形複合連接方法，主要應用於鎂合金管件與碳鋼管件的連接工藝。

背景技術：
近年來，環境汙染問題和資源耗費問題日益嚴峻。隨著汽車工業的快速發展，汽車尾氣排放和燃油利用率日益受到社會關注，汽車輕量化成為汽車工業的發展趨勢，以高強鋼、鋁合金、鎂合金及多種複合材料為代表的輕質、高強度難成形材料在汽車、航空、航天等先進位造領域的應用日益增加。金屬鎂及其合金是目前最輕的金屬結構材料，其密度比鋁輕1/3，具有比強度和比剛度高、阻尼減震性好、導熱性好、電磁屏蔽能力強、易回收等特點，已經作為新型的結構材料，被廣泛地應用在航空航天、交通工具、電子產品等領域。鎂合金為密排六方晶體結構，在常溫下只有基面{0001}三個滑移系可以發生變形，傳統上一直被認為是一種難以塑形變形和壓力加工成形的金屬材料。目前鎂合金的主要加工方式為壓鑄，但是經過塑形加工的鎂合金產品具有更加廣闊的應用前景，雖然鎂合金的鑄造性能優良，可以鑄造成各種形狀複雜的零件，但也存在產品規格尺寸受限、力學性能差等局限，各種鑄造缺陷如疏鬆、氣孔、縮孔和夾雜難以避免，壁厚過薄容易造成產品報廢，成品率較低，而通過塑形加工不僅能提高產量，而且能賦予產品更加優良的機械性能。如能採用塑性加工技術替代現有的壓鑄工藝生產薄壁鎂合金零件，將不僅可以提高產品性能和質量，而且可以顯著提高材料利用率和生產效率。經研究發現，當溫度升高到225℃時，鎂合金的塑形變形滑移面增多，塑形大幅度提升，因此利用鎂合金材料溫熱成形工藝可以充分利用鎂合金材料的優異性能，成為鎂合金塑形加工領域的研究熱點。同時，在汽車輕量化發展趨勢下，異種金屬連接成為成型領域的熱點之一，研究實現鎂合金等輕金屬與鋼材之間的產生連接的工藝，對現代製造技術具有特殊的價值和意義。電磁成形是金屬在強脈衝磁場中受力而發生塑形變形的一種高能率成形方法。具有提高金屬材料成形性能、加工能量易於準確控制、成形速度快、成形精度高、無需傳壓介質、成形模具簡單及設備通用性強等特點，是一種綠色製造工藝。電磁感應加熱技術是一種新型的加熱技術，根據電磁感應加熱原理，當導體處於交變電流中時，交變電流使導體周圍產生交變磁場，從而引起集膚效應使導體在短時間內迅速被加熱。電磁感應加熱技術具有加熱技術高、耗能少、汙染小、便於自動化控制等特點，被廣泛應用於工業加熱和冶金生產中。綜上所述，鎂合金在汽車、電子等領域具有廣闊的應用前景，實現鎂合金與管材的連接對推動汽車輕量化具有重要意義。電磁成形作為一種高能率成形方法，對提高金屬板材的成形性能有其獨特優勢；在汽車輕量化領域，採用輕金屬如鎂合金代替傳統鋼材是一種有效的輕量化手段，可以大大減輕結構件的重量，從而到達節能減排和保護環境的目的。電磁感應加熱技術是一種經濟的加熱方式，能夠精確、快速地加熱工件，與傳統的加熱方式相比，具有效率高、能耗小、便於自動化控制的特點。經實驗證明，鎂合金在200-300℃溫度範圍內，鎂合金具有良好的拉伸性能，因此採用溫熱電磁成形對鎂合金進行塑形加工，能大幅度提高鎂合金的成形性能。基於上述特點，將兩種先進工藝方式相結合，不僅能有效改善鎂合金的成形效率，還擴展了電磁成形技術的應用範圍，有利於電磁成形工藝的推廣及工業應用，解決異種金屬連接的難題，有利於輕金屬的應用，促進汽車輕量化的進程。因此，本發明將電磁成形與溫熱成形結合起來，充分利用它們的複合優勢，解決了異種金屬連接難和鎂合金塑形差的兩個難題。同時通過電磁感應加熱技術與電磁成形技術相結合，用同一線圈同時實現其成形和加熱工藝，簡化了設備設計，提高了成形過程的加工效率，便於實現自動化生產。另外，電磁感應加熱和電磁成形工藝均為非接觸式工藝，成功解決了鎂合金常溫不易塑形變形問題，同時迴避了高溫下加工困難的問題，具有重要的理論意義和廣闊應用前景。

