基本信息
- 項目名稱：
- 難焊材料電致超塑性焊接新工藝及其實驗裝置
- 小類：
- 機械與控制
- 大類：
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡介：
- 針對一類碳當量較大的難焊材料，開發(fā)出一種電致超塑性焊接新工藝及其實驗裝置，通過施加強電場，增強材料超塑性，可實現(xiàn)這類難焊材料的同材或異材間的高致密固態(tài)連接。
- 詳細介紹：
- 超高碳鋼UHCS等一類具有大體積分數(shù)碳化物的鋼是重要的高性能工程材料，但可焊性差,嚴重制約其工業(yè)應用。鋼中大體積分數(shù)的、化學穩(wěn)定性和變形能力大小不一的碳化物是影響其可焊性的關鍵因素，是此類材料在應用中亟待重點解決的關鍵問題。 本作品在已有多功能高壓電源專利的基礎上，針對具有大體積分數(shù)碳化物鋼這類難焊材料，研發(fā)出一種電致超塑性固態(tài)焊接新工藝及其實驗裝置。即通過施加強電場，增強固態(tài)焊接所必需的塑性變形和擴散，并通過對固態(tài)焊界面微區(qū)大體積碳化物的行為及其相關效應與焊合關系的研究，探討電致超塑性焊接接頭形成機理，優(yōu)化焊接工藝，以獲得高質量的固態(tài)焊焊接接頭。 本作品技術構思新穎獨特，方案設計合理，技術成熟可靠，具有很強的實用性。為解決超高碳鋼等一類大體積分數(shù)碳化物鋼難焊材料的成形加工提供了新的思路和方法，經(jīng)濟效益明顯。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、技術關鍵和主要技術指標
- 設計目的：超高碳鋼UHCS等一類具有大體積分數(shù)碳化物鋼是重要的高性能工程材料，但此類鋼焊接性差導致其焊接加工困難。實現(xiàn)這類難焊材料與異材鋼的焊接成為了其在工業(yè)應用中亟待解決的問題。 基本思路：目前實現(xiàn)異種難焊材料高質量固態(tài)焊接的有效方法不是很多，基于材料超塑性的超塑固態(tài)焊接是可行方法之一。但是超高碳鋼的超塑性變形能力不足，通過施加強電場作用，能夠提高材料的超塑性，增強其塑性變形和擴散能力，將更容易實現(xiàn)高質量的焊合。 創(chuàng)新點：將強電場作用引入到超塑性固態(tài)焊接過程中，技術構思新穎，具有首創(chuàng)性； 技術關鍵：解決焊接過程中動載荷下靜電場作用的施加，以及實驗裝置的絕緣安全問題 主要技術指標：電場強度范圍：0～15kv/cm；工作溫度范圍：室溫～950℃；試驗機壓頭速率范圍：0.02～60 mm/min
科學性、先進性
- 針對超高碳鋼等一類難焊材料，由于大量的碳化物導致其焊接性很差。常規(guī)的熔焊方法基本無法實現(xiàn)焊接加工，采用釬焊方法往往又無法滿足鋼材使用強度高的要求。 采用固態(tài)焊方法，借助于加熱加壓以滿足接頭形成所需的塑性變形和擴散，能最大程度實現(xiàn)接頭與母材組織性能一致的高質量焊接。 電致超塑性是材料在電場作用下表現(xiàn)出的超塑性。施加電場可以進一步增強材料的超塑效應，改善碳化物變形行為，增強固態(tài)焊接所需塑性變形機制和擴散機制的進行，使超塑性焊接過程加快，并能使接頭區(qū)晶粒細化、塑性改善。電致超塑性焊接新工藝在理論上和技術上是可行性的，這也將是這一類難焊材料焊接的最理想的選擇。
獲獎情況及鑒定結果
- 無
作品所處階段
- 實驗室階段
技術轉讓方式
- 無
作品可展示的形式
- 實物 產(chǎn)品 模型 圖片 錄像
使用說明,技術特點和優(yōu)勢,適應范圍,推廣前景的技術性說明,市場分析,經(jīng)濟效益預測
- 實驗裝置主要包括:試驗機控制系統(tǒng)、溫控系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和加電場裝置。由試驗機控制系統(tǒng)和溫控系統(tǒng)對焊接工藝參數(shù)進行控制，加電場裝置提供電場作用環(huán)境，進行電致超塑性焊接，最終由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)收集焊接中的實驗數(shù)據(jù)并加以分析。 作品的技術特點在于利用外加強電場作用，使難焊材料的塑性變形能力和擴散能力顯著增強，焊接過程加快。這種優(yōu)化的焊接工藝及其裝置，具有控制簡單、可操作性強、優(yōu)化效果顯著等優(yōu)勢。作品設計使用的電極和高壓電源（已取得國家發(fā)明專利），解決了高溫高壓動載荷下的絕緣問題，施加電場作用的技術比較成熟。 電致超塑性焊接新技術所需壓力小、無需真空或保護氣氛、工藝設備簡單。具有它固態(tài)壓接技術不能比擬的特點，因而在現(xiàn)代制造領域具有潛在的工業(yè)應用前景和明顯的技術經(jīng)濟效益。
同類課題研究水平概述
- 超塑焊接是一種基于材料超塑性的新型固態(tài)焊接技術。Schwartz.M.M 最早提出將材料超塑性應用于固態(tài)焊接。材料處于超塑性狀態(tài)時，可在較低應力下實現(xiàn)大的塑性變形，而且在超塑變形過程中原子處于高激活狀態(tài)，原子擴散能力加強，可以在較短時間、較低溫度下產(chǎn)生明顯的擴散，非常有助于實現(xiàn)待連接面的緊密接觸、破膜及界面兩側的原子相互擴散而實現(xiàn)固態(tài)連接。 然而鋼鐵材料的超塑性相比于某些有色合金較差，且變形溫度較高，特別是對于一類含有大體積分數(shù)碳化物鋼的難焊材料，其超塑性固態(tài)焊接國內外研究不多。O.D.Sherby等用含彌散分布的球狀滲碳體和鐵素體超高碳鋼合金，在Ac1溫度下進行恒溫超塑性固態(tài)焊接實驗，并壓制出了超高碳鋼合金與低碳鋼相間疊壓的多層復合板；河南科技大學等對許多結構鋼、工具鋼進行了組織超細化預處理后的恒溫超塑性固態(tài)焊接。但這些實驗研究大多針對于一些低碳的焊接性較好的材料，對于難焊材料的超塑焊接研究效果并不理想。 金屬的電致超塑性效應最早由O.A.Troitskii和V.I.Likhtman提出，隨后美國科學家Varma等也開始了這方面的工作。北卡羅萊納州立大學H.Conrad教授進行了大量關于電場對金屬及合金塑性變形影響的研究。研究表明：金屬在電致塑性或電致超塑性狀態(tài)下，具有低的流動應力、高的塑變能力、以及高的原子擴散能力等特點，并且可以保證較低的超塑性變形溫度、較低的變形力和高的應變速率。 基于上述研究，本作品開發(fā)出了針對難焊材料的固態(tài)焊接新工藝，首次將金屬的電致超塑性效應的特點與以往的超塑性固態(tài)焊接有機的結合起來，并以此開發(fā)出新的焊接試驗裝置。通過施加強電場作用，對超塑性固態(tài)焊接工藝進行優(yōu)化改進，這種獨創(chuàng)性的思路經(jīng)過理論論證具有很強的可操作性。
