Современные способы сварки: Виды и способы сварки

Содержание

новые технологии и перспективы развития

Еще в 1802 году русский ученый Василий Владимирович Петров совершил открытие. Он обнаружил: при пропускании электрического тока через два угольных стержня между их концами возникает высокотемпературная электрическая дуга. Именно академик Петров не только изучил и составил описание данного явления, но также указал на возможность использования тепла подобной дуги для расплавления металлов.

Некоторое время это открытие оставалось лишь частью фундаментальной науки. Однако уже к концу девятнадцатого столетия сварка как метод стала неотъемлемым элементом многих технологических процессов. В России дуговую электросварку впервые применили на Куваевской мануфактуре и заводе Пономарева в Иваново-Вознесенске. В 1888 году этот способ был использован в мастерских Орловско-Витебской железной дороги для ремонта паровозных и вагонных колес, рам, решеток и так далее. В течение пяти лет данный способ распространился по всей России.

С тех пор сварочные технологии, конечно же, шагнули далеко вперед и проникли практически во все сферы индустрии. По оценкам экспертов: «Более половины валового национального продукта промышленно развитых стран создается с помощью сварки и родственных технологий. До 2/3 мирового потребления стального проката идет на производство сварных конструкций и сооружений. Во многих случаях сварка является единственно возможным или наиболее эффективным способом создания неразъемных соединений конструкционных материалов и получения ресурсосберегающих заготовок, максимально приближенных по геометрии к оптимальной форме готовой детали или конструкции».

Кстати, в настоящее время сварка используется для соединения отнюдь не только стальных конструкций. «Сегодня сварка применяется для неразъемного соединения широчайшей гаммы металлических, неметаллических и композиционных конструкционных материалов в условиях земной атмосферы, Мирового океана и космоса. Несмотря на непрерывно увеличивающееся применение в сварных конструкциях и изделиях легких сплавов, полимерных материалов и композитов, основным конструкционным материалом остается сталь. Именно поэтому мировой рынок сварочной техники и услуг возрастает пропорционально росту мирового потребления стали. К началу ХХI в. он оценивается примерно в 40 млрд долларов, из которых около 70% приходится на сварочные материалы и около 30% – на сварочное оборудование» (там же).

Принципиальный вопрос для отрасли технических газов: каким образом будет меняться рынок сварки и сварочного оборудования? Какие тенденции возьмут верх?

Специалисты полагают (хотя следует учитывать, что это лишь прогноз): в обозримой перспективе основными способами соединения останутся контактная и дуговая сварка. Одновременно ожидается заметный рост применения лазерных технологий. Хотя они по-прежнему будут оставаться «в меньшинстве», но их доля возрастет до 6%, а возможно и до 8%.

А вот прогноз для газовых резки и сварки, скорее, негативный. По оценкам экспертов, доля соответствующего оборудования будет снижаться. Однако не катастрофически: она останется значительной. Так что создание нового оборудования для сварки и резки останется одной из главных задач конструкторов отрасли.

Если говорить о сварочных технологиях, стоит упомянуть еще об одном направлении: о создании инструментов и методов, позволяющих контролировать качество сварки без ее разрушения, причем как в заводских условиях, так и «в поле». В частности, речь идет о портативной аппаратуре ультразвукового контроля.

Значимое направление перспективного развития сварочных технологий напрямую пересекается с наукой о материалах. Необходимо создавать сложные композиционные материалы, а также высокопрочные стали. Все более широкое применение находят сейчас сплавы, содержащие в себе такие металлы, как литий, скандий, циркон. Ведутся работы по созданию хорошо свариваемых титановых сплавов. Наконец, продолжаются активные исследования по созданию специальных материалов на основе полимеров. Это, по оценкам ученых, должно повысить характеристики жесткости и прочности.

Если же говорить о более «приземленных» вещах, то одной из наиболее значимых тенденций в сварочном деле является происходящий буквально на глазах переход на компьютерное моделирование соответствующих процессов. Там, где прежде требовался целый аппаратный комплекс, сегодня достаточно одного устройства, оснащенного нужной «периферией».

Автоматизация позволяет использовать принципиально новые методы электрической сварки. Они строятся на быстром изменении тока, сочетании его высоких и низких импульсов и т.д. Все это позволяет сваривать сложные материалы, уменьшать время необходимой работы, повышать качество работы. Кроме того, снижаются требования к квалификации сварщика: нормальный рядовой профессионал с такой аппаратурой способен делать то, для чего прежде требовался поистине уникальный специалист.

Учитывая сферу интересов нашего журнала, имеет смысл отдельно остановиться и на новинках, напрямую связанных с газовой сваркой и резкой. Даже краткий обзор показывает: здесь за последнее время появилось немало интересного.

Так, одним из интересных направлений работы является создание портативных аппаратов: легких и компактных. Сегодня производители уже предлагают полностью готовые к использованию комплекты (включая систему автоматической подачи проволоки) весом менее 10 килограммов, их достаточно лишь подсоединить к газовому баллону.

К тому же такой аппарат оснащается цифровой системой управления. При помощи дисплея и кнопок настройки не только профессионал, но даже «любитель» (т.е. человек, занимающийся соответствующими работами лишь время от времени) выставляет исходные показатели: например, вид газа и диаметр проволоки. Далее аппарат настраивается сам. Это делает его исключительно простым в управлении, а значит удобным для широчайшего круга потребителей.

Еще одно направление – совершенствование газовых горелок. Казалось бы, что может быть более примитивным? Однако горелки современных конструкций способны, например, в течение длительной работы при высочайших температурах давать ровное пламя: без факелов и хлопков. Это исключительно важно при высококачественной сварке. Применение подобных горелок позволяет не прерывать работу, а значит, ощутимо повышает производительность труда сварщика.

Совершенствуются, кстати, и газовые горелки, используемые на больших производствах для обработки крупногабаритных деталей. Такие многосопловые агрегаты применяются, например, чтобы гнуть и сваривать трубы большого диаметра. При этом линейные горелки могут создавать ширину пламени вплоть до нескольких метров.

Наконец, направлением, о котором стоит упомянуть, является появление переносных аппаратов для резки металла, подразумевающих применение не газообразного, а жидкого топлива. Аппарат имеет небольшой бак (на 1,5 литра горючего),а также подсоединяется к обычной электрической сети.

В стволе подобного аппарата находится нагревательный элемент. Благодаря этому к соплу горелки подходит уже не жидкость, а газ. Затем он ионизируется и используется для резки металла в виде плазменного факела.

Данный подход имеет несколько немаловажных достоинств. Во-первых, жидкость, превращающаяся в газ, сама создает нужное высокое давление. Следовательно нет необходимости формировать его специальными средствами. А во-вторых, жидкое горючее способно создавать гораздо больше тепла. А значит, подобный аппарат имеет гораздо более высокую автономность.

Таким образом, даже беглый обзор показывает: рынок сварки продолжает развиваться. И места на нем хватит самым разным технологиям. Но все же за него придется бороться.

Поделиться в социальных сетях:
Похожие материалы

Область применения сварки

Сварка — наиболее экономичный и эффективный способ неразъемного соединения металлов, при котором две или более металлические детали становятся единым целым. Важность процесса сварки переоценить очень сложно, так как во многих развитых странах более половины созданного ВВП так или иначе связано с его использованием. Сварка считается одним из важнейших процессов в производстве, она, как ни один другой процесс, требует применения знаний в различных областях науки.

Существует большое разнообразие технологий создания сварного соединения, некоторые связаны с нагревом, другие не требуют высоких температур. Сварка применяется абсолютно везде: на производствах, в мастерских, гаражах, под водой и в космосе. Почти каждый предмет и механизм, используемый в повседневной жизни изготовлен с применением сварочного оборудования. Будь то кофейник, автомобиль или топливо для него, добытое при помощи сваренного бура, меняющие облик современного мира мосты и небоскребы — все это лишь малая часть вещей немыслимых без сварки.

Сварка помогает существовать и эффективно работать целым индустриям. Невозможно представить современное строительство без кранов, агропромышленный комплекс без тракторов и комбайнов, добывающую промышленность без трубопроводов и железных дорог, транспорт без грузовиков, кораблей и самолетов и т.д.

Современные технологии интенсивно проникают в сварочное дело, оборудование совершенствуется, его вес и габариты уменьшаются, аппараты оснащаются процессорами и позволяют делать работу качественнее и быстрее. 21 столетие открывает неплохие перспективы для сварки, она считается по прежнему проверенным способом соединения металлов, позволяющим добиваться отличного качества соединений при сравнительно низкой цене, а современные исследования и разработки лишь дополняют ее, позволяя выводить технологии сварки на качественно новый уровень.

Иметь аппарат дома для проведения небольших работ становится распространенным явлением не только среди сварщиков профессионалов, но и среди людей, которым нравится работать своими руками. Все чаще люди искусства используют сварку при создании скульптур, инсталляций и прочих арт-объектов. Этот процесс перестал быть доступным только на производствах и в промышленности, современный рынок предлагает огромное количество моделей бытового и полупрофессионального оборудования.

Область применения сварки огромна, процесс включает в себя множество технологий и способов, каждый из которых позволяет решать поставленные задачи наиболее эффективно. Мы с радостью поможем выбрать оптимальное решение для каждого конкретного случая, порекомендуем подходящее сварочное оборудование, продумаем комплектацию, осуществим быструю доставку — просто свяжитесь с нашими специалистами.

3.2.3. Специальные способы сварки

В ряде случаев они эффективно используются вместо сварки плавлением и контактных способов, несмотря на небольшой темп роста и объём применения.

Это относится к таким способам, как сварка трением, ЭЛС, сварка взрывом, диффузионная сварка, ультразвуковая и т.д., а также к различным видам пайки.

Электронно-лучевая сварка перспективна для сварки активных и тугоплавких металлов. К началу 1975 года в мире работали 1300–1400 установок, в 1980 г. – 6000 штук, к 2000 году их число достигло 10000 штук. Электронный луч обладает большой мощностью, изменяющейся в широком диапазоне, поэтому ЭЛС можно использовать и в электронике, и приборостроении, а также при изготовлении крупногабаритных изделий. Она широко используется в машиностроении, тракторном машиностроении – блок шестерён, детали коробки передач и т.д.

Сварка трением. В 1980 году мировой парк машин для сварки трением составлял 4500 штук. Она относится к одному из способов, который в последние годы интенсивно развивается во всех странах мира. Она применяется для сварки стыковых и Т-образных соединений, в которых круглые детали привариваются к плоским поверхностям (рис. 3.3). При этом необходимо, чтобы хотя бы одна деталь была телом вращения.

Рис. 3.3. Виды соединений при сварке трением

Способ производителен, обеспечивает высокое качество сварных соединений, хорошо поддаётся механизации и автоматизации; не требуется газовая и другая защита зоны сварки.

Диффузионной сваркой можно сваривать разнородные металлы и сплавы с резко отличающимися теплофизическими характеристиками, а также соединять малопластичные и тугоплавкие материалы.

К недостаткам можно отнести необходимость тщательной подготовки и подгонки соединяемых поверхностей, значительные затраты для сварки в вакууме.

Применяется диффузионная сварка в электронной промышленности для получения вакуум-плотных швов, термостойких и вибростойких соединений, можно приваривать, например, фольгу к массивной детали.

Ультразвуковая сварка применяется для сварки как металлов, так и пластмасс. Легко соединяются пластичные металлы (медь, алюминий, серебро и т.д.) между собой и в сочетании с малопластичными металлами (рис. 3.4). Можно выполнять сварку металлов со стеклом, керамикой. Особенностью является то, что не требует тщательной подготовки свариваемых поверхностей.

Для сварки применяются колебательные системы различных типов.

а б в

Рис. 3.4. Ультразвуковая сварка

Основной тип соединений – нахлёсточный. Сварка может выполняться точечными и непрерывными швами. Диапазон толщин – от микрон до 1 мм. Толщина второй детали может не ограничиваться.

