脈沖功率在快速加熱方面的應(yīng)用

脈沖功率技術(shù)在快速加熱中的應(yīng)用

武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院SchoolofElectronicEngineeringandAutomation,WHU.摘要脈沖功率技術(shù)又稱高功率脈沖技術(shù)，它是一個(gè)研究在相對較長的時(shí)間里把能量儲存起來，然后經(jīng)過快速壓縮、轉(zhuǎn)換，最后有效釋放給負(fù)載的新興科技領(lǐng)域。它的技術(shù)特點(diǎn)是高脈沖功率、短脈沖持續(xù)時(shí)間，高電壓和大電流。脈沖功率技術(shù)的應(yīng)用非常廣泛，其中快速加熱就是一種。一般所說的脈沖加熱特別指工業(yè)上的脈沖熱加工。本文基于脈沖功率技術(shù)在快速加熱中的應(yīng)用為線索首先，是講訴了脈沖功率系統(tǒng)的基本組成和經(jīng)典的Marx發(fā)生器；其次，給大家講解了什么是脈沖電流，它的特點(diǎn)和作用是什么；隨后，重點(diǎn)講了脈沖功率技術(shù)熱加工的原理及其應(yīng)用，介紹了脈沖熱壓機(jī)；最后，是闡述了一下脈沖熱加工的研究現(xiàn)狀，展望了它的未來。引言脈沖功率技術(shù)(PulsedPowerTechnology)就是把較小功率的能量以較長時(shí)間慢慢輸入到能儲存能量的設(shè)備中，將能量進(jìn)行壓縮與轉(zhuǎn)換，然后在極短的時(shí)間(最短可為納秒)以極高的功率密度向負(fù)載釋放的電物理技術(shù)。脈沖功率技術(shù)是一門綜合性很強(qiáng)的基礎(chǔ)性學(xué)科，它涉及到電工材料、等離子體科學(xué)、激光技術(shù)、微波磁學(xué)和光學(xué)、電子電路、工程電磁場、高電壓技術(shù)、電氣測量、半導(dǎo)體技術(shù)等等。該學(xué)科萌發(fā)于上個(gè)世紀(jì)30年代，在60年代有重大進(jìn)展并形成公認(rèn)的學(xué)科。脈沖功率技術(shù)的主體是高功率脈沖電源，為脈沖功率的負(fù)載提供電磁能量。脈沖加熱是利用脈沖電流流過鉬、鈦等高電阻材料時(shí)產(chǎn)生的焦耳熱去加熱焊接的方式。一般要在加熱咀的前端連接有熱點(diǎn)偶，由此而產(chǎn)生的起電力實(shí)時(shí)反饋回控制電源來保正設(shè)定溫度的正確性。脈沖加熱應(yīng)用在多個(gè)工業(yè)領(lǐng)域，如熱加工、金屬淬火等。脈沖功率系統(tǒng)的基本組成典型的脈沖功率系統(tǒng)組成框圖如圖所示。最基本的系統(tǒng)是由兩個(gè)部分組成：一部分是低功率水平的能量儲存系統(tǒng)；另一部分是高功率脈沖的產(chǎn)生和有效傳輸?shù)截?fù)載。人們在相對較長的時(shí)間內(nèi)把低功率水平的電能儲存起來，如電力系統(tǒng)提供的長時(shí)間連續(xù)運(yùn)行的電能，對大容量電容器組充電。存儲的能量通過脈沖放電得到高功率脈沖，再有效地釋放給負(fù)載。

Marx發(fā)生器Marx發(fā)生器（MarxGenerator）是一種利用電容并聯(lián)充電再串聯(lián)放電的高壓裝置，該結(jié)構(gòu)由E.Marx于1924年提出，它能模仿雷電及操作過電壓等過程。所以經(jīng)常用于絕緣沖擊耐壓及介質(zhì)沖擊擊穿、放電等試驗(yàn)中。其工作原理，如圖Marx的電路圖解釋C為級電容，它們由充電電阻R并聯(lián)起來，通過整流回路T-D-r充電到V。此時(shí)，因保護(hù)電阻r一般比R約大10倍，它不僅保護(hù)了整流設(shè)備，而且還能保證各級電容充電比較均勻。在第1級中g(shù)0為點(diǎn)火球隙，由點(diǎn)火脈沖起動(dòng)；其他各級中g(shù)為中間球隙，它們調(diào)整在g0起動(dòng)后逐個(gè)動(dòng)作。