李成祥 石 鑫 周 言 杜 建,2 姚陳果

針對(duì)H型線圈的電磁脈沖焊接仿真及線圈截面結(jié)構(gòu)影響分析

李成祥1石 鑫1周 言1杜 建1,2姚陳果1

（1. 輸配電裝備及系統(tǒng)安全與新技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（重慶大學(xué)） 重慶 400044 2. 國(guó)網(wǎng)重慶市電力公司永川供電分公司 重慶 402160）

電磁脈沖焊接是一種環(huán)保、便捷的固態(tài)焊接技術(shù)，在異種金屬焊接中具有廣闊的應(yīng)用前景。作為主要部件的焊接線圈，其結(jié)構(gòu)是影響焊接質(zhì)量的關(guān)鍵因素之一。該文針對(duì)常用的H型焊接線圈，建立了銅板-鋁板電磁脈沖焊接的有限元仿真分析模型，該模型耦合了電路模塊、磁場(chǎng)模塊及固體力學(xué)模塊，計(jì)算焊接過(guò)程中放電回路的電流、磁場(chǎng)的分布情況、工件上的渦流及所受洛倫茲力、工件變形的速度和位移，同時(shí)結(jié)合焊接窗口理論對(duì)采用三種典型截面結(jié)構(gòu)H型線圈（5-5H，2.5-5H，7.5-5H）進(jìn)行電磁脈沖焊接時(shí)工件的碰撞過(guò)程和焊接效果進(jìn)行對(duì)比分析。結(jié)果表明，線圈截面結(jié)構(gòu)不同，會(huì)引起銅板、鋁板的位移和形變區(qū)域的改變，從而使碰撞角度、碰撞速度、碰撞前端點(diǎn)移動(dòng)速度及其變化產(chǎn)生差異。相同焊接能量下，2.5-5H、5-5H、7.5-5H型線圈的碰撞角度和碰撞前端點(diǎn)移動(dòng)速度在焊接窗口范圍內(nèi)的時(shí)間長(zhǎng)度分別為0.5ms，0.5ms和0.65ms，對(duì)應(yīng)的焊縫長(zhǎng)度分別為1.015 0mm，1.202 6mm和1.440 7mm。由此可見(jiàn)，對(duì)于H型線圈，在一定范圍內(nèi)，銅板側(cè)線圈較鋁板側(cè)越寬，越有利于實(shí)現(xiàn)焊接。該文研究可為H型焊接線圈的設(shè)計(jì)提供參考。

電磁脈沖焊接 H型線圈 數(shù)值模擬 焊接窗口

0 引言

電磁脈沖焊接是一種隨著電磁成形技術(shù)[1-4]的發(fā)展而產(chǎn)生的固態(tài)非熱焊接技術(shù)，在異種金屬焊接方面有著優(yōu)越的連接適用性和可靠性，可克服傳統(tǒng)焊接方式在連接異種金屬中遇到的困難，并且還具有速度快、可控性強(qiáng)、重復(fù)性高、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，在航空航天、汽車生產(chǎn)、船舶制造、核工業(yè)、武器制造及金屬外殼包裝等眾多領(lǐng)域中展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景[5-6]。

電磁脈沖焊接系統(tǒng)主要由電源及儲(chǔ)能系統(tǒng)、開(kāi)關(guān)及其控制系統(tǒng)、焊接線圈及其裝配三大部分構(gòu)成。其工作過(guò)程為：焊接時(shí)，儲(chǔ)能電容對(duì)線圈放電，線圈中流過(guò)巨大的脈沖電流；在線圈及其附近空間產(chǎn)生急劇變化的磁場(chǎng)，使放置在線圈裝配中的待焊金屬工件感應(yīng)產(chǎn)生渦流，從而受到洛倫茲力；工件在洛倫茲力驅(qū)動(dòng)下加速運(yùn)動(dòng)，經(jīng)過(guò)一段距離的運(yùn)動(dòng)與另一塊工件發(fā)生高速碰撞，最終實(shí)現(xiàn)焊接[7]。

