1. 电磁脉冲技术（EMPT）的原理

当通有电流的导体置于磁场中，该导体将受到力 的作用，这种电流与磁场相互作用而产生的力称为洛 仑兹力（Lorentz force）。另外，电流本身也产生电磁 场。因此，当电流以不同的方向运动时，两个平行的带 电导体会相互排斥，如果将管材插入一个电磁线圈中，管材和电磁线 圈均可被看成是导体。当给电磁线圈通上交流电时，管 材表面会产生涡电流，并根据楞次定律向着电磁线圈方 向移动。因此，管材受到一个向内的径向力作用。如果 电磁圈电流改变方向，管材表面的涡电流同样改变。因 此，电磁线圈电流和管材所带电流保持与磁力相反的方 向，磁力在微秒内呈放射状压缩管材。然而，由于管材

的惯性，成形过程滞后于压力上升过程。图2显示了5个 时间点的成形过程。

 磁压力上升时，几微秒之后管材材料才开始发生 变形。当管内压力超过材料的屈服强度，管材直径开始 变小。随着此过程继续，管材直径变小的速度显著加 快，最终形成需要的几何形状。

2. EMPT机器

EMPT系统主要由三个部分组成：脉冲发生器、线圈、成形腔。

（1）脉冲发生器 金属变形的磁性压力范围为

100N/mm2。产生这个压力，需要100～1000k A的脉冲 电流。所需的能量被储存在一个由电容器组、充电单元 和大电流开关组成的脉冲发生器中。此脉冲发生器和 EMPT线圈组成了一个共振回路，即电容器组中储存的 能量E=CU  2/2 被转化成线圈所带的磁力E=LI 2/2 。

（2）线圈和成形腔 线圈和成形腔是用来将磁力 集中到导体工件上。线圈是由一道或几道传导性很高 的材料绕组组成，通常是特殊的铜或者铝合金（见图 3）。根据所需要传导的电流大小不同，线圈的横截面 积通常为10～100 mm2。

3. 工作步骤

操作步骤如下：

（1）将工件安放在线圈内。

（2）将大电流开关保持断开，充电单元给电容组 充电

6 （4）几个回合之后，交流电流值减弱为零，在交

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4 3 流电第一个半波内，管件压缩形成其最终的形状

 成形腔的横截面至少有一个放射状槽口，而且与 工件和线圈绝缘。线圈长度和成形腔外径上的长度保持 一致，且线圈与成形腔之间的间隙越小越好。

在电脉冲进行传导时，带电线圈会使成形腔表面 带上涡电流，涡电流通过成形腔表面的放射状槽口流入 内壁。成形腔的内径即为工件的外径，而内孔的长度通 常比线圈短，因此电流更集中。由此产生两个结果：磁时间/ms

力线集中在成形腔缩口的背面上，多层线圈产生的不均 匀磁场会聚于缩口端部。

成形腔使线圈产生的磁力可比作用到工件上的压 力小。与线圈直接作用相比，可以显著延长线圈的使用 寿命，因此，大大提高了效率，减少了成本损耗。PST 公司利用数字技术改进了所生产的线圈，其平均使用寿 命可达2 000 000次脉冲。

仅需一个标准线圈和合适的成形腔，就可以在极短 的时间内毫不费力的加工各种直径和形状的工件。2min 之内就可以非常方便的更换成形腔。在一些特定的系统 中使用单一用途的线圈即可，无需再使用成形腔。

工业上使用的E M P T系统通常的放电频率为6～ 30kHz。PST公司所生产的EMPT系统具有如下特点： 放电电流高，放电频率高，周期短，工艺程序监控和数 字化控制。定期在约每50万次时维护强电流开关，可使 电容组的使用寿命超过200万次脉冲。根据不同型号， 在10～16kV电压下，可产生100～2000kV放电电流。图 6是PST生产的PS45 EMPT脉冲发生器，它被应用在一 个德国一流的汽车生产工厂里。

