CN101733571A - 利用电场作用下的超塑性焊接实验装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种利用电场作用下的超塑性焊接实验装置，属于材料加工技术领域；包括用于提供电压稳定的高压电源系统；用于使待焊试样或试件处于一种气氛可调节、均匀稳定强电场中的施加电场装置；用于保证待焊试样或试件处于给定焊接温度的焊接加热及温度控制系统；用于实现待焊试样或试件在0.02～100mm/min变形速度范围内加载并能自动检测焊接全过程的加载及数据采集系统；本发明可对电场作用下超塑性焊接全过程进行实时跟踪、记录、数据处理及显示；所述整套装置功能齐全、测试精度相对较高、安全可靠、使用方便，适用于固体材料在电场作用下的超塑性焊接及相关材料成形加工实验和材料应用拓展研究。

Description

利用电场作用下的超塑性焊接实验装置及方法

【技术领域】

本发明属于材料加工技术领域，涉及一种固体材料的焊接实验装置，尤其是涉及一种利用固体材料在电场的作用下超塑性焊接研究及应用的实验装置及方法。

【背景技术】

随着现代工业的发展，很多情况下需要由多种高性能新材料组成复合连接构件，以便发挥不同迥异材料在性能与经济的优势互补；例如工程上广泛使用的双金属工模具，超高碳钢(UHCS)与不锈钢复合板材制备等，这类难焊材料的焊接已成为其在工程应用中亟待解决的关键问题。目前的熔焊方法一般难以实现此类材料的良好焊接。固态焊接能最大程度地实现其与母材组织性能一致的高质量连接，已成为焊接重点发展的领域。从固态焊接的本质分析，只要焊接面两侧很薄一层材料进行有效的塑性流变与扩散，即可形成高质量的接头。基于此，利用材料在超塑状态下处于强烈的激活状态并呈现极强的塑性流变与扩散能力，设计了恒温超塑性焊接(简称超塑性焊接，ISSW)技术“张柯柯，涂益民编.特种先进连接方法.哈尔滨工业大学出版社，2008年，122页”，并呈现出良好的应用前景。待连接材料的超塑性愈好，在低应力下愈易满足固态焊过程所必需的塑性流变与扩散，更容易实现超塑焊合。但对于一些难变形材料来说，既使采用超塑性焊接，材料的塑性流变能力和界面焊合率还比较低，仍需进一步寻求更为有效地提高材料塑性变形和扩散能力的途径，以实现材料的高效高质量固态焊接。通过实验发现，电致超塑性是材料在电场作用下表现出的超塑性，它通常可以进一步增强材料的超塑效应。对于所述难焊材料的超塑性焊接来说，若施加合适的电场可进一步增强被连接材料的塑性效应，将有利于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，接头区质量明显提高，这将是此类材料固态焊接最理想的选择；基于此想法引发本发明设计和构思。

经过对国内外相关文献检索表明，尽管人们已开发出材料超塑性焊接(ISSW)技术，但对材料在电场作用下的高温压缩变形行为文献报导甚少或基本不涉及。电场作用下材料的高温压缩试验一般采用圆形截面试样和环状电极。傅莉等在“《焊接学报》2004年第03期；CN 23-1178/TG”采用环状电极研究了LY12CZ合金棒状或管状试样的摩擦焊接，但此装置仅在室温下使用；Di Yang和H Conrad采用不锈钢环状电极、氧化铝陶瓷绝缘材料进行了TiAl棒状试样在电场强度0～2kV/cm、600℃下的压缩变形研究。早期的实验装置存在的主要不足为：工作温度未超过600℃；环状电极尺寸大、电场强度相对较低且均匀性不高；高压电源品种单一；在强电场高温压缩变形过程中，装置绝缘性能不足，装置中常用的绝缘材料氧化铝陶瓷的抗冲击、抗热疲劳性能也较低。为克服该实验装置存在的上述问题，本校张柯柯、张占领等设计申报的中国专利申请“一种多功能高压电源(专利申请号：200910065108.8)”和“一种固体材料的强电场高温压缩实验装置及方法(专利申请号：200910065109.2)”发明专利申请，公开内容中提供了一种可提供多种高压电类型、工作温度“工作温度范围为室温～1000℃”和电场强度“场强范围为0～30kV/cm”范围宽，场强均匀、绝缘性能优良、应用范围广的压缩实验装置；通过所述装置可对电场作用下高温压缩塑性变形全过程进行实时跟踪、记录、数据处理及显示；所述整套装置功能较为齐全、测试精度也相对较高，并且安全可靠和使用方便，适用于在强电场下材料高温压缩变形特性测试及相关材料成形加工实验研究。并在在先申请基础上，本校张柯柯等采用环状电极棒状试样进行了电场强度0～10kV/cm、900℃下的超高碳钢(UHCS)压缩变形研究，使稳态超塑性流变应力降低10.5％、原子扩散激活能降低，为此类材料塑性变形能力的提高提供了良好途径。但在后续的实验并结合本发明构思，发现利用电场应用到超塑性固态焊接中，国内外还未见文献报道。与本发明相近的实验装置和焊接方法有电场环境下摩擦焊装置及方法“《焊接学报》2004年第03期；CN 23-1178/TG”采用环状电极研究了LY12CZ合金棒状或管状试样的摩擦焊接。

