电磁脉冲技术（EMPT）-- 一种创新的焊接方式

xiaoyetongxu

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电磁脉冲技术（E M P T）在工业领域的应用

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电磁脉冲技术（EMPT）可以在不相互接触的情况下对金属进行连接、焊接、成形和切割。EMPT利用电磁感应圈，从一个脉冲发生器中产生出短暂而非常强的电流。感应圈产生出的电磁场，可以瞬间压缩或者膨胀而改变管材的直径。由于管材表面可以短暂带涡电流，因而此技术同样可以处理没有磁性的金属，如铝。

电磁脉冲技术（EMPT）可以对金属进行连接、焊接、成形和切割，尤其适合于导电性强的金属管材，如铝、铜、钢等。同样可以压缩或者膨胀不对称的横截面，根据需要进行机械密封、固相焊接、或简单的形状改变。由于其速度非常快，因此产生出的固相焊接的微观结构可以接近于爆炸焊接或者爆炸包覆。

此文主要阐述EMPT技术的运用范围、适用机械制造及经济性。

1.      电磁脉冲技术（EMPT）的原理

当通有电流的导体置于磁场中，该导体将受到力的作用，这种电流与磁场相互作用而产生的力称为洛仑兹力（Lorentz force）。另外，电流本身也产生电磁场。因此，当电流以不同的方向运动时，两个平行的带电导体会相互排斥。

