冉 洋，孫繼飛，高 雷

（1.重慶市光學(xué)機(jī)械研究所；2.重慶普爾薩科技有限公司）

一、電磁制造技術(shù)簡介

電磁制造技術(shù)是先進(jìn)制造工業(yè)中的重要方向，電磁制造技術(shù)是由電磁力學(xué)、高速成形工藝、高速碰撞等多技術(shù)集合的制造技術(shù)，該技術(shù)可應(yīng)用于焊接、成形、粉末壓制、鉚接等多個(gè)領(lǐng)域的基礎(chǔ)制造應(yīng)用。

電磁制造技術(shù)采用電磁力這種可靠的清潔能源作為主要的驅(qū)動(dòng)力，可以實(shí)現(xiàn)薄壁金屬材料、非金屬材料以及其他材料的高速成形、焊接、卷邊成形等多項(xiàng)工藝，解決應(yīng)變率敏感性材料難以成形、異種金屬難以焊接的問題，促進(jìn)我國鎂合金、鋁合金、鈦合金以及其他輕質(zhì)材料在工業(yè)中的應(yīng)用，推動(dòng)我國制造業(yè)向高質(zhì)量方向發(fā)展。

鎂合金在汽車上的應(yīng)用主要集中于車身、發(fā)動(dòng)機(jī)和內(nèi)飾件三大部分，產(chǎn)量需求快速增長。歐洲范圍內(nèi)，60多種汽車零部件已采用鎂合金為材質(zhì)，北美、日本汽車行業(yè)在越來越多的零部件上采用鎂合金，包括變速桿、座椅架等。目前正在使用和研發(fā)的鎂合金零部件有100多種，為保證零部件的剛度，部分采用電磁脈沖鎂-鋼混合連接。鋁合金作為近代汽車制造業(yè)中的輕量化材料，已廣泛應(yīng)用于汽車蒙皮、零部件等多方面，比如奧迪開發(fā)的代表性車型奧迪A8就率先使用了全鋁車身。采用電磁卷邊連接技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)碳纖維、鋁合金和鋼等多種材料的高強(qiáng)度連接，因此連接技術(shù)將促進(jìn)制造業(yè)的快速發(fā)展。

（一）電磁脈沖焊接技術(shù)

電磁脈沖焊接技術(shù)是電磁制造技術(shù)主要應(yīng)用方向之一，近年來得到較快發(fā)展，原因是很多行業(yè)出現(xiàn)了對異種材料焊接的需求。輕質(zhì)材料主要包括鈦合金、鋁合金等，與傳統(tǒng)金屬材料的熔點(diǎn)相差較大，熔化焊接較難實(shí)現(xiàn)。同時(shí)，這類金屬及其合金普遍都有氧化膜的存在，這也加大了焊接的難度。為了解決這類問題，將待焊工件中的一種或兩種瞬間提升到較高速度并使其發(fā)生高速碰撞，工件之間可以形成良好的焊接接頭，這種焊接方式為高速碰撞焊。電磁脈沖焊接作為一種新型焊接方法，焊接速度快，可控性好，被逐漸應(yīng)用到多種異種金屬板件焊接，具有極大的應(yīng)用潛力。電磁脈沖焊接與其他焊接相比有以下優(yōu)勢：（1）廣泛用于異種金屬的焊接，如銅鋁、鋁鎂、鋁鐵、鋁鋼、銅鋼等；（2）固相焊接工藝，無需冷卻，一次成型；（3）工藝成型速度快，生產(chǎn)效率高，質(zhì)量穩(wěn)定、可靠；（4）焊接過程無需焊劑和釬料；（5）焊縫組織高于母材強(qiáng)度；（6）綠色環(huán)保無污染，具有無煙塵、無廢氣等優(yōu)點(diǎn)。

（二）電磁脈沖成形技術(shù)

