孟正華，肖超，錢多發(fā)，郭巍，劉維

先進(jìn)焊接與連接

基于接頭界面分析的鋼/鋁傳動軸磁脈沖焊接工藝優(yōu)化

孟正華1a,1b,2，肖超1a,1b，錢多發(fā)1a,1b，郭巍1a,1b，劉維1c

（1. 武漢理工大學(xué) a. 現(xiàn)代汽車零部件技術(shù)湖北省重點實驗室；b. 汽車零部件技術(shù)湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心；c. 材料科學(xué)與工程學(xué)院，武漢 430070；2. 湖南大學(xué) 汽車車身先進(jìn)設(shè)計制造國家重點實驗室，長沙 410082）

研究磁脈沖焊接工藝參數(shù)對鋼/鋁傳動軸焊接接頭界面波形特征的影響規(guī)律，并優(yōu)化設(shè)計焊接工藝參數(shù)。采用光滑粒子動力學(xué)模擬方法分析接頭界面波形，并以界面波形特征為目標(biāo)，研究磁脈沖焊接時的工藝參數(shù)（擴口角度、放電電壓、設(shè)備電容）對焊接接頭界面的影響程度，并利用灰色關(guān)聯(lián)度方法分析得出綜合最佳工藝參數(shù)設(shè)置組合。隨著擴口角度的增加，鋼/鋁管軸連接界面波幅/波長值呈現(xiàn)出先升后降的趨勢；放電電壓增加，界面波幅/波長值增加；儲能電容值對管軸碰撞速度影響不明顯，連接界面波幅和波長變化不大。放電電壓對界面成波區(qū)域長度的影響最大；各因素對波幅的影響程度為：放電電壓＞擴口角度＞設(shè)備電容。通過接頭界面分析工藝參數(shù)對焊接強度的影響程度，對鋼/鋁傳動軸擴口-磁脈沖焊接工藝設(shè)計具有理論指導(dǎo)作用。

鋼/鋁傳動軸；擴口工藝；磁脈沖焊接；界面波形；仿真優(yōu)化

汽車輕量化作為降低汽車能源消耗和排放污染的重要方式已得到了世界各國的高度重視，采用鋁合金等輕質(zhì)材料替代傳統(tǒng)鋼材材料是輕量化的重要方式[1-2]。采用鋼/鋁多材料體結(jié)構(gòu)是實現(xiàn)汽車傳動軸輕量化的重要途徑，但傳動軸的鋁制軸管與鋼制軸叉的焊接難題限制了其應(yīng)用。采用熔化焊工藝時較難實現(xiàn)鋼/鋁等異種金屬的可靠連接[3]。鋼/鋁異種材料連接理論與工藝控制已成為目前國際學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的研究熱點[4-6]。

高速沖擊連接工藝具有高速率和固相連接的特點，可實現(xiàn)異種金屬的可靠連接。蘇珊等[7]研究了箔片氣化沖擊焊接技術(shù)，在合適的能量輸入下獲得了力學(xué)性能良好的鋁合金和不銹鋼氣化沖擊焊接接頭。ELANGO E等[8]研究了鋁和鋼的爆炸焊接，對溫度和壓力的增加進(jìn)行數(shù)值模擬，并通過實驗獲得了良好的鋼鋁焊接接頭。Marlon Hahn等[9]研究了鋁合金板的磁脈沖焊接，結(jié)果表明焊接強度超過較弱基礎(chǔ)材料的強度。

磁脈沖焊接工藝作為典型的高速沖擊連接工藝，具有重復(fù)性好、能量控制精確、安全性較高的特點，尤其適合管軸類零件連接。于海平等[10]采用電磁脈沖焊接實現(xiàn)了鋼/鋁管件的連接，研究了放電電壓、管件徑向間隙和搭接區(qū)長度對接頭力學(xué)性能的影響。于海平、徐志丹等[11]研究了搭接角度和徑向間隙對鋁管和鋼棒磁脈沖焊接的影響。楊鵬等[12]通過有限元軟件模擬了帶集磁器線圈的3A21鋁合金-DP600高強鋼管磁脈沖焊接過程，研究了管件間隙對變形過程的影響規(guī)律。雷剛等[13]以鋁管與鋼管為連接對象，建立瞬態(tài)電磁場分析模型，對磁場相關(guān)參數(shù)進(jìn)行分析，采用順序耦合法將電磁力加載到變形場，分析了作用過程的結(jié)果參數(shù)。

