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小口径TC4焊接管件端口电磁校形研究

来源:至德钢业 日期:2019-10-20 23:57:10 人气:204

TC4焊接管件由于制造时管件端口夹持及材料自身应力的存在,往往造成管件端口圆度不满足要求,目前采用校圆的方法生产效率慢自动化程度低并且精度不够为此针对内径23mm,壁厚1mmTC4焊接管件,采用电磁校形的方法进行管件端口校圆应用Ansoft Maxwell有限元分析软件,对放电回路电流及电磁力大小分布进行研究,将仿真结果与实验情况进行比较,结果表明:电磁校形可以明显改善TC4焊接管件的端口圆度;放电能量一定时,合理选择电容可以提高电磁成形效率;对TC4等低导电率材料的电磁校形,驱动片能够明显提高感应电流密度,并且驱动片厚度过大与过小都会影响电磁校形的效果;带铁芯的线圈虽本身消耗一定的能量,但可以显著提高磁场强度,改善管件端口电磁校形精度

1引言

钛合金是一种先进的金属材料,具有比强度高,热强度高,抗腐蚀和材料韧性好,机械性能优异等特点,被广泛应用于航空航天工业,汽车制造船舶制造等行业,从而可降低成品的结构质量系数,提高整体强度,延长产品的寿命但是钛合金的上述优点同时又给钛合金的研制和加工带来了很大的技术难题,尤其是我国在钛合金管材制造弯曲成形管端口加工和连接等方面技术不完善[1]。电磁成形也称为磁脉冲成形,它是利用电容瞬间放电,放电电流通过线圈产生强大的脉冲磁场力使金属材料变形的高速率高能量工艺方法和传统的加工方法相比,电磁成形具有加工精度高,成形均匀性好,生产效率高,易与其他工艺结合实现自动化机械化等优点[2]

目前有关管件电磁成形的研究与应用很多,文献[3]对电磁成形管件受力及放电回路进行了研究;文献[4]提出了一种多物理场耦合的2D3D有限元模拟,分析了管材自由胀形的动态过程,研究成形顺序和模具尺寸对管件变形的影响;文献[5]通过对比电磁胀形求解的几种方法,分析其各自的特点,得出采用有限元方法最接近胀形的实际情况;文献[6]通过电磁压印实验研究了铜驱动片的作用,说明采用驱动片可以有效提高成形效率,对驱动片的选用具有一定的指导意义采用有限元模拟与实验相结合的方法,对内径23mm,壁厚1mm端口不规则的钛合金焊接件的变形规律进行研究,并以管件端口圆度作为评价指标,将有限元模拟仿真得到的结果与实际实验中管口校形情况进行对比,分析成形系统中电容驱动片铁芯对放电回路以及校形效果的影响规律

2工作原理及模型建立

2.1工作原理

管件端口的电磁校形可以分为向外胀形校形和向内缩径校形为了更好的保证校形后钛管外表面的圆度符合要求,采用了向外胀形来校形的这种方式钛合金管件端口电磁校形工装示意图,如图1所示当电磁校形开始时,高压开关K闭合,储能电容C对螺线管线圈释放脉冲电流并在线圈周围形成一个强脉冲磁场,同时在临近的驱动片上产生相应的感应电流并形成一个与原磁场方向相反的感应磁场,两种磁场在线圈与驱动片的间隙内相互叠加,驱动片瞬间受到巨大的电磁力,随之产生高速率运动和变形并推动被校形的钛合金管件与外模具贴合

2.2有限元模型的建立

分析模型:由于钛合金电阻率高,集肤深度大,在电磁校形中主要依靠驱动片的高速率运动和变形来间接实现与外模贴合达到校形的目的,因此只对线圈,驱动片,铁芯三者进行建模分析带铁芯线圈结构的三维模型,如图2所示模型分析单元采用四面体单元,网格划分采用设置最大边值来自适应划分为了使模拟结果更贴近真实情况,这里激励采用Maxwell Circuit来设置外加载电路,并将此电路中的线圈直接与三维电磁场模型中的线圈耦合起来外加载电路,如图3所示

2.3电磁场仿真结果

1)电容对放电回路电流的影响分析:在实际操作中,电磁成型设备的条件决定了放电系统中放电能量具有一定限制,因此重点研究了放电能量一定时,电容对电磁校形效果的影响实验过程中,根据放电能量W=12 CU2可知通过改变电容与电压的组合使放电系统中放电能量保持不变放电能量一定,模拟电容为164uF410uF656uF时放电回路的电流曲线,如图4所示