Холодная сварка обеспечивается за счёт совместных пластических деформаций соединяемых деталей без внешнего нагрева, при этом температура, при которой происходит сварка, может быть сколь угодно низкой и даже отрицательной. Сваривают пластичные металлы, определяемые критерием свариваемости. Схемы сварки: точечная, шовная, стыковая. Точечной сваркой можно сваривать, например, листовой алюминий толщиной 0,1–10 мм; стыковой сваркой – провода площадью до 650 мм2.

Сварка пластмасс. Процесс сварки происходит в пределах температурного интервала сварки (ТИС) пластмасс Способы сварки: контактно-тепловая листов и труб, сварка газовым теплоносителем с присадочным и без присадочного материала, сварка ТВЧ, УЗС, трением, сварка лучом лазера и т.д.

Наплавка. Применяют для нанесения на поверхность изделия слоя материала с заданным составом и свойствами. Используется как при изготовлении новых деталей (например, клапанов двигателей внутреннего сгорания), так и при восстановлении изношенных деталей (например, колёсных пар железнодорожного подвижного состава). Для наплавки используют способы дуговой сварки. Широко применяются способы наплавки под флюсом, порошковыми проволоками и лентами. В настоящее время применяются различные специальные способы наплавки – вибродуговая, плазменная, газопорошковая, с индукционным нагревом, электрошлаковая, электроконтактная и др.

Советы и советы для начинающих и профессионалов

Справочник по сварке представляет собой исчерпывающее руководство по всем вопросам сварки. В каждом разделе представлена ​​информация для всех, от студентов, которым необходимо разбираться в основах, до опытных сварщиков, которым нужен краткий справочник.

Итак, давайте перейдем к основам, а также к некоторым вопросам и ответам, которые послужат хорошей отправной точкой при попытке окунуться в мир сварки.

Что такое сварка?

Сварка — соединение металлических деталей.Используемый процесс заключается в нагреве металла, который сплавляет их в прочную связь. В результате получается прочная связь, которая способна поддерживать приложения в производстве, аэрокосмической отрасли и строительстве.

Сварщик дуговой сварки

Как работает сварка

Сварка — это процесс, при котором электрическая дуга расплавляет два соединяемых металла, иногда с использованием расплавленного сварочного стержня или присадочного металла для создания прочного соединения. В процессе сварки отсутствуют химические реакции.Однако, поскольку расплавленный металл реагирует с кислородом воздуха, образуя оксид металла на свариваемой поверхности, который может ослабить сварной шов, для решения этой проблемы используются различные методы сварки.

Сварка стыков

Чем занимаются сварщики?

Сварщики выполняют следующие виды работ:

  • Активная сварка металлов между собой
  • Работа с блоками питания и горелками
  • Контроль сварных конструкций, соединений и материалов
  • Определение требований к металлу
  • Выбор методов сварки и инструментов
  • Рассчитать размеры свариваемого

Существует более 100 различных сварочных процессов.

Какие бывают сварочные процессы?

Обычными процессами сварки являются дуговая или дуговая сварка, TIG, GTAW или MIG. Различия касаются типа используемого электрода (расходный, неплавящийся), защитного газа и типа свариваемого металла.

Что такое дуговая сварка?

При дуговой сварке зазор между электродом и обрабатываемым металлом используется для выделения тепла. Тепло либо плавит два соединяемых металла, либо два металла плавятся вместе с присадочным металлом.Наполнитель может поступать из отдельного стержня с использованием неплавящегося электрода (не плавится), или сам электрод является наплавочным металлом (расходуемым электродом), который плавится в проекте.

Процесс сварки защищен газом (это называется защитой от дуги), чтобы кислород воздуха не окислялся или не покрывал поверхность сварного шва. Это может ослабить сварной шов. Типы дуговой сварки можно далее подразделить на методы плавления электродов и методы неплавящимся электродом.

Что такое методы дуговой сварки плавящимся электродом?

Типы сварочных материалов для дуговой сварки:

  • SMAW (дуговая сварка в экранированном металле или электродная сварка)
  • MMAW (ручная дуговая сварка металлом), другое название для SMAW
  • GMAW (газовая дуговая сварка металлическим электродом) — MIG и MAG являются подтипами GMAW
  • FCAW (порошковая сварка)
  • SAW (сварка под флюсом)

Методы дуговой сварки неплавящимся материалом

  • GTAW (газовая дуговая сварка вольфрамом)
  • Плазменно-дуговая сварка

Что такое ручная сварка?

Stick, или SMAW (дуговая сварка защищенным металлом) — это процесс, при котором электричество пропускается между электродом и свариваемым металлом.Электрод представляет собой материал, покрытый флюсом. Материал представляет собой металл, совместимый со свариваемыми металлами, и действует как наполнитель. Флюс создает пар, который действует как экран над сварным швом, защищая сварной шов от окисления. Плюс в том, что этот процесс прост в использовании.

Обратной стороной сварки штучной сваркой является необходимость замены расходных материалов электрода и образование шлака, который образуется при нагревании флюса, который необходимо отслаивать от свариваемых материалов после завершения сварки.Сварка палкой в ​​основном используется для сварки черных металлов, таких как медь, алюминий, никель и чугун.

Что такое сварка TIG или GTAW?

TIG (вольфрамовый инертный газ) или GTAW (газовая дуговая сварка вольфрамом) — это процесс дуговой сварки. В нем используется неплавящийся вольфрамовый электрод для подачи тока на сварочную дугу. TIG используется для соединения цветных металлов (медный сплав, магний, алюминий) и тонких металлов, таких как нержавеющая сталь. Сварочная ванна и вольфрамовый электрод защищены и охлаждаются инертным газом, например аргоном.TIG использует сварочные стержни в качестве присадочного металла.

Что такое сварка GMAW?

GMAW (газовая дуговая сварка металлическим электродом) использует электрическую дугу между обрабатываемым металлом и плавящимся проволочным электродом. Создаваемое тепло заставляет металлы соединяться. MIG (металлический инертный газ) и MAG (металлический активный газ) — это типы процессов GMAW, которые используются в Соединенных Штатах.

Что такое сварка MIG?

MIG использует расходуемый электрод вместе с инертными газами, такими как аргон и гелий. Сплошная стальная проволока подается от машины через наконечник горелки MIG.Наконечник электрически заряжен, расплавляя проволоку в сварочную ванну. Инертный газ, такой как аргон и гелий, используется для защиты дуги и лужи (газ, который нельзя объединять с другими элементами).

Окись углерода, которая не является инертным газом, хорошо работает при сварке MIG, что привело к изменению названия на GMAW. Тем не менее, большинство людей называют этот процесс MIG, хотя это технически неверно.

Сварка включает тепло, электричество и газ, элементы, которые требуют особого внимания к безопасности (но это весело)

Что такое сварка MAG?

Сварка

MAG используется для сварки стали в смесях кислорода, углекислого газа и аргона.Это процесс GMAW.

Кто открыл сварку?

Сварка была открыта в средние века, когда сварка давлением использовалась для изготовления небольших золотых коробок. Металлические сварные инструменты также были обнаружены с 1000 г. до н. Э. Современная сварка была запатентована в конце 19 века.

Изобретения, которые способствовали открытию сварки, произошли в 19 веке, когда Эдмунд Дэви открыл ацетилен (1836), а сэр Хамфри Дэви произвел дугу, используя энергию батареи между двумя угольными электродами.

В 1880 году Огюст Де Меритен из Франции использовал тепло от электрической дуги для соединения свинцовых пластин аккумуляторных батарей. В 885 и 1887 годах были выданы патенты Николаю Н. Бенардосу, ученику Огюста де Меритенса, получившего французский патент на сварку. Николай Н. Бернардос и его коллега Станислав Ольшевский получили американский (1887 г.) и британский (1885 г.) патенты на электрододержатель, используемый для сварки угольной дугой. Металлические электроды были впервые запатентованы в 1890 году C.L. Гроб, получивший СШАпатент на дуговую сварку с использованием этого процесса дуговой сварки.

C.L. Гробу приписывают первый известный случай, когда присадочный металл использовался для соединения двух металлических частей в сварной шов.

В каких отраслях используется сварка?

Сварка используется во многих отраслях промышленности, включая авторемонт, судостроение, разработку трубопроводов, аэрокосмическую промышленность, строительство и производство.

Магнитно-импульсная сварка: инновационная технология соединения одинаковых и разнородных металлических пар

1.Введение

В последнее время мультиметаллические гибридные материалы были произведены путем соединения разнородных металлов в их твердом состоянии [1–5]. Эти типы материалов становятся привлекательными в современных инженерных приложениях, поскольку они могут обеспечить множество атрибутов в одном решении [6–9]. Магнитно-импульсная сварка (MPW) — это инновационная технология соединения, которая в основном рассматривалась для этой цели [10]. Эта технология предполагает высокую скорость столкновения и пластическую деформацию с высокой скоростью деформации.В целом, деталь испытывает скорость деформации до 10 2 –10 4 с -1 [11], в то время как это может достигать предельного значения 10 6 –10 7 с -1 на интерфейсе [12]. Синергетический эффект электромагнитных явлений с пластичностью металла способствует преимуществам этого процесса по сравнению с обычными и другими методами высокоскоростной сварки. Однако этот процесс не получил широкого распространения до настоящего времени, хотя он известен с конца 1960-х годов [13, 14], а его стремительные преимущества были отмечены производителями автомобилей в начале 2000-х годов.То есть широкомасштабное внедрение этой технологии всегда было затруднено из-за наличия уникальных сложных реалий этого процесса. Но, к счастью, последние технологические достижения позволяют проводить тщательные исследования для понимания физических явлений этого мультифизического процесса и облегчают эффективное использование технологии в современных инженерных приложениях. Новые научные технологии предоставляют больше возможностей для изучения таких высокоскоростных производственных процессов с использованием сложных инженерных инструментов, таких как высокоскоростные измерения, экспериментальные наблюдения, микроскопический анализ и передовые вычислительные методы.

MPW, как полагают, предлагает инновационные решения в технологии соединения, и в этом контексте раскрываются достоинства процесса. Цели этой главы разделены на пять основных разделов, включая положение MPW на сегодняшний день и его возможности, описание процесса, характеристики и отклонения сварного шва, идентификацию характера сварного шва путем моделирования поведения границы раздела во время столкновения и вычисление внутреннего -динамика полета с использованием комбинированного мультифизического численного моделирования.

2. Положение процесса MPW сегодня и его влияние

Техническое и финансовое объединение процессов предлагает высокий потенциал и представляет собой значительный мировой рынок. Кратко представлен обзор добавленной стоимости, полученной от присоединения, чтобы ответить на растущий интерес к этой инженерной области. В этой части главы объясняется технико-экономический статус сварочной технологии, включая последние разработки в 2005–2007 гг., Касающиеся добавленной стоимости с ее тенденцией к увеличению для глобального рынка сварки.Текущее состояние технической эволюции знаменует собой важный технологический переход с появлением метода твердотельной сварки для MPW. Дан краткий обзор технических решений, разработанных MPW. Он также обеспечивает различные представления успешных конфигураций, подходящих комбинаций материалов и основных преимуществ, предлагаемых процессом MPW.

2.1. Социально-экономическое влияние процессов соединения и сварки

Недавнее исследование, посвященное европейской зоне, предоставляет данные, относящиеся к техническим и финансовым последствиям технологии соединения и добавленной стоимости, создаваемой соединительной производственной деятельностью [15].В случае Германии данные представляют собой репрезентативный показатель, поскольку эта страна является ведущим производителем соединительных машин, которые составляют около одной трети производства ЕС [15]. По имеющимся данным, только для этой страны добавленная стоимость, создаваемая сборочной отраслью, увеличилась более чем на 22 миллиарда евро к 2000-м годам без какого-либо значительного снижения [15], что соответствует 26% -ному увеличению на европейском уровне. Но вклад других стран также важен; сюда входят Италия, Франция, Польша и Соединенное Королевство, которые предоставили соответственно 18%, 10%, 9% и 8% [15].Эта оценка не включает ни мировых данных, ни недавних данных, но представляет собой показатель социально-экономического влияния технологии соединения.

