電磁制造技術在航空航天領域的應用

尹立孟 張麗萍 蘇子龍 姚宗湘 王剛 陳玉華 冉洋

摘要：電磁制造是一種涉及電磁學、動力學、材料學、熱力學及表面物理化學等多學科交叉融合的先進制造技術，在航空航天、軌道交通、能源化工、汽車船舶和電力電子等諸多領域的同質(zhì)金屬材料和異種金屬材料連接中有著廣泛的應用前景。簡要介紹了電磁制造技術的基本原理和優(yōu)勢，重點闡述了電磁校形、電磁縮徑、電磁鉚接和電磁焊接等電磁制造技術在航空航天領域的研究進展與應用現(xiàn)狀，并對其今后的發(fā)展趨勢進行了展望，為進一步推動電磁制造技術的廣泛應用和快速發(fā)展提供參考。

關鍵詞：先進制造;電磁脈沖;航空航天;研究現(xiàn)狀;發(fā)展趨勢

中圖分類號：TG47? ? ? ? ? ? 文獻標志碼：C? ? ? ? ? ?文章編號：1001-2003（2020）09-0202-05

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.09.21

0? ? 前言

電磁制造是一種涉及電磁學、動力學、材料學、熱力學及表面物理化學等多學科交叉融合的先進制造技術，在同質(zhì)金屬材料和異種金屬材料的快速加工成形方面有著突出優(yōu)勢，被視為未來先進制造業(yè)的關鍵技術之一。目前，電磁制造技術已廣泛應用于航空航天、軌道交通、能源化工、汽車船舶和電力電子等眾多領域。文中在簡要介紹電磁制造技術基本原理和優(yōu)勢的基礎上，重點對電磁制造在航空航天領域中的研究和應用現(xiàn)狀進行了闡述，并對電磁制造技術今后一段時間內(nèi)的發(fā)展趨勢進行了展望，以期為推動電磁制造技術在工業(yè)工程中的進一步發(fā)展提供參考。

1 電磁制造基本原理和優(yōu)勢

通常電磁制造裝備主要包括電源系統(tǒng)、儲能系統(tǒng)、放電回路系統(tǒng)和控制系統(tǒng)等幾個部分[1]。在電磁制造成形過程中，交流電先通過變壓器升壓，再經(jīng)過可控整流器輸出直流電流進而對儲能電容器組進行充電，儲能電容器組經(jīng)過十幾秒達到一定電壓時，脈沖發(fā)生器輸出脈沖信號接通放電電路，產(chǎn)生瞬態(tài)交變電流，變化的電流產(chǎn)生強脈沖磁場，根據(jù)電磁感應定律和集膚效應，導電工件在變化的磁場中產(chǎn)生感應電流，感應電流在原始磁場中產(chǎn)生方向相反的高能磁場力，并快速沖擊另外一個工件，達到瞬時成形的效果。

與傳統(tǒng)制造技術相比，電磁制造技術的主要優(yōu)勢包括[2-4]：

（1）成形性能好。工件在電磁脈沖成形瞬時變形速率可達200 m/s以上，顯著提高了金屬成形極限。

（2）成形質(zhì)量高。電磁脈沖成形改進了工件內(nèi)部應變分布，抑制了起皺并減小了回彈，工件表面基本無損傷。

（3）生產(chǎn)效率高。電磁脈沖成形時間非常短，工件裝夾相對簡單，顯著提高了生產(chǎn)效率。

（4）綠色智能環(huán)保。電磁脈沖成形過程無煙塵和有毒氣體等產(chǎn)生，并可采用遠程控制進行生產(chǎn)，改善了工作環(huán)境。

2 航空航天電磁制造技術

目前航空航天對整體式、高精度、輕量化結構件制造的要求進一步增加，對于大尺寸、薄壁、深腔、復雜曲面和難變形的輕量化材料加工成形需求持續(xù)增長，傳統(tǒng)加工和連接技術已經(jīng)難以滿足這些要求，電磁校形、電磁鉚接、電磁縮徑和電磁焊接等電磁制造技術因其獨特優(yōu)勢在航空航天領域具有廣闊的應用前景。

2.1 電磁校形技術

電磁校形技術實質(zhì)上就是電磁成形中的有模成形，常見于管狀類和平板類等工件的加工成形，如形狀和尺寸精度的校準。電磁校形不僅可以加工形狀簡單的零件，對于異型管、錐形物體等復雜形狀零件也同樣適用。當采用電磁校形對不銹鋼和鈦合金等低導電率的材料加工成形時，通常需要在工件與線圈中間加上一層銅驅(qū)動片（厚度一般小于1 mm）來傳導電磁力。

