阅读说明：本技术 利用示踪粒子追踪电磁脉冲焊接金属射流的方法 (Method for tracking electromagnetic pulse welding metal jet by using tracer particles ) 是由 迟露鑫 梁仕发 夏大权 王新鑫 于 2019-11-19 设计创作，主要内容包括：本发明属于应用焊接技术领域,具体公开了利用示踪粒子追踪电磁脉冲焊接金属射流的方法,包括铝板和钢板；铝板水平放置后,在铝板待焊接面上打一盲孔,再往盲孔内添加入氧化锆粉末并把盲孔刚好填满；然后以铝板为复板,钢板为基板,在焊接夹具工装上组装铝板和钢板,铝板和钢板之间保持一定的搭接长度和搭接间隙；所述铝板和钢板搭接所形成的平面为待焊接面；铝板下方设有线圈,钢板上方设有压板；在使用电磁脉冲焊接铝板和钢板,最后分析焊接面的氧化锆粉末分布即为铝板和钢板焊接金属射流分布。该方法能有效掌握铝板和钢板电磁脉冲焊接瞬间两金属板表面形成金属射流分布,从而有利于分析两金属板的焊接性,实现铝和不锈钢的高强度电磁脉冲焊接。(The invention belongs to the technical field of application welding, and particularly discloses a method for tracking electromagnetic pulse welding metal jet by using tracer particles, which comprises an aluminum plate and a steel plate; after the aluminum plate is horizontally placed, drilling a blind hole on the surface to be welded of the aluminum plate, adding zirconia powder into the blind hole, and just filling the blind hole; then, assembling the aluminum plate and the steel plate on a welding fixture tool by taking the aluminum plate as a clad plate and the steel plate as a base plate, wherein a certain lap joint length and a certain lap joint gap are kept between the aluminum plate and the steel plate; the plane formed by lapping the aluminum plate and the steel plate is a surface to be welded; a coil is arranged below the aluminum plate, and a pressing plate is arranged above the steel plate; and finally, analyzing the distribution of zirconia powder on the welding surface, namely the distribution of the metal jet flow for welding the aluminum plate and the steel plate. The method can effectively master the metal jet flow distribution formed on the surfaces of the two metal plates at the moment of electromagnetic pulse welding of the aluminum plate and the steel plate, thereby being beneficial to analyzing the weldability of the two metal plates and realizing the high-strength electromagnetic pulse welding of aluminum and stainless steel.)

利用示踪粒子追踪电磁脉冲焊接金属射流的方法

技术领域

本发明涉及应用焊接技术领域，具体涉及利用示踪粒子追踪电磁脉冲焊接金属射流的方法。

背景技术

当前，随着工业的快速发展，对资源的需求在大幅增加，势必导致资源的匮乏。如何解决这一问题便成了当下思考的主题，为此，“能耗低、绿色环保、轻量化”就成了当前突破的重要手段。因此，分布广、储量多、耐腐蚀的轻金属铝及其铝合金引起制造业的广泛关注，并且成为了传统钢材最好的替代品之一。近年来，铝钢复合材料在工业上得以广泛的应用，尤其是在于能源化工、轨道交通、汽车船舶、航空航天等领域的应用越来越多，其中最为普遍的是汽车制造业。然而，利用传统焊接方法无法得到力学性能优良的焊接接头，因为铝钢材料物性参数相差较大，从焊接性能来看：铝和不锈钢的熔点相差较大，铝的熔点约为660℃，不锈钢的熔点约为1399℃~1455℃；两者线膨胀系数差别太大，冷却凝固时的体积收缩率相差也较大，导致焊接后接头形成较大的残余应力，产生焊缝开裂；铝与不锈钢易形成Fe-Al、Fe-Al-Mn等脆性化合物相；从焊接表面来看：铝表面稳定性极高的氧化膜及不锈钢表面的氧化铬阻碍高效焊接，铝的氧化膜Al₂O₃，其熔点高达2050℃，远高于铝/不锈钢本身的熔点，焊接过程中极易形成夹渣；焊接过程氧化膜吸收水分，焊接时容易产生气孔。所以，选择适合铝/钢异种金属高强度焊接方法成为焊接领域研究的热点。

电磁脉冲焊接是一种基于电磁成形的焊接技术，其本质就是冷压焊连接技术，将固相连接与高速成形技术集于一体，这种焊接方法可以用于同种金属材料、异种金属材料以及金属材料与非金属材料，且整个焊接过程简单、易控制、环保高效、无需其他外界辅助。电磁脉冲焊接是在强磁脉冲作用下，焊接试件高速撞向另一个试件，两个焊表面在高速碰撞作用下产生金属射流，清理工件表面氧化膜，在微秒内完成焊接过程。

