電磁脈沖技術（EMPT）-- 一種創新的焊接方式

xiaoyetongxu

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電磁脈沖技術（E M P T）在工業領域的應用

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電磁脈沖技術（EMPT）可以在不相互接觸的情況下對金屬進行連接、焊接、成形和切割。EMPT利用電磁感應圈，從一個脈沖發生器中產生出短暫而非常強的電流。感應圈產生出的電磁場，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，因而此技術同樣可以處理沒有磁性的金屬，如鋁。

電磁脈沖技術（EMPT）可以對金屬進行連接、焊接、成形和切割，尤其適合于導電性強的金屬管材，如鋁、銅、鋼等。同樣可以壓縮或者膨脹不對稱的橫截面，根據需要進行機械密封、固相焊接、或簡單的形狀改變。由于其速度非常快，因此產生出的固相焊接的微觀結構可以接近于爆炸焊接或者爆炸包覆。

此文主要闡述EMPT技術的運用范圍、適用機械制造及經濟性。

1.      電磁脈沖技術（EMPT）的原理

當通有電流的導體置于磁場中，該導體將受到力的作用，這種電流與磁場相互作用而產生的力稱為洛侖茲力（Lorentz force）。另外，電流本身也產生電磁場。因此，當電流以不同的方向運動時，兩個平行的帶電導體會相互排斥。

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電磁線圈中，管材和電磁線圈均可被看成是導體。當給電磁線圈通上交流電時，管材表面會產生渦電流，并根據楞次定律向著電磁線圈方向移動（圖1）。因此，管材受到一個向內的徑向力作用。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個時間點的成型過程。
5 i4 k2 e; n' H" y" {( H) {9 x圖2. 管材插入后，管邊緣的有限元分析磁壓力上升時，幾微秒之后管材材料才開始發生變形。當管內壓力超過材料的屈服強度，管材直徑開始變小。隨著此過程繼續，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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1 ~) E4 C+ l4 M8 J  E( E2 Q& w# V7 t 2. EMPT機器EMPT系統主要由三個部分組成：脈沖發生器、線圈、成型腔。2.1 脈沖發生器金屬變形的磁性壓力范圍為100N/m㎡。產生這個壓力，需要100KA~1000KA范圍內的脈沖電流。所需的能量被儲存在一個由電容器組、充電單元和大電流開關組成的脈沖發生器中。此脈沖發生器和EMPT線圈組成了一個共振回路，即，電容器組中儲存的能量E=1/2 CU2被轉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體工件上。線圈是由一道或幾道傳導性很高的材料繞組組成，通常是特殊的銅或者鋁合金（圖3）。根據所需要傳導的電流大小不同，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放射狀槽口，而且與工件和線圈絕緣。線圈長度和成型腔外徑上的長度保持一致，且線圈與成型腔之間的間隙越小越好。在電脈沖進行傳導時，帶電線圈會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壁。成型腔的內徑即為工件的外徑，而內孔的長度通常比線圈短，因此電流更集中。由此產生兩個結果：磁力線集中在成型腔縮口的背面上；多層線圈產生的不均勻磁場會聚于縮口端部。成型腔使線圈產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公司利用數字技術改進了所生產的線圈，其平均使用壽命可達2,000,000次脈沖。    圖3. 多圈纏繞的線圈的截面圖僅需一個標準線圈和合適的成型腔，就可以在極短的時間內毫不費力的加工各種直徑和形狀的工件。二分鐘之內就可以非常方便的更換成型腔。在一些特定的系統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。2.         將大電流開關保持斷開，充電單元給電容組充電（圖4）。圖4. 脈沖發生器和線圈作用原理3.         通常在8秒鐘內到達充電電壓，充電開關斷開，而線圈回路的強電流開關閉合，釋放電容組儲存的能量，為線圈回路和電容回路提供正弦式交流電。4.         幾個回合之后，交流電流值減弱為零，在交流電第一個半波內，管件壓縮形成其最終的形狀（圖5）。圖5. 一個典型放電電流的波形工業上使用的EMPT系統通常的放電頻率為6～30KHz。PST公司所生產的EMPT系統具有如下特點：放電電流高，放電頻率高，周期短，工藝程序監控和數字化控制。定期在約每五十萬次時維護強電流開關，可使電容組的使用壽命超過兩百萬次脈沖。根據不同型號，在10～16千伏電壓下，可產生100～2000千伏放電電流（圖6）。圖6. PST生產的PS45 EMPT脈沖發生器使用在一個德國一流的汽車生產工廠PST產品一個顯著的特點是其100%的程序控制系統，這是通過測量、儲存、分析每個脈沖的時間曲線得出的。這種遵循規則的方法確保在各種環境中，在指定過程窗口下，放電電流都能保持恒定。經證實，PST產品的閉合線圈控制系統，對于在完全自動化的生產線上融合使用EMPT系統是非常有用的。


