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研究背景

铝/铜双金属复合构件兼具轻量、耐腐蚀、高导电、高导热等多种优势性能，在电力建设、新能源汽车制造等领域具有广阔应用前景。电磁脉冲焊接(Electromagnetic pulse welding, EMPW)技术利用电磁力驱动金属工件的高速碰撞实现冶金结合，可克服铝与铜的物理化学性质差异实现两者连接。然而，有学者在铝/铜EMPW研究中发现，其接头处存在金属间化合物、裂缝等中间层，导致接头力学性能不佳。为此，亟需提出一种抑制电磁脉冲焊接接头金属间化合物产生的方法，以改善EMPW接头性能。

论文所解决的问题及意义

本文提出基于双线圈结构的电磁脉冲焊接接头金属间化合物抑制方法，以期减少甚至避免中间层产生、提高焊接接头力学性能。本文所涉及的理论和方法不仅仅局限于铝/铜板件焊接，也可为其他异种金属板件焊接中金属间化合物产生的抑制提供新思路新途径。

论文方法及创新点

1、电磁脉冲焊接界面中间层抑制方法理论分析

接头界面金属间化合物等中间层的生成归因于焊接界面强剪切作用产生的温升。本文根据团队前期研究所提出焊接界面形成机理的显函数模型，阐明影响焊接界面剪切作用的因素，提出通过降低焊接界面水平方向的运动速度来削弱焊接界面的剪切作用，从而抑制焊接接头生成金属间化合物。

2、基于单线圈和双线圈结构EMPW运动过程数值模拟

建立了基于单、双两种线圈结构的EMPW仿真模型。图1展示了不同线圈结构焊接过程中的板件运动过程。基于单线圈结构的焊接过程中只有其中一个板件变形，而基于双线圈结构的焊接过程中两个板件发生了变形，且板件的变形体现出非对称性，铝板的变形量稍大，铜板则相对较小。

（a）基于单线圈结构的电磁脉冲焊接运动过程     

（b）基于双线圈结构的电磁脉冲焊接运动过程

图1  电磁脉冲焊接板件运动过程仿真结果

3、基于单线圈和双线圈结构EMPW过程板件运动过程分析

采用高速摄像机捕捉基于单线圈和双线圈结构EMPW中板件的运动过程如图2（a）和（b）所示。飞板的运动过程包含变形阶段、碰撞阶段和扩张阶段三个阶段，且观测到碰撞后会产生金属射流。基于双线圈结构的EMPW过程中，飞板在扩张阶段两个板件同时沿水平方向运动，此时界面处两个板件的水平方向运动速度相较于基于单线圈结构的EMPW明显更低，如图2（c）所示。

（a）基于单线圈结构的EMPW过程（放电电压12 kV） 

（b）基于双线圈结构EMPW过程（放电电压8 kV）

（c）板件水平方向相对运动速度随时间变化曲线

图2  高速摄像机拍摄的电磁脉冲焊接板件运动过程

4、基于单线圈和双线圈结构的EMPW接头微观形貌分析

如图3所示，基于单线圈结构所获的焊接接头界面存在明显的中间层，采用能谱仪点扫描分析中间层成分，结果如表1所示，确定其为Al2Cu。基于双线圈结构所获的焊接接头接合界面形貌如图4所示，未观察到明显的中间层，部分界面为小波纹形貌，大部分界面为直线型形貌，表明界面剪切效应较低，界面温升未能促进形成中间层。

图3  基于单线圈结构的EMPW焊接界面形貌（15 kV）

表1  不同点扫描结果及对应金属间化合物物质

图4  基于双线圈结构EMPW焊接界面形貌（10 kV）

结论

1）通过双线圈结构可控制界面相对水平运动速度，基于双线圈结构焊接的水平运动速度最大值为180 m/s，基于单线圈结构的水平运动速度最大值为410 m/s。

2）基于单线圈结构所获的EMPW接头界面存在中间层，且界面具有较高的剪切性。基于双线圈结构所获的EMPW接头界面则主要为直线形貌，无明显中间层，存在元素扩散。

3）基于双线圈结构的EMPW可以通过降低界面的剪切效应抑制中间层的产生，有利于改善焊接接头性能。

重庆大学先进电磁制造团队依托重庆大学输变电装备技术全国重点实验室，主要围绕脉冲功率技术及其应用、先进电磁制造技术等开展科研工作，在《Applied Physics Letters》、《IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation》、《 IEEE Transactions on Plasma Science》、《Journal of Manufacturing Processes》、《Journal of Materials Processing Technology》、《电工技术学报》等国内外高水平学术期刊发表电磁脉冲焊接相关论文40余篇，授权发明专利近20项，出版电磁脉冲焊接领域首部学术专著《电磁脉冲焊接理论与技术》。近年来，团队主持国家自然科学基金项目4项、重庆市自然科学基金联合基金（重点项目）等省部级项目10余项，南方电网科技项目、国家电网科技项目等横向课题10余项，主研国家重点研发计划、国家重大科研仪器研制项目、国家自然科学基金创新群体基金和国家自然科学基金重点项目等多项课题。