电场作用下超塑性焊接实验装置研制及UHCS超塑性焊接

摘要

电场可以改善材料的超塑性，将材料电致超塑性效应与固态焊接技术有机结合以开发新的固态焊接技术，具有重要的使用价值和工业应用前景。本文研制了一种可以提供强电场环境的超塑性压缩和固态焊接实验装置，并在此基础上，研究并开发了电场环境下材料压缩超塑性和超塑性固态焊接新技术。
　　 本文研制的实验装置主要包括四个系统：高压电源系统、施加径向电场的电场装置、加热及温度控制系统和加载及数据采集系统。该装置具有以下功能：可在试样表面提供的电场类型包括直流、交流和脉冲，试样与环状电极接法共12种；电场强度范围为0～15kV/cm，工作温度范围为室温～950℃，试验机压头速率范围为0.02～60 mm/min，试样表面场强均匀、试样及电极与试验机之间绝缘良好；装置可对电场作用下超塑性压缩变形全过程进行实时跟踪、记录、数据处理及显示。
　　 本文以1.6[％]C超高碳钢(UHCS-1.6C)和40Cr钢为研究对象，在自制的实验装置内进行了电场作用下球化退火态UHCS-1.6C钢单向超塑压缩实验及其与盐浴循环淬火40Cr钢超塑性固态焊接实验研究，分别探讨了电场和超塑工艺参数对UHCS-1.6C钢超塑压缩力学特性和UHCS-1.6C/40Cr焊接接头的影响，初步讨论了电场作用下压缩超塑性作用机制和固态焊接接头形成机制。实验结果表明：球化退火态UHCS-1.6C钢在变形温度760～800℃、初始应变速率(0.75～3.0)×10-4s-1变形条件下进行电场作用下超塑压缩变形时，呈现出较好的超塑性效应。在变形温度780℃、初始应变速率1.5×10-4s-1条件下，试样接正、负极时外加电场均使UHCS-1.6C钢稳态流变应力降低，其中以试样接正极时效果更显著，在外加电场强度E=3kV/cm时降幅达到10.5[％]；应变速率敏感性指数m值由不加电场的0.28升至0.46，变形激活能显著降低；外加电场更有利于UHCS-1.6C钢压缩试样边缘区晶粒保持等轴状，但在超塑压缩过程中没有新相生成。经盐浴循环淬火40Cr和球化退火态UHCS-1.6C钢，在试样接正极，电场强度3kV/cm、保温时间20min、预压应力56.6MPa、焊接温度780℃和初始应变速率1.5×10-4s-1条件下焊接8min，超塑焊接接头拉伸强度达533MPa，为40Cr母材强度的76[％]，比不加电场时接头强度提高15[％]。
　　 经大量超塑性压缩和固态焊接实验使用表明：本文研制的整套装置功能齐全、测试精度高，解决了高温、高电压和动载荷情况下的绝缘问题，使用安全可靠，操作方便，可以满足固体材料在强电场环境下超塑性压缩与超塑性固态焊接实验及应用研究的要求。