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集磁器结构对Cu/Al管磁脉冲辅助半固态钎焊过程的影响

刘文婧, 胡建华, 张义昆, 谢作鹏

刘文婧, 胡建华, 张义昆, 谢作鹏. 集磁器结构对Cu/Al管磁脉冲辅助半固态钎焊过程的影响[J]. 焊接学报, 2025, 46(1): 59-68. DOI: 10.12073/j.hjxb.20231221001
引用本文: 刘文婧, 胡建华, 张义昆, 谢作鹏. 集磁器结构对Cu/Al管磁脉冲辅助半固态钎焊过程的影响[J]. 焊接学报, 2025, 46(1): 59-68. DOI: 10.12073/j.hjxb.20231221001
LIU Wenjing, HU Jianhua, ZHANG Yikun, XIE Zuopeng. Effect of field-shaper structure on magnetic pulse-assisted semi-solid brazing process of Cu/Al tubes joining[J]. TRANSACTIONS OF THE CHINA WELDING INSTITUTION, 2025, 46(1): 59-68. DOI: 10.12073/j.hjxb.20231221001
Citation: LIU Wenjing, HU Jianhua, ZHANG Yikun, XIE Zuopeng. Effect of field-shaper structure on magnetic pulse-assisted semi-solid brazing process of Cu/Al tubes joining[J]. TRANSACTIONS OF THE CHINA WELDING INSTITUTION, 2025, 46(1): 59-68. DOI: 10.12073/j.hjxb.20231221001

集磁器结构对Cu/Al管磁脉冲辅助半固态钎焊过程的影响

基金项目: 国家自然科学基金资助项目(51475345)
详细信息
    作者简介:

    刘文婧,硕士研究生;主要研究方向为异种金属磁脉冲辅助半固态钎焊;Email: 916570612@qq.com

    通讯作者:

    胡建华,博士,副教授;Email: hujianhua@whut.edu.cn.

  • 中图分类号: TG 454;TG 391

Effect of field-shaper structure on magnetic pulse-assisted semi-solid brazing process of Cu/Al tubes joining

  • 摘要:

    磁脉冲辅助半固态钎焊工艺利用各工艺的特点与组合优势,实现了Cu/Al异种金属管件的有效连接. 针对磁脉冲辅助半固态钎焊工艺中使用常规集磁器连接Al管、Cu管时存在的界面氧化膜去除效果不均、扩散层深度差异较大等问题,文中设计了一种新型多接缝集磁器,通过数值模拟与试验结合的方法,探究了小直径Cu/Al异种金属管磁脉冲辅助半固态钎焊时多缝集磁器接缝数量和接缝深度对焊接过程的影响. 结果表明,当接缝数量为3,接缝深度为集磁器壁厚度的0.25 ~ 0.5倍时,可以显著改善管件的周向电磁力分布,钎料所受到的剪切应力及其相应的剪切流变更均匀、更充分,使搭接区域的氧化膜去除更彻底,并能促进了元素的扩散,在基材与焊缝界面形成有效的冶金结合,改善界面质量和提高接头的力学性能.

    Abstract:

    Magnetic pulse-assisted semi-solid brazing made full use of the characteristics and combined advantages of each process to realize the effective connection of heterogeneous Cu/Al tubes. Aiming at the problems such as uneven removal effect of interfacial oxide film and significant difference of diffused layer depth when connecting Cu and Al tubes with traditional magnetic field-shaper. A new type of multi-seam field-shaper was designed in this paper. Through the combination of numerical simulation and experimental study, the effects of the number of seams and the length of seams on the welding process were investigated during magnetic pulse-assisted semi-solid brazing of small-diameter heterogeneous Cu/Al tubes. The results showed that when the number of seams was 3, and the length of the short seams was 0.25 ~ 0.5 times of the wall thickness in the field-shaper, the circumferential electromagnetic force distribution of the tube was significantly improved. The shear stress of the filler metal and the corresponding shear rheological was changed more evenly and fully. The oxide film was removed more thoroughly in the lap area, and the element diffusion was promoted. The novel multi-seam field-shaper was beneficial to form an effective metallurgical bonding at the interface between the substrate and the brazing seam, and improved the interface quality and mechanical properties of the joint.

