EMPT技术的运用范围、适用机械制造及经济性

【摘 要】

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运用电磁感应圈，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。

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，见图1。

图1 金属管材插入电磁线圈中

图1中显示电磁线圈中电流、涡电流、洛伦兹力，左图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。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，成形过程滞后于压力上升过程。图2显示了5个时间点的成形过程。

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、成形腔。

（1）脉冲发生器 金属变形的磁性压力范围为100N/mm²。产生这个压力，需要100～1000kA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=CU ²/2 被转化成线圈所带的磁力E=LI²/2 。

（2）线圈和成形腔 线圈和成形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（见图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 mm²。

图3 多圈缠绕的线圈的截面图

1.线圈座 2.成形腔 3.绝缘体 4.线圈架 5.圈式绕组 6.塑料层

成形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。线圈长度和成形腔外径上的长度保持一致，且线圈与成形腔之间的间隙越小越好。

在电脉冲进行传导时，带电线圈会使成形腔表面带上涡电流，涡电流通过成形腔表面的放射状槽口流入内壁。成形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：磁力线集中在成形腔缩口的背面上，多层线圈产生的不均匀磁场会聚于缩口端部。

成形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。

仅需一个标准线圈和合适的成形腔，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。2min之内就可以非常方便的更换成形腔。在一些特定的系统中使用单一用途的线圈即可，无需再使用成形腔。

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（见图4）。

图4 脉冲发生器和线圈作用原理

（3）通常在8s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（见图5）。

图5 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50万次时维护强电流开关，可使电容组的使用寿命超过200万次脉冲。根据不同型号，在10～16kV电压下，可产生100～2000kV放电电流。图6是PST生产的PS45 EMPT脉冲发生器，它被应用在一个德国一流的汽车生产工厂里。

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。图7是PST生产的双线圈概念的PS45 EMPT折边机系统。

用一个脉冲生产两个连接头，用于一个德国一流的汽车生产工厂大批量的自动化生产线上。

4. 工业运用

下面是EMPT系统应用于卷边、焊接、成形和切割。

（1）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（见图8）。

图8 EMPT卷边机生产与橡胶管相配套的连接件

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)生产载货汽车挡泥板支撑架（见图9）。

图9 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%。

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（见图10），飞行器等。

图10 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形圈，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（见图11）。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11 EMPT将铝卷边加工成药用玻璃瓶盖

（2）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（见图12）。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形接口，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形端部产生的接触挤压力范围约为1000N/mm²，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12 EMPT焊接步骤图示

EMPT焊接的优点在于结合强度大，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13表示的是EMPT将一段是钢的工件焊接到质量很轻的铝制传动轴上。

图 13

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。

（3）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。

相对于传统的管件成形工艺，EMPT技术对管状工件成形具有更大的优势：EMPT可以不回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。为了分析强度值提高的优点，做了铝合金环形工件膨胀试验。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（见图14）。EMPT的加工极限是由工件的导电性决定的。

图14 用于EMPT压缩和延展的工具

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”，即使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。

(4)EMPT切割 EMPT可以在金属管材和薄板上切割孔（见图15）。此工艺已成功通过铝材和不锈钢板材的演示试验，甚至高强度钢也可以处理。相对于机械切割而言，费用更少。粘附很少也是其一大优点。

图15 EMPT同时整形和切割一个盒子

5. 经济价值

看到EMPT加工过程中使用如此强的电流，一般通常会认为可能需要特殊的电源，而且电能消耗也很高。实际上绝非如此，因为脉冲电流是由脉冲发生器的电容组产生的（见图16）。要负载一个强大的脉冲发生器的电容组，仅需要一个常用的工业用三相400V、50Hz、32A的主电源。按当前电价计算，产生60kJ脉冲的发生器所消耗的电流还不到0.0025欧元（0.025元人民币）。

图16 PST生产的100 KJ A PS100脉冲发生器

PST新近开发出MJo牌多用途连接线圈已获得专利，它可以等同于进行一次成形操作同时加工多个元件。使用这种新型线圈，可以显著缩短周期时间，因此，加工成本也就大大降低。用一个脉冲生产多个元器件，这也大大降低了对脉冲发生器和线圈进行维护的频率，因为这些元器件的损耗是由脉冲的次数决定的。

除了EMPT系统的设备外，PST公司还提供给客户“以脉冲为单位付费”的加工服务，账单是以每年实际处理的脉冲数量计算，脉冲发生器的所有维修费用同样如此计算，因此价格可以用每个连接表示。以EMPT为汽车生产商处理典型的钢对钢装配为例，每年400 000次脉冲，每个EMPT连接的费用（包括2009年7月的实时电价费用）约为0.33欧元（3.3元人民币）。

6. 结语

EMPT（电磁脉冲技术）是基于通过强磁场，不需接触，而改变导体材料的形状的理论，可用于对金属管件和薄板件进行连接、焊接、成形和切割。EMPT的一个显著特点就是可以压缩任何管体的横截面。

使用合适的材料和设计方法，可以有效延长脉冲发生器和线圈的使用寿命，维护间隔时间长达500 000～2 000 000次脉冲，因此可以将连接或者整形钢或者铝材零件的成本消减为仅仅几美分。经证实，PST产品100%的程序控制，是完全适应自动化生产线和满足工业需求的。

审核编辑 ：李倩