電磁成形技術(shù)在輕量化結(jié)構(gòu)件成形與連接中的應(yīng)用

文/于海平·哈爾濱工業(yè)大學(xué)金屬精密熱加工國(guó)家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

范志松，李春峰·哈爾濱工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院

電磁成形技術(shù)在輕量化結(jié)構(gòu)件成形與連接中的應(yīng)用

文/于海平·哈爾濱工業(yè)大學(xué)金屬精密熱加工國(guó)家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

范志松，李春峰·哈爾濱工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院

于海平，副教授，博士生導(dǎo)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(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)防預(yù)研基金、企業(yè)合作課題等十余項(xiàng)科研項(xiàng)目，發(fā)表SCI檢索論文30余篇，授權(quán)發(fā)明專(zhuān)利10項(xiàng)。

現(xiàn)代制造業(yè)最迫切的問(wèn)題之一，是在提高結(jié)構(gòu)及設(shè)備工作技術(shù)性能和可靠性的同時(shí)，降低金屬消耗量，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)輕量化。一方面，鋁、鎂及鈦等輕質(zhì)合金雖然具有較高的比強(qiáng)度，但其成形性能卻相對(duì)較低。如鋁合金加工時(shí)，其成形極限遠(yuǎn)低于鋼，在高應(yīng)變區(qū)域易產(chǎn)生撕裂，且其剛度較低，僅為鋼的1/3，常規(guī)沖壓加工后回彈較大，易產(chǎn)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(shí)踐中，產(chǎn)品中零部件通常僅有一部分結(jié)構(gòu)經(jīng)受特定的負(fù)荷、溫度和介質(zhì)的作用，因此用輕質(zhì)材料與異種材料連接而形成的復(fù)合結(jié)構(gòu)代替原有高密度的或貴重金屬材料部件，不但能減輕構(gòu)件的重量、節(jié)約材料，而且能發(fā)揮各自的性能優(yōu)勢(shì)。輕質(zhì)合金較低的成形性能及異種金屬焊接性制約了其在復(fù)雜結(jié)構(gòu)件上的運(yùn)用，而且傳統(tǒng)的金屬板材成形方法及焊接方法已難以滿足上述技術(shù)需求，由此促進(jìn)先進(jìn)成形加工技術(shù)的發(fā)展。

電磁成形技術(shù)原理、特點(diǎn)

電磁成形（亦稱磁脈沖成形）技術(shù)是適用于輕合金金屬加工的特種塑性成形技術(shù)之一。在電磁成形過(guò)程中，金屬材料因感應(yīng)瞬態(tài)變化磁場(chǎng)而受到脈沖電磁力的作用，進(jìn)而發(fā)生塑性變形，獲得所需的形狀、尺寸和性能的制件。其加工過(guò)程如下：由工頻電網(wǎng)經(jīng)高壓變壓器、整流硅堆和限流電阻向高壓電容器充電；當(dāng)充電至預(yù)設(shè)電壓值（或能量），導(dǎo)通高壓開(kāi)關(guān)，儲(chǔ)存在高壓電容器中的電荷通過(guò)工作線圈快速釋放，形成幅值極大的脈沖電流，同時(shí)線圈周?chē)a(chǎn)生脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)，使置于其中的金屬坯料受到脈沖磁場(chǎng)力作用，經(jīng)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(chǎn)生瞬時(shí)沖擊力來(lái)進(jìn)行塑性成形，工件變形速度達(dá)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(yīng)顯著，因而可以顯著提高難變形材料的成形極限。相對(duì)于準(zhǔn)靜態(tài)成形，磁脈沖成形技術(shù)把難變形金屬材料的成形能力提高50%以上。這是區(qū)別于傳統(tǒng)沖壓成形工藝的主要特征之一。在工藝方面，集中表現(xiàn)在無(wú)需多道次成形，僅需一次變形過(guò)程就可達(dá)到精確成形的目的。此外，電磁成形技術(shù)還具有工藝參數(shù)可控，便于自動(dòng)化生產(chǎn)，單模成形等工藝操作上的優(yōu)勢(shì)，因此在航空、航天、汽車(chē)制造等領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。限于其工藝原理，電磁成形一般僅適用于高導(dǎo)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(wú)需模具，因此，可實(shí)現(xiàn)非接觸加工和裝配。

電磁成形技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀分析

電磁成形技術(shù)的研究起源于20世紀(jì)60年代，在80年代末期電磁成形技術(shù)的研究處于低谷階段。然而，隨著制造業(yè)朝著輕量化方向發(fā)展，電磁成形與連接技術(shù)再次進(jìn)入人們的視野。目前，國(guó)內(nèi)開(kāi)展電磁成形工藝研究的單位有哈爾濱工業(yè)大學(xué)、北京機(jī)電研究所、武漢理工大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)、華中科技大學(xué)等多家高校和研究院所。近幾年，隨著國(guó)內(nèi)研究投入加大，電磁成形技術(shù)有了很大發(fā)展，已在成形理論、數(shù)值模擬計(jì)算、工藝應(yīng)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(yīng)用，內(nèi)容源于國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究計(jì)劃課題(2011CB012805)及國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51475122)。

