母线和焊接电磁脉冲技术的优势

【国外技术资源分享】对于电动汽车的安全和快速充电，以及轻巧紧凑的电气装置，母线排与传统电缆相比具有许多优势。通过电磁脉冲技术（EMPT），还可以使用一种能够大规模生产且具有成本效益的制造方法。

电动汽车的驾驶员不仅要求他的车辆有一个可接受的续航里程，而且还应该快速充电。这就是为什么汽车制造商更愿意在可能的情况下使用 1000 A。电缆会变热，此外它们又重又笨重。在这里，母线排具有显著的优势。

与电缆不同，母线排始终具有经过测试的短路强度。电缆方向的改变有时需要较大的弯曲半径。另一方面，母线可以以小半径弯曲。此外，由于可能散热，电缆必须铺设在一定距离处。对于母线排，这不是必需的，它们的使用大大减少了空间要求。而且，特别重要的是：母线排不会燃烧。此外，与电缆组件相比，安装母线只需要大约三分之一的时间，而当涉及到配电系统时，安装母线的速度可以快 70%，因为刚性母线比柔性电缆更容易自动安装。

母线排在恶劣环境中提供长期可靠性，可承受 -40 至 +125 °C 的工作温度。它们可以散热，从而有助于防止过热。与电缆相比，由于电感更低、电容更高，它们使充电效率更高。

使用EMPT有效地连接铝和铜

最适合母线排的材料是铝和铜。出于成本原因，主要部件应由价格合理的铝制成，但触点需要昂贵的铜（图 1）。然而，当两种金属和冷凝水结合在一起时，就会发生剧烈的电化学反应。贵重的铜腐蚀的贵重性越低，铝的腐蚀性越低，过渡电阻和温度升高，在最坏的情况下，可能会发生火灾。此外，这两种金属不容易结合。

图 1.铝/铜母线

EMPT技术快速、易于自动化且安全。用它产生的焊缝非常稳定且不透氦气；这意味着没有腐蚀性介质可以穿透（图2）。与其他方法相比，对要连接的零件的几何形状的限制没有那么严格。

图2.使用EMPT进行有效焊接

这种EMPT机器的主要部件是脉冲发生器、控制柜，以及根据应用的不同，扁平线圈或现场整形器。脉冲发生器由并联连接的电容器组成，提供产生磁场所需的电流。当线圈和电容器之间的大电流开关闭合时，电流以脉冲形式流入线圈。可以产生几百千安到超过1000千安的脉冲电流。使用线圈和磁场整形器，磁压力被引导到导电工件上。线圈由一个或多个电气绕组构成，通常由高强度铜或铝合金制成。线圈的横截面通常在 10 mm2 之间和几个 100 毫米2。然而，由于电容器的充电时间为 3 到 8 秒，即使对于强大的工厂，所需的电源容量也限制为 380V/64A。功耗范围为每脉冲 0.015 至 0.03 kWh，具体取决于系统的大小。

EMPT 焊接基于短于 100 μs 的电磁脉冲。脉冲电流具有非常高的振幅和频率，通常为100 kA，放电频率在10至50 kHz之间，因此会产生强磁场，从而在其中一个工件中产生涡流。两个工件的位置重叠，中间有加速度间隙。线圈将两个工件中的一个加速到连接杆件。当该工件区域撞击其接触伙伴时，会产生排斥洛伦兹力和高磁压，这超过了材料的屈服强度，并允许工件以高达 500 m/s 的速度撞击静止的连接构件。在碰撞区域，会出现极高的机械应力和应变。

最大电压发生在接触点处，并在两个工件的连接区域前方产生一种弓形波。这种塑性变形破坏了两个接触伙伴的表面氧化层，并留下了波浪形结构。工件之间的气隙被压缩，并将污垢和碎屑氧化物颗粒吹出连接区域。

两个表面在巨大的压力下被压在一起，导致连接构件的原子形成金属键。由于未达到连接杆件的熔点，因此可以连接具有不同熔点的金属而不会发生翘曲。连接区域通常比较弱的基材具有更高的强度。EMPT焊接在不升高温度的情况下工作，因此结构没有任何变化，这意味着没有减弱的热影响区。

另一个主要优点是，在铝和铜的EMPT焊接过程中，过渡电阻不会增加，并且两个金属伙伴的良好导电性在整个接头上保持完好无损。根据常见的测试程序，该连接显示出比电阻或激光焊接更好的抗热冲击和振动值。

EMPT焊接无需使用保护气体或焊接添加剂即可产生高质量的焊缝。PST产品的脉冲发生器和线圈现已优化到无需更换电容器或线圈部件即可轻松实现超过200万个脉冲的使用寿命。

多年来，EMPT焊接一直被国际客户用于大批量制造部件。一个工厂通常每年进行 100 到 500 万次焊接。此外，该过程是环保的，因为它不会产生任何烟雾或辐射。磁场和焊接参数是非常精确可控的，从而提供了恒定的、可记录的质量。

使用 EMPT 机器，每个脉冲最多可以执行 10 个母线连接，周期时间为 5 秒或更长时间。这使得这种焊接工艺具有商业成本效益。这使得每月的批量生产量可达数千万件，材料厚度可达 4 毫米。目前，在技术上，材料厚度可达 8 mm。