先進(jìn)焊接與連接技術(shù)1項(xiàng)目3：電致超塑性連接先進(jìn)焊接與連接技術(shù)2項(xiàng)目3電致超塑性連接【項(xiàng)目導(dǎo)入】隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，很多情況下需要合金含量較高的鋼材與其它材料組成復(fù)合連接構(gòu)件，以發(fā)揮不同材料的性能并在經(jīng)濟(jì)性上形成優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。例如工程上廣泛應(yīng)用的復(fù)合材料刀具和沖頭，就需要高合金含量的鋼材與其他材料進(jìn)行連接。但這類鋼中的合金含量較高，焊縫凝固時(shí)易產(chǎn)生成分偏析，且含有大量的碳化物嚴(yán)重地影響其成型工藝性能，采用熔化焊的方法連接時(shí)可焊性差。電致超塑性焊接是結(jié)合電塑性與超塑性焊接于一體的特種連接方法。這種方法屬于固相焊，因此避免了傳統(tǒng)熔化焊的缺點(diǎn)，為高合金含量鋼材等難焊材料的高質(zhì)量連接提供了新方法。本項(xiàng)目Cr12MoV與40Cr鋼電致超塑性連接設(shè)備與工藝設(shè)計(jì)為例，介紹電致超塑性焊接的相關(guān)知識(shí)。【學(xué)習(xí)目標(biāo)】1.了解電致超塑性焊接原理；2.了解電致超塑性焊接設(shè)備組成及特點(diǎn)；3.掌握電致超塑性焊接工藝特點(diǎn)；4.具備根據(jù)產(chǎn)品的質(zhì)量需求，結(jié)構(gòu)形式，材料等，選擇電致超塑性連接方法和設(shè)備；5.能夠設(shè)計(jì)實(shí)施工藝實(shí)驗(yàn)、確定焊接工藝參數(shù)。先進(jìn)焊接與連接技術(shù)3任務(wù)1電致超塑性設(shè)備的設(shè)計(jì)任務(wù)解析通過(guò)完成本任務(wù)，使學(xué)生掌握電致超塑性焊接原理，了解電致超塑性焊接工藝特點(diǎn)；掌握電致超塑性焊接設(shè)備組成、特點(diǎn)及應(yīng)用范圍；為設(shè)計(jì)電致超塑性焊接工藝奠定基礎(chǔ)。必備知識(shí)一、材料的超塑性超塑性是指材料在一定的內(nèi)部條件和外部條件下，呈現(xiàn)出異常低的流變抗力、異常高的流變性能的現(xiàn)象。超塑性有大延伸率、無(wú)縮頸、小應(yīng)力、易成形等特點(diǎn)。超塑性成形工藝在航天、汽車、車廂制造等部門(mén)中被廣泛采用，所用的超塑性合金包括鋁、鎂、鈦、碳鋼、不銹鋼和高溫合金等。先進(jìn)焊接與連接技術(shù)4任務(wù)1電致超塑性設(shè)備的設(shè)計(jì)

金屬或兩種以上金屬組成的合金，通常是堅(jiān)硬的，有大的強(qiáng)度，做成各種構(gòu)件很堅(jiān)固，不容易破壞，這當(dāng)然是一種優(yōu)點(diǎn)；但是，強(qiáng)度越大的材料，要做成某種形狀，成形也就越困難，這時(shí)強(qiáng)度大變成了缺點(diǎn)，給加工成形造成困難。