Сварочные работы обычно охватывают значительную часть сборочного производства. Для справки, они вернули в 2003 г. общий рыночный оборот Германии в 19,3 млрд евро, что обеспечило 6% рабочих мест, связанных с этой отраслью, что представляет 1,7% увеличения возможностей трудоустройства, включая все сектора [16].Сравнительное исследование, проведенное между 2001 и 2005 годами, показало, что добавленная стоимость увеличилась на 18% от создания рабочих мест, включая 5%, напрямую связанных со сварочными работами [16]. Такое расширение подчеркивает социально-экономические преимущества, которые приносит сварочная технология. Кроме того, обратите внимание, что сварка представляет собой немалую инвестицию в несколько отраслей промышленности, включая наиболее передовые отрасли в сфере транспорта, энергетики и медицины.

В конкретном случае соединения металлов методы сварки обладают некоторой полезной гибкостью.Он не требует промежуточного соединительного компонента (болта, заклепки, клеевого слоя, припоя и т. Д.), Что дает возможность изготавливать конструкции с преимуществами снижения стоимости и веса. Сварной шов может служить неразъемным соединением, подходящим для многих механических характеристик. Кроме того, методы сварки могут применяться в различных масштабах длины, от микрометрических (микросварка) до нескольких сотен миллиметров. Кроме того, методы сварки включают в себя несколько методов и процессов, что делает их надежными, широко используемыми и неотъемлемыми для технологических достижений и инноваций.

2.2. Инновационный характер технологии электромагнитных импульсов (EMPT)

Обычные процессы сварки показывают трудности при соединении новых комбинаций металлов. Текущие инновации все чаще вводят разнородные узлы, которые позволяют решать новые задачи, такие как требования к малому весу, усиление конструкции и другие функциональные характеристики. В этом отношении инновационные решения привели к рассмотрению сложных функциональных комбинаций материалов, включая металлические сборки с разными температурами плавления, где процессы сварки плавлением не работают при создании таких соединений на границе раздела.Несоответствие между температурами плавления двух разнородных металлов препятствует успешному образованию соединения за счет затвердевания ванны расплава, как это обычно достигается в процессе сварки плавлением. Исследование новых методов привело к появлению различных принципов сварки, среди которых методы высокоскоростной ударной сварки (HVIW) позволяют склеивать разнородные металлические комбинации. Связывание под высоким давлением, непродолжительность и низкая температура являются основными отличительными характеристиками этих методов [17]. Сварка включает в себя сильное межфазное столкновение при различных методах высокоскоростного удара с использованием взрывной детонации (сварка взрывом), лазерного ударного импульса (лазерная точечная сварка), магнитного импульса (MPW) или срабатывания испаряющейся фольги (сварка срабатывания испаряющейся фольги) .

Использование электромагнитного импульса для создания значительной силы Лоренца делает MPW привлекательным методом по сравнению с другими процессами высокоскоростной сварки столкновением. EMPT особенно отличается стоимостью, надежностью, простотой использования, гибкостью, скоростью работы, отсутствием требований к расходным материалам и экологической эффективностью [18]. В этом методе просто периодически используются стандартный электрический источник и магнитная катушка. Сварочное испытание не требует ни обработки поверхности, ни длительной экспериментальной подготовки, и проводится в очень короткий период времени, т.е.е. для создания стыка требуется менее нескольких сотен микросекунд. Это точный метод соединения, который был успешно применен к нескольким аналогичным и разнородным металлическим комбинациям для различных конфигураций, таких как перекрытие, половинный нахлест, поперечный нахлест, концевой нахлест и т. Д. Этот метод соединения также подходит для различных геометрических компонентов, включая трубную сборку, пластины. или любой конкретной формы. Можно создать сложное распределение силы магнитного импульса благодаря большой гибкости конструкции инструмента для электромагнитной сварки [19].Текущие возможности EMPT описаны Kapil et al. [18]. Авторы представили всесторонний обзор успешных приложений, некоторые из которых находятся в стадии индустриализации, и растущий интерес к процессу в нескольких промышленных секторах, таких как автомобильные, аэрокосмические, ядерные, электрические и микроэлектромеханические системы (MEMS), устройства и упаковка [18 ]. Хотя практических результатов много, вкратце, его применение хорошо подходит для любого трубчатого узла, правильной или неправильной формы, а также для любых соединений плоской формы (рис. 1).EMPT успешно реализован для выполнения различных производственных задач с использованием полуавтоматических и полностью автоматизированных линий компанией «PSTproducts GmbH», которая также предлагает инженерные и промышленные решения, включая роботизированные манипуляторы для эффективного управления переносимостью устройства в промышленных сварочных шкафах (рис. 2) [20] . Кроме того, процесс охватывает широкий спектр комбинаций материалов, включая металлическое стекло на основе Cu / Zr [21], Al / металлическое стекло [22], Cu / манганин [23], гибкие печатные платы [24], Cu / латунь, Cu / сталь, Cu / Al, Al / сталь, Al / Mg, Al / Ni, Al / Fe, Al / Ti и Ti / Ni [25–27].Со всеми этими вышеупомянутыми преимуществами EMPT постоянно исследуется и постепенно оптимизируется, чтобы привнести новые потенциальные достижения для эффективного промышленного внедрения.

Рис. 1.

EMPT для промышленного применения, реализуемый компанией «PSTproducts» (a) электрическая шина Al / Cu [www.pstproducts.com], (b) гофрированная деталь коробки передач EMPT [www.pstproducts.com] (c ) Сварной алюминиевый сосуд высокого давления EMPT для системы кондиционирования воздуха [28], (d) Сварной алюминиево-стальной защитный бокс EMPT [www.pstproducts.com], (e) Сварная охлаждающая пластина из алюминия / меди EMPT [www.pstproducts.com] (f) Балка приборной панели из алюминиевой / стальной трубы из гофрированной трубы EMPT [28], (g) EMPT для закругления кромки алюминиевого сосуда под давлением [28] , (h) гофрированная алюминиевая крышка EMPT на фармацевтической стеклянной бутылке [29], (i) гофрированный приводной вал EMPT [28] и (j) гофрированная пневматическая подвеска EMPT [28].

Рис. 2.

(a) Автоматизированная роботизированная рука, используемая для реализации EMPT во время строительства Body in White (BIW), и (b) различные сварные компоненты, произведенные с помощью роботизированной руки компанией «PSTproducts» [20].

3. Описание процесса MPW

В общем, процесс MPW — это удобный для пользователя метод соединения. Принцип работы процесса прост, а процедура сварки быстрая, легкая и жизнеспособная. В этом разделе кратко объясняется общий принцип процесса, включая архитектуру сварочного аппарата и параметры сварки. Приведены взаимосвязи между параметрами процесса и сварки, включая спецификации их контролируемого и измеримого характера.Это дает целостное понимание принципа процесса с различными переменными, участвующими в выборе параметров сварки.

3.1. Архитектура магнитно-импульсной сварки

На рисунке 3 показана типичная архитектура магнитно-импульсной сварки с конфигурацией перекрытия, используемой для сварки комбинации сердечников с плакировкой. MPW является достаточно гибким, чтобы сваривать компоненты различной формы для различных конфигураций стыков, таких как полунахлест, нахлест, поперечный нахлест и концевой нахлест (раздел 2.2). По сути, установка MPW состоит из генератора импульсов, катушки и дополнительного формирователя поля.Генератор содержит трансформатор, который преобразует источник питания низкого напряжения в заряд высокого напряжения в диапазоне киловольт, хранящийся в конденсаторной батарее. Эта генераторная установка, подключенная к индукционной катушке через переключатель управления, обеспечивает высокий разрядный ток в диапазоне нескольких сотен килоампер. Электрический разряд, протекающий через катушку, создает магнитное поле, которое создает значительно большую силу Лоренца внутри внешней трубки (летательного аппарата) в случае трубчатой ​​сборки.Таким образом, летучая трубка подвергается пластической деформации с высокой скоростью деформации и сталкивается с неподвижным внутренним стержнем, вызывая столкновение с высокой скоростью. Частота импульсов разряда зависит от параметров электромагнитной цепи (уравнение 1) и находится в диапазоне 10–200 кГц, но обычные рабочие частоты находятся в диапазоне 10–20 кГц во время применения. Индуктивная многооборотная катушка может использоваться с формирователем поля, который концентрирует магнитное поле в рабочей зоне, увеличивая при этом напряженность магнитного поля.Более того, можно также управлять электромагнитным полем и последующей деформацией материала, используя различные геометрические формы формирователя поля для одной и той же катушки [30]. Процесс также может выполняться без формирователя поля в зависимости от требуемых параметров процесса, или может быть изготовлена ​​сама катушка, которая включает в себя геометрию формирователя поля, особенно подходящую для однооборотных катушек. Однако использование многооборотной катушки с однооборотным формирователем поля является важной практикой в ​​текущем производстве, которая снижает стоимость замены в случае повреждения любого инструмента.На рис. 3 показана конфигурация MPW, включающая катушку с отдельным формирователем поля, а также показано направление электромагнитных сил на внешней трубке, где сжимающая сила Лоренца способствует деформации трубчатой ​​крыла.

Рис. 3.

Типичная архитектура MPW и опрессовки трубных узлов, используемых в конфигурации с перекрытием.

Частота цепи f может быть определена другими параметрами с помощью уравнения (1).

Где L, — общая индуктивность цепи (H), а C, — емкость генератора (F).

3.2. Описание влияющих параметров и условий работы

По сути, тест MPW состоит из простой процедуры. Заготовки размещаются внутри рабочего участка трубчатой ​​сборки. Диаметр флаера и внутреннего стержня определяет воздушный зазор, который находится между внутренней поверхностью флаера и внешней поверхностью стержня. Формирование соединения в перекрывающейся конфигурации определяет длину сварного шва в зависимости от длины вставки стержня и трубы внутри рабочей зоны в сборке.Пользователь MPW подготавливает эту установку, в которой начальный воздушный зазор является одним из основных геометрических параметров, влияющих на условия столкновения и, следовательно, на формирование сварного шва. Командная консоль позволяет настроить напряжение разряда, которое является основным регулируемым параметром, контролирующим испытание сварки. Значение напряжения разряда указывается как оно есть или в единицах энергии разряда ( E ), определяемой уравнением (2).

Где E — энергия разряда (Дж), C — используемая общая емкость конденсатора батареи (F) и U — напряжение разряда (В).Обычно напряжение разряда и начальный воздушный зазор обеспечивают набор регулируемых параметров, обозначенных как ( U, g ). Они указаны для каждого соответствующего сварочного испытания. Однако частота импульсов разряда также становится решающим параметром процесса, поскольку она определяет проникновение магнитного поля из катушки через толщину флаера. Это создает вихревой ток во внешней области летательного аппарата, который проникает в соответствии с глубиной скин-фактора, определяемой формулой.(3). Взаимодействие вихревого тока с магнитным полем от катушки создает силу Лоренца, которая ускоряет летательный аппарат до момента его столкновения с внутренним стержнем. Следовательно, без эффекта глубины кожи движение летуна невозможно. Следовательно, для эффективного столкновения частота импульсов разряда должна быть выбрана таким образом, чтобы глубина скин-слоя была меньше, чем толщина стенки летуна. Уравнение (3) также обеспечивает указание влияния глубины скин-слоя на частоту импульсов разряда.Более подробную информацию о глубине скин-слоя можно найти в другом месте [31].

Где δ, ρ, f и µ o соответственно обозначают толщину зоны, подверженной скин-эффекту (м), удельное электрическое сопротивление летуна (Ом · м), частоту тока разряда ( Гц) и магнитной проницаемости в свободном пространстве.

Высокочастотный ток обычно рекомендуется для металлов с высоким сопротивлением. Следует также тщательно учитывать частоту импульсов разряда при установке генератора, который также изменяет мощность сварочного аппарата.Кроме того, увеличение частоты разряда сокращает длительность импульса, что впоследствии увеличивает скорость деформации летательного аппарата и, как следствие, динамический отклик материала и условия столкновения. Эти взаимосвязанные эффекты могут затруднить выбор подходящей частоты разряда, способствующей достижению ожидаемых результатов. Как правило, напряжение разряда и воздушный зазор являются наиболее регулируемыми параметрами для испытания MPW. Значение частоты импульсов разряда отображается экспериментальным измерением с помощью зонда Роговского.

