尹立孟 张丽萍 苏子龙 姚宗湘 王刚 陈玉华 冉洋

摘要：电磁制造是一种涉及电磁学、动力学、材料学、热力学及表面物理化学等多学科交叉融合的先进制造技术，在航空航天、轨道交通、能源化工、汽车船舶和电力电子等诸多领域的同质金属材料和异种金属材料连接中有着广泛的应用前景。简要介绍了电磁制造技术的基本原理和优势，重点阐述了电磁校形、电磁缩径、电磁铆接和电磁焊接等电磁制造技术在航空航天领域的研究进展与应用现状，并对其今后的发展趋势进行了展望，为进一步推动电磁制造技术的广泛应用和快速发展提供参考。

关键词：先进制造;电磁脉冲;航空航天;研究现状;发展趋势

中图分类号：TG47            文献标志码：C           文章编号：1001-2003（2020）09-0202-05

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.09.21

0    前言

电磁制造是一种涉及电磁学、动力学、材料学、热力学及表面物理化学等多学科交叉融合的先进制造技术，在同质金属材料和异种金属材料的快速加工成形方面有着突出优势，被视为未来先进制造业的关键技术之一。目前，电磁制造技术已广泛应用于航空航天、轨道交通、能源化工、汽车船舶和电力电子等众多领域。文中在简要介绍电磁制造技术基本原理和优势的基础上，重点对电磁制造在航空航天领域中的研究和应用现状进行了阐述，并对电磁制造技术今后一段时间内的发展趋势进行了展望，以期为推动电磁制造技术在工业工程中的进一步发展提供参考。

1 电磁制造基本原理和优势

通常电磁制造装备主要包括电源系统、储能系统、放电回路系统和控制系统等几个部分[1]。在电磁制造成形过程中，交流电先通过变压器升压，再经过可控整流器输出直流电流进而对储能电容器组进行充电，储能电容器组经过十几秒达到一定电压时，脉冲发生器输出脉冲信号接通放电电路，产生瞬态交变电流，变化的电流产生强脉冲磁场，根据电磁感应定律和集肤效应，导电工件在变化的磁场中产生感应电流，感应电流在原始磁场中产生方向相反的高能磁场力，并快速冲击另外一个工件，达到瞬时成形的效果。

与传统制造技术相比，电磁制造技术的主要优势包括[2-4]：

（1）成形性能好。工件在电磁脉冲成形瞬时变形速率可达200 m/s以上，显著提高了金属成形极限。

（2）成形质量高。电磁脉冲成形改进了工件内部应变分布，抑制了起皱并减小了回弹，工件表面基本无损伤。

（3）生产效率高。电磁脉冲成形时间非常短，工件装夹相对简单，显著提高了生产效率。

（4）绿色智能环保。电磁脉冲成形过程无烟尘和有毒气体等产生，并可采用远程控制进行生产，改善了工作环境。

2 航空航天电磁制造技术

目前航空航天对整体式、高精度、轻量化结构件制造的要求进一步增加，对于大尺寸、薄壁、深腔、复杂曲面和难变形的轻量化材料加工成形需求持续增长，传统加工和连接技术已经难以满足这些要求，电磁校形、电磁铆接、电磁缩径和电磁焊接等电磁制造技术因其独特优势在航空航天领域具有广阔的应用前景。

2.1 电磁校形技术

电磁校形技术实质上就是电磁成形中的有模成形，常见于管状类和平板类等工件的加工成形，如形状和尺寸精度的校准。电磁校形不仅可以加工形状简单的零件，对于异型管、锥形物体等复杂形状零件也同样适用。当采用电磁校形对不锈钢和钛合金等低导电率的材料加工成形时，通常需要在工件与线圈中间加上一层铜驱动片（厚度一般小于1 mm）来传导电磁力。

