電磁成形技術在輕量化結構件成形與連接中的應用

文/于海平·哈爾濱工業大學金屬精密熱加工國家級重點實驗室

范志松，李春峰·哈爾濱工業大學材料科學與工程學院

電磁成形技術在輕量化結構件成形與連接中的應用

文/于海平·哈爾濱工業大學金屬精密熱加工國家級重點實驗室

范志松，李春峰·哈爾濱工業大學材料科學與工程學院

于海平，副教授，博士生導師，主要從事輕合金板材高速率成形、異種金屬磁脈沖連接方向研究工作，主持完成國家自然科學基金、國防預研基金、企業合作課題等十余項科研項目，發表SCI檢索論文30余篇，授權發明專利10項。

現代制造業最迫切的問題之一，是在提高結構及設備工作技術性能和可靠性的同時，降低金屬消耗量，實現結構輕量化。一方面，鋁、鎂及鈦等輕質合金雖然具有較高的比強度，但其成形性能卻相對較低。如鋁合金加工時，其成形極限遠低于鋼，在高應變區域易產生撕裂，且其剛度較低，僅為鋼的1/3，常規沖壓加工后回彈較大，易產生扭曲，降低零件尺寸精度。而鎂合金和鈦合金室溫塑性低，成形加工困難。另一方面，在工程實踐中，產品中零部件通常僅有一部分結構經受特定的負荷、溫度和介質的作用，因此用輕質材料與異種材料連接而形成的復合結構代替原有高密度的或貴重金屬材料部件，不但能減輕構件的重量、節約材料，而且能發揮各自的性能優勢。輕質合金較低的成形性能及異種金屬焊接性制約了其在復雜結構件上的運用，而且傳統的金屬板材成形方法及焊接方法已難以滿足上述技術需求，由此促進先進成形加工技術的發展。

電磁成形技術原理、特點

電磁成形（亦稱磁脈沖成形）技術是適用于輕合金金屬加工的特種塑性成形技術之一。在電磁成形過程中，金屬材料因感應瞬態變化磁場而受到脈沖電磁力的作用，進而發生塑性變形，獲得所需的形狀、尺寸和性能的制件。其加工過程如下：由工頻電網經高壓變壓器、整流硅堆和限流電阻向高壓電容器充電；當充電至預設電壓值（或能量），導通高壓開關，儲存在高壓電容器中的電荷通過工作線圈快速釋放，形成幅值極大的脈沖電流，同時線圈周圍產生脈沖強磁場，使置于其中的金屬坯料受到脈沖磁場力作用，經高速率塑性變形加工成零件。圖1所示是電磁成形的加工原理圖。

圖1 電磁成形加工原理圖

由于電磁成形是以電能突然釋放產生瞬時沖擊力來進行塑性成形，工件變形速度達到幾十至幾百米每秒，因而屬于高能率、高速率加工范疇。在高速率成形加工條件下，慣性效應顯著，因而可以顯著提高難變形材料的成形極限。相對于準靜態成形，磁脈沖成形技術把難變形金屬材料的成形能力提高50%以上。這是區別于傳統沖壓成形工藝的主要特征之一。在工藝方面，集中表現在無需多道次成形，僅需一次變形過程就可達到精確成形的目的。此外，電磁成形技術還具有工藝參數可控，便于自動化生產，單模成形等工藝操作上的優勢，因此在航空、航天、汽車制造等領域有廣闊的應用前景。限于其工藝原理，電磁成形一般僅適用于高導電率的材料，如鋁合金、鎂合金等。另外，電磁成形僅需單面模具或無需模具，因此，可實現非接觸加工和裝配。

電磁成形技術應用現狀分析

電磁成形技術的研究起源于20世紀60年代，在80年代末期電磁成形技術的研究處于低谷階段。然而，隨著制造業朝著輕量化方向發展，電磁成形與連接技術再次進入人們的視野。目前，國內開展電磁成形工藝研究的單位有哈爾濱工業大學、北京機電研究所、武漢理工大學、西北工業大學、華中科技大學等多家高校和研究院所。近幾年，隨著國內研究投入加大，電磁成形技術有了很大發展，已在成形理論、數值模擬計算、工藝應用和裝備等方面做了一系列的工作。本文主要介紹電磁成形的典型工藝應用，內容源于國家重點基礎研究計劃課題(2011CB012805)及國家自然科學基金資助項目(51475122)。

根據加工磁體的形狀，電磁成形大致可以分為兩大類：基于螺線管線圈的管材成形與連接和基于平板線圈的金屬板材成形，如圖2所示。在基于平板線圈的金屬板坯成形中，根據坯料是否直接感受脈沖磁場的變化，可細分為直接成形（板材磁脈沖成形）與間接成形（如帶驅動體的板材成形、電磁鉚接、粉末磁脈沖致密等）。

管材電磁成形

管材電磁成形的原理就是將線圈置于管坯內實現脹形，對調二者位置，則可實現縮口或縮徑。典型工藝包括管件的無模脹形、有模約束成形、管件校形、側翻邊、擴口及管件的縮徑、沖孔、異形管成形等。許多基礎性研究工作都是基于管坯的電磁脹形與縮徑變形過程展開。利用電磁成形提高材料成形能力的優勢，可以在管件上加工出局部微細特征。截至目前，國外電磁成形可成形直徑1.2m、壁厚達9.5mm的 2×××系列鋁合金管（筒）形件成形。圖3所示為哈爾濱工業大學利用磁脈沖成形技術加工的各類異形管件。

