電磁脈沖技術(shù)（EMPT）-- 一種創(chuàng)新的焊接方式

xiaoyetongxu

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電磁脈沖技術(shù)（E M P T）在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用

電磁脈沖技術(shù)（EMPT）可以在不相互接觸的情況下對(duì)金屬進(jìn)行連接、焊接、成形和切割。EMPT利用電磁感應(yīng)圈，從一個(gè)脈沖發(fā)生器中產(chǎn)生出短暫而非常強(qiáng)的電流。感應(yīng)圈產(chǎn)生出的電磁場(chǎng)，可以瞬間壓縮或者膨脹而改變管材的直徑。由于管材表面可以短暫帶渦電流，因而此技術(shù)同樣可以處理沒有磁性的金屬，如鋁。

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電磁脈沖技術(shù)（EMPT）可以對(duì)金屬進(jìn)行連接、焊接、成形和切割，尤其適合于導(dǎo)電性強(qiáng)的金屬管材，如鋁、銅、鋼等。同樣可以壓縮或者膨脹不對(duì)稱的橫截面，根據(jù)需要進(jìn)行機(jī)械密封、固相焊接、或簡(jiǎn)單的形狀改變。由于其速度非常快，因此產(chǎn)生出的固相焊接的微觀結(jié)構(gòu)可以接近于爆炸焊接或者爆炸包覆。

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此文主要闡述EMPT技術(shù)的運(yùn)用范圍、適用機(jī)械制造及經(jīng)濟(jì)性。

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1.      電磁脈沖技術(shù)（EMPT）的原理

當(dāng)通有電流的導(dǎo)體置于磁場(chǎng)中，該導(dǎo)體將受到力的作用，這種電流與磁場(chǎng)相互作用而產(chǎn)生的力稱為洛侖茲力（Lorentz force）。另外，電流本身也產(chǎn)生電磁場(chǎng)。因此，當(dāng)電流以不同的方向運(yùn)動(dòng)時(shí)，兩個(gè)平行的帶電導(dǎo)體會(huì)相互排斥。