综上所述，电场作用下材料超塑性焊接实验装置的开发是异种难焊材料的焊接加工和以此为基础的材料成形加工技术开发应用中亟待解决的关键问题。

【发明内容】

为有效地提高材料超塑性焊接过程中被连接材料的塑性流变能力，本发明公开了一种利用电场作用下的超塑性焊接实验装置及方法，本发明通过施加合适的电场，利用电致塑性、超塑性进一步增强被连接材料的塑性效应，将有利于固态焊接所需塑性变形机制和扩散机制的进行，使焊接过程加快，接头区质量提高；本发明所述的利用电场作用下的材料超塑性焊接实验装置及方法通过提供一种气氛调节或不需要气氛调节、可提供多种高压电类型、超塑性变形条件“工作温度范围为室温～1000℃”和“待焊试样或试件在0.02～100mm/min变形速度范围内加载”和电场强度“场强范围为0～30kV/cm”范围宽，场强均匀、绝缘性能优良、应用范围广的固态焊接实验装置；通过所述装置可对材料实施电场作用下多种超塑性焊接方案“电场作用下单侧、两边及预制中间夹层的超塑性焊接”，可对电场作用下超塑性焊接全过程进行实时跟踪、记录、数据处理及显示；所述整套装置功能齐全、测试精度相对较高、安全可靠、使用方便，适用于固体材料在电场作用下的超塑性焊接及相关材料成形加工实验和材料应用拓展研究。

为了实现上述发明目的，本发明采用的技术方案是：

一种利用电场作用下的超塑性焊接实验装置，包括用于提供电压稳定的高压电源系统；用于使待焊试样或试件处于一种气氛可调节、均匀稳定强电场中的施加电场装置；用于保证待焊试样或试件处于给定焊接温度的焊接加热及温度控制系统；用于实现待焊试样或试件在0.02～100mm/min变形速度范围内加载并能自动检测焊接全过程的加载及数据采集系统；所述用于提供的电压稳定的高压电源系统包括自耦调压器，升压变压器，高压硅堆，耐高压电容，电压表，电流表，正高压、负高压、交流、脉冲电压输出端、接地端及过流保护模块，所述高压硅堆是复数个耐压值为1500V或1500V以上的二极管串联构成，其中串接成的高压硅堆总耐压值不低于15kV；自耦调压器原边接220V交流电，副边接升压变压器原边；升压变压器副边的一端接接地端，另一端直接输出为交流高压，或经正向高压硅堆整流输出为正直流高压，或经反向高压硅堆整流输出为负直流高压，或通过正向高压硅堆整流输出端与接地端之间并联的放电小球间隙放电输出脉冲高压；两个耐高压电容分别与两个高压硅堆并联起滤波作用；主回路串联毫安电流表，可实时监测负载系统中可能出现的漏电电流；所采用的过流保护措施可以确保使用过程中人和仪器的安全；其中高压硅堆由复数耐压值为5000V的二极管串联组成，其反向耐压值为80kV，正向最大电流200mA，滤波电容为2.2μF，高压电源可以提供0至10kV的正直流高压、负直流高压、交流高压和脉冲高压共同构成所述用于能提供多种类型的电压稳定的高压电源系统；所述用于使待焊试样或试件处于一种气氛可调节、均匀稳定强电场中的施加电场装置，所述电极引线为耐热金属丝，电极引线从加热炉底部接入，并用耐高温、耐高电压的石英管绝缘，在环状电极和内电极上焊接耐热钢接线柱，用螺钉或等同固定件将电极引线分别连接在环状电极和内电极上，所述内电极用镍基高温合金K3制成；两个陶瓷垫块用氮化硅陶瓷制成，分别置于内电极与下压头之间和待焊试样或试件与上压头之间共同构成所述用于使待焊试样或试件处于一种气氛可调节、均匀稳定强电场中的施加电场装置；所述用于保证待焊试样或试件处于给定焊接温度的焊接加热及温度控制系统由电源、加热炉和温度控制仪表构成，在加热炉的下部或任意一侧设置有接入通气管；将所述温度控制仪表的热电偶的工作端置于加热炉内，可以对待焊试样或试件的周围环境温度进行监测和控制，电源采用220V交流电；加热炉采用圆筒状结构，将待焊试样或试件置于其内，工作温度范围为室温至1000℃；或采用其它等同加热形式；该系统主要为焊接试验提供温度条件，包括加热炉、热电偶和温度控制仪表，安装在试验机上。所述加热炉采用220V交流电供电共同构成所述用于保证待焊试样或试件处于给定焊接温度的焊接加热及温度控制系统；所述用于实现待焊试样或试件在0.02～100mm/min变形速度范围内加载并能自动检测焊接全过程的加载及数据采集系统包含万能材料试验机，位移、载荷检测仪表和数据处理用的计算机，所述数据采集系统可以对电场作用下的超塑性焊接全过程进行实时跟踪、记录、数据处理及显示，所述系统可以实现0.02～100mm/min变形速度下加载并能自动检测焊接全过程构成所述用于实现待焊试样或试件在0.02～100mm/min变形速度范围内加载并能自动检测焊接全过程的加载及数据采集系统；所述试样或试件包含试样A、试样B，在试样A、试样B之间设有中间夹层。

