异种金属电磁脉冲焊接技术发展现状与展望★

杨文宇，孙洪敏，李 岩，吴志生

（太原科技大学材料科学与工程学院，山西 太原 030024）

随着“中国制造2025”规划的出台，“节能环保”成为人们普遍关注的话题，汽车轻量化技术已经成为汽车发展的趋势。相关研究表明，汽车质量每降低10%，燃油消耗将减少6%～8%，相应的碳排放下降4%[1-3]。铝、镁合金等材料具有密度低、比强度高，耐腐蚀性好等优点，已经成为不可或缺的汽车轻量化材料。由于汽车关键零部件仍需要大量使用高强钢，因此实现铝/钢、镁/钢等异种材料的有效良好连接对汽车轻量化以及节能环保具有重要的意义[4-6]。然而，由于异种材料在物理化学性能上差异较大，采用传统的熔化焊方法容易出现裂纹等缺陷，难以得到优质、高效的焊接接头，如何获得高强度、低成本的异种金属复合材料是支撑该结构应用的技术瓶颈。电磁脉冲焊接是随着电磁成形技术发展起来的一项特种焊接技术，该技术适合于异种材料连接，尤其是管件与薄板件的焊接[7]。电磁脉冲焊接技术的原理如图1所示，使用电容器对线圈进行放电，线圈回路中会产生高频的、正弦衰减的电流，并在线圈周围产生变化的磁场，导致飞板内部产生感应电流。感应电流在强磁场的作用下，使飞板受到巨大的磁场力，将飞板在微秒级的时间内加速到百米每秒的速度并与基板发生碰撞，在适当的碰撞角度下，两块板实现冶金连接[8-10]。与常规的焊接方法相比，电磁脉冲焊接具有的优势：焊接过程短，可以瞬间完成；异种金属材料焊接性较好，实用性广泛；焊接工艺参数精确可控，生产过程易于实现自动化；焊接过程中明显的热影响区，且接头质量高[11-13]。国内外的诸多高等院校与科研机构对电磁脉冲焊接技术开展了相应的研究开发，本文对近年来国内外电磁脉冲焊接技术的进展进行了总结分析，并对未来的发展提出了展望和建议。

图1 电磁脉冲焊接技术原理图

1 工艺参数和接头性能研究

国内外高校及科研机构对电磁脉冲焊接工艺参数的研究上做了大量的工作。不同的放电电压与板间间隙等参数会直接影响焊接接头性能及界面形貌。耿辉辉等人[14-15]以汽车工业中常用到的5系铝合金与高强钢为例，采用电磁脉冲焊接方法实现了二者之间的可靠连接，分析了不同的放电能量对焊接接头性能的影响。研究表明，放电能量的增加能明显地增大有效焊缝面积，这是因为在较高的放电能量下，接触点的碰撞速度得以增大，那些原本在较低能量下不能形成焊缝的区域也容易发生冶金结合从而形成焊缝，使得焊缝外缘发生外扩，增大了焊缝的有效焊接面积。当放电能量从25 kJ增加到40 kJ时，有效的焊缝面积随之从89 mm2增加到121 mm2，如下页图2所示。并且随着放电能量的增大，焊接接头的抗拉载荷明显提升，并逐渐超过了母材的强度，当接头受到外加载荷的时候，母材易发生断裂。

徐志丹[16]对3A21铝合金外管和20号钢内管进行了电磁脉冲焊接工艺试验，通过改变搭接角度，研究不同搭接角度下的焊接效果，从而确定出最佳的焊接角度。他对搭接角为3°、4°、5°的焊接试样做抗拉试验，结果均为母材断裂，又通过剥离试验对接头进行了检验，发现搭接角度为3°的试样其中间部分未焊合，搭接角度为5°的试样仅在外管端部与内管碰撞的区域实现了焊接，而搭接角度为4°的试样界面形貌如图3所示，图上可以看出整个连接区焊接良好，得知理想的搭接角度应为4°左右。同时又对不同搭接角度的接头轴向取样，对各试样进行了SEM分析，分析得知平直型接头为波形接头，但由于未出现明显的过渡区，此接头强度较低。搭接角度为3°的接头过渡区厚度不均匀，在部分区域仅形成类似于平直型接头的波形界面，并未发生连续的固相结合，因此难以保证接头的气密性。搭接角度为4°的接头出现了连续的过渡区。在此条件下，过渡区宽度均匀且可以保持连续，在过渡区内部出现了与开尔文-亥姆霍兹波类似的波形。当搭接角达到5°时，连接区的部分部位接头仅为平直型接头，并未出现波形界面，这将导致接头强度显著降低。