圖1：金屬管材插入電磁線圈中。圖示電磁線圈中電流、渦電流、洛倫茲力，顯示為交流電的半正波如果將管材插入一個(gè)電磁線圈中，管材和電磁線圈均可被看成是導(dǎo)體。當(dāng)給電磁線圈通上交流電時(shí)，管材表面會(huì)產(chǎn)生渦電流，并根據(jù)楞次定律向著電磁線圈方向移動(dòng)（圖1）。因此，管材受到一個(gè)向內(nèi)的徑向力作用。如果電磁圈電流改變方向，管材表面的渦電流同樣改變。因此，電磁線圈電流和管材所帶電流保持與磁力相反的方向。磁力在微秒內(nèi)呈放射狀壓縮管材。然而，由于管材的慣性，成型過程滯后于壓力上升過程。圖2顯示了5個(gè)時(shí)間點(diǎn)的成型過程。
/ g) d4 j6 a9 |, g8 V2 D圖2. 管材插入后，管邊緣的有限元分析磁壓力上升時(shí)，幾微秒之后管材材料才開始發(fā)生變形。當(dāng)管內(nèi)壓力超過材料的屈服強(qiáng)度，管材直徑開始變小。隨著此過程繼續(xù)，管材直徑變小的速度顯著加快，最終形成需要的幾何形狀。
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2. EMPT機(jī)器EMPT系統(tǒng)主要由三個(gè)部分組成：脈沖發(fā)生器、線圈、成型腔。2.1 脈沖發(fā)生器金屬變形的磁性壓力范圍為100N/m㎡。產(chǎn)生這個(gè)壓力，需要100KA~1000KA范圍內(nèi)的脈沖電流。所需的能量被儲(chǔ)存在一個(gè)由電容器組、充電單元和大電流開關(guān)組成的脈沖發(fā)生器中。此脈沖發(fā)生器和EMPT線圈組成了一個(gè)共振回路，即，電容器組中儲(chǔ)存的能量E=1/2 CU2被轉(zhuǎn)化成線圈所帶的磁力E=1/2LI2。2.2 線圈和成型腔線圈和成型腔是用來將磁力集中到導(dǎo)體工件上。線圈是由一道或幾道傳導(dǎo)性很高的材料繞組組成，通常是特殊的銅或者鋁合金（圖3）。根據(jù)所需要傳導(dǎo)的電流大小不同，線圈的橫截面積通常為10~100 m㎡。成型腔的橫截面至少有一個(gè)放射狀槽口，而且與工件和線圈絕緣。線圈長(zhǎng)度和成型腔外徑上的長(zhǎng)度保持一致，且線圈與成型腔之間的間隙越小越好。在電脈沖進(jìn)行傳導(dǎo)時(shí)，帶電線圈會(huì)使成型腔表面帶上渦電流，渦電流通過成型腔表面的放射狀槽口流入內(nèi)壁。成型腔的內(nèi)徑即為工件的外徑，而內(nèi)孔的長(zhǎng)度通常比線圈短，因此電流更集中。由此產(chǎn)生兩個(gè)結(jié)果：磁力線集中在成型腔縮口的背面上；多層線圈產(chǎn)生的不均勻磁場(chǎng)會(huì)聚于縮口端部。成型腔使線圈產(chǎn)生的磁力可比作用到工件上的壓力小。與線圈直接作用相比，可以顯著延長(zhǎng)線圈的使用壽命，因此，大大提高了效率，減少了成本損耗。PST公司利用數(shù)字技術(shù)改進(jìn)了所生產(chǎn)的線圈，其平均使用壽命可達(dá)2,000,000次脈沖。    圖3. 多圈纏繞的線圈的截面圖僅需一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)線圈和合適的成型腔，就可以在極短的時(shí)間內(nèi)毫不費(fèi)力的加工各種直徑和形狀的工件。二分鐘之內(nèi)就可以非常方便的更換成型腔。在一些特定的系統(tǒng)中使用單一用途的線圈即可，無需再使用成型腔。3. 工作步驟操作步驟如下：1.         將工件安放在線圈內(nèi)。2.         將大電流開關(guān)保持?jǐn)嚅_，充電單元給電容組充電（圖4）。圖4. 脈沖發(fā)生器和線圈作用原理3.         通常在8秒鐘內(nèi)到達(dá)充電電壓，充電開關(guān)斷開，而線圈回路的強(qiáng)電流開關(guān)閉合，釋放電容組儲(chǔ)存的能量，為線圈回路和電容回路提供正弦式交流電。4.         幾個(gè)回合之后，交流電流值減弱為零，在交流電第一個(gè)半波內(nèi)，管件壓縮形成其最終的形狀（圖5）。圖5. 一個(gè)典型放電電流的波形工業(yè)上使用的EMPT系統(tǒng)通常的放電頻率為6～30KHz。PST公司所生產(chǎn)的EMPT系統(tǒng)具有如下特點(diǎn)：放電電流高，放電頻率高，周期短，工藝程序監(jiān)控和數(shù)字化控制。定期在約每五十萬次時(shí)維護(hù)強(qiáng)電流開關(guān)，可使電容組的使用壽命超過兩百萬次脈沖。根據(jù)不同型號(hào)，在10～16千伏電壓下，可產(chǎn)生100～2000千伏放電電流（圖6）。圖6. PST生產(chǎn)的PS45 EMPT脈沖發(fā)生器使用在一個(gè)德國(guó)一流的汽車生產(chǎn)工廠PST產(chǎn)品一個(gè)顯著的特點(diǎn)是其100%的程序控制系統(tǒng)，這是通過測(cè)量、儲(chǔ)存、分析每個(gè)脈沖的時(shí)間曲線得出的。這種遵循規(guī)則的方法確保在各種環(huán)境中，在指定過程窗口下，放電電流都能保持恒定。經(jīng)證實(shí)，PST產(chǎn)品的閉合線圈控制系統(tǒng)，對(duì)于在完全自動(dòng)化的生產(chǎn)線上融合使用EMPT系統(tǒng)是非常有用的。