所述的利用电场作用下的超塑性焊接实验装置，所述的高压电源系统包括高压电源，耐高电压导线，放电棒；所述的高压电源的整流电路为是高压硅堆半波整流或高压硅堆全波整流；所述的高压电源包括自耦调压器，升压变压器，高压硅堆，耐高压电容，电压表，电流表，正高压、负高压、交流、脉冲电压输出端、接地端和过流保护模块；自耦调压器原边接220V交流电，副边接升压变压器原边；升压变压器副边的一端接接地端，另一端直接输出为交流高压，或经正向高压硅堆整流输出为正直流高压，或经反向高压硅堆整流输出为负直流高压，或通过正向高压硅堆整流输出端与接地端之间并联的放电小球间隙放电输出脉冲高压；两个耐高压电容分别与两个高压硅堆并联起滤波作用。

所述的利用电场作用下的超塑性焊接实验装置，所述的脉冲电压输出端与正高压输出端共用一个输出端；所述的放电棒由耐高电压的大电阻和导线组成，使用时一端接高压电源的接地端，另一端与电极引线接触放电或使所述的脉冲电压输出端输出的脉冲高压是通过调整连接在正高压输出端与接地端之间的两个放电小球的间隙，使放电小球按一定频率放电，从而在正高压输出端，也就是在脉冲电压输出端，输出脉冲高电压，或所述的放电小球接在正高压输出端与接地端之间或接在负高压输出端与接地端之间或同时在正高压输出端与接地端之间和负高压输出端与接地端之间接放电小球；所述的施加电场装置包括环状电极，由耐高温高强度合金制成的内电极，绝缘用的陶瓷柱、陶瓷垫块和陶瓷套管，由耐热金属丝制成的电极引线。

所述的利用电场作用下的超塑性焊接实验装置，所述的高压电源和所述的施加电场装置，高压电源的输出端与加电场装置的环状电极和内电极的连接为在两个电极之间产生不同类型的电场，或根据实验需求采取区别于所述的连接方式，本发明中列出了12种连接方式，如环状电极接负高压输出端，内电极接正高压输出端“所列举方式仅是对于本发明的实施方式部分解释，并不代表本发明局限于所述12种连接方式之内”。

所述的利用电场作用下的超塑性焊接实验装置，所述的环状电极用耐热不锈钢材质制成；所述的内电极用耐高温高强度合金制成，或镍基合金K3制成；所述的陶瓷柱用耐高电压的非导电陶瓷制成，材料为石英玻璃或氧化铝陶瓷；所述的陶瓷垫块用高强度绝缘陶瓷制成，如用抗冲击能力强且抗热震性好的氮化硅陶瓷制成，用氮化硅陶瓷制成的绝缘垫块比用氧化铝陶瓷等制成的具有更高的高温强度、更好的高温电绝缘性、更高的抗冲击和抗热震性。

所述的利用电场作用下的超塑性焊接实验装置，所述的陶瓷套管用石英玻璃或氧化铝陶瓷制成，石英玻璃致密度高、高温绝缘性好，优先选用石英玻璃管，在实验温度和电场强度较低时可以选用氧化铝陶瓷管；所述的电极引线用耐热金属制成，如用镍铬镍硅“镍铝”热电偶丝、铂铑合金丝等制成；所述的环状电极与内电极、热电偶，以及上压头和下压头之间的最小距离均不小于3mm。

所述的利用电场作用下的超塑性焊接实验装置，所述的环状电极的内径与待焊试样或试件的直径的比值在2～10范围内，如此在实验过程中待焊试样或试件表面处的电场强度均匀、变化小，待焊试样或试件表面电场强度范围为0～30kV/cm，所述的陶瓷柱，一端与环状电极连接，另一端放置在试验机下压头上，支撑环状电极，使环状电极与上压头、下压头之间绝缘；所述的内电极置于待焊试样或试件下面；所述的陶瓷垫块位于内电极下面和待焊试样或试件上面。所述的待焊试样或试件、内电极、陶瓷垫块置于试验机上压头与下压头之间。

所述的利用电场作用下的超塑性焊接实验装置，所述的电极引线“两根”一端分别与环状电极、内电极连接，另一端引出加热炉外分别与两根耐高电压导线相连，耐高电压导线的另一端分别接高压电源的两个不同的输出端。通过改变高压电源的输出端与环状电极和内电极的不同连接方式，可以提供十二种不同类型的电压输出；所述的陶瓷套管套在电极引线外，陶瓷套管穿过加热炉的底板，使电极引线与加热炉、试验机之间绝缘；所述的施加电场装置置于加热炉内。

所述的利用电场作用下的超塑性焊接实验装置，所述的焊接加热及温度控制系统包括加热炉、热电偶和温度控制仪表，安装在试验机上，所述的热电偶，其工作端套一个一端封闭的石英管，这可以避免热电偶工作端与电极之间发生尖端放电；热电偶穿过加热炉底时外面套石英玻璃管或氧化铝陶瓷管，使其与试验机、加热炉之间绝缘；按此，可以保证热电偶准确测温，所述的加载及数据采集系统包括万能材料试验机，位移、载荷检测仪表和数据处理用的计算机。