目前，研究人員普遍認(rèn)為，在工件碰撞過(guò)程中的碰撞速度、碰撞接觸前端點(diǎn)移動(dòng)速度及碰撞角度是決定工件能否實(shí)現(xiàn)焊接的關(guān)鍵因素，它們必須滿足一定條件時(shí)才可實(shí)現(xiàn)焊接[8]。而這三個(gè)因素又由焊接系統(tǒng)的電路參數(shù)、線圈結(jié)構(gòu)、放電能量、工件間間距、線圈與工件間間距等參數(shù)以及待焊工件材料自身的屬性所決定，且彼此之間相互影響。為了獲得更好的焊接效果，學(xué)者們對(duì)電磁脈沖焊接設(shè)備及工藝，尤其是焊接線圈，開(kāi)展了大量的研究。為適應(yīng)不同工業(yè)運(yùn)用場(chǎng)景，目前常用于板件焊接的線圈有E型線圈、勻壓力線圈、盤形線圈、I型線圈及H型線圈。其中，線圈幾何結(jié)構(gòu)是研究的熱點(diǎn)之一，文獻(xiàn)[9]研究了E型線圈的線圈中臂與回路臂之間的距離對(duì)磁場(chǎng)及板件受力的影響，發(fā)現(xiàn)當(dāng)兩臂間距約為中臂線圈寬度的3倍時(shí)焊接效果最佳；文獻(xiàn)[10]通過(guò)仿真研究發(fā)現(xiàn)，矩形線圈截面產(chǎn)生的電磁場(chǎng)強(qiáng)度是圓形截面的1.3倍，并據(jù)此研制了矩形截面焊接線圈；文獻(xiàn)[11]討論了線圈截面形狀、板件間隙以及放電能量對(duì)焊接效果的影響。除此之外，為提高板件焊接效率，研究人員開(kāi)展了多匝線圈的研制，文獻(xiàn)[12]提出一種8層E型線圈，采用此種線圈能降低焊接所需的脈沖電流幅值，提高能量利用效率；文獻(xiàn)[13]提出了一種用于優(yōu)化勻壓力線圈幾何參數(shù)的解析計(jì)算方法，討論了線圈匝數(shù)、工件線圈間距、線圈導(dǎo)體厚度及外部導(dǎo)電通道高度的最優(yōu)配置；文獻(xiàn)[14]研究了盤形線圈的匝數(shù)對(duì)碰撞時(shí)板件動(dòng)量的影響，發(fā)現(xiàn)在匝數(shù)為8時(shí)，線圈的能力傳遞效率最高，匝數(shù)較小時(shí)疊加的磁場(chǎng)較小，而匝數(shù)過(guò)大時(shí)又會(huì)導(dǎo)致線圈電阻過(guò)大而使放電電流 減小。

在眾多線圈類型中，H型線圈結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，適合在狹長(zhǎng)區(qū)域內(nèi)進(jìn)行焊接，且能同時(shí)驅(qū)動(dòng)飛板與基板的運(yùn)動(dòng)，可提高能量利用率，因而在板件焊接研究中得以廣泛應(yīng)用[11, 15]，但現(xiàn)有研究都僅采用簡(jiǎn)單的、相同截面的對(duì)稱結(jié)構(gòu)，缺乏對(duì)H型線圈自身截面變化及其影響的研究。而H型線圈上下結(jié)構(gòu)的變化會(huì)改變板件的受力分布情況[16]，隨之位移分布也會(huì)發(fā)生變化，進(jìn)而改變板件碰撞過(guò)程中的碰撞速度、碰撞角度等參數(shù)，最終影響板件的焊接效果。因此，研究不同截面結(jié)構(gòu)H型線圈對(duì)焊接效果的影響對(duì)該型線圈的設(shè)計(jì)和研制十分重要且必要。

