论文总字数：18482字

摘 要

本文针对磁脉冲辅助半固态钎焊时钎料厚度与力能参数对焊接接头性能的影响规律做出了研究。由于铜和铝的优异性能，两者在现代制造业中的重要性显而易见，为满足轻量化的趋势，铜、铝异种金属之间的焊接工艺具有重要的研究意义。借助仿真软件ANSYS中的Ls-dyna模块,模拟分析不同钎料厚度及不同电压条件下的铜铝管磁脉冲辅助半固态钎焊过程，将数值模拟的结果进行比较、分析与归纳总结，从而明确钎料厚度与力能参数对焊接接头性能的影响。

论文主要研究了铜铝管磁脉冲辅助半固态钎焊中钎料厚度与力能参数对焊接接头质量的影响规律。

研究结果表明：在内外管间隙1mm,RLC电路的电阻为0.056Ω，电感为0.0034H，电容为0.55F，放电电压为7kV时，钎料厚度为0.3mm外管可以有效连接，接头性能较好;在内外管间隙1mm，钎料厚度为0.3mm,RLC电路的电阻为0.056Ω，电感为0.0034H，电容为0.55F时，电压为7kV内外管可以有效连接，接头性能较好。

关键词：Cu/Al 管；磁脉冲成形；半固态；钎焊

Abstract

In this paper, the influence of solder thickness and force parameters on the performance of welded joints in magnetic pulse assisted semi-solid brazing is studied. Due to the excellent performance of copper and aluminum, the importance of both in modern manufacturing is obvious. In order to meet the trend of lightweight, the welding process between dissimilar metals of copper and aluminum has important research significance. With the help of the Ls-dyna module in the simulation software ANSYS, the magnetic pulse assisted semi-solid brazing process of copper and aluminum tubes under different solder thicknesses and different voltage conditions was simulated and analyzed, and the results of numerical simulation were compared, analyzed, and summarized to make it clear that the effect of brazing material thickness and force energy parameters on the performance of welded joints.

The thesis mainly studies the influence of the thickness of brazing filler metal and the parameters of force and energy on the quality of welded joints in the magnetic pulse assisted semi-solid brazing of copper and aluminum tubes.

The results of the study show that: the gap between the inner and outer tubes is 1mm, the resistance of the RLC circuit is 0.056Ω, the inductance is 0.0034H, the capacitance is 0.55F, and the discharge voltage is 7000V. The thickness of the solder is 0.3mm. The gap between the inner and outer tubes is 1mm, the thickness of the brazing material is 0.3mm, the resistance of the RLC circuit is 0.056Ω, the inductance is 0.0034H, and the capacitance is 0.55F. The voltage is 7000V. The inner and outer tubes can be effectively connected, and the joint performance is better.

Key Words：Cu/Al tubes; Magnetic pulse forming; semisolid; soldering

目 录

第1章 绪论 1

1.1 本课题的研究背景 1

1.2 国内外对异种金属焊接的研究现状 1

1.2.1 国内外研究现状 1

1.2.2 有限元分析技术在焊接模拟中的应用 2

1.3 研究背景及意义 2

1.4 研究目标与难点 2

第2章 铜铝管磁脉冲辅助钎焊实验仿真理论分析 4

2.1 研究方案与思路 4

2.2 磁脉冲辅助焊接过程的工艺分析 4

2.3 基本原理 5

2.3.1 铜铝管钎焊性能 5

2.3.2 铜铝管磁脉冲辅助半固态钎焊基本原理 5

第3章 实验模型的建立 6

3.1 模型建立的相关要求 6

3.2 数值模拟的介绍 7

3.2.1 模拟软件的介绍 7

3.2.2 有限元分析的方法 7

3.3 放电装夹阶段 7

3.3.1 建立几何模型 7

3.3.2 网格划分及网格质量的控制 8

3.3.3 设置材料属性 8

3.3.4 求解并输出k文件 9

3.4 流固耦合阶段 9

3.4.1 建立变形后Al管与空气模型 9

3.4.2 划分网格并更改材料属性 10

3.4.3 输出k文件 11

3.5 本章小结 11

第4章 模拟仿真实验数据的分析 12

4.1 放电装夹部分的分析 12

4.2 流固耦合部分的分析 14

4.3 影响规律 17

4.3.1 钎料厚度对接头质量的影响规律 17

4.3.2 电压对接头质量的影响规律 18

第5章 总结与展望 21

参考文献 22

致 谢 24

绪论

异种金属焊接可以在同一场和发挥出不同金属材料的性能优势，同时弥补其不足，目前异种金属间的连接主要有熔焊、压焊和钎焊等焊接方法，本文主要针对磁脉冲辅助半固态钎焊做出研究，选择铜铝管作为主要研究对象利用仿真软件进行数值模拟，探寻钎料厚度及力能参数在磁脉冲辅助半固态钎焊中对铜铝管焊接接头质量的影响规律。

本课题的研究背景

在现代化的制造业中，经济环保是不可忽略的要点，如何在保障产品性能的同时减少对环境的污染，并扩大经济效益一直是人们追求的目标。材料的选用因此显得至关重要，用铝镁合金、钛合金、复合材料等新型材料代替传统材料，将异种材料组合使用也是大势所趋。