高速成形是電磁制造技術(shù)應(yīng)用快速發(fā)展的另一個(gè)主要領(lǐng)域。鋁合金板在室溫下成形塑性較低，局部拉延性不好，容易產(chǎn)生裂紋，回彈較大，采用傳統(tǒng)的加工工藝進(jìn)行加工效果并不理想。因此，輕合金類電磁成形技術(shù)的研究，在解決我國航空航天、汽車等領(lǐng)域工程需求問題上具有重要的科學(xué)意義和現(xiàn)實(shí)意義。

電磁成形屬于快速成形技術(shù)，己有研究表明，當(dāng)材料的變形速度達(dá)到一定程度后很多金屬材料的成形性能會得到大幅度提高，金屬材料的這種特性被稱為“Hyper-plasticity”。電磁成形技術(shù)作為一種高能率成形方法，與傳統(tǒng)加工方法相比具有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）顯著提高金屬的成形極限；（2）改善加工時(shí)的應(yīng)變分布；（3）減少起皺等。與其它高能率成形爆炸成形、電液成形等相比，電磁成形具有生產(chǎn)效率高、工藝重復(fù)性好等優(yōu)點(diǎn)。

（三）其它電磁制造技術(shù)

采用電磁力直接作用在金屬粉末上，使帶點(diǎn)的金屬粉末相互碰撞、收縮、燒結(jié)，最終形成致密的粉末壓制坯體。該工藝過程稱之為粉末電磁壓制技術(shù)。電磁壓制技術(shù)具有以下特點(diǎn)：（1）采用徑向壓制方式，不使用模具，沒有模壁摩擦，可達(dá)到更高的壓制力，且工裝的生產(chǎn)與維修成本較低；（2）對環(huán)境的溫度和氣氛沒有要求，適用于幾乎所有的材料；（3）一般不需要在粉料中添加潤滑劑或粘結(jié)劑，對環(huán)境無害，也提高了壓坯的性能；（4）由于壓制力大，壓力加載速率快，所以電磁壓制技術(shù)制備的材料的壓坯密度和力學(xué)性能都比傳統(tǒng)的靜壓力要高，對于各種合金鋼粉末材料，壓坯密度通常在95%以上，即使像鎢、碳化鎢和陶瓷等難以通過傳統(tǒng)靜壓加工的粉末，也可通過電磁壓制來獲得較高的密度。

將電磁力作用在鉚釘上，通過高速射出的鉚釘貫穿高溫、高硬度合金，使兩種金屬以機(jī)械連接的方式連接在一起的過程，這種工藝稱之為電磁鉚接。電磁鉚接技術(shù)具有以下特點(diǎn)：（1）在干涉配合鉚接、復(fù)合材料結(jié)構(gòu)鉚接、割舍配合緊固件安裝上比傳統(tǒng)鉚接更具有優(yōu)勢；（2）減小鉚接噪音，改善勞動(dòng)條件；（3）易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制；（4）提高結(jié)構(gòu)疲勞壽命；（5）可以減小安裝損傷。

二、電磁制造技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢

（一）國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

1998年，在ATP計(jì)劃的支持下，美國DANA公司研究出了鋁合金-鋼雙金屬汽車驅(qū)動(dòng)軸磁脈沖連接技術(shù)，對降低汽車構(gòu)件重量有明顯效果。2001年，美國能源部啟動(dòng)了“鋁合金板材電磁成形”項(xiàng)目，由Ford、GM和克萊斯勒等單位共同研發(fā)鋁合金板材電磁成形技術(shù)。2007年，Ohio州政府啟動(dòng)PEMFC雙極板的快速制造技術(shù)研究項(xiàng)目。2001年，在歐盟第五框架的資助下，由沃爾沃和多特蒙德大學(xué)等多家單位合作，開展了汽車領(lǐng)域的管材、板材磁脈沖焊接成形技術(shù)研究。以色列PULSAR是國際上最早開發(fā)電磁制造裝備的企業(yè)，也是目前型號最全、最為先進(jìn)的電磁脈沖設(shè)備制造企業(yè)，生產(chǎn)的設(shè)備廣泛應(yīng)用于汽車、航空、日用品包裝等多個(gè)領(lǐng)域核心零部件的制造，并擁有多項(xiàng)核心及基礎(chǔ)技術(shù)專利。中國科學(xué)院電工研究所于20世紀(jì)60年代率先開展電磁脈沖技術(shù)研究，70年代末期，哈爾濱工業(yè)大學(xué)開始進(jìn)行基礎(chǔ)工藝?yán)碚撗芯浚?011年，華中科技大學(xué)牽頭“973”項(xiàng)目——“多時(shí)空脈沖強(qiáng)磁場成形制造基礎(chǔ)研究”。