圖3-1材料超塑性的發(fā)現(xiàn)先進(jìn)焊接與連接技術(shù)5任務(wù)1電致超塑性設(shè)備的設(shè)計(jì)二、超塑性成型

金屬材料的超塑性是指金屬在特定條件(晶粒細(xì)化.極低的變形速度及等溫變形)下，具有更大的塑性。如低碳鋼拉伸時(shí)延伸率只有30-40%，塑性好的有色金屬也只有60-70%，但超塑性狀態(tài)。一般認(rèn)為塑性差的金屬延伸率在100-200%范圍內(nèi)，塑性好的金屬延伸率在500-2000%范圍內(nèi)。要使超塑性出現(xiàn)，必須滿足某些必要條件。由于金屬及合金在超塑性狀態(tài)具有異常好的塑性和極低的流動(dòng)應(yīng)力，對(duì)成形加工極為有利。對(duì)于形狀極為復(fù)雜或變形量很大的零件，都可以一次成形。從已報(bào)導(dǎo)的成形已有多種形式，如板料成形，管材成形，無(wú)模拉絲，吹塑成形和各種擠壓，模鍛等。利用這種異常的塑性，有些原來(lái)很多零件拚合成的部件，現(xiàn)在可以用超塑性成形一次加工出來(lái)，減輕了零件的重量，節(jié)約大量加工工時(shí)。具體應(yīng)用有:先進(jìn)焊接與連接技術(shù)6任務(wù)1電致超塑性設(shè)備的設(shè)計(jì)1.板料深沖鋅鋁合金等超塑性板料，在法蘭部分加熱，并在外圍加油壓，一次能拉出非常深的容器。如果在沖頭下部和拉伸好的筒部采用冷卻裝置，深沖比H/dp=11是普通拉深的15倍，而且拉深速度在5000毫米/分時(shí)深沖系數(shù)不變。超塑性成形件最大特點(diǎn)是沒(méi)有各向異性，拉伸的杯形件沒(méi)有制耳。2.板料吹塑成形(氣壓成形)這是在超塑性材料的延伸率高和變形抗力小的前提下，受到塑料板吹塑成形的啟發(fā)而發(fā)展起來(lái)的新工藝。用于Zn-22%A1,A1-6%Cu-0.5%Zr和鈦合金的超塑性板料成形。利用凹模或凸模上的形狀，把板料和模具加熱到預(yù)定的溫度，用壓縮空氣的壓力，使壓緊的板料漲開(kāi)貼緊在凹模或凸模上，以獲得所需形狀的薄板工件。目前能加工的板料厚度為0.4~4毫米。根據(jù)工件要求在它的表面上或在內(nèi)腔內(nèi)有清晰的形狀和花紋，選用凹模內(nèi)或凸模上成形。先進(jìn)焊接與連接技術(shù)7任務(wù)1電致超塑性設(shè)備的設(shè)計(jì)3.擠壓和模鍛近年來(lái)高溫合金和鈦合金的應(yīng)用不斷增加，尤其是國(guó)防工業(yè)生產(chǎn)中。這些合金的特點(diǎn)是:流變抗力高，可塑性極低，具有不均勻變形所引起機(jī)械性能各向異性的敏感性，難于機(jī)械加工及成本昂高。如采用普通熱變形鍛造時(shí)，機(jī)械加工的金屬損耗達(dá)80%左右，而機(jī)械加工的性能是很差的，所以往往不能滿足零件所需的機(jī)械性能。但是采用超塑性模鍛方法，就能改變過(guò)去肥頭大耳的落后的鍛造工藝。先進(jìn)焊接與連接技術(shù)8超塑技術(shù)想在關(guān)鍵承力結(jié)構(gòu)件上得以應(yīng)用，必須進(jìn)行艱苦細(xì)致的工作，在關(guān)鍵環(huán)節(jié)上進(jìn)行縱深研究：1.先進(jìn)穩(wěn)定的工藝研究超塑性成形是一種新工藝，它的特點(diǎn)是，可以利用小噸位設(shè)備進(jìn)行具有大變形量的復(fù)雜零件的成形。然而這種工藝也有缺點(diǎn)，主要是成形速度慢。工程應(yīng)用中應(yīng)注意發(fā)揮超塑成形技術(shù)的優(yōu)越之處，專門(mén)成形其它塑性工藝難以甚至不能成形的重要零件，這樣就顯示出了超塑工藝的先進(jìn)性。另外超塑性成形與傳統(tǒng)成形方法相比，生產(chǎn)環(huán)境較為復(fù)雜，生產(chǎn)過(guò)程中不可控因素較多，加上生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)積累不足，導(dǎo)致生產(chǎn)工藝的不穩(wěn)定性。