目前，關于電磁校形技術的相關研究較多。Zhang等[5]研究了不同條件對成形效率的影響，結果表明：當管件壁厚1 mm，趨膚深度0.9 mm時，管件電磁能量利用率最大，成形效果最好。張文忠等[6]研究發(fā)現(xiàn)采用電磁校形后明顯提高了鈹青銅波形彈簧的性能，電磁校形后的彈簧力值比采用手工方法校形提高了10%以上。聶鵬等[7]針對直徑300 mm、高600 mm、壁厚2 mm的大型航空鈦合金筒形件設計了一種電磁沖模校圓方法，并采用Ansoft Maxweu對校圓過程進行數(shù)值模擬與驗證，結果表明：相同放電電壓條件下，采用電磁沖模校圓方法較采用常規(guī)校圓方法所得的工件圓度平均值降幅增加20%以上，較好地保證了工件成形均勻性。李聰?shù)萚8]對航空鈦合金TC4管件端口進行了電磁校形實驗，研究了驅(qū)動片厚度、線圈匝數(shù)及鐵心、放電電壓和次數(shù)等關鍵工藝參數(shù)對鈦合金管電磁校形的影響，驗證了電磁校形技術的有效性。此外，美國波音公司為解決飛機隔板外形拱起、零件錯配等問題，在其校形上引入了電磁成形技術，采用的電磁成形裝置經(jīng)濟高效，并且校形之后的隔板完整性良好，幾乎未對金屬材料或焊縫造成任何損壞。

2.2 電磁鉚接技術

電磁鉚接是基于電磁成形的新型鉚接方法，與普通機械沖壓力作用不同，鉚釘兩端受強脈沖磁壓力在瞬間完成塑性變形。同時，采用電磁制造工藝后鉚釘受力均勻分布，不易產(chǎn)生應力應變集中，因而不易產(chǎn)生斷裂缺陷。

目前，國外已經(jīng)將電磁鉚接技術廣泛用于波音B737、B747、B767、B777等型號的飛機機翼自動化裝配，以及A320、A330、A340、A380、B787等型號飛機機翼壁板自動化裝配和金屬結構鐓鉚型環(huán)槽鉚釘環(huán)圈的自動安裝上[9-17]。國內(nèi)電磁鉚接技術的研發(fā)和應用時間相對較晚，張海軍等[18]對機翼整體油箱的密封鉚接進行了研究，結果表明：電磁鉚接油箱各項漏源的漏率小于等于1×10-6 Pa·m3/s，電磁鉚接密封性良好。鄧將華等[19]建立了放電電流分析模型，探討了自激勵式電磁鉚接進行大直徑鉚釘成形的可行性，研究發(fā)現(xiàn)自激勵式電磁鉚接能有效提高能量利用率，當放電電壓為320 V時，可實現(xiàn)直徑10 mm的45鋼鉚釘?shù)某尚巍３鹄^偉等[20]針對手工電磁鉚接存在的對中性問題，設計了基于工業(yè)智能相機的三坐標電磁鉚接托架系統(tǒng)，利用工業(yè)智能相機對鉚接孔進行拍照，建立了人機交互界面，實現(xiàn)了電磁鉚接自動化控制與跟蹤。汪樂等[21]依據(jù)模擬仿真分析結果和鉚釘材料的流動趨勢，引入體積縮減系數(shù)來描述釘桿被壓入釘孔部分的體積，預測了飛機結構件鉚接過程中壓鉚力的大小，并與已有的試驗數(shù)據(jù)進行對比，結果表明計算值與試驗值的一致性較好。此外，國內(nèi)低壓電磁鉚接技術飛速發(fā)展并成功應用于飛機的裝配連接中，使得飛機的裝配質(zhì)量提高，使用壽命延長，同時工人的勞動條件得到了極大改善。

2.3 電磁縮徑技術

電磁縮徑技術是航空航天高端裝備先進制造的主要應用技術之一。Haratmeh等[22]采用ABAQUS/Explicit模擬了AA6061-T6管電磁縮徑過程，對不同放電電壓下管件變形位移數(shù)據(jù)和厚度變化量進行了研究，發(fā)現(xiàn)放電電壓和線圈參數(shù)等工藝參數(shù)對鋁管的有模縮徑成形影響較大。Shrivastava等[23]研究了工件厚度、外加能量和工藝參數(shù)對AA6061鋁管電磁成形行為的影響，采用40 kJ的電容器組分別對壁厚為1 mm、1.7 mm和2.4 mm的AA6061鋁合金管進行變形實驗，發(fā)現(xiàn)工件中間壁厚變形效率最高，并且有限元模擬結果與實驗結果基本吻合。Yu等[24]從磁壓力的角度分析了集磁器對工件電磁縮徑成形過程的影響。結果表明，集磁器工作面越長工件受力面越長，管件受到磁壓力越小。王哲峰等[25]針對螺旋槽集磁器參數(shù)、電壓與3003鋁合金最大減徑量之間的關系進行了深入研究，得知錐度對渦流損耗有較大影響，集磁器錐度越大，渦流損耗越大，管件徑向變形量越小，并對鋁合金管件進行了縮頸試驗，實際成形效果與數(shù)值模擬結果基本一致。Bahmani等[26]采用有限元軟件MAXWELL進行三維數(shù)值模擬，分析電磁成形中集磁器的使用對磁場分布的影響，研究沖擊電磁成形過程中的磁場分布，發(fā)現(xiàn)三維模擬磁場比二維模擬磁場最大磁場強15%左右。劉春宇等[27]利用Ansoft Maxwell電磁場模擬軟件對3003鋁合金管件縮徑變形進行了模擬仿真，研究結果表明：放電電壓增大，管件所受電磁力增大;管件長度越長，電磁力越大;管件越薄，磁通量和能量的損失越多。