基于上述內(nèi)容，本文在Comsol Multiphysics軟件中，建立了電路-磁場(chǎng)-固體力學(xué)三物理場(chǎng)耦合的電磁脈沖焊接銅板-鋁板有限元仿真模型，分別對(duì)采用了不同截面結(jié)構(gòu)的H型線圈模型的電磁脈沖焊接過(guò)程進(jìn)行了仿真計(jì)算，分析了三種典型截面結(jié)構(gòu)H型線圈的焊接過(guò)程及焊接效果，包括對(duì)稱截面結(jié)構(gòu)即銅板一側(cè)線圈截面與鋁板一側(cè)完全相同，和非對(duì)稱截面結(jié)構(gòu)即銅板一側(cè)線圈截面小于鋁板一側(cè)和銅板一側(cè)線圈截面大于鋁板一側(cè)，研究了H型線圈不同截面結(jié)構(gòu)對(duì)電磁脈沖焊接的影響。

1 電磁脈沖焊接數(shù)學(xué)模型

1.1 電路

電磁脈沖焊接系統(tǒng)放電主回路等效電路可簡(jiǎn)化為如圖1所示。焊接時(shí)，回路電流與電容充電電壓之間的關(guān)系滿足

式中，UC0為儲(chǔ)能電容的充電電壓；C為儲(chǔ)能電容的電容；Rline、Lline分別為焊接線圈外部整個(gè)電路的等效電阻、電感；Ucoil為焊接線圈兩端的電壓；i(t)為回路電流亦是流過(guò)線圈的總電流。

1.2 電磁場(chǎng)

電磁脈沖焊接中的電磁場(chǎng)問(wèn)題是典型的準(zhǔn)靜態(tài)場(chǎng)問(wèn)題，計(jì)算中可忽略位移電流的作用。用于進(jìn)行電磁場(chǎng)計(jì)算的基本方程可由麥克斯韋方程組、電流連續(xù)性定律及材料的本構(gòu)關(guān)系導(dǎo)出。由于焊接線圈中的電流由外部激勵(lì)電流和渦電流共同決定，而板件及空氣中則僅會(huì)存在渦電流而無(wú)外部激勵(lì)電流，因此，焊接線圈域與板件及空氣域內(nèi)電磁場(chǎng)計(jì)算的基本方程分別為

式中，為磁場(chǎng)強(qiáng)度；s為外部激勵(lì)電流；e為渦電流；為電磁強(qiáng)度；為磁感應(yīng)強(qiáng)度；為材料電導(dǎo)率；為速度；e為外部激勵(lì)電場(chǎng)強(qiáng)度；為材料磁導(dǎo)率；為保證流過(guò)線圈總電流為()的額外施加電壓；為線圈長(zhǎng)度；d為線圈方向單位矢量。

此外，各部件在磁場(chǎng)中所受的洛倫茲力為

1.3 結(jié)構(gòu)場(chǎng)

板件在洛倫茲力作用下會(huì)發(fā)生塑性變形，其運(yùn)動(dòng)方程為

式中，為電磁力的體密度矢量；m為板件密度；為質(zhì)元的位移矢量；為板件應(yīng)力張量。

2 電磁脈沖焊接數(shù)值計(jì)算模型

2.1 仿真幾何模型

對(duì)稱截面結(jié)構(gòu)H型線圈及板件的結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。線圈分上下兩部分，均呈H型結(jié)構(gòu)，上下兩層線圈串聯(lián)接入放電主回路。本文仿真中線圈作用部分的截面高、寬均為5mm；鋁板、銅板的尺寸均為50mm×50mm×1mm，兩者的間距設(shè)置為1mm；線圈與板件間的間距為0.1mm。

進(jìn)一步地，本文忽略邊緣效應(yīng)的影響，即忽略各物理量沿線圈長(zhǎng)度方向的變化，采用二維模型替代三維模型對(duì)H型線圈板件電磁脈沖焊接進(jìn)行仿真分析。本文所建對(duì)稱截面結(jié)構(gòu)H型線圈及板件二維幾何模型如圖3所示，包含對(duì)稱截面結(jié)構(gòu)的H型線圈（標(biāo)記為5-5H型線圈）、銅板、鋁板及外圍空氣域四部分。外圍空氣域的半徑為35mm。板件間的空氣域不進(jìn)行建模，外圍空氣域設(shè)置為變形域，即當(dāng)板件發(fā)生變形時(shí)，外圍空氣域也會(huì)隨之發(fā)生變化。二維幾何模型的面外厚度為50mm。二維模型計(jì)算所得結(jié)果可近似反映線圈板件中心位置處截面的情況，能很好地代表整個(gè)板件焊接的情況，且可簡(jiǎn)化計(jì)算。

