基本信息
- 项目名称：
- 难焊材料电致超塑性焊接新工艺及其实验装置
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 机械与控制
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 针对一类碳当量较大的难焊材料，开发出一种电致超塑性焊接新工艺及其实验装置，通过施加强电场，增强材料超塑性，可实现这类难焊材料的同材或异材间的高致密固态连接。
- 详细介绍：
- 超高碳钢UHCS等一类具有大体积分数碳化物的钢是重要的高性能工程材料，但可焊性差,严重制约其工业应用。钢中大体积分数的、化学稳定性和变形能力大小不一的碳化物是影响其可焊性的关键因素，是此类材料在应用中亟待重点解决的关键问题。 本作品在已有多功能高压电源专利的基础上，针对具有大体积分数碳化物钢这类难焊材料，研发出一种电致超塑性固态焊接新工艺及其实验装置。即通过施加强电场，增强固态焊接所必需的塑性变形和扩散，并通过对固态焊界面微区大体积碳化物的行为及其相关效应与焊合关系的研究，探讨电致超塑性焊接接头形成机理，优化焊接工艺，以获得高质量的固态焊焊接接头。 本作品技术构思新颖独特，方案设计合理，技术成熟可靠，具有很强的实用性。为解决超高碳钢等一类大体积分数碳化物钢难焊材料的成形加工提供了新的思路和方法，经济效益明显。
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 设计目的：超高碳钢UHCS等一类具有大体积分数碳化物钢是重要的高性能工程材料，但此类钢焊接性差导致其焊接加工困难。实现这类难焊材料与异材钢的焊接成为了其在工业应用中亟待解决的问题。 基本思路：目前实现异种难焊材料高质量固态焊接的有效方法不是很多，基于材料超塑性的超塑固态焊接是可行方法之一。但是超高碳钢的超塑性变形能力不足，通过施加强电场作用，能够提高材料的超塑性，增强其塑性变形和扩散能力，将更容易实现高质量的焊合。 创新点：将强电场作用引入到超塑性固态焊接过程中，技术构思新颖，具有首创性； 技术关键：解决焊接过程中动载荷下静电场作用的施加，以及实验装置的绝缘安全问题 主要技术指标：电场强度范围：0～15kv/cm；工作温度范围：室温～950℃；试验机压头速率范围：0.02～60 mm/min
科学性、先进性
- 针对超高碳钢等一类难焊材料，由于大量的碳化物导致其焊接性很差。常规的熔焊方法基本无法实现焊接加工，采用钎焊方法往往又无法满足钢材使用强度高的要求。 采用固态焊方法，借助于加热加压以满足接头形成所需的塑性变形和扩散，能最大程度实现接头与母材组织性能一致的高质量焊接。 电致超塑性是材料在电场作用下表现出的超塑性。施加电场可以进一步增强材料的超塑效应，改善碳化物变形行为，增强固态焊接所需塑性变形机制和扩散机制的进行，使超塑性焊接过程加快，并能使接头区晶粒细化、塑性改善。电致超塑性焊接新工艺在理论上和技术上是可行性的，这也将是这一类难焊材料焊接的最理想的选择。
获奖情况及鉴定结果
- 无
作品所处阶段
- 实验室阶段
技术转让方式
- 无
作品可展示的形式
- 实物 产品 模型 图片 录像
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 实验装置主要包括:试验机控制系统、温控系统、数据采集系统和加电场装置。由试验机控制系统和温控系统对焊接工艺参数进行控制，加电场装置提供电场作用环境，进行电致超塑性焊接，最终由数据采集系统收集焊接中的实验数据并加以分析。 作品的技术特点在于利用外加强电场作用，使难焊材料的塑性变形能力和扩散能力显著增强，焊接过程加快。这种优化的焊接工艺及其装置，具有控制简单、可操作性强、优化效果显著等优势。作品设计使用的电极和高压电源（已取得国家发明专利），解决了高温高压动载荷下的绝缘问题，施加电场作用的技术比较成熟。 电致超塑性焊接新技术所需压力小、无需真空或保护气氛、工艺设备简单。具有它固态压接技术不能比拟的特点，因而在现代制造领域具有潜在的工业应用前景和明显的技术经济效益。
同类课题研究水平概述
- 超塑焊接是一种基于材料超塑性的新型固态焊接技术。Schwartz.M.M 最早提出将材料超塑性应用于固态焊接。材料处于超塑性状态时，可在较低应力下实现大的塑性变形，而且在超塑变形过程中原子处于高激活状态，原子扩散能力加强，可以在较短时间、较低温度下产生明显的扩散，非常有助于实现待连接面的紧密接触、破膜及界面两侧的原子相互扩散而实现固态连接。 然而钢铁材料的超塑性相比于某些有色合金较差，且变形温度较高，特别是对于一类含有大体积分数碳化物钢的难焊材料，其超塑性固态焊接国内外研究不多。O.D.Sherby等用含弥散分布的球状渗碳体和铁素体超高碳钢合金，在Ac1温度下进行恒温超塑性固态焊接实验，并压制出了超高碳钢合金与低碳钢相间叠压的多层复合板；河南科技大学等对许多结构钢、工具钢进行了组织超细化预处理后的恒温超塑性固态焊接。但这些实验研究大多针对于一些低碳的焊接性较好的材料，对于难焊材料的超塑焊接研究效果并不理想。 金属的电致超塑性效应最早由O.A.Troitskii和V.I.Likhtman提出，随后美国科学家Varma等也开始了这方面的工作。北卡罗莱纳州立大学H.Conrad教授进行了大量关于电场对金属及合金塑性变形影响的研究。研究表明：金属在电致塑性或电致超塑性状态下，具有低的流动应力、高的塑变能力、以及高的原子扩散能力等特点，并且可以保证较低的超塑性变形温度、较低的变形力和高的应变速率。 基于上述研究，本作品开发出了针对难焊材料的固态焊接新工艺，首次将金属的电致超塑性效应的特点与以往的超塑性固态焊接有机的结合起来，并以此开发出新的焊接试验装置。通过施加强电场作用，对超塑性固态焊接工艺进行优化改进，这种独创性的思路经过理论论证具有很强的可操作性。