一种利用电场作用下的超塑性焊接实验方法，通过所述装置可对材料实施电场作用下多种超塑性焊接方案“电场作用下单侧、两边及预制中间夹层的超塑性焊接，包含如下步骤：

a、将高压电源、施加电场装置、加热及温度控制系统按上述装置安装说明要求安装好，并与万能材料试验机连接好；

b、用砂纸或磨削设备将待焊试样或试件的待焊面打磨平整、光洁，以去除氧化物、污物等，并清理干净，如用乙醇或丙酮清洗；待焊试样或试件试样A与试样B配对对接后放在内电极上，位于环状电极的轴线上；待焊试样或试件包括试样A与试样B的预制中间夹层；所述中间夹层的材料可以是待焊材料不同组织状态薄片，也可以是其它材料薄片；

c、将试验机下压头升起，加热炉闭合；

d、将高压电源接入220V交流电；

e、调定需要的电场种类、极性、电压、试验机压头运动速度即待焊试样或试件的变形速度、加热炉内温度；根据不同被焊材料要求，通过通气管给加热炉内输入不同气体如氩气(99.99％)等以调节炉内气氛；

f、按预先设定程序进行待焊试样或试件在电场作用下的超塑性焊接；

g、试验结束后，及时用放电棒放掉环状电极、内电极、高压电源空置输出端的静电；

h、将试验机下压头降低，加热炉打开，取出焊接试样或试件。

所述的在电场作用下的超塑性焊接实验方法中，步骤b、c、d、e、f、g、h的次序，在保证用电安全的前提下，可以根据实验设定的操作程序改变；

待焊试样或试件焊接过程中的变形量“位移”和相应的载荷通过检测仪表检测，传到计算机，与时间变化同步记录；检测到的变形量“位移”、载荷信号可根据需要进行滤波、转换、计算处理。

由于采用了上述技术方案，本发明具有如下有益效果：

综上所述，本发明所提供的在电场作用下的超塑性焊接实验装置及方法，可满足不同气氛、高温(工作温度范围为室温～1000℃)、变形速度(待焊试样或试件在0.02～100mm/min变形速度范围内加载)及强电场(场强范围为0～30kV/cm)环境下材料超塑性焊接测试及应用研究要求。该装置可对电场作用下材料超塑性焊接全过程进行实时跟踪、记录、数据处理及显示，适用于在电场作用下材料超塑性焊接实验及相关材料固态焊接实验及应用研究。

【附图说明】

图1是本发明的装置整体结构示意图；

图2是图1的施加电场装置结构示意图；

图3是本发明的高压电源原理图；

图4是本发明的焊接加热及温度控制系统示意图；

图5是本发明的加载及数据采集系统示意图；

图6是本发明所述装置的可提供的电场类型及相应电压输出范围表；

图7是本发明Cr12MoV钢与40Cr钢在电场作用下超塑性焊接前结构示意图；

图8是本发明Cr12MoV钢与40Cr钢在电场作用下超塑性焊接后结构示意图；

图9是本发明Cr12MoV钢与40Cr钢在电场作用下超塑性焊接接头显微组织照片；

图10是本发明1.4wt％C超高碳钢与40Cr钢在电场作用下超塑性焊接前结构示意图；

图11是本发明1.4wt％C超高碳钢与40Cr钢在电场作用下超塑性焊接后结构示意图；

图12是本发明1.4wt％C钢与40Cr钢在电场作用下超塑性焊接接头显微组织照片。

图中：1、试验机；2、待焊试样或试件；2.1、试样A；2.2、试样B；3、上压头；4、温度控制仪表；5、加热炉；6、环状电极；7、高压电源；8、下压头；9、内电极；10、陶瓷垫块；11、陶瓷柱；12、中间夹层；13、通气管。

【具体实施方式】

通过下面的实施例可以更加详细的解释本发明，本发明并不局限于下面实施例的组合方式；

公开本发明的目的旨在保护本发明范围内的一切变化和改进，包括等同替换的结构形式或材料形式；

本发明所提供的在电场作用下超塑性焊接实验装置主要由四部分构成：能提供多种类型的电压稳定的高压电源系统；用于使待焊试样或试件2处于一种气氛可调节、均匀稳定强电场中的施加电场装置；用于保证待焊试样或试件处于给定焊接温度的焊接加热及温度控制系统；用于实现待焊试样或试件在0.02～100mm/min变形速度范围内加载并能自动检测焊接全过程的加载及数据采集系统。

图1为电场作用下超塑性焊接实验装置的整体结构示意图。该装置包括能输出多种类型、电压稳定的高电压的高压电源系统；对待焊试样或试件2进行加热及控制的温控系统；用于对待焊试样或试件2加载、载荷和位移信号检测及数据处理的加载及数据采集系统；以及主要由环状电极6、绝缘材料等组成的能提供绝缘良好、场强均匀的施加电场装置；所述待焊试样或试件包含试样A2.1、试样B2.2，在试样A2.1、试样B2.2之间设有中间夹层12。

