Магнитно-импульсная сварка для сборки электромобилей

Эта медно-алюминиевая шина была собрана с помощью магнитно-импульсной сварки. Фото предоставлено PSTproducts GmbH

Магнитно-импульсная сварка позволяет прикрепить сверхпрочные клеммы к толстым кабелям с высокой степенью сжатия, высокой прочностью и низким сопротивлением. Фото предоставлено PSTproducts GmbH

Типичная система магнитно-импульсной сварки включает в себя источник питания, содержащий батарею конденсаторов, быстродействующую систему переключения и катушку. Фото предоставлено PSTproducts GmbH

При магнитно-импульсной сварке конденсаторы разряжаются в катушку, изготовленную специально для сборки. Это создает интенсивное переходное магнитное поле. Это магнитное поле индуцирует вихревые токи в любых проводящих материалах поблизости, в направлении, противоположном первичному току. Противоположные поля приводят к возникновению высокой силы отталкивания, которая с высокой скоростью перемещает заготовку, ближайшую к катушке, к неподвижной заготовке, что приводит к сильному удару между двумя металлами. Фото предоставлено PSTproducts GmbH

Революция электромобилей ставит перед инженерами многочисленные задачи сборки, например, как соединить разнородные металлы и как прикрепить большие клеммы к толстым кабелям. По иронии судьбы, решением этих проблем может стать технология магнитно-импульсной сварки (MPW), созданная уже сто лет назад.

Бесконтактный процесс MPW использует электромагнитное давление для ускорения одной металлической детали и воздействия на другую металлическую деталь. Атомная связь, создаваемая этим процессом, аналогична связи, создаваемой сваркой взрывом. Эту технику можно использовать для соединения как одинаковых, так и разнородных металлов.

MPW был первоначально разработан в конце 1800-х годов как метод формовки листового металла. В 1960-х годах процесс формовки был адаптирован к процессу сварки концевых затворов ядерных топливных стержней.

Типичная система магнитно-импульсной сварки включает в себя источник питания, содержащий батарею конденсаторов, быстродействующую систему переключения и катушку. Соединяемые детали вставляются в катушку, батарея конденсаторов заряжается и включается быстродействующий переключатель. Когда к катушке подается ток, создается магнитное поле, и внешний компонент сжимается над внутренним компонентом.

Значительное количество энергии (от 5 до 200 килоджоулей) запасается в конденсаторах, которые заряжаются до высокого напряжения (от 3000 до 30 000 вольт). Затем конденсаторы разряжаются через шины с низкой индуктивностью и высокой проводимостью в катушку, изготовленную по индивидуальному заказу для сборки. Результирующий ток принимает форму затухающей синусоидальной волны. Пиковые токи во время этого процесса варьируются от десятков тысяч до миллионов ампер, а ширина импульса измеряется микросекундами.

Это создает чрезвычайно интенсивное переходное магнитное поле вблизи катушки. Магнитное поле индуцирует вихревые токи в любых проводящих материалах поблизости, в направлении, противоположном первичному току. Противоположные поля в катушке и заготовке приводят к высокой силе отталкивания. Эта сила перемещает заготовку, ближайшую к катушке, с высокой скоростью к цели, неподвижной заготовке, что приводит к сильному соударению между двумя металлами.

Ударное давление удаляет поверхностные загрязнения и оксиды с деталей и обеспечивает плотный контакт по всей поверхности соединения, создавая твердотельное соединение без плавления материалов. Зона термического влияния отсутствует, сохраняется чистота металлов на поверхности и под поверхностью.

В результате этот процесс особенно подходит для соединения разнородных металлов, таких как медь и алюминий, поскольку интерметаллических соединений образуется мало или вообще не образуется. Соединение газонепроницаемо и прочнее, чем исходные материалы.

Магнитные свойства материалов заготовки не имеют значения. Электромагнитное поле достаточно сильное, поэтому подойдет любой проводящий металл.

Соединяемые детали должны располагаться на расстоянии 1 – 2 миллиметров друг от друга, чтобы можно было ускориться. Несмотря на такое небольшое расстояние, скорость детали при ударе может значительно превышать 300 метров в секунду.