因此，須針對(duì)典型超塑部件，重點(diǎn)突破關(guān)鍵工藝，并對(duì)已有的工藝應(yīng)進(jìn)行完善和穩(wěn)定化，這是產(chǎn)業(yè)化的基礎(chǔ)。任務(wù)1電致超塑性設(shè)備的設(shè)計(jì)先進(jìn)焊接與連接技術(shù)92.輔助環(huán)節(jié)的研究抓住每一工藝環(huán)節(jié)，包括輔助環(huán)節(jié)。超塑性成形工藝本身包括材料的加熱―入模預(yù)熱―加壓成形―出模―校形―熱處理等環(huán)節(jié)，這僅僅是成形工藝的主線，模具的設(shè)計(jì)、制造、加熱、維護(hù)、潤(rùn)滑劑的選擇與使用，成形設(shè)備的設(shè)計(jì)、使用、維護(hù)及改進(jìn)等，也都直接關(guān)系到超塑性成形工藝的成敗。實(shí)際上，我國(guó)在超塑領(lǐng)域與發(fā)達(dá)國(guó)家的差距更多的體現(xiàn)在模具、成形設(shè)備等輔助環(huán)節(jié)上，其原因在于基礎(chǔ)工業(yè)的相對(duì)落后，導(dǎo)致在模具設(shè)計(jì)的先進(jìn)性、成形設(shè)備的智能化等方面滿足不了超塑成形所需條件，成為超塑技術(shù)發(fā)展的瓶頸。任務(wù)1電致超塑性設(shè)備的設(shè)計(jì)先進(jìn)焊接與連接技術(shù)103.工藝的智能控制研究現(xiàn)在一些大的超塑成形研究公司如美國(guó)的SUPERFORM公司已經(jīng)對(duì)超塑成形全程計(jì)算機(jī)機(jī)控制，只要事先輸入數(shù)據(jù)，成形設(shè)備就可以自動(dòng)按時(shí)準(zhǔn)確的進(jìn)行加溫―加壓―充氣―放氣等動(dòng)作，工人只用放入坯料，取出好的零件。這種超塑性成形的零件成品率高，一致性好，更體現(xiàn)出超塑成形工藝的先進(jìn)性。在工藝的智能控制研究方面，在硬件(自動(dòng)化超塑成形設(shè)備)及軟件(優(yōu)化準(zhǔn)確的工藝流程和參數(shù))上都有很大欠缺，可研究的空間很大。任務(wù)1電致超塑性設(shè)備的設(shè)計(jì)先進(jìn)焊接與連接技術(shù)114.產(chǎn)品質(zhì)量、成本控制研究超塑成形產(chǎn)品要想真正得以應(yīng)用尤其是在航天器關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件上得以應(yīng)用,必須進(jìn)行產(chǎn)品質(zhì)量、成本控制研究?，F(xiàn)在的很多技術(shù)發(fā)展都是基于這個(gè)原則進(jìn)行的，比如目前很熱的鈦合金滲氫技術(shù)，以獲得低溫(700℃左右)超塑性，可以大幅度降低成本，更重要的是可防止晶粒長(zhǎng)大，提高最終材料性能，保障產(chǎn)品質(zhì)量。另外，超塑成形中的材料性能變化、變薄率的研究等都應(yīng)給予高度的關(guān)注。國(guó)外工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家的超塑成形技術(shù)已發(fā)展到成熟的工程應(yīng)用階段，很多航天、航空公司都有自己的超塑研究、生產(chǎn)部門(mén)，形成規(guī)模效益，并互相競(jìng)爭(zhēng)，加速技術(shù)發(fā)展。而我國(guó)目前僅有少數(shù)單位能生產(chǎn)合格超塑產(chǎn)品，并且技術(shù)還相當(dāng)落后。任務(wù)1電致超塑性設(shè)備的設(shè)計(jì)先進(jìn)焊接與連接技術(shù)12任務(wù)1電致超塑性設(shè)備的設(shè)計(jì)三、超塑性固態(tài)焊接

