电磁制造技术及产业发展现状与展望

　　冉洋1，孙继飞2，高雷2

　　(1.重庆市光学机械研究所;2.重庆普尔萨科技有限公司)

　　一、电磁制造技术简介

　　电磁制造技术是先进制造工业中的重要方向，电磁制造技术是由电磁力学、高速成形工艺、高速碰撞等多技术集合的制造技术，该技术可应用于焊接、成形、粉末压制、铆接等多个领域的基础制造应用。

　　电磁制造技术采用电磁力这种可靠的清洁能源作为主要的驱动力，可以实现薄壁金属材料、非金属材料以及其他材料的高速成形、焊接、卷边成形等多项工艺，解决应变率敏感性材料难以成形、异种金属难以焊接的问题，促进我国镁合金、铝合金、钛合金以及其他轻质材料在工业中的应用，推动我国制造业向高质量方向发展。

　　镁合金在汽车上的应用主要集中于车身、发动机和内饰件三大部分，产量需求快速增长。欧洲范围内，60多种汽车零部件已采用镁合金为材质，北美、日本汽车行业在越来越多的零部件上采用镁合金，包括变速杆、座椅架等。目前正在使用和研发的镁合金零部件有100多种，为保证零部件的刚度，部分采用电磁脉冲镁-钢混合连接。铝合金作为近代汽车制造业中的轻量化材料，已广泛应用于汽车蒙皮、零部件等多方面，比如奥迪开发的代表性车型奥迪A8就率先使用了全铝车身。采用电磁卷边连接技术可以实现碳纤维、铝合金和钢等多种材料的高强度连接，因此连接技术将促进制造业的快速发展。

　　(一)电磁脉冲焊接技术

　　电磁脉冲焊接技术是电磁制造技术主要应用方向之一，近年来得到较快发展，原因是很多行业出现了对异种材料焊接的需求。轻质材料主要包括钛合金、铝合金等，与传统金属材料的熔点相差较大，熔化焊接较难实现。同时，这类金属及其合金普遍都有氧化膜的存在，这也加大了焊接的难度。为了解决这类问题，将待焊工件中的一种或两种瞬间提升到较高速度并使其发生高速碰撞，工件之间可以形成良好的焊接接头，这种焊接方式为高速碰撞焊。电磁脉冲焊接作为一种新型焊接方法，焊接速度快，可控性好，被逐渐应用到多种异种金属板件焊接，具有极大的应用潜力。电磁脉冲焊接与其他焊接相比有以下优势：(1)广泛用于异种金属的焊接，如铜铝、铝镁、铝铁、铝钢、铜钢等;(2)固相焊接工艺，无需冷却，一次成型;(3)工艺成型速度快，生产效率高，质量稳定、可靠;(4)焊接过程无需焊剂和钎料;(5)焊缝组织高于母材强度;(6)绿色环保无污染，具有无烟尘、无废气等优点。

　　(二)电磁脉冲成形技术

　　高速成形是电磁制造技术应用快速发展的另一个主要领域。铝合金板在室温下成形塑性较低，局部拉延性不好，容易产生裂纹，回弹较大，采用传统的加工工艺进行加工效果并不理想。因此，轻合金类电磁成形技术的研究，在解决我国航空航天、汽车等领域工程需求问题上具有重要的科学意义和现实意义。

　　电磁成形属于快速成形技术，己有研究表明，当材料的变形速度达到一定程度后很多金属材料的成形性能会得到大幅度提高，金属材料的这种特性被称为“Hyper-plasticity”。电磁成形技术作为一种高能率成形方法，与传统加工方法相比具有以下优点：(1)显著提高金属的成形极限;(2)改善加工时的应变分布;(3)减少起皱等。与其它高能率成形爆炸成形、电液成形等相比，电磁成形具有生产效率高、工艺重复性好等优点。

　　(三)其它电磁制造技术

　　采用电磁力直接作用在金属粉末上，使带点的金属粉末相互碰撞、收缩、烧结，最终形成致密的粉末压制坯体。该工艺过程称之为粉末电磁压制技术。电磁压制技术具有以下特点：(1)采用径向压制方式，不使用模具，没有模壁摩擦，可达到更高的压制力，且工装的生产与维修成本较低;(2)对环境的温度和气氛没有要求，适用于几乎所有的材料;(3)一般不需要在粉料中添加润滑剂或粘结剂，对环境无害，也提高了压坯的性能;(4)由于压制力大，压力加载速率快，所以电磁压制技术制备的材料的压坯密度和力学性能都比传统的静压力要高，对于各种合金钢粉末材料，压坯密度通常在95%以上，即使像钨、碳化钨和陶瓷等难以通过传统静压加工的粉末，也可通过电磁压制来获得较高的密度。

