冉 洋，孫繼飛，高 雷

（1.重慶市光學機械研究所；2.重慶普爾薩科技有限公司）

一、電磁制造技術簡介

電磁制造技術是先進制造工業(yè)中的重要方向，電磁制造技術是由電磁力學、高速成形工藝、高速碰撞等多技術集合的制造技術，該技術可應用于焊接、成形、粉末壓制、鉚接等多個領域的基礎制造應用。

電磁制造技術采用電磁力這種可靠的清潔能源作為主要的驅(qū)動力，可以實現(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、卷邊成形等多項工藝，解決應變率敏感性材料難以成形、異種金屬難以焊接的問題，促進我國鎂合金、鋁合金、鈦合金以及其他輕質(zhì)材料在工業(yè)中的應用，推動我國制造業(yè)向高質(zhì)量方向發(fā)展。

鎂合金在汽車上的應用主要集中于車身、發(fā)動機和內(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可以實現(xiàn)碳纖維、鋁合金和鋼等多種材料的高強度連接，因此連接技術將促進制造業(yè)的快速發(fā)展。

（一）電磁脈沖焊接技術

電磁脈沖焊接技術是電磁制造技術主要應用方向之一，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)金屬材料的熔點相差較大，熔化焊接較難實現(xiàn)。同時，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，被逐漸應用到多種異種金屬板件焊接，具有極大的應用潛力。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度；（6）綠色環(huán)保無污染，具有無煙塵、無廢氣等優(yōu)點。

（二）電磁脈沖成形技術

高速成形是電磁制造技術應用快速發(fā)展的另一個主要領域。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)的加工工藝進行加工效果并不理想。因此，輕合金類電磁成形技術的研究，在解決我國航空航天、汽車等領域工程需求問題上具有重要的科學意義和現(xiàn)實意義。

電磁成形屬于快速成形技術，己有研究表明，當材料的變形速度達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：（1）顯著提高金屬的成形極限；（2）改善加工時的應變分布；（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、工藝重復性好等優(yōu)點。

（三）其它電磁制造技術

采用電磁力直接作用在金屬粉末上，使帶點的金屬粉末相互碰撞、收縮、燒結，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。電磁壓制技術具有以下特點：（1）采用徑向壓制方式，不使用模具，沒有模壁摩擦，可達到更高的壓制力，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，所以電磁壓制技術制備的材料的壓坯密度和力學性能都比傳統(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。電磁鉚接技術具有以下特點：（1）在干涉配合鉚接、復合材料結構鉚接、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，改善勞動條件；（3）易于實現(xiàn)自動化控制；（4）提高結構疲勞壽命；（5）可以減小安裝損傷。

二、電磁制造技術發(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)動軸磁脈沖連接技術，對降低汽車構件重量有明顯效果。2001年，美國能源部啟動了“鋁合金板材電磁成形”項目，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。2007年，Ohio州政府啟動PEMFC雙極板的快速制造技術研究項目。2001年，在歐盟第五框架的資助下，由沃爾沃和多特蒙德大學等多家單位合作，開展了汽車領域的管材、板材磁脈沖焊接成形技術研究。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、最為先進的電磁脈沖設備制造企業(yè)，生產(chǎn)的設備廣泛應用于汽車、航空、日用品包裝等多個領域核心零部件的制造，并擁有多項核心及基礎技術專利。中國科學院電工研究所于20世紀60年代率先開展電磁脈沖技術研究，70年代末期，哈爾濱工業(yè)大學開始進行基礎工藝理論研究，2011年，華中科技大學牽頭“973”項目——“多時空脈沖強磁場成形制造基礎研究”。

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

（二）電磁創(chuàng)新及發(fā)展趨勢

隨著電磁脈沖制造技術快速發(fā)展，在各個行業(yè)的應用有了重大突破。由Dana公司開發(fā)的電磁脈沖技術應用于鋁-鋼空間框架結構接頭的焊接。該技術應用于汽車車身鋁鋼點焊、鋁鋼傳動軸、排氣系統(tǒng)中的消聲器、空調(diào)組件、管件式座椅、機油過濾器裝配、汽車零部件、空氣制動軟管裝配、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件,在運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)的焊接方法無法實現(xiàn)的。在新能源及電力行業(yè)，電磁制造技術得到快速發(fā)展，實現(xiàn)柔性電路板（FPCB）的電磁脈沖焊接。將電磁脈沖制造技術應用于燃料電池雙極板的成形過程中，可以實現(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，電磁制造技術將鍛銅連接到同軸電纜上，有效提高線束的導電性、降低電阻率、提高抗拉強度，廣泛應用于航空航天及新能源汽車中。在軍工及核工業(yè)行業(yè)，電磁制造技術應用于炮彈導帶與彈體連接、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)，電磁制造技術被應用于醫(yī)療設備關鍵零部件的焊接、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/管材電磁漸進柔性復合成形成為大會的討論主題。會議一致認為電磁漸進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、能夠提供商用設備的企業(yè)，已在動力電池、汽車零部件、航空航天、醫(yī)療器械等領域應用并取得突破。