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4. 工業(yè)運(yùn)用EMPT技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域，尤其是汽車制造領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景，尤其適合于汽車鋁制配件的批量生產(chǎn)及框架結(jié)構(gòu)的生產(chǎn)。如下是EMPT系統(tǒng)應(yīng)用于卷邊、焊接、成形和切割：a). EMPT 卷邊EMPT卷邊技術(shù)是可以代替機(jī)械卷邊工藝的新型的經(jīng)濟(jì)的技術(shù)。EMPT技術(shù)的非接觸式工序產(chǎn)生的壓力更均勻地按圓周分布，而不需要像在機(jī)械卷邊工藝中那樣使用各種工具和標(biāo)記。因此，EMPT技術(shù)更均勻，不發(fā)熱，不易產(chǎn)生變形，例如：在生產(chǎn)與橡膠管相配套的連接件（圖7）EMPT技術(shù)的應(yīng)用不僅僅局限于柔軟的合金，同樣適用于加工高強(qiáng)度零件�？梢杂弥睆綖�50mm，壁厚3mm的低碳鋼St 52-3N ( = S355J2+N)生產(chǎn)卡車擋泥板支撐架（圖8）。圖8. EMPT卷邊機(jī)生產(chǎn)低碳鋼卡車擋泥板支撐架EMPT為電纜和電器插頭卷邊可以使壓縮力強(qiáng)大而均勻。EMPT的褶皺線纜連接器的電抗比機(jī)械卷邊產(chǎn)生的卷邊低50% [3]。使用EMPT卷邊機(jī)，更換不同形狀的工件，安裝時(shí)間短，重復(fù)性強(qiáng)。世界各地約有400~500臺(tái)EMPT卷邊機(jī)被安裝使用。EMPT技術(shù)通常被用來連接不同材質(zhì)的工件，如將鋁或錳工件插入到鋼或塑料插口。EMPT技術(shù)還可以用于交通行業(yè)，生產(chǎn)輕質(zhì)的構(gòu)件，如汽車座椅（圖9），飛行器等。圖9. EMPT卷邊機(jī)加工質(zhì)量輕的汽車座椅的不同材質(zhì)部件   使用密封件，如橡膠O型圈，就可用EMPT系統(tǒng)生產(chǎn)氣壓、液壓密閉容器。由于不需要耗材，而且是非接觸式的工藝，EMPT系統(tǒng)可以使用于無菌場(chǎng)合，如將鋁卷邊加工成藥用玻璃瓶蓋（圖10）。PST產(chǎn)品新近開發(fā)出特殊的多用途連接線圈，可以同時(shí)進(jìn)行多達(dá)50個(gè)點(diǎn)的連接，此技術(shù)已獲得專利。圖10. EMPT將鋁卷邊加工成藥用玻璃瓶蓋b). EMPT焊接很多情況下需要使用固相焊接，也被稱為原子結(jié)合，因?yàn)樗�是在原子能�?jí)上進(jìn)行的連接。其方法和爆炸焊接很相似，都是在高壓作用下兩個(gè)純金屬工件的原子相互擠壓，直到發(fā)生電子轉(zhuǎn)移，形成一個(gè)新的金屬混合物（圖11）。然而EMPT操作時(shí)溫度不會(huì)升高，即沒有受到高溫影響的區(qū)域，因而微觀結(jié)構(gòu)也就不會(huì)發(fā)生改變。EMPT焊接是靠工件之間的V型接口，即兩工件連接端事先做成圓錐形，工件相互之間進(jìn)行“滾動(dòng)式”擠壓接觸。如果產(chǎn)品對(duì)于密封性或傳導(dǎo)性有特殊要求，EMPT焊接的優(yōu)勢(shì)則更加突出。在V型端部產(chǎn)生的接觸擠壓力范圍約為1000N/m㎡，并伴有巨大的張力。這基本上發(fā)生在兩個(gè)工件的接觸區(qū)域前面的十幾微米的接觸點(diǎn)之間。表層下的塑料變形，導(dǎo)致兩個(gè)接觸體的氧化層都發(fā)生破裂，因而產(chǎn)生與爆炸焊接相類似的波浪狀微觀結(jié)構(gòu)。有限元分析表明，塑料變形速度超過聲音在空氣中傳播速度，而遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于聲音在金屬中傳播速度。工件之間的空氣層被壓縮，加速向頂端角部擠壓，由此產(chǎn)生的噴射氣體將連接區(qū)域的碎屑及氧化粒子等吹走。圖11. EMPT焊接步驟圖示EMPT焊接的優(yōu)點(diǎn)在于，一方面結(jié)合強(qiáng)度大，因?yàn)榻Y(jié)合力相當(dāng)于要將工件熔化的力。另外，EMPT焊接可以用在不同金屬材料上類似“氦密封”連接，而不產(chǎn)生高熱量。通常難焊的不銹鋼材料也可以使用EMPT焊接，甚至可以大批量地焊接不同的金屬，如鋼和鋁、鋼和銅、以及銅和鋁等（圖12）。
圖12. EMPT將一段是鋼的工件焊接到質(zhì)量很輕的鋁制傳動(dòng)軸上因?yàn)樾枰�磁性力使工件變形，所以需要材料表面處理好，材料質(zhì)量較好。很多情況下，在進(jìn)行EMPT焊接之前，需要對(duì)工件進(jìn)行精密加工、打磨拋光除油。c). EMPT成形使用電磁脈沖可以對(duì)管狀工件進(jìn)行壓縮或者延展。大多數(shù)情況下，在壓縮和延展過程中都需要使用心軸或者模具來確保形狀公差，但是不使用模具也是可以的。有時(shí)成形之后需要使用獨(dú)立的心軸或者模具來分離工件。圖13. 用于EMPT壓縮和延展的工具相對(duì)于傳統(tǒng)的管件成型工藝，EMPT技術(shù)對(duì)管狀工件成形具有更大的優(yōu)勢(shì)： EMPT可以不廻轉(zhuǎn)而壓縮對(duì)稱的管件截面，以避免高速反彈力沖擊。另外研究分析：在特定條件下，材料變形到一定程度，強(qiáng)度值會(huì)提高[1]。為了分析強(qiáng)度值提高的優(yōu)點(diǎn)，做了鋁合金環(huán)形工件膨脹實(shí)驗(yàn)。在類似條件下，塑料可能沿圓周變形26%而材料不會(huì)損壞。在用EMPT以高達(dá)170m/s的徑向延展速度高強(qiáng)度延展時(shí)，塑料可以沿圓周變形60%材料依然不會(huì)有損壞[1]。EMPT的加工極限是由工件的導(dǎo)電性決定的。下表1列舉了一些技術(shù)相關(guān)的材料的導(dǎo)電特性：
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材料	導(dǎo)電性
銅Cu 99.9	﹥ 58.0 [2]
鋁Al 99.9	36.89   [2]
鋁6082	24 ~ 28
鎂Mg 99.9	22.7
鎂          AZ91	6.6 ~ 7.1
結(jié)構(gòu)鋼	9.3
鈦        Ti99.9	2.56 [2]
不銹鋼     1.4301	1.6 [2]

