電磁成型技術的應用

1、電磁成形技術在材料加工領域的應用作者：陳清偉、陳偉興、張惠惠田慧藝、周哲豐、路芳、師海斌2010-10-20電磁成形技術在材料加工領域的應用電磁成形技術在材料加工領域的應用1電磁成形技術的發(fā)展電磁成形技術的發(fā)展2電磁成形技術的應用電磁成形技術的應用3電磁成形技術的特點電磁成形技術的特點4電磁成形技術的原理電磁成形技術的原理5實例：電磁沖擊控制焊接應力變形實例：電磁沖擊控制焊接應力變形6總結與展望總結與展望電磁成形技術的發(fā)展電磁成形技術的發(fā)展 電磁成形技術是利用電磁力使金屬產(chǎn)生塑性變形的技術。 電磁成型技術自20世紀60年代問世以來，得到了美、日等國的高度重視，并在很多尖端技術領域得到了應用。我

2、國對電磁成型技術的研究比較落后，但也取得了一定的成果。如今，發(fā)達國家制造的電磁成型機均已系列化、標準化。 當前，電磁成形技術的理論研究主要分為四個部分：等效RLC回路研究、有限元計算研究、通用軟件耦合場數(shù)值模擬研究和高速率電磁成形材料成形性研究，并提出了許多新的計算方法和理論。 電磁成型技術向著更精、更省、更凈的方向發(fā)展，以達到高效率、高質量、低消耗、低成本的目標。電磁成形技術的原理電磁成形技術的原理電磁成形也稱作磁脈沖成形，是利用脈沖電容器突然釋放其儲存的能量，通過線圈產(chǎn)生強而短促的磁場，當金屬工件處于線圈產(chǎn)生的磁場中，就會在工件中產(chǎn)生感應磁場，利用磁場力使工件發(fā)生變形。電磁成形技術主要技術

3、原理如下:當脈沖電源給電容充電后電容瞬間放電，線圈內部便產(chǎn)生瞬時電流，該電流在線圈周圍產(chǎn)生變化的脈沖磁場，脈沖磁場穿過工件而在工件上感生出渦流，瞬時磁場和渦流相互作用產(chǎn)生電磁力，當電磁力超過材料的屈服應力時，金屬產(chǎn)生塑性變形。電磁成形技術的原理電磁成形技術的原理下圖為電磁成形裝置簡圖電磁成形技術的特點電磁成形技術的特點特點 (1)電磁成形加工無機械接觸，是以磁場作為介質，無需工件與工具的表面接觸，因此工件表面無機械擦痕，工件表面質量好。(3)成形精度高。電磁成形時的電能可以精確控制，工作線圈產(chǎn)生的能量和對工件施加的力的變化可控制在總量的0.5%以內，且加工重復性也高。(6)導電性能差的材料難于

4、加工。導電性好是電磁成型材料的必要條件，這也是限制電磁成型應用的主要因素之一。(5)電磁成形方法是一種綠色的加工方法，在電磁成形過程中不會產(chǎn)生廢渣廢液等污染物，有利于環(huán)境的保護。(4)可以很方便的實現(xiàn)高速成形，每分鐘可工作數(shù)百次，具有與普通沖壓相近的生產(chǎn)效率。(2)工件變形受力均勻，殘余應力小，疲勞強度高，使用壽命長，加工后不影響零件的機械、物理、化學性能，也不需要熱處理。電磁成形技術的應用電磁成形技術的應用電磁成形技術由于其自身的成型特點，得到了世界各國工業(yè)領域內廣泛的關注和研究，并被廣泛的應用到各種技術領域內，例如電磁成形、電磁沖裁、電磁鉚接、電磁連接、電磁粉末壓實、電磁校形和電磁裝配等技

5、術。航空、航天、軍用、民用等工業(yè)制造部門，例如各種桿、管件的加工，各種器件的矯形，大型客機的機翼大梁的裝配等。實例：電磁沖擊控制焊接應力變形實例：電磁沖擊控制焊接應力變形傳統(tǒng)去除焊接應力的方法：預應力法和預拉伸法、振動時效消應力法、隨焊沖擊碾壓法、溫差拉伸法、隨焊錘擊法等。雖然這些方法在某些場合起到了不錯的效果，但由于各自的特點，存在一些不足。預應力法和預拉伸法由于受到拉伸設備及焊縫形式的限制難以廣泛應用；使用振動時效消應力法，如果振動不當會對結構的疲勞性能造成影響；隨焊沖擊碾壓法只適用于薄板焊接，而且隨著焊接規(guī)范及焊接材料的變化，沖擊碾壓輪的尺寸需要重新設計及制造；溫差拉伸法不但不能減小焊件

