磁脉冲冲压焊接技术的发展状况

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　　1前言

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　　金属压力加工的缺点之一是通用性差、模具复杂和成本高；近年来，采用通用变形工具--弹性介质.液体或气体介质和脉冲磁场的金属压力加工获得广泛应用。这些工艺中作为刚性变形工具仅采用凹模或凸模，但是，分析和预测板料冲压工艺的发展途径指出，根据金属压力加工工艺，可完全不采用刚性工具。按专家评估，最有发展前景的是用脉冲磁场压力的无模成形薄板零件工艺。

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　　2磁脉冲冲压薄板零件

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　　缩口、扩口或成形的磁脉冲加工板坯的原理是：外磁场在板坯金属内感应成涡流，当它与初级磁场相互作用时导致出现强大的辐射压力，从而在板坯上建立磁压力效应，较大压力产生在板坯厚度比磁场扩散深度大得多的情况，即这时磁场的穿入产生在板坏金属的微表层内(“表面趋肤效应”)。

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　　在磁脉冲冲压薄板坯时，传统方式不适合，因不能发展所需大小的作用力幅值；在该情况下，金属的厚度显著小于穿透的有效深度，从而导致磁压力的减小。磁压力的幅值与被加工金属表面上的磁场强度的平方差成正比。此外，在薄壁金属内流过涡流时会发热，尽管磁场强度的幅值显著小于分离于序所需的幅值，也会导致金属的熔化。

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　　为消除板坯金属内显著的磁场扩散深度所引起的负面影响，为了增大薄壁金属上的磁压力，可通过感应器系统的一定结构来解决，这种结构包括感应器(平面平行磁场源)和电介质凹模。在这情况，对磁场强度矢量产生下列边界条件；在被变形导体的一个表面上为零，而在另一表面上(从感应器一侧)磁场强度达到其最大可能值，这时发展的力与传统磁脉冲冲压方式相同，取决于感应器的场幅值。

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　　直接采用玻璃胶布板制造的电介质凹模，未能成功地保证冲裁时所需水平的磁特性和强度特性，因在板坯金属内显著的发热，从而导致金属的熔化。减小放热效应的方法之一是采用双层凹模，如图1所示。它由大体积的电介质凹模和对磁场透明的含属(如钢)薄层所组成。这钢层除了能减小板坯命属内的放热外，作为冲裁时的切削工具时还能保证对冲压过程较平衡的优点。第二种方法是通过减小感应器线圈内的电流脉冲宽度，缩短热过程的发展时间，除此之外，可将这两种方法相结合，减小放热强度可使磁场强度的幅们提高到一定阈值，这时可避免板坯金属的熔化。

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　　用磁脉冲冲压法可制造下列各种设备的简单印刷板线路图：日用器具、整流--充电设备。电子钟、电熨斗、电热壶、洗衣机和其它许多电气设备。

　　用脉冲磁场能量来制造印刷板的优点足：无机械和化学作用，故生产时环保；被去除的铜段未熔化，故可节约材料消耗；在1道工序内可同时冲压6-15块以上的印刷板，故生产率高；单位产品的能耗小；靠冲压过程中的脉卟什用可以节能。除此之外，用磁脉冲冲床法制造1个印刷板的成本比采用化学工艺几乎低50倍。工作参数；工作电压为14.5-17.6kV，能量为4.6-7.43kJ，工作频率为50~52kHz。

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　　3磁脉冲切割导管的工艺余量

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　　在宇航技术中，各种导管零件一般需采用分离工序，即切成定长元件或切割工艺余量。根据零件的用途，切口线可能有不同外形。在绝大多数情况，切口线必须垂直于圆截面管坯的轴线，例如，导管元件在准备对焊时和支承零件时的装配。解决该问题的方法之一是采用磁脉冲工艺，它可保证高的生产率和高质量的零件。图2所示为磁脉冲切割LF2铝合金管坯余量的工艺装置示意图。