施加电场装置如图2所示。施加电场装置包括环状电极6，由耐高温高强度合金制成的内电极9，绝缘用的陶瓷柱11，陶瓷垫块10，绝缘陶瓷套管和电极引线。环状电极6用不锈钢制成，如用2520钢制成；内电极9用耐高温高强度合金，如用镍基合金K3制成；陶瓷柱11用耐高电压的非导电陶瓷制成，如用石英玻璃、氧化铝陶瓷、氮化硅陶瓷制成；陶瓷垫块10用高强度绝缘陶瓷制成，如用氧化铝陶瓷、氮化硅陶瓷制成；绝缘陶瓷套管用绝缘陶瓷制成，如用氧化铝陶瓷管、石英玻璃管制成；电极引线用耐热金属制成，如用镍铬镍硅(镍铝)热电偶丝、铂铑合金丝等制成。陶瓷柱11一端与环状电极6连接，另一端放置在试验机1的下压头8上，支撑环状电极6。施加电场装置置于加热炉5内。电极引线引出加热炉5外与高压电源7相连，并通过陶瓷套管使电极引线与加热炉5以及试验机1绝缘。环状电极6的内径与待焊试样或试件2的直径的比值在2～10范围内，待焊试样或试件2表面电场强度范围为0～30kV/cm。所述氮化硅陶瓷垫块可从“深圳市海金精密陶瓷有限公司”、“合肥摩科新材料科技有限公司”等公司购买或定做；所述镍基高温合金K3可从“中国一航西安航空发动机(集团)有限公司”、“东莞市佳兴模具钢材公司”等公司购买原材料，自己加工或委托加工；所述石英玻璃、石英玻璃管可从“连云港中科石英制品有限公司”、江苏省“东海县硅宝石英制品有限公司”等公司购买或定制；所述氧化铝陶瓷可从“宜兴市联晟陶瓷科技有限公司”、“河南省巩义市颖辉高铝瓷厂”等购买或定做；所述镍铬镍硅“镍铝”热电偶丝可从“佛山市南海区神港自动化有限公司”、“沈阳仪表科学研究院”等购买或定做；所述铂铑合金丝可从“上海天器合金材料有限公司”、“沈阳仪表科学研究院”等购买或定做。

高压电源原理图如图3所示。其包括自耦调压器，升压变压器，高压硅堆，耐高压电容，电压表，电流表，正高压、负高压、交流、脉冲电压输出端、接地端和过流保护模块。高压硅堆是复数个耐压值为1500V或1500V以上的二极管串联组成，串接成的高压硅堆总耐压值不低于15kV。自耦调压器原边接220V交流电，副边接升压变压器原边；升压变压器副边的一端接接地端，另一端直接输出为交流高压，或经正向高压硅堆整流输出为正直流高压，或经反向高压硅堆整流输出为负直流高压，或通过正向高压硅堆整流输出端与接地端之间并联的放电小球间隙放电输出脉冲高压；两个耐高压电容分别与两个高压硅堆并联起滤波作用；主回路串联毫安电流表，可实时监测负载系统中可能出现的漏电电流；采用的过流保护措施可以确保使用过程中人和仪器的安全。本实施例中，高压硅堆由16个耐压值为5000V的二极管串联组成，其反向耐压值为80kV，正向最大电流200mA，滤波电容为2.2μF，高压电源可以提供0至10kV的正直流高压、负直流高压、交流高压和脉冲高压。

焊接加热及温度控制系统如图4所示。加热及温度控制系统包括加热炉5、热电偶和温度控制仪表4，安装在试验机1上。加热炉5采用220V交流电供电。

加载及数据采集系统如图5所示。加载及数据采集系统包括万能材料试验机1，位移、载荷检测仪表和数据处理用的计算机。

一种电场作用下的超塑性焊接实验方法，具体如下：

a、将高压电源7、施加电场装置、加热及温度控制系统按上述装置安装说明要求安装好，并与万能材料试验机1连接好；

b、用砂纸或磨削设备将待焊试样或试件2的待焊面打磨平整、光洁，以去除氧化物、污物等，并清理干净，如用乙醇或丙酮清洗；待焊试样或试件配对对接后放在内电极9上，位于环状电极6的轴线上；待焊试样或试件包括预制中间夹层12；所述中间夹层12的材料可以是待焊材料不同组织状态薄片，也可以是其它材料薄片；

c、将试验机1下压头8升起，加热炉5闭合；

d、将高压电源接入220V交流电；

e、调定需要的电场种类、极性、电压、试验机1压头运动速度即待焊试样或试件2的变形速度、加热炉5内温度；根据不同被焊材料要求，通过通气管13给加热炉内输入不同气体如氩气(99.99％)等以调节炉内气氛；

f、按预先设定程序进行待焊试样或试件2电场作用下的超塑性焊接；

g、试验结束后，及时用放电棒放掉环状电极6、内电极9、高压电源空置输出端的静电；

h、将试验机1下压头8降低，加热炉5打开，取出焊接试样或试件2。

所述的一种电场作用下的超塑性焊接实验方法中，步骤b、c、d、e、f、g、h的次序，在保证用电安全的前提下，可以根据实验设定的操作程序改变，如a、b、d、c、e、f、g次序。

图1所示的装置整体结构示意图中，高压电源系统和施加电场装置包括高压电源7，电极引线，环状电极6，内电极9和陶瓷垫块10。高压电源7通过电极引线连接于环状电极6和内电极9，电极引线外套耐高温、耐高电压的绝缘陶瓷套管与加热炉5绝缘。陶瓷垫块10采用高纯度、致密氮化硅陶瓷等制成，具备良好的高温绝缘性能、抗热震性和抗冲击性能。