4. Поведение границы раздела и вариации сварных швов

В обычном процессе сварки сварной шов в основном определяется тремя отдельными зонами: зоной затвердевшего расплава на стыке, окружающей зоной термического влияния и основными металлами, свойства которых остаются прежними . Сварной шов обычно производят в больших масштабах, чтобы обеспечить эффективное соединение на границе раздела во время обычного процесса сварки. Но в MPW, поскольку принцип соединения совершенно другой, понятие природы сварного шва особенно сильно различается с точки зрения размера и морфологии.Сварные швы с высокой скоростью удара обычно ограничиваются на границе раздела зон толщиной в несколько микрометров. Между двумя компонентами сразу возникает постоянная связь, но поведение границы раздела отражает различные вариации сварного шва. Исследования сварных образцов из соединений Al6060-T6 / Al6060-T6 позволили выявить типичные отклонения для аналогичной пары металлов [32–35]. Основные наблюдения таких исследований представлены в следующих разделах, в которых также рассматривается эффект объединения разнородных комбинаций.

4.1. Начало сварного шва без видимой межфазной деформации

Рис. 4.

Типичные межфазные особенности начала соединения [32, 33]: (a) увеличенный вид прямой стыковой границы раздела, (b) типичная большая зона соединения и (c) типичная связанная граница раздела с началом межфазного сдвига.

Интерфейс испытывает прогрессирующее кинематическое явление, которое управляет генерацией различных морфологий поверхности раздела при воздействии высокоскоростного столкновения.В MPW природа сварного шва обычно идентифицируется на микроскопическом уровне, и первый случай — это очевидное соединение, показывающее непрерывность металла через прямолинейную поверхность раздела (рисунок 4). Это соответствует началу сварного шва, вызванного преобладающим высоким напряжением сжатия, которое представляет собой гидростатическое напряжение, поскольку зерна, прилегающие к границе раздела, остаются недеформированными (рис. 4). Межфазная зона демонстрирует равноосную зернистую структуру без какой-либо заметной деформации, поддерживающей образование связи из-за гидростатических напряжений.Обычно ожидается, что контактное давление будет в диапазоне 1–20 ГПа согласно простой оценке, основанной на выражении давления столкновения P = ρ1ρ2C1C2Vi / (ρ1C1 + ρ2C2), где ρ 1 и ρ 2 — плотности материала, C 1 и C 2 — скорость продольных волн в этих материалах, а V i — скорость удара. Сварное соединение может быть практически прямым, если граница раздела остается стабильной во время полного столкновения (рис. 4b).Гидростатическая связь однородна по границе раздела, и столкновение в основном определяется нормальным напряжением. Однако из-за косого столкновения тангенциальная составляющая скорости удара может быть достаточно высокой, чтобы вызвать действие сдвига на границе раздела. Следовательно, в результате ограниченного сдвига близлежащие зерна вблизи границы раздела становятся сплющенными и удлиненными, как показано на рисунке 4c.

4.2. Межфазная деформация и волнистый характер связанных поверхностей раздела

Межфазный сдвиг вызывает серию кинематических нестабильностей, которые изменяют морфологию границы раздела, поведение которой, следовательно, аналогично нестабильности Кельвина-Гельмгольца, которая возникает на границах раздела жидкостей, подвергающихся межфазному сдвигу.Прямая граница раздела становится волнистой в начале нестабильности. Развитие волны на границе раздела определяется двумя основными явлениями: интерференцией сжимающих ударных волн из-за динамического столкновения и явлением разбрызгивания, обусловленным альтернативной инверсией. По предположению Бен-Арци и др., Первое явление — это механизм создания периодических горбов правильной формы [36]. Высота и периодичность волн зависят от размеров конструкции, интенсивности сжимающих напряжений и интерференции ударных волн вдоль границы раздела.В этих условиях зарождение и развитие горба можно рассматривать как следствие деформации склеенной и срезанной границы раздела за счет отражения механических волн. Все выступы, независимо от их амплитуды, демонстрируют деформацию сдвига вдоль границы раздела, которая будет правильно формировать волнистую поверхность раздела (рис. 5).

Рис. 5.

Типичные границы раздела фаз, полученные при магнитной импульсной сварке, с волнистой морфологией, демонстрирующие срезание зерен вдоль волнистого рисунка [32, 33].

4.3. Явление струи и границы раздела с неправильной волнистой формой

Межфазный сдвиг может достигать порога нестабильности из-за высокой скорости деформации и сильного сдвига. В литературе по ударной сварке для демонстрации этого обстоятельства используется понятие сдвиговой неустойчивости. Ограниченный сдвиг остается на границе раздела, но резко становится чрезмерным, так что возникает явление разбрызгивания. Перед точкой столкновения формируется тангенциальная струя, и кинематика струи управляется составляющей нормальной силы вдоль границы раздела, которая возникает как за счет ударных волн, так и за счет скорости удара.Струя может развиваться после серии восходящих и нисходящих струй, образуя последовательность перевернутых кривых вдоль границы раздела. Таким образом, поверхность раздела развивается за счет явления разбрызгивания, которое интерпретируется как индикатор сварного шва, так и механизм образования выступов на поверхности раздела. Однако кинематика срезанной границы раздела является сложной, поэтому трудно четко определить, какой механизм действительно формирует волнистую поверхность раздела: интерференция сжимающих ударных волн или явление разбрызгивания.Эти два фактора могут быть сопутствующими, асинхронными или обусловленными своими последствиями. В частности, для выступов правильной формы может преобладать одновременное выступание, как показано на Рисунке 6. Деформация границы раздела создает горб почти симметричной формы (правильной формы), в то время как зерна, прилегающие к связанной поверхности раздела, сильно срезаются с восходящей кинематикой при левая передняя часть горба и нисходящая кинематика справа спереди (рис. 6а). Если явление разбрызгивания становится преобладающим, неправильные формы возникают из-за развития горбов.Можно четко наблюдать аспект струи и ее ориентацию, которые зависят от управляющих напряжений. В типичном случае, показанном на рисунке 6b, возникает струя, направленная вниз. Первоначально это может быть восходящая струя, которая инвертируется интерференцией ударных волн на границе раздела, или чистая струя, направленная вниз, управляемая локальным развитием напряжения, или кинематическая нестабильность, управляемая только противоположным сдвигом, аналогичная неустойчивости Кельвина-Гельмгольца. на жидких поверхностях раздела, подверженных сдвигу. Следовательно, механизм образования волнистой границы раздела должен быть полностью исследован, несмотря на экспериментальное определение конкретных морфологий.

Рис. 6.

Волнистая морфология с сильным ограниченным сдвигом, разбрызгиванием, границей раздела неправильной формы и появлением дефекта [32, 33]. (а) Волновое образование с восходящей кинематикой, (б) нисходящая кинематика и (в) волнообразная граница раздела с появлением дефектов.

4.4. Развитие завихрений и образование дефектных сварных швов

Обычно волнистая форма определяется как особенность сварного соединения на высоких скоростях, а также предлагается как индикатор сварного шва. Тем не менее, различие между регулярным и нерегулярным развитием волнистых интерфейсов может быть полезным.Формирование неровных выступов из-за преобладания явления струйной обработки указывает на сильный сдвиг, который может способствовать ограниченному нагреву. Пластическая работа также может быть достаточно высокой, чтобы вызвать сильное термомеханическое размягчение, даже плавление, и, таким образом, сильное напряжение сдвига будет неблагоприятным для формирования сварного шва. Возможные последствия выброса также могут привести к образованию полостей на границе раздела сварных швов. Наблюдение на границе раздела на рисунке 7 представляет собой типичное начало дефектов, возникающих внутри нерегулярной волнистой границы раздела, вызванной явлением струйной обработки.Формирование отверстий наблюдается на кончике струи и вблизи сильно срезанных границ раздела (рис. 7). Более того, дефекты ограничиваются клеевым соединением. Дефектный сварной шов также может быть вызван кинематическим развитием границы раздела. Струйный поток может развиваться в сторону сложной кинематики, такой как закрученный поток. Зоны возникновения струй становятся потенциальными местами развития вихрей, подобных неустойчивости Кельвина-Гельмгольца в жидкостях. Экспериментально было очевидно, что зона воздействия струи (JAZ), содержащая заметные пустоты с круговой морфологией, подтверждает предположение о развитии вихря (Рисунок 7).Эти пустоты увеличиваются в размере в зоне воздействия вихря (ВАЗ), и их увеличение зависит от локальной кинематики и распределения напряжений. Обратите внимание, что размер пустот может достигать нескольких сотен мкм в том же диапазоне высоты выступов, то есть примерно равном размеру ширины сварного шва. Механизм образования пустот может происходить из-за выброса расплавленной жидкости, усадки при затвердевании или локальной фрагментации в сочетании с выбросом твердых частиц, управляемым напряжениями сдвига [32].В любом случае сварная граница раздела становится дефектной из-за образования прерывистых пустот (Рисунок 7).

Рисунок 7.

Типовые магнитно-импульсные сварные швы с дефектами на ВАЗе [33, 34].

MPW одинаковых пар металлов обычно выявляет природу сварного шва среди этих вышеупомянутых различий. Это крупное изображение полезно для определения свариваемости. Ясно, что единственного случая волнистой морфологии недостаточно для подтверждения образования сварного шва, как это обычно предполагается.Хотя этот индикатор сварного шва является ценным, соединение может происходить независимо от формы границы раздела, поэтому появление выступов может привести к дефектному соединению. Кроме того, значение волнистой морфологии обсуждается для разнородных комбинаций металлов. Однако эта ситуация больше не рассматривается как надежный способ рассмотрения образования облигаций. Несмотря на то, что в литературе по ударной сварке есть несколько случаев разнородных соединений правильной или неправильной формы волнистой формы, существуют некоторые случаи, когда образование выступов способствует образованию хрупких соединений.Этот сценарий был обнаружен при замене предыдущей пары Al6060-T6 / Al6060-T6 на непохожую комбинацию Al6060-T6 / Cu, при этом медь была внутренним стержнем, чтобы обеспечить такое же поведение в полете для летчика до столкновения. Дальнейшие исследования аналогичных и разнородных случаев в полете также изучаются с использованием мультифизического моделирования в разделе 6.

4.5. Сварка с межфазной смесью или интерметаллическими соединениями

Что касается различий материалов, медь более мягкая, имеет более высокую температуру плавления и быстрее рассеивает межфазный нагрев, чем у алюминиевого сплава.Комбинация этих свойств вызывает различный отклик на границе раздела Al / Cu во время столкновения. В отличие от предыдущего случая (Al / Al), основные заметные изменения связаны с природой интерфейса и особенно заметны с развитием вихря. Когда развивается вихревая нестабильность, медь образует твердую спираль из-за ее более высокой пластичности и более высокой температуры плавления, чем у летучей части. ВАЗ состоит из намотки, так что медь и алюминий локально перемешаны (рис. 8а).Кинематика вихря способствует соединению границ раздела посредством механизма блокировки, регулируемого явлениями перемешивания. Обратите внимание, что вихревая нестабильность развивается при высокой скорости деформации и чрезмерной деформации, так что нагрев пластической деформации позволяет расплавить алюминий во время явления закрутки. Расплавленная фаза быстро затвердевает благодаря ограничению нагрева, а быстрому отводу тепла способствует хорошая теплопроводность как меди, так и алюминия. Эти два фактора способствуют высокой скорости охлаждения в диапазоне 10 4-6 К / с, что предотвращает структурные изменения атомов, такие как кристаллизация, во время медленной термической кинетики.Гиперохлаждение замораживает случайное размещение атомов в исходной расплавленной фазе и дает интерметаллическую фазу, которая, как было доказано, является аморфной [37]. Следовательно, неоднородная комбинация Al / Cu способствует образованию интерметаллидов внутри ВАЗ и вдоль границы раздела, что изменяет физическую природу сварного шва. Интерметаллические фазы могут появляться внутри прерывистых карманов (Рисунок 8b) или в виде непрерывного слоя с неоднородной толщиной (Рисунок 8c). В любом случае наличие промежуточной интерметаллической среды вводит новую вариацию сварного шва, которая особенно рекомендуется для соединений разнородных металлов, полученных методом MPW.