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　　磁脉冲装置的最大储备能量为20KJ，电容器的电容为100uf，短路电流频率为48kHz。切割凹模3的材质为工具钢(52~56HRC)，其切削刃斜面做成10度，感应器5做成螺旋状，其工作区长度l=27mm(圈数n=6)。该工艺装置的结构可保证凹模与感应器同轴安装，且可使切削刃位于感应器工作区的中间。管坯与感应器的同轴度是同凹模内预校管坯保证的。为保证被切割余量所需长度A，工艺装置配有一组定距村套2。

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　　4磁脉冲成形-焊接薄板件

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　　为了成形-焊接薄板件，成功地采用了磁脉冲加工。在加上过程中，实现了当电流脉冲通过感应器时力和热作用在板坯上。提出了利用感应电流I感和磁场压力P来获得搭接。利用劳伦兹力和感应电流进行成形和接触焊的复合已有应用，但是该工艺的研究结果数据，以及选择和计算这些参数的科学依据方法和它们对成形和焊接影响的评估，具有一定的价值，磁脉冲成形-焊接的原理图如同3所示。

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　　磁脉冲装置的最大储备能量为20KJ，电容器的电容为100uf，短路电流频率为48kHz。切割凹模3的材质为工具钢(52~56HRC)，其切削刃斜面做成10度，感应器5做成螺旋状，其工作区长度l=27mm(圈数n=6)。该工艺装置的结构可保证凹模与感应器同轴安装，且可使切削刃位于感应器工作区的中间。管坯与感应器的同轴度是同凹模内预校管坯保证的。为保证被切割余量所需长度A，工艺装置配有一组定距村套2。

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　　4磁脉冲成形-焊接薄板件

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　　为了成形-焊接薄板件，成功地采用了磁脉冲加工。在加上过程中，实现了当电流脉冲通过感应器时力和热作用在板坯上。提出了利用感应电流I感和磁场压力P来获得搭接。利用劳伦兹力和感应电流进行成形和接触焊的复合已有应用，但是该工艺的研究结果数据，以及选择和计算这些参数的科学依据方法和它们对成形和焊接影响的评估，具有一定的价值，磁脉冲成形-焊接的原理图如同3所示。

　　复合过程的原理如下：将缠卷的薄板1(如图3a)安装在可拆开的电介质凹模2内，该凹模的形状与成品制件的形状相同。在板坯内部配置感应器3。在电容器放电过程中，沿感应器的线圈流过放电电流I放，电流线的方向在示意图上半周期内符号“+”和“O”表示。

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　　该电流的交变磁通量造成板坯上引起涡流I涡，其电力线的方向沿着板坯的外周。因此，当电充通过薄板的搭接头时，将发出焦耳热，当电流I涡一定值时，被联接的搭接表面稍微熔化。

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　　同时，感应器的磁场与薄壳件内涡流的相互作用，导致沿具整个表面引起磁压力P(它是成形压力P成))，在搭接区，该压力达成为焊接压力P焊。由于压力和热复合作用在搭接头上，便形成接触焊型的焊接。在焊接的同时，制件产生按凹模外形的形状。根据被加工材料、具厚度和几何尺寸，选用了作参数为：电容为3-600uf，工作频率为10-15kHx，能量为0.1~10kJ。

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　　目前，国外已建立了磁脉冲冲压-“缩口”焊接、“扩口”焊接和“平面”焊接用的实验设备和试验性工业设备。因实验过程中已进行了厚度为0.1~0.5mm的铝、铜、镍、黄铜零件的成形-焊接。

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　　冲压-焊接复合工艺与传统制造薄壳件工艺相比，具有许多优点：由于取消了许多工，故可显著简化工艺路线，可一次安装制造零件；供给的能量可在宽广范围内调节，且精度较高，该工艺易于实现自动化，加工时无需传递介质，所需的装备简单。