  • 近年来,随着制造业水平不断提高,对产品生产效率要求越来越高,传统的电弧焊难以满足高效焊接的需求. 不同于传统电弧焊,间接电弧焊的工件不连接电源,电弧建立在电极之间[1-2],电源产生的热量更多地用来加热电极,因此间接电弧焊具有更高的焊丝熔覆率,更有利于实现高效焊接. 但由于焊接工件不连接电源,间接电弧焊存在热输入不足的问题,易出现焊接未熔合缺陷[3-4]. Fang等人[5-8]在双丝间接电弧焊基础上引入第三根焊丝,改善了焊丝周围磁场分布,扩宽了焊接参数范围,弥补了焊接热输入不足的缺点,但当焊接电流较大时仍存在电弧发散的问题. Liu等人[9-10]采用主丝接正、边丝接负的电源连接方式将两间接电弧复合在一起,提升了间接电弧能量密度,进一步弥补了热输入不足的缺点.

    三丝间接电弧焊具有三根焊丝,焊丝熔化时,焊丝之间导电距离会发生变化,建立稳定的电弧难度较大,同时多条熔滴过渡路径也不利于均一焊道的形成,这些对三丝间接电弧焊的应用提出了挑战.

    文中通过调控脉冲频率,提升了三丝间接电弧焊的稳定性,同时减少了熔滴过渡路径的数量,有利于形成均一焊道,对于推进该技术应用具有重要意义.

    三丝间接电弧焊示意图如图1所示. 焊接系统包括三根焊丝、一个普通直流电源和一个脉冲直流电源. 主丝连接两焊接电源正极,左边丝连接普通直流电源负极,右边丝连接脉冲直流电源负极. 主丝电流为两边丝电流之和,电弧建立在主丝与两边丝之间. 采用高速摄像机在垂直于焊接方向和沿焊接方向采集电弧形态和熔滴过渡特性,采样频率每秒2 000张. 采用电压和电流传感器采集焊接过程中的电压和电流信号.

    图  1  三丝间接电弧焊示意图
    Figure  1.  Schematic diagram of triple-wire indirect arc welding

    试验中使用的焊丝牌号为ER50-6,保护气为80%Ar + 20%CO2,保护气流量20 L/min. 保持两边丝平均电流均为160 A,右边丝脉冲基值电流110 A,脉冲峰值电流250 A,占空比40%不变,调节右边丝脉冲频率分析脉冲频率对焊接过程稳定性的影响.

    采用高速摄像机采集垂直于焊接方向的电弧形态,通过调节右边丝脉冲频率分别为80,100和150 Hz,分析脉冲频率对电弧形态的影响. 图2为脉冲频率对电弧形态的影响. 图2a2b2c对应的脉冲频率分别为80,100和150 Hz. 由图2a可知,在0 ~ 6 ms电弧在主丝与边丝之间燃烧稳定,在8 ~ 12 ms时,边丝上的电弧出现了明显的电弧攀升现象. 图3为脉冲频率80 Hz,时间8 ms时放大的电弧形态,此时边丝弧根明显地向焊丝上方攀升,不利于焊接过程中焊丝的均匀熔化,产生的熔滴尺寸较大,是一种不稳定的电弧形态. 由图2b2c可知,当脉冲频率增加到100和150 Hz时,在0 ~ 12 ms之间,电弧可持续稳定地在主丝与边丝之间燃烧,未出现电弧攀升现象.

