【摘 要】

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運(yùn)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(méi)有磁性的金屬，如鋁。

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。

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，見(jiàn)圖1。

圖1 金屬管材插入電磁線圈中

圖1中顯示電磁線圈中電流、渦電流、洛倫茲力，左圖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)。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，成形過(guò)程滯后于壓力上升過(guò)程。圖2顯示了5個(gè)時(shí)間點(diǎn)的成形過(guò)程。

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(kāi)始發(fā)生變形。當(dāng)管內(nèi)壓力超過(guò)材料的屈服強(qiáng)度，管材直徑開(kāi)始變小。隨著此過(guò)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。

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、成形腔。

（1）脈沖發(fā)生器 金屬變形的磁性壓力范圍為100N/mm2。產(chǎn)生這個(gè)壓力，需要100～1000kA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(kāi)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=CU 2/2 被轉(zhuǎn)化成線圈所帶的磁力E=LI2/2 。

（2）線圈和成形腔 線圈和成形腔是用來(lái)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（見(jiàn)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 mm2。

圖3 多圈纏繞的線圈的截面圖

1.線圈座 2.成形腔 3.絕緣體 4.線圈架 5.圈式繞組 6.塑料層

成形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)度和成形腔外徑上的長(zhǎng)度保持一致，且線圈與成形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)使成形腔表面帶上渦電流，渦電流通過(guò)成形腔表面的放射狀槽口流入內(nèi)壁。成形腔的內(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：磁力線集中在成形腔縮口的背面上，多層線圈產(chǎn)生的不均勻磁場(chǎng)會(huì)聚于縮口端部。

成形腔使線圈產(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。

僅需一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)線圈和合適的成形腔，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。2min之內(nèi)就可以非常方便的更換成形腔。在一些特定的系統(tǒng)中使用單一用途的線圈即可，無(wú)需再使用成形腔。

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(kāi)關(guān)保持?jǐn)嚅_(kāi)，充電單元給電容組

充電（見(jiàn)圖4）。

圖4 脈沖發(fā)生器和線圈作用原理

（3）通常在8s內(nèi)到達(dá)充電電壓，充電開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，而線圈回路的強(qiáng)電流開(kāi)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（見(jiàn)圖5）。

圖5 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50萬(wàn)次時(shí)維護(hù)強(qiáng)電流開(kāi)關(guān)，可使電容組的使用壽命超過(guò)200萬(wàn)次脈沖。根據(jù)不同型號(hào)，在10～16kV電壓下，可產(chǎn)生100～2000kV放電電流。圖6是PST生產(chǎn)的PS45 EMPT脈沖發(fā)生器，它被應(yīng)用在一個(gè)德國(guó)一流的汽車(chē)生產(chǎn)工廠里。

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(guò)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(guò)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。圖7是PST生產(chǎn)的雙線圈概念的PS45 EMPT折邊機(jī)系統(tǒng)。

用一個(gè)脈沖生產(chǎn)兩個(gè)連接頭，用于一個(gè)德國(guó)一流的汽車(chē)生產(chǎn)工廠大批量的自動(dòng)化生產(chǎn)線上。

4. 工業(yè)運(yùn)用

下面是EMPT系統(tǒng)應(yīng)用于卷邊、焊接、成形和切割。

（1）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（見(jiàn)圖8）。

圖8 EMPT卷邊機(jī)生產(chǎn)與橡膠管相配套的連接件

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?0mm、壁厚3mm的低碳鋼St 52—3N ( = S355J2+N)生產(chǎn)載貨汽車(chē)擋泥板支撐架（見(jiàn)圖9）。

圖9 EMPT卷邊機(jī)生產(chǎn)低碳鋼卡車(chē)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%。

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400~500臺(tái)EMPT卷邊機(jī)被安裝使用。EMPT技術(shù)通常被用來(lái)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(chē)座椅（見(jiàn)圖10），飛行器等。

圖10 EMPT卷邊機(jī)加工質(zhì)量輕的汽車(chē)座椅的不同材質(zhì)部件

使用密封件，如橡膠O形圈，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(wú)菌場(chǎng)合，如將鋁卷邊加工成藥用玻璃瓶蓋（見(jiàn)圖11）。PST產(chǎn)品新近開(kāi)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11 EMPT將鋁卷邊加工成藥用玻璃瓶蓋

（2）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窃谠幽芗?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（見(jiàn)圖12）。然而EMPT操作時(shí)溫度不會(huì)升高，即沒(méi)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形接口，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形端部產(chǎn)生的接觸擠壓力范圍約為1000N/mm2，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(guò)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12 EMPT焊接步驟圖示