目前，高端制造業(yè)面臨異種金屬連接、薄壁件成形、高密度壓制等基礎(chǔ)加工技術(shù)的需求。電磁制造技術(shù)能有效解決部分行業(yè)難點(diǎn)和痛點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)的技術(shù)升級和發(fā)展。

（二）電磁創(chuàng)新及發(fā)展趨勢

隨著電磁脈沖制造技術(shù)快速發(fā)展，在各個(gè)行業(yè)的應(yīng)用有了重大突破。由Dana公司開發(fā)的電磁脈沖技術(shù)應(yīng)用于鋁-鋼空間框架結(jié)構(gòu)接頭的焊接。該技術(shù)應(yīng)用于汽車車身鋁鋼點(diǎn)焊、鋁鋼傳動(dòng)軸、排氣系統(tǒng)中的消聲器、空調(diào)組件、管件式座椅、機(jī)油過濾器裝配、汽車零部件、空氣制動(dòng)軟管裝配、緊固帶和夾緊環(huán)等。在航空航天行業(yè)電磁制造技術(shù)同樣有著重大創(chuàng)新。電磁脈沖焊接主要用于連接飛行器上的一些控制管件，這些控制管件是扭構(gòu)件,在運(yùn)行過程中受到非常高的扭矩作用，采用電磁脈沖焊接可以將鎂合金和鋼材料焊接在一起，這是傳統(tǒng)的焊接方法無法實(shí)現(xiàn)的。在新能源及電力行業(yè)，電磁制造技術(shù)得到快速發(fā)展，實(shí)現(xiàn)柔性電路板（FPCB）的電磁脈沖焊接。將電磁脈沖制造技術(shù)應(yīng)用于燃料電池雙極板的成形過程中，可以實(shí)現(xiàn)高精度薄壁金屬或非金屬極板的快速成形。在電力電纜方向，電磁制造技術(shù)將鍛銅連接到同軸電纜上，有效提高線束的導(dǎo)電性、降低電阻率、提高抗拉強(qiáng)度，廣泛應(yīng)用于航空航天及新能源汽車中。在軍工及核工業(yè)行業(yè)，電磁制造技術(shù)應(yīng)用于炮彈導(dǎo)帶與彈體連接、小型飛彈殼體與基體裝配、放射性異種金屬的連接（鈾棒與鎘管連接）、核廢料封存等方面。在醫(yī)療美容行業(yè)，電磁制造技術(shù)被應(yīng)用于醫(yī)療設(shè)備關(guān)鍵零部件的焊接、醫(yī)藥模具制造、藥品包材料成形、無菌封裝等。2019年全國塑性加工年會在太原舉辦，鋁合金板材/管材電磁漸進(jìn)柔性復(fù)合成形成為大會的討論主題。會議一致認(rèn)為電磁漸進(jìn)成形工藝為大尺寸零件的成形制造提供了一條有效途徑，無需換模就可實(shí)現(xiàn)不同曲面的成形，從而滿足不同形狀三維曲面件的加工。目前，重慶普爾薩科技有限公司是我國首家具有自主知識產(chǎn)權(quán)、能夠提供商用設(shè)備的企業(yè)，已在動(dòng)力電池、汽車零部件、航空航天、醫(yī)療器械等領(lǐng)域應(yīng)用并取得突破。

