Магнитно-импульсная сварка ( MPW ) - это процесс твердотельной сварки , в котором для сварки двух деталей используются магнитные силы. Сварочный механизм больше всего похож на сварочный взрыв . [1] Магнитно-импульсная сварка началась в начале 1970-х годов, когда автомобильная промышленность начала использовать сварку в твердом состоянии. Самым большим преимуществом магнитно-импульсной сварки является предотвращение образования хрупких интерметаллических фаз. Следовательно, можно сваривать разнородные металлы, которые нельзя эффективно соединить сваркой плавлением.. С помощью магнитно-импульсной сварки можно выполнять высококачественные сварные швы одинаковых и разнородных металлов за микросекунды без использования защитных газов или сварочных материалов.
Процесс [ править ]
Магнитно-импульсная сварка основана на очень коротком электромагнитном импульсе (<100 мкс), который получается путем быстрого разряда конденсаторов через переключатели с низкой индуктивностью в катушку. Импульсный ток очень высокой амплитуды и частоты (500 кА и 15 кГц) создает магнитное поле высокой плотности, которое создает вихревой ток в одной из деталей. Создаются отталкивающие силы Лоренца и высокое магнитное давление, значительно превышающее предел текучести материала, вызывая ускорение, и одна из заготовок ударяется о другую часть со скоростью столкновения до 500 м / с (1100 миль в час). [2]
Во время магнитно-импульсной сварки развивается высокая пластическая деформация, высокая деформация сдвига и разрушение оксидов благодаря струе и высоким температурам вблизи зоны столкновения. Это приводит к сварке в твердом состоянии из-за измельчения микроструктуры, дислокационных ячеек, изгибов скольжения, микродвойников и локальной рекристаллизации. [3]
Принципы [ править ]
Чтобы получить прочный сварной шов, необходимо выполнить несколько условий: [4]
- Условие струи: столкновение должно быть дозвуковым по сравнению со скоростью звука местного материала, чтобы образовалась струя.
- Режим высокого давления: скорость удара должна быть достаточной для получения гидродинамического режима, в противном случае детали будут только гофрироваться или формироваться.
- Отсутствие плавления во время столкновения: при слишком высоком давлении материалы могут локально расплавиться и повторно затвердеть. Это может вызвать слабый сварной шов.
Основное различие между магнитной импульсной сваркой и сваркой взрывом состоит в том, что угол столкновения и скорость почти постоянны во время процесса сварки взрывом, тогда как при магнитно-импульсной сварке они постоянно меняются.
Преимущества MPW [ править ]
- Позволяет сваривать конструкции, которые с другими процессами являются сложными или невозможными.
- Длительность высокоскоростного импульса от 10 до 100 мкс, единственное ограничение по времени - время зарядки и разгрузки и время заряда конденсатора.
- Меньшее время простоя из-за отсутствия расходных деталей (например, электродов) и отсутствия необходимости чистки.
- Подходит для серийного производства: обычно 1-5 миллионов сварных швов в год.
- Возможна сварка разнородных металлов.
- Сварка без зоны термического влияния .
- Не требуются присадочные материалы.
- Экологичный процесс: без дыма, без радиации и без оборудования для вытяжки.
- Сохраняется объем и чистота поверхности.
- Может производить сварные швы без защитного газа, может использоваться для герметизации деталей в вакууме.
- Механическая прочность соединения выше, чем у основного материала.
- Высокая точность достигается за счет регулировки магнитного поля, параметры сварки можно изменять электронным способом.
- Нулевое искажение может быть достигнуто в зависимости от материалов и геометрии детали.
- Практически нулевые остаточные напряжения.
- Отсутствие коррозии в зоне сварки.
Недостатки [ править ]
- Сложно применять к сварным швам, которые не являются примерно круглыми.
- Возможно, придется изменить геометрию деталей, чтобы разрешить процесс магнитного импульса.
- Если части не могут вставляться в импульсную катушку и выходить из нее, необходимо разработать более сложную, состоящую из нескольких частей катушку.
- Импульсную катушку, возможно, придется перепроектировать, если будут изменены материалы или размеры.
