项目名称 电磁脉冲技术
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项目简介
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。
 
 
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。
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
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