图2 不同放电能量下Al-Fe接头有效焊接面积

图3 搭接角度4°界面形貌

Li等人[17]设计并开发了模块化的EMPW系统，实现了1060铝合金板和T2铜板的电磁脉冲焊接。通过焊接实验，探讨了放电电流频率对电磁脉冲焊接的影响。结果表明，放电电流频率会影响射流和焊接效果。在放电能量相同的情况下，随着放电电流频率的增加，从铝合金板变形到射流产生的时间间隔减小。在相同的放电能量下，通过改变放电电流频率可以提高焊接效果和能量利用率。此外，一味的提高放电电流频率并不意味着提升焊接效果，应根据不同的焊接条件研究最佳放电电流频率。

Kore等人[18]通过电磁脉冲焊接工艺实现了1 mm2厚的铝板与0.25 mm2厚的不锈钢板的焊接。在放电能量恒定为5.18 kJ的条件下，研究了不同截面的线圈以及不同板间间隙对焊缝强度的影响。通过对焊接接头做拉剪测试，获得的焊缝的抗拉剪切强度与间隙距离的关系。分析可知，在放电能量为5.18 kJ，板间间隙为1.5 mm时，焊接接头抗拉剪切强度最大，为35.5 MPa。因此，焊接过程中飞板与基板的间隙有一最佳范围，超过或不足此区间，接头的抗拉载荷都会下降，只有在最佳值的范围内，接头的强度和可靠性都有较好的表现。

2 数值建模与模拟仿真技术研究

由于电磁脉冲焊接的碰撞速度可达250 m/s以上，现有技术手段很难全面掌握焊接过程的实时动态数据，从而导致困难进一步了解工件的变形规律，优化线圈和改善焊接接头的质量。采用计算机数值模拟的方式来仿真此过程，可以避开理论和实验上的困难，推动电磁脉冲焊接技术的发展。

Zhou等人[19]通过COMSOL Multiphysics软件，建立了1060铝合金板和T2铜板的3D有限元模型，对电磁脉冲焊接过程进行了数值模拟，来分析飞板的动态行为。结果表明，飞板的动态行为可分为三个阶段：变形阶段，碰撞阶段和膨胀阶段。当飞板上的洛伦兹力大于变形阻力时，飞板开始变形。飞板的运动有两个方向：一个平行于焊接方向，另一个平行于线圈方向，并且两个方向彼此垂直，且飞板的平行于线圈方向的运动速度大于平行于焊接方向的运动速度。

Cao等人[20]基于有限元软件COMSOL建立了板料电磁成形过程中的全耦合模型，分析了工件变形位移和速度对线圈电流和电磁力的影响。结果表明，在电磁成形过程中发生的工件变形会改变系统的电感，从而影响流过线圈的放电电流和作用在工件上的电磁力。同时，变形工件的位移和速度对工件所受的电磁力与工件变形又有一定的影响，因此用全耦合的有限元方法研究此过程更为准确。

Shim等人[21]采用电磁脉冲焊接工艺实现了铝/钢管件焊接，研究得到焊接的最佳充电电压为8，最佳放电时间约为25。采用ANSYS中计算非线性方程的Newton-Raphson方法进行数值模拟分析，实验结果与仿真结果吻合较好；通过计算结果与实测结果的比较，验证了所建立的模型的正确性，为今后的焊接试验提供了有效指导。

李光耀等人[22]采用了顺序耦合法建立了三位电磁场与变形场的仿真模型，模拟了5182 Al与HC340LA板件电磁脉冲焊接过程。研究表明，随着放电电流增加，飞板感应电流峰值明显增加。在整个回路中，搭接区中间部位和工件上下两侧的电流密度较大。随着放电能量增加，飞板所受电磁力不断增大。同时，飞板所受电磁力随时间变化与飞板上感应电流随时间变化规律一致，只是电磁力相对感应电流有1～2的滞后。并将飞板的碰撞速度试验值与仿真模拟结果对比，误差不超过9%，表明所建立的仿真模型是可靠的，可用于指导电磁脉冲焊接试验。

