电磁成型技术的应用

1、电磁成形技术在材料加工领域的应用作者：陈清伟、陈伟兴、张惠惠田慧艺、周哲丰、路芳、师海斌2010-10-20电磁成形技术在材料加工领域的应用电磁成形技术在材料加工领域的应用1电磁成形技术的发展电磁成形技术的发展2电磁成形技术的应用电磁成形技术的应用3电磁成形技术的特点电磁成形技术的特点4电磁成形技术的原理电磁成形技术的原理5实例：电磁冲击控制焊接应力变形实例：电磁冲击控制焊接应力变形6总结与展望总结与展望电磁成形技术的发展电磁成形技术的发展 电磁成形技术是利用电磁力使金属产生塑性变形的技术。 电磁成型技术自20世纪60年代问世以来，得到了美、日等国的高度重视，并在很多尖端技术领域得到了应用。我

2、国对电磁成型技术的研究比较落后，但也取得了一定的成果。如今，发达国家制造的电磁成型机均已系列化、标准化。 当前，电磁成形技术的理论研究主要分为四个部分：等效RLC回路研究、有限元计算研究、通用软件耦合场数值模拟研究和高速率电磁成形材料成形性研究，并提出了许多新的计算方法和理论。 电磁成型技术向着更精、更省、更净的方向发展，以达到高效率、高质量、低消耗、低成本的目标。电磁成形技术的原理电磁成形技术的原理电磁成形也称作磁脉冲成形，是利用脉冲电容器突然释放其储存的能量，通过线圈产生强而短促的磁场，当金属工件处于线圈产生的磁场中，就会在工件中产生感应磁场，利用磁场力使工件发生变形。电磁成形技术主要技术

3、原理如下:当脉冲电源给电容充电后电容瞬间放电，线圈内部便产生瞬时电流，该电流在线圈周围产生变化的脉冲磁场，脉冲磁场穿过工件而在工件上感生出涡流，瞬时磁场和涡流相互作用产生电磁力，当电磁力超过材料的屈服应力时，金属产生塑性变形。电磁成形技术的原理电磁成形技术的原理下图为电磁成形装置简图电磁成形技术的特点电磁成形技术的特点特点 (1)电磁成形加工无机械接触，是以磁场作为介质，无需工件与工具的表面接触，因此工件表面无机械擦痕，工件表面质量好。(3)成形精度高。电磁成形时的电能可以精确控制，工作线圈产生的能量和对工件施加的力的变化可控制在总量的0.5%以内，且加工重复性也高。(6)导电性能差的材料难于

4、加工。导电性好是电磁成型材料的必要条件，这也是限制电磁成型应用的主要因素之一。(5)电磁成形方法是一种绿色的加工方法，在电磁成形过程中不会产生废渣废液等污染物，有利于环境的保护。(4)可以很方便的实现高速成形，每分钟可工作数百次，具有与普通冲压相近的生产效率。(2)工件变形受力均匀，残余应力小，疲劳强度高，使用寿命长，加工后不影响零件的机械、物理、化学性能，也不需要热处理。电磁成形技术的应用电磁成形技术的应用电磁成形技术由于其自身的成型特点，得到了世界各国工业领域内广泛的关注和研究，并被广泛的应用到各种技术领域内，例如电磁成形、电磁冲裁、电磁铆接、电磁连接、电磁粉末压实、电磁校形和电磁装配等技

5、术。航空、航天、军用、民用等工业制造部门，例如各种杆、管件的加工，各种器件的矫形，大型客机的机翼大梁的装配等。实例：电磁冲击控制焊接应力变形实例：电磁冲击控制焊接应力变形传统去除焊接应力的方法：预应力法和预拉伸法、振动时效消应力法、随焊冲击碾压法、温差拉伸法、随焊锤击法等。虽然这些方法在某些场合起到了不错的效果，但由于各自的特点，存在一些不足。预应力法和预拉伸法由于受到拉伸设备及焊缝形式的限制难以广泛应用；使用振动时效消应力法，如果振动不当会对结构的疲劳性能造成影响；随焊冲击碾压法只适用于薄板焊接，而且随着焊接规范及焊接材料的变化，冲击碾压轮的尺寸需要重新设计及制造；温差拉伸法不但不能减小焊件