高速沖擊連接工藝中波狀界面形貌對焊接質(zhì)量具有重要影響，形成波形界面是高強度連接的象征[14-15]。孟正華等[16]采用預(yù)成形-高速沖擊點焊工藝獲得了異種材料點焊接頭，通過光滑粒子動力學(xué)模擬方法分析了接頭連接界面的形成規(guī)律，并通過實驗研究了接頭界面特征與形成機理，結(jié)果表明接頭界面具有波形特征，連接強度與波形界面的波形參數(shù)存在一定關(guān)系。崔俊佳等[17]研究了焊件厚度和板間距對鋁板和不銹鋼板焊接的影響，結(jié)果表明隨著板件厚度和板間距的增大，焊接界面波形尺寸顯著增加，焊接質(zhì)量提高。

文中將擴口-磁脈沖焊接工藝應(yīng)用于某典型商用車鋼/鋁傳動軸，分析了工藝參數(shù)對鋼/鋁管軸連接界面波形特征的影響，并以界面波形參數(shù)為目標(biāo)，對鋼/鋁傳動軸擴口-磁脈沖焊接工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，以獲得最佳工藝參數(shù)組合。

1 分析模型

1.1 鋼/鋁傳動軸結(jié)構(gòu)參數(shù)

某商用車傳動軸的結(jié)構(gòu)如圖1所示。擬采用鋁制軸管與鋼制軸端，其中鋁軸軸管管徑為100 mm，壁厚為3 mm。

圖1 傳動軸結(jié)構(gòu)

傳動軸軸管材料為6061鋁，軸叉材料為40Cr。材料的本構(gòu)采用Shock狀態(tài)方程下的Johnson-Cook模型，材料參數(shù)如表1所示。

表1 材料的Johnson-Cook模型參數(shù)

Tab.1 Johnson-Cook model parameters of materials

1.2 數(shù)值模型

磁脈沖焊接數(shù)值模型如圖2a所示，螺旋線圈采用截面為7 mm×5 mm的矩形紫銅導(dǎo)線繞制而成，搭接區(qū)域即焊接長度為16 mm，采用將外管端部擴口的預(yù)成形工藝，將擴口后的外管與內(nèi)管進(jìn)行搭接后采用磁脈沖進(jìn)行焊接。圖2b所示的外管和內(nèi)管的碰撞區(qū)域不同位置的碰撞速度存在較大差異，不同位置的界面波形也因此有較大差異，故將碰撞區(qū)域均勻劃分為如圖2b所示的4個區(qū)域。

圖3為連接界面的波形特征，波幅和波長分別為和，界面波形的長度為，其中為焊接區(qū)域中界面波形存在的區(qū)域長度。一般來講，波幅較大，波長較小的波形形狀會使連接性能更好，越大焊接質(zhì)量越好。

圖2 磁脈沖焊接模型

圖3 連接界面波形特征示意

1.3 光滑粒子流體動力學(xué)方法

光滑粒子流體動力學(xué)（SPH）是一種完全基于拉格朗日的技術(shù)，可用來模擬多相流動、變形沖擊問題和熱傳導(dǎo)問題[18]。SPH方法的主要優(yōu)點是不需要數(shù)值網(wǎng)格來計算空間導(dǎo)數(shù)，避免了與網(wǎng)格交錯和變形有關(guān)的嚴(yán)重問題。目前有很多有限元軟件具備SPH算法，文中的連接界面波形模擬采用ANSYS中的Autodyn模塊進(jìn)行。