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4. 工業運用EMPT技術在工業領域，尤其是汽車制造領域有著廣泛的應用前景，尤其適合于汽車鋁制配件的批量生產及框架結構的生產。如下是EMPT系統應用于卷邊、焊接、成形和切割：a). EMPT 卷邊EMPT卷邊技術是可以代替機械卷邊工藝的新型的經濟的技術。EMPT技術的非接觸式工序產生的壓力更均勻地按圓周分布，而不需要像在機械卷邊工藝中那樣使用各種工具和標記。因此，EMPT技術更均勻，不發熱，不易產生變形，例如：在生產與橡膠管相配套的連接件（圖7）EMPT技術的應用不僅僅局限于柔軟的合金，同樣適用于加工高強度零件。可以用直徑為50mm，壁厚3mm的低碳鋼St 52-3N ( = S355J2+N)生產卡車擋泥板支撐架（圖8）。圖8. EMPT卷邊機生產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大而均勻。EMPT的褶皺線纜連接器的電抗比機械卷邊產生的卷邊低50% [3]。使用EMPT卷邊機，更換不同形狀的工件，安裝時間短，重復性強。世界各地約有400~500臺EMPT卷邊機被安裝使用。EMPT技術通常被用來連接不同材質的工件，如將鋁或錳工件插入到鋼或塑料插口。EMPT技術還可以用于交通行業，生產輕質的構件，如汽車座椅（圖9），飛行器等。圖9. EMPT卷邊機加工質量輕的汽車座椅的不同材質部件   使用密封件，如橡膠O型圈，就可用EMPT系統生產氣壓、液壓密閉容器。由于不需要耗材，而且是非接觸式的工藝，EMPT系統可以使用于無菌場合，如將鋁卷邊加工成藥用玻璃瓶蓋（圖10）。PST產品新近開發出特殊的多用途連接線圈，可以同時進行多達50個點的連接，此技術已獲得專利。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，也被稱為原子結合，因為它是在原子能級上進行的連接。其方法和爆炸焊接很相似，都是在高壓作用下兩個純金屬工件的原子相互擠壓，直到發生電子轉移，形成一個新的金屬混合物（圖11）。然而EMPT操作時溫度不會升高，即沒有受到高溫影響的區域，因而微觀結構也就不會發生改變。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，工件相互之間進行“滾動式”擠壓接觸。如果產品對于密封性或傳導性有特殊要求，EMPT焊接的優勢則更加突出。在V型端部產生的接觸擠壓力范圍約為1000N/m㎡，并伴有巨大的張力。這基本上發生在兩個工件的接觸區域前面的十幾微米的接觸點之間。表層下的塑料變形，導致兩個接觸體的氧化層都發生破裂，因而產生與爆炸焊接相類似的波浪狀微觀結構。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，而遠遠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，由此產生的噴射氣體將連接區域的碎屑及氧化粒子等吹走。圖11. EMPT焊接步驟圖示EMPT焊接的優點在于，一方面結合強度大，因為結合力相當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量很輕的鋁制傳動軸上因為需要磁性力使工件變形，所以需要材料表面處理好，材料質量較好。很多情況下，在進行EMPT焊接之前，需要對工件進行精密加工、打磨拋光除油。c). EMPT成形使用電磁脈沖可以對管狀工件進行壓縮或者延展。大多數情況下，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。有時成形之后需要使用獨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于傳統的管件成型工藝，EMPT技術對管狀工件成形具有更大的優勢： EMPT可以不廻轉而壓縮對稱的管件截面，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，強度值會提高[1]。為了分析強度值提高的優點，做了鋁合金環形工件膨脹實驗。在類似條件下，塑料可能沿圓周變形26%而材料不會損壞。在用EMPT以高達170m/s的徑向延展速度高強度延展時，塑料可以沿圓周變形60%材料依然不會有損壞[1]。EMPT的加工極限是由工件的導電性決定的。下表1列舉了一些技術相關的材料的導電特性：
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2 Q) N( `+ ~) ~. l# R& J

4 Z6 Q3 D) h+ w9 {  O

材料	導電性
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
結構鋼	9.3
鈦        Ti99.9	2.56 [2]
不銹鋼     1.4301	1.6 [2]

表1. 一些技術相關的材料的導電特性
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5 P* B" E  p' d6 I& f目前，上表中結構鋼的導電性表示的就是直接使用EMPT所能實現的最小值。如果材料的導電性低于結構鋼，電阻損耗所產生的工件內部熱量會過高，同時磁力線幅度的顯著下降，這會對EMPT造成損害。為了避免這種情況，可以在整形區域內放置一個“驅動”，一個薄壁鋁環或者銅環。有了這個“驅動”，即時是非導體的材料也可以使用EMPT成形。結構鋼當然可以使用沒有驅動的EMPT系統上，而對不銹鋼進行成形時還是建議使用驅動環。EMPT成形技術的應用潛力不僅僅局限在管件生產上，但是對薄板件進行成形因為沒有有效的平面螺旋線圈而受到局限，通常可以使用扁平線圈進行小批量的生產。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驗，甚至高強度鋼也可以處理。相對于機械切割而言，費用更便宜。粘附很少也是其一大優點。圖14. EMPT同時整形和切割一個盒子
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豆丁上有此

迎風001

給力啊啊啊啊啊啊啊啊
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逸宇

國內有木有,這東西太高科技了

健昆

高深，成本是不是太高了點。

飛越時光

增長見識了·~！~！！！

筱羽

好多哦，只關心成本和焊接后性能如何

1256502020

成本高

博渺

學識不夠，理解有點難度。

liushaobo1989

視野！

riyuerusuo

真是好技術，可是感覺——唉。太遙遠。