圖2 線圈板件結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 二維幾何模型

此外，兩種非對(duì)稱截面結(jié)構(gòu)H型線圈及板件的二維模型示意圖如圖4所示，因銅板側(cè)線圈的截面寬度分別為2.5mm和7.5mm，遂分別標(biāo)記兩種線圈為2.5- 5H型線圈及7.5-5H型線圈。

圖4 2.5-5H及7.5-5H型線圈結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 線圈外部電路計(jì)算設(shè)置

流過(guò)線圈的放電電流通過(guò)電路模塊與磁場(chǎng)模塊耦合計(jì)算得到。在電路模塊中搭建電磁脈沖焊接設(shè)備放電主回路電路，線圈部件設(shè)置為外部耦合器件，在電路中作為電壓源，其電壓值由磁場(chǎng)模塊提供，并將計(jì)算所得放電電流反饋給磁場(chǎng)模塊。其他元器件參數(shù)見(jiàn)表1，line和line通過(guò)擬合實(shí)驗(yàn)中放電電流實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)而得。本研究中的儲(chǔ)能電容的充電電壓設(shè)置為6kV。

表1 主回路元器件參數(shù)

Tab.1 Component parameters in main circuit

2.3 電磁場(chǎng)計(jì)算設(shè)置

模型中線圈與銅板的材料均為T2銅，鋁板的材料為1060鋁，不同材料的電磁參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 材料電磁參數(shù)

Tab.2 Electromagnetic parameters of the materials

電路模塊計(jì)算所得放電電流將用于磁場(chǎng)模塊的激勵(lì)計(jì)算。

2.4 固體力學(xué)場(chǎng)計(jì)算設(shè)置

在電磁脈沖焊接過(guò)程中，銅板及鋁板都會(huì)發(fā)生塑性變形，因此，仿真中對(duì)板件采用彈塑性本構(gòu)模型，而線圈變形較小則采用線彈性模型。模型各部分的力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 材料力學(xué)參數(shù)

Tab.3 Materials mechanical parameters

為了模擬實(shí)際實(shí)驗(yàn)中，板件和線圈固定方式及受力情況，模型中將兩線圈的所有邊界及板件兩側(cè)的邊界都設(shè)置為固定邊界，即約束各個(gè)方向的位移均為0。同時(shí)，在板件發(fā)生碰撞的表面設(shè)置接觸對(duì)，接觸算法為Augmented Lagrange，接觸面摩擦因子設(shè)為0.3[17]。載荷加載通過(guò)多物理場(chǎng)洛倫茲耦合將磁場(chǎng)計(jì)算所得洛倫茲力加載到板件上，并將固體力學(xué)場(chǎng)中板件速度的計(jì)算值反饋給磁場(chǎng)模塊用于電磁計(jì)算。

3 5-5H型線圈電磁脈沖焊接仿真結(jié)果

3.1 線圈電流計(jì)算結(jié)果

流過(guò)線圈的電流仿真結(jié)果如圖5所示，為一個(gè)衰減振蕩電流，其最大幅值為138.5kA，頻率約為27.337kHz。

圖5 線圈電流仿真結(jié)果

3.2 電磁場(chǎng)仿真結(jié)果

觀測(cè)點(diǎn)示意圖如圖6所示，在銅板、鋁板上各取6點(diǎn)，對(duì)各點(diǎn)處的磁感應(yīng)強(qiáng)度、感應(yīng)電流密度以及洛倫茲力進(jìn)行分析，得到的結(jié)果分別如圖7～圖9所示。

圖6 觀測(cè)點(diǎn)示意圖

由于趨膚效應(yīng)，感應(yīng)電流、磁場(chǎng)及洛倫茲力均集中在靠近線圈表面區(qū)域。沿線圈長(zhǎng)度方向看，三者在線圈正對(duì)區(qū)域內(nèi)（點(diǎn)9、點(diǎn)10、點(diǎn)3、點(diǎn)4）幾乎維持不變，而在超出線圈寬度外的區(qū)域（點(diǎn)12、點(diǎn)6）則迅速減小。

