基于示踪粒子对铝/钢电磁脉冲焊接波状界面连接机理研究

Aluminum and steel composite structures replace steel structures to reduce weight has become the focus of lightweight design. Due to the large differences in physical and chemical properties of aluminum and steel xenometals, there are many problems such as uneven weld composition, high content of intermetallic compounds and high internal force. Therefore, present projest is based on 6061 aluminum alloy and Q235 steel xenometallic material, using the "tracer particle" tracking jet state, temperature of the thermoelectric couple and the finite element numerical simulation under transient conditions to study the ratio, morphology and distribution of followed metal jet dispersion of tracer particles into front and rear vortex jet,Relationship study between Welding Parameters、 Jet Flow Distribution、 Interfacial Wavelength、 Wave Height，Research on precise control mechanism of interface waveform；The effect of thermal temperature on the microstructure of interface plastic deformation, interface melting and interfacial diffusion under high speed and high pressure limit was studied by the thermocouple.Based on the finite element numerical simulation data of electromagnetic field, temperature field and structure coupling, the growth behavior of interfacial metal compounds and the mechanism of element diffusion are studied to obtain the mechanism of wavy interfacial connection;which Achieve high quality, high efficiency and low cost green welding method.

铝/钢复合结构代替钢结构以减轻重量成为当前产品轻量化设计的重点。由于铝钢异种金属物理和化学性质差异较大，造成焊缝成分不均匀、金属间化合物含量高和内应力大等问题。因此，本研究以6061铝合金/Q235钢异种金属材料为研究对象，采用“示踪粒子”跟踪射流状态、热电偶采集接头温度及有限元数值模拟相结合的方法，研究瞬态条件下示踪粒子跟随金属射流分散为前、后旋涡射流的比率、形态及分布规律,量化焊接参数与射流流动分布及界面波长、波高的关系，研究界面波形精准控制机制；借助热电偶采集极薄界面的瞬时高温，研究高速、高压极限条件下产热温度对界面塑性变形、界面熔化和界面扩散等微观组织结构的影响，结合电磁场、温度场和结构耦合的有限元数值模拟数据，研究界面金属间化合物生长行为、元素扩散机制，获得波状界面连接机理；实现优质、高效、低成本的绿色焊接方法。

本研究采用光滑粒子流体动力学（SPH）描述碰撞过程材料表层金属粒子的流动行为，并通过“示踪粒子”表征其在界面连接过程的作用机制，同时，借助热电偶采集焊接温度，分析产热对材料连接过程的作用机理，并在此基础上，提出第一性原理对金属间化合物形成能、结合能及功函数的计算，研究金属间化合物生长行为，获得波状界面连接机理。研究结果表明：（1）只有形成混合金属粒子射才具有除去氧化物的能力，平直焊缝界面的氧化锆表征了分射流对铝板具有再次压入作用，嵌入材料界面的氧化锆表征了再入射流具有冲击去除氧化物的作用，波形界面的氧化锆表征了金属粒子在焊接过程承受高压、高速的撞击后，变为纳米粒子的流动行为；高速粒子在界面产生局部高温，细化晶粒被射流沿着焊接方向被拉长；（2）热电偶测试焊接温度为300℃～500℃，铝材表层金属以半熔状态压入钢板，IMCs层从未焊接区（FeAl）到平直焊缝区（Fe2Al5+FeAl2+FeAl），再到波形界面（α-Al+FeAl3）；界面温度越高的位置，元素扩散快，形成富铝金属间化合物Fe2Al5和FeAl3，而温度较低的位置，为富铁金属间化合物FeAl；Fe2Al5容易形成，且稳定性较好，焊接接头强度高于母材，而形成富铁金属间化合物FeAl界面，虽然结构稳定，但性能较差，导致接头强度低于母材，断裂在焊缝处；然而，Fe2Al5和FeAl3耐腐蚀性比FeAl差，造成铝钢接头最容易向富铝金属间化合物处腐蚀，即快速焊缝失效。（3）电磁力主要集中线圈中梁上方，垂直线圈横截面呈正态分布，加速铝板撞击基板，并产生反弹，使得椭圆形焊缝内部为未焊区，磁感应强度主要集中在铝板下表面，并随着放电时间增加，先快速增大后再降低的变化规律；感应电流密度在电流分流、方向改变的位置最大，涡流热温度最高，变形最大；在铝板界面附近为拉应力，而钢板附近为压应力，从铝侧到钢侧，界面存在较大的拉、压应力幅值。（4）获得波形界面的最佳焊接工艺方案是固定放电电压，调试合理的搭接间隙，这对铝钢焊接适用，也对铝铜适用，研究结果利于进一步开展该系列的深入研究。