技術實現要素：
本發明所要解決的技術問題是：提供一種能夠有效提高鎂合金管件與碳鋼管件連接性能的塑性加工方法，一種便於異種金屬連接的方法，一種利用電磁成形與溫熱成形複合優勢的鎂合金管件與鋼管的連接方法。本發明解決其技術問題採用的技術方案是：給工件感應加熱和電磁成形放電採用同一個線圈裝置，加熱過程和充電過程同時進行且控制時間相同，具體是：首先通過電磁成形機的充電電路對該電磁成形機的儲能電容即電容器進行充電，同時第二真空開關接通，使電磁感應加熱線圈實現鎂合金內管加熱，當電容器充電完成的時候，鎂合金內管同時被加熱到指定溫度，此時斷開第二真空開關停止電磁感應加熱，同時導通第一真空開關，使電容器對電磁感應加熱線圈進行放電，鎂合金內管在電磁力的作用下產生脹形，與碳鋼外管發生高速碰撞產生連接。本發明提供的上述基於感應加熱及電磁成形的鎂合金/碳鋼管件複合連接方法，包括以下步驟：(1)將鎂合金內管和碳鋼外管搭接放置；(2)由充電電路對電容器進行充電，當充電電壓達到設定成形電壓2-10kV後，斷開充電迴路；(3)啟動電磁感應加熱電源，電磁感應加熱線圈得電後對鎂合金內管進行加熱，當鎂合金內管加熱到指定溫度200-300℃時，斷開第二真空開關，停止電磁感應加熱；(4)閉合電磁成形機的放電迴路，電容器通過電纜對電磁感應加熱線圈放電，鎂合金內管在該線圈的電磁力的作用下產生高速塑形變形，碰撞碳鋼外管；(5)鎂合金內管與碳鋼外管發生碰撞產生連接,實現鎂合金/碳鋼管件的複合連接。所述的鎂合金管件的壁厚為1.0-2.5mm。上述步驟(5)中，鎂合金內管與碳鋼外管是在碰撞速度為240-320m/s的條件下，發生碰撞產生連接。所述鎂合金內管與碳鋼外管發生碰撞時，是按照一定的碰撞角度3°-5°的條件下，實現鎂合金內管與碳鋼外管發生碰撞產生連接。本發明與現有技術相比具有以下主要的優點：利用溫熱電磁成形的方法提高了鎂合金成形性能，將電磁感應加熱和電磁成形複合使用，利用同一個線圈實現感應加熱與成形功能，同時控制感應加熱時間和電容充電時間一致,提高了異種金屬管的連接效率，便於實現自動化控制，成形時複合了溫熱成形與電磁成形工藝，拓展了電磁成形的應用範圍,提高了連接成形性能。附圖說明圖1是電磁感應加熱複合連接工藝原理圖。圖2是實例線圈管件結構示意圖。圖3是溫熱電磁成形工裝圖。圖4是實例電磁脈衝成形線圈結構圖。圖5是圖4的左視圖。圖6是不同溫度條件下溫熱電磁成形與溫成形的鎂合金成形極限對比圖。圖中：1.控制器；2.充電電路；3.第一真空開關；4.電容器；5.內部工件；6.第二真空開關；7.電磁感應加熱電源；8.外部工件；9.線圈；10.夾具。具體實施方式下面結合實施例及附圖對本發明作進一步說明。實施例1.基於感應加熱及電磁成形的鎂合金/碳鋼管件複合連接方法所述基於感應加熱及電磁成形的鎂合金/碳鋼管件複合連接方法，參見圖1，具體是：電磁感應加熱線圈和電磁成形線圈為同一線圈裝置，電磁成形機電容器充電和電磁感應加熱對鎂合金內管加熱過程可同時進行。