3 接头界面微观形貌与接头性能研究

近年来，许多研究者对电磁脉冲焊接接头界面形貌与结合机理做了大量研究，并通过观察界面形貌，推测了结合机理与微观组织形貌和性能之间的关系。

Wang等人[23]采用电磁脉冲焊接法焊接铝合金薄板和镀锌钢板，观察界面结构时发现铝合金薄板中存在许多白色颗粒，根据EDS分析结果，这些颗粒主要是由铝和锰元素制成的Al-Mn相。在透射电镜下观察样品的形态，在过渡区发现了一些较大的空隙缺陷和塑性变形，如图4所示，Sapanathan等人[24]在铝合金的磁脉冲焊接接头的焊接界面处发现了类似的空洞，原因是在焊接过程中，高速碰撞产生的局部高温和高压导致两种金属的接触面迅速形成，迅速冷却并凝固，这些条件促进了空洞的形成。在空洞形成的过程中，由于高速碰撞的影响，空洞也连续运动，多个小空洞汇聚在一起，形成了较大的空洞。空洞现象的出现会大大降低焊接接头的机械性能。

Watanabe等人[25]实现了A5052铝合金与TP340纯钛板的电磁脉冲焊接，通过对接头微观界面观察，发现焊接界面呈典型的波浪形，并沿波浪形界面形成中间层，通过TEM观察和STEM-EDX分析表明，中间层由直径约为100 nm的过饱和固溶体晶粒组成，这些细化的过饱和固溶体晶粒的形成是接头界面强度提高的主要原因。

图4 透射电镜下铝与镀锌钢板焊接接头界面

Wang等人[26]对6061-0铝合金薄板与纯铜T2金属板进行了电磁脉冲焊接实验，研究发现焊接接头主要由两个主要区域组成：环形焊接区域和内部非焊接区域。内部非焊接区的形成是由于碰撞角不足和回弹现象的发生。环形焊接区的外部和内部区域主要表现出扩散结合和机械互锁，由于互锁作用导致外部区域界面结合似乎优于内部界面结合。由于电磁脉冲焊接工艺中的时间极短，因此观察到波浪状连续扩散层厚度约为1～2。随着放电电压升高，观察到的界面扩散层和机械互锁的现象就越明显，甚至表现“倒钩状”的界面特性。

苏德智等人[27]通过电磁脉冲焊接工艺成功实现了铝铜板的焊接，当电容器放电电压为11 kV，两板间隙为1.4 mm时，整个接头连接质量良好。对接头连接区域进行EDS线扫描分析，如图5所示，线扫描结果显示接头在所测量的位置处约有12.7的元素扩散区域，且Cu向Al中的扩散距离大于Al向Cu的扩散距离，且在元素扩散区域未发现Cu和Al含量相互平行区域，说明没有金属间化合物的生成，或者金属间化合物的量极少。

图5 铝铜电磁脉冲焊接界面的元素线扫描分析结果

4 电磁脉冲焊接技术研究展望

电磁脉冲焊接作为目前一种较新的焊接技术，在节能环保，优质高效，复合材料成形方面等具有诸多优势，非常有必要加快此工艺在更多工业领域的推广运用，从而推动电磁脉冲焊接工艺的快速发展及产业化。展望电磁脉冲焊接技术在今后的发展，以下几个方面的问题值得关注。

1）建立电磁脉冲焊接可焊性工艺窗口，电磁脉冲焊接接头质量取决于工件碰撞速度与碰撞角，而电容器电容、放电电压、工件间隙等是决定其碰撞速度的主要工艺参数，通过仿真模拟与试验研究建立精确的可焊性工艺窗口，可以极大的降低前期实验的成本投入，缩短产品的开发周期。

2）对接头在各自服役条件下的接头性能进行定量表征，从而揭示出接头在各种服役条件下的失效机理，可以保证其日后再各种环境下可靠服役，此方面的深入研究有利于电磁脉冲焊接技术在汽车制造、航空航天等领域的应用。

3）基于常规的电磁脉冲焊接工艺研究的基础，在现有的工艺基础与结合机理研究基础上，可以通过工艺改进的创新研究，开展新工艺与新方法的研究开发，使电磁脉冲焊接、电磁成形等电磁制造技术引领基础制造业的革新。