我國電磁制造技術于20世紀80年代開始研究，隨著我國基礎制造業(yè)的快速發(fā)展，部分高校開展電磁制造技術的理論基礎研究。雖然我國在電磁制造技術基礎理論研究方面處于世界領先，但是在基礎工業(yè)應用方面與國外企業(yè)和研究機構有相當大的差距。這主要有幾個問題：（1）理論研究與實際應用發(fā)展不協(xié)調(diào)，與企業(yè)發(fā)展關系較為薄弱；（2）創(chuàng)新主體集中在輕資產(chǎn)為主的數(shù)字軟件方面，對基礎制造技術的創(chuàng)新投入不夠；3.國外設備及技術壟斷導致國內(nèi)企業(yè)及技術發(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)對新技術學習成本、培訓成本以及應用成本過高；（4）技術推廣、開發(fā)、檢測成本較高，標準制定困難；（5）企業(yè)發(fā)展困難，資本對于基礎產(chǎn)業(yè)的發(fā)展功利化嚴重。

三、我國對策建議

(一)依托優(yōu)勢科研機構及企業(yè)開展電磁制造技術應用性研究

國內(nèi)電磁制造技術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，流向科研機構、工廠及相關單位較少。在“產(chǎn)-學-研”發(fā)展戰(zhàn)略中，應以“產(chǎn)”為主，“研”為輔。推行科技人員入住企業(yè)、入住科研機構，并對產(chǎn)業(yè)發(fā)展及應用工作提供建設性意見的做法，科研人員績效不唯論文，要考慮產(chǎn)業(yè)化貢獻。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際工作進行分級考核。注重地方優(yōu)勢科研機構及科研企業(yè)的發(fā)展，并針對行業(yè)發(fā)展及行業(yè)推廣進行政策支持和優(yōu)惠補助。

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

中國制造以低廉的價格和優(yōu)質(zhì)的服務吸引全球客戶，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，政府部門不斷推進大數(shù)據(jù)制造、高端裝備制造、先進裝備制造發(fā)展戰(zhàn)略，基礎制造行業(yè)作為經(jīng)濟創(chuàng)新主體需要改革創(chuàng)新。為此，要依托科技創(chuàng)新、裝備技術創(chuàng)新、生產(chǎn)技術創(chuàng)新，結合大數(shù)據(jù)作為制造行業(yè)的輔助，全面提升我國基礎裝備及制造行業(yè)水平。以電磁制造技術為代表的新一代先進制造技術需要數(shù)值模擬、數(shù)據(jù)分析等一系列大數(shù)據(jù)輔助技術，實現(xiàn)電磁制造技術的可視化、可控化，從而促進產(chǎn)品制造向高質(zhì)量方向發(fā)展。同時，借助基礎研究理論成果與大數(shù)據(jù)分析，實現(xiàn)產(chǎn)品制造過程中的創(chuàng)新。

(三)借鑒國外經(jīng)驗發(fā)展國內(nèi)裝備

從美國“制造業(yè)回流”到印度的“印度制造”計劃，各國政府高度關注制造業(yè)的發(fā)展。電磁制造技術主要應用在美國，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、國際原子能機構等多家單位。印度也在電磁線圈結構設計方面獨樹一幟。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發(fā)展經(jīng)驗，打造我國電磁裝備系列品牌，注重實際應用。政府應扶持技術優(yōu)勢企業(yè)，推動并促進技術優(yōu)勢企業(yè)的發(fā)展。同時，打破國內(nèi)應用企業(yè)壁壘，開放對內(nèi)合作，優(yōu)先協(xié)助國內(nèi)裝備的應用和開發(fā)，降低國內(nèi)企業(yè)成本，理性客觀分析設備的功能與用途，畢竟“核心技術靠化緣是要不來的”。

(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)，基礎裝備制造業(yè)并不受資本的待見，間接導致我國基礎制造專業(yè)技術人才流失，甚至出現(xiàn)行業(yè)人才斷檔的現(xiàn)狀。推動電磁制造及其他先進制造技術，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。電磁制造技術在大飛機、新能源汽車、燃料電池、動力電池、醫(yī)療器械、軍工等多行業(yè)都有突出的技術優(yōu)勢，在下一輪技術革命、技術創(chuàng)新中都將發(fā)揮重大影響。隨著電源技術的快速發(fā)展，電磁制造由只注重設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)新技術已逐漸進入工業(yè)化應用階段。電磁制造技術這一新興高新技術將引領基礎制造業(yè)的革新。