固態(tài)焊接是指兩塊被焊材料在固態(tài)下（無(wú)熔池）通過(guò)接觸面上的擴(kuò)散和再結(jié)晶過(guò)程達(dá)到牢固結(jié)合的一種方法。通過(guò)物理方法克服兩連接表面的不平度，使連接表面足夠“貼近”除去表面氧化膜和其他污染物，使待連接面足夠“干凈”以使兩個(gè)連接表面上的原子相互接近達(dá)到晶格間距，形成金屬鍵結(jié)合從而得到高質(zhì)量的焊接接頭。固態(tài)焊接方法不發(fā)生原子熔化再形核，這樣就可以避免一些相變的發(fā)生，減少焊接界面處一些化合物的形成，從而最大程度上增強(qiáng)了界面結(jié)合強(qiáng)度。常見(jiàn)的固態(tài)焊接方法有超聲波焊、摩擦焊、擴(kuò)散焊、電磁焊等。

固態(tài)焊接從機(jī)理上分為兩類：一類是以塑性變形為主的連接，如鍛焊，通過(guò)施加壓力使結(jié)合面發(fā)生塑性流變，破壞待焊面的氧化膜，露出金屬新鮮表面，從而達(dá)到原子間有效的結(jié)合。另一類是以擴(kuò)散為主的擴(kuò)散連接，在真空或保護(hù)氣氛中，通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的高溫低應(yīng)力作用，使待連接面局部發(fā)生塑性變形，并利用結(jié)合層原子間相互擴(kuò)散，以達(dá)到結(jié)合面密合。先進(jìn)焊接與連接技術(shù)13任務(wù)1電致超塑性設(shè)備的設(shè)計(jì)圖3-2超塑性焊接樣品先進(jìn)焊接與連接技術(shù)14任務(wù)1電致超塑性設(shè)備的設(shè)計(jì)

超塑性焊接是一種利用材料在超塑性狀態(tài)下易焊合的特點(diǎn)而進(jìn)行焊接的新型固態(tài)焊接方法。在超塑性狀態(tài)下，可產(chǎn)生大的塑性流變和原子擴(kuò)散遷移率，能在短時(shí)間、較低溫度下實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的連接，并兼具有變形焊和擴(kuò)散焊的優(yōu)點(diǎn)。其工藝簡(jiǎn)單，無(wú)需真空或保護(hù)氣氛，已成為解決諸如高碳鋼等含大體積分?jǐn)?shù)碳化物的難焊材料異材連接的有效方法。

塑性效應(yīng)的提高對(duì)金屬超塑性固態(tài)焊接的促進(jìn)作用主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：超塑性效應(yīng)引起的高度活化促進(jìn)了待焊接面的實(shí)際接觸面積的擴(kuò)大，金屬在低應(yīng)力下產(chǎn)生大的塑性變形，氧化膜的破碎和活性表面的增加，破膜效率更高；另一個(gè)方面是原子擴(kuò)散，超塑性焊接時(shí)，系統(tǒng)內(nèi)的組織超細(xì)化預(yù)處理后的晶體缺陷（晶界、相界、位錯(cuò)、空位）密度增加、運(yùn)動(dòng)加劇，使原子擴(kuò)散的通道增多，極利于空位擴(kuò)散機(jī)制的進(jìn)行。先進(jìn)焊接與連接技術(shù)15任務(wù)1電致超塑性設(shè)備的設(shè)計(jì)四、電致超塑性焊接

近年來(lái)，利用電磁場(chǎng)改良傳統(tǒng)材料加工過(guò)程已逐漸成為材料學(xué)界廣泛關(guān)注的研究領(lǐng)域，比如：電磁懸浮熔煉、電磁鑄造、電磁塑性加工等。電塑性是指電流和電場(chǎng)不但影響金屬的原子可動(dòng)性，還顯著影響其位錯(cuò)可動(dòng)性的現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)高密度脈沖電流通過(guò)正進(jìn)行塑性變形的金屬時(shí)，因電流而產(chǎn)生的大量定向漂移電子會(huì)對(duì)金屬中的位錯(cuò)施加一個(gè)額外的力，幫助位錯(cuò)越過(guò)它前進(jìn)中的障礙，從而提高變形金屬的塑性和韌性，降低變形抗力。發(fā)生這種現(xiàn)象時(shí)，金屬甚至?xí)从吵龀苄缘淖冃翁匦?。金屬在電致塑性或電致超塑性狀態(tài)下，具有低的流動(dòng)應(yīng)力、高的塑變能力、以及高的原子擴(kuò)散能力等特點(diǎn)，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(yīng)變速率。隨著人們對(duì)電流、電場(chǎng)等物質(zhì)場(chǎng)更多的了解，金屬的電致超塑性原理也逐漸開(kāi)始被人們應(yīng)用到冶金、焊接及熱處理等其它熱加工領(lǐng)域。先進(jìn)焊接與連接技術(shù)16任務(wù)1電致超塑性設(shè)備的設(shè)計(jì)