圖7 各點(diǎn)磁感應(yīng)強(qiáng)度隨時(shí)間變化曲線

圖8 各點(diǎn)感應(yīng)電流密度隨時(shí)間變化曲線

圖9 各點(diǎn)洛倫茲力密度隨時(shí)間變化曲線

點(diǎn)3處的磁感應(yīng)強(qiáng)度隨時(shí)間變化曲線在8.88ms時(shí)發(fā)生躍升，這是因?yàn)榇藭r(shí)板件發(fā)生碰撞，板件速度迅速減小，板件與線圈間距不再增加的緣故。

可以看到，在相同位置，銅板的磁通密度、電流密度和單位體積的洛侖茲力都高于鋁板，如其中銅板單位體積所受洛倫茲力最大值為8.677× 1011N/m3，而鋁板為5.694×1011N/m3。這是由板件之間的材料性質(zhì)如電導(dǎo)率差異等決定的。

3.3 固體力學(xué)場(chǎng)仿真結(jié)果

3.3.1 板件變形碰撞過(guò)程

板件變形碰撞過(guò)程的仿真結(jié)果如圖10所示。由式（7）可知，板件變形是由洛侖茲力與板件自身變形抗力疊加產(chǎn)生的。當(dāng)放電電流較小時(shí)，洛侖茲力也較小，無(wú)法促使板件變形。隨著放電電流增大，洛侖茲力也不斷增大，鋁板與銅板相繼發(fā)生變形。當(dāng)=8.88ms時(shí)，板件之間開(kāi)始發(fā)生碰撞；當(dāng)=30ms時(shí)，碰撞基本結(jié)束，整個(gè)過(guò)程持續(xù)時(shí)間約21.12ms。從圖10中可以看出，發(fā)生碰撞前，板件的速度從中心向兩側(cè)呈梯度下降分布，從而使位移也具有相同分布規(guī)律，整體變形呈現(xiàn)一個(gè)弧度突起的形態(tài)。通過(guò)測(cè)量可得，初始碰撞時(shí)刻兩板間的夾角為2.7°。

圖10 板件變形碰撞過(guò)程

鋁板上點(diǎn)1與銅板上點(diǎn)7處的速度分量及位移分量隨時(shí)間變化的曲線如圖11所示。發(fā)生碰撞時(shí)刻，銅板和鋁板的速度分別為-86.1m/s和213.7m/s（以鋁板變形方向?yàn)檎?，位移距離分別為0.732mm和0.269mm，兩板初始碰撞相對(duì)速度為299.8m/s。當(dāng)碰撞發(fā)生后，銅板與鋁板的速度瞬變?yōu)榧s26.7m/s和-73.03m/s，速度方向發(fā)生改變，可見(jiàn)碰撞后板件發(fā)生了反彈。

圖11 點(diǎn)1與7處速度、位移變化曲線

3.3.2 板件焊接過(guò)程

電磁脈沖焊接連接機(jī)理的相關(guān)研究結(jié)論表明，高速碰撞焊接中碰撞前端點(diǎn)的移動(dòng)速度c及碰撞角度是決定能否實(shí)現(xiàn)焊接的關(guān)鍵參數(shù)[18]。電磁脈沖焊接時(shí)，板件碰撞過(guò)程中的碰撞前端點(diǎn)的移動(dòng)速度c和碰撞角度是隨整個(gè)碰撞過(guò)程的發(fā)展而變化的。通過(guò)仿真可計(jì)算碰撞過(guò)程中碰撞前端點(diǎn)的移動(dòng)速度c及碰撞角度。圖12顯示了板件碰撞過(guò)程中某時(shí)刻碰撞前端點(diǎn)的位置，以及此時(shí)的碰撞角度。某時(shí)刻碰撞前端點(diǎn)的位置通過(guò)判斷板件間隙距離是否小于閾值1×10-5mm來(lái)確定，當(dāng)板件間間隙距離小于閾值時(shí)則判定板件發(fā)生碰撞，某時(shí)刻剛好發(fā)生碰撞的點(diǎn)即為碰撞前端點(diǎn)。碰撞角度為

