CN203610443U - 利用脉冲电流修复板料塑性变形损伤的装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种利用脉冲电流修复板料塑性变形损伤的装置。该装置包括绝缘膜(3)，夹头(4)，导线(6)，脚踏式开关(8)和低压大电流脉冲电源(9)五个部分，低压大电流脉冲电源由导线及夹头与板料相连，脉冲电流直接导入板料而与加载部件绝缘，所述夹头包括夹头外板和夹头内板，夹头外板为两个，材质为电木，夹头内板为两个，材质为厚铜板，厚度不小于10mm，重叠放置由螺栓螺母紧固，所述绝缘膜覆盖板料与加载部件的接触部分。本实用新型解决了脉冲电流在加载件中大量损耗的难题，直接将脉冲电流导入板料，提高了脉冲电流效率，降低了电流发生装置功率和体积，降低了器件成本，现场适用性强。

Description

利用脉冲电流修复板料塑性变形损伤的装置

技术领域

本实用新型涉及利用脉冲电流改善板料塑性成形性能，属于金属压力加工领域，具体为一种将脉冲电流导入塑性变形板料以修复微孔洞型损伤的装置。 

背景技术

在板料加工过程中，对板料加载以产生永久的塑性变形，但由于载荷的作用，金属键断裂，在外加载荷达到一定数值后，板料内部出现微米尺度的孔洞和裂纹，材料不再连续承载，即出现塑性变形损伤。塑性变形损伤会导致板料性能劣化，承载能力降低，影响板料的成形性能。因此，对板料塑性变形损伤进行修复是提高板料成形极限的有效手段。 

根据材料成形损伤补给物的形态，材料成形损伤修复的方法分为物质补给和能量补给两种。物质补给式主要针对非金属材料，如纤维增强复合材料及颗粒增强复合材料等。在对普通金属材料损伤修复方面，从已进行的一些研究来看，由于金属具有良好的导热导电性，主要是采用能量补给的方法。目前能量补给的主要形式是高温加热，常用的方法之一是对材料进行热处理。虽然金属材料中的微观损伤能够在热处理中修复，但是材料的原始显微组织和性能在高温下会发生改变，在某些工况条件下这是不希望发生的。另外，当材料不适合采用热处理的方式进行损伤修复或现场不具备热处理的工况条件下，需要采用现场适用性更强的损伤修复技术。 

脉冲电流处理是材料损伤修复研究中一个非常有用而且又极具开发潜力的技术。电流脉冲用于修复材料损伤的原理在于对材料损伤的部分进行局部处理，电流脉冲产生瞬时的电子风，对位错施加作用力，降低势垒，减小位错缠结，促进位错的滑移开动，从而修复材料的显微组织缺陷，降低材料内部损伤。电流脉冲对材料的作用区域具有选择性，当高密度脉冲电流通过发生了塑性变形的金属时，在电流通过不连续的损伤部位时产生的局部高温使其有比较大的膨胀量，周围温度较低的约束导致向着裂纹内的压缩，从而使损伤表面的原子重新成键结合，Hui Song阐述了脉冲电流修复塑性变形损伤的原理。用脉冲电流处理时试样基体(不含损伤的部分)的温度升高通常都很低，因此脉冲电流在修复损伤的过程中不影响试样基体原来的组织和性能。电脉冲处理技术作为一种金属材料处理新技术，可以改善固体材料的塑性加工和金属再结晶等性能，是一种现场适用性较强的损伤修复技术。 

脉冲电流作用的效果可用电流密度的大小来表征，与被作用物体的横截面积有关。目前较常采用的方法是先将脉冲电流引入凸凹模或压边圈等加载件，在中国专利200810064781.5 中公开了一种TIAL基合金板材电致增塑成形的方法，以加载件作为电极与板料接触进行修复。为了保证完全接触和均匀加载，加载件的截面积比板料大得多。脉冲电流由加载件传递给板料，在需要同等大小的电流密度时，需要提供很大的脉冲电流，而大电流脉冲对回路的冲击及频繁关断的火花，需要与之匹配的充放电开关及大的变压器，导致装置复杂且价格昂贵。由于这种方式存在大的电流损失，增加了损伤修复装置的功率和体积。本实用新型直接将脉冲电流导入板料，而与其余所有加载件保持绝缘，提高了脉冲电流的效率，降低了电流发生装置的功率和体积，降低了器件成本。 

发明内容

本实用新型克服现有技术中将加载件作为电极而导致脉冲电流损耗的不足，将脉冲电流直接导入板料，而与其他加载件绝缘，提高脉冲电流使用效率，降低装置总功率，成为适应现场的塑性变形损伤修复装置。本实用新型利用电容放电对塑性变形板料施加衰减振荡的脉冲电流，借助脉冲电流对板料的电子风作用和电致塑性效应，修复由于塑性加载而导致板料内部不连续的损伤，从而提高板料的成形极限。 

本实用新型的技术方案如下： 

一种利用脉冲电流修复板料塑性变形损伤的装置，其特征在于，该装置包括绝缘膜(3)，夹头(4)，导线(6)，脚踏式开关(8)和低压大电流脉冲电源(9)五个部分，低压大电流脉冲电源由导线及夹头与板料相连，脉冲电流直接导入板料而与加载部件绝缘，所述夹头包括夹头外板和夹头内板，夹头外板为两个，材质为电木，夹头内板为两个，材质为厚铜板，厚度不小于10mm，重叠放置由螺栓螺母紧固，所述绝缘膜覆盖板料与加载部件的接触部分，所述脚踏式开关为低压大电流脉冲电源开关。 