表1. 一些技術(shù)相關(guān)的材料的導(dǎo)電特性
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& L  x; x* |7 s9 h) i" J目前，上表中結(jié)構(gòu)鋼的導(dǎo)電性表示的就是直接使用EMPT所能實(shí)現(xiàn)的最小值。如果材料的導(dǎo)電性低于結(jié)構(gòu)鋼，電阻損耗所產(chǎn)生的工件內(nèi)部熱量會(huì)過高，同時(shí)磁力線幅度的顯著下降，這會(huì)對(duì)EMPT造成損害。為了避免這種情況，可以在整形區(qū)域內(nèi)放置一個(gè)“驅(qū)動(dòng)”，一個(gè)薄壁鋁環(huán)或者銅環(huán)。有了這個(gè)“驅(qū)動(dòng)”，即時(shí)是非導(dǎo)體的材料也可以使用EMPT成形。結(jié)構(gòu)鋼當(dāng)然可以使用沒有驅(qū)動(dòng)的EMPT系統(tǒng)上，而對(duì)不銹鋼進(jìn)行成形時(shí)還是建議使用驅(qū)動(dòng)環(huán)。EMPT成形技術(shù)的應(yīng)用潛力不僅僅局限在管件生產(chǎn)上，但是對(duì)薄板件進(jìn)行成形因?yàn)闆]有有效的平面螺旋線圈而受到局限，通�？梢允褂帽馄骄�圈進(jìn)行小批量的生產(chǎn)。d). EMPT切割EMPT可以在金屬管材和薄板上切割孔（圖14）。此工藝已成功通過鋁材和不銹鋼板材的演示實(shí)驗(yàn)，甚至高強(qiáng)度鋼也可以處理。相對(duì)于機(jī)械切割而言，費(fèi)用更便宜。粘附很少也是其一大優(yōu)點(diǎn)。圖14. EMPT同時(shí)整形和切割一個(gè)盒子

豆丁上有此

迎風(fēng)001

給力啊啊啊啊啊啊啊啊

逸宇

國(guó)內(nèi)有木有,這東西太高科技了

健昆

高深，成本是不是太高了點(diǎn)。

飛越時(shí)光

增長(zhǎng)見識(shí)了·~！~！�。�

筱羽

好多哦，只關(guān)心成本和焊接后性能如何

1256502020

成本高

博渺

學(xué)識(shí)不夠，理解有點(diǎn)難度。

liushaobo1989

視野！

riyuerusuo

真是好技術(shù)，可是感覺——唉。太遙遠(yuǎn)。