式中，0、0為碰撞前端點(diǎn)的坐標(biāo)值；1、1和2、2分別為銅板、鋁板輪廓線上點(diǎn)的坐標(biāo)值。

碰撞前端點(diǎn)移動(dòng)速度c為

式中，?d為?tT-Dt/2-(T+Dt/2)時(shí)間段內(nèi)碰撞前端點(diǎn)的移動(dòng)距離，本文中?tT-Dt/2-(T+Dt/2)=0.1ms，但當(dāng)碰撞初始時(shí)刻移動(dòng)速度過(guò)快時(shí)，DtT-Dt/2-(T+Dt/2)=0.02ms。

文獻(xiàn)[19-20]對(duì)以c和為參數(shù)的鋁、銅板電磁脈沖焊接的可焊條件進(jìn)行具體的研究，得到了如圖13所示的焊接窗口。本文以c和為坐標(biāo)，依據(jù)某時(shí)刻的點(diǎn)是否落在焊接窗口內(nèi)判斷此時(shí)刻對(duì)應(yīng)的碰撞前端點(diǎn)處是否實(shí)現(xiàn)焊接，進(jìn)而獲得整個(gè)碰撞過(guò)程中的可焊接時(shí)間區(qū)間及與之對(duì)應(yīng)的焊接區(qū)間的長(zhǎng)度，焊接區(qū)間的長(zhǎng)度即為焊縫的長(zhǎng)度。研究表明，焊縫長(zhǎng)度與焊接效果是正相關(guān)的[21]。因此，可以通過(guò)處于焊接窗口內(nèi)的時(shí)間區(qū)間長(zhǎng)度，以及對(duì)應(yīng)的焊縫長(zhǎng)度來(lái)反映、對(duì)比焊接效果。

圖13 以Vc與b 為參數(shù)的鋁、銅板焊接窗口

通過(guò)5-5H型線圈電磁脈沖焊接鋁板/銅板的仿真，計(jì)算可得8.9～9.5ms時(shí)間段中一系列時(shí)間點(diǎn)板件碰撞左半部分的碰撞前端點(diǎn)的移動(dòng)速度c及碰撞點(diǎn)角度的值，并將其與焊接窗口進(jìn)行對(duì)比，碰撞過(guò)程c-軌跡如圖14所示。

圖14 碰撞過(guò)程Vc-b 軌跡

從圖14中可知，在8.95～9.45ms時(shí)間段內(nèi)，碰撞前端點(diǎn)（c,）均處在可焊接區(qū)域范圍內(nèi)，滿足焊接條件，與之對(duì)應(yīng)的焊縫長(zhǎng)度為1.202 6mm。