图2为施加电场装置结构示意图，电极引线为耐热金属丝，如直径1.2mm的镍硅热电偶丝。电极引线从加热炉5底部接入，并用耐高温、耐高电压的石英管绝缘。在环状电极6和内电极9上焊接耐热钢接线柱，用螺钉将电极引线分别连接在环状电极6和内电极9上。内电极9用镍基高温合金K3制成。两个陶瓷垫块10用氮化硅陶瓷制成，分别置于内电极9与下压头8之间和待焊试样或试件2与上压头3之间。

图3为高压电源原理图。高压电源输入电压为220V交流电，通过自耦调压器和升压变压器调节输出电压，直接引出即为交流高压；由耐高压硅堆进行半波整流可得到正直流高压和负直流高压，高压硅堆并联大容量高压滤波电容，保证了输出直流电压稳定；通过调节放电球隙可输出不同占空比的正直流脉冲高压；主回路串联毫安电流表，可实时监测负载系统中可能出现的漏电电流一般不高于0.05mA。交流输出端、正高压输出端、负高压输出端、脉冲电压输出端分别与接地端一起使用，分别可输出0至10kV的交流、正直流、负直流和脉冲电压；正高压输出端和负高压输出端一起使用可输出0至20kV的正电位/负电位直流电压。

图4为焊接加热及温度控制系统示意图。焊接加热及温度控制系统由电源、加热炉5和温度控制仪表4构成；将温度控制仪表4的热电偶的工作端置于加热炉5内，可以对待焊试样或试件2的周围环境温度进行监测和控制，电源采用220V交流电。加热炉5采用圆筒状结构，将待焊试样或试件2置于其内，工作温度范围为室温至1000℃；也可采用其它加热形式。该系统主要为试验提供温度条件。

图5为加载及数据采集系统示意图。加载及数据采集系统由万能材料试验机1，位移、载荷检测仪表和数据处理用的计算机构成，可以对电场作用下的超塑性焊接全过程进行实时跟踪、记录、数据处理及显示，如待焊试样或试件变形的应力-应变曲线，载荷-位移曲线等。该系统可以实现0.02～100mm/min变形速度下加载并能自动检测焊接全过程。

图6为本装置可提供的部分电场类型及相应电压输出范围。当焊接实验需要施加不同类型的电场时，可选择环状电极6和内电极9分别与高压电源的7的不同输出端相连，图6中列出了十二种不同类型的电压输出；通过调节高压电源的输出电压可以满足焊接试验不同电场强度的需要。如环状电极6内径为45mm、待焊试样或试件2直径为10mm，即二者之比为4.5，环状电极6接高压电源的接地端，内电极9接正高压输出端，电压为5kV，待焊试样或试件2表面的电场强度为6.6kV/cm。

图7、8是本发明Cr12MoV钢与40Cr钢在电场作用下超塑性焊接前后对照。待焊试样原始尺寸φ15×25mm，试样接电源负极、环状电极接正极，炉温升至800℃后开炉装入试样，预压应力62MPa，保温20min后施加电场2kV/cm开始恒定工程应变速率压接，初始应变速率1.5×10^-4s^-1，压接8min，去除电场卸载并取出试样空冷。此条件下Cr12MoV钢与40Cr钢焊接接头显微组织如图9所示，对应的焊接接头抗拉强度690MPa。

图10、11是本发明1.4wt％C超高碳钢与40Cr钢在电场作用下超塑性焊接前后对照。1.4wt％C超高碳钢主要化学成分(wt％)为：C 1.41，Cr 1.46，Al 1.72，Si 0.52，Mn 0.45，余量为Fe。待焊试样原始尺寸φ15×25mm，试样接电源正极、环状电极接负极，炉温升至780℃后开炉装入试样，预压应力56MPa，保温20min后施加电场3kV/cm开始恒定工程应变速率压接，初始应变速率3.0×10^-4s^-1，压接8min，去除电场卸载并取出试样空冷。此条件下1.4wt％C超高碳钢与40Cr钢焊接接头显微组织如图12所示，对应的焊接接头抗拉强度530MPa。

综上所述，本发明所提供的电场作用下的超塑性焊接实验装置及方法，可以实现固体材料在电场环境下材料超塑性焊接及相关材料固态焊接加工实验及应用研究。

如上所述，通过对附图的说明及相应的具体实施方式描述本发明。但应理解的是，其中在实施例中关于待焊试样或试件的尺寸、材料种类、元件部分的构形和相对布置的描述并不意味着将本发明限定在所公开的特定形式，本方案仅仅是以示例的方式公开，除非另有特别说明。

 

Claims (10)