目前，关于电磁校形技术的相关研究较多。Zhang等[5]研究了不同条件对成形效率的影响，结果表明：当管件壁厚1 mm，趋肤深度0.9 mm时，管件电磁能量利用率最大，成形效果最好。张文忠等[6]研究发现采用电磁校形后明显提高了铍青铜波形弹簧的性能，电磁校形后的弹簧力值比采用手工方法校形提高了10%以上。聂鹏等[7]针对直径300 mm、高600 mm、壁厚2 mm的大型航空钛合金筒形件设计了一种电磁冲模校圆方法，并采用Ansoft Maxweu对校圆过程进行数值模拟与验证，结果表明：相同放电电压条件下，采用电磁冲模校圆方法较采用常规校圆方法所得的工件圆度平均值降幅增加20%以上，较好地保证了工件成形均匀性。李聪等[8]对航空钛合金TC4管件端口进行了电磁校形实验，研究了驱动片厚度、线圈匝数及铁心、放电电压和次数等关键工艺参数对钛合金管电磁校形的影响，验证了电磁校形技术的有效性。此外，美国波音公司为解决飞机隔板外形拱起、零件错配等问题，在其校形上引入了电磁成形技术，采用的电磁成形装置经济高效，并且校形之后的隔板完整性良好，几乎未对金属材料或焊缝造成任何损坏。

2.2 电磁铆接技术

电磁铆接是基于电磁成形的新型铆接方法，与普通机械冲压力作用不同，铆钉两端受强脉冲磁压力在瞬间完成塑性变形。同时，采用电磁制造工艺后铆钉受力均匀分布，不易产生应力应变集中，因而不易产生断裂缺陷。

目前，国外已经将电磁铆接技术广泛用于波音B737、B747、B767、B777等型号的飞机机翼自动化装配，以及A320、A330、A340、A380、B787等型号飞机机翼壁板自动化装配和金属结构镦铆型环槽铆钉环圈的自动安装上[9-17]。国内电磁铆接技术的研发和应用时间相对较晚，张海军等[18]对机翼整体油箱的密封铆接进行了研究，结果表明：电磁铆接油箱各项漏源的漏率小于等于1×10-6 Pa·m3/s，電磁铆接密封性良好。邓将华等[19]建立了放电电流分析模型，探讨了自激励式电磁铆接进行大直径铆钉成形的可行性，研究发现自激励式电磁铆接能有效提高能量利用率，当放电电压为320 V时，可实现直径10 mm的45钢铆钉的成形。仇继伟等[20]针对手工电磁铆接存在的对中性问题，设计了基于工业智能相机的三坐标电磁铆接托架系统，利用工业智能相机对铆接孔进行拍照，建立了人机交互界面，实现了电磁铆接自动化控制与跟踪。汪乐等[21]依据模拟仿真分析结果和铆钉材料的流动趋势，引入体积缩减系数来描述钉杆被压入钉孔部分的体积，预测了飞机结构件铆接过程中压铆力的大小，并与已有的试验数据进行对比，结果表明计算值与试验值的一致性较好。此外，国内低压电磁铆接技术飞速发展并成功应用于飞机的装配连接中，使得飞机的装配质量提高，使用寿命延长，同时工人的劳动条件得到了极大改善。