這些球隙在回路中起控制開關(guān)的作用，當(dāng)它們都動(dòng)作后，所有級電容C就通過各級的波頭電阻Rf串聯(lián)起來，并向負(fù)荷電容C0充電。此時(shí)，串聯(lián)后的總電容為C/n，總電壓為nV。n為發(fā)生器回路的級數(shù)。由于C0較小，很快就充滿電，隨后它將與級電容C一起通過各級的波尾電阻Rt放電。這樣，在負(fù)荷電容C0上就形成一很高電壓的短暫脈沖波形的沖擊電壓。。脈沖電流的特點(diǎn)及應(yīng)用脈沖加熱是利用各種波形的脈沖電流，以時(shí)斷時(shí)續(xù)的方式來加熱來達(dá)到一些特殊工藝要求。脈沖電流是指方向不變，強(qiáng)度隨時(shí)間周期性改變的電流，也叫脈動(dòng)電流。有些用戶的負(fù)載需要斷續(xù)加電，即按照一定的時(shí)間規(guī)律，向負(fù)載加電一定的時(shí)間，然后又?jǐn)嚯娨欢ǖ臅r(shí)間，通斷一次形成一個(gè)周期。如此反復(fù)執(zhí)行，便構(gòu)成脈沖電源。例如對于無極性電解電容器的老化工藝中，需要給電容器正向充電一段時(shí)間，然后放電，然后反向給電容器充電一段時(shí)間，然后放電，如此便形成正向→放電（斷電）→反向→放電→正向，如此反復(fù)。又如，線繞電阻的試驗(yàn)規(guī)則是：加電一段時(shí)間→斷電一段時(shí)間，如此重復(fù)。以上兩例已涉及正向加電時(shí)間、斷電時(shí)間、反向加電時(shí)間這三種時(shí)間關(guān)系。脈沖加熱的特點(diǎn)一是加壓時(shí)通電加熱和斷電冷卻同時(shí)進(jìn)行、防止了結(jié)合部浮起、虛焊，最適合于柔性材、線材的熱壓焊、焊錫焊接及樹脂粘結(jié)。二是優(yōu)越的溫度、時(shí)間等參數(shù)的再現(xiàn)性可以實(shí)現(xiàn)高品質(zhì)產(chǎn)品的生產(chǎn)三是局部瞬時(shí)加熱方式能良好地控制對周圍元器件的熱影響脈沖電流的應(yīng)用示例數(shù)碼相機(jī)、手機(jī)等的CMOS、CCD與FPC板的焊錫焊接繼電器、打印機(jī)、小型相機(jī)等的樹脂熱壓結(jié)合微波器件內(nèi)部的金線熱壓結(jié)合等等LCD、PDP、手機(jī)等電子產(chǎn)品內(nèi)的柔性線路板的熱壓接、焊錫焊接等HDD、線圈、電容、電機(jī)、傳感器等漆包線的焊錫焊接電腦等通信機(jī)器內(nèi)的線纜、連接口的焊錫焊接脈沖功率在快速加熱方面的應(yīng)用

----脈沖電流熱加工脈沖電流熱加工(P1SltrirnrtatTratmnt，比如燒結(jié)，焊接等)

是九十年代發(fā)展起來的一種材料快速制備新技術(shù)，它包括放電等離子燒結(jié)與焊接、等離子活化燒結(jié)與焊接、脈沖大電流擴(kuò)散焊接等。它具有升溫、降溫速度快、能在較低的溫度下燒結(jié)或焊接以及時(shí)間短的特點(diǎn)。該技術(shù)己應(yīng)用于梯度功能材料、金屬基復(fù)合材料、纖維增強(qiáng)復(fù)合材料、納米材料、多孔材料等多種材料的燒結(jié)和不相容材料之間的連接。圖放電等離子燒結(jié)(SPS)裝置簡圖脈沖電流熱加工原理采用傳統(tǒng)的燒結(jié)技術(shù)，如無壓燒結(jié)、熱壓燒結(jié)和熱等靜壓燒結(jié)等，燒結(jié)樣品被設(shè)置于一個(gè)加熱的空間，通過熱傳導(dǎo)和熱輻射實(shí)現(xiàn)對樣品的加熱。因間接加熱，加熱及冷卻速度都受到很大制約；難以實(shí)現(xiàn)高速升溫、快速冷卻，晶粒生長難以得到控制。