圖3-3試樣分別受到電流場(chǎng)與靜電場(chǎng)的作用先進(jìn)焊接與連接技術(shù)17任務(wù)1電致超塑性設(shè)備的設(shè)計(jì)

研究表明，當(dāng)電流通過(guò)正處于塑性變形的金屬時(shí)，它可能會(huì)引起以下效應(yīng)：焦?fàn)枱嵝?yīng)、電動(dòng)效應(yīng)（包括膚集效應(yīng)、收縮效應(yīng)、磁致伸縮效應(yīng)）。電流和電場(chǎng)不但影響金屬的原子可動(dòng)性（電子漂移），還對(duì)金屬的位錯(cuò)可動(dòng)性具有影響，提高了金屬的塑性。人們把這種電場(chǎng)或者電流通過(guò)對(duì)位錯(cuò)可動(dòng)性的影響而提高金屬塑性的效應(yīng)稱為電致塑性效應(yīng)。電致超塑性效應(yīng)（electro-superplasticeffect，以下簡(jiǎn)稱ESP效應(yīng)）是在電塑性的基礎(chǔ)上提出的。對(duì)于正處于超塑性變形的金屬，電流和電場(chǎng)能加強(qiáng)它們的微觀變形機(jī)制的作用，從而提高金屬超塑性變形的能力。材料處于超塑性狀態(tài)時(shí)，超塑變形過(guò)程中原子處于高激活狀態(tài)，原子擴(kuò)散能力加強(qiáng)，可以在較短時(shí)間、較低溫度下產(chǎn)生明顯的擴(kuò)散，非常有助于實(shí)現(xiàn)待連接面的緊密接觸、破膜及界面兩側(cè)的原子相互擴(kuò)散而實(shí)現(xiàn)固態(tài)連接。先進(jìn)焊接與連接技術(shù)18任務(wù)1電致超塑性設(shè)備的設(shè)計(jì)金屬材料固態(tài)連接過(guò)程一般分為三個(gè)階段，而超塑性對(duì)每個(gè)階段都可以起到促進(jìn)作用，具體表現(xiàn)為：1.形成物理接觸在超塑性狀態(tài)下，金屬可以在低應(yīng)力下產(chǎn)生比較大的塑性變形，從而促進(jìn)了氧化膜破裂及焊接面的物理接觸。2.接觸表面的活化和形成活化中心，超塑性效應(yīng)使原子處于高度激活狀態(tài)，從而使該階段大為縮短。3.體積相互作用超塑焊接時(shí)，系統(tǒng)內(nèi)晶體缺陷密度增加且運(yùn)動(dòng)加劇，使待焊接面的活化中心數(shù)量增多，以界面擴(kuò)散為主的擴(kuò)散顯著加快，從而導(dǎo)致該階段迅速完成。先進(jìn)焊接與連接技術(shù)19任務(wù)1電致超塑性設(shè)備的設(shè)計(jì)

五、設(shè)計(jì)電致超塑性焊接設(shè)備裝置

本任務(wù)以Cr12MoV與40Cr鋼的焊接為例。超塑性焊接是指在滿足超塑性變形的組織和變形條件下，待焊面兩側(cè)或一側(cè)材料發(fā)生超塑性流變，促使材料表面緊密接觸并達(dá)到原子間作用力范圍，致使原界面消失以實(shí)現(xiàn)界面兩側(cè)材料的固態(tài)連接。根據(jù)超塑性焊接的原理，只要材料進(jìn)行有效的塑變和擴(kuò)散，即可實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的連接。在電場(chǎng)作用下，可以使超塑性穩(wěn)態(tài)流變應(yīng)力降低，原子擴(kuò)散激活能減小以及促使晶界滑移增強(qiáng)，晶粒細(xì)化、等軸、均勻等。這說(shuō)明在電場(chǎng)作用下更有利于固態(tài)焊接所需的擴(kuò)散、塑變，即在電場(chǎng)作用下超塑性焊接更容易進(jìn)行。根據(jù)電致超塑性焊接原理，本任務(wù)通過(guò)以下焊接設(shè)備設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)焊接。圖3-4試驗(yàn)所用裝置先進(jìn)焊接與連接技術(shù)20任務(wù)1電致超塑性設(shè)備的設(shè)計(jì)

