脈沖功率技術在快速加熱中的應用

武漢大學電氣工程學院SchoolofElectronicEngineeringandAutomation,WHU.摘要脈沖功率技術又稱高功率脈沖技術，它是一個研究在相對較長的時間里把能量儲存起來，然后經過快速壓縮、轉換，最后有效釋放給負載的新興科技領域。它的技術特點是高脈沖功率、短脈沖持續時間，高電壓和大電流。脈沖功率技術的應用非常廣泛，其中快速加熱就是一種。一般所說的脈沖加熱特別指工業上的脈沖熱加工。本文基于脈沖功率技術在快速加熱中的應用為線索首先，是講訴了脈沖功率系統的基本組成和經典的Marx發生器；其次，給大家講解了什么是脈沖電流，它的特點和作用是什么；隨后，重點講了脈沖功率技術熱加工的原理及其應用，介紹了脈沖熱壓機；最后，是闡述了一下脈沖熱加工的研究現狀，展望了它的未來。引言脈沖功率技術(PulsedPowerTechnology)就是把較小功率的能量以較長時間慢慢輸入到能儲存能量的設備中，將能量進行壓縮與轉換，然后在極短的時間(最短可為納秒)以極高的功率密度向負載釋放的電物理技術。脈沖功率技術是一門綜合性很強的基礎性學科，它涉及到電工材料、等離子體科學、激光技術、微波磁學和光學、電子電路、工程電磁場、高電壓技術、電氣測量、半導體技術等等。該學科萌發于上個世紀30年代，在60年代有重大進展并形成公認的學科。脈沖功率技術的主體是高功率脈沖電源，為脈沖功率的負載提供電磁能量。脈沖加熱是利用脈沖電流流過鉬、鈦等高電阻材料時產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偶，由此而產生的起電力實時反饋回控制電源來保正設定溫度的正確性。脈沖加熱應用在多個工業領域，如熱加工、金屬淬火等。脈沖功率系統的基本組成典型的脈沖功率系統組成框圖如圖所示。最基本的系統是由兩個部分組成：一部分是低功率水平的能量儲存系統；另一部分是高功率脈沖的產生和有效傳輸到負載。人們在相對較長的時間內把低功率水平的電能儲存起來，如電力系統提供的長時間連續運行的電能，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，再有效地釋放給負載。

Marx發生器Marx發生器（MarxGenerator）是一種利用電容并聯充電再串聯放電的高壓裝置，該結構由E.Marx于1924年提出，它能模仿雷電及操作過電壓等過程。所以經常用于絕緣沖擊耐壓及介質沖擊擊穿、放電等試驗中。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并聯起來，通過整流回路T-D-r充電到V。此時，因保護電阻r一般比R約大10倍，它不僅保護了整流設備，而且還能保證各級電容充電比較均勻。在第1級中g0為點火球隙，由點火脈沖起動；其他各級中g為中間球隙，它們調整在g0起動后逐個動作。這些球隙在回路中起控制開關的作用，當它們都動作后，所有級電容C就通過各級的波頭電阻Rf串聯起來，并向負荷電容C0充電。此時，串聯后的總電容為C/n，總電壓為nV。n為發生器回路的級數。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。。脈沖電流的特點及應用脈沖加熱是利用各種波形的脈沖電流，以時斷時續的方式來加熱來達到一些特殊工藝要求。脈沖電流是指方向不變，強度隨時間周期性改變的電流，也叫脈動電流。有些用戶的負載需要斷續加電，即按照一定的時間規律，向負載加電一定的時間，然后又斷電一定的時間，通斷一次形成一個周期。如此反復執行，便構成脈沖電源。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間，然后放電，然后反向給電容器充電一段時間，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。又如，線繞電阻的試驗規則是：加電一段時間→斷電一段時間，如此重復。以上兩例已涉及正向加電時間、斷電時間、反向加電時間這三種時間關系。脈沖加熱的特點一是加壓時通電加熱和斷電冷卻同時進行、防止了結合部浮起、虛焊，最適合于柔性材、線材的熱壓焊、焊錫焊接及樹脂粘結。二是優越的溫度、時間等參數的再現性可以實現高品質產品的生產三是局部瞬時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用示例數碼相機、手機等的CMOS、CCD與FPC板的焊錫焊接繼電器、打印機、小型相機等的樹脂熱壓結合微波器件內部的金線熱壓結合等等LCD、PDP、手機等電子產品內的柔性線路板的熱壓接、焊錫焊接等HDD、線圈、電容、電機、傳感器等漆包線的焊錫焊接電腦等通信機器內的線纜、連接口的焊錫焊接脈沖功率在快速加熱方面的應用