與傳統(tǒng)燒結(jié)方法相比，放電等離子燒結(jié)即SPS具有以下主要特點(diǎn):(l)升降溫與燒結(jié)速度快，燒結(jié)體系處于遠(yuǎn)離平衡狀態(tài)，容易實(shí)現(xiàn)對材料的相組成、結(jié)構(gòu)和組織的控；(2)存在脈沖電流誘發(fā)的特殊外場作用，促使擴(kuò)散、遷移和傳質(zhì)等，對材料微觀結(jié)構(gòu)與組織形成產(chǎn)生影響；(3)利用模具的梯度設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)溫差燒結(jié)，保證物性差異大的功能梯度材料體系同時(shí)致密化。傳統(tǒng)的熱壓燒結(jié)主要是由通電產(chǎn)生的焦耳熱(I2R)和加壓造成的塑性變形這兩個(gè)因素來促使燒結(jié)過程的進(jìn)行。而脈沖大電流加熱燒結(jié)過程除了上述作用外，在壓實(shí)顆粒樣品上施加了由特殊電源產(chǎn)生的直流脈沖電流和電壓，從而在試樣中產(chǎn)生電場和磁場，并有效地利用了在粉體顆粒間放電所產(chǎn)生的自發(fā)熱作用。在壓實(shí)顆粒樣品上施加脈沖電壓產(chǎn)生了如圖所示的在通常熱壓燒結(jié)中沒有的各種有利于燒結(jié)的現(xiàn)象。施加直流開關(guān)脈沖電壓的作用脈沖電流熱加工應(yīng)用(1)1、梯度材料梯度：材料由于組分的梯度變化要求燒結(jié)溫度梯度變化，在傳統(tǒng)燒結(jié)工藝的均勻熱場中難以獲得這種條件。脈沖大電流燒結(jié)過程可以利用梯形模具，產(chǎn)生電流密度的梯度變化，實(shí)現(xiàn)梯度材料的變溫?zé)Y(jié)。燒結(jié)時(shí)間一般僅幾分鐘，燒結(jié)體密度高于傳統(tǒng)燒結(jié)方法制備的樣品密度。目前已取得良好燒結(jié)效果的梯度材料有:不銹鋼/ZrO2、Ni/Al2O3、Al/高聚物、Al/植物纖維、多種梯度材料。2、納米材料：納米粉燒結(jié)成納米塊體是材料工作者長久以來追求的目標(biāo)。由于納米粉體比表面積極大、有很高的表面活性，多達(dá)數(shù)小時(shí)的熱壓燒結(jié)導(dǎo)致晶粒長大，很難獲得真正意義上的納米塊體材料。從晶粒生長動(dòng)力學(xué)角度考慮，要求燒結(jié)過程在燒結(jié)活化能不變的前提下，盡量縮短燒結(jié)時(shí)間。脈沖大電流燒結(jié)因其加熱迅速，合成時(shí)間短，可明顯抑制晶粒粗化，有可能為燒結(jié)納米材料提供一種有效途徑。3、多孔材料：脈沖大電流燒結(jié)技術(shù)不僅可在短時(shí)間內(nèi)使難燒結(jié)的材料致密化，而且選擇合適的工藝參數(shù)(主要是壓力)還可制取理想的多孔材料。近年日本用金紅石、切削鑄鐵粉、霧化鑄鐵粉等進(jìn)行了脈沖大電流燒結(jié)多孔材料的研究。脈沖電流熱加工應(yīng)用(2)4、金屬間化合物：金屬間化合物具有常溫脆性和高熔點(diǎn)，因此其制備或生產(chǎn)需要特殊的過程。利用熔化法(電火花熔化、電阻熔化、感應(yīng)熔化等)制備金屬間化合物往往需要高能量、真空系統(tǒng)，而且需要對其進(jìn)行二次加工(鍛造)。利用脈沖大電流制備技術(shù)合成金屬間化合物，因?yàn)橛行Ю昧祟w粒間的自發(fā)熱作用和表面活化作用，可實(shí)現(xiàn)低溫、快速燒結(jié)，所以該技術(shù)正成為制備金屬間化合物的一種有效方法。利用脈沖大電流燒結(jié)技術(shù)已制備的金屬間化合物體系有:Ti-Al體系、Mo-51體系、Ni-Al體系等。5、氧化物陶瓷超導(dǎo)材料：傳統(tǒng)合成方法在制備Y-Ba-Cu-O、Bi一Sr-Ca-Cu-O等超導(dǎo)材料時(shí)，為獲得高溫超導(dǎo)相，需使粉末和塊體進(jìn)行長時(shí)間的燒結(jié)與再結(jié)晶處理，往往導(dǎo)致塊體的密度降低。同時(shí)，再結(jié)晶處理期間的熱膨脹各向異性導(dǎo)致非晶-陶瓷體產(chǎn)生裂紋。6、其他材料：利用脈沖大電流熱加工技術(shù)，還可制備多種其它材料，如表所示。