如圖3-4所示，電致超塑性壓縮試驗(yàn)和電致超塑性焊接試驗(yàn)是在經(jīng)改裝的WJ-10A型機(jī)械式萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，試驗(yàn)機(jī)的壓頭移動(dòng)速度v在(0.02～60)mm/min范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)，加熱裝置是自制的3kW電阻爐，配有冷卻水循環(huán)系統(tǒng)，并用可編程精密控溫儀控溫，溫度偏差為±2℃。在試驗(yàn)機(jī)上加裝的應(yīng)力傳感器、位移傳感器與計(jì)算機(jī)相連組成數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。電場(chǎng)裝置為自制的多功能高壓電源，利用自耦調(diào)壓器和變壓器以及整流和濾波等元件，通過(guò)整流升壓，可得到0～10000V連續(xù)可調(diào)的直流高壓、負(fù)直流高壓、交流高壓、脈沖高壓，輸出高壓的極性可變。施加電場(chǎng)所用的內(nèi)電極為耐高溫、高強(qiáng)度的合金鋼，電極形狀為圓柱狀，且與電源的一極相連，另一個(gè)電極是由耐熱鋼制成的環(huán)狀電極，兩電極均安放在加熱爐內(nèi)，通過(guò)耐熱導(dǎo)線與外界高壓電源連接，兩電極和試驗(yàn)機(jī)三者之間用陶瓷件相互絕緣。高壓電源通電，在柱狀試樣和環(huán)狀電極之間產(chǎn)生極性可變、場(chǎng)強(qiáng)可調(diào)的徑向電場(chǎng)。先進(jìn)焊接與連接技術(shù)21任務(wù)1電致超塑性設(shè)備的設(shè)計(jì)依照電致超塑性焊接理論與設(shè)備，焊接工藝流程如下：試樣兩端面涂抹石墨潤(rùn)滑劑→爐溫加熱到預(yù)定溫度→將試樣放置于環(huán)狀電極軸心→保溫20min→施加高壓電場(chǎng)→試樣壓縮40%→關(guān)閉電源→用放電棒釋放高壓電源內(nèi)殘留的靜電→取出試樣空冷→測(cè)量試樣尺寸。圖3-5焊接工藝示意圖先進(jìn)焊接與連接技術(shù)22任務(wù)1電致超塑性設(shè)備的設(shè)計(jì)任務(wù)布置根據(jù)電致超塑性連接的原理，自行設(shè)計(jì)一套焊接設(shè)備方案。先進(jìn)焊接與連接技術(shù)23任務(wù)2電致超塑性焊接工藝的確定任務(wù)解析通過(guò)完成本任務(wù)，使學(xué)生能夠明晰Cr12MoV與40Cr鋼的焊接性能，并選擇適當(dāng)?shù)碾娭鲁苄赃B接工藝，能夠分析焊接參數(shù)對(duì)Cr12MoV與40Cr鋼焊接工藝的影響，并作出相應(yīng)的技術(shù)調(diào)整。先進(jìn)焊接與連接技術(shù)24任務(wù)2電致超塑性焊接工藝的確定必備知識(shí)