我國電磁制造技術(shù)于20世紀(jì)80年代開始研究，隨著我國基礎(chǔ)制造業(yè)的快速發(fā)展，部分高校開展電磁制造技術(shù)的理論基礎(chǔ)研究。雖然我國在電磁制造技術(shù)基礎(chǔ)理論研究方面處于世界領(lǐng)先，但是在基礎(chǔ)工業(yè)應(yīng)用方面與國外企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)有相當(dāng)大的差距。這主要有幾個(gè)問題：（1）理論研究與實(shí)際應(yīng)用發(fā)展不協(xié)調(diào)，與企業(yè)發(fā)展關(guān)系較為薄弱；（2）創(chuàng)新主體集中在輕資產(chǎn)為主的數(shù)字軟件方面，對基礎(chǔ)制造技術(shù)的創(chuàng)新投入不夠；3.國外設(shè)備及技術(shù)壟斷導(dǎo)致國內(nèi)企業(yè)及技術(shù)發(fā)展艱難，甚至出現(xiàn)對國內(nèi)裝備制造業(yè)的不信任；（3）企業(yè)對新技術(shù)學(xué)習(xí)成本、培訓(xùn)成本以及應(yīng)用成本過高；（4）技術(shù)推廣、開發(fā)、檢測成本較高，標(biāo)準(zhǔn)制定困難；（5）企業(yè)發(fā)展困難，資本對于基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展功利化嚴(yán)重。

三、我國對策建議

(一)依托優(yōu)勢科研機(jī)構(gòu)及企業(yè)開展電磁制造技術(shù)應(yīng)用性研究

國內(nèi)電磁制造技術(shù)的研究主要集中在高校，并且培養(yǎng)了一批優(yōu)秀的電磁制造技術(shù)專業(yè)人才。但是，這些高端人才往往集中在高校，流向科研機(jī)構(gòu)、工廠及相關(guān)單位較少。在“產(chǎn)-學(xué)-研”發(fā)展戰(zhàn)略中，應(yīng)以“產(chǎn)”為主，“研”為輔。推行科技人員入住企業(yè)、入住科研機(jī)構(gòu)，并對產(chǎn)業(yè)發(fā)展及應(yīng)用工作提供建設(shè)性意見的做法，科研人員績效不唯論文，要考慮產(chǎn)業(yè)化貢獻(xiàn)。加大行業(yè)監(jiān)管與專業(yè)評審力度，將理論研究水平與實(shí)際工作進(jìn)行分級考核。注重地方優(yōu)勢科研機(jī)構(gòu)及科研企業(yè)的發(fā)展，并針對行業(yè)發(fā)展及行業(yè)推廣進(jìn)行政策支持和優(yōu)惠補(bǔ)助。

(二)基礎(chǔ)行業(yè)創(chuàng)新為主，大數(shù)據(jù)技術(shù)創(chuàng)新為輔

中國制造以低廉的價(jià)格和優(yōu)質(zhì)的服務(wù)吸引全球客戶，雖然我國制造業(yè)獲得巨大市場，但總體利潤相對較低。黨的十八大以來，中國制造向高質(zhì)量發(fā)展的呼聲不絕于耳，政府部門不斷推進(jìn)大數(shù)據(jù)制造、高端裝備制造、先進(jìn)裝備制造發(fā)展戰(zhàn)略，基礎(chǔ)制造行業(yè)作為經(jīng)濟(jì)創(chuàng)新主體需要改革創(chuàng)新。為此，要依托科技創(chuàng)新、裝備技術(shù)創(chuàng)新、生產(chǎn)技術(shù)創(chuàng)新，結(jié)合大數(shù)據(jù)作為制造行業(yè)的輔助，全面提升我國基礎(chǔ)裝備及制造行業(yè)水平。以電磁制造技術(shù)為代表的新一代先進(jìn)制造技術(shù)需要數(shù)值模擬、數(shù)據(jù)分析等一系列大數(shù)據(jù)輔助技術(shù)，實(shí)現(xiàn)電磁制造技術(shù)的可視化、可控化，從而促進(jìn)產(chǎn)品制造向高質(zhì)量方向發(fā)展。同時(shí)，借助基礎(chǔ)研究理論成果與大數(shù)據(jù)分析，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品制造過程中的創(chuàng)新。

