学术简报｜电磁脉冲焊接电缆接头装置的研制及测试
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输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室（重庆大学）的研究人员周纹霆、董守龙、王晓雨、谭坚文、姚陈果，在2019年第11期《电工技术学报》上撰文，为研究电磁脉冲焊接技术在电力电缆接头焊接领域的应用，设计了一套能够用于不同型号电缆接头焊接的电磁脉冲焊接装置，该装置包括大电流脉冲发生器、焊接线圈及系统控制模块。
大电流脉冲发生器由6个并联的脉冲发生模块组成，每个模块包括4个并联电容器与1个触发真空开关，可根据不同的焊接需求调整模块工作电压与数量从而输出不同参数的电流脉冲。此外，为减小回路杂散参数对脉冲电流峰值的影响，提高焊接效果，设计了低阻抗同轴电缆与具有集磁器功能的焊接线圈。
结合焊接装置结构和理论与仿真计算参数，最终研制出了电磁脉冲焊接装置样机，该装置工作电压可达15 kV，峰值电流为600 kA，能够成功完成电缆接头的焊接。
随着脉冲技术的发展，高功率电磁脉冲技术被广泛应用于各个领域，其中，电磁脉冲焊接就是一种具有广阔前景的技术。与传统焊接工艺相比，电磁脉冲焊接技术具有诸多优势：①是一种固相焊接技术，可用于异种金属、金属与非金属的焊接；②焊接过程在微秒级内完成，生产效率高；③焊接过程无尘烟，绿色环保；④可精确控制焊接过程的放电能量，重复性好，易于实现机械化和自动化。
目前，国内外学者已对该技术展开了研究，V. Shribman、M. Marya和O. Aizawa等对铝合金的同种、异种金属进行了电磁脉冲焊接试验，结果表明电磁脉冲焊接的金属接头强度几乎无下降，并提出了电磁脉冲焊接的机理，即在固态连接过程，高速度的塑性变形导致金属质量快速传输。
A. Ben-Artzy等研究发现铝镁的电磁脉冲焊接接头的界面存在薄熔化层，并且在随后的快速冷却过程中产生了金属间化合物，通过对焊接界面的镜像分析，表明内外管倾斜碰撞产生的射流在焊接区的熔化过程中起重要作用。张杰采用电磁脉冲焊接方法，进行纯铜与防锈铝的异种材料焊接试验，并测试与分析了显微组织、物相组成、表面硬度和力学性能，结果表明该方法可获得较高质量的焊接接头。
电磁脉冲焊接过程中，主回路能够产生几百kA的电流，其开关的选取也至关重要。触发真空开关（Triggered Vacuum Switch, TVS）具备隔离高压和起弧后快速恢复介电强度的性能，可作为放电开关，在科研和产业领域有着广泛的应用前景。
田微等研究了触发电流对TVS导通特性的影响，得到了真空间隙的导通条件，即在主间隙电压为定值时，真空间隙导通所需的触发电荷量需近似满足一定关系。赵岩和毛晓坡等分别开展了激光触发真空开关稳定性、时延特性及目标材料触发特性的研究。
激光触发真空开关和电气触发真空开关的区别在于触发方式的不同，后者的触发方式更简便，所以本文采用电气触发真空开关。然而，要使得多管并联的TVS同时导通，即具有很高的同步性，需要开关的触发脉冲上升沿达到纳秒量级，因此需要研制出满足TVS导通条件的快上升沿脉冲源。
李江涛等设计了基于模块化雪崩三极管Marx电路和传输线变压器的重频纳秒脉冲源，提出直接叠加和传输线变压器两种脉冲叠加方式组合的方法，可进一步提高输出电压。董守龙等设计了基于Marx电路带有尾切开关的脉冲源，输出能够达到30ns前沿，最大1μs脉宽，重频1kHz。
对于线圈，邱立等研究了焊接线圈磁场分布规律，设计了驱动线圈的几何尺寸、脉冲强磁场成形系统放电脉宽及驱动线圈强度等，分析了线圈电感对脉冲强磁场成形的影响，提出了一套脉冲强磁场成型系统设计方案。
盛熙等结合电磁成形的特点，对线圈的电参数及受力特点进行了系统分析，设计了长寿命、高可靠的驱动线圈，能够进行上千次成形试验，通过制造不同规格的驱动线圈并对其试验，并总结了线圈的制造工艺。郭宁等设计测量了1MA脉冲大电流的微分环，可用于焊接线圈电流的测量。
目前，国内电力电缆接头主要采用液压方式连接，压接效果不均匀，管件存在棱角，容易产生电晕；压接方式的电学与力学性能随着电力系统长期运行，可能出现薄弱环节，使得电路发生故障。而电磁脉冲焊接能够达到原子层面的结合，作用于焊接管件的电磁力大小与方向均匀，无棱角产生，且电学与力学性能经过国内外学者研究，对比于压接方式更加优异。
为探究电磁脉冲焊接电力电缆接头，通过理论推导及仿真分析，确定影响电磁脉冲焊接的主要影响因素；通过理论计算设计具有集磁器功能的单匝焊接线圈与同轴线缆，减少电路回路中的电感，提高焊接效率；设计基于固态开关和闭合磁心的系统控制模块用于TVS的触发。
最终研制出一套能够用于不同型号电缆接头焊接的电磁脉冲焊接装置，测试结果表明该电磁脉冲焊接设备可稳定工作，性能可靠，最大工作电压为15kV，最大输出电流可达600 kA，达到电流峰值时间约10μs。
图1 电磁脉冲焊接成型的基本电路和等效电路
图19 试验平台
图23 电磁脉冲焊接效果
本文设计了一种产生600kA脉冲电流的电磁脉冲焊接设备，采用铜板电极平行连线方式及使用同轴电缆对TVS进行连接，减少了电路中的电感，提高了焊接效率。通过理论计算分析，设计了具有集磁器功能的单匝焊接线圈与基于固态开关和变压器的脉冲源用于TVS的触发。
经测试，电磁脉冲焊接设备能够正常工作，性能可靠，能够将电缆接头进行焊接，并且焊接接头处的接触电阻比传统绞合连接方式的小。这对于进一步研究电磁脉冲焊接的过程和原理奠定了基础。后续将开展电力电缆、异种金属的焊接试验，进一步完善电磁脉冲焊接过程的技术工艺。