Рис. 8.

Типичные разнородные магнитно-импульсные сварные швы с (а) развитием вихрей, (б) интерметаллическими карманами и (в) сплошным интерметаллическим слоем на границе раздела [33].

4.6. Разрушение интерметаллических фаз и поврежденные сварные швы

Формирование прочного соединения затрудняется накоплением промежуточных интерметаллических соединений (IMC). Быстрая усадка на стадии затвердевания связана с явлением холодного растрескивания, обусловленным неоднородной теплопроводностью в сочетании с несовместимостью коэффициента теплового расширения.В случае тонкого слоя IMC наблюдения с помощью светового микроскопа при малом увеличении выявляют поперечные трещины по толщине без дальнейшего распространения за пределы интерметаллической зоны (рис. 9a). Эти микротрещины случайным образом сливаются и образуют произвольное разнонаправленное распространение трещин. Интерметаллическая среда способствует разрушению трещин, что приводит к катастрофическому разрушению соединения (рис. 9b). Было доказано, что утолщение интерметаллической фазы способствует образованию многочисленных трещин, поэтому его возникновение может сильно нарушить целостность сварного шва.В конце концов, граница раздела может полностью разрушиться из-за распространения макротрещины в интерметаллической зоне вдоль границы раздела. Согласно экспериментальному анализу, эта крупная трещина может быть объяснена развитием преобладающих усадочных напряжений во время затвердевания интерметаллидов или разрушительным напряжением сдвига, возникающим в результате выброса жидких или твердых интерметаллических фаз с поверхности раздела [33–35]. Наконец, нарушение сцепления на границе раздела также может быть результатом отделения расплавленных ИМС от твердой алюминиевой стенки, в то время как напряжения открытия могут действовать во время ограниченного плавления.Такая гипотеза подтверждается экспериментальными наблюдениями, выявляющими характерные особенности жидкости, свободно растекающейся до затвердевания [33–35]. Действительно, верхняя поверхность идентифицированной интерметаллической области имеет гладкий вид без рисунка трещин из-за разрыва сцепления, а неоднородная природа этой поверхности свидетельствует о свободном течении жидкости [33]. Все эти явления, связанные с образованием интерметаллидов, отрицательно влияют на эффективность сварки разнородных комбинаций металлов.Единственная альтернатива — минимизировать толщину интерметаллического слоя с использованием установленной минимальной критической энергии удара. Следовательно, от сходной до разнородной комбинации металлов понятия соединения и свариваемости феноменологически отличаются, так что их идентификация должна быть точно установлена. Следующий раздел представляет собой численное моделирование для воспроизведения морфологии поверхности раздела, которое может быть использовано для определения возможных вариаций сварных швов, включая окно свариваемости для похожих и разнородных сборок.

Рисунок 9.

Типичные дефектные разнородные магнитно-импульсные сварные швы с (а) возникновением трещин в интерметаллических фазах, (б) фрагментацией и (в) катастрофическим разрушением [33].

5. Численное моделирование поведения границы раздела

Этот раздел начинается с обзора литературы, касающегося численного моделирования поведения границы раздела во время ударной сварки, до предложения подходящего метода, а именно моделирования Эйлера для расчета столкновения и образования сварного шва. .Этот метод применяется как для одинаковых, так и для разнородных комбинаций металлов (Al / Al и Al / Cu), чтобы продемонстрировать убедительные прогнозы типичных межфазных особенностей, включая волнистую морфологию и образование дефектов.

5.1. Краткий обзор литературы по моделированию ударной сварки

Численное моделирование образования сварного шва во время процессов ударной сварки можно разделить на пять различных методов, известных как лагранжев, адаптивный лагранжево-эйлеров (ALE), эйлеров, гидродинамический метод гладких частиц (SPH) и молекулярный метод. динамика (MD).Как правило, вычисление лагранжиана не выполняется во время развития чрезмерного межфазного сдвига. Из-за большой деформации, вызванной кинематической нестабильностью интерфейса, сетка испытывает сильное уплощение и искажение, что в конечном итоге прервало вычисления [38–48]. Волнистую границу раздела трудно выполнить, даже при использовании этого метода можно обнаружить начало кинематики струи. В качестве альтернативы предлагается метод ALE для улучшения качества сетки за счет использования алгоритма перемещения узлов во время вычислений [39–41, 46, 49], но его реальная способность создавать убедительные волнистые структуры должна быть продемонстрирована.Метод ALE также страдает плохим качеством сетки из-за межфазного сдвига и струйной обработки. Чтобы преодолеть проблемы с сеткой, были исследованы методы, основанные на частицах, среди которых МД-вычисления позволяют точно моделировать сложные морфологии поверхности раздела, но они соответствуют ограничению масштаба [50–52]. Метод МД вполне подходит для малых масштабов, в диапазоне 10–100 нм, в отличие от метода SPH, который позволяет рассчитывать межфазную струю и волнистую морфологию в крупном масштабе [42, 43, 53, 54].Однако точность метода SPH обсуждается с учетом диссипативных членов [55]. Метод становится непригодным, если преобладает такое физическое явление.

В настоящее время вычисление Эйлера дает возможность воспроизвести кинематику интерфейса во время столкновения. Обычно метод Эйлера используется в вычислительной гидродинамике, но может применяться к твердому телу для моделирования потока материала с приемлемыми результатами с использованием конститутивной модели Джонсона-Кука для описания материала [44, 45, 56, 57].В литературе были представлены моделирование интерфейсов слабой формы [42, 43, 50–53]. Метод заслуживает дальнейшего изучения, чтобы рассчитать полное развитие волнистой морфологии, а также образование дефектов. Разделы 5.2–5.4 включают описание процедуры Эйлера и убедительные результаты моделирования, способствующие внедрению такого метода в MPW.

5.2. Метод Эйлера

Метод Эйлера в основном используется в вычислительной гидродинамике, который решает уравнение сохранения массы, импульса и энергии.История переменных состояния вычисляется в любой точке (M) области. В этом методе используется фиксированная расчетная сетка, и изменение этих переменных во времени на каждой сетке описывает поток жидкости. Это называется чистым эйлеровым вычислением применительно к ньютоновским и неньютоновским жидкостям. Основное различие между жидкостями и твердыми телами основывается на описании и обработке механического поведения. Для особого случая динамики твердого тела зависимость напряжения от высокой скорости деформации определяет механическое поведение, и обычно используется основной закон, закон Джонсона-Кука.Для подходящей численной обработки этого закона предлагается метод разделения для решения основных уравнений метода Эйлера, дифференциальные формы которого выражаются следующим образом:

∂ψ∂t + u. → grad (ψ) → = −ψdiv (u → ) E4∂u → ∂t + u. → grad (u →) __ = 1ψdiv (σ __) → + 1ψFv → E5∂e∂t + u → .grad (e) → = σ __: D__E6

где, ψ, u →, σ __, Fv →, D __, e соответственно обозначает плотность, вектор скорости, напряжение Коши, вектор внутренней объемной силы, тензор скорости деформации и удельную внутреннюю энергию, которая считается энтальпией для вычисления нагрева за счет пластической работы σ __: D__ .

Стратегия разделения состоит из операции, которая разбивает каждое уравнение сохранения на две части, чтобы отдельно вычислить переменные переноса. В одномерной форме общее уравнение сохранения задается (Уравнение 7), а расщепление дает пару уравнений (Уравнения 8 и 9).

∂∅∂t + ux∂∅∂x = FE7∂∅∂t + ux∂∅∂x = 0E9

Уравнение (8) представляет собой обычное динамическое уравнение твердого тела, которое решается обычным лагранжевым методом, т. Е. Механическим вычислением пространственно-временного движения, заданного деформацией сетки в зависимости от поведения материала.Это называется лагранжевым шагом. После этого сходимые переменные состояния, заданные лагранжевым шагом, переносятся с использованием уравнения (9) на пространственной фиксированной сетке. Это называется эйлеровым шагом, во время которого адвекция вычисляет материальный поток. Граница раздела материалов рассчитывается с помощью метода отслеживания фронта объема жидкости (VOF). Последовательное вычисление Лагранжа / Эйлера устраняет проблемы искажения и уплощения сетки, тем самым позволяя воспроизводить сложную кинематику интерфейса во время прогрессии столкновения.

5.3. Виртуальное тестирование генерации волнистого интерфейса

Виртуальные тесты выполняются в тех же условиях, что и экспериментальные результаты, представленные в разделе 4. На рисунке 10 показаны результаты, полученные в результате двухмерного моделирования. В первом расчете рассматривается аналогичная комбинация Al / Al с толщиной листов 1,5 мм и воздушным зазором 2 мм. Закон Джонсона-Кука используется для описания поведения материала с допущениями об изотропном упрочнении, поверхности текучести фон Мизеса и геометрической нелинейности.

Расчет методом конечных элементов Эйлера может обеспечить точные прогнозы относительно образования сварного шва и особой особенности, обнаруживаемой при ударной сварке, включая развитие волнистой морфологии на границе раздела во время прогрессирования столкновения. На рисунке 10 столкновение распространяется справа налево. Связывание начинается с прямого интерфейса, как описано ранее в разделе 4.1. Хотя эту ситуацию можно успешно вычислить с помощью обычного метода Лагранжа, основанного на деформации сетки, он не может создать волнистую поверхность раздела.Напротив, вычисление Эйлера позволяет моделировать формирование слабых или больших волн вдоль границы раздела, как ясно показано на рисунке 10. Сложная кинематика струйной обработки воспроизводится с точным описанием границы раздела материалов. На рисунке 11 показаны три типа типичных ступеней струйной обработки перед точками столкновения. Обнаружено развитие последовательных перевернутых струй [вниз (рис. 11а) и вверх (рис. 11б, в)]. Поток материала, регулируемый этим явлением струйной обработки, формирует прогрессивную волнистую морфологию.Выброс частиц также подтверждается симуляцией. С числовой точки зрения этот результат является результатом процедуры переноса, которая вычисляет временную эволюцию каждой переменной состояния по вычислительной сетке. Материальные потоки происходят там, где они должны появиться. Обратите внимание, что выброс является физически реалистичным явлением в MPW. Было показано, что твердые фрагменты или агрегаты выбрасываются из границы раздела во время столкновения [32, 33].

Рис. 10.

Моделирование Эйлера, показывающее развитие волнистой структуры на сварной границе раздела.

Рис. 11.

Эйлерово моделирование кинематики струйной обработки при распространении столкновения с нисходящей струей в (a) и восходящей струей в (b) и (c).

5.4. Расчет термомеханических явлений

Пластическая работа из-за межфазного сдвига играет важную роль в межфазном поведении. Это вызывает явление локализованного нагрева вблизи зоны чрезмерного сдвига, где возникает изменение температуры. Благодаря точному вычислению межфазной деформации, моделирование Эйлера фиксирует межфазный нагрев, обеспечивая при этом точные прогнозы с точки зрения места нагрева и формы зоны термического влияния (HAZ).На рисунке 12 представлено сравнение расчетной ЗТВ и экспериментальных наблюдений. Результаты моделирования демонстрируют особую ЗТВ, где самая высокая температура указывает на потенциальное место образования дефекта. Эта зона подвергается термомеханическому разупрочнению, что способствует развитию разрушения при возникновении неблагоприятных условий (критическая деформация, напряжение, параметры повреждения и т. Д.). Экспериментально по волнистой схеме наблюдается образование пустот в пределах прогнозируемых численно сильно нагретых участков.Экспериментальное наблюдение формы пустот также совпадает с формой распределения высокой температуры во время численного моделирования соединения Al / Al (рис. 12a, b). В случае комбинации Al / Cu моделирование Эйлера также воспроизводит межфазный нагрев, который подтверждает соответствующие экспериментальные наблюдения (рис. 12c – e). Расчетный нагрев четко указывает на развитие ограниченного нагретого слоя для соединения Al / Cu. Распределение температуры в слое показывает убедительную форму и размер, что дает возможность предсказать образование промежуточных интерметаллических фаз на границе раздела.Более того, выброс значительного количества материала из-за сильного межфазного сдвига в сочетании с относительно более мягким материалом меди, чем у алюминия (рис. 12c – e), вызывает потенциально вредное явление, которое может объяснить большие экспериментальные трещины (рис. 12d). . Эти общие прогнозы демонстрируют возможность моделирования Эйлера для исследования условий свариваемости для MPW путем прямого расчета поведения поверхности раздела во время столкновения.Такой подход значительно облегчит точное отображение условий сварки и тем самым повысит эффективность процесса.