一、Cr12MoV與40Cr鋼的組織成分及焊接性大體積分?jǐn)?shù)碳化物的高鉻高合金工具鋼是一類在工業(yè)中有著廣泛應(yīng)用和潛在應(yīng)用前景的鋼鐵材料。但這類鋼中大量的碳化物嚴(yán)重地影響其工藝性能使得某些加工過(guò)程變的困難，如這類鋼的可焊性差而導(dǎo)致其焊接加工困難。而隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，很多情況下，往往又需要這一類鋼與其他材料組成復(fù)合連接構(gòu)件以發(fā)揮不同材料性能與經(jīng)濟(jì)上的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。而40Cr鋼由于含碳量較高，焊接性差，焊接工藝復(fù)雜，且在焊接過(guò)程中易產(chǎn)生裂紋等缺陷。但是Cr12MoV與40Cr鋼都具有良好的壓縮超塑性，電致超塑性可促進(jìn)材料的超塑性變形，并進(jìn)一步增強(qiáng)材料的超塑效應(yīng)。對(duì)于具有大體積分?jǐn)?shù)碳化物的鋼之類難焊材料的超塑性焊接來(lái)說(shuō)，若施加合適的電場(chǎng)進(jìn)一步增強(qiáng)被連接材料的超塑性效應(yīng)，改善碳化物變形行為，將有利于超塑性焊接所需塑性變形和擴(kuò)散機(jī)制的進(jìn)行，使超塑性焊接過(guò)程加快，接頭性能進(jìn)一步提高。先進(jìn)焊接與連接技術(shù)25任務(wù)2電致超塑性焊接工藝的確定

Cr12MoV模具鋼淬透性、淬火回火后的硬度、強(qiáng)度、韌性比CR12高，直徑為300~400mm以下的工件可完全淬透，淬火變形小，但高溫塑性較差。Cr12MoV多用于制造截面較大、形狀復(fù)雜、工作負(fù)荷較重的合種模具和工具。如沖孔凹模、切邊模、滾邊模、鋼板等。

40Cr鋼是機(jī)械制造業(yè)使用最廣泛的鋼之一。調(diào)質(zhì)處理后具有良好的綜合力學(xué)性能，良好的低溫沖擊韌性和低的缺口敏感性。鋼的淬透性良好，水淬時(shí)可淬透到Ф28～60mm,油淬時(shí)可淬透到Ф15～40mm。這種鋼除調(diào)質(zhì)處理外還適于氰化和高頻淬火處理。切削性能較好，當(dāng)硬度為174～229HB時(shí)，相對(duì)切削加工性為60%。該鋼適于制作中型塑料模具。該鋼價(jià)格適中，加工容易，經(jīng)適當(dāng)?shù)臒崽幚硪院罂色@得一定的韌性、塑性和耐磨性。正火可促進(jìn)組織球化，改進(jìn)硬度小于160HBS毛坯的切削性能。在溫度550~570℃進(jìn)行回火，該鋼具有最佳的綜合力學(xué)性能。這種鋼經(jīng)調(diào)質(zhì)后用于制造承受中等負(fù)荷及中等速度工作的機(jī)械零件，如汽車的轉(zhuǎn)向節(jié)、后半軸以及機(jī)床上的齒輪、軸、蝸桿、花鍵軸、頂尖套等先進(jìn)焊接與連接技術(shù)26任務(wù)2電致超塑性焊接工藝的確定