图1：金属管材插入电磁线圈中。图示电磁线圈中电流、涡电流、洛伦兹力，显示为交流电的半正波如果将管材插入一个电磁线圈中，管材和电磁线圈均可被看成是导体。当给电磁线圈通上交流电时，管材表面会产生涡电流，并根据楞次定律向着电磁线圈方向移动（图1）。因此，管材受到一个向内的径向力作用。如果电磁圈电流改变方向，管材表面的涡电流同样改变。因此，电磁线圈电流和管材所带电流保持与磁力相反的方向。磁力在微秒内呈放射状压缩管材。然而，由于管材的惯性，成型过程滞后于压力上升过程。图2显示了5个时间点的成型过程。
' s4 B& q! o& d7 s) L( S图2. 管材插入后，管边缘的有限元分析磁压力上升时，几微秒之后管材材料才开始发生变形。当管内压力超过材料的屈服强度，管材直径开始变小。随着此过程继续，管材直径变小的速度显著加快，最终形成需要的几何形状。
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2. EMPT机器EMPT系统主要由三个部分组成：脉冲发生器、线圈、成型腔。2.1 脉冲发生器金属变形的磁性压力范围为100N/m㎡。产生这个压力，需要100KA~1000KA范围内的脉冲电流。所需的能量被储存在一个由电容器组、充电单元和大电流开关组成的脉冲发生器中。此脉冲发生器和EMPT线圈组成了一个共振回路，即，电容器组中储存的能量E=1/2 CU2被转化成线圈所带的磁力E=1/2LI2。2.2 线圈和成型腔线圈和成型腔是用来将磁力集中到导体工件上。线圈是由一道或几道传导性很高的材料绕组组成，通常是特殊的铜或者铝合金（图3）。根据所需要传导的电流大小不同，线圈的横截面积通常为10~100 m㎡。成型腔的横截面至少有一个放射状槽口，而且与工件和线圈绝缘。线圈长度和成型腔外径上的长度保持一致，且线圈与成型腔之间的间隙越小越好。在电脉冲进行传导时，带电线圈会使成型腔表面带上涡电流，涡电流通过成型腔表面的放射状槽口流入内壁。成型腔的内径即为工件的外径，而内孔的长度通常比线圈短，因此电流更集中。由此产生两个结果：磁力线集中在成型腔缩口的背面上；多层线圈产生的不均匀磁场会聚于缩口端部。成型腔使线圈产生的磁力可比作用到工件上的压力小。与线圈直接作用相比，可以显著延长线圈的使用寿命，因此，大大提高了效率，减少了成本损耗。PST公司利用数字技术改进了所生产的线圈，其平均使用寿命可达2,000,000次脉冲。    图3. 多圈缠绕的线圈的截面图仅需一个标准线圈和合适的成型腔，就可以在极短的时间内毫不费力的加工各种直径和形状的工件。二分钟之内就可以非常方便的更换成型腔。在一些特定的系统中使用单一用途的线圈即可，无需再使用成型腔。3. 工作步骤操作步骤如下：1.         将工件安放在线圈内。2.         将大电流开关保持断开，充电单元给电容组充电（图4）。图4. 脉冲发生器和线圈作用原理3.         通常在8秒钟内到达充电电压，充电开关断开，而线圈回路的强电流开关闭合，释放电容组储存的能量，为线圈回路和电容回路提供正弦式交流电。4.         几个回合之后，交流电流值减弱为零，在交流电第一个半波内，管件压缩形成其最终的形状（图5）。图5. 一个典型放电电流的波形工业上使用的EMPT系统通常的放电频率为6～30KHz。PST公司所生产的EMPT系统具有如下特点：放电电流高，放电频率高，周期短，工艺程序监控和数字化控制。定期在约每五十万次时维护强电流开关，可使电容组的使用寿命超过两百万次脉冲。根据不同型号，在10～16千伏电压下，可产生100～2000千伏放电电流（图6）。图6. PST生产的PS45 EMPT脉冲发生器使用在一个德国一流的汽车生产工厂PST产品一个显著的特点是其100%的程序控制系统，这是通过测量、储存、分析每个脉冲的时间曲线得出的。这种遵循规则的方法确保在各种环境中，在指定过程窗口下，放电电流都能保持恒定。经证实，PST产品的闭合线圈控制系统，对于在完全自动化的生产线上融合使用EMPT系统是非常有用的。
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4. 工业运用EMPT技术在工业领域，尤其是汽车制造领域有着广泛的应用前景，尤其适合于汽车铝制配件的批量生产及框架结构的生产。如下是EMPT系统应用于卷边、焊接、成形和切割：a). EMPT 卷边EMPT卷边技术是可以代替机械卷边工艺的新型的经济的技术。EMPT技术的非接触式工序产生的压力更均匀地按圆周分布，而不需要像在机械卷边工艺中那样使用各种工具和标记。因此，EMPT技术更均匀，不发热，不易产生变形，例如：在生产与橡胶管相配套的连接件（图7）EMPT技术的应用不仅仅局限于柔软的合金，同样适用于加工高强度零件。可以用直径为50mm，壁厚3mm的低碳钢St 52-3N ( = S355J2+N)生产卡车挡泥板支撑架（图8）。图8. EMPT卷边机生产低碳钢卡车挡泥板支撑架EMPT为电缆和电器插头卷边可以使压缩力强大而均匀。EMPT的褶皱线缆连接器的电抗比机械卷边产生的卷边低50% [3]。使用EMPT卷边机，更换不同形状的工件，安装时间短，重复性强。世界各地约有400~500台EMPT卷边机被安装使用。EMPT技术通常被用来连接不同材质的工件，如将铝或锰工件插入到钢或塑料插口。EMPT技术还可以用于交通行业，生产轻质的构件，如汽车座椅（图9），飞行器等。图9. EMPT卷边机加工质量轻的汽车座椅的不同材质部件   使用密封件，如橡胶O型圈，就可用EMPT系统生产气压、液压密闭容器。由于不需要耗材，而且是非接触式的工艺，EMPT系统可以使用于无菌场合，如将铝卷边加工成药用玻璃瓶盖（图10）。PST产品新近开发出特殊的多用途连接线圈，可以同时进行多达50个点的连接，此技术已获得专利。图10. EMPT将铝卷边加工成药用玻璃瓶盖b). EMPT焊接很多情况下需要使用固相焊接，也被称为原子结合，因为它是在原子能级上进行的连接。其方法和爆炸焊接很相似，都是在高压作用下两个纯金属工件的原子相互挤压，直到发生电子转移，形成一个新的金属混合物（图11）。然而EMPT操作时温度不会升高，即没有受到高温影响的区域，因而微观结构也就不会发生改变。EMPT焊接是靠工件之间的V型接口，即两工件连接端事先做成圆锥形，工件相互之间进行“滚动式”挤压接触。如果产品对于密封性或传导性有特殊要求，EMPT焊接的优势则更加突出。在V型端部产生的接触挤压力范围约为1000N/m㎡，并伴有巨大的张力。这基本上发生在两个工件的接触区域前面的十几微米的接触点之间。表层下的塑料变形，导致两个接触体的氧化层都发生破裂，因而产生与爆炸焊接相类似的波浪状微观结构。有限元分析表明，塑料变形速度超过声音在空气中传播速度，而远远低于声音在金属中传播速度。工件之间的空气层被压缩，加速向顶端角部挤压，由此产生的喷射气体将连接区域的碎屑及氧化粒子等吹走。图11. EMPT焊接步骤图示EMPT焊接的优点在于，一方面结合强度大，因为结合力相当于要将工件熔化的力。另外，EMPT焊接可以用在不同金属材料上类似“氦密封”连接，而不产生高热量。通常难焊的不锈钢材料也可以使用EMPT焊接，甚至可以大批量地焊接不同的金属，如钢和铝、钢和铜、以及铜和铝等（图12）。
+ d( @! Z; A' ~! _$ Q# ?图12. EMPT将一段是钢的工件焊接到质量很轻的铝制传动轴上因为需要磁性力使工件变形，所以需要材料表面处理好，材料质量较好。很多情况下，在进行EMPT焊接之前，需要对工件进行精密加工、打磨抛光除油。c). EMPT成形使用电磁脉冲可以对管状工件进行压缩或者延展。大多数情况下，在压缩和延展过程中都需要使用心轴或者模具来确保形状公差，但是不使用模具也是可以的。有时成形之后需要使用独立的心轴或者模具来分离工件。图13. 用于EMPT压缩和延展的工具相对于传统的管件成型工艺，EMPT技术对管状工件成形具有更大的优势： EMPT可以不廻转而压缩对称的管件截面，以避免高速反弹力冲击。另外研究分析：在特定条件下，材料变形到一定程度，强度值会提高[1]。为了分析强度值提高的优点，做了铝合金环形工件膨胀实验。在类似条件下，塑料可能沿圆周变形26%而材料不会损坏。在用EMPT以高达170m/s的径向延展速度高强度延展时，塑料可以沿圆周变形60%材料依然不会有损坏[1]。EMPT的加工极限是由工件的导电性决定的。下表1列举了一些技术相关的材料的导电特性：
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材料	导电性
铜Cu 99.9	﹥ 58.0 [2]
铝Al 99.9	36.89   [2]
铝6082	24 ~ 28
镁Mg 99.9	22.7
镁          AZ91	6.6 ~ 7.1
结构钢	9.3
钛        Ti99.9	2.56 [2]
不锈钢     1.4301	1.6 [2]

