磁脈沖沖壓焊接技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r

　　　　　　　　　　　　　　　　　　無(wú)錫冶金機(jī)械廠 牽良福 

  　[摘要]介紹了國(guó)外在磁脈沖沖壓方面的應(yīng)用情況，列出了沖壓薄板零件、切除管坯余量和成形-焊接薄殼件的實(shí)例。提出了磁脈沖沖壓的參數(shù)數(shù)據(jù)。 

　　關(guān)鍵詞 碰脈沖沖壓 薄板零件 切除管坯余量 成形-焊接 

　　1 前言 

金屬壓力加工的缺點(diǎn)之一是通用性差、模具復(fù)雜和成本高；近年來(lái)，采用通用變形工具--彈性介質(zhì).液體或氣體介質(zhì)和脈沖磁場(chǎng)的金屬壓力加工獲得廣泛應(yīng)用。這些工藝中作為剛性變形工具僅采用凹�；蛲鼓＃�但是，分析和預(yù)測(cè)板料沖壓工藝的發(fā)展途徑指出，根據(jù)金屬壓力加工工藝，可完全不采用剛性工具。按專(zhuān)家評(píng)估，最有發(fā)展前景的是用脈沖磁場(chǎng)壓力的無(wú)模成形薄板零件工藝。 

　　2 磁脈沖沖壓薄板零件 

　　縮口、擴(kuò)口或成形的磁脈沖加工板坯的原理是：外磁場(chǎng)在板坯金屬內(nèi)感應(yīng)成渦流，當(dāng)它與初級(jí)磁場(chǎng)相互作用時(shí)導(dǎo)致出現(xiàn)強(qiáng)大的輻射壓力，從而在板坯上建立磁壓力效應(yīng)，較大壓力產(chǎn)生在板坯厚度比磁場(chǎng)擴(kuò)散深度大得多的情況，即這時(shí)磁場(chǎng)的穿入產(chǎn)生在板壞金屬的微表層內(nèi)(“表面趨膚效應(yīng)”)。 

　　在磁脈沖沖壓薄板坯時(shí)，傳統(tǒng)方式不適合，因不能發(fā)展所需大小的作用力幅值；在該情況下，金屬的厚度顯著小于穿透的有效深度，從而導(dǎo)致磁壓力的減小。磁壓力的幅值與被加工金屬表面上的磁場(chǎng)強(qiáng)度的平方差成正比。此外，在薄壁金屬內(nèi)流過(guò)渦流時(shí)會(huì)發(fā)熱，盡管磁場(chǎng)強(qiáng)度的幅值顯著小于分離于序所需的幅值，也會(huì)導(dǎo)致金屬的熔化。 

　　為消除板坯金屬內(nèi)顯著的磁場(chǎng)擴(kuò)散深度所引起的負(fù)面影響，為了增大薄壁金屬上的磁壓力，可通過(guò)感應(yīng)器系統(tǒng)的一定結(jié)構(gòu)來(lái)解決，這種結(jié)構(gòu)包括感應(yīng)器(平面平行磁場(chǎng)源)和電介質(zhì)凹模。在這情況，對(duì)磁場(chǎng)強(qiáng)度矢量產(chǎn)生下列邊界條件；在被變形導(dǎo)體的一個(gè)表面上為零，而在另一表面上(從感應(yīng)器一側(cè))磁場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到其最大可能值，這時(shí)發(fā)展的力與傳統(tǒng)磁脈沖沖壓方式相同，取決于感應(yīng)器的場(chǎng)幅值。 

　　直接采用玻璃膠布板制造的電介質(zhì)凹模，未能成功地保證沖裁時(shí)所需水平的磁特性和強(qiáng)度特性，因在板坯金屬內(nèi)顯著的發(fā)熱，從而導(dǎo)致金屬的熔化。減小放熱效應(yīng)的方法之一是采用雙層凹模。它由大體積的電介質(zhì)凹模和對(duì)磁場(chǎng)透明的含屬(如鋼)薄層所組成。這鋼層除了能減小板坯命屬內(nèi)的放熱外，作為沖裁時(shí)的切削工具時(shí)還能保證對(duì)沖壓過(guò)程較平衡的優(yōu)點(diǎn)。第二種方法是通過(guò)減小感應(yīng)器線圈內(nèi)的電流脈沖寬度，縮短熱過(guò)程的發(fā)展時(shí)間，除此之外，可將這兩種方法相結(jié)合，減小放熱強(qiáng)度可使磁場(chǎng)強(qiáng)度的幅們提高到一定閾值，這時(shí)可避免板坯金屬的熔化。

　　用磁脈沖沖壓法可制造下列各種設(shè)備的簡(jiǎn)單印刷板線路圖：日用器具、整流--充電設(shè)備。電子鐘、電熨斗、電熱壺、洗衣機(jī)和其它許多電氣設(shè)備。 