EMPT焊接的優(yōu)點(diǎn)在于結(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13表示的是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。

圖 13

因?yàn)樾枰判粤κ构ぜ冃?，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。

（3）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(guò)程中都需要使用心軸或者模具來(lái)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(lái)分離工件。

相對(duì)于傳統(tǒng)的管件成形工藝，EMPT技術(shù)對(duì)管狀工件成形具有更大的優(yōu)勢(shì)：EMPT可以不回轉(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。為了分析強(qiáng)度值提高的優(yōu)點(diǎn)，做了鋁合金環(huán)形工件膨脹試驗(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（見(jiàn)圖14）。EMPT的加工極限是由工件的導(dǎo)電性決定的。

圖14 用于EMPT壓縮和延展的工具

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(guò)高，同時(shí)磁力線幅度顯著下降，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)”，即使是非導(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(méi)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](méi)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(jìn)行小批量的生產(chǎn)。

(4)EMPT切割 EMPT可以在金屬管材和薄板上切割孔（見(jiàn)圖15）。此工藝已成功通過(guò)鋁材和不銹鋼板材的演示試驗(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)用更少。粘附很少也是其一大優(yōu)點(diǎn)。

圖15 EMPT同時(shí)整形和切割一個(gè)盒子

5. 經(jīng)濟(jì)價(jià)值

看到EMPT加工過(guò)程中使用如此強(qiáng)的電流，一般通常會(huì)認(rèn)為可能需要特殊的電源，而且電能消耗也很高。實(shí)際上絕非如此，因?yàn)槊}沖電流是由脈沖發(fā)生器的電容組產(chǎn)生的（見(jiàn)圖16）。要負(fù)載一個(gè)強(qiáng)大的脈沖發(fā)生器的電容組，僅需要一個(gè)常用的工業(yè)用三相400V、50Hz、32A的主電源。按當(dāng)前電價(jià)計(jì)算，產(chǎn)生60kJ脈沖的發(fā)生器所消耗的電流還不到0.0025歐元（0.025元人民幣）。

圖16 PST生產(chǎn)的100 KJ A PS100脈沖發(fā)生器

PST新近開(kāi)發(fā)出MJo牌多用途連接線圈已獲得專利，它可以等同于進(jìn)行一次成形操作同時(shí)加工多個(gè)元件。使用這種新型線圈，可以顯著縮短周期時(shí)間，因此，加工成本也就大大降低。用一個(gè)脈沖生產(chǎn)多個(gè)元器件，這也大大降低了對(duì)脈沖發(fā)生器和線圈進(jìn)行維護(hù)的頻率，因?yàn)檫@些元器件的損耗是由脈沖的次數(shù)決定的。

除了EMPT系統(tǒng)的設(shè)備外，PST公司還提供給客戶“以脈沖為單位付費(fèi)”的加工服務(wù)，賬單是以每年實(shí)際處理的脈沖數(shù)量計(jì)算，脈沖發(fā)生器的所有維修費(fèi)用同樣如此計(jì)算，因此價(jià)格可以用每個(gè)連接表示。以EMPT為汽車(chē)生產(chǎn)商處理典型的鋼對(duì)鋼裝配為例，每年400 000次脈沖，每個(gè)EMPT連接的費(fèi)用（包括2009年7月的實(shí)時(shí)電價(jià)費(fèi)用）約為0.33歐元（3.3元人民幣）。

6. 結(jié)語(yǔ)

EMPT（電磁脈沖技術(shù)）是基于通過(guò)強(qiáng)磁場(chǎng)，不需接觸，而改變導(dǎo)體材料的形狀的理論，可用于對(duì)金屬管件和薄板件進(jìn)行連接、焊接、成形和切割。EMPT的一個(gè)顯著特點(diǎn)就是可以壓縮任何管體的橫截面。

使用合適的材料和設(shè)計(jì)方法，可以有效延長(zhǎng)脈沖發(fā)生器和線圈的使用壽命，維護(hù)間隔時(shí)間長(zhǎng)達(dá)500 000～2 000 000次脈沖，因此可以將連接或者整形鋼或者鋁材零件的成本消減為僅僅幾美分。經(jīng)證實(shí)，PST產(chǎn)品100%的程序控制，是完全適應(yīng)自動(dòng)化生產(chǎn)線和滿足工業(yè)需求的。

審核編輯 ：李倩