《JOURNAL OF MATERIALS PROCESSING TECHNOLOGY》：An innovative method for magnetic pulse welding of Al/Cu thin-walled tube with granular support: Mechanism, process, and properties
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•开发了一种用于小直径Al/Cu薄壁管的颗粒支撑辅助磁脉冲焊接工艺。•实验和数值模拟表明，颗粒支撑有效抑制了管材的塌陷并提高了焊接稳定性。•在32 kJ的能量下，接头处的拉力达到了1.35 kN，且界面强度超过了基材。•动态颗粒压实促进了应力重分布和应变消散。•应力波模型阐明了在
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开发了一种用于小直径Al/Cu薄壁管的颗粒支撑辅助磁脉冲焊接工艺。
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实验和数值模拟表明，颗粒支撑有效抑制了管材的塌陷并提高了焊接稳定性。
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在32 kJ的能量下，接头处的拉力达到了1.35 kN，且界面强度超过了基材。
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动态颗粒压实促进了应力重分布和应变消散。
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应力波模型阐明了在颗粒支撑下界面波形成和强化机制。
引言
薄壁管具有较高的刚度重量比，广泛应用于发动机燃油系统、汽车车身和制冷设备等[1]。为了降低成本和实现轻量化设计，用铝替代铜已成为主流工业趋势[3]。然而，由于Al/Cu薄壁管在热物理性能上的显著差异以及壁厚减小导致的结构刚性降低，使得它们之间的连接变得具有挑战性[4]。
目前，制冷行业中常用的连接技术包括感应钎焊[5]、激光焊接[6]和摩擦搅拌焊接[7]。然而，这些基于热量的方法存在固有的局限性[8]。脆性的Al-Cu金属间化合物（IMCs）的形成会降低接头的延展性和可靠性[9]。此外，热导率的不匹配可能导致熔透或熔合不完全等缺陷[10]，尤其是在壁厚小于0.5毫米的管材中[11]。尽管先进的焊料可以在一定程度上抑制IMC的形成[12]，但由此带来的工艺复杂性和制造成本增加仍然是一个问题[13]。因此，开发一种高质量且成本效益高的焊接工艺对于连接不同材质的薄壁管至关重要[14]。
磁脉冲焊接（MPW）是一种由电磁力驱动的高速固态连接技术，具有高效、强金属结合性和无热影响区（HAZ）的特点[15]。如图1(a)所示，外管在微秒级时间内迅速加速撞击内管，从而在MPW过程中形成金属结合[16]。先前的研究[17]表明，MPW在连接不同金属方面相比传统熔焊和钎焊具有明显优势。因此，MPW为连接Al/Cu薄壁管提供了一种有效的解决方案。
在传统的MPW中，通常使用厚壁管或实心棒作为内衬件，因为它们具有较高的刚度和优良的焊接质量[18]。然而，这种结构无法满足制冷系统中的流体传输要求，这限制了MPW在薄壁管组件中的实际应用。如图1(b)所示，由于结构刚性不足，目标管在高速度撞击下会发生严重的径向塌陷、起皱和断裂[19]。
为了提高薄壁内管的刚度，人们提出了多种支撑方法。如图1(c)所示，将刚性芯轴插入内管可以有效抑制焊接过程中的变形[20]。然而，这种组装和拆除过程较为复杂，尤其是对于小直径管材。为了提高适应性，进一步开发了使用螺纹杆、垫圈和螺母的机械辅助芯轴系统，如图1(d)所示[22]。但这些方法在实际生产中的兼容性和适用性仍然有限。
