Численное проектирование формирователя поля для магнитно-импульсной сварки листовых деталей летательных аппаратов

Машиностроение и машиноведение

2025. Т. 32. № 2. С. 204-213.

Авторы

Ахмед Солиман М. Э.*, Чинахов Д. А.**, Батаев И. А.***, Курлаев Н. В.****

Новосибирский государственный технический университет, проспект К. Маркса, 20, Новосибирск, 630073, Россия

*e-mail: axmed_soliman@corp.nstu.ru
**e-mail: chinakhov@corp.nstu.ru
***e-mail: i.bataev@corp.nstu.ru
****e-mail: kurlaev@corp.nstu.ru

Аннотация

Конструкция формирователя поля играет существенную роль в процессе магнитно-импульсной сварки (МИС) листовых деталей летательных аппаратов. Он должен быть спроектирован таким образом, чтобы магнитное поле максимально было сосредоточено в активной рабочей зоне. Одновременно важно позаботиться о механической прочности формирователя поля (ФП), чтобы напряжение Фон-Мизеса, действующее на него, всегда было ниже прочности материала, используемого для его изготовления. При МИС металлические заготовки прижимаются и формируются давлением, создаваемым с использованием интенсивного нестационарного магнитного поля, путем пропускания импульса электрического тока через катушку в цепи импульсного питания. Наведенные вихревые токи в заготовке создают магнитное поле, направление которого противоположно направлению исходного магнитного поля, это приводит к взаимному отталкиванию заготовок. 
В процессе деформации две пластины постепенно сближаются в течение короткого промежутка времени, высокие скорости, давление и «эффект гребней» обеспечивают сварку в зоне сцепления двух полос. Вследствие высоких скоростей соударения и давления в окрестности линии контакта реализуются условия, обеспечивающие интенсивное совместное пластическое деформирование свариваемых металлов, приводящее к образованию физического контакта, активации поверхностей и формированию соединения. 

Ключевые слова:

Конструкция формирователя поля играет существенную роль в процессе магнитно-импульсной сварки (МИС) листовых деталей летательных аппаратов. Он должен быть спроектирован таким образом, чтобы магнитное поле максимально было сосредоточено в активной рабочей зоне. Одновременно важно позаботиться о механической прочности формирователя поля (ФП), чтобы напряжение Фон-Мизеса, действующее на него, всегда было ниже прочности материала, используемого для его изготовления. При МИС металлические заготовки прижимаются и формируются давлением, создаваемым с использованием интенсивного нестационарного магнитного поля, путем пропускания импульса электрического тока через катушку в цепи импульсного питания. Наведенные вихревые токи в заготовке создают магнитное поле, направление которого противоположно направлению исходного магнитного поля, это приводит к взаимному отталкиванию заготовок. В процессе деформации две пластины постепенно сближаются в течение короткого промежутка времени, высокие скорости, давление и «эффект гребней» обеспечивают сварку в зоне сцепления двух полос. Вследствие высоких скоростей соударения и давления в окрестности линии контакта реализуются условия, обеспечивающие интенсивное совместное пластическое деформирование свариваемых металлов, приводящее к образованию физического контакта, активации поверхностей и формированию соединения.

