《Journal of Materials Research and Technology》：The electro-hydraulic expansion bonding process: a new bonding-strength-enhancing composite method for bimetallic pipes
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为拓宽材料相容窗口并提高双金属管的结合强度，研究人员提出了电液胀形结合（Electro-hydraulic Expansion Bonding，EHEB），一种新颖的高应变率复合成形工艺。与准静态方法不同，该方法利用基层管与衬管材料间应变率强化敏感性的差异来实
为拓宽材料相容窗口并提高双金属管的结合强度，研究人员提出了电液胀形结合（Electro-hydraulic Expansion Bonding，EHEB），一种新颖的高应变率复合成形工艺。与准静态方法不同，该方法利用基层管与衬管材料间应变率强化敏感性的差异来实现更优的结合强度。采用外径23–25 mm、壁厚1 mm的3003-H18铝合金衬管与外径34 mm、壁厚4 mm的20#钢基层管验证了可行性。通过仿真与实验相结合确定了最优工艺条件：基层管与衬管间间隙0.5 mm，放电电压7 kV时，剪切强度达3.469 MPa。更为关键的是，通过在钢基层管内壁进行精密车削引入轴向表面特征，大幅增强了机械嵌锁（mechanical interlocking），使剪切强度提升至7.753 MPa。数值模拟佐证，对于该材料组合，相同参数（0.5 mm间隙、7 kV放电电压）下预测的表面接触结合强度峰值为6.96 MPa。机理方面，高应变率载荷下基层管屈服后产生的弹性变形大于准静态条件，卸载时弹性恢复量更大；该效应在钢基层管中比铝衬管更显著，从而在界面产生远高于准静态条件的残余压应力——这是剪切强度显著提升的原因。
《电液胀形结合（EHEB）工艺制备双金属衬里复合管的研究解读——基于〈Journal of Materials Research and Technology〉刊载论文》
一、研究背景与立项依据
在油气、化工、海洋工程及城市供水等领域，传统单体管材难以同时满足耐腐蚀、高强度、低成本及长寿命的综合要求。内衬双金属机械结合管（internally lined bimetallic mechanically bonded pipes）由耐腐蚀内衬管（如不锈钢、铝合金、钛合金）与高强度外基管（碳钢或低合金钢）通过径向过盈配合连接而成，成为重要的解决方案。现有机械结合技术包括旋压成形（spin forming）、液压胀形（hydraulic expansion）、冷轧/扩径（cold rolling/expansion）、电磁脉冲结合（Electromagnetic Pulse Bonding，EMPB）及爆炸焊接（explosive bonding），但各自存在局限：液压胀形要求超高压密封；小直径管EMPB线圈寿命不足；爆炸焊接存在安全隐患且损伤内表面。此外，对于3003铝合金衬管/20#钢基管这一材料匹配，理论计算表明常规液压胀形无法获得有效残余接触压力，即静压法难以实现结合。电液成形（Electro-hydraulic Forming，EHF）利用水中高压放电产生等离子通道及瞬态冲击波使工件在高应变率下塑性变形，具增塑效果且无需严苛密封，电极可多次稳定放电，有望克服上述瓶颈。基于此，研究人员提出电液胀形结合（Electro-hydraulic Expansion Bonding，EHEB）新工艺，系统探究其对双金属管结合性能的影响及强化机制。
二、主要关键技术方法
研究人员对20#钢基管（内径26 mm、壁厚4.5 mm）和3003-H18铝合金衬管（壁厚1 mm、外径可调以改变初始径向间隙为0.5/1.0/1.5 mm）开展实验。通过万能试验机和Hopkinson拉杆（Hopkinson Tension Bar，HTB）分别测定准静态及高应变率（1500–4500 s–1）下的应力–应变曲线，拟合Johnson–Cook（J–C）本构模型（忽略温度项）。EHEB装置含100 μF电容储能系统（最大20 kV）、水下两电极间搭桥铝丝（Φ0.6 mm，长100 mm匹配结合区），环隙经旋片式真空泵抽至~3.91×102Pa（真空度99.6%）排除残气。系统考察放电电压（5–9 kV）、初始径向间隙（0.5–1.5 mm）及结合面形貌（精加工/喷砂/车削）对结合质量的影响。结合强度以环形剪切（ring-shear）试样在万能试验机上压剪测得界面剪切强度τ = Fmax/(π·d·w)。界面形貌用扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscope，SEM）观察，表面粗糙度用共聚焦激光扫描显微镜轴向测量。采用ANSYS/LS-DYNA建立四分之一三维任意拉格朗日–欧拉（Arbitrary Lagrangian–Eulerian，ALE）模型，含等离子通道、水、空气、基/衬管及刚体堵头，通过*CONSTRAINED_LAGRANGE_IN_SOLID实现流–固耦合，验证并分析动态变形与残余应力分布。
三、研究结果
3.1 Validation of the numerical simulation（数值模拟验证）
通过4 kV放电下衬管变形后的外径测量值与模拟值对比，最大误差仅0.1 mm（误差率0.4%），证实ALE模型可准确描述EHEB过程中基/衬管动态变形行为。
3.2 The influence of process parameters on bonding strength（工艺参数对结合强度的影响）