2.4 電磁焊接技術

電磁脈沖焊接技術具有常溫生產(chǎn)、一次成型、生產(chǎn)效率高、環(huán)保無污染等一系列優(yōu)點。Hahn等[28]采用電磁脈沖搭接焊接5005A鋁合金與6060鋁合金，結果表明，在焊接接頭冶金連接區(qū)域內(nèi)，其界面呈波浪狀，附近晶粒存在明顯細化現(xiàn)象。Zhang等[29]研究發(fā)現(xiàn)，當電磁脈沖焊接電容器組放電能量達到6.4 kJ時，6061/6061和Cu/Cu界面處的晶粒尺寸約為50 nm，晶內(nèi)位錯密度增加，晶粒尺寸急劇減小，并且界面硬度增加。Kore等[30]實現(xiàn)了Mg/Al異種薄板電磁脈沖焊接，發(fā)現(xiàn)焊接時較高的沖擊速度將會產(chǎn)生射流，可以去除待焊金屬表面的氧化層，進而提高焊縫質(zhì)量。蘇德智等[31]研究了1060鋁合金與Cu板電磁脈沖焊接，結果表明，板件焊接時存在最優(yōu)的工件間隙區(qū)間，當放電電壓增加時，焊縫寬度與接頭強度也會隨之增加;鋁板與線圈錯開距離大于3 mm時，焊縫由原先扁平橢圓形焊縫變?yōu)閱螚l連接帶的焊縫。陳樹君等[32]建立了電磁脈沖焊接動力學模型，該模型可以用來推導1050/AZ31與5A03/5A06電磁脈沖焊接所需的充電電壓，并通過試驗驗證了模型的準確性，為數(shù)值建模與仿真模擬研究提供了理論基礎。

值得指出的是，電磁脈沖焊接在連接導電性較好的異種金屬時，無論是焊接接頭性能還是生產(chǎn)效率都表現(xiàn)出獨特優(yōu)勢。加之航空航天領域?qū)Y構輕量化及產(chǎn)品經(jīng)濟性的要求不斷提高，因此電磁脈沖焊接在航空航天鋁合金、鎂合金和鈦合金同種材料及異種材料的焊接領域，具有廣闊的應用前景。

3 總結與展望

當前電磁校形、電磁鉚接、電磁縮徑以及電磁焊接等電磁制造技術已成功應用于國內(nèi)外工業(yè)工程諸多領域，航空航天作為我國戰(zhàn)略尖端工業(yè)和軍民融合重要領域，電磁制造技術因其在異種材料加工成形中的顯著優(yōu)勢，將發(fā)揮不可替代的關鍵作用。展望電磁制造技術在今后一段時間內(nèi)的發(fā)展，以下幾個方面的問題值得關注。

（1）電磁制造技術涉及電磁學、動力學、材料學等多學科交叉，并且電磁制造加工成形過程非常復雜，因此相關基礎理論研究和應用研究有待進一步持續(xù)深入展開。

（2）我國電磁制造裝備的研發(fā)能力尚有待進一步提高，特別是航空航天大功率電磁脈沖成形專用設備的研發(fā)迫在眉睫。

（3）電磁制造加工成形相關工藝、設備以及電磁制造產(chǎn)品的檢驗檢測等方面的標準亟待深入研究、統(tǒng)一確定。

（4）電磁制造技術在綠色環(huán)保、高質(zhì)高效、異質(zhì)材料成形等方面的優(yōu)勢突出，非常有必要加快其在更多工業(yè)領域的推廣應用和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。

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Application of electromagnetic manufacturing technology in aerospace

YIN Limeng1， ZHANG Liping1， SU Zilong1， YAO Zongxiang1，

WANG Gang1， CHEN Yuhua2， RAN Yang3

（1.School of Metallurgy and Materials Engineering， Chongqing University of Science & Technology， Chongqing 401331， China; 2.School of Aviation Manufacturing Engineering， Nanchang Hangkong University， Nanchang 330063， China; 3.Chongqing Institute of Optics and Mechanics， Chongqing， 401122， China）

Abstract： Electromagnetic manufacturing is an advanced manufacturing technology involving electromagnetics， dynamics， materials science， thermodynamics and surface physical chemistry. It has broad application prospects in the connection of similar and dissimilar metal materials in many fields such as aerospace， rail transit， energy and chemical industry， automobiles and ships， and power electronics. This paper briefly introduces the basic principles and advantages of electromagnetic manufacturing technology， and focusing on the research progress and application status of advanced electromagnetic manufacturing technologies such as electromagnetic shaping， electromagnetic reduction， electromagnetic riveting， and electromagnetic welding in the field of aerospace and aviation. Finally， the future and development trends of electromagnetic manufacturing technology were described， in order to further promote the wide application and rapid development of electromagnetic manufacturing technology to provide reference.

Key words： advanced manufacturing; electromagnetic pulse; aerospace; research status; development trends