截至目前，研究成果主要集中在铝钢电磁脉冲焊接工艺研究，针对电磁脉冲连接机理研究较少，但是要提高铝板和钢板电磁脉冲焊接性能，了解电磁脉冲焊接金属表面射流分布尤其重要，而这方面的研究较少。

发明内容

针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的就在于提供利用示踪粒子追踪电磁脉冲焊接金属射流的方法，该方法可以有效通过焊接面示踪粒子分布情况得到电磁脉冲焊接碰撞瞬间铝板和钢板焊接界面金属射流的分布情况，进而有助于对电磁脉冲焊接机理进行研究，提高焊接接头性能。

本发明的技术方案是这样实现的：

利用示踪粒子追踪电磁脉冲焊接金属射流的方法，包括两工件，其中一工件是铝板，另一工件为钢板；铝板水平放置后，在铝板待焊接面上打一盲孔，再往盲孔内添加氧化锆粉末并把盲孔刚好填满，然后将铝板和钢板的待焊接面正对，再使用电磁脉冲焊接铝板和钢板，最后分析焊接面的氧化锆粉末分布即为铝板和钢板焊接金属射流分布。

进一步地，具体包括以下步骤：

（1）铝板水平放置后，在铝板待焊接面上打一盲孔，再往盲孔内添加氧化锆粉末并把盲孔刚好填满备用；

（2）以步骤（1）中的铝板为复板，钢板为基板，在焊接夹具工装上组装铝板和钢板，铝板和钢板之间保持一定的搭接长度和搭接间隙；所述铝板和钢板搭接所形成的平面为待焊接面；铝板下方设有线圈，钢板上方设有压板；

（3）接通电容器对线圈放电，线圈中通入周期极短的时变高强度电流，使铝板在电磁力下快速撞击钢板实现铝板和钢板电磁脉冲焊接；最后分析焊接面的氧化锆粉末分布即为铝板和钢板焊接金属射流分布。

进一步地，步骤（1）中盲孔设置在与线圈中心对应的铝板上表面，并且盲孔的直径小于焊缝宽度，深度小于铝板厚度。

进一步地，步骤（1）中，先将一定量的氧化锆粉末加入到注射器中，然后再缓慢向盲孔内注入氧化锆粉末。

进一步地，步骤（2）中，所述铝板和钢板之间的搭接长度为15～20 mm，搭接间隙为1.8～2.2 mm。

进一步地，步骤（3）中，所述电磁脉冲的焊接电流为700～750KA，电压为15～17KV，频率为16～18KHZ。

进一步地，所述铝板的待焊接面需先去除油污，并用丙酮擦洗干净并自然干燥后再打盲孔。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1、本发明在复板铝板表面待焊位置钻直径很小的盲孔，在孔内加满示踪粒子氧化锆粉末，在复板运动过程中，保证盲孔内的示踪粒子具有一定的稳定性，不会随着复板运动而洒落，当复板与基板在盲孔位置瞬间碰撞时，孔内示踪粒子便随着金属表面射流流动，因此，借助氧化锆的分布就能够说明电磁脉冲焊接金属射流流动特性。

2、本发明采用在铝板上焊缝上打盲孔，加入氧化锆粉末作为示踪粒子，碰撞后氧化锆跟随金属表面射流，利用其在界面分布范围表征金属射流分布。因为铝板和不锈钢板内不含锆元素，氧化锆粉末也不与铝、钢以及铝钢金属间化合物发生反应，特别是氧化锆粉末具有化学稳定性好，熔点2700℃，耐压强度可达1200～1400MPa，尤其是具有良好的导电性，在电磁脉冲焊接过程中不受冲击压力、温度的影响，仍然保持氧化锆形态，从而避免金属射流运动过程中受到其它因素的干扰，借助界面中氧化锆的分布可有效地表达金属射流分布。