2.3 电磁缩径技术

电磁缩径技术是航空航天高端装备先进制造的主要应用技术之一。Haratmeh等[22]采用ABAQUS/Explicit模拟了AA6061-T6管电磁缩径过程，对不同放电电压下管件变形位移数据和厚度变化量进行了研究，发现放电电压和线圈参数等工艺参数对铝管的有模缩径成形影响较大。Shrivastava等[23]研究了工件厚度、外加能量和工艺参数对AA6061铝管电磁成形行为的影响，采用40 kJ的电容器组分别对壁厚为1 mm、1.7 mm和2.4 mm的AA6061铝合金管进行变形实验，发现工件中间壁厚变形效率最高，并且有限元模拟结果与实验结果基本吻合。Yu等[24]从磁压力的角度分析了集磁器对工件电磁缩径成形过程的影响。结果表明，集磁器工作面越长工件受力面越长，管件受到磁压力越小。王哲峰等[25]针对螺旋槽集磁器参数、电压与3003铝合金最大减径量之间的关系进行了深入研究，得知锥度对涡流损耗有较大影响，集磁器锥度越大，涡流损耗越大，管件径向变形量越小，并对铝合金管件进行了缩颈试验，实际成形效果与数值模拟结果基本一致。Bahmani等[26]采用有限元软件MAXWELL进行三维数值模拟，分析电磁成形中集磁器的使用对磁场分布的影响，研究冲击电磁成形过程中的磁场分布，发现三维模拟磁场比二维模拟磁场最大磁场强15%左右。刘春宇等[27]利用Ansoft Maxwell电磁场模拟软件对3003铝合金管件缩径变形进行了模拟仿真，研究结果表明：放电电压增大，管件所受电磁力增大;管件长度越长，电磁力越大;管件越薄，磁通量和能量的损失越多。

2.4 电磁焊接技术

电磁脉冲焊接技术具有常温生产、一次成型、生产效率高、环保无污染等一系列优点。Hahn等[28]采用电磁脉冲搭接焊接5005A铝合金与6060铝合金，结果表明，在焊接接头冶金连接区域内，其界面呈波浪状，附近晶粒存在明显细化现象。Zhang等[29]研究发现，当电磁脉冲焊接电容器组放电能量达到6.4 kJ时，6061/6061和Cu/Cu界面处的晶粒尺寸约为50 nm，晶内位错密度增加，晶粒尺寸急剧减小，并且界面硬度增加。Kore等[30]实现了Mg/Al异种薄板电磁脉冲焊接，发现焊接时较高的冲击速度将会产生射流，可以去除待焊金属表面的氧化层，进而提高焊缝质量。苏德智等[31]研究了1060铝合金与Cu板电磁脉冲焊接，结果表明，板件焊接时存在最优的工件间隙区间，当放电电压增加时，焊缝宽度与接头强度也会随之增加;铝板与线圈错开距离大于3 mm时，焊缝由原先扁平椭圆形焊缝变为单条连接带的焊缝。陈树君等[32]建立了电磁脉冲焊接动力学模型，该模型可以用来推导1050/AZ31与5A03/5A06电磁脉冲焊接所需的充电电压，并通过试验验证了模型的准确性，为数值建模与仿真模拟研究提供了理论基础。

值得指出的是，电磁脉冲焊接在连接导电性较好的异种金属时，无论是焊接接头性能还是生产效率都表现出独特優势。加之航空航天领域对结构轻量化及产品经济性的要求不断提高，因此电磁脉冲焊接在航空航天铝合金、镁合金和钛合金同种材料及异种材料的焊接领域，具有广阔的应用前景。

3 总结与展望

当前电磁校形、电磁铆接、电磁缩径以及电磁焊接等电磁制造技术已成功应用于国内外工业工程诸多领域，航空航天作为我国战略尖端工业和军民融合重要领域，电磁制造技术因其在异种材料加工成形中的显著优势，将发挥不可替代的关键作用。展望电磁制造技术在今后一段时间内的发展，以下几个方面的问题值得关注。

（1）电磁制造技术涉及电磁学、动力学、材料学等多学科交叉，并且电磁制造加工成形过程非常复杂，因此相关基础理论研究和应用研究有待进一步持续深入展开。

（2）我国电磁制造装备的研发能力尚有待进一步提高，特别是航空航天大功率电磁脉冲成形专用设备的研发迫在眉睫。

（3）电磁制造加工成形相关工艺、设备以及电磁制造产品的检验检测等方面的标准亟待深入研究、统一确定。

（4）电磁制造技术在绿色环保、高质高效、异质材料成形等方面的优势突出，非常有必要加快其在更多工业领域的推广应用和产业化发展。

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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