文中采用分步模擬的策略，將有網(wǎng)格和無網(wǎng)格的數(shù)值模擬方法結(jié)合起來，連接界面波形模擬采用ANSYS中的Autodyn模塊，選擇顯示求解方法進(jìn)行，其適用于伴隨著塑性大變形和材料破壞的沖擊動力學(xué)模型計算，求解速度非常快尤其適用于無網(wǎng)格且粒子劃分較多的幾何結(jié)構(gòu)問題。在保證求解精度的同時，為加快求解速度采用2D模擬的方法來進(jìn)行模擬，以減少粒子數(shù)量，并選擇SPH算法，劃分粒子尺寸為0.005 mm×0.005 mm。

將磁脈沖仿真得出的碰撞角度、碰撞速度輸入到SPH模型中，仿真后便可得出磁脈沖連接后各區(qū)域的焊接界面波形特征圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 工藝參數(shù)的影響

2.1.1 擴口角度的影響

磁脈沖仿真設(shè)置放電電壓為60 kV，設(shè)備電容為440 μF，擴口角度分別為14°，16°，18°，20°，各個角度下不同區(qū)域碰撞速度如表2所示

表2 不同擴口角度下的區(qū)域碰撞速度

Tab.2 Area collision velocity under different flaring angles

由表2可知，區(qū)域1和區(qū)域2的大部分區(qū)域碰撞速度過小，區(qū)域3和4碰撞速度較大，碰撞速度小時，界面波形不明顯，故選取區(qū)域3和區(qū)域4的界面波形進(jìn)行分析。

圖4為不同擴口角度下界面波形參數(shù)的變化情況，圖5為不同擴口角度下的界面波形。由圖4與圖5可知，放電電壓一定時，隨著擴口角度的增加，相同區(qū)域的碰撞角度和速度會呈現(xiàn)增加趨勢，區(qū)域3和4界面波的波形逐漸規(guī)則，波長與波幅均逐漸增加。區(qū)域4波長隨角度的增大而增加的趨勢明顯，也顯示出區(qū)域3和區(qū)域4界面波的波幅隨角度的增加也呈現(xiàn)出增加的趨勢。結(jié)果表明放電電壓一定時，增大擴口角度可以增大界面波的波長和波幅。這是由于放電電壓增加，系統(tǒng)放電能量增加，鋁管沖擊速度加大，在一定范圍內(nèi)使連接接頭界面不穩(wěn)定流動增加，形成波形特征，增加了界面連接強度。

2.1.2 放電電壓的影響

在擴口角度為16°，設(shè)備電容為440 μF時，通過仿真得到不同放電電壓下各區(qū)域的內(nèi)外管碰撞速度，見表3。

由表3可知，隨著放電電壓的增加，內(nèi)外管碰撞速度增加得比較明顯，區(qū)域1和區(qū)域2的碰撞速度相較于區(qū)域3和區(qū)域4較小，且隨著放電電壓的增加，增幅也較小，故選擇界面波形更加明顯的區(qū)域3和區(qū)域4進(jìn)行分析。

圖4 不同擴口角度下的界面波形參數(shù)

圖5 不同擴口角度下的界面波形

表3 不同放電電壓下的區(qū)域碰撞速度

Tab.3 Area collision velocity under different discharge voltages

圖6為不同放電電壓下界面波形特征變化情況。由圖6可知，放電電壓增加使同一區(qū)域的碰撞速度增大，從而影響界面波形的變化。隨著放電電壓的增加，內(nèi)外管碰撞速度增加得比較明顯，區(qū)域3和區(qū)域4由于碰撞速度足夠，產(chǎn)生了如圖7所示的波形界面，并且區(qū)域4的波形特征要更加明顯，由圖6與圖7可知，區(qū)域3和區(qū)域4的界面波隨放電電壓的增加，波幅和波長均逐漸增大。

圖6 不同放電電壓下的界面波形參數(shù)

圖7 不同放電電壓下的界面波形

2.1.3 設(shè)備電容的影響

設(shè)置放電電壓為60 kV，擴口角度為16°，電容值分別設(shè)定為110，220，330，440 μF。不同電容值下不同區(qū)域的碰撞速度如表4所示。