根據(jù)加工磁體的形狀，電磁成形大致可以分為兩大類(lèi)：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(jù)坯料是否直接感受脈沖磁場(chǎng)的變化，可細(xì)分為直接成形（板材磁脈沖成形）與間接成形（如帶驅(qū)動(dòng)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(nèi)實(shí)現(xiàn)脹形，對(duì)調(diào)二者位置，則可實(shí)現(xiàn)縮口或縮徑。典型工藝包括管件的無(wú)模脹形、有模約束成形、管件校形、側(cè)翻邊、擴(kuò)口及管件的縮徑、沖孔、異形管成形等。許多基礎(chǔ)性研究工作都是基于管坯的電磁脹形與縮徑變形過(guò)程展開(kāi)。利用電磁成形提高材料成形能力的優(yōu)勢(shì)，可以在管件上加工出局部微細(xì)特征。截至目前，國(guó)外電磁成形可成形直徑1.2m、壁厚達(dá)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(yè)大學(xué)利用磁脈沖成形技術(shù)加工的各類(lèi)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(lèi)基本工藝形式。板坯電磁成形在航空航天領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)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(zhǎng)類(lèi)翻邊，如中厚板曲面殼體上的圓孔翻邊；為提高剛度同時(shí)實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)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(qiáng)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(guó)內(nèi)哈爾濱工業(yè)大學(xué)可成形高強(qiáng)鋁合金板厚度達(dá)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(shù)

電磁鉚接是電磁成形工藝應(yīng)用的一個(gè)分支，是把電磁成形用于復(fù)合結(jié)構(gòu)鉚接的一種先進(jìn)機(jī)械連接技術(shù)，工藝原理如圖5所示，鉚釘是在沖頭作用下受到應(yīng)力波作用產(chǎn)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(zhì)量不穩(wěn)定等問(wèn)題；相對(duì)于壓鉚，解決了開(kāi)場(chǎng)性的局限。同時(shí)，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(yīng)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(shù)在國(guó)內(nèi)外航天航空制造領(lǐng)域已經(jīng)得到了較廣泛的應(yīng)用，如國(guó)外波 音、空客等飛機(jī)的制造中均采用了該技術(shù)；在國(guó)內(nèi)，目前已經(jīng)具備研制電磁鉚接成套工藝設(shè)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(shí)現(xiàn)了工程應(yīng)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(guò)高壓儲(chǔ)能電容對(duì)線圈瞬時(shí)放電產(chǎn)生脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)，使粉末在脈沖磁場(chǎng)力沖擊作用下高速壓實(shí)，從而獲得高致密度壓坯。依據(jù)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(fù)合材料等。此方法可以使粉末在加熱、真空或保護(hù)氣氛條件下成形。通過(guò)電磁沖擊致密能得到近于完全致密的高強(qiáng)度粉末壓坯，后續(xù)燒結(jié)溫度低、時(shí)間短、制品尺寸收縮小，機(jī)械性能良好、制造成本低、可以實(shí)現(xiàn)零件的近凈成形，能顯著地減小成分偏析和晶粒長(zhǎng)大等不利影響，在超細(xì)粉末制坯中具有廣泛的應(yīng)用前景。相比于常規(guī)模壓，電磁沖擊致密壓坯的粉末顆粒發(fā)生了局部細(xì)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(shù)是磁成形工藝的典型應(yīng)用之一，是一種新型、綠色連接工藝，它是將磁脈沖成形設(shè)備中存貯的電能通過(guò)放電回路轉(zhuǎn)化為連接管的動(dòng)能，通過(guò)高速率塑性變形和高速撞擊實(shí)現(xiàn)其與被連接管的冶金結(jié)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(hào)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(guó)外很多單位已經(jīng)將此技術(shù)應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)，國(guó)內(nèi)還處于實(shí)驗(yàn)室向工程應(yīng)用轉(zhuǎn)化階段。圖6為磁脈沖焊接的應(yīng)用實(shí)例。

與傳統(tǒng)的焊接工藝相比，電磁脈沖焊接技術(shù)集成了高速磁脈沖成形和固相連接技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，具有如下技術(shù)優(yōu)勢(shì)：

⑴磁脈沖焊接技術(shù)是一種固相焊接技術(shù)，可以用于異種金屬之間的焊接，且焊接過(guò)程極短，焊接在微秒級(jí)時(shí)間內(nèi)完成，生產(chǎn)效率高。

⑵僅通過(guò)兩種金屬高速碰撞和界面瞬時(shí)劇烈塑性變形實(shí)現(xiàn)冶金結(jié)合，無(wú)需添加釬料，焊接過(guò)程不產(chǎn)生廢氣，無(wú)塵煙，不會(huì)因?yàn)閺?qiáng)光對(duì)人眼造成傷害。

⑶焊接過(guò)程的放電能量可以實(shí)現(xiàn)精確控制，重復(fù)性好，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化工業(yè)生產(chǎn)。

⑷焊接接頭具有高于母材的強(qiáng)度，無(wú)需進(jìn)行后續(xù)熱處理。

另外，針對(duì)僅有結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求的連接結(jié)構(gòu)件，可通過(guò)電磁脈沖成形實(shí)現(xiàn)機(jī)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(yīng)用實(shí)例

結(jié)束語(yǔ)

電磁成形技術(shù)與其他高能率成形工藝方法相比有很多優(yōu)點(diǎn)，如生產(chǎn)條件好，無(wú)污染，工藝柔性高，易于實(shí)現(xiàn)機(jī)械自動(dòng)化，生產(chǎn)效率高等，尤其對(duì)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(yīng)用。隨著先進(jìn)制造業(yè)的發(fā)展，尤其在管形零件加工、校形、連接裝配，密閉容器的封存，復(fù)合材料及難成形材料的加工，鋁合金結(jié)構(gòu)件的復(fù)合加工等方面，電磁成形作為一種特點(diǎn)鮮明的加工技術(shù)，將會(huì)在這些領(lǐng)域發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。