1.一种利用电场作用下的超塑性焊接实验装置，包括用于提供电压稳定的高压电源系统；用于使待焊试样或试件处于一种气氛可调节、均匀稳定强电场中的施加电场装置；用于保证待焊试样或试件处于给定焊接温度的焊接加热及温度控制系统；用于实现待焊试样或试件在0.02～100mm/min变形速度范围内加载并能自动检测焊接全过程的加载及数据采集系统，其特征是：所述用于提供的电压稳定的高压电源系统包括自耦调压器，升压变压器，高压硅堆，耐高压电容，电压表，电流表，正高压、负高压、交流、脉冲电压输出端、接地端及过流保护模块，所述高压硅堆是复数个耐压值为1500V或1500V以上的二极管串联构成，其中串接成的高压硅堆总耐压值不低于15kV；自耦调压器原边接220V交流电，副边接升压变压器原边；升压变压器副边的一端接接地端，另一端直接输出为交流高压，或经正向高压硅堆整流输出为正直流高压，或经反向高压硅堆整流输出为负直流高压，或通过正向高压硅堆整流输出端与接地端之间并联的放电小球间隙放电输出脉冲高压；两个耐高压电容分别与两个高压硅堆并联起滤波作用；主回路串联毫安电流表，可实时监测负载系统中可能出现的漏电电流；所采用的过流保护措施可以确保使用过程中人和仪器的安全；其中高压硅堆由复数耐压值为5000V的二极管串联组成，其反向耐压值为80kV，正向最大电流200mA，滤波电容为2.2μF，高压电源可以提供0至10kV的正直流高压、负直流高压、交流高压和脉冲高压共同构成所述用于能提供多种类型的电压稳定的高压电源系统；所述用于使待焊试样或试件处于一种气氛可调节、均匀稳定强电场中的施加电场装置，所述电极引线为耐热金属丝，电极引线从加热炉底部接入，并用耐高温、耐高电压的石英管绝缘，在环状电极和内电极上焊接耐热钢接线柱，用螺钉或等同固定件将电极引线分别连接在环状电极和内电极上，所述内电极用镍基高温合金K3制成；两个陶瓷垫块用氮化硅陶瓷制成，分别置于内电极与下压头之间和待焊试样或试件与上压头之间共同构成所述用于使待焊试样或试件处于一种气氛可调节、均匀稳定强电场中的施加电场装置；所述用于保证待焊试样或试件处于给定焊接温度的焊接加热及温度控制系统由电源、加热炉和温度控制仪表构成，在加热炉的下部或任意一侧设置有接入通气管；将所述温度控制仪表的热电偶的工作端置于加热炉内，可以对待焊试样或试件的周围环境温度进行监测和控制，电源采用220V交流电；加热炉采用圆筒状结构，将待焊试样或试件置于其内，工作温度范围为室温至1000℃；或采用其它等同加热形式；该系统主要为焊接试验提供温度条件，包括加热炉、热电偶和温度控制仪表，安装在试验机上；所述加热炉采用220V交流电供电共同构成所述用于保证待焊试样或试件处于给定焊接温度的焊接加热及温度控制系统；所述用于实现待焊试样或试件在0.02～100mm/min变形速度范围内加载并能自动检测焊接全过程的加载及数据采集系统包含万能材料试验机，位移、载荷检测仪表和数据处理用的计算机，所述数据采集系统可以对电场作用下的超塑性焊接全过程进行实时跟踪、记录、数据处理及显示，所述系统可以实现0.02～100mm/min变形速度下加载并能自动检测焊接全过程构成所述用于实现待焊试样或试件在0.02～100mm/min变形速度范围内加载并能自动检测焊接全过程的加载及数据采集系统；所述试样或试件包含试样A、试样B，在试样A、试样B之间设有中间夹层。

2.根据权利要求1所述的利用电场作用下的超塑性焊接实验装置，其特征是：所述的高压电源系统包括高压电源，耐高电压导线，放电棒；所述的高压电源的整流电路为是高压硅堆半波整流或高压硅堆全波整流；所述的高压电源包括自耦调压器，升压变压器，高压硅堆，耐高压电容，电压表，电流表，正高压、负高压、交流、脉冲电压输出端、接地端和过流保护模块；自耦调压器原边接220V交流电，副边接升压变压器原边；升压变压器副边的一端接接地端，另一端直接输出为交流高压，或经正向高压硅堆整流输出为正直流高压，或经反向高压硅堆整流输出为负直流高压，或通过正向高压硅堆整流输出端与接地端之间并联的放电小球间隙放电输出脉冲高压；两个耐高压电容分别与两个高压硅堆并联起滤波作用。

3.根据权利要求1所述的利用电场作用下的超塑性焊接实验装置，其特征是：所述的脉冲电压输出端与正高压输出端共用一个输出端；所述的放电棒由耐高电压的大电阻和导线组成，使用时一端接高压电源的接地端，另一端与电极引线接触放电或使所述的脉冲电压输出端输出的脉冲高压是通过调整连接在正高压输出端与接地端之间的两个放电小球的间隙，使放电小球按一定频率放电，从而在正高压输出端，也就是在脉冲电压输出端，输出脉冲高电压，或所述的放电小球接在正高压输出端与接地端之间或接在负高压输出端与接地端之间或同时在正高压输出端与接地端之间和负高压输出端与接地端之间接放电小球；所述的施加电场装置包括环状电极，由耐高温高强度合金制成的内电极，绝缘用的陶瓷柱、陶瓷垫块和陶瓷套管，由耐热金属丝制成的电极引线。