附图说明

图1-铝板和钢板的焊接示意图。

图2-实施例1焊接界面元素分布和元素扩散规律图。

图3-实施例1焊接界面元素分布曲线图。

图4-实施例2焊接界面元素分布和元素扩散规律图。

图5-实施例3焊接界面元素分布和元素扩散规律图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

本发明利用示踪粒子追踪电磁脉冲焊接金属射流，那么首先需在电磁脉冲焊接夹具工装上安装铝板和钢板，其焊接示意图如图1所示，将备好的铝板5和钢板2安装在电磁脉冲焊接夹具工装上，安装时铝板5为复板，钢板2为基板，在铝板5和钢板2的待焊接面之间留有搭接缝隙4，并用相应的垫板3进行固定，固定时控制好焊接过程所需的搭接长度，该长度决定了焊缝长度，进而影响搭接间隙4中磁场分布和铝板5冲击钢板2时碰撞点、冲击速度和冲击角。另外垫板3材料为电木材料，通过电木材料对铝板5和钢板2搭接间隙和搭接长度进行控制。为了实现铝板5对钢板2的快速撞击来完成电磁脉冲焊接，将线圈6设在铝板5的下方，便于接通电容器对线圈6放电，通过线圈6的电流产生一个强电磁场并在铝板5表面感应出电流，同时感应电流的磁场方向相反于线圈电流的磁场方向，使得铝板5在强磁场力作用下高速撞向钢板2；钢板2上方设有压板1，最后用螺栓7来固定夹具工装。本发明所用电磁脉冲焊接夹具工装为目前常用的夹具工装，本发明不做限定。

本发明可根据铝板和钢板的尺寸，选择不同规格型号的电磁脉冲焊接线圈。同时，通过电磁脉冲线圈对复板和基板搭接区域进行磁脉冲放电高速碰撞实现焊接过程，具体为，先将复板待焊接面置于板材类电磁脉冲焊接线圈上方，且设有盲孔加有氧化锆粉末的一侧向上，再放置基板、夹具，并对放电电压、频率设置为一定的数值，然后接通高压放电开关通过电路放电，使复板在感应磁场力作用下加速撞击基板，对铝板和钢板搭接区域进行焊接。

实施例1

铝板和不锈钢钢板的尺寸均为100 mm×20 mm×1 mm，采用示踪粒子追踪射流的电磁脉冲焊接的具体步骤如下：

（1）用砂纸打磨掉铝板上表面油污，丙酮擦洗后自然干燥后，利用设备M2/MJ9526台式车床，采用直径为1.0 mm的钻花夹在钻头上，利用夹具固定铝板，在铝板上表面中心位置进行打孔，深度过大，撞击过程，盲孔会被撞穿，若盲孔太浅，存在粉末量不够问题，孔深为0.6-0.7 mm，盲孔的直径小于单侧焊缝宽度，即小于1 mm，然后在盲孔内添加氧化锆粉末；

（2）将待焊接的铝板和钢板以铝板为复板，钢板为基板的要求放置在焊接夹具工装上；

（3）采用电木材料对铝板与钢板之间板搭接间隙与搭接长度进行调整，其中搭接间隙为2.0 mm，搭接长度20 mm，进行铝板/钢板的电磁脉冲搭接焊接；

（4）设置电磁脉冲充电电压15KV，电流为750KA，频率为18KHZ，在上述设备中进行充放电，使线圈中通入周期极短的时变高强度电流，在电磁力作用下铝板快速撞击钢板实现焊接，通过对焊件宏观观察，发现铝板和钢板焊接接头处完好无缺陷。

将本实施例得到焊接界面进行元素分布分析，焊接界面元素分布和元素扩散规律分别如图2和图3所示，由图2可清晰地观察到界面附近元素扩散的规律，Fe元素扩散到铝侧，铝侧的铝元素却在钢中的分布量很少，这说明，由于铝材比钢材料软，铝板作为复板撞击钢板会在铝侧产生较大的塑性变形，加速了Fe元素扩散到铝侧金属，并在过渡区形成铝铁金属间化合物。铝板盲孔A点（图2画圈位置）里添加的氧化锆粉末，在冲击瞬间，盲孔的氧化锆跟随金属表面射流不仅扩散到钢侧，也有少部分扩散到铝侧，但是，在界面上跟随射流流动的氧化锆，在孔A点前方聚集，也就是沿着焊接方向向前分布，同时，也有一小部分氧化锆聚集在碰撞点A点的后方，这说明在碰撞点的界面上有两个位置射流聚集，能量较高。由图3可知，Al和Fe元素扩散，在界面存在过渡区，生成铝铁金属间化合物，在铝板盲孔的氧化锆不仅扩散到铝侧，更扩散到钢侧，与图2结果吻合。结果表明，复板铝板撞击基板钢板，界面金属射流能量主要集中在界面上，且在碰撞点A的前方。

实施例2

铝板和不锈钢钢板的尺寸均为100 mm×20 mm×1 mm，采用示踪粒子追踪射流的电磁脉冲焊接的具体步骤如下：

（1）用砂纸打磨掉铝板上表面油污，丙酮擦洗后自然干燥后，利用设备M2/MJ9526台式车床，采用直径为1.0 mm的钻花夹在钻头上，利用夹具固定铝板，在铝板上表面中心位置进行打孔，深度过大，撞击过程，盲孔会被撞穿，若盲孔太浅，存在粉末量不够问题，孔深为0.6-0.7 mm，盲孔的直径小于单侧焊缝宽度，即小于1 mm，然后在盲孔内添加氧化锆粉末；