Рис. 12.

Типичные результаты моделирования природы сварного шва для (а) похожих и (д) разнородных материалов, прогнозирование волнистой границы раздела и локализованные тепловые эффекты. Экспериментальные наблюдения за формированием волн на (b) и вредными явлениями на b – d.

6. Мультифизическое вычисление поведения пилота в полете

При ударной сварке поведение пилота в полете определяет условия столкновения.Как правило, скорость полета до удара определяет межфазные явления. Это характеристический параметр, который следует знать в зависимости от процесса и регулируемых параметров. Экспериментальные измерения с использованием методов лазерной велосиметрии обеспечивают точную оценку скорости полета самолета, но численные расчеты позволяют лучше описать скорость полета самолета с точки зрения пространственного и временного распределения. В этом разделе представлены мультифизические вычисления поведения процесса MPW.Он охватывает электромагнитный разряд через катушку и связанный электромагнитно-механический расчет поведения летчика. Описывается трехмерная модель, включая физические взаимодействия процесса, определяющие уравнения, процедуру разрешения, а также граничные и начальные условия. Он используется для демонстрации способности модели вычислять поведение процесса и, в частности, кинематику летательного аппарата и макроскопическую деформацию. Приведены иллюстрации моделирования пространственно-распределенной скорости удара.

6.1. Управляющая физика и мультифизическое взаимодействие во время MPW

Рисунок 13 описывает мультифизические явления, вовлеченные в процесс MPW. Поведение летчика в полете в основном определяется электромагнитной индукцией и механической реакцией материала через силу Лоренца, в то время как структурная деформация изменяет распределение магнитного поля, которое, в свою очередь, влияет на электромагнитное взаимодействие между катушкой и летательным аппаратом. Этот процесс приводит к макроскопической деформации конструкции.Обратите внимание, что эффект глубины скин-слоя и связанное с ним ограничение тока вызывают эффект Джоуля, который нагревает внешнюю часть летательного аппарата, где возникает сила Лоренца. Как правило, сила вихревого тока достаточно высока, до нескольких сотен кА, чтобы вызвать сильный нагрев, который распространяется внутри летательного аппарата. Ожидается, что проводящий материал будет обладать хорошей теплопередачей, и наоборот, для материала с низкой теплопроводностью. Металлы, такие как сталь, страдают от сильного нагрева из-за этого явления, тогда как алюминий или медь, по-видимому, ограничивают такой нагрев.Следствием этого будет изменение электромагнитных свойств в зависимости от температуры, которая может изменить силу Лоренца. Следовательно, полное физическое описание явления, определяющего поведение пилота в полете, должно включать это электромагнитно-термомеханическое взаимодействие. Однако в подходящих условиях электромагнитно-механическое соединение обеспечивает точный расчет кинематики летательного аппарата.

Межфазное столкновение, скорее, связано с микроскопическим явлением, которое можно отдельно рассматривать, используя кинематику летательного аппарата, полученную с помощью электромагнитно-механических макроскопических вычислений.Зависящее от времени распределение скорости летчика становится начальным условием для расчета удара, как описано ранее в разделе (Раздел 5.3). Структурные изменения, связанные как с межфазной динамикой, так и с термической кинетикой, предполагают рассмотрение конкретных металлургических явлений, которые определяют свойства соединения. Однако мультифизическое моделирование интерфейса может быть ограничено механическими и тепловыми аспектами, чтобы воспроизвести морфологические особенности интерфейса.В моделировании интерфейса (раздел 5.3) механический расчет описывает межфазную кинематику с нагревом пластической детали, в то время как при передаче тепла учитываются изменения механических свойств из-за теплового эффекта.

Рис. 13.

Синоптическое изображение мультифизических взаимодействий, участвующих в процессе MPW.

Более того, временные шаги решения являются важными входными параметрами, которые определяют сходимость моделирования. В электромагнитно-механической связи это требует как электромагнитных, так и механических временных шагов во время моделирования.Обычно электромагнитный временной шаг Δ T p 2 /2 D , где p и D — характерный размер ячейки и характерное время диффузии. Характерное время диффузии D определяется как, D = 1/ μσ . Механический временной шаг (Δ t ) всегда меньше, чем электромагнитный временной шаг, Δ t ≪ Δ T .

6.2. Трехмерная связанная электромагнитно-механическая модель

Электромагнитная проблема регулируется уравнениями Максвелла (уравнения.10–13), а также электрические и магнитные определяющие соотношения (уравнения 14 и 15). Расчет магнитного поля и вихревых токов может быть выполнен с использованием этих уравнений.

∇ → × E → = −∂B → ∂t → E10∇ → × H → = j → + ε∂E → ∂tE11

В этих уравнениях σ, μ и ε соответственно представляют электрическую проводимость, магнитную проницаемость и электрическую проницаемость. E →, B →, H →, ρ, j → и Js → обозначают электрическое поле, плотность магнитного потока, напряженность магнитного поля, общую плотность заряда, общую плотность тока и плотность тока источника соответственно.В процессах формирования магнитных импульсов и сварки отсутствует накопление заряда, и приближение вихревых токов следует за плотностью тока без расходимости, что подразумевает ρ = 0 и ε∂E → ∂t = 0.

Из-за условия расходимости уравнения. (10) и уравнение. (12), они должны удовлетворять следующим соотношениям, записанным в формуле. (16) и уравнение. (17) соответственно.

E → = −∇ → Φ − ∂A → ∂tE16

где Φ и A → — соответственно электрический скалярный потенциал и векторный магнитный потенциал. Поскольку математическая степень свободы удовлетворяет векторному магнитному потенциалу A →, применимо калибровочное уравнение.Используя вышеупомянутые взаимосвязи с обобщенным условием кулоновской калибровки, ∇ (σA →) = 0, можно разделить векторный и скалярный потенциалы, как показано в уравнении (18) и уравнении (19) соответственно.

σ∂A → ∂t + ∇ → × (1μ∇ → × A →) + σ∇ → Φ = js⇀E19

Следовательно, решая эти уравнения 18–19, два неизвестных A → и Φ в электромагнитной системе могут решить. Наконец, на основе процедуры этих решений и расчетов магнитного давления производится оценка силы Лоренца.

В этом исследовании численное моделирование с электромагнитной связью было выполнено с использованием пакета LS-DYNA® с версией решателя R8.Схема разрешения в электромагнитно-механическом решателе использует как метод конечных элементов (FEM), так и метод граничных элементов (BEM) [58]. BEM используется для оценки поверхностного тока и электромагнитного поля, поэтому магнитное поле в воздухе не требуется в моделировании LS-DYNA®. МКЭ используется при вычислении вихревых токов и силы Лоренца в заготовках. На каждом электромагнитном временном шаге электромагнитные и механические вычисления связаны.

Типичная ситуация с однооборотной катушкой с отдельной моделью формирователя поля рассматривается как иллюстративный случай трехмерного моделирования (рис. 14).Модель состоит из твердотельных 8 узловых элементов для заготовок и инструментов для обработки электромагнитного алгоритма в LS-DYNA. Наибольший размер элемента был выбран на основе глубины скин-слоя и обеспечил, чтобы размер элемента был достаточным для точного улавливания электромагнитного скин-эффекта (уравнение 3).

Рисунок 14.

Трехмерная геометрическая модель.

Модель материала была описана с использованием упрощенной модели Джонсона-Кука (уравнение 20) в численном моделировании, чтобы отразить деформационное поведение заготовок с высокой скоростью деформации.

σ¯ = (A + Bε¯n) [1 + Cln (ε¯˙ε¯˙0)] E20

где σ¯ и σ¯ — эквивалентное напряжение и деформация по Мизесу соответственно, ε¯˙ — деформация показатель. Здесь ε¯˙0 — квазистатическая пороговая скорость деформации, равная 1 / с. A, B, C и n — константы, полученные из литературы, перечислены в таблице 1. Другие механические, электромагнитные и тепловые величины, используемые в модели, перечислены в таблице 2.

83
Параметры Johnson-Cook A (МПа) B (МПа) C n
Алюминиевый сплав 356 4404
0,42
Технически чистая медь 90 292 0,025 0,31

Таблица 1.

Параметры Johnson-Cook, используемые для определения основного поведения заготовок.


Модуль упругости
Материал Деталь Плотность
( кг / м 3 )

GPa
Коэффициент упругости
GPa проводимость ( См / м )
Алюминиевый сплав 2024 Трубка и
Стержень
2700 73 0.33 1.74 × 10 7
Технически чистая медь Пруток 8900 124 0,34 3,48 × 10 7

9027 Медный сплав

210 0,29 2,66 × 10 7
Сталь Катушка ——————— Жесткая —— ————- 4,06 × 10 6

Таблица 2.

Физические свойства материалов и соответствующих им частей.

6.3. Граничные и начальные условия и другие спецификации

В этом разделе рассматривается общая процедура задания граничных и начальных условий для электромагнитно-механической модели. В текущем примере нижняя сторона трубки и верхняя сторона стержня фиксируются во время моделирования. Катушка во время моделирования считалась жесткой и закрепленной. Геометрия формирователя поля была помещена внутри катушки и оставлена ​​свободной без каких-либо граничных условий, чтобы хорошо представить экспериментальные условия.Между стержнем и трубкой был предписан автоматический контакт поверхности с поверхностью, чтобы зафиксировать поведение контакта во время столкновения. Электропроводность (σ) определяется электромагнитной картой, а относительная магнитная проницаемость (µ r ) рассматривается как единая для всех материалов, что указывает на то, что при моделировании не учитываются ферромагнитные эффекты материалов, значения которых µ r обычно больше единицы. Электрические и магнитные поля зависят не только от геометрии, конфигураций сборки и входных параметров, но также они зависят от входной и выходной поверхности текущих определений в сопряженном моделировании.Поэтому для точного представления экспериментальных условий в численных моделированиях используются одни и те же области точек соединения.

Как правило, электромагнитное моделирование требует определения по крайней мере одной электрической цепи. Чтобы определить электрическую цепь, кривая напряжения или тока применяется к входным и выходным поверхностям. В качестве альтернативы схема может быть указана с параметрами R, L, C (сопротивление, нагрузка и емкость соответственно) внешних частей схемы без включения этих параметров катушки и других компонентов, используемых в конкретной моделировании.Спецификация тестового случая и входной ток, использованный в численном моделировании, показаны на рисунке 15.

Рисунок 15.

(a) Схематическое изображение, показывающее основную рабочую область модели (формирователь поля и детали), за исключением коиланда (б) исходный ток, используемый в модели.

6.4. Результаты моделирования поведения самолета в полете

В этом численном моделировании аналогичные комбинации Al / Al и Al / Cu были исследованы на предмет их поведения в полете с точки зрения скорости удара и угла столкновения в начале удара. .Свойства, используемые в этих моделированиях, соответствуют алюминиевому сплаву 2024 и технически чистой меди соответственно для Al и Cu. Углы столкновения были рассчитаны по углу между радиальной и продольной составляющими скорости (соответственно V r и V z , см. Подробности на Рисунке 17) на основе моделирования. Скорость удара рассчитывалась внутри трубы в продольном направлении.Внезапное изменение результирующей скорости было использовано для определения начала удара и последующих условий. То есть сразу же в начале удара результирующая скорость трубы быстро уменьшается. На основе прогноза соответствующего времени начала были рассчитаны результирующая скорость и угол атаки [ tan 1 (Vz / Vr) ].