PST产品一个显著的特点是其100%的程序控制系 统，这是通过测量、储存、分析每个脉冲的时间曲线得 出的。这种遵循规则的方法确保在各种环境中，在指定

4. 工业运用

均匀。EMPT的褶皱线缆连接器的电抗比机械卷边产生 的卷边低50%。

使用EMPT卷边机，更换不同形状的工件，安装时 间短，重复性强。世界各地约有400~500台EMPT卷边 机被安装使用。EMPT技术通常被用来连接不同材质的 工件，如将铝或锰工件插入到钢或塑料插口。EMPT技 术还可以用于交通行业，生产轻质的构件，如汽车座椅

下面是EMPT系统应用于卷边、焊接、成形和切

割。（1）EMPT卷边 EMPT卷边技术是可以代替机械

卷边工艺的新型的经济的技术。EMPT技术的非接触式 工序产生的压力更均匀地按圆周分布，而不需要像在机 械卷边工艺中那样使用各种工具和标记。因此，EMPT 技术更均匀，不发热，不易产生变形，例如：在生产与 橡胶管相配套的连接件（见图8）。

EMPT技术的应用不仅仅局限于柔软的合金，同 样适用于加工高强度零件。可以用直径为50mm、壁厚 3mm的低碳钢St 52—3N ( = S355J2+N)生产载货汽车挡 泥板支撑架（见图9）。

EMPT为电缆和电器插头卷边可以使压缩力强大而

 导致两个接触体的氧化层都发生破裂，因而产生与爆炸 焊接相类似的波浪状微观结构。有限元分析表明，塑料 变形速度超过声音在空气中传播速度，而远远低于声音 在金属中传播速度。工件之间的空气层被压缩，加速向 顶端角部挤压，由此产生的喷射气体将连接区域的碎屑 及氧化粒子等吹走。

EMPT焊接的优点在于结合强度大，因为结合力相 当于要将工件熔化的力。另外，EMPT焊接可以用在不 同金属材料上类似“氦密封”连接，而不产生高热量。 通常难焊的不锈钢材料也可以使用EMPT焊接，甚至可 以大批量地焊接不同的金属，如钢和铝、钢和铜、以及 铜和铝等。图13表示的是EMPT将一段是钢的工件焊接 到质量很轻的铝制传动轴上。

（2）EMPT焊接 很多情况下需要使用固相焊 接，也被称为原子结合，因为它是在原子能级上进行的 连接。其方法和爆炸焊接很相似，都是在高压作用下两 个纯金属工件的原子相互挤压，直到发生电子转移，形 成一个新的金属混合物（见图12）。然而EMPT操作时 温度不会升高，即没有受到高温影响的区域，因而微观 结构也就不会发生改变。EMPT焊接是靠工件之间的V 形接口，即两工件连接端事先做成圆锥形，工件相互之 间进行“滚动式”挤压接触。如果产品对于密封性或传 导性有特殊要求，EMPT焊接的优势则更加突出。

因为需要磁性力使工件变形，所以需要材料表面 处理好，材料质量较好。很多情况下，在进行EMPT焊 接之前，需要对工件进行精密加工、打磨抛光除油。

（3）EMPT成形 使用电磁脉冲可以对管状工件进 行压缩或者延展。大多数情况下，在压缩和延展过程中 都需要使用心轴或者模具来确保形状公差，但是不使用 模具也是可以的。有时成形之后需要使用独立的心轴或 者模具来分离工件。

相对于传统的管件成形工艺，EMPT技术对管状工 件成形具有更大的优势： EMPT可以不回转而压缩对称 的管件截面，以避免高速反弹力冲击。另外研究分析： 在特定条件下，材料变形到一定程度，强度值会提高。 为了分析强度值提高的优点，做了铝合金环形工件膨胀 试验。在类似条件下，塑料可能沿圆周变形26%而材料 不会损坏。在用EMPT以高达170m/s的径向延展速度高 强度延展时，塑料可以沿圆周变形60%材料依然不会有 损坏（见图14）。EMPT的加工极限是由工件的导电性 决定的。

如果材料的导电性低于结构钢，电阻损耗所产生会对EMPT造成损害。为了避免这种情况，可以在整形 区域内放置一个“驱动”，一个薄壁铝环或者铜环。 有了这个“驱动”，即使是非导体的材料也可以使用 EMPT成形。结构钢当然可以使用没有驱动的EMPT系 统上，而对不锈钢进行成形时还是建议使用驱动环。