（2）将待焊接的铝板和钢板以铝板为复板，钢板为基板的要求放置在焊接夹具工装上；

（3）采用电木材料对铝板与钢板之间板搭接间隙与搭接长度进行调整，其中搭接间隙为2.0 mm，搭接长度20 mm，进行铝板/钢板的电磁脉冲搭接焊接；

（4）设置电磁脉冲充电电压15KV，电流为750KA，频率为18KHZ，在上述设备中进行充放电，使线圈中通入周期极短的时变高强度电流，在电磁力作用下铝板快速撞击钢板实现焊接，通过对焊件宏观观察，发现铝板和钢板焊接接头处完好无缺陷。

将本实施例得到焊接界面进行元素分布分析，焊接界面元素分布和元素扩散规律分别如图4所示，由图4可清晰地观察到界面附近元素扩散的规律，Fe元素扩散到铝侧，铝侧的铝元素却在钢中的分布量很少，同样说明，铝材比钢材料软，铝板作为复板撞击钢板会在铝侧产生较大的塑性变形，加速了Fe元素扩散到铝侧金属，并在过渡区形成铝铁金属间化合物。铝板盲孔B点里添加的氧化锆粉末，在冲击瞬间，盲孔的氧化锆跟随金属表面射流不仅扩散到钢侧，也有少部分扩散到铝侧，但是，在界面上跟随射流流动的氧化锆，在孔B点的前方聚集在C点，也就是沿着焊接方向向前分布，同时，也有一小部分氧化锆聚集在孔B点的后方聚集在A点，这说明在碰撞点的界面上有两个位置射流聚集，能量较高。结果表明，复板铝板撞击基板钢板，界面金属射流能量主要集中在界面上，且碰撞点的前方。

实施例3

铝板和不锈钢钢板的尺寸均为100 mm×20 mm×1 mm，采用示踪粒子追踪射流的电磁脉冲焊接的具体步骤如下：

（1）用砂纸打磨掉铝板上表面油污，丙酮擦洗后自然干燥后，利用设备M2/MJ9526台式车床，采用直径为1.0 mm的钻花夹在钻头上，利用夹具固定铝板，在铝板上表面中心位置进行打孔，深度过大，撞击过程，盲孔会被撞穿，若盲孔太浅，存在粉末量不够问题，孔深为0.6-0.7 mm，盲孔的直径小于单侧焊缝宽度，即小于1 mm，然后在盲孔内添加氧化锆粉末；

（2）将待焊接的铝板和钢板以铝板为复板，钢板为基板的要求放置在焊接夹具工装上；

（3）采用电木材料对铝板与钢板之间板搭接间隙与搭接长度进行调整，其中搭接间隙为2.0 mm，搭接长度20 mm，进行铝板/钢板的电磁脉冲搭接焊接；

（4）设置电磁脉冲充电电压15KV，电流为750KA，频率为18KHZ，在上述设备中进行充放电，使线圈中通入周期极短的时变高强度电流，在电磁力作用下铝板快速撞击钢板实现焊接，通过对焊件宏观观察，发现铝板和钢板焊接接头处完好无缺陷。

将本实施例得到焊接界面进行元素分布分析，焊接界面元素分布和元素扩散规律分别如图5所示，由图5可清晰地观察到铝侧焊缝界面上锆元素分布规律，铝板盲孔里添加的氧化锆粉末，在冲击瞬间，盲孔的氧化锆跟随金属表面射流在孔A、B、C的前方聚集，也就是沿着焊接方向向前分布，同时，也有一小部分氧化锆聚集在孔的后方聚集，这说明在碰撞点的界面上有两个位置射流聚集，能量较高。结果表明，复板铝板撞击基板钢板，界面金属射流能量主要集中在界面上，且碰撞点的前方。

实施例1~3所述的焊接方向，是因为在电磁脉冲焊接夹具工装上安装铝板和钢板时，铝板存在可忽略不计的倾斜角度，使得铝板距离钢板的距离呈线性变化，从而在电磁脉冲焊接时，铝板冲击钢板的时间有所不同，进而形成焊接方向。

最后需要说明的是，本发明的上述实施例仅是为说明本发明所作的举例，而并非是对本发明实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化和变动。这里无法对所有的实施方式予以穷举。凡是属于本发明的技术方案所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。