所述绝缘膜，优选聚四氟乙烯薄膜。 

所述夹头外板为绝缘材料，优选电木，所述夹头内板为厚度不小于10mm的厚铜板，由螺栓螺母固定用于夹持板料。板料切割时应加工出小于夹头，突出于板料的规则平行四边形夹持段。 

所述导线为大截面铜导线，导线外套绝缘管。 

所述低压大电流脉冲电源采用并联电容充放电，脉冲电流波形为衰减振荡波。 

将待加工板料安装于凹凸模之间，板料与凹凸模及压边圈接触的部分覆盖聚四氟乙烯薄膜。一方面，作为绝缘膜，以保证脉冲电流完全作用于待加工板料降低电流损耗。另一方面，减小凹凸模与板料之间的摩擦，避免由摩擦产生的表面损伤。将夹头夹持在板料预先加工出的与夹头尺寸相匹配的夹持段上，且保持板料与夹头内板紧密接触，以形成通电回路。电流在板料，低压大电流脉冲电源间导通，而与模具，压力机绝缘，实现定向导通。 

凹凸模缓慢加载，使板料发生部分塑性变形后保载，根据选定脉冲电流参数踩下脚踏式开关，脉冲电流放电，修复损伤。随后上抬脚踏式开关，对电容器充电。继续加载，根据加载量的大小进行多次修复，直至完成塑性变形。 

本实用新型具有以下特点。 

1. 由导线和夹头将低压大电流脉冲电源与板料夹持段直接导通，板料与加载件绝缘，可有效增大通过板料的电流密度，减小装置的功率。同时，模具和压力机也保持绝缘状态，可保证工作过程的安全性。 

2. 该装置采用脚踏式开关作为充放电开关，易于操作人员在板料成形过程中不间断工作，提高工作效率。 

3. 本实用新型只需在板料设计时留出夹持段，并根据横截面积的大小改变电流密度，对模具，压力机，板料的形状，尺寸规格均无特殊要求，在塑性成形结束后将夹持段切割，不影响成品的外观质量。 

4. 本装置节约电能，适应性广，操作方便，适用于各类导电板料的塑性变形加工，由产生的电子风和电致塑性效应，可修复损伤，提高板料的延伸率，增大成形极限，并产生消除残余应力的附加效果。 

附图说明

图1是本实用新型的整体结构示意图。 

图2是装置中夹头结构示意图。 

图3是塑性应变量为0.22的铝合金板料表面损伤的微观组织扫描电镜图。 

图4是塑性应变量为0.22的铝合金板料进行损伤修复后的微观组织扫描电镜图。 

图中1. 凸模，2. 压边圈，3. 绝缘膜，4. 夹头，5. 板料，6.导线，7. 凹模，8. 脚踏式开关，9. 低压大电流脉冲电源，10. 夹头外板，11. 夹头内板，12. 螺栓螺母。 

具体实施方式

下面的实施例可以使本专业技术人员更全面的理解本实用新型，但不以任何方式限制本实用新型。 

结合图1说明脉冲电流修复板料塑性变形损伤的装置。 

1. 实施对象为厚度1mm的铝合金5052板料。将其制备成宽度为10mm，原始标距为50mm的狗骨状试样，夹持段加工为宽度20mm，长度30mm的矩形。为减小试样表面机加工划痕和材料本身的表面损伤对实验结果产生影响，在试样切割完成后对试样进行表面处理保证粗糙度等级为1.6。 

2. 绝缘膜覆盖板料与加载部件的接触部分，具体是：将待加工板料（5）安置于直径为20mm的半球形凸模（1），凹模（7）之间，由压边圈（2）压紧，板料两侧与凹凸模和压边圈接触的部分覆盖聚四氟乙烯绝缘膜（3），如图1所示。 

3. 夹头外板为两个，材质为电木，夹头内板为两个，材质为厚铜板，厚度不小于10mm重叠放置由螺栓螺母紧固，具体是：将夹头（4）夹持在板料夹持段，由螺栓螺母（12）紧固，保持板料与夹头内板（11）紧密接触，以形成通电回路，夹头如图2所示。 

4. 凹凸模缓慢加载，使板料发生部分塑性变形后保载，接通电源，踩下脚踏式开关（8），由低压大电流脉冲电源（9）提供脉冲电流进行修复。总修复时间为2S，完成塑性变形，切断低压大电流脉冲电源，取下板料。 

5. 板料的塑性变形应变量为0.22，表面损伤的微观形貌如图3，对该板进行上述损伤修复后的表面损伤形貌如图4。图3中孔洞的面积百分比为0.01064，图4中孔洞的面积百分比为0.007223。说明经过脉冲电流处理后板料的微孔洞型损伤得到了修复，板料的承载能力和成形极限得到提高。 

Claims (1)

1.一种利用脉冲电流修复板料塑性变形损伤的装置，其特征在于，该装置包括绝缘膜(3)，夹头(4)，导线(6)，脚踏式开关(8)和低压大电流脉冲电源(9)五个部分，低压大电流脉冲电源由导线及夹头与板料相连，脉冲电流直接导入板料而与加载部件绝缘，所述夹头包括夹头外板和夹头内板，夹头外板为两个，材质为电木，夹头内板为两个，材质为厚铜板，厚度不小于10mm，重叠放置由螺栓螺母紧固，所述绝缘膜覆盖板料与加载部件的接触部分，所述脚踏式开关为低压大电流脉冲电源开关。

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