6、的横向收缩，反而会使横向收缩有增大的趋势，因此不适用于封闭焊缝的焊接；随焊锤击法锤击面粗糙，工件表面光洁度差，实际焊接封闭焊缝时实现起来比较困难。针对薄板构件焊接残余应力和变形较大的特点，提出了电磁冲击控制焊接应力变形的方法。电磁冲击控制焊接应力变形是基于电磁感应原理提出的一种控制焊接变形的方法。其主要原理是：利用线圈对工件施加的电磁力的作用，使得焊缝中的残余压缩塑性变形得到充分的延展，从而达到降低焊缝残余应力减小焊接变形的目的。电磁冲击法控制焊接应力变形有以下特点：(1)电磁冲击法由于线圈与工件没有机械接触，是靠电磁力（体积力）控制焊接残余应力与变形，所以对工件表面没有损伤，与常规焊后的工件

7、表面完全一样。(2)冲击能量能够精确控制。电磁冲击过程是一个脉冲放电过程，是通过储能电容器对线圈放电，在工件中感应出电流，并使工件在磁场中受到电磁力的作用而降低残余应力，控制焊接变形。(3)设备通用性较强，利用放电成形设备即可实现电磁冲击法控制焊接应力与变形，而不需设计专用设备，因此该方法易于推广。电磁冲击后试件与常规焊试件对比薄板焊接时常常出现挠曲变形，因此可以用挠曲变形的最大挠度来衡量控制焊接变形的效果。电磁冲击后试件与常规焊试件对比，如下图：电磁冲击法控制焊接变形情况，如下图： 综上所述，电磁冲击法控制焊接的挠度相对常规焊接的挠度小，对改善控制焊接变形的效果明显。焊缝表面观察焊缝表面观察

8、 焊缝表面粗糙不仅影响焊接构件的美观，而且影响焊接接头力学性能。焊接接头处的突然过度或焊缝的不连续，则容易造成应力集中，严重影响焊缝的疲劳和拉伸性能，降低焊接构件的承载能力。 电磁冲击法的特点之一就是非接触，工件表面不受机械力的作用，因此电磁冲击法不会对焊缝表面产生破坏。常规焊与电磁冲击法试件焊缝对比常规焊与电磁冲击法试件焊缝对比从上图中可以看到，电磁冲击试件焊缝与常规焊焊缝表面没有任何差别。其他控制焊接变形的方法，比如随焊锤击法、随焊冲击碾压法等都会影响焊缝表面质量。随焊冲击碾压法与电磁冲击法随焊冲击碾压法与电磁冲击法试件焊缝对比试件焊缝对比焊接残余应力对比焊接残余应力对比 从图中可以清楚看

9、到，经过电磁冲击后纵向残余应力峰值明显降低，拉应力峰值比常规焊时降低了66%，拉应力的范围变大，应力分布更加平缓。金相分析金相分析由于电磁冲击法是在焊缝金属处于冷态时进行的，所以经过电磁冲击后，焊接接头的组织是否有影响是值得注意的。从上图中可以看到，对于焊缝来说，常规焊焊缝中心晶粒尺寸大小不一，而经过电磁冲击后，焊缝受到了瞬间强大的电磁力的冲击作用，相当于焊缝金属发生了冷变形，位错密度迅速提高，大量位错缠结在一起形成高密度位错区，将位错密度低的部分分隔开，形成了尺寸细小的形变亚晶。金相分析表明，电磁冲击法能够使焊缝中心的晶粒得到细化。硬度分布：硬度分布：硬度值表征金属弹性、塑性、强度及韧性等。因此，硬度值与材料强度之间有内在联系。下图为常规焊和电磁冲击工件焊接接头显微硬度分布：从图中可以看到，常规焊试件焊缝中心的硬度较低，经过电磁冲击后，焊接接头的硬度值有所提高，焊缝中心的硬度值提高了近40%，这是因为形变亚晶的出现对于位错运动具有阻碍作用，提高了金属的变形抗力，从而提高了焊缝金属的硬度值，而熔合区的硬度值提高得并不明显。结论结论通过电磁成型技术与常规焊接方法的比较，分别从工件变形、残余应力、焊缝金相组织的变化、接头硬度的对比，可以得出：电磁成型技术是一种具有优于常规焊的新技术。总结与展望总结与展望总结：电磁冲击法是一种基于电磁感应原理控