(三)借鑒國外經(jīng)驗(yàn)發(fā)展國內(nèi)裝備

從美國“制造業(yè)回流”到印度的“印度制造”計(jì)劃，各國政府高度關(guān)注制造業(yè)的發(fā)展。電磁制造技術(shù)主要應(yīng)用在美國，包括波音公司、通用汽車、Dana公司、NASA（美國國家航空航天局），以及PST、空客、國際原子能機(jī)構(gòu)等多家單位。印度也在電磁線圈結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面獨(dú)樹一幟。目前，中國是擁有全球最完善的裝備制造業(yè)體系的大國，在電磁制造技術(shù)方面起步相對較早，但發(fā)展緩慢。需要借助國外電磁制造技術(shù)發(fā)展經(jīng)驗(yàn)，打造我國電磁裝備系列品牌，注重實(shí)際應(yīng)用。政府應(yīng)扶持技術(shù)優(yōu)勢企業(yè)，推動(dòng)并促進(jìn)技術(shù)優(yōu)勢企業(yè)的發(fā)展。同時(shí)，打破國內(nèi)應(yīng)用企業(yè)壁壘，開放對內(nèi)合作，優(yōu)先協(xié)助國內(nèi)裝備的應(yīng)用和開發(fā)，降低國內(nèi)企業(yè)成本，理性客觀分析設(shè)備的功能與用途，畢竟“核心技術(shù)靠化緣是要不來的”。

(四)資本市場與政府管控雙向介入

中國特色社會主義市場經(jīng)濟(jì)體制促使我國產(chǎn)業(yè)高效穩(wěn)定發(fā)展。近年來，資本市場逐步擴(kuò)大規(guī)模，深入各行各業(yè)。但資本過多地集中在“快錢”行業(yè)，基礎(chǔ)裝備制造業(yè)并不受資本的待見，間接導(dǎo)致我國基礎(chǔ)制造專業(yè)技術(shù)人才流失，甚至出現(xiàn)行業(yè)人才斷檔的現(xiàn)狀。推動(dòng)電磁制造及其他先進(jìn)制造技術(shù)，就需要資本與政府雙向介入，從而保證行業(yè)的健康發(fā)展。

改革開放極大地推動(dòng)了我國制造業(yè)的發(fā)展，中國制造業(yè)的發(fā)展已成為各國制造業(yè)發(fā)展的模板，但是，與歐美完善的制造業(yè)創(chuàng)新體系相比我們還有明顯的差距。電磁制造技術(shù)在大飛機(jī)、新能源汽車、燃料電池、動(dòng)力電池、醫(yī)療器械、軍工等多行業(yè)都有突出的技術(shù)優(yōu)勢，在下一輪技術(shù)革命、技術(shù)創(chuàng)新中都將發(fā)揮重大影響。隨著電源技術(shù)的快速發(fā)展，電磁制造由只注重設(shè)備能量等級的科研研究方向逐步向面向生產(chǎn)需求的可變功率工業(yè)化應(yīng)用方向發(fā)展。目前，電磁脈沖焊接、電磁成形、電磁壓制、電磁鉚接、電磁卷邊成形、電磁緊固等新型環(huán)保創(chuàng)新技術(shù)已逐漸進(jìn)入工業(yè)化應(yīng)用階段。電磁制造技術(shù)這一新興高新技術(shù)將引領(lǐng)基礎(chǔ)制造業(yè)的革新。