由表4可知，內(nèi)外管各區(qū)域的碰撞速度也逐漸增加，但幅度較小，因為增加設(shè)備電容雖然提高了電流幅值，也同時增大了放電周期，導(dǎo)致了電流變化率變化不大，因此在不同設(shè)備電容值下內(nèi)外管各區(qū)域碰撞速度雖然呈現(xiàn)增加的趨勢，但是速度增加得較小。區(qū)域1和區(qū)域2的速度和增幅均較小，故選取界面波形明顯的區(qū)域3和4進(jìn)行界面波形分析。選取區(qū)域3和4界面波的波長、波幅和波幅/波長值如圖8所示。

由圖8可知，區(qū)域4在電容為110 μF時波幅與波長均較大，波形特征相對明顯，電容增加對波形特征影響不大，區(qū)域3在低電容值時波幅與波長均相對較小，波形特征不明顯，隨著電容值的增加，波形特征隨著電容值的增加而增加，速度變化不大呈現(xiàn)出界面波形的波幅和波長變化不大。區(qū)域3和區(qū)域4的波幅/波長的值呈現(xiàn)出增加的趨勢，這表明適當(dāng)增加設(shè)備電容可以使波形特征更加明顯，波幅和波長的比值也越來越大，有利于連接。

表4 不同設(shè)備電容下的區(qū)域碰撞速度

Tab.4 Area collision velocity under different equipment capacitance

2.2 工藝優(yōu)化

磁脈沖焊接中，界面波形特征和焊接區(qū)域的大小影響著焊接質(zhì)量，故選取波幅值、波幅/波長值和波形區(qū)域的長度作為試驗的評價指標(biāo)。

根據(jù)前文進(jìn)行的仿真分析，確定放電電壓、擴口角度和設(shè)備電容作為試驗因素，均勻選取4個水平，設(shè)計正交表為L16(43)，具體設(shè)計如表5所示。

圖8 不同設(shè)備電容下的界面波形參數(shù)

表5 因素水平設(shè)計

Tab.5 Factor level design

2.2.1 波幅值正交試驗結(jié)果分析

不同因素水平對區(qū)域3和區(qū)域4波幅的影響關(guān)系如圖9所示。

由圖9可知，區(qū)域3和區(qū)域4的波幅變化規(guī)律基本一致，擴口角度對界面波幅的影響最大，各因素對波幅的影響程度為：擴口角度（C）＞放電電壓（A）>設(shè)備電容（B）。通過極差分析，得到區(qū)域4波幅值較大的參數(shù)組合為A4B4C4，即放電電壓為65 kV、設(shè)備電容為440 μF、擴口角度為20°；區(qū)域3波幅值較大的參數(shù)組合為A4B3C4，即放電電壓為65 kV、設(shè)備電容為330 μF、擴口角度為20°。

分別對其進(jìn)行模擬分析，高電容模擬下區(qū)域4的波幅值為56.2 μm，優(yōu)于表5中的任一組合，但這一組合下的波幅/波長值僅為0.194；低電容下區(qū)域3的波幅為40.4 μm，也優(yōu)于正交試驗表中的任一組合，但是該組合下的波幅/波長值為0.168，相比于其他組合也比較小，因此需要進(jìn)行更進(jìn)一步的優(yōu)化分析。