首先通過電磁成形機的控制電路對電容器4進行充電，同時第二真空開關6接通，使電磁感應加熱裝置實現對鎂合金內管的加熱，通過工藝控制，當電容器4充電完成的時候，鎂合金內管同時被加熱到指定溫度，此時斷開第二真空開關6停止電磁感應加熱，同時導通第一真空開關3，使電容器4對電磁成形線圈9進行放電，鎂合金內管在電磁力的作用下產生脹形，與碳鋼外管發生碰撞產生連接。本發明將鎂合金管材與碳鋼管材搭接，通過線圈的電磁感應加熱使鎂合金內管(內部工件5)升溫至200-300℃，達到該設定溫度後，電磁成形線圈對鎂合金內管進行放電，使鎂合金管件發生強烈塑性變形與外管碰撞並使產生固相連接。本方法通過電磁感應加熱電源7與電磁成形設備依次將脈衝電流作用於電磁成形線圈，使內部工件5在電磁感應加熱完成後由電磁成形設備電容對成形線圈瞬間放電產生強脈衝磁場，使溫熱的鎂合金內管在電磁力的作用下高速成形，與剛度較高的碳鋼外管(外部工件8)發生高速碰撞產生結合。所述基於感應加熱及電磁成形的鎂合金/碳鋼管件複合連接方法，其步驟包括：(1)利用夾具10將鎂合金內管(內部工件5)和碳鋼外管(外部工件8)搭接放置，其中鎂合金內管壁厚範圍可為1.0-2.5mm。所述的夾具10是一種由鋁塊、工程塑料塊和螺栓組成的管用夾具，其中工程塑料分上下兩部分，通過螺栓固定實現對鎂合金內管和碳鋼外管的夾緊。各部件的連接關係由上往下為鋁塊、工程塑料、鋁塊，各部件由螺栓連接在一起。(2)由充電電路2對電磁成形機的儲能電容(電容器4)進行充電，當充電電壓達到預設的成形電壓後(可調範圍為2-10kV)，充電電路2自動斷開；(3)在步驟(2)實施的同時，接通第二真空開關6，啟動電磁感應加熱電源7對鎂合金內管進行電磁感應加熱，當鎂合金內管加熱到指定溫度200-300℃時，斷開第二真空開關6，停止電磁感應加熱；(4)當步驟(2)和步驟(3)操作全部完成時，閉合第一真空開關3，接通電磁成形放電迴路，儲能電容通過電纜對電磁成形線圈放電，鎂合金內管在電磁力的作用下產生高速塑形變形，碰撞碳鋼外管；(5)鎂合金內管與碳鋼外管在適當的碰撞速度(如300m/s)和碰撞角度(如4°)的條件下，發生碰撞產生連接，得到異種金屬連接接頭。所述控制器為現有技術，主要由變壓器、整流橋、限流電阻等組成。所述電磁成形設備是60kJ高壓電磁成形機，它包括兩部分：一是由變壓器、整流橋、限流電阻和儲能電容組成的充電迴路；一是由儲能電容、放電開關和加工線圈組成的放電迴路。其中儲能電容為電容器4，放電開關為第一真空開關3，加工線圈為線圈9。所述電磁感應加熱電源7的型號為IGBT-80kw/8-50kHz，或依據實際情況而定。所述電磁成形線圈為紫銅材質，線圈匝數為20匝，單匝線圈截面為2mm×5mm的矩形。所述線圈9為電磁感應加熱線圈，亦為電磁成形線圈。上述實施例1提供的基於感應加熱及電磁成形的鎂合金/碳鋼管件複合連接方法，其加工的產品的性能由以下實施例的實驗獲得。實施例2用AZ31鎂合金管作溫熱磁脈衝連接實驗1.實驗過程：(1)材料準備：實驗所用材料為市售商用AZ31鎂合金管材和20碳鋼，其中鎂合金的化學成分如表1所示。實驗所用鎂合金管為退火處理，退火溫度為300℃，保溫0.5h後隨爐冷卻。(2)成形過程：磁脈衝連接試驗在如圖3所示工裝結構上進行。實驗所用電磁成形線圈如圖4和圖5所示，線圈界面為2×5mm的矩形，由紫銅管機加工而成，線圈匝數為n＝20匝，線圈外徑為80mm，內徑D為78mm，寬60mm。