　　用脈沖磁場(chǎng)能量來(lái)制造印刷板的優(yōu)點(diǎn)足：無(wú)機(jī)械和化學(xué)作用，故生產(chǎn)時(shí)環(huán)保；被去除的銅段未熔化，故可節(jié)約材料消耗；在1道工序內(nèi)可同時(shí)沖壓6-15塊以上的印刷板，故生產(chǎn)率高；單位產(chǎn)品的能耗小；靠沖壓過(guò)程中的脈卟什用可以節(jié)能。除此之外，用磁脈沖沖床法制造1個(gè)印刷板的成本比采用化學(xué)工藝幾乎低50倍。工作參數(shù)；工作電壓為14.5-17.6kV，能量為4.6-7.43kJ，工作頻率為50~52kHz。 

　　3 磁脈沖切割導(dǎo)管的工藝余量 

　　在宇航技術(shù)中，各種導(dǎo)管零件一般需采用分離工序，即切成定長(zhǎng)元件或切割工藝余量。根據(jù)零件的用途，切口線可能有不同外形。在絕大多數(shù)情況，切口線必須垂直于圓截面管坯的軸線，例如，導(dǎo)管元件在準(zhǔn)備對(duì)焊時(shí)和支承零件時(shí)的裝配。解決該問(wèn)題的方法之一是采用磁脈沖工藝，它可保證高的生產(chǎn)率和高質(zhì)量的零件。

　　磁脈沖裝置的最大儲(chǔ)備能量為20KJ，電容器的電容為100uf，短路電流頻率為48kHz。切割凹模3的材質(zhì)為工具鋼(52~56HRC)，其切削刃斜面做成10度，感應(yīng)器5做成螺旋狀，其工作區(qū)長(zhǎng)度l=27mm(圈數(shù)n=6)。該工藝裝置的結(jié)構(gòu)可保證凹模與感應(yīng)器同軸安裝，且可使切削刃位于感應(yīng)器工作區(qū)的中間。管坯與感應(yīng)器的同軸度是同凹模內(nèi)預(yù)校管坯保證的。為保證被切割余量所需長(zhǎng)度A，工藝裝置配有一組定距村套2。 

　　4 磁脈沖成形-焊接薄板件 

　　為了成形-焊接薄板件，成功地采用了磁脈沖加工。在加上過(guò)程中，實(shí)現(xiàn)了當(dāng)電流脈沖通過(guò)感應(yīng)器時(shí)力和熱作用在板坯上。提出了利用感應(yīng)電流I感和磁場(chǎng)壓力P來(lái)獲得搭接。利用勞倫茲力和感應(yīng)電流進(jìn)行成形和接觸焊的復(fù)合已有應(yīng)用，但是該工藝的研究結(jié)果數(shù)據(jù)，以及選擇和計(jì)算這些參數(shù)的科學(xué)依據(jù)方法和它們對(duì)成形和焊接影響的評(píng)估，具有一定的價(jià)值。

　　復(fù)合過(guò)程的原理如下：將纏卷的薄板1(如圖3a)安裝在可拆開(kāi)的電介質(zhì)凹模2內(nèi)，該凹模的形狀與成品制件的形狀相同。在板坯內(nèi)部配置感應(yīng)器3。在電容器放電過(guò)程中，沿感應(yīng)器的線圈流過(guò)放電電流I放，電流線的方向在示意圖上半周期內(nèi)符號(hào)“+”和“O”表示。 

　　該電流的交變磁通量造成板坯上引起渦流I渦，其電力線的方向沿著板坯的外周。因此，當(dāng)電充通過(guò)薄板的搭接頭時(shí)，將發(fā)出焦耳熱，當(dāng)電流I渦一定值時(shí)，被聯(lián)接的搭接表面稍微熔化。 

　　同時(shí)，感應(yīng)器的磁場(chǎng)與薄殼件內(nèi)渦流的相互作用，導(dǎo)致沿具整個(gè)表面引起磁壓力P(它是成形壓力P成）)，在搭接區(qū)，該壓力達(dá)成為焊接壓力P焊。由于壓力和熱復(fù)合作用在搭接頭上，便形成接觸焊型的焊接。在焊接的同時(shí)，制件產(chǎn)生按凹模外形的形狀。根據(jù)被加工材料、具厚度和幾何尺寸，選用了作參數(shù)為：電容為3-600uf，工作頻率為10-15kHx，能量為0.1~10kJ。 

　　目前，國(guó)外已建立了磁脈沖沖壓-“縮口”焊接、“擴(kuò)口”焊接和“平面”焊接用的實(shí)驗(yàn)設(shè)備和試驗(yàn)性工業(yè)設(shè)備。因?qū)嶒?yàn)過(guò)程中已進(jìn)行了厚度為0.1~0.5mm的鋁、銅、鎳、黃銅零件的成形-焊接。

　　沖壓-焊接復(fù)合工藝與傳統(tǒng)制造薄殼件工藝相比，具有許多優(yōu)點(diǎn)：由于取消了許多工 ，故可顯著簡(jiǎn)化工藝路線，可一次安裝制造零件；供給的能量可在寬廣范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，且精度較高，該工藝易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，加工時(shí)無(wú)需傳遞介質(zhì)，所需的裝備簡(jiǎn)單。 

　　沖壓、焊接薄殼件的該復(fù)合方法可推薦用于電子技術(shù)、儀表制造等工業(yè)。