圖2 電磁成形典型工藝形式

圖3 磁脈沖成形的典型異形管件

板材局部特征電磁成形

金屬板坯電磁成形是另一類基本工藝形式。板坯電磁成形在航空航天領域有廣泛的應用前景。其典型工藝為平板的局部特征成形，比如，大型殼體件的伸長類翻邊，如中厚板曲面殼體上的圓孔翻邊；為提高剛度同時實現結構減重的異型孔翻邊；平板凸筋成形，如航空航天用鋁合金板件上各種加強筋、燃料電池極板等。圖4所示為典型板材電磁成形件。截至目前，國內哈爾濱工業大學可成形高強鋁合金板厚度達到6mm，如航天用2×××系列鋁合金。

圖4 平板磁脈沖成形典型件

電磁鉚接技術

電磁鉚接是電磁成形工藝應用的一個分支，是把電磁成形用于復合結構鉚接的一種先進機械連接技術，工藝原理如圖5所示，鉚釘是在沖頭作用下受到應力波作用產生塑性變形。相比于氣鉚工藝，電磁鉚接可以較好地解決功率較小、噪聲大、后坐力大、效率低和鉚接質量不穩定等問題；相對于壓鉚，解決了開場性的局限。同時，電磁鉚接放電能量容易控制，鉚釘變形較均勻，可為大直徑鉚釘和應變率敏感材料鉚釘提供一種有效的鉚接方法。如今，電磁鉚接技術在國內外航天航空制造領域已經得到了較廣泛的應用，如國外波 音、空客等飛機的制造中均采用了該技術；在國內，目前已經具備研制電磁鉚接成套工藝設備的能力，可鉚接直徑6mm TA1鈦合金鉚釘和直徑10mm 2A10鋁合金鉚釘，在西飛、沈飛、上海航天局等單位實現了工程應用。

圖5 電磁鉚接工藝原理圖

粉末材料電磁沖擊致密

粉末材料的電磁沖擊致密是通過高壓儲能電容對線圈瞬時放電產生脈沖強磁場，使粉末在脈沖磁場力沖擊作用下高速壓實，從而獲得高致密度壓坯。依據加載方式的差異，粉末材料電磁沖擊致密分為徑向箍縮加壓致密和軸向加壓致密二種工藝形式，適用于各種不同形貌的微米和納米粉末材料，包括黑色金屬、有色金屬、金屬間化合物、陶瓷、復合材料等。此方法可以使粉末在加熱、真空或保護氣氛條件下成形。通過電磁沖擊致密能得到近于完全致密的高強度粉末壓坯，后續燒結溫度低、時間短、制品尺寸收縮小，機械性能良好、制造成本低、可以實現零件的近凈成形，能顯著地減小成分偏析和晶粒長大等不利影響，在超細粉末制坯中具有廣泛的應用前景。相比于常規模壓，電磁沖擊致密壓坯的粉末顆粒發生了局部細化，粉末顆粒之間的緊密程度顯著提高，顆粒之間的孔洞顯著減少。

異種金屬管件磁脈沖焊接

磁脈沖焊接技術是磁成形工藝的典型應用之一，是一種新型、綠色連接工藝，它是將磁脈沖成形設備中存貯的電能通過放電回路轉化為連接管的動能，通過高速率塑性變形和高速撞擊實現其與被連接管的冶金結合。截至目前，可采用磁脈沖焊接加工的金屬材料包括：異種型號鋁合金、鋁合金-不銹鋼、鋁-鎂合金、鋁-鈦合金、鋁-鎢合金、銅-銅合金、銅-鋼合金、鎳-鈦合金、鎳-鎳合金、鈦合金-不銹鋼等。目前，國外很多單位已經將此技術應用于工業生產，國內還處于實驗室向工程應用轉化階段。圖6為磁脈沖焊接的應用實例。

與傳統的焊接工藝相比，電磁脈沖焊接技術集成了高速磁脈沖成形和固相連接技術的優點，具有如下技術優勢：

⑴磁脈沖焊接技術是一種固相焊接技術，可以用于異種金屬之間的焊接，且焊接過程極短，焊接在微秒級時間內完成，生產效率高。

⑵僅通過兩種金屬高速碰撞和界面瞬時劇烈塑性變形實現冶金結合，無需添加釬料，焊接過程不產生廢氣，無塵煙，不會因為強光對人眼造成傷害。

⑶焊接過程的放電能量可以實現精確控制，重復性好，易于實現自動化工業生產。

⑷焊接接頭具有高于母材的強度，無需進行后續熱處理。

另外，針對僅有結構強度要求的連接結構件，可通過電磁脈沖成形實現機械連接，連接形式上包括板材的卷接或壓接、管材的變形連接或干涉裝配等。既可連接金屬—金屬，也可連接金屬—非金屬，如金屬—橡膠、金屬—陶瓷等。

圖6 磁脈沖焊接的應用實例

結束語

電磁成形技術與其他高能率成形工藝方法相比有很多優點，如生產條件好，無污染，工藝柔性高，易于實現機械自動化，生產效率高等，尤其對于一些特殊零件，電磁成形幾乎是唯一可以選用的工藝方法。因此，電磁成形比其他高能率方法得到了更加廣泛的應用。隨著先進制造業的發展，尤其在管形零件加工、校形、連接裝配，密閉容器的封存，復合材料及難成形材料的加工，鋁合金結構件的復合加工等方面，電磁成形作為一種特點鮮明的加工技術，將會在這些領域發揮越來越重要的作用。