由图形可知,放电回路电流的峰值随着电容的增加有下降的趋势,但总体变化不大;随着电容的增加,放电电流的震荡频率减小,放电电流在第一个放电周期的前半周期作用时间明显增长,电磁力对管件所做的有用功和管件变形时的动能变大,有利于钛合金管件的校形但是随着电容的增加导致放电电流震荡频率的减小,使得磁场渗入管件的深度变大,从而增加了磁场的损耗能量,一定程度上又制约了管件的校形[7]因此,在放电能量一定时,选择合理的电容有利于成形设备能量利用,提高成形效率和校形效果。(2)驱动片对电磁成形系统的影响分析:放电电流通过线圈的瞬间,驱动片上产生相应的感应电流,感应电流在驱动片上的流动方向与线圈中的电流流向相反,如图5所示5为电磁成形系统电流密度矢量图,可以看出驱动片表面表面电流密度可达3.25×1010A/m2,远高于TC4管件上感应电流密度。驱动片厚度分别为0.8mm0.5mm0.2mm时驱动片所受电磁力随时间的变化曲线图,如图6所示由图6可知,驱动片所受电磁力呈周期震荡趋势衰减,在大约30μs时达到最大值,驱动片厚度的变化对电磁力的震荡周期无影响,但是增加驱动片的厚度,能够明显提高其所受电磁力的峰值大小上述结果说明针对钛合金这样的低导电率材料的电磁校形,驱动片可以显著提高感应电流密度,产生更强的感应磁场,增加管件所受变形力;同时驱动片厚度的增加能够更进一步提升驱动片所受电磁力,从而改善管件最终的校形效果

3)铁芯对电磁力的影响分析:带铁芯线圈与不带铁芯线圈时对驱动片所受电磁体积力分布图,如图78所示从中可以看出驱动片所受电磁力相对均匀,方向一致垂直指向驱动片外侧,驱动片受到带铁芯线圈的电磁力显著大于不带铁芯线圈可知铁芯的增加提高了驱动片受力大小,能够明显提高材料的成形性能。但是铁芯在增大电磁力的同时,自身也消耗了一部分能量,如图9所示在电磁力成型系统放电的过程中,铁芯内部能量为2.31×108 J/m3

3实验验证

实验设备采用220V交流电源为电容量82.0uF的电容充电,其中可采用多个电容并联的方式来增加总体的电容量,以此达到改变电容的目的电磁成形机电压范围(0~10KV,最大放电能量20KJ实验用管件材料为钛合金,由两个半圆件焊接而成,管件内径23mm,壁厚1mm校形模具材料为45号钢校形线圈由横截面积6mm2的紫铜漆包线绕制而成,中间塞入一根内径为5mm的铁芯驱动片为宽25mm的紫铜箔缠绕在钛合金管件内,并焊接成一个完整圆环驱动片与钛管之间加入一层杜邦纸来达到缘的目的实验所用工装,如图10所示

钛合金焊接管件校圆前后的外观对比,经过电磁校形后,钛管的端口圆度得到明显改善,尤其在焊缝处最为明显,如图11所示本实验是在放电能量为定值的情况下,分别将改变电容驱动片厚度铁芯参数后的校形效果作对比为了提高实验测量数据的准确性,实验采用了三坐标测量仪进行测量测量时将每组实验分别进行三次,选取三次测量的平均值作为校形后钛管的平均圆度每组实验最终得到的圆度平均值,如表1所示

根据表1可以看出,经过电磁校形后的钛合金焊接管件端口圆度明显降低;在放电能量为定值的情况下,钛管的圆度平均值随电容的增加而减小,但也存在少数电容增加,圆度平均值上升的情况;驱动片厚度对钛合金管件的校形效果影响显著,随着驱动片厚度的增加,钛管的圆度平均值下降,但是当管件达到基

本贴模,此时再增加驱动片厚度对管件圆度值影响不大,导致能量利用降低,并且在实验过程中由于驱动片厚度的不断增加甚至出现了驱动片与管件连接在一起难以分离的情况,影响校形质量;线圈内带有铁芯校形后的圆度平均值明显低于无铁芯情况,说明带有铁芯可以使钛合金管件受到的电磁力变大,提高电磁校形的效果实验结果的影响因素众多,包括外模具精度和钛合金管件驱动片外模具三者之间的间隙以及实验过程中的测量误差均会对实验结果产生影响,使模拟结果与实验结果形成差异,但是对比两者发现总体变化趋势是一致的

4结论

1)电磁成形技术可以改善钛合金焊接管件的端口圆度,圆度值在焊缝处的降低尤为明显2)放电能量一定,电容增加会导致放电电流震荡频率减小,延长第一半波的作用时间,增加对钛管所做的功,提高校形效率;但电容增大同时又会增加磁场的损耗,限制管件的校形因此,电容对成形过程的影响比较复杂,合理选择电容可以提高成形效率3)驱动片能够明显提高感应电流密度,并且驱动片厚度增加可以显著降低电磁校形后的钛管端口圆度,当钛管基本贴膜时,再增加驱动片厚度对校形效果影响不大,能量利用率降低,甚至会出现驱动片与钛管连接在一起难以分离的问题4)带有铁芯的线圈可以提高驱动片所受电磁力,虽铁芯本身有一定得能量损耗,但总体上带铁芯的校形效果明显优于无铁芯情况

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