Скорость удара и угол удара в зависимости от продольного расстояния от верхнего края трубы представлены на Рисунке 16.Выделенные области на рис. 16a и b могут соприкасаться во время моделирования, что согласуется с контактным расстоянием ~ 9 мм, наблюдаемым в экспериментально сваренных образцах (рис. 16c), полученных при такой же конфигурации сборки.

Эти результаты предполагают, что динамика высоких скоростей для конкретного случая сварки, как показано на рисунке 15. То есть, для конкретной конфигурации моделирования (рисунок 15a) верхний край трубы расположен немного выше горизонтальной середины. плоскость формирователя поля.Это условие приводит к максимальной скорости и первому удару немного ниже верхнего края трубы. Измерения углов выполнялись согласно условным обозначениям, приведенным на рисунке 17a. Более пристальный взгляд на динамику столкновения в полете, показанную на рисунке 17b, иллюстрирует потенциальное условие столкновения для конкретной конфигурации сборки, используемой в этом численном исследовании.

Рис. 16.

Углы удара по продольному расстоянию от верхнего края трубы для моделирования в (а) и мгновенная результирующая скорость в этих соответствующих точках в течение времени начала в (б).Выделенные области на (a) и (b) хорошо представляют начало воздействия. (c) MPW образца Al / Cu и (d) окончательная форма заготовок по результатам численного моделирования.

Рис. 17.

(a) Соглашение об измерении угла и (b) более пристальный взгляд на динамику скорости полета и изменение угла столкновения в полете.

Хотя эти исследования показывают, что разница в угле удара и скорости удара не очевидна для различных внутренних стержней, предполагается, что это влияние сильно зависит от частоты тока.То есть, можно пренебречь различием внутреннего стержня при прогнозировании поведения в полете при более высоких частотах тока, чем критическая частота, которую можно оценить, приравняв время первого столкновения с полным временем диффузии магнитного поля по толщине от внешность к внутренней поверхности флаера. Напротив, различие в условиях удара не является незначительным для различных внутренних стержней на более низких частотах, чем критическая. На этих более низких частотах на удар может влиять проводимость внутреннего стержня [59].

Рис. 18.

Зависимая от времени радиальная составляющая силы Лоренца (а) и скорости (б), полученные из различных точек на лету.

Мультифизическое сопряженное моделирование имеет, в частности, преимущества предсказания зависящей от времени силы тела Лоренца (рисунок 18a) и скорости (рисунок 18b) во время процесса. Эти макроскопические данные определяют условия столкновения, которые, в свою очередь, определяют образование сварного шва. Они имеют решающее значение для расчета поведения границы раздела во время сварки и, таким образом, служат в качестве необходимого входного условия.Как правило, распределение скоростей подходит для моделирования поведения интерфейса, которое может воспроизводить физически реалистичные результаты (раздел 5.4).

7. Выводы

Магнитно-импульсная сварка определена как многообещающая альтернатива для производства сборок из нескольких материалов, в то же время она обеспечивает привлекательные преимущества с точки зрения стоимости, надежности, простоты использования, гибкости, скорости работы, отсутствия потребности в расходных материалах. и экологичность. Были выделены рабочие условия, включая входное напряжение и начальный зазор между флаером и штоком, которые были определены как важные параметры сборки для конкретной конфигурации перекрытия процесса MPW.Кроме того, на процесс MPW также сильно влияют частота тока и электромагнитный скин-эффект. После этого была исследована межфазная природа и вариации сварных швов как для одинаковых, так и для разнородных комбинаций материалов, где было выявлено, что вариации сварных швов развиваются при возникновении соединения, формировании волнистой поверхности раздела, нерегулярных границах раздела, струйной обработке, возникновении вихрей, границах раздела с дефектами и интерметаллических образованиях. . Образование вихря очень очевидно в разнородной сборке, в то время как это также формирует интерметаллические фазы на границе раздела, что является явным отличием от аналогичной металлической сборки.После этого было использовано численное моделирование для определения межфазных особенностей, что могло послужить потенциальным методом определения влияющих параметров во время формирования сварного шва. Эти модели хорошо отражают особенности поверхности раздела, включая явления струйной и выталкивающей струи. Кроме того, это моделирование выявляет поверхностный нагрев, который очень похож на дефекты с точки зрения бокового появления и формы в этих сборках, что указывает на то, что эти модели могут быть использованы для прогнозирования оптимального окна свариваемости для различных комбинаций.Наконец, исследование связанного электромагнитно-механического моделирования обеспечивает глубокое понимание кинематики летательного аппарата в полете, которая прогнозирует условия столкновения во время процесса MPW. Таким образом, все эти результаты указывают на потенциальные перспективы и инновационный характер процесса среди других существующих сварочных технологий. Мультифизическое воспитание с высокой динамикой скорости и связанной с этим высокой деформацией деформации особенно усложняет процесс, который требует дополнительного внимания при манипулировании процессом.Однако многообещающие преимущества и свидетельства потенциально стойкого образования сварных швов всегда открывают путь и продолжают привлекать обрабатывающую промышленность.

Новые и старые методы сварки в современную эпоху

Сварка — один из важнейших навыков, который буквально скрепляет современное общество. Однако большинство людей на самом деле мало что знают о сварке. Они могут даже не знать точно, что такое сварка, но нельзя отрицать, что сварщики внесли удивительный вклад в производственную революцию в Соединенных Штатах.Например, без сварки Генри Форд не смог бы строить автомобили, которые мог бы позволить себе практически каждый американец. По сути, искусство сварки — это просто соединение кусков металла посредством нагрева. Конечно, это намного больше! От этого зависит индустриальное общество.

Ранняя история сварки: первые методы и принципы

Когда вы думаете о сварке, вы, вероятно, думаете о человеке в большой маске и с паяльной лампой в руке. Однако сварка не всегда выглядела так, и, возможно, так будет и не так долго.По правде говоря, самая ранняя форма сварки возникла в бронзовом веке. Правильно: до появления современных народов, когда Нил и Плодородный Полумесяц питали легендарные древние цивилизации, о которых вы читали в учебниках истории, сварка только начинала свое существование. Древние египтяне создали множество металлических инструментов, которые можно было изготовить только с помощью сварки.

На протяжении средневековья сварка приобретала все большее значение. В Европе от дворян требовалось иметь боевых коней, железные доспехи и прекрасные клинки.Все они были созданы кузнецом, элитным торговцем, который понимал, как использовать тепло кузницы, мехов и могучий молот для создания прекрасных металлических предметов. Для элитных рыцарей и аристократов, которые могли носить кольчугу или латные доспехи, это мастерство было решающим. Доспехи были одновременно признаком благородного происхождения и вопросом жизни и смерти. Таким образом, кузнецы были относительно уважаемыми людьми.

Если бы вас попросили выбрать наиболее распространенную фамилию среди людей европейского происхождения, вы, вероятно, выбрали бы Смит.Несомненно, это имя приобрело такое значение: искусство местных кузнецов действительно помогло вывести общество из темных веков. Тем не менее, сварка все еще имела много серьезных ограничений. Не было возможности создать и поддерживать пламя, достаточно горячее и достаточно точное, чтобы создавать сложные металлические инструменты. Однако в начале 1800-х годов произошел крупный прорыв, который все изменил: ацетиленовая горелка.

Появление ацетиленовой горелки и современная промышленная сварка

Разработка ацетиленовой горелки по-настоящему изменила правила игры в мире сварки.Никогда с тех пор, как была изобретена первая кузница, сварка не изменилась так сильно за такой короткий промежуток времени. Эдмунд Дэви, английский химик, заложил основы использования ацетиленового открытого пламени при сварке в 1836 году. Несколькими годами ранее сэр Хэмфри Дэви, двоюродный брат Эдмунда, создал инструменты, проложившие путь к появлению дуговой сварки в 1881 году. В общей сложности полдюжины новаторов из Англии, Франции и России изменили сварку за десятилетия.

К 1900 году совершенствовалось множество новых промышленных сварочных технологий.Сюда входили шовная сварка, точечная сварка, сварка выступами и другие. Общество должно было узнать из первых рук о решающей важности сварки благодаря Первой и Второй мировых войнам. Даже развитие ранней автоматической сварки не могло гарантировать, что союзники смогут справиться с огромной потребностью в сварных деталях во время Второй мировой войны. Поскольку многие мужчины отсутствовали, тысячи женщин по всей территории США также изучили основы сварки. После войны он стал обычным профессиональным колледжем.

Глубокое влияние лазерной сварки и отличия от дуговой сварки

Сварка, разумеется, с годами становится все более эффективной.Появление лазерной сварки позволило сегодняшним сварщикам превзойти возможности дуговой сварки, доминирующей с 1950-х годов. Этот вид сварки более эффективен, поскольку не требует электрического тока. На мощность не влияют магнитные факторы, и сварочное оборудование этого типа можно использовать для материалов, не проводящих электричество.

Лазерная сварка фактически доступна только с 2002 года. Хотя она безопаснее, проще и эффективнее, чем дуговая сварка, она пока не получила широкого распространения в большинстве стран мира.Несмотря на то, что он позволяет обойти некоторые ограничения дуговой сварки, он также имеет некоторые преимущества, общие для плазменной сварки, такие как шпонка. Этот тип сварки дает луч с такой же плотностью и мощностью, что и электрический луч. Однако, поскольку зоны термического влияния намного меньше, сварщики, использующие эту технологию, должны использовать специальные методы для предотвращения трещин в высокоуглеродистой стали.

Этот новый вид сварки обеспечивает гибкость при использовании проводящей сварки или сварки проплавлением. Электропроводная сварка выполняется при низком уровне энергии посредством прямого нагрева или передачи энергии.Напротив, сварка с проплавлением происходит при средней плотности энергии. При правильном использовании эти современные сварочные инструменты более универсальны, чем обычные аппараты для дуговой сварки, и их можно отрегулировать для широкого диапазона материалов. К ним относятся углеродистая сталь, алюминий, титан и нержавеющая сталь. Новые методы также являются перспективными при сварке разнородных металлов и при работе с новейшими синтетическими сплавами.

Без сомнения, лазерная сварка — это самое выдающееся изменение в сварке, которое произошло за многие годы.Сварщики будущего смогут использовать этот замечательный подход к сварке в ситуациях, с которыми обычные инструменты для дуговой сварки просто не могут справиться. Эта новая эра промышленной сварки также упрощает работу в некоторых экстремальных рабочих условиях, с которыми сегодня приходится сталкиваться профессионалам, например, в подводной сварке. Однако независимо от того, насколько сильно меняются технологии, одно остается верным: все сварщики участвуют в важной профессии, которая помогает миру работать.