脈沖電流熱加工應(yīng)用(3)7、其他應(yīng)用此外，利用脈沖大電流熱加工技術(shù)開展了異種納米材料的原位焊接、不銹鋼的焊接、TiB2陶瓷與金屬的焊接、結(jié)構(gòu)異形件的制備及高聚物的固化等。綜上所述，傳統(tǒng)燒結(jié)方法對制備高性能陶瓷新材料有很多局限性，脈沖大電流熱加工技術(shù)對燒結(jié)和合成新材料顯示出巨大的潛力。但由于該技術(shù)問世時(shí)間不長，其燒結(jié)優(yōu)勢還遠(yuǎn)未發(fā)揮，有許多問題需要研究探討。如某些體系至今沒有得到納米材料，甚至脈沖大電流燒結(jié)晶粒比熱壓燒結(jié)還要大，對均質(zhì)材料來說，經(jīng)常觀察到組織結(jié)構(gòu)不均勻；模具材質(zhì)、形狀、尺寸對燒結(jié)的最終材料性能有很大影響等。因此，需要對燒結(jié)機(jī)理進(jìn)行深入研究，以達(dá)到合理有效控制燒結(jié)工藝、獲得性能優(yōu)良的新材料的目的。脈沖熱壓機(jī)脈沖熱壓機(jī)，脈沖熱壓機(jī)利用變壓器產(chǎn)生一個(gè)低電壓的大電流，通過焊接頭令其迅速發(fā)熱。這里的脈沖電流，具體可以指電流的ON及OFF頻率比例，此脈沖比例越大，電流輸出越大，焊接頭升溫越快。脈沖熱壓機(jī)將工件置于夾具（如有需要，可啟動(dòng)真空將其固定）。將夾具送至焊接頭下，按雙開始鍵，焊接頭下壓著工件（開始加熱），溫度按輸入?yún)?shù)迅速上升及準(zhǔn)確恒溫，最多可達(dá)4個(gè)溫區(qū)（此時(shí)焊錫回流），吹氣冷卻（焊錫凝固），焊接頭上升（完成）。通過在熱壓頭上加載一定的脈沖電壓，熱壓頭發(fā)熱，將與此相連接的物體升溫，當(dāng)溫度升到焊錫熔點(diǎn)后（即升到事先設(shè)定的溫度后），將與此相連的物體間錫熔融并將其連接在一起。一般的脈沖熱壓機(jī)使用溫度閉環(huán)的控制。脈沖熱壓機(jī)應(yīng)用在以下產(chǎn)品生產(chǎn)工藝中：USB排線焊接、軟排線FFC與軟性線路板FPC或硬性線路板PCB的焊接、TCP與線路板PCB或軟性線路板FPC之間的焊接、軟性線路板FPC與線路板PCB之間的焊接等。研究現(xiàn)狀自從日本住友石炭有限公司報(bào)道了采用放電等離子燒結(jié)技術(shù)成功燒結(jié)了氧化鋯一一不銹鋼功能梯度材料以來,該加工技術(shù)的應(yīng)用越來越廣泛,對采用此方法燒結(jié)粉末方面的研究報(bào)道比較多。除了用于燒結(jié),由于脈沖大電流熱加工技術(shù)本身所具有的特征,在材料的焊接領(lǐng)域應(yīng)該也是一種比較有前景的焊接方法之一。鑒于脈沖大電流熱加工技術(shù)的加熱方式,我們建議該技術(shù)在焊接方面應(yīng)用時(shí)稱為脈沖大電流熱焊接更合理。將該工藝用于焊接來制備焊接件的報(bào)道很少見,所查閱到的資料表明只有最初提出放電等離子燒結(jié)技術(shù)的國家----日本報(bào)道了采用該方法來焊接材料。主要有金屬與金屬和金屬與陶瓷的焊接。展望未來脈沖大電流燒結(jié)、焊接為什么如此之快是各國研究人員探索的熱點(diǎn),多數(shù)學(xué)者從證明形成等離子的角度來解釋這一現(xiàn)象。實(shí)際上,脈沖大電流熱加工過程是由原子的擴(kuò)散過程來實(shí)現(xiàn)的。因此,原子的擴(kuò)散是決定脈沖大電流熱加工的重要因素。在脈沖大電流加工過程中原子是如何擴(kuò)散的,與一般的加熱燒結(jié)、焊接是否一樣,脈沖大電流形成的特殊電場及磁場是否對原子的擴(kuò)散有大的推動(dòng)作用,弄清這些問題成為進(jìn)一步揭示脈沖大電流熱加工機(jī)理的關(guān)鍵。參考文獻(xiàn)[1]王瑩.高功率脈沖電源:第1版[Ｍ].北京:原子能出版社，1991.[2]徐根應(yīng).大功率高