仿真显示：固定间隙时基管最大鼓胀高度随电压升高而增大；固定电压时间隙增大则鼓胀高度减小（更多能量耗于衬管变形）。间隙0.5 mm、7 kV时基管中部开始出现塑性应变。残余接触压力分析表明：5 kV未达有效结合所需变形；6 kV局部结合；7 kV近全周结合且残余接触强度最高；超过7 kV基管塑性变形增大、回弹差减小且碰撞压力过大致界面微碎屑夹杂削弱结合。间隙从0.5增至1.5 mm，衬管吸能增多、基管变形减小，二者回弹差缩小，平均残余接触强度下降。
3.3 Experimental results（实验结果）
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3.3.1 Effect of discharge voltage on the bonding performance of bimetallic pipes（放电电压影响）：间隙0.5 mm时，5 kV无有效结合；随电压升高结合渐强，7 kV达峰值剪切强度3.469 MPa；9 kV降至0.45 MPa（基管发生宏观塑性胀大外径+0.2 mm，衬管碰触面破碎，界面混入双金属碎片阻碍结合）。SEM显示6 kV界面存~10 μm微隙，7 kV微隙减少，8 kV基管内壁微碎片（~10 μm）混入，9 kV出现双金属碎片。
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3.3.2 Effect of the radial gap on the bonding performance of bimetallic pipes（径向间隙影响）：恒压7 kV时间隙0.5 mm剪切强度最高，1.0 mm和1.5 mm依次降低（间隙大→衬管加速距离长→碰撞速度高→界面碎片增多且回弹差减小）。0.5 mm界面致密无碎屑；1.0 mm见约20个~10 μm钢碎屑；1.5 mm出现铝合金碎屑。
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3.3.3 Effect of surface roughness on the bonding performance of bimetallic pipes（表面粗糙度影响）：仅衬管外壁车削纹降低结合强度（硬基管未能压印，纹路未填满形成轴向间隙）；仅基管内壁喷砂（Ra 2.0–2.6 μm）使剪切强度升至5.871 MPa；基管内壁车削（Ra 3.4–3.8 μm）引入轴向沟槽使较软铝衬管塑性压印其中形成机械嵌锁，剪切强度达7.753 MPa（最高）。共聚焦测量证实组D中衬管外壁粗糙度显著增加且复现基管内壁加工纹理。
3.4 Analysis of deformation behavior in the base/liner pipes during EHEB（EHEB过程中基/衬管变形行为分析）
水中金属丝电爆产生柱面冲击波，约7 μs抵达衬管内表面（压力衰减至~20 MPa，近丝区~130 MPa），轴向均布，堵头端因波反射叠加形成局部高压区。18 μs堵头端附近衬管率先撞击基管。冲击后基/衬管协同径向胀形至~28 μs达峰，随后弹性收缩、再回弹扩张。因基管弹性模量高回弹速率大于衬管致短暂分离，最终受后续衰减冲击波与阻尼作用稳定在平衡位置——衬管径向位移0.508 mm、基管0.00687 mm，差值大于初始0.5 mm间隙确认紧密接触。应力分析显示基管流动应力（~997 MPa）远高于衬管（~108 MPa），高应变率下20#钢屈服强度由570 MPa升至950 MPa而3003铝合金应变率敏感性极低，此差异是高应变率下回弹差增大的根源。
3.5 Analysis of bonding strength enhancement mechanisms（结合强度增强机理分析）
EHEB过程分四阶段：冲击波传播→衬管变形及协同胀形（撞击基管后共胀）→弹性回弹→稳定接触。有效结合需基管回弹量Δε0=σo/Eo大于衬管Δεi=σi/Ei，且基管应保持弹性（σo≤σso）。高应变率下基管流动应力提升幅度远大于衬管（σo,dyn/σo,qs> σi,dyn/σi,qs），致使(σo,dyn/Eo)/(σi,dyn/Ei) > (σo,qs/Eo)/(σi,qs/Ei)，即高应变率条件扩大二者回弹差，产生更高界面残余压应力与结合强度。对静压无法结合的材料对（如本研究中3003/20#钢），若基管具更高应变率强化敏感性可通过EHEB实现可靠结合。
四、讨论与结论总结（翻译结论部分）
本研究介绍了一种创新的双金属管连接工艺——电液胀形结合（EHEB）。该工艺中水下电液效应产生的冲击波作用于衬管，驱动其撞击基管并使二者同步膨胀至预定变形量，随后的差异弹性恢复使两管因回弹差而结合。通过实验与模拟验证了电液胀形方法的可行性，系统考察了放电能量、初始间隙及结合面粗糙度的影响，并详细分析了成形过程中基–衬管组的变形行为。主要结论如下：
(1) 双金属管电液胀形过程中基、衬管均经历高应变率变形。与准静态成形相比，此条件下基管产生更大弹性变形；对于应变率敏感性低的衬管材料，电液胀形增大了两管弹性恢复量之差，从而获得高于准静态成形的界面剪切强度。
(2) 剪切强度随放电电压升高呈先增后减趋势。较低放电能量下基管变形小、回弹小于衬管；过高能量下基管屈服（回弹减小）且衬管碰撞速度过大造成界面破碎，损害结合完整性。
(3) 恒压7 kV下，初始径向间隙由0.5 mm增至1.5 mm，界面剪切强度逐渐降低。原因一是更多放电能转为衬管变形能使衬管流变应力升高、基管降低，缩小回弹差；二是较大间隙下衬管碰撞速度高可引起界面碎裂，妨碍两组件贴合。
(4) 不同基/衬管界面粗糙度匹配中，仅衬管外壁粗糙化劣化结合性能；基管内表面粗糙化（特别是车削引入轴向沟槽）可显著提升界面结合强度（通过机械嵌锁）。
研究同时指出局限性：结论限于单一材料组合与尺寸；依赖基管具高于衬管的应变率强化敏感性，否则未必增效；长管连续化需发展渐进式EHEB及配套密封与喂线技术。
