1. 電磁脈沖技術（EMPT）的原理

當通有電流的導體置于磁場中，該導體將受到力 的作用，這種電流與磁場相互作用而產生的力稱為洛 侖茲力（Lorentz force）。另外，電流本身也產生電磁 場。因此，當電流以不同的方向運動時，兩個平行的帶 電導體會相互排斥，如果將管材插入一個電磁線圈中，管材和電磁線 圈均可被看成是導體。當給電磁線圈通上交流電時，管 材表面會產生渦電流，并根據楞次定律向著電磁線圈方 向移動。因此，管材受到一個向內的徑向力作用。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，磁力在微秒內呈放射狀壓縮管材。然而，由于管材

的慣性，成形過程滯后于壓力上升過程。圖2顯示了5個 時間點的成形過程。

 磁壓力上升時，幾微秒之后管材材料才開始發生 變形。當管內壓力超過材料的屈服強度，管材直徑開始 變小。隨著此過程繼續，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機器

EMPT系統主要由三個部分組成：脈沖發生器、線圈、成形腔。

（1）脈沖發生器 金屬變形的磁性壓力范圍為

100N/mm2。產生這個壓力，需要100～1000k A的脈沖 電流。所需的能量被儲存在一個由電容器組、充電單元 和大電流開關組成的脈沖發生器中。此脈沖發生器和 EMPT線圈組成了一個共振回路，即電容器組中儲存的 能量E=CU  2/2 被轉化成線圈所帶的磁力E=LI 2/2 。

（2）線圈和成形腔 線圈和成形腔是用來將磁力 集中到導體工件上。線圈是由一道或幾道傳導性很高 的材料繞組組成，通常是特殊的銅或者鋁合金（見圖 3）。根據所需要傳導的電流大小不同，線圈的橫截面 積通常為10～100 mm2。

3. 工作步驟

操作步驟如下：

（1）將工件安放在線圈內。

（2）將大電流開關保持斷開，充電單元給電容組 充電

6 （4）幾個回合之后，交流電流值減弱為零，在交

5 1

4 3 流電第一個半波內，管件壓縮形成其最終的形狀

 成形腔的橫截面至少有一個放射狀槽口，而且與 工件和線圈絕緣。線圈長度和成形腔外徑上的長度保持 一致，且線圈與成形腔之間的間隙越小越好。

在電脈沖進行傳導時，帶電線圈會使成形腔表面 帶上渦電流，渦電流通過成形腔表面的放射狀槽口流入 內壁。成形腔的內徑即為工件的外徑，而內孔的長度通 常比線圈短，因此電流更集中。由此產生兩個結果：磁時間/ms

力線集中在成形腔縮口的背面上，多層線圈產生的不均 勻磁場會聚于縮口端部。

成形腔使線圈產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 公司利用數字技術改進了所生產的線圈，其平均使用壽 命可達2 000 000次脈沖。

僅需一個標準線圈和合適的成形腔，就可以在極短 的時間內毫不費力的加工各種直徑和形狀的工件。2min 之內就可以非常方便的更換成形腔。在一些特定的系統 中使用單一用途的線圈即可，無需再使用成形腔。

工業上使用的E M P T系統通常的放電頻率為6～ 30kHz。PST公司所生產的EMPT系統具有如下特點： 放電電流高，放電頻率高，周期短，工藝程序監控和數 字化控制。定期在約每50萬次時維護強電流開關，可使 電容組的使用壽命超過200萬次脈沖。根據不同型號， 在10～16kV電壓下，可產生100～2000kV放電電流。圖 6是PST生產的PS45 EMPT脈沖發生器，它被應用在一 個德國一流的汽車生產工廠里。

PST產品一個顯著的特點是其100%的程序控制系 統，這是通過測量、儲存、分析每個脈沖的時間曲線得 出的。這種遵循規則的方法確保在各種環境中，在指定

4. 工業運用

均勻。EMPT的褶皺線纜連接器的電抗比機械卷邊產生 的卷邊低50%。

使用EMPT卷邊機，更換不同形狀的工件，安裝時 間短，重復性強。世界各地約有400~500臺EMPT卷邊 機被安裝使用。EMPT技術通常被用來連接不同材質的 工件，如將鋁或錳工件插入到鋼或塑料插口。EMPT技 術還可以用于交通行業，生產輕質的構件，如汽車座椅

下面是EMPT系統應用于卷邊、焊接、成形和切

割。（1）EMPT卷邊 EMPT卷邊技術是可以代替機械

卷邊工藝的新型的經濟的技術。EMPT技術的非接觸式 工序產生的壓力更均勻地按圓周分布，而不需要像在機 械卷邊工藝中那樣使用各種工具和標記。因此，EMPT 技術更均勻，不發熱，不易產生變形，例如：在生產與 橡膠管相配套的連接件（見圖8）。

EMPT技術的應用不僅僅局限于柔軟的合金，同 樣適用于加工高強度零件?？梢杂?/span>直徑為50mm、壁厚 3mm的低碳鋼St 52—3N ( = S355J2+N)生產載貨汽車擋 泥板支撐架（見圖9）。

EMPT為電纜和電器插頭卷邊可以使壓縮力強大而

 導致兩個接觸體的氧化層都發生破裂，因而產生與爆炸 焊接相類似的波浪狀微觀結構。有限元分析表明，塑料 變形速度超過聲音在空氣中傳播速度，而遠遠低于聲音 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，由此產生的噴射氣體將連接區域的碎屑 及氧化粒子等吹走。

EMPT焊接的優點在于結合強度大，因為結合力相 當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 到質量很輕的鋁制傳動軸上。

（2）EMPT焊接 很多情況下需要使用固相焊 接，也被稱為原子結合，因為它是在原子能級上進行的 連接。其方法和爆炸焊接很相似，都是在高壓作用下兩 個純金屬工件的原子相互擠壓，直到發生電子轉移，形 成一個新的金屬混合物（見圖12）。然而EMPT操作時 溫度不會升高，即沒有受到高溫影響的區域，因而微觀 結構也就不會發生改變。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 間進行“滾動式”擠壓接觸。如果產品對于密封性或傳 導性有特殊要求，EMPT焊接的優勢則更加突出。

因為需要磁性力使工件變形，所以需要材料表面 處理好，材料質量較好。很多情況下，在進行EMPT焊 接之前，需要對工件進行精密加工、打磨拋光除油。

（3）EMPT成形 使用電磁脈沖可以對管狀工件進 行壓縮或者延展。大多數情況下，在壓縮和延展過程中 都需要使用心軸或者模具來確保形狀公差，但是不使用 模具也是可以的。有時成形之后需要使用獨立的心軸或 者模具來分離工件。

相對于傳統的管件成形工藝，EMPT技術對管狀工 件成形具有更大的優勢： EMPT可以不回轉而壓縮對稱 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，強度值會提高。 為了分析強度值提高的優點，做了鋁合金環形工件膨脹 試驗。在類似條件下，塑料可能沿圓周變形26%而材料 不會損壞。在用EMPT以高達170m/s的徑向延展速度高 強度延展時，塑料可以沿圓周變形60%材料依然不會有 損壞（見圖14）。EMPT的加工極限是由工件的導電性 決定的。

如果材料的導電性低于結構鋼，電阻損耗所產生會對EMPT造成損害。為了避免這種情況，可以在整形 區域內放置一個“驅動”，一個薄壁鋁環或者銅環。 有了這個“驅動”，即使是非導體的材料也可以使用 EMPT成形。結構鋼當然可以使用沒有驅動的EMPT系 統上，而對不銹鋼進行成形時還是建議使用驅動環。