　　将电磁力作用在铆钉上，通过高速射出的铆钉贯穿高温、高硬度合金，使两种金属以机械连接的方式连接在一起的过程，这种工艺称之为电磁铆接。电磁铆接技术具有以下特点：(1)在干涉配合铆接、复合材料结构铆接、割舍配合紧固件安装上比传统铆接更具有优势;(2)减小铆接噪音，改善劳动条件;(3)易于实现自动化控制;(4)提高结构疲劳寿命;(5)可以减小安装损伤。

　　二、电磁制造技术发展现状和趋势

　　(一)国内外发展现状

　　1998年，在ATP计划的支持下，美国DANA公司研究出了铝合金-钢双金属汽车驱动轴磁脉冲连接技术，对降低汽车构件重量有明显效果。2001年，美国能源部启动了“铝合金板材电磁成形”项目，由Ford、GM和克莱斯勒等单位共同研发铝合金板材电磁成形技术。2007年，Ohio州政府启动PEMFC双极板的快速制造技术研究项目。2001年，在欧盟第五框架的资助下，由沃尔沃和多特蒙德大学等多家单位合作，开展了汽车领域的管材、板材磁脉冲焊接成形技术研究。以色列PULSAR是国际上最早开发电磁制造装备的企业，也是目前型号最全、最为先进的电磁脉冲设备制造企业，生产的设备广泛应用于汽车、航空、日用品包装等多个领域核心零部件的制造，并拥有多项核心及基础技术专利。中国科学院电工研究所于20世纪60年代率先开展电磁脉冲技术研究，70年代末期，哈尔滨工业大学开始进行基础工艺理论研究，2011年，华中科技大学牵头“973”项目——“多时空脉冲强磁场成形制造基础研究”。

　　目前，高端制造业面临异种金属连接、薄壁件成形、高密度压制等基础加工技术的需求。电磁制造技术能有效解决部分行业难点和痛点，实现产业的技术升级和发展。

　　(二)电磁创新及发展趋势

　　随着电磁脉冲制造技术快速发展，在各个行业的应用有了重大突破。由Dana公司开发的电磁脉冲技术应用于铝-钢空间框架结构接头的焊接。该技术应用于汽车车身铝钢点焊、铝钢传动轴、排气系统中的消声器、空调组件、管件式座椅、机油过滤器装配、汽车零部件、空气制动软管装配、紧固带和夹紧环等。在航空航天行业电磁制造技术同样有着重大创新。电磁脉冲焊接主要用于连接飞行器上的一些控制管件，这些控制管件是扭构件,在运行过程中受到非常高的扭矩作用，采用电磁脉冲焊接可以将镁合金和钢材料焊接在一起，这是传统的焊接方法无法实现的。在新能源及电力行业，电磁制造技术得到快速发展，实现柔性电路板(FPCB)的电磁脉冲焊接。将电磁脉冲制造技术应用于燃料电池双极板的成形过程中，可以实现高精度薄壁金属或非金属极板的快速成形。在电力电缆方向，电磁制造技术将锻铜连接到同轴电缆上，有效提高线束的导电性、降低电阻率、提高抗拉强度，广泛应用于航空航天及新能源汽车中。在军工及核工业行业，电磁制造技术应用于炮弹导带与弹体连接、小型飞弹壳体与基体装配、放射性异种金属的连接(铀棒与镉管连接)、核废料封存等方面。在医疗美容行业，电磁制造技术被应用于医疗设备关键零部件的焊接、医药模具制造、药品包材料成形、无菌封装等。2019年全国塑性加工年会在太原举办，铝合金板材/管材电磁渐进柔性复合成形成为大会的讨论主题。会议一致认为电磁渐进成形工艺为大尺寸零件的成形制造提供了一条有效途径，无需换模就可实现不同曲面的成形，从而满足不同形状三维曲面件的加工。目前，重庆普尔萨科技有限公司是我国首家具有自主知识产权、能够提供商用设备的企业，已在动力电池、汽车零部件、航空航天、医疗器械等领域应用并取得突破。