最近，许多研究人员尝试探索通过MPW连接不同材质薄壁管的新方法。Faes等人[20]评估了使用不同固体材料填充薄壁管以增强内管刚度的密封性、焊接长度和变形结果。结果表明，聚氨酯（PU）、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、聚酰胺（PA6.6）和钢棒可以提供刚度支撑，并减少焊接过程中内管产生的不必要的变形。然而，拆除过程需要额外的机械辅助，或者这些材料不可重复使用。Yan等人[21]开发了一种多缝场成形器来改善磁脉冲焊接中的周向变形均匀性。他们的结果表明，优化场成形器配置可以有效调节电磁力分布并提高焊接质量。然而，所研究的管材壁厚为1毫米，而较薄管材的刚性不足和不稳定性问题尚未得到充分研究。Lueg-Althoff等人[22]结合了激光测量技术和预应力计算来确定内管壁厚的临界值，并实现了内外管厚度相等的无支撑磁脉冲焊接。然而，当内管壁厚小于外管壁厚时，连接小直径薄壁管的问题尚未解决。
尽管现有的支撑策略可以在不同程度上抑制变形，但它们通常依赖于刚性插件或复杂的辅助结构，导致适应性有限和组装/拆卸困难。此外，当前基于场成形器的方法主要侧重于优化电磁加载，而不是从根本上提高薄壁内管的刚度。
为了解决这些限制，提出了一种带有颗粒支撑的磁脉冲焊接（MPW-GS）方法，如图1(e)所示。与传统刚性支撑相比，颗粒支撑（GS）可以在高速度撞击时适应几何变化，并提供有效的约束[23]。更重要的是，颗粒介质在撞击下的致密化显著提高了应力传递效率，从而减轻了内管的局部不稳定性和过度变形[24]。这种策略有望促进小直径薄壁管的可靠焊接，并扩大MPW在轻量化管状结构中的应用范围。
在这项工作中，通过实验和数值模拟系统地研究了MPW-GS工艺的可行性。通过拉伸试验、剥离试验和微观表征分析了变形行为、焊接特性和界面结合机制。此外，从应力重分布、局部压实和应变消散的角度阐明了颗粒介质的动态支撑机制。最终，开发了一个应力波传播模型来阐明焊接机制和颗粒压实对界面波形成的影响。这些结果为通过MPW高质量连接不同材质的薄壁管提供了新的策略。
章节片段
MPW-GS原理
MPW是一种依靠高速度冲击的固态连接工艺。然而，薄壁内管的低刚性使它们容易发生焊接失败。虽然传统的刚性芯轴可以提高刚性，但在组装过程中会带来显著挑战。焊接后去除支撑物仍然是现有研究中的一个未解决的问题。为了解决这个问题，MPW-GS方法采用了离散的固体颗粒作为支撑介质。这种方法提供了足够的结构支持
颗粒支撑的可行性验证
通过比较焊接接头的形貌来评估颗粒支撑（GS）在抑制变形方面的有效性。如图7(a)所示，MPW-GS接头表面相对光滑，内管的变形最小。相比之下，未经支撑的传统MPW接头出现了严重的起皱和显著的径向塌陷。
为了定量评估支撑效果，焊接后测量了铜管的内径，如图7所示
结论
为了解决小直径铝铜薄壁管的连接问题，提出了一种使用颗粒材料支撑母材内壁的磁脉冲焊接方法。与固体材料相比，颗粒材料具有更好的操作性和多功能性，为固态焊接技术中的支撑材料提供了新的选择。从研究中得出了以下结论：
所提出的带有颗粒支撑的MPW工艺被证明可以成功焊接薄壁管
伦理批准
作者声明，本研究论文的内容符合Springer的伦理标准。
CRediT作者贡献声明
杜伟东：撰写——原始草稿、验证、软件、方法论、研究。李光耀：软件、资源、项目管理。孙浩：软件、方法论、研究、数据管理。蒋昊：撰写——审阅与编辑、监督、方法论、资金获取。崔俊佳：可视化、方法论、数据管理。
利益冲突声明
作者声明，他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文报道的工作。
致谢
本项目得到了中国国家自然科学基金（编号52375331）、广西科技重大专项（AA23062063）、国家水资源高效利用与工程安全工程技术研究中心开放研究基金（GJGCZX-JJ-202406）以及中央高校基本科研业务费（编号531118010862）的支持。
杜伟东|孙浩|李光耀|崔俊佳|蒋昊