表1. 一些技术相关的材料的导电特性



/ R8 S. p+ Z$ x6 C7 j/ K7 n, T$ C目前，上表中结构钢的导电性表示的就是直接使用EMPT所能实现的最小值。如果材料的导电性低于结构钢，电阻损耗所产生的工件内部热量会过高，同时磁力线幅度的显著下降，这会对EMPT造成损害。为了避免这种情况，可以在整形区域内放置一个“驱动”，一个薄壁铝环或者铜环。有了这个“驱动”，即时是非导体的材料也可以使用EMPT成形。结构钢当然可以使用没有驱动的EMPT系统上，而对不锈钢进行成形时还是建议使用驱动环。EMPT成形技术的应用潜力不仅仅局限在管件生产上，但是对薄板件进行成形因为没有有效的平面螺旋线圈而受到局限，通常可以使用扁平线圈进行小批量的生产。d). EMPT切割EMPT可以在金属管材和薄板上切割孔（图14）。此工艺已成功通过铝材和不锈钢板材的演示实验，甚至高强度钢也可以处理。相对于机械切割而言，费用更便宜。粘附很少也是其一大优点。图14. EMPT同时整形和切割一个盒子

$ P& h/ A9 y8 v; \. }2 t豆丁上有此

迎风001

给力啊啊啊啊啊啊啊啊
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逸宇

国内有木有,这东西太高科技了

健昆

高深，成本是不是太高了点。

飞越时光

增长见识了·~！~！！！

筱羽

好多哦，只关心成本和焊接后性能如何

1256502020

成本高

博渺

学识不够，理解有点难度。

liushaobo1989

视野！

riyuerusuo

真是好技术，可是感觉——唉。太遥远。