4.根据权利要求1所述的利用电场作用下的超塑性焊接实验装置，其特征是：所述的高压电源和所述的施加电场装置，高压电源的输出端与加电场装置的环状电极和内电极的连接为在两个电极之间产生不同类型的电场，或根据实验需求采取区别于所述的连接方式。

5.根据权利要求1所述的利用电场作用下的超塑性焊接实验装置，其特征是：所述的环状电极用耐热不锈钢材质制成；所述的内电极用耐高温高强度合金制成，或镍基合金K3制成；所述的陶瓷柱用耐高电压的非导电陶瓷制成，材料为石英玻璃或氧化铝陶瓷；所述的陶瓷垫块用高强度绝缘陶瓷制成，如用抗冲击能力强且抗热震性好的氮化硅陶瓷制成，用氮化硅陶瓷制成的绝缘垫块比用氧化铝陶瓷等制成的具有更高的高温强度、更好的高温电绝缘性、更高的抗冲击和抗热震性。

6.根据权利要求1所述的利用电场作用下的超塑性焊接实验装置，其特征是：所述的陶瓷套管用石英玻璃或氧化铝陶瓷制成，石英玻璃致密度高、高温绝缘性好，优先选用石英玻璃管，在实验温度和电场强度较低时可以选用氧化铝陶瓷管；所述的电极引线用耐热金属制成，如用镍铬镍硅“镍铝”热电偶丝、铂铑合金丝等制成；所述的环状电极与内电极、热电偶，以及上压头和下压头之间的最小距离均不小于3mm。

7.根据权利要求1所述的利用电场作用下的超塑性焊接实验装置，其特征是：所述的环状电极的内径与待焊试样或试件的直径的比值在2～10范围内，如此在实验过程中待焊试样或试件表面处的电场强度均匀、变化小，待焊试样或试件表面电场强度范围为0～30kV/cm，所述的陶瓷柱，一端与环状电极连接，另一端放置在试验机下压头上，支撑环状电极，使环状电极与上压头、下压头之间绝缘；所述的内电极置于待焊试样或试件下面；所述的陶瓷垫块位于内电极下面和待焊试样或试件上面；所述的待焊试样或试件、内电极、陶瓷垫块置于试验机上压头与下压头之间。

8.根据权利要求1所述的利用电场作用下的超塑性焊接实验装置，其特征是：所述的电极引线“两根”一端分别与环状电极、内电极连接，另一端引出加热炉外分别与两根耐高电压导线相连，耐高电压导线的另一端分别接高压电源的两个不同的输出端；通过改变高压电源的输出端与环状电极和内电极的不同连接方式，可以提供十二种不同类型的电压输出；所述的陶瓷套管套在电极引线外，陶瓷套管穿过加热炉的底板，使电极引线与加热炉、试验机之间绝缘；所述的施加电场装置置于加热炉内。

9.根据权利要求1所述的利用电场作用下的超塑性焊接实验装置，其特征是：所述的焊接加热及温度控制系统包括加热炉、热电偶和温度控制仪表，安装在试验机上，所述的热电偶，其工作端套一个一端封闭的石英管，这可以避免热电偶工作端与电极之间发生尖端放电；热电偶穿过加热炉底时外面套石英玻璃管或氧化铝陶瓷管，使其与试验机、加热炉之间绝缘；按此，可以保证热电偶准确测温，所述的加载及数据采集系统包括万能材料试验机，位移、载荷检测仪表和数据处理用的计算机。

10.根据权利要求1～9任一所述的利用电场作用下的超塑性焊接实验方法，通过所述装置可对材料实施电场作用下多种超塑性焊接方案“电场作用下单侧、两边及预制中间夹层的超塑性焊接，其特征是：所述方法包含如下步骤：

a、将高压电源、施加电场装置、加热及温度控制系统按上述装置安装说明要求安装好，并与万能材料试验机连接好；

b、用砂纸或磨削设备将待焊试样或试件的待焊面打磨平整、光洁，以去除氧化物、污物等，并清理干净，如用乙醇或丙酮清洗；待焊试样或试件试样A与试样B配对对接后放在内电极上，位于环状电极的轴线上；待焊试样或试件包括试样A与试样B的预制中间夹层；所述中间夹层的材料可以是待焊材料不同组织状态薄片，也可以是其它材料薄片；

c、将试验机下压头升起，加热炉闭合；

d、将高压电源接入220V交流电；

e、调定需要的电场种类、极性、电压、试验机压头运动速度即待焊试样或试件的变形速度、加热炉内温度；根据不同被焊材料要求，通过通气管给加热炉内输入不同气体如氩气(99.99％)等以调节炉内气氛；

f、按预先设定程序进行待焊试样或试件在电场作用下的超塑性焊接；

g、试验结束后，及时用放电棒放掉环状电极、内电极、高压电源空置输出端的静电；

h、将试验机下压头降低，加热炉打开，取出焊接试样或试件；

所述的在电场作用下的超塑性焊接实验方法中，步骤b、c、d、e、f、g、h的次序，在保证用电安全的前提下，可以根据实验设定的操作程序改变；

待焊试样或试件焊接过程中的变形量“位移”和相应的载荷通过检测仪表检测，传到计算机，与时间变化同步记录；检测到的变形量“位移”、载荷信号可根据需要进行滤波、转换、计算处理。

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