　　我国电磁制造技术于20世纪80年代开始研究，随着我国基础制造业的快速发展，部分高校开展电磁制造技术的理论基础研究。虽然我国在电磁制造技术基础理论研究方面处于世界领先，但是在基础工业应用方面与国外企业和研究机构有相当大的差距。这主要有几个问题：(1)理论研究与实际应用发展不协调，与企业发展关系较为薄弱;(2)创新主体集中在轻资产为主的数字软件方面，对基础制造技术的创新投入不够;3.国外设备及技术垄断导致国内企业及技术发展艰难，甚至出现对国内装备制造业的不信任;(3)企业对新技术学习成本、培训成本以及应用成本过高;(4)技术推广、开发、检测成本较高，标准制定困难;(5)企业发展困难，资本对于基础产业的发展功利化严重。

　　三、我国对策建议

　　(一)依托优势科研机构及企业开展电磁制造技术应用性研究

　　国内电磁制造技术的研究主要集中在高校，并且培养了一批优秀的电磁制造技术专业人才。但是，这些高端人才往往集中在高校，流向科研机构、工厂及相关单位较少。在“产-学-研”发展战略中，应以“产”为主，“研”为辅。推行科技人员入住企业、入住科研机构，并对产业发展及应用工作提供建设性意见的做法，科研人员绩效不唯论文，要考虑产业化贡献。加大行业监管与专业评审力度，将理论研究水平与实际工作进行分级考核。注重地方优势科研机构及科研企业的发展，并针对行业发展及行业推广进行政策支持和优惠补助。

　　(二)基础行业创新为主，大数据技术创新为辅

　　中国制造以低廉的价格和优质的服务吸引全球客户，虽然我国制造业获得巨大市场，但总体利润相对较低。党的十八大以来，中国制造向高质量发展的呼声不绝于耳，政府部门不断推进大数据制造、高端装备制造、先进装备制造发展战略，基础制造行业作为经济创新主体需要改革创新。为此，要依托科技创新、装备技术创新、生产技术创新，结合大数据作为制造行业的辅助，全面提升我国基础装备及制造行业水平。以电磁制造技术为代表的新一代先进制造技术需要数值模拟、数据分析等一系列大数据辅助技术，实现电磁制造技术的可视化、可控化，从而促进产品制造向高质量方向发展。同时，借助基础研究理论成果与大数据分析，实现产品制造过程中的创新。

　　(三)借鉴国外经验发展国内装备

　　从美国“制造业回流”到印度的“印度制造”计划，各国政府高度关注制造业的发展。电磁制造技术主要应用在美国，包括波音公司、通用汽车、Dana公司、NASA(美国国家航空航天局)，以及PST、空客、国际原子能机构等多家单位。印度也在电磁线圈结构设计方面独树一帜。目前，中国是拥有全球最完善的装备制造业体系的大国，在电磁制造技术方面起步相对较早，但发展缓慢。需要借助国外电磁制造技术发展经验，打造我国电磁装备系列品牌，注重实际应用。政府应扶持技术优势企业，推动并促进技术优势企业的发展。同时，打破国内应用企业壁垒，开放对内合作，优先协助国内装备的应用和开发，降低国内企业成本，理性客观分析设备的功能与用途，毕竟“核心技术靠化缘是要不来的”。

　　(四)资本市场与政府管控双向介入

　　中国特色社会主义市场经济体制促使我国产业高效稳定发展。近年来，资本市场逐步扩大规模，深入各行各业。但资本过多地集中在“快钱”行业，基础装备制造业并不受资本的待见，间接导致我国基础制造专业技术人才流失，甚至出现行业人才断档的现状。推动电磁制造及其他先进制造技术，就需要资本与政府双向介入，从而保证行业的健康发展。

　　改革开放极大地推动了我国制造业的发展，中国制造业的发展已成为各国制造业发展的模板，但是，与欧美完善的制造业创新体系相比我们还有明显的差距。电磁制造技术在大飞机、新能源汽车、燃料电池、动力电池、医疗器械、军工等多行业都有突出的技术优势，在下一轮技术革命、技术创新中都将发挥重大影响。随着电源技术的快速发展，电磁制造由只注重设备能量等级的科研研究方向逐步向面向生产需求的可变功率工业化应用方向发展。目前，电磁脉冲焊接、电磁成形、电磁压制、电磁铆接、电磁卷边成形、电磁紧固等新型环保创新技术已逐渐进入工业化应用阶段。电磁制造技术这一新兴高新技术将引领基础制造业的革新。