圖9 波幅的因素水平影響關(guān)系

2.2.2 波幅/波長值正交試驗結(jié)果分析

不同因素水平對區(qū)域3和區(qū)域4波幅/波長的影響關(guān)系如圖10所示。

由圖10的極差分析可知，區(qū)域3中各因素對波幅/波長值的影響程度為：設(shè)備電容（B）＞放電電壓（A）＞擴口角度（C），區(qū)域3波幅/波長值較大的參數(shù)組合為A4B3C2，即放電電壓為65 kV、設(shè)備電容為330 μF、擴口角度為16°；區(qū)域4中各因素對波幅/波長值的影響程度為：放電電壓（A）>擴口角度（C）>設(shè)備電容（B）。得到區(qū)域4波幅/波長值較大的參數(shù)組合為A2B3C2，即放電電壓為55 kV、設(shè)備電容為330 μF、擴口角度為16°；分別對其進(jìn)行模擬分析，高電壓下區(qū)域3的波幅/波長值為0.218，低電壓下區(qū)域4的波幅/波長值為0.229，均優(yōu)于正交試驗表中的任一組合，但是2個組合的波幅值均較小，需要進(jìn)一步優(yōu)化。

圖10 波幅/波長的因素水平影響關(guān)系

2.2.3 波形區(qū)域正交試驗結(jié)果分析

不同因素在不同水平下的成波區(qū)域長度的均值與極差如圖11所示。

圖11 成波區(qū)域長度的因素水平影響關(guān)系

由圖11可知，放電電壓對于成波區(qū)域長度的影響最大，各因素對波幅的影響程度為：放電電壓（A）＞擴口角度（C）＞設(shè)備電容（B）。通過極差分析，得到波形區(qū)域值較大的參數(shù)組合為A4B3C4，即放電電壓為65 kV、設(shè)備電容為330 μF、擴口角度為20°。

2.3 灰色關(guān)聯(lián)度

灰色關(guān)聯(lián)度分析主要根據(jù)邏輯數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，利用其整體性、偶然對稱性、標(biāo)準(zhǔn)性、相近性4個原則，對影響對象的主要未知因素間的關(guān)系進(jìn)行尋求[19]。通過正交試驗及極差、方差分析，得到的波幅值、波幅/波長值及波形區(qū)域長度的最佳工藝參數(shù)并不完全一樣，為了得到兼顧波幅值、波幅/波長值及波形區(qū)域長度的最佳工藝參數(shù)，建立了灰色關(guān)聯(lián)度模型，將3個評價指標(biāo)綜合成單一目標(biāo)作為綜合質(zhì)量的評價標(biāo)準(zhǔn)聯(lián)度，進(jìn)行單一綜合目標(biāo)尋優(yōu)，在兼顧3個指標(biāo)的情況下，提高磁脈沖焊接的質(zhì)量?；疑P(guān)聯(lián)度均值越大，說明多目標(biāo)關(guān)聯(lián)性越好，對指標(biāo)的影響越大?；疑P(guān)聯(lián)度均值如圖12所示。

由圖12可知，A4B3C2是綜合最優(yōu)參數(shù)組合，即放電電壓為65 kV、設(shè)備電容為330 μF、擴口角度為16°，此參數(shù)組合下波形區(qū)域長度為10 mm，與波形區(qū)域正交試驗中參數(shù)組合A4B3C4的波形區(qū)域長度一致，區(qū)域4的波幅值為46 μm，與波幅值正交試驗中參數(shù)組合A4B4C4的波幅值相差7.9 μm，波幅/波長值為0.219，與波幅/波長值正交試驗中參數(shù)組合A2B3C2的波幅/波長值相差3.9%，區(qū)域3的波幅值為38 μm，與波幅值正交試驗中參數(shù)組合A4B3C4波幅值相差2.37 μm，波幅/波長值為0.218，優(yōu)于正交試驗中的任一組合。該組合兼顧了波幅值、波幅/波長值及波形區(qū)域長度并得到了較好的改善。

圖12 灰色關(guān)聯(lián)度均值

3 結(jié)論

1）擴口-磁脈沖焊接工藝均通過影響焊接區(qū)域碰撞速度使界面波形產(chǎn)生變化；放電電壓增加，界面波長和波幅都逐漸增大，波幅/波長值也呈現(xiàn)出增加的趨勢，適當(dāng)增加電壓可以使波形特征更加明顯；擴口角度增加，界面波的波長和波幅也隨之增加。隨著擴口角度的增加，波幅/波長值均呈現(xiàn)出先增加后減小的趨勢，且減小的速度較快。隨著設(shè)備電容值的增加，碰撞速度變化不大呈現(xiàn)出界面波形的波幅和波長變化不大，波幅/波長值呈現(xiàn)出增加的趨勢。