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

是九十年代發展起來的一種材料快速制備新技術，它包括放電等離子燒結與焊接、等離子活化燒結與焊接、脈沖大電流擴散焊接等。它具有升溫、降溫速度快、能在較低的溫度下燒結或焊接以及時間短的特點。該技術己應用于梯度功能材料、金屬基復合材料、纖維增強復合材料、納米材料、多孔材料等多種材料的燒結和不相容材料之間的連接。圖放電等離子燒結(SPS)裝置簡圖脈沖電流熱加工原理采用傳統的燒結技術，如無壓燒結、熱壓燒結和熱等靜壓燒結等，燒結樣品被設置于一個加熱的空間，通過熱傳導和熱輻射實現對樣品的加熱。因間接加熱，加熱及冷卻速度都受到很大制約；難以實現高速升溫、快速冷卻，晶粒生長難以得到控制。與傳統燒結方法相比，放電等離子燒結即SPS具有以下主要特點:(l)升降溫與燒結速度快，燒結體系處于遠離平衡狀態，容易實現對材料的相組成、結構和組織的控；(2)存在脈沖電流誘發的特殊外場作用，促使擴散、遷移和傳質等，對材料微觀結構與組織形成產生影響；(3)利用模具的梯度設計可以實現溫差燒結，保證物性差異大的功能梯度材料體系同時致密化。傳統的熱壓燒結主要是由通電產生的焦耳熱(I2R)和加壓造成的塑性變形這兩個因素來促使燒結過程的進行。而脈沖大電流加熱燒結過程除了上述作用外，在壓實顆粒樣品上施加了由特殊電源產生的直流脈沖電流和電壓，從而在試樣中產生電場和磁場，并有效地利用了在粉體顆粒間放電所產生的自發熱作用。在壓實顆粒樣品上施加脈沖電壓產生了如圖所示的在通常熱壓燒結中沒有的各種有利于燒結的現象。施加直流開關脈沖電壓的作用脈沖電流熱加工應用(1)1、梯度材料梯度：材料由于組分的梯度變化要求燒結溫度梯度變化，在傳統燒結工藝的均勻熱場中難以獲得這種條件。脈沖大電流燒結過程可以利用梯形模具，產生電流密度的梯度變化，實現梯度材料的變溫燒結。燒結時間一般僅幾分鐘，燒結體密度高于傳統燒結方法制備的樣品密度。目前已取得良好燒結效果的梯度材料有: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：納米粉燒結成納米塊體是材料工作者長久以來追求的目標。由于納米粉體比表面積極大、有很高的表面活性，多達數小時的熱壓燒結導致晶粒長大，很難獲得真正意義上的納米塊體材料。從晶粒生長動力學角度考慮，要求燒結過程在燒結活化能不變的前提下，盡量縮短燒結時間。脈沖大電流燒結因其加熱迅速，合成時間短，可明顯抑制晶粒粗化，有可能為燒結納米材料提供一種有效途徑。3、多孔材料：脈沖大電流燒結技術不僅可在短時間內使難燒結的材料致密化，而且選擇合適的工藝參數(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、霧化鑄鐵粉等進行了脈沖大電流燒結多孔材料的研究。脈沖電流熱加工應用(2)4、金屬間化合物：金屬間化合物具有常溫脆性和高熔點，因此其制備或生產需要特殊的過程。利用熔化法(電火花熔化、電阻熔化、感應熔化等)制備金屬間化合物往往需要高能量、真空系統，而且需要對其進行二次加工(鍛造)。利用脈沖大電流制備技術合成金屬間化合物，因為有效利用了顆粒間的自發熱作用和表面活化作用，可實現低溫、快速燒結，所以該技術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技術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、氧化物陶瓷超導材料：傳統合成方法在制備Y-Ba-Cu-O、Bi一Sr-Ca-Cu-O等超導材料時，為獲得高溫超導相，需使粉末和塊體進行長時間的燒結與再結晶處理，往往導致塊體的密度降低。同時，再結晶處理期間的熱膨脹各向異性導致非晶-陶瓷體產生裂紋。6、其他材料：利用脈沖大電流熱加工技術，還可制備多種其它材料，如表所示。脈沖電流熱加工應用(3)7、其他應用此外，利用脈沖大電流熱加工技術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、結構異形件的制備及高聚物的固化等。綜上所述，傳統燒結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對燒結和合成新材料顯示出巨大的潛力。但由于該技術問世時間不長，其燒結優勢還遠未發揮，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晶粒比熱壓燒結還要大，對均質材料來說，經常觀察到組織結構不均勻；模具材質、形狀、尺寸對燒結的最終材料性能有很大影響等。因此，需要對燒結機理進行深入研究，以達到合理有效控制燒結工藝、獲得性能優良的新材料的目的。脈沖熱壓機脈沖熱壓機，脈沖熱壓機利用變壓器產生一個低電壓的大電流，通過焊接頭令其迅速發熱。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。脈沖熱壓機將工件置于夾具（如有需要，可啟動真空將其固定）。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），溫度按輸入參數迅速上升及準確恒溫，最多可達4個溫區（此時焊錫回流），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，熱壓頭發熱，將與此相連接的物體升溫，當溫度升到焊錫熔點后（即升到事先設定的溫度后），將與此相連的物體間錫熔融并將其連接在一起。一般的脈沖熱壓機使用溫度閉環的控制。脈沖熱壓機應用在以下產品生產工藝中：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。研究現狀自從日本住友石炭有限公司報道了采用放電等離子燒結技術成功燒結了氧化鋯一一不銹鋼功能梯度材料以來,該加工技術的應用越來越廣泛,對采用此方法燒結粉末方面的研究報道比較多。除了用于燒結,由于脈沖大電流熱加工技術本身所具有的特征,在材料的焊接領域應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的加熱方式,我們建議該技術在焊接方面應用時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技術的國家----日本報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、焊接為什么如此之快是各國研究人員探索的熱點,多數學者從證明形成等離子的角度來解釋這一現象。實際上,脈沖大電流熱加工過程是由原子的擴散過程來實現的。因此,原子的擴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散的,與一般的加熱燒結、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散有大的推動作用,弄清這些問題成為進一步揭示脈沖大電流熱加工機理的關鍵。參考文獻[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.大功率高