    图  2  脉冲频率对电弧形态的影响
    Figure  2.  Effect of pulse frequency on arc shape. (a) 80 Hz; (b) 100 Hz; (c) 150 Hz
    图  3  脉冲频率80 Hz时电弧攀升现象
    Figure  3.  Arc rising phenomenon with pulse frequency 80 Hz

    当脉冲频率为80 Hz时,此时脉冲频率较低,脉冲周期时间比较长,脉冲基值电流持续时间为7.5 ms,脉冲峰值电流持续时间为5 ms,脉冲基值电流时焊丝熔化速度慢,主丝与边丝之间的距离比较小,脉冲峰值电流时焊丝熔化速度快,主丝与边丝之间距离比较远,因此当脉冲频率比较小时,主丝与边丝之间的距离变化波动比较大,当脉冲达到峰值电流时,焊丝熔化较快,主丝与边丝之间的距离大,导致焊接电压上升,电弧膨胀,易出现电弧的攀升现象,不利于焊接过程的稳定. 当脉冲频率增加时,脉冲周期减小,相同时间中,基值电流和峰值电流交替次数增加,并且基值电流和峰值电流存在的时间都减小,更有利于焊丝的均匀燃烧,有利于建立稳定的电弧.

    采用电压和电流传感器采集右边丝与主丝间的焊接电压和电流. 采用电压、电流变异系数和电压、电流概率密度分布来表示焊接过程中电压和电流波动情况. 电压(电流)变异系数即为采集到的焊接电压(电流)的标准差与平均值的比值,变异系数越大,说明采集到的数据波动范围越大. 电压(电流)概率密度分布即为采集到的某一电压(电流)数值出现的概率大小,概率密度分布曲线数值区间越大,说明采集到的数据波动性越大.

    试验中调节右边丝脉冲频率分别为150,200,250,300和350 Hz,分析脉冲频率对焊接电压和焊接电流的影响. 图4为脉冲频率对电流变异系数和电流概率密度分布的影响. 由图4a可知,随着脉冲频率的增加,电流变异系数降低,电流波动程度减小,电弧的稳定性逐渐提高. 由图4b可知,电流数值主要分布在脉冲基值电流(110 A)处和脉冲峰值电流(250 A)处. 随着脉冲频率的增加,在低电流分布区域(最小电流处),低电流的数值逐渐增加,在高电流分布区域(最大电流处),高电流数值逐渐减小. 因此,随着脉冲频率的增加,电流分布的集中程度增加,波动范围减小,电弧稳定性提升.

    图  4  脉冲频率对电流变异系数和电流概率密度分布影响
    Figure  4.  Effect of pulse frequency on current variation coefficient and current probability density distribution. (a) current variation coefficient; (b) current probability density distribution

    图5为脉冲频率对电压变异系数和电压概率密度的影响. 由图5a可知,随着脉冲频率的增加,焊接电压变异系数逐渐减小,电压波动程度减小,电弧的稳定性得到提升. 由图5b可知,随着脉冲频率的增加,在低电压分布区域(最小电压处),几条电压概率密度分布曲线基本重合,最低电压值变化不大,在高电压分布区域(最大电压处),随着脉冲频率的增加,高电压的数值逐渐下降,电压分布的集中程度增加,电压波动范围减小,电弧的稳定性得到提升.

    图  5  脉冲频率对电压变异系数和电压概率密度分布影响
    Figure  5.  Effect of pulse frequency on voltage variation coefficient and voltage probability density distribution. (a) voltage coefficient of variation; (b) voltage probability density distribution

    图6为脉冲频率对垂直于焊接方向的熔滴过渡行为的影响. 当脉冲频率为150 Hz时,主丝与边丝会产生四条熔滴过渡路径,左侧两条熔滴过渡路径为主丝产生的,右侧两条熔滴过渡为两边丝产生的. 熔滴过渡路径的增多使焊缝较难形成均一焊道. 当脉冲频率为350 Hz时,主丝与边丝产生两条熔滴过渡路径,主丝熔滴沿左侧路径均匀过渡,两边丝熔滴沿右侧路径均匀过渡,主丝熔滴与两边丝熔滴的指向性好,更有利于形成均一焊道. 图7为不同脉冲频率对应的堆焊焊缝成形,当脉冲频率为150 Hz时焊缝形成多条焊道,而当脉冲频率为350 Hz时焊缝形成一条焊道.