6、的橫向收縮，反而會使橫向收縮有增大的趨勢，因此不適用于封閉焊縫的焊接；隨焊錘擊法錘擊面粗糙，工件表面光潔度差，實際焊接封閉焊縫時實現(xiàn)起來比較困難。針對薄板構件焊接殘余應力和變形較大的特點，提出了電磁沖擊控制焊接應力變形的方法。電磁沖擊控制焊接應力變形是基于電磁感應原理提出的一種控制焊接變形的方法。其主要原理是：利用線圈對工件施加的電磁力的作用，使得焊縫中的殘余壓縮塑性變形得到充分的延展，從而達到降低焊縫殘余應力減小焊接變形的目的。電磁沖擊法控制焊接應力變形有以下特點：(1)電磁沖擊法由于線圈與工件沒有機械接觸，是靠電磁力（體積力）控制焊接殘余應力與變形，所以對工件表面沒有損傷，與常規(guī)焊后的工件

7、表面完全一樣。(2)沖擊能量能夠精確控制。電磁沖擊過程是一個脈沖放電過程，是通過儲能電容器對線圈放電，在工件中感應出電流，并使工件在磁場中受到電磁力的作用而降低殘余應力，控制焊接變形。(3)設備通用性較強，利用放電成形設備即可實現(xiàn)電磁沖擊法控制焊接應力與變形，而不需設計專用設備，因此該方法易于推廣。電磁沖擊后試件與常規(guī)焊試件對比薄板焊接時常常出現(xiàn)撓曲變形，因此可以用撓曲變形的最大撓度來衡量控制焊接變形的效果。電磁沖擊后試件與常規(guī)焊試件對比，如下圖：電磁沖擊法控制焊接變形情況，如下圖： 綜上所述，電磁沖擊法控制焊接的撓度相對常規(guī)焊接的撓度小，對改善控制焊接變形的效果明顯。焊縫表面觀察焊縫表面觀察

8、 焊縫表面粗糙不僅影響焊接構件的美觀，而且影響焊接接頭力學性能。焊接接頭處的突然過度或焊縫的不連續(xù)，則容易造成應力集中，嚴重影響焊縫的疲勞和拉伸性能，降低焊接構件的承載能力。 電磁沖擊法的特點之一就是非接觸，工件表面不受機械力的作用，因此電磁沖擊法不會對焊縫表面產(chǎn)生破壞。常規(guī)焊與電磁沖擊法試件焊縫對比常規(guī)焊與電磁沖擊法試件焊縫對比從上圖中可以看到，電磁沖擊試件焊縫與常規(guī)焊焊縫表面沒有任何差別。其他控制焊接變形的方法，比如隨焊錘擊法、隨焊沖擊碾壓法等都會影響焊縫表面質量。隨焊沖擊碾壓法與電磁沖擊法隨焊沖擊碾壓法與電磁沖擊法試件焊縫對比試件焊縫對比焊接殘余應力對比焊接殘余應力對比 從圖中可以清楚看

9、到，經(jīng)過電磁沖擊后縱向殘余應力峰值明顯降低，拉應力峰值比常規(guī)焊時降低了66%，拉應力的范圍變大，應力分布更加平緩。金相分析金相分析由于電磁沖擊法是在焊縫金屬處于冷態(tài)時進行的，所以經(jīng)過電磁沖擊后，焊接接頭的組織是否有影響是值得注意的。從上圖中可以看到，對于焊縫來說，常規(guī)焊焊縫中心晶粒尺寸大小不一，而經(jīng)過電磁沖擊后，焊縫受到了瞬間強大的電磁力的沖擊作用，相當于焊縫金屬發(fā)生了冷變形，位錯密度迅速提高，大量位錯纏結在一起形成高密度位錯區(qū)，將位錯密度低的部分分隔開，形成了尺寸細小的形變亞晶。金相分析表明，電磁沖擊法能夠使焊縫中心的晶粒得到細化。硬度分布：硬度分布：硬度值表征金屬彈性、塑性、強度及韌性等。因此，硬度值與材料強度之間有內在聯(lián)系。下圖為常規(guī)焊和電磁沖擊工件焊接接頭顯微硬度分布：從圖中可以看到，常規(guī)焊試件焊縫中心的硬度較低，經(jīng)過電磁沖擊后，焊接接頭的硬度值有所提高，焊縫中心的硬度值提高了近40%，這是因為形變亞晶的出現(xiàn)對于位錯運動具有阻礙作用，提高了金屬的變形抗力，從而提高了焊縫金屬的硬度值，而熔合區(qū)的硬度值提高得并不明顯。結論結論通過電磁成型技術與常規(guī)焊接方法的比較，分別從工件變形、殘余應力、焊縫金相組織的變化、接頭硬度的對比，可以得出：電磁成型技術是一種具有優(yōu)于常規(guī)焊的新技術?？偨Y與展望總結與展望總結：電磁沖擊法是一種基于電磁感應原理控