由于铝、铜合金所具有的优秀性能，铝合金和紫铜广泛应用于各个领域，随着轻量化的推行，航空、航天、汽车中对其的需求量也逐步加大，在液化制冷管道中铝铜异种金属接头的需求较大，对于焊接接头的性能要求也越来越高^[1，2]。据估计，铜的含量在地壳中约有0.01%，从地域分布上来看，主要在北美、中非和拉丁美洲等地含量较高。而我的国铜资源相对来说显得比较匮乏，国内铜储量仅有约 6000 万吨，占全球总量约 5%，而我国铝资源丰富，铝的储量高达30亿吨，占全球总量约12%。从资源量来说，国内Cu精矿供应不到 30%，需要大量依赖进口。从经济上来说，将铜与铝复合起来，能节省资源降低成本。而且铝的密度为铜的三分之一，用铝管代替部分铜管可以满足材料轻量化的目标，有助于实现产品轻量化。因此，研究如何得到高性能的铜铝管接头很有必要。

国内外对异种金属焊接的研究现状

国内外研究现状

目前对于异种金属管件焊接的主要难点都在于钎焊温度、保温时间、 钎焊间隙、 钎料成分、 焊前表面处理情况等，对此也有很多研究，例如将焊缝研磨与抛光后利用不同溶液进行侵蚀以研究表面预处理对焊接结果的影响^[3]，研究焊接速度对于焊接接头性能的影响等^[4]。此外，异种金属材料的性能差异很大,在焊接时要考虑到各种影响因素，例如，一种金属融化为液态时另一种金属未融化，当两种金属都完全融化时，由于密度不同等问题，焊接区域两种金属成分分布不均匀导致焊接后的化合物组成成分发布也会具有不均匀性，还需要考虑不同金属间的互溶性，是否易产生脆硬的中间化合物，两种金属会不会因为热导率及线膨胀系数差异导致接头变形增大，焊接残余应力增加，接头会不会产生裂纹，从而影响焊接接头性能^[5,6]。

而对于磁脉冲焊接技术，国内目前主要从四个方向研究了这一技术，分别是工艺参数与焊接质量、数值模拟仿真技术、新工艺开发、焊接接头的界面形貌与结合机制。根据苏德智等人的试验研究发现，焊接时的电压以及两焊接部件之间距离都会对接头性能造成一定的影响，焊缝宽度和接头抗剪强度都会有所差异 ^[7]。除此之外，陈树君等以及Verena Psyk等都对集磁器做出了一定研究，根据研究分析发现集磁器开口位置会对焊接接头的性能产生一定的影响。外管与集磁器开口处间隙对应区域所受的磁场力小于其他位置，使得焊接时该区域的外管的变形速度较慢，在无内管实验时可以明显观察到管壁在该位置有一定凸起，这种变形会引起外管周向冲击内管，使接头出现轴向连接情况 ^[8,9]。同时，集磁器开口大小、集磁器倾角等结构差异能够改变磁场分布，电流、电压等参数能实现对洛仑磁力大小的控制，从而影响焊接结果 ^[10,11]。

有限元分析技术在焊接模拟中的应用

随着数值模拟仿真技术的发展和应用，目前市场上存在的可以用于焊接过程的模拟分析的软件也越来越多，主要可以分为两类，一类为通用型有限元软件，例如ANSYS；一类是焊接专用软件，这些软件的特点是专业性强^[12]。本文主要模拟焊接热物理过程、多物理结构耦合分析，而ANSYS作为一款通用性较强的模拟分析软件，在前、后处理过程功能强大，操作简洁，能够获得令人满意的应力应变场结果，因此本文选择 ANSYS软件进行数值模拟。

研究背景及意义

铜铝连接管具有管道强度高，性能优，使用寿命长的特点^[13]。目前，主要有压焊、熔焊与钎焊等工艺常用于焊接异种金属 ^[2,14]，但因为这些焊接方法都有着不足——熔焊难以形成性能优良的焊接接头，压焊对管道件施焊困难，激光焊装夹复杂且生产成本过高更适用于微型零件焊接，爆炸焊工艺控制较困难危险性较高只适用于中大型异种金属构件，搅拌摩擦焊难以焊接精密零件，研究新的焊接方法具有十分重要的意义。目前内外最常用的焊接方法是钎焊。虽然钎焊具有生产效率高，应用范围广，精密度较高等优点，但受到钎焊接头强度限制，普通钎焊接头难以满足某些性能要求较高的场合。对于金属管件连接来说，电磁脉冲成形作为一种更高速率、高能率、高塑性的成形工艺，它是采用带有集磁器结构的电磁脉冲装置，利用磁脉冲力冲击管件使之变形的连接成形方式^[15]。

研究目标与难点

本课题需要针对铜铝管磁脉冲辅助半固态钎焊设计模拟仿真实验，利用模拟仿真软件针对钎剂工况，进行磁场-结构场-流场耦合建模分析，模拟计算不同钎料厚度和不同电压下钎料的流动情况以及内外管的成形情况，从而判断焊接接头的性能，通过分析模拟实验的应力应变结果明确钎料厚度及力能参数对焊接接头质量的影响规律。由于磁脉冲辅助半固态钎焊涉及电磁—结构—流体多物理场的耦合，影响因素众多，数值模拟困难点较多，目前我的难点在于由于疫情原因无法回到学校完成与之对应的实验来辅助验证我的模拟结果，且由于受限于个人电脑设备，无法提高模拟仿真实验的精度从而导致无法保障模拟结果的准确性，这可能会引起结论与实际焊接情况的误差。

请支付后下载全文，论文总字数：18482字