    图  6  脉冲频率对垂直于焊接方向的熔滴过渡的影响
    Figure  6.  Effect of pulse frequency on droplet transfer perpendicular to the weld direction. (a) 150 Hz; (b) 350 Hz
    图  7  脉冲频率对焊缝形貌的影响
    Figure  7.  Effect of pulse frequency on weld morphology. (a) 150 Hz; (b) 350 Hz

    在焊接过程中,右边丝连接直流脉冲电源,主丝电流为两边丝电流之和,因此主丝电流也呈现出脉冲电流的特性. 在脉冲基值电流阶段,主丝电流较小,焊丝的燃烧速度较慢,主丝与边丝之间的距离变近,此时主丝产生的熔滴会与边丝产生的熔滴距离较近. 在脉冲峰值电流时,主丝通过的电流较大,主丝燃烧速度较快,主丝与边丝之间的距离变大,此时主丝熔滴与边丝熔滴之间的距离变远. 因此,当脉冲频率为150 Hz时,主丝熔滴会产生两条熔滴过渡路径. 当脉冲频率增加到350 Hz时,与脉冲频率为150 Hz相比,在相同的时间内电流脉冲基值和脉冲峰值变化的次数明显增加,这会导致主丝燃烧变得更加均匀,主丝与边丝之间的距离基本保持不变,因此当脉冲频率为350 Hz时,主丝会产生一条熔滴过渡路径.

    图8为脉冲频率对沿焊接方向的熔滴过渡行为的影响. 当脉冲频率为150 Hz时,两边丝熔滴有相互吸引的趋势,但熔滴没有吸引到一起,两边丝产生两条熔滴过渡路径. 当脉冲频率为350 Hz时,在0 ~ 12 ms之间,两边丝的熔滴始终相互吸引在一起,两边丝形成一条熔滴过渡路径. 熔滴过渡路径的减少更有利于形成均一的焊道.

    图  8  脉冲频率对沿焊接方向的熔滴过渡的影响
    Figure  8.  Effect of pulse frequency on droplet transfer along the weld direction. (a) 150 Hz; (b) 350 Hz

    图9为两边丝熔滴受力示意图,熔滴受到表面张力Fb、等离子流力Fp、重力Fg以及电磁力Fm,其中只有电磁力会改变熔滴的过渡方向. 两边丝电流方向相同,由安培定则可知,两边丝熔滴会产生相互吸引的力Fm. 由于右边丝连接脉冲电源,在脉冲基值电流阶段,两边丝熔滴之间相互吸引的安培力较小,在脉冲峰值电流阶段,两边丝熔滴之间相互吸引的安培力较大. 当脉冲频率为150 Hz时,脉冲基值电流与脉冲峰值电流变换的周期较长,两边丝熔滴之间相互吸引的安培力的最大值和最小值变换的周期较长,当相互吸引的安培力较小时,两边丝熔滴不容易吸引在一起,当相互吸引的安培力较大时,两边丝熔滴容易吸引在一起,脉冲频率较小导致熔滴吸引在一起的概率减小,因此两边丝熔滴会出现两条熔滴过渡路径. 当脉冲频率增加到350 Hz时,与脉冲频率为150 Hz相比,脉冲基值电流与脉冲峰值电流变换的周期变短,在相同时间内峰值电流出现的次数显著增加,两边丝的熔滴吸引在一起的概率增加,因此当脉冲频率增加到350 Hz时,两边丝熔滴始终吸引在一起,两边丝熔滴呈现出一条熔滴过渡路径.

    图  9  边丝熔滴受力分析
    Figure  9.  Force analysis of the side droplet

    (1) 脉冲频率对三丝间接电弧形态影响较大,当脉冲频率较小时(80 Hz),电弧出现攀升现象,脉冲频率大于100 Hz时可以建立稳定的三丝间接电弧.

    (2) 随着脉冲频率的增加,焊接电流和焊接电压变异系数均减小,电流概率密度分布和电压概率密度分布集中性增强,焊接稳定性提高.

