隨著脈沖技術(shù)的發(fā)展，高功率電磁脈沖技術(shù)被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，其中，電磁脈沖焊接就是一種具有廣闊前景的技術(shù)。與傳統(tǒng)焊接工藝相比，電磁脈沖焊接技術(shù)具有諸多優(yōu)勢：①是一種固相焊接技術(shù)，可用于異種金屬、金屬與非金屬的焊接；②焊接過程在微秒級(jí)內(nèi)完成，生產(chǎn)效率高；③焊接過程無塵煙，綠色環(huán)保；④可精確控制焊接過程的放電能量，重復(fù)性好，易于實(shí)現(xiàn)機(jī)械化和自動(dòng)化。

目前，國內(nèi)外學(xué)者已對(duì)該技術(shù)展開了研究，V. Shribman、M. Marya和O. Aizawa等對(duì)鋁合金的同種、異種金屬進(jìn)行了電磁脈沖焊接試驗(yàn)，結(jié)果表明電磁脈沖焊接的金屬接頭強(qiáng)度幾乎無下降，并提出了電磁脈沖焊接的機(jī)理，即在固態(tài)連接過程，高速度的塑性變形導(dǎo)致金屬質(zhì)量快速傳輸。

A. Ben-Artzy等研究發(fā)現(xiàn)鋁鎂的電磁脈沖焊接接頭的界面存在薄熔化層，并且在隨后的快速冷卻過程中產(chǎn)生了金屬間化合物，通過對(duì)焊接界面的鏡像分析，表明內(nèi)外管傾斜碰撞產(chǎn)生的射流在焊接區(qū)的熔化過程中起重要作用。張杰采用電磁脈沖焊接方法，進(jìn)行純銅與防銹鋁的異種材料焊接試驗(yàn)，并測試與分析了顯微組織、物相組成、表面硬度和力學(xué)性能，結(jié)果表明該方法可獲得較高質(zhì)量的焊接接頭。

電磁脈沖焊接過程中，主回路能夠產(chǎn)生幾百kA的電流，其開關(guān)的選取也至關(guān)重要。觸發(fā)真空開關(guān)（Triggered Vacuum Switch, TVS）具備隔離高壓和起弧后快速恢復(fù)介電強(qiáng)度的性能，可作為放電開關(guān)，在科研和產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。

田微等研究了觸發(fā)電流對(duì)TVS導(dǎo)通特性的影響，得到了真空間隙的導(dǎo)通條件，即在主間隙電壓為定值時(shí)，真空間隙導(dǎo)通所需的觸發(fā)電荷量需近似滿足一定關(guān)系。趙巖和毛曉坡等分別開展了激光觸發(fā)真空開關(guān)穩(wěn)定性、時(shí)延特性及目標(biāo)材料觸發(fā)特性的研究。

激光觸發(fā)真空開關(guān)和電氣觸發(fā)真空開關(guān)的區(qū)別在于觸發(fā)方式的不同，后者的觸發(fā)方式更簡便，所以本文采用電氣觸發(fā)真空開關(guān)。然而，要使得多管并聯(lián)的TVS同時(shí)導(dǎo)通，即具有很高的同步性，需要開關(guān)的觸發(fā)脈沖上升沿達(dá)到納秒量級(jí)，因此需要研制出滿足TVS導(dǎo)通條件的快上升沿脈沖源。

李江濤等設(shè)計(jì)了基于模塊化雪崩三極管Marx電路和傳輸線變壓器的重頻納秒脈沖源，提出直接疊加和傳輸線變壓器兩種脈沖疊加方式組合的方法，可進(jìn)一步提高輸出電壓。董守龍等設(shè)計(jì)了基于Marx電路帶有尾切開關(guān)的脈沖源，輸出能夠達(dá)到30ns前沿，最大1μs脈寬，重頻1kHz。

對(duì)于線圈，邱立等研究了焊接線圈磁場分布規(guī)律，設(shè)計(jì)了驅(qū)動(dòng)線圈的幾何尺寸、脈沖強(qiáng)磁場成形系統(tǒng)放電脈寬及驅(qū)動(dòng)線圈強(qiáng)度等，分析了線圈電感對(duì)脈沖強(qiáng)磁場成形的影響，提出了一套脈沖強(qiáng)磁場成型系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。

盛熙等結(jié)合電磁成形的特點(diǎn)，對(duì)線圈的電參數(shù)及受力特點(diǎn)進(jìn)行了系統(tǒng)分析，設(shè)計(jì)了長壽命、高可靠的驅(qū)動(dòng)線圈，能夠進(jìn)行上千次成形試驗(yàn)，通過制造不同規(guī)格的驅(qū)動(dòng)線圈并對(duì)其試驗(yàn)，并總結(jié)了線圈的制造工藝。郭寧等設(shè)計(jì)測量了1MA脈沖大電流的微分環(huán)，可用于焊接線圈電流的測量。

目前，國內(nèi)電力電纜接頭主要采用液壓方式連接，壓接效果不均勻，管件存在棱角，容易產(chǎn)生電暈；壓接方式的電學(xué)與力學(xué)性能隨著電力系統(tǒng)長期運(yùn)行，可能出現(xiàn)薄弱環(huán)節(jié)，使得電路發(fā)生故障。而電磁脈沖焊接能夠達(dá)到原子層面的結(jié)合，作用于焊接管件的電磁力大小與方向均勻，無棱角產(chǎn)生，且電學(xué)與力學(xué)性能經(jīng)過國內(nèi)外學(xué)者研究，對(duì)比于壓接方式更加優(yōu)異。

為探究電磁脈沖焊接電力電纜接頭，通過理論推導(dǎo)及仿真分析，確定影響電磁脈沖焊接的主要影響因素；通過理論計(jì)算設(shè)計(jì)具有集磁器功能的單匝焊接線圈與同軸線纜，減少電路回路中的電感，提高焊接效率；設(shè)計(jì)基于固態(tài)開關(guān)和閉合磁心的系統(tǒng)控制模塊用于TVS的觸發(fā)。

最終研制出一套能夠用于不同型號(hào)電纜接頭焊接的電磁脈沖焊接裝置，測試結(jié)果表明該電磁脈沖焊接設(shè)備可穩(wěn)定工作，性能可靠，最大工作電壓為15kV，最大輸出電流可達(dá)600 kA，達(dá)到電流峰值時(shí)間約10μs。

圖1 電磁脈沖焊接成型的基本電路和等效電路

圖19 試驗(yàn)平臺(tái)

圖23 電磁脈沖焊接效果

結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種產(chǎn)生600kA脈沖電流的電磁脈沖焊接設(shè)備，采用銅板電極平行連線方式及使用同軸電纜對(duì)TVS進(jìn)行連接，減少了電路中的電感，提高了焊接效率。通過理論計(jì)算分析，設(shè)計(jì)了具有集磁器功能的單匝焊接線圈與基于固態(tài)開關(guān)和變壓器的脈沖源用于TVS的觸發(fā)。

經(jīng)測試，電磁脈沖焊接設(shè)備能夠正常工作，性能可靠，能夠?qū)㈦娎|接頭進(jìn)行焊接，并且焊接接頭處的接觸電阻比傳統(tǒng)絞合連接方式的小。這對(duì)于進(jìn)一步研究電磁脈沖焊接的過程和原理奠定了基礎(chǔ)。后續(xù)將開展電力電纜、異種金屬的焊接試驗(yàn)，進(jìn)一步完善電磁脈沖焊接過程的技術(shù)工藝。