核競爭催生的技術-電磁脈衝焊接

2021-01-15 IND4汽車人

戰爭與對抗一直以來都是技術的溫床和催化劑。1960年代的美蘇太空競爭,其中的700多項技術成果現在應用於人們的日常生活,包括但不限於:雷射血管造影術、新一代心臟起搏器、紅外線溫度計、熱感應視頻(不需要手術就可以確定人體內的病變情況)、血液分析儀、滅火系統、紫外線對人類所造成傷害的評估、雷射、衛星照片、天氣監測體系、抗腐蝕塗層和材料、太陽能的應用、無線裝置、水過濾裝置、虛擬顯示系統和可攜式電腦。而1970年代由於中東戰爭導致世界油價飛漲,人們開始大力研究核能應用。這一時期同樣催生了一大批技術,許多當時的高精尖技術現在已經應用於民用製造,電磁脈衝焊接就是其中之一。

電磁脈衝焊接工藝是在1960年代末和1970年代初開發的,用於核能應用。當時,庫爾恰託夫核物理研究所的俄羅斯科學家發明了這種技術,最初目的是為了焊接核燃料棒兩端接口。

和傳統焊接不同,這項技術的最大不同就是沒有加熱過程,可以稱為「冷焊」。它是利用高壓電磁力在瞬間產生的撞擊,使兩焊件焊合。

那麼這項技術有哪些優點?

首先,電磁脈衝焊接對操作人員非常友好,因為它是真正的無熱量輸入,許多其它焊接過程導致的火光飛濺,濃煙滾滾,各種汙染它都一概沒有。另外,由於整個過程不產生熱,也就不會改變任何材料的物理性能。第三個優點是焊接過程非常快,在瞬時完成,遠小於1秒(大概是30~100 μs之間)。最後,它能夠焊接不同的材料,而且產生的焊縫是真正的固態結合。

在實際應用上,電磁脈衝焊接的效果和釺焊類似,但它比釺焊更好,相比於釺焊,它不需要填充劑,而且具有更高的可重複性。

由於節拍很快,現在各種製造業特別是大批量生產的類型都在使用電磁脈衝焊接。在汽車業,,該技術之所以吸引我們,是因為它能夠在很短的時間內將不同的材料接合在一起,例如鋁與鋼。事實上,由於輕量化的要求,許多研究機構都在探索鋁鋼的結合方法,鉚接是其中比較受歡迎的一種,現在電磁脈衝焊接成為一個新選擇。

典型的電磁脈衝焊接系統包含一組脈衝儲能電容器,高壓間隙放電開關系統和線圈。將待焊零件插入線圈,對脈衝儲能電容器組充電,並接通高壓間隙放電開關。當電流施加到線圈時,會產生磁場,於是待焊外部零件高速撞擊向內部零件,完成焊接。

在這一整個過程中,存儲在電容器組中的能量轉移到線圈中,從而將電能轉換為磁能。磁能形成磁場,從而在零件中產生渦流。材料的電導率越高,系統效率越高。渦流與線圈中的磁場相對,並產生排斥力。從而使待焊件以極高的速度撞擊在一起,並產生一種爆炸性或衝擊性的焊縫。這裡,有一點需要注意,如果待焊件剖面不是封閉的,那麼渦流將無法產生循環並產生相反的磁場。

可以看得出來,在這一過程中,線圈的作用非常重要,它必須能夠承受非常大的驅動力或衝力。

當鋁管受到磁場作用時,它會收到非常大的力向內塌陷,並將其自身焊接到固定部件上,零件焊接方向由工具機控制。

電磁脈衝焊接的過程其實非常類似於嘗試將兩個永磁體固定在一起。兩個同極靠攏時會互相排斥,電磁脈衝焊接的基本原理與之相同。

要焊接的零件與外部零件同軸,而外部零件是良好的導電體,兩個部分都放在一個線圈中。電流釋放到線圈中,產生兩個磁場。線圈產生的兩個磁場中的較強者會膨脹,無法穿透另一個磁場,因此會產生使零件運動的壓力。這與將兩個磁鐵固定在一起時發生的現象相同,只是磁場強度更大,外部零件會以大於每秒300米的速度加速。

這整個過程也非常像打棒球。球棒是大磁場,球是待焊零件。球棒擊中球並使球飛行。當零件以足夠的速度擊中內件並且所有其他條件都正確時,就會形成固態焊縫。和打棒球最大的不同在於,這裡所有工作的時間單位是微秒。

那麼哪些材料比較適合於電磁脈衝焊呢?

首先,對冶金學不相容或對加熱敏感的材料,電磁脈衝焊是它們的理想選擇,因為這種焊接工藝不會形成熔融區域。

材料的導電性,延展性和強度也是重要的評判標準。基於此,電磁脈衝焊接可以接合大多數金屬,但最適用的還是銅和鋁等導電良好,延展性好,強度也不弱的金屬。使用脈衝磁場將鋁零件焊接到鋼,將鋁零件焊接到鋁,將銅零件焊接到鋼以及將不鏽鋼零件焊接到不鏽鋼,已經得到大量驗證是可行的。而塑料由於其不導電性,暫時還沒有塑料之間的連接使用過電磁脈衝焊,但是鋼與塑料的之間在理論上是可能的。

在用途方面,電磁脈衝焊接將是電子元器件,汽車行業和航空航天應用的理想選擇。特別是在汽車上的潛在應用,包括空調管,燃油管線,管狀空間框架,支柱,減震器,燃油濾清器,管狀座椅部件,驅動軸和電氣連接等等。

一臺由電磁脈衝焊接完成的白車身

比如美國的達納公司(Dana Corp.)在電磁脈衝焊接的實驗已有數年。達納使用該技術將鋼和鋁部件連接在一起,從而生產出創新性的更輕,更高效的傳動軸,結果顯示,這種連接的性能優於傳統的MIG焊接和其他冶金連接工藝。

現在這項技術的唯一問題是,暫時全世界還沒有任何實際已安裝電磁脈衝焊接設備並將其用於大批量生產的實例,現有的生產都還是實驗室性質,或是小批量的。這項技術是否能支持大規模批量生產,還沒有得到證實。另外,電磁脈衝技術在很多國家都受到重視,近年來大量關於電磁脈衝焊接的研究也都集中在國外,目前國內僅有部分高校院所在做相關研究,所以說我國更加遠並未進入市場化應用,這一方面的研究還任重道遠。

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