    (3) 随着脉冲频率的增加,焊丝燃烧均匀程度增加,两边丝的熔滴相互吸引在一起的概率增大,更有利于形成均一的焊道.

  • 图  1   工艺原理

    Figure  1.   Process principle. (a) clamping forming process; (b) brazing forming processes; (c) oxide film removal mechanism

    图  2   线圈与集磁器示意图(mm)

    Figure  2.   Schematic diagram of coil and field-shaper. (a) coil cross-section; (b) field-shaper cross-section; (c) field-shaper

    图  3   有限元网格划分

    Figure  3.   Finite element model meshing. (a) clamping process cross-section; (b) brazing forming process cross-section

    图  4   铝合金外管变形轮廓

    Figure  4.   Deformation profile of aluminum alloy outer tube. (a) No.1 field-shaper; (b) No.2 field-shaper; (c) No.3 field-shaper; (d) No.4 field-shaper; (e) No.5 field-shaper

    图  5   不同接缝数量下的洛伦兹力分析

    Figure  5.   Lorentz force analysis with different number of seams. (a) radial Lorentz forces at different positions; (b) standard deviation of Lorentz force and energy loss

    图  6   钎料剪切流变分析

    Figure  6.   Shear rheological analysis of filler metal. (a) the point position; (b) the maximum shear rheological velocity of the filler metal at different positions; (c) the standard deviation and range of the shear rheological velocity of the filler metal

    图  7   焊缝界面处的剪切应力

    Figure  7.   Shear stress at the brazing interface. (a)the point position; (b) Al side ; (c) Cu side

    图  8   不同短接缝深度时的洛伦兹力分析

    Figure  8.   Lorentz force analysis at different seam lengths. (a) circumferential distribution of radial Lorentz forces in Al tubes; (b) the standard deviation and energy loss of Lorentz force

    图  9   剪切应力与剪切流变分析

    Figure  9.   Shear stress and shear rheological analysis. (a) shear stress at the Al side interface; (b) shear stress at the Cu side interface; (c) shear rheological velocity of filler metal

    图  10   Cu/Al管钎焊接头

    Figure  10.   Brazed joints of Cu/Al tubes

    图  11   不同集磁器钎焊时的焊缝区域形貌

    Figure  11.   Morphology of the brazing seam zone with different field-shapers. (a) Al side of No.1 field-shaper; (b) filler metal of No.1 field-shaper; (c) Cu side of No.1 field-shaper; (d) Al side of 6.3 mm No.3 field-shaper; (e) filler metal of 6.3 mm No.3 field-shaper; (f) Cu side of 6.3 mm No.3 field-shaper; (g) Al side of 7.875 mm No.3 field-shaper; (h) filler metal of 7.875 mm No.3 field-shaper; (i) Cu side of 7.875 mm No.3 field-shaper; (j) enlargement of Fig. 12(a); (k) enlargement of Fig. 12(g); (l) enlargement of Fig. 12(i)

    表  1   标记点的EDS分析结果

    Table  1   EDS analysis results of labeled points

    标记点 元素含量 (原子分数,%) 可能存在的相
    O Al Cu Zn
    A 4.30 59.82 0.90 34.98 Al侧扩散层
    B 3.80 78.50 0.05 17.65 α-Al
    C 2.24 69.46 0.11 28.19 α-Al
    D 3.85 29.35 2.91 63.89 Zn-Al共晶
    E 1.35 58.43 18.25 21.97 α-Al + Zn-Al共晶
    F 2.81 1.96 19.82 75.41 CuZn5
    G 3.20 45.45 36.83 14.52 Al4.2Cu3.2Zn0.7
    H 3.23 8.41 57.86 30.50 Cu侧扩散层
    I 12.72 15.39 45.29 26.59 CuZn5 + 氧化物
    J 28.93 57.00 0 14.07 氧化物
    K 23.42 29.95 21.67 24.96 氧化物
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    其他类型引用(4)

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出版历程
  • 收稿日期:  2023-12-20
  • 网络出版日期:  2025-01-21
  • 刊出日期:  2025-01-24

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