管件厚度為1mm和2.5mm，內徑為84mm，長度為200mm。試驗前先對試樣進行表面清潔處理，用酒精溶液進行拭擦。採用機械固定方式將內管和外管的末端固定，另外一端搭接，接頭長度與線圈寬度相等。實驗中調整電磁成形機儲能電容和放電電壓參數，採用電磁感應加熱方式對管件進行加熱，通過熱電偶及測溫計監測鎂合金管的溫度，在不同放電能量及成形溫度下對不同壁厚鎂合金管進行放電成形。電磁感應加熱電源7的主要技術參數如下：型號：IGBT-80kw/8-50kHz；輸入電壓：三相380V,50Hz；輸入電流：35A；額定輸出功率：40/50kW；裝置效率：大於90％。實驗1：當管壁厚度為1mm，加熱溫度為200℃時，內、外管間隙為1mm，外管厚度為4mm。電磁感應加熱感應電流大小採用1.5×107A/m2，感應頻率900Hz，加熱所需時間為17s。對應的磁脈衝連接過程的放電電壓U＝2kV，電容C＝768μF(放電能量E約為1.5KJ)。可通過調節充電速度使充電過程在17s左右完成，以達到加熱過程結束立即進行磁脈衝連接放電的目的。當其它條件不變時，將預設溫度提高到300℃，加熱所需時間為27s。而磁脈衝放電能量仍可以採用上述數據，只要將充電過程略微減慢，使充電時間在27s左右完成，就可以實現加熱過程和充電過程同步進行、同時完成。實驗2：當管壁厚度為2.5mm，加熱溫度為200℃時，內、外管間隙為1mm，外管厚度為4mm。電磁感應加熱感應電流大小採用1.5×107A/m2，感應頻率900Hz，加熱所需時間為22.5s。對應的磁脈衝連接過程的放電電壓U＝3kV，電容C＝768μF(放電能量E約為3.4kJ)。可通過調節充電速度使充電過程在22s左右完成，以達到加熱過程結束立即進行磁脈衝連接放電的目的。當其它條件不變時，將預設溫度提高到300℃，加熱所需時間為30s。而磁脈衝放電能量仍可以採用上述數據，只要將充電過程略微減慢，使充電時間在30s左右完成，就可以實現加熱過程和充電過程同步進行、同時完成。2.成形性能測試：(1)成形後對管件搭接結構進行強度測試，在所給參數下管件連接良好，在較大力作用下未能拉脫；(2)將接頭進行氣密性檢測，接頭氣密性良好；(3)磁脈衝放電過程中，放電能量不宜過大，當板厚為1mm，放電能量E＝5.3kJ時，外管發生了輕微脹形，即放電能量過高。3.對比分析：在不進行電磁感應加熱的情況下，對鎂合金管進行電磁放電，取實驗一相同的磁脈衝連接參數，發現在該放電條件下，管件發生了脹形。取下管件後，發現接頭結構沒有實現良好連接，接頭氣密性差，並且容易脫落,證明不對鎂合金進行加熱時，管件變形困難，該能量下內管不能獲得較高的變形速度,即碰撞速度過低未能產生連接。其中，AZ31鎂合金電磁溫熱成形和常規溫成形成形極限對比圖如圖6所示，由圖可知電磁溫熱成形能大幅提升鎂合金的成形性能。由上述實驗可知，鎂合金管件溫熱電磁成形的成形性能高於單一電磁成形，說明溫熱電磁成形可有效提高鎂合金板材的成形性能，增加成形效率。同時，電磁感應加熱的加熱速度快、效率高，電磁感應加熱和電磁成形過程共用同一個線圈，簡化了設備，電磁感應加熱過程和電容充電過程同時進行且時間一致，簡化了工藝過程，便於實現自動化生產，提高了鎂合金管件溫熱電磁成形效率。表1實驗用AZ31鎂合金管化學組成