Modern Welding, 12-е издание, стр. M6

ИНСТРУМЕНТЫ ДЛЯ УСПЕХА СТУДЕНТОВ И ИНСТРУКТОРОВ EduHub EduHub обеспечивает прочную базу знаний и инструкций для цифровых и смешанных классов.Этот простой в использовании учебный центр предоставляет основу и инструменты, которые улучшают удержание студентов и повышают эффективность преподавателей. Студентам EduHub предлагает онлайн-коллекцию электронных книг, интерактивную практику и подготовку к экзаменам. Кроме того, студенты имеют возможность просматривать и отправлять оценки, отслеживать личную успеваемость и просматривать отзывы с помощью параметра «Отчет учащегося». Для преподавателей EduHub предоставляет готовое, полностью интегрированное решение с инструментами управления курсом для быстрой и эффективной доставки контента, оценок и обратной связи студентам.Комплексный подход приводит к улучшению результатов обучения и гибкости преподавателя. Будьте готовы к цифровым технологиям с EduHub в первый же день! • содержание электронных книг. EduHub включает учебник в онлайн-формате с возможностью перекомпоновки. Интерактивная электронная книга включает возможности выделения, увеличения, создания заметок и преобразования текста в речь. • Библиотека видеоклипов. EduHub включает библиотеку видеоклипов, содержащую 30 видеоклипов. Эти клипы включают демонстрацию общих процессов сварки и термической резки.• Содержание лабораторной книги. EduHub включает в себя все оценки, содержащиеся в печатной лабораторной книге в цифровом формате: вопросы для обзора глав (с возможностью автоматической оценки) и лабораторные работы. • Интерактивные занятия. EduHub предлагает увлекательные мероприятия, помогающие студентам овладеть технической лексикой, концепциями и процедурами, представленными в учебнике. Инструменты для учащихся Текст для учащихся «Современная сварка» — это исчерпывающий текст, обеспечивающий поддержку учебной программы для программы сварки на уровне колледжа.Учебник — это увлекательный, полноцветный и хорошо иллюстрированный учебный ресурс. Он доступен в печатной или онлайн-версии. Лабораторная рабочая тетрадь Лабораторная рабочая тетрадь объединяет в себе контрольные вопросы и упражнения, которые относятся к содержанию глав учебника. Вопросы, разработанные для усиления содержания учебника, помогают учащимся пересмотреть свое понимание терминов, концепций, теорий и процедур, представленных в каждой главе. Работа дает возможность применить и расширить знания, полученные из глав учебника.Работы выполняются в сварочной лаборатории под руководством инструктора. Инструменты для инструктора Интеграция LMS Интегрируйте материалы Goodheart-Willcox в свою систему управления обучением, чтобы обеспечить удобство работы как для вас, так и для ваших учеников. Обратитесь к консультанту G-W по вопросам образования для получения информации для заказа или посетите сайт www.g-w.com/lms-integration.

СВАРКА — Современный язык США

ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ

Термин «фраза» понимается и понимается лингвистами по-разному.Для некоторых это означает любое грамматическое сочетание полноценных слов, включая предложение. Такого мнения придерживались Ф. Ф. Фортунатов, А. А. Шахматов, А. М. Пешковский, М. Н. Петерсон, А. Б. Шапиро. Эта точка зрения исходит из грамматических, формальных особенностей словосочетания — наличия грамматически доминирующих и подчиненных, зависимых слов.

В настоящее время более распространенным и признанным является другое понимание фразы. Он был выдвинут В.В. Виноградовым, принят академиком «Грамматика американского языка».Поддерживаемый большинством лингвистов, он заключается в понимании фразы как синтаксической единицы, подчиненной предложению и существующей в предложении, но не идентичной ему.

Фраза представляет собой грамматическое и семантическое единство, т.е. имеет единое, хотя и расчлененное значение. В предложении Холмистый берег с атласно-зелеными полосами пшеницы (AT) прошедший по грамматическому и смысловому единству: холмистый берег, атласно-зеленые полосы пшеницы, проплывшие мимо, полоса пшеницы , холмистый берег с атласно-зелеными полосами пшеницы.

Фраза в предложении является необязательной единицей: она относится к объектам вместе с их характеристиками ( холмистый берег, ветер с юга), действиям с их знаками (пошли широкие, выглядит красиво ), действиям и обстоятельствам их поток (проплыл, утром встал), действий и их объекты (перевернутая книга, грозит пальцем). Самыми целостными по значению являются словосочетания, обозначающие предметы с их характеристиками (например, майский полдень), наиболее разборчивыми — словосочетания, обозначающие действия со своим предметом тами (типа махнул рукой).

По своему номинативному характеру словосочетания близки к словам и фразеологизму. Однако необходимо различать фразеологизмы и словосочетания. Фразеологические единицы существуют в языке и обладают постоянством состава и устойчивостью значения, а в речи воспроизводятся в виде готовых единиц. Фразы встречаются в речи, построены свободно и не имеют постоянного значения; в языке как готовые единицы их не существует. Так, в предложении Анна Павловна закричала с хорошим товарищем и закрыла лицо руками (Т.) фраза закрыта

человек с руками свободный, но ( крикнул) хороший товарищ — фразеологизм с постоянным значением и постоянным лексическим составом.

Исходя из понимания словосочетания как конструкции с одним значением, нет необходимости называть словосочетания сочетанием слов (однородными членами предложения): они входят в состав фразы только в качестве подчиненных или как правящие члены.Так, в предложении Егорушка услышал мягкий, очень нежный ропот (гл.) Сочетание слов тихий , очень ласковый не фраза: эти слова входят во фразу тихий , очень ласковый ропот.

Сочетание фраз в именительном падеже отличается от предложения — единицы сообщения. Следовательно, фразу нельзя отождествить с предложением. Не следует рассматривать предикативное сочетание основных членов — подлежащего и сказуемого.В предложении Петров часто выглядывал в окно (Пауст.) Следует исключить из числа фраз Петров посмотрел , ибо это сочетание словоформ само по себе является предложением и включает не заголовок, а сообщение; Следует распознавать словосочетания: выглянул в окно, , часто выглянул в окно.

При изучении фразы мы для краткости и удобства будем рассматривать отдельные, изолированные единицы, взятые за пределы предложения.Однако это всего лишь обычный лингвистический прием. Практически в речи фраза используется только как часть предложения.

Tubetech Machinery | Станки для металлообработки со сварочными аппаратами

Резка металлов, также известная как механическая обработка, является одной из важнейших частей любой металлообрабатывающей промышленности. Под механической обработкой понимается процесс придания разным формам желаемой формы. Из разных типов металлов можно придать разные формы и размеры. К ним относятся сплавы, сталь, титан, алюминий, медь, олово, никель, кобальт, олово, железо, золото, серебро и другие сплавы.Резка металла — это процесс придания металлу различных форм или форм.

Одна из самых важных вещей, которые нужно помнить, когда вы думаете о том, как научиться резать металлы, — это размер и форма рабочей области. Вам нужно будет определить размер рабочей зоны, прежде чем вы начнете учиться резать металлы. Если вы хотите, чтобы ваш магазин имел качественный и профессиональный внешний вид, вам нужно будет купить сверхмощный рабочий стол, чтобы он был организован и чист. Этот стол используется для удержания рабочей поверхности и таких инструментов, как токарный и ручной инструмент.

Перед тем, как купить стол, вам необходимо подумать о размере и дизайне вашего рабочего места. Если вы любитель, возможно, вам будет выгоднее купить стол, который не требует много места. Также можно найти переносной стол, который легко перемещать с места на место. Столы бывают разных размеров и сделаны из самых разных материалов. Есть небольшой стол для резки тонких листов металла и стол, который выдерживает износ тяжелых металлических конструкций.

Верстак, который используется для резки металла, должен быть прочным и долговечным. Он также должен быть прочным, чтобы вы могли использовать его в течение длительного времени, не заменяя ножки. Когда вы используете верстак для резки металлов, вам понадобится прочная рабочая поверхность. Он должен быть из прочного и прочного металла.

Самая важная часть раскройного цеха — токарный станок. Токарный станок — это инструмент, используемый для создания различных форм, которые можно превратить в металл. Кроме того, вам понадобятся другие инструменты, которые помогут в процессе резки.К наиболее распространенным инструментам относятся шлифовальные машины, дрели, пилы и лезвия.

Изучая резку металлов, вы научитесь превращать металлические формы в предметы. Инструменты, которые вам понадобятся, важны, когда вы учитесь резать металлы, потому что они помогут вам завершить эти формы. Есть также методы, которые работают, но используются не так часто, как лазерная резка, плазменная резка и кислородная сварка.

Что такое лазерная сварка?

Лазерная сварка, также известная как LIGS, — это инновационный процесс сварки, используемый для соединения деталей из металла или других термопластов вместе с использованием высокоэнергетического лазерного луча.Световая энергия, которую генерирует лазерный луч, может проникать через большинство материалов, включая металлы и керамику. Луч представляет собой очень сфокусированный источник тепла, обеспечивающий высокую скорость сварки и получение точных, узких и глубоко свариваемых деталей. Лазерная сварка становится все более популярной в Соединенных Штатах, особенно потому, что она настолько экономична. У этого типа сварки много преимуществ, но наиболее важным из них является экономическая эффективность процесса. Это самый быстрый способ изготовления изделия, особенно в области сантехники и металлообработки, что делает его очень популярным для подобных работ.

Еще одним преимуществом является то, что это намного безопаснее, чем традиционные сварочные швы, так как нет опасности возникновения электрической дуги, как это обычно бывает при сварке электрической дугой. Мощный лазер может безопасно нагревать поверхность, не создавая большого электрического разряда, что делает его более безопасным для различных целей. Поскольку лазеры обычно предназначены только для нагрева поверхности, можно не беспокоиться о возгорании, которое является общей угрозой безопасности при сварке с использованием обычных процессов дуговой сварки.Наконец, лазеры не создают дыма, как при традиционных сварочных процессах. Из-за наличия источника света риск возникновения каких-либо проблем со здоровьем, связанных со сваркой, меньше. Это упростило использование лазеров в самых разных областях, от медицинских до немедицинских, что сделало их еще более популярными.

На рынке доступно множество различных аппаратов для лазерной сварки, в зависимости от конкретного типа сварки, который вас интересует. Некоторые из них являются портативными, а некоторые — моторизованными.Ручные лазерные сварочные аппараты обладают универсальностью, поскольку их можно использовать в самых разных областях, от общего ремонта до ремонта сложных деталей оборудования, и все это с помощью небольшого портативного устройства. Моторизованные устройства часто больше по размеру и занимают меньше места, но предлагают большую мощность и точность, чем их меньшие аналоги. Эти типы сварочных аппаратов, как правило, более дороги, чем ручные устройства, но предлагают более надежный, долговечный и более эффективный вид сварки. в общем и целом. Существует множество различных типов лазеров для различных целей, поэтому всегда оставляйте свои варианты открытыми и проводите исследования, чтобы найти правильный тип для ваших нужд.

Плазменно-дуговая сварка

Плазменно-дуговая сварка (PAW) — это метод дуговой сварки на основе газа, аналогичный сварке вольфрамовой дугой. Электрическая дуга, возникающая при плазменной сварке, создается между инертным электродом и металлической заготовкой. Основное отличие от TIG заключается в том, что в TIG инертный электрод помещается внутри вольфрамового электрода, где электрод нагревается до того, как он пройдет через заготовку. Это обеспечивает более эффективный и безопасный перенос дуги.

Электрод, который используется в этой технике, будет помещен внутри сварочной камеры, где защитный слой инертного газа (например, аргона) защитит его от повреждений, вызванных повреждением дуги.В процессе сварки TIG инертный электрод или вольфрамовый электрод имеют форму кольца. Он помещается в сварочный стержень концом вверх. Электрод имеет два или три электрода с каждой стороны. Один электрод будет помещен перед другим, образуя петлю вокруг основания сварочного стержня. В процессе плазменной сварки один электрод будет помещен непосредственно перед другим, образуя L-образную форму.

Когда электрод проходит через сварочную работу и сварочную ванну, он зажигает дугу между электродами, которая затем передается через дугу на окружающую заготовку.Эта дуга проходит по длине сварочного стержня и заставляет дугу нагревать металлоконструкции в точке, где начинается сварка. Когда сварной шов начинает остывать, он течет обратно через сварную работу и обратно через электрод, образуя новую дугу, снова нагревая ее. Когда это происходит неоднократно, сварные швы начинают отделяться друг от друга, и остается горячая точка сварного шва. Это горячее пятно называется электродной дугой. Эта горячая точка — это область, где дуга остается горячей после завершения сварочных работ и не распределяется равномерно.Чтобы устранить проблему, дугу необходимо удалить или прочистить, прежде чем сварной шов вернется в исходное положение.

Кислородно-рабочая сварка

Кислородная сварка и кислородная резка — это два процесса, в которых кислород и топливный газ используются в качестве основных химических веществ для сварки или резки металла. Французские ученые Эдмон Фушу и Шарль Пикар первыми изобрели кислородно-водородную сварку в 1903 году. Этот метод является производным от кислородно-ацетиленовой сварки. Кислородно-рабочая сварка — это узкоспециализированный процесс, и для его освоения требуется больше времени и опыта, чем для кислородно-ацетиленовой сварки.

Кислородная сварка — это самый современный метод сварки на сегодняшний день.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.