能场辅助成形制造理论与技术

航空航天、武器装备、核电、新能源产业的迅速发展，要求其关键装备采用难变形材料复杂整体构件，其传统制造工艺存在成形极限低、成形周期长、成形能力/柔性不足、材料/能量利用率低、高度依赖大型复杂力能传输系统等突出问题，限制了相关领域的技术革新。能场辅助塑性成形技术通过在传统塑性成形技术（力、力热耦合技术）基础上引入超声振动、激光、脉冲电流、电磁场等特种能量场，可以有效提升难变形材料（铝、镁、钛、高强钢、高温合金、金属基复合材料等）的成形极限，降低变形抗力，主动利用能场的非常规多尺度效应”靶向“驱动组织演变与性能提升，并易于实现柔性化、智能化、数字化装备集成，成为一种催生传统制造技术”再创新“的变革性技术，”特种能场辅助制造的科学原理是什么？“也入选中国科协2020年（首届）发布的10个对科学发展具有导向作用的重大科学问题，代表了成形制造领域科学研究前沿与先进技术的发展方向。

一、磁脉冲（电磁）渐进成形与变形连接原理与技术

1.1 技术简介

磁脉冲成形/连接（Electromagnetic Pulse Forming/Welding，EMF/EMPW）是一种高能率冲击成形/固相焊接技术，其基本原理是电磁感应定律与楞次定律，其成形过程是：电容充至预设定能量后，打开高压放电开关，电流通过线圈形成RLC回路并产生强交变磁场，并在被成形坯料（板、管）中感生交变电流，根据楞次定律，金属坯料表面产生感应电流（感应电流可以达到10²～10³A/mm²）。在磁场的作用下，工件局部会受到强大的洛伦兹力，从而产生高速变形与模具发生高速碰撞或与基板/管发生高速碰撞（0.1ms内可加速到200m/s以上），最终成形为目标构件或在高剪切应力和塑性变形下形成金属键连接。

图1.1 电磁成形基本原理

磁脉冲成形非接触式高速成形的特点使其具有提升材料成形极限、工装成本低、柔性好、可拓展性好、表面完整性好、疲劳强度高等优势；将该种技术应用于板/管零件的连接，具有无热影响区、无需焊前/焊后热处理、易于控制、生产效率高、质量稳定、异种金属连接适应性强等优势，近年来得到广泛的关注，已经成功应用于国产大飞机零部件焊接、运载火箭零部件制造、CT医疗器械元件制造、汽车车门包边、新能源汽车电池包焊接、高压线束压接及燃料元件装配等领域。

图1.2 电磁成形的应用

1.2 具体研究领域

（1）铝合金大型薄壁曲面件电磁渐进成形宏微观精确调控原理与方法研究（国家自然科学基金青年基金项目）；

（2）航空航天复杂曲率薄壁件多级多向磁脉冲渐进成形技术基础研究 （国家重点实验室开放课题）；

（3）燃料元件磁脉冲渐进缩径封装-端部连接协同成形技术研究（中国核动力研究设计院合作项目）；

（4）核用锆合金-铁马钢异种金属管磁脉冲渐进连接技术研究（预研课题）

图1.3 磁脉冲渐进成形及磁脉冲连接等在研方向

二、脉冲电流辅助成形/脉冲电处理原理、技术与装备

2.1 技术简介

随着我国航空航天事业的蓬勃发展，特别是在先进军机、运载火箭等重大战略需求的牵引下，极端服役性能超轻量化构件形性协同制造成为当前成形制造领域亟待解决的难题。以运载火箭上面级环形燃料箱、跨大气层飞行器高温钛合金带筋壁板等为代表的大型薄壁复杂结构件具有材料难变形、结构难成形与极端尺寸结合等特点，对其精确整体成形制造提出了严峻的挑战。传统的板料成形工艺（包括冲压、胀形、拉深、弯曲等）成形性、工艺可控性和柔性均不足，制约了此类构件的研发应用。因此，迫切需要制造技术的创新升级与变革，以突破传统成形制造技术的局限。

近年来蓬勃发展的电辅助成形工艺（EAF），将持续电流/脉冲电流以在线或离线的方式作用于被成形金属板料或金属板料与工模具之间，驱动构件载流变形与组织演化，从而获得所需的形状与性能；在塑性变形过程中、后或变形间歇，通过电流的非常规多尺度效应，改善金属材料的成形性，“靶向”驱动微观结构演变，修复塑性变形中产生的损伤，降低成形载荷和残余应力，是一种极具应用潜力的成形制造方法。通过将EAF与基于连续局部加载或断续局部加载的成形工艺进一步结合（EAIF），在较低的成形力下就可以有效扩展成形尺寸，并且可以在大尺寸构件内灵活地协调不同特征区域的不均匀变形，为实现难变形材料大型薄壁复杂构件精确成形及组织性能定制提供了潜在的解决方案。

图2.1 电辅助成形技术简介

2.2 具体研究领域

（1）TC4钛合金大型薄壁双曲壳体脉冲电流辅助成形机理与形性协同调控方法（国家自然科学基金企业创新发展联合基金航天领域重点支持项目、上海航天科技创新基金（SAST基金））；

（2）基于能场定制的Ti₂AlNb基合金网格筋壁板电辅助渐进压弯形性调控机理研究（国家自然科学基金面上项目）；

（3）Ti55合金网格筋壁板电辅助压弯多尺度变形协调机理及成形极限研究 （安徽省自然科学基金面上项目、装备预研项目）；

（4）Ti₂AlNb多层空心结构件电辅助气胀成形宏微观不均匀变形精确预测 （国家重点实验室开放课题）；

（5）片层组织钛合金电脉冲辅助低成本短流程改锻工艺及装备、锆合金带筋薄板焊接结构电辅助滚压成形工艺与装备、制备难变形材料梯度超细晶组织板材的电辅助齿形辊压工艺、增材制造结构的脉冲电流处理（预研）