2）選取放電電壓、設(shè)備電容和擴口角度為設(shè)計變量，進(jìn)行正交試驗得出單目標(biāo)優(yōu)化最佳參數(shù)組合，其中區(qū)域4波幅值較大的參數(shù)組合為放電電壓為65 kV、設(shè)備電容為440 μF、擴口角度為20°；區(qū)域3波幅值較大的參數(shù)組合為放電電壓為65 kV、設(shè)備電容為330 μF、擴口角度為20°。區(qū)域3波幅/波長值較大的參數(shù)組合為放電電壓為65 kV、設(shè)備電容為330 μF、擴口角度為16°；區(qū)域4波幅/波長值較大的參數(shù)組合為放電電壓為55 kV、設(shè)備電容為330 μF、擴口角度為16°。波形區(qū)域值較大的參數(shù)組合為放電電壓為65 kV、設(shè)備電容為330 μF、擴口角度為16°。

3）采用灰色關(guān)聯(lián)度對焊接工藝參數(shù)進(jìn)行綜合優(yōu)化，得到兼顧波幅值、波幅/波長值及波形區(qū)域長度的最佳工藝參數(shù)，組合為放電電壓為65 kV、設(shè)備電容為330 μF、擴口角度為16°，該組合下界面波形特征得到較好的改善。

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Optimization of Magnetic Pulse Welding Process for Steel/Aluminum Drive Shaft Based on Interface Analyses

MENG Zheng-hua1a,1b,2, XIAO Chao1a,1b, QIAN Duo-fa1a,1b, GUO Wei1a,1b, LIU Wei1c

(1. a. Hubei Key Laboratory of Advanced Technology for Automotive Components; b. Hubei Collaborative and Innovative Center for Automotive Components Technology; c. School of Materials Science and Engineering, Wuhan University of Technology, Wuhan 430070, China; 2. State Key Laboratory of Advanced Design and Manufacturing for Vehicle Body, Hunan University, Changsha 410082, China)

The work aims to study the effect laws of magnetic pulse welding process parameters on the waveform characteristics of the welded joint interface of steel/aluminum drive shaft and optimize and design the welding process parameters. The smooth particle dynamics simulation method was used to analyze the interface waveform of the joint. With the characteristics of the interface waveform as the target, the effect degree of process parameters (flaring angle, discharge voltage, and equipment capacitance) of magnetic pulse welding on the interface of the welded joint was studied. The gray correlation method was adopted to analyze and get the comprehensive optimal process parameter combination. With the increase of the flaring angle, the wave amplitude/wavelength value of the steel/aluminum tube shaft connection interface showed a trend of first rising and then decreasing; the discharge voltage increased, the interface wave amplitude/wavelength value increased; the energy storage capacitance value had no effect on the tube shaft collision speed; and the amplitude and wavelength of the connection interface did not change much. The discharge voltage had the greatest effect on the length of the wave forming area of the interface; and the effect degree of various factors on the wave amplitude was: discharge voltage>flaring angle>equipment capacitance. The analysis of the effect degree of the process parameters on the welding strength through the joint interface has a theoretical guiding role for the design of the steel/aluminum drive shaft flaring-magnetic pulse welding process.

aluminum/steel drive shaft; flaring process; magnetic pulse welding; interface waveform; simulation optimization

10.3969/j.issn.1674-6457.2022.03.010

TG456.9

A

1674-6457(2022)03-0078-09

2021-07-13

國家自然科學(xué)基金（52005374）；湖南大學(xué)汽車車身先進(jìn)設(shè)計制造國家重點實驗開放基金（31815008）；教育部新能源汽車科學(xué)與關(guān)鍵技術(shù)學(xué)科創(chuàng)新引智基地（B17034）

孟正華（1980—），男，博士，副教授，主要研究方向為汽車輕量化。