- Хрупкие компоненты могут быть разрушены ударом (не исключает использования таких материалов, как стекло, но это необходимо учитывать).
- Может вызвать эффект ЭМИ на любую электронику, присутствующую внутри или рядом с деталью.
- Первоначальные инвестиционные затраты могут перевесить более низкую цену за сварку деталей небольшого объема.
Численное моделирование MPW [ править ]
Были проведены различные численные исследования для прогнозирования поведения интерфейса MPW и поведения летательного аппарата в полете для определения условий столкновения. Как правило, скорость полета до удара определяет межфазные явления. Это характеристический параметр, который должен быть известен на основе процесса и регулируемых параметров процесса. Хотя экспериментальные измерения с использованием методов лазерной велосиметрии обеспечивают точную оценку скорости полета (одним из примеров такого измерения является фотонная доплеровская велосиметрия (PDV)) численные расчеты позволяют лучше описать скорость полета с точки зрения пространственного и временного распределения. Более того, мультифизическое вычисление процесса MPW учитывает электрический ток через катушку и вычисляет физическое поведение для электромагнитно-механической связанной задачи. Иногда это моделирование также позволяет учесть тепловой эффект во время процесса. [5] [6] Пример 3D-модели, используемой для моделирования LS-DYNA, также описан в [ необходима ссылка ], а также предоставляет некоторые детали физического взаимодействия процесса, определяющих уравнений, процедуры разрешения, а также граничных и начальных условий. Модель используется для демонстрации возможности трехмерных вычислений для прогнозирования поведения процесса и, в частности, кинематики флаера и макроскопической деформации. [7] [8]
Ссылки [ править ]
- ^ Weman, Клас (2003), Сварочные процессы руководство , CRC Press, стр. 91-92, ISBN 978-0-8493-1773-6.
- ^ Иллюстрация магнитно-импульсной сварки
- ^ А. Стерн, В. Шрибман, А. Бен-Арци и М. Айзенштейн, Явления на границе раздела и механизм соединения в магнитно-импульсной сварке, Журнал материаловедения и производительности, 2014. [ нужна страница ]
- ^ Магнитно-импульсная сварка: JP Cuq-Lelandais, S. Ferreira, G. Avrillaud, G. Mazars, B. Rauffet: Сварочные окна и моделирование высокоскоростного удара. [ требуется страница ]
- ^ Сапанатан, Т .; Raoelison, RN; Buiron, N .; Рачик, М. (2016). «Магнитно-импульсная сварка: инновационная технология соединения одинаковых и разнородных металлических пар». Объединение технологий . DOI : 10,5772 / 63525 . ISBN 978-953-51-2596-9.
- ^ Raoelison, RN; Сапанатан, Т .; Padayodi, E .; Buiron, N .; Рачик, М. (2016). «Межфазная кинематика и механизмы управления в условиях воздействия высоких скоростей деформации: численные расчеты экспериментальных наблюдений». Журнал механики и физики твердого тела . 96 : 147. Bibcode : 2016JMPSo..96..147R . DOI : 10.1016 / j.jmps.2016.07.014 .
- ^ L'Eplattenier, Пьер; Повар, Грант; Эшкрафт, Клив; Бургер, Майк; Имберт, Хосе; Уорсвик, Майкл (май 2009 г.). «Внедрение модуля электромагнетизма в LS-DYNA для сопряженного механико-термического-электромагнитного моделирования». Steel Research International . 80 (5): 351–8.
- ^ I. aldichoury и P. L'Eplattenier, Руководство по электромагнитной теории, Livermore Software Technology Corporation, Калифорния, США, 2012. [ необходима страница ]
Внешние ссылки [ править ]
- Электромагнитная импульсная технология (EMPT): формовка, сварка, обжим и резка, автор: Р. Шефер, П.А. Паскуале и С.В. Калли.
- Применение электромагнитной импульсной технологии (EMPT) в автомобильной промышленности, С.В. Калли, Р. Шефер и П.А. Паскуале.
- Новые материалы, процессы и методы технологии Мел М. Шварц