4 不同截面結(jié)構(gòu)的影響分析

4.1 變形碰撞過(guò)程仿真結(jié)果

采用2.5-5H型線圈及7.5-5H型線圈焊接時(shí)板件的變形碰撞仿真結(jié)果分別如圖15和圖16所示。

圖15 采用2.5-5H型線圈的板件變形碰撞結(jié)果

圖16 采用7.5-5H型線圈的板件變形碰撞結(jié)果

當(dāng)線圈為2.5-5H型時(shí)，板件在=8.44ms時(shí)發(fā)生碰撞。此時(shí)，鋁板上點(diǎn)1及銅板上點(diǎn)7速度方向分量值分別為201.52m/s和-118.31m/s，位移距離分別為0.624 5mm與0.375 5mm，兩板相對(duì)速度為319.83m/s。與5-5H線圈相比，銅板的初始碰撞速度增大，而鋁板的初始碰撞速度減小，但兩者的相對(duì)速度有所提高。相應(yīng)地，銅板的位移距離增加，而鋁板的位移距離減少。從變形形態(tài)來(lái)看，銅板的彎曲曲率增大而鋁板減小，但總體表現(xiàn)為兩板件初始碰撞夾角增大，達(dá)到3.1°。線圈的電阻和電感遠(yuǎn)小于焊接系統(tǒng)中的電阻、電感，因此，線圈截面變化帶來(lái)的電阻、電感變化對(duì)放電電流無(wú)明顯影響。在線圈流過(guò)相同電流的情況下，橫截面積變小，會(huì)增大電流密度，產(chǎn)生的磁場(chǎng)與感應(yīng)電流隨之增大，因而洛侖茲力提高，銅板的速度和位移都會(huì)增加，變形程度、板件彎曲程度增加，但變形區(qū)域?qū)挾葧?huì)減小。間隙一定時(shí)，碰撞所需要的時(shí)間會(huì)變短，且鋁板的位移距離相對(duì)會(huì)減少。

當(dāng)線圈是7.5-5H型時(shí)，板件在9.23ms時(shí)發(fā)生碰撞。與5-5H型和2.5-5H型線圈相比，從電流放電到板件碰撞所需的時(shí)間增加。此時(shí)，鋁板上的點(diǎn)1及銅板上的點(diǎn)7的速度方向分量值分別為224.41m/s和-58.96m/s，位移距離分別為0.813 5mm和0.186 9mm，相對(duì)速度為283.37m/s。與5-5H型線圈相比，鋁板的初始碰撞速度增大而銅板的初始碰撞速度減小，兩板之間的相對(duì)速度最小。此外，鋁板的位移增加而銅板的位移減少。銅板的彎曲曲率減小而鋁板增大，兩板件初始碰撞夾角減小為2°。相同電流下，線圈橫截面積的增大，會(huì)降低電流密度，產(chǎn)生的磁場(chǎng)與感應(yīng)電流隨之減小，從而降低洛侖茲力，銅板的速度和位移都會(huì)減少，變形程度減弱，但變形區(qū)域的面積會(huì)增大。在一定間隙距離下，碰撞需要更多時(shí)間，且銅板的位移相對(duì)會(huì)減少。

4.2 焊接窗口計(jì)算結(jié)果

為了判斷不同截面結(jié)構(gòu)H型線圈對(duì)焊接效果的影響，計(jì)算得到2.5-5H型及7.5-5H型線圈焊接碰撞過(guò)程中的c-軌跡如圖17所示。

從圖17可知，2.5-5H和7.5-5H型線圈的碰撞角度和速度在焊接窗口內(nèi)的時(shí)間區(qū)間長(zhǎng)度分別達(dá)到0.5ms和0.65ms，對(duì)應(yīng)的焊縫長(zhǎng)度分別為1.015 0mm和1.440 7mm。因此，可以判斷，7.5-5H型線圈得到的銅板-鋁板焊接效果好于2.5-5H型線圈，同時(shí)與5-5H型線圈相比，也可獲得更加可靠的接頭質(zhì)量。

圖17 非對(duì)稱結(jié)構(gòu)線圈焊接碰撞過(guò)程Vc-b 軌跡

一定范圍內(nèi)，隨著銅板側(cè)線圈寬度的增加，碰撞時(shí)的相對(duì)速度略有減小，但碰撞時(shí)的c大于板材發(fā)生塑性流動(dòng)所需的速度。而7.5-5H型線圈使銅板變形范圍更寬且程度更弱，使得兩板碰撞時(shí)的夾角初始角度更小，整個(gè)碰撞過(guò)程中夾角逐漸增大但增速更緩，使得碰撞前端點(diǎn)移動(dòng)過(guò)程中有更長(zhǎng)的時(shí)間處于焊接窗口內(nèi)，形成更長(zhǎng)的焊縫，獲得更好的焊接效果。