Список источников

  1. Bahmani M.A., Niayesh K., Karimi A. 3D Simulation of magnetic field distribution in electromagnetic forming systems with field-shaper // Journal of Materials Processing Technology. 2009. Vol. 209. No. 5, pp. 2295-2301. DOI: 10.1016/j.jmatprotec.2008.05.024
  2. Yan Z., Xiao A., Cui X., et al. Magnetic pulse welding of aluminum to steel tubes using a field-shaper with multiple seams // Journal of Manufacturing Processes. 2021. Vol. 65. No. 1–4, pp. 214-227. DOI: 10.1016/j.jmapro.2021.03.037 
  3. Soni M., Ahmed M., Panthi S.K. et al. Analysis of field shaper materials on the deformation behavior of (AA6061) tube in electromagnetic forming process through simulation and experiments // Journal of Manufacturing Processes. 2022. Vol. 82. No. 6, pp. 23-35. DOI: 10.1016/j.jmapro.2022.07.056
  4. Ахмед Солиман М.Э., Курлаев Н.В., Шайдуров С.В. Совершенствование технологии электромагнитного обжима патрубка с жалюзи системы воздухообмена летательных аппаратов путем численного моделирования // Вестник Московского авиационного института. 2024. Т. 31. № 3. С. 96-105. URL: https://vestnikmai.ru/publications.php?ID=182564
  5. Ахмед Солиман М.Э., Курлаев Н.В., Шайдуров С.В. Изготовление патрубка с жалюзи системы кондиционирования воздуха ЛА методом раздачи давлением импульсного магнитного поля // Вестник Московского авиационного института. 2024. Т. 31. № 4. С. 65-74. URL: https://vestnikmai.ru/eng/publications.php?ID=183585
  6. Chen Y., Yang Z., Peng W. et al. Experimental investigation and optimization on field shaper structure parameters in magnetic pulse welding // Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part B. Journal of Engineering Manufacture. 2021. Vol. 235. No. 13, pp. 2108–2117. DOI: 10.1177/09544054211014846
  7. Maloberti O., Mansouri O., Jouaffre D. et al. Definition and calculation of single turn coils’ electrical, magnetic and electro-mechanical parameters for pulsed magnetic technologies with the finite element method and experiments // International Journal of Applied Electromagnetics and Mechanics. 2019. Vol. 61. No. 4, pp. 605-632. DOI: 10.3233/JAE-180132 
  8. Linnemann M., Scheffler C., Psyk V. Numerically Assisted Design for Electromagnetically Driven Tools // Procedia Manufacturing. 2020. Vol. 47, pp. 1334-1338. DOI: 10.1016/j.promfg.2020.04.254
  9. Rajak A.K., Kore S.D. Application of electromagnetic forming in terminal crimping using different types of field shapers // Journal of Mechanical Science and Technology. 2018. Vol. 32. No. 9, pp. 4291–4297. DOI: 10.1007/s12206-018-0827-z
  10. Ахмед Солиман М.Э. Исследование деформирования листовых алюминиевых сплавов при формообразовании деталей летательных аппаратов давлением импульсного магнитного поля: Дисс. ... канд. техн. наук. Новосибирск, 2022. 239 с.
  11. Ахмед Солиман М.Э., Курлаев Н.В. Исследование соединения алюминиевых труб и стержней различной геометрии электромагнитно-импульсной сваркой // Вестник Московского авиационного института. 2025. Т. 32. № 1. С. 202-213. URL: https://vestnikmai.ru/publications.php?ID=184463
  12. Ахмед Солиман М.Э. Численное исследование высокоскоростной сварки угловым ударом методом гидродинамики сглаженных частиц // Инженерный журнал: наука и инновации. 2024. Т. 156. № 12. DOI: 10.18698/2308-6033-2024-12-2405
  13. Kuz’min E.V., Lysak V.I., Kuz’min S., et al. Effect of parameters of high-velocity collision on the structure and properties of joints upon explosive welding with simultaneous ultrasonication // Physics of Metals and Metallography.2019. Vol. 120. No. 2, рp. 197–203. DOI: 10.1134/S0031918X1902011X
  14. Gupta V., Lee T., Vivek A., et al. A robust process-structure model for predicting the joint interface structure in impact welding // Journal of Materials Processing Technology. 2018. Vol. 264. No. 4, pp. 107-118. DOI: 10.1016/j.jmatprotec.2018.08.047
  15. Nassiri A., Zhang S., Lee T., et al. Numerical investigation of CP-Ti & Cu110 impact welding using smoothed particle hydrodynamics and arbitrary Lagrangian–Eulerian methods // Journal of Manufacturing Processes. 2017. Vol. 28. No. 1. Part 3, pp. 558-564. DOI: 10.1016/j.jmapro.2017.04.032
  16. Carvalho G.H.S.F.L., Galvão I., Mendes R., et al. Explosive welding of aluminum to stainless steel // Journal of Materials Processing Technology. 2018. Vol. 262, pp. 340–349. DOI: 10.1016/j.jmatprotec.2018.06.042
  17. Дудин А.А. Магнитно-импульсная сварка металлов. М.: Металлургия, 1979. 128 с.
  18. Grignon F., Benson D.J., Vecchio K.S., et al. Explosive welding of aluminum to aluminum: Analysis, computations and experiments // International Journal of Impact Engineering. 2004. Vol. 30. No. 10, pp. 1333–1351. DOI: 10.1016/j.ijimpeng.2003.09.049
  19. Bataev I.A., Lazurenko D.V., Tanaka S., et al. High cooling rates and metastable phases at the interfaces of explosively welded materials // Acta Materialia. 2017. Vol. 135. No. 1, pp. 277–289. DOI: 10.1016/j.actamat.2017.06.038
  20. Emurlaeva Y.Y., Aleksandrova N.S., Bataev I.A. Weldability Window for High-Velocity Impact Welding of Al and Ti Plates Obtained by Numerical Simulation // Key Engineering Materials. 2022. Vol. 910. No. 5, pp. 544–550. DOI: 10.4028/p-i5kvr2

mai.ru — информационный портал Московского авиационного института

© МАИ, 1994-2025