5 結(jié)論

適用于狹長(zhǎng)區(qū)域焊接的H型線圈，因其具有相對(duì)較高的能量利用率而受到廣泛關(guān)注，為研究H型線圈截面結(jié)構(gòu)對(duì)電磁脈沖焊接銅板-鋁板的影響，本文建立了電路-磁場(chǎng)-固體力學(xué)場(chǎng)耦合的有限元仿真模型，針對(duì)三種典型的H型線圈截面結(jié)構(gòu)，包括銅板一側(cè)線圈截面與鋁板一側(cè)完全相同、銅板一側(cè)線圈截面小于鋁板一側(cè)、銅板一側(cè)線圈截面大于鋁板一側(cè)，計(jì)算了不同情況下的碰撞前端點(diǎn)的移動(dòng)速度和碰撞角度及其變化，依托焊接窗口對(duì)不同焊接效果進(jìn)行判斷，得到主要結(jié)論如下：

1）對(duì)稱5-5H型線圈仿真中，由于銅與鋁材料性能差異，銅板的磁通密度、電流密度和洛侖茲力都要高于鋁板。

2）相同放電能量下，線圈截面會(huì)影響放電電流密度，從而影響磁通密度、電流密度和洛侖茲力的幅值和分布，對(duì)板件的碰撞速度、撞擊區(qū)域都會(huì)產(chǎn)生影響。

3）電磁脈沖焊接銅、鋁板，在2.52kJ放電能量及1mm板間間隙情況下，2.5-5H、5-5H、7.5-5H型線圈的碰撞角度和碰撞點(diǎn)移動(dòng)速度在焊接窗口范圍內(nèi)的時(shí)間區(qū)間分別是0.5ms、0.5ms和0.65ms，焊縫長(zhǎng)度分別為1.015mm、1.202 6mm和1.440 7mm。由此可知，一定范圍內(nèi)，對(duì)于H型線圈，銅板一側(cè)線圈寬度較寬會(huì)獲得更好的焊接效果。

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Electromagnetic Pulse Welding Simulation for H-Type Coil and Analysis of the Influence of Coil Cross-Sectional Structure

1111,21

（1. State Key Laboratory of Power Transmission Equipment & System Security and New Technology Chongqing University Chongqing 400044 China 2. State Grid Chongqing Electric Power Company Yongchuan Power Supply Branch Chongqing 402160 China）

Electromagnetic pulse welding is an environmentally friendly and convenient solid-state welding technology, which has broad application prospects in dissimilar metal welding. The welding coil, as the main component of the welding system, its structure is one of the key factors affecting the welding quality. In this paper, focusing on the commonly used H-type welding coils, the finite element simulation analysis model for the electromagnetic pulse welding of copper plate and aluminum plate is built, which couples the circuit module, magnetic field module and solid mechanics module. The current of the discharge circuit during the welding process, the distribution of the magnetic field, the eddy current and the Lorentz force on the workpiece, the deformation speed and displacement of the workpiece are calculated. Moreover, the collision process of the workpiece and the welding effect in electromagnetic pulse welding using three typical cross-section H-type coils (5-5H, 2.5-5H, 7.5-5H) are compared and analyzed based on the welding window theory. The results show that the displacement and deformation area of the copper and aluminum plates will change under different cross-section coils, thereby causing differences in the collision angle, the collision speed, the movement speed of the tip of the collision and their changes. Under the same welding energy, the time intervals of the collision angle and the coil tip movement speed of 2.5-5H, 5-5H, 7.5-5H coils within the welding window range are 0.5ms, 0.5μs and 0.65ms, respectively, and the corresponding lengths of the welding seam are 1.015 0mm, 1.202 6mm and 1.440 7mm, respectively. It can be seen that for H-type coils, within a certain range, the wider the coil on the copper plate side is than that on the aluminum plate side, the better it is to realize welding. This paper provides a reference for the design of H-type welding coils.

Electromagnetic pulse welding, H-type coils, numerical simulation, welding window

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.200659

TM89

重慶市研究生科研創(chuàng)新資助項(xiàng)目（CYB20017）。

2020-06-16

2020-10-25

李成祥 男，1979年生，研究員，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)槊}沖功率技術(shù)及其應(yīng)用。E-mail: lichengxiang@cqu.edu.cn（通信作者）

石 鑫 女，1995年生，碩士研究生，研究方向?yàn)殡姶琶}沖焊接技術(shù)。E-mail: shixin2018@cqu.edu.cn

（編輯 崔文靜）