經(jīng)淬火及中溫回火后用于制造承受高負(fù)荷、沖擊及中等速度工作的零件，如齒輪、主軸、油泵轉(zhuǎn)子、滑塊、套環(huán)等；經(jīng)淬火及低溫回火后用于制造承受重負(fù)荷、低沖擊及具有耐磨性、截面上實(shí)體厚度在25mm以下的零件，如蝸桿、主軸、軸、套環(huán)等；經(jīng)調(diào)質(zhì)并高頻表面淬火后用于制造具有高的表面硬度及耐磨性而無(wú)很大沖擊的零件，如齒輪、套筒、軸、主軸、曲軸、心軸、銷子、連桿、螺釘、螺帽、進(jìn)氣閥等。此外，這種鋼又適于制造進(jìn)行碳氮共滲處理的各種傳動(dòng)零件，如直徑較大和低溫韌性好的齒輪和軸。表3-1母材成分表先進(jìn)焊接與連接技術(shù)27任務(wù)2電致超塑性焊接工藝的確定二、Cr12MoV與40Cr鋼電致超塑性焊接工藝Cr12MoV與40Cr鋼電致超塑性壓縮工藝過(guò)程為：測(cè)量試樣壓縮前尺寸(高度h0、直徑d0)，并在試樣兩端面涂上石墨；待爐溫升至壓縮溫度T，將試樣放置環(huán)狀電極中心，合爐；保溫一定時(shí)間t0；保溫結(jié)束前一分鐘施加電場(chǎng)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)載荷、位移清零，開(kāi)始采集數(shù)據(jù)；以一定的初始應(yīng)變速率，壓縮一定壓縮量后停止；保存采集系統(tǒng)的圖像與數(shù)據(jù)，取出試樣空冷；測(cè)量試樣壓縮后的尺寸(高度hf及直徑df)。通過(guò)壓縮工藝的探索可得：1.熱軋態(tài)Cr12MoV鋼在800℃、初始應(yīng)變速率1.5×10-4s-1、電場(chǎng)強(qiáng)度為-2kV/cm條件下進(jìn)行等溫壓縮變形，其真應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈典型的超塑壓縮流變特征，穩(wěn)態(tài)流變應(yīng)力與常規(guī)超塑性壓縮相比降低7%；經(jīng)循環(huán)淬火處理的40Cr鋼在750℃、初始應(yīng)變速率1.5×10-4s-1、電場(chǎng)強(qiáng)度為-2kV/cm條件下等溫壓縮變形，真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線也呈典型的超塑壓縮流變特征，穩(wěn)態(tài)流變應(yīng)力有所降低。即電場(chǎng)作用條件下可提高Cr12MoV鋼和經(jīng)循環(huán)淬火處理的40Cr鋼的超塑性效應(yīng)。2.Cr12MoV鋼在800℃、1.5×10-4s-1、-2kV/cm條件下電致超塑性壓縮，與常規(guī)超塑性壓縮相比，可使應(yīng)變速率敏感性指數(shù)m值由0.21提高到0.24，應(yīng)變激活能Q由241kJ/mol降低到224kJ/mol。先進(jìn)焊接與連接技術(shù)28任務(wù)2電致超塑性焊接工藝的確定3.Cr12MoV鋼在電場(chǎng)作用下溫度為800℃、初始應(yīng)變速率為1.5×10-4s-1條件下超塑壓縮40%，壓縮后晶粒仍保持等軸狀且晶內(nèi)位錯(cuò)減少，晶界呈寬化和圓弧化現(xiàn)象，反映了超塑壓縮變形的微觀組織特征；第二相粒子碳化物在晶界處析出并呈不均勻性長(zhǎng)大，反映了在超塑性壓縮過(guò)程中伴隨有擴(kuò)散現(xiàn)象。在此壓縮工藝的基礎(chǔ)上，任務(wù)設(shè)計(jì)Cr12MoV/40Cr電致超塑性焊接工藝過(guò)程為：用砂紙磨平焊接試樣待焊面，并用酒精和丙酮進(jìn)行清理；測(cè)量試樣焊前尺寸(高度h0及直徑d0)，將處理好的Cr12MoV與40Cr鋼對(duì)接，并用牛皮紙和膠帶進(jìn)行密封；待爐溫升至壓縮溫度T，焊接試樣兩端面涂勻石墨放置環(huán)狀電極中心，合爐；保溫一定時(shí)間t0；保溫結(jié)束前一分鐘施加電場(chǎng)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)載荷、位移清零，開(kāi)始采集數(shù)據(jù)；以一定的初始應(yīng)變速率，焊接一定時(shí)間后停止；保存采集系統(tǒng)的圖像與數(shù)據(jù)，取出試樣空冷；測(cè)量試樣焊后的尺寸(高度hf及直徑df)。先進(jìn)焊接與連接技術(shù)29任務(wù)2電致超塑性焊接工藝的確定三、焊接實(shí)施與分析

恒溫超塑變形是以擴(kuò)散蠕變和位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)調(diào)節(jié)的晶界滑移和晶粒轉(zhuǎn)動(dòng)為主的塑性變形，材料組晶粒越細(xì)(晶粒一般要求小于10μm)，超塑變形能力越好。本試驗(yàn)以工業(yè)上常用的工具鋼Cr12MoV和結(jié)構(gòu)鋼40Cr為研究對(duì)象。Cr12MoV鋼為熱軋退火態(tài)圓鋼，組織為鐵素體+碳化物，碳化物呈細(xì)小球狀和粒狀均勻分布在鐵素體基體上，有少量的不規(guī)則大體積碳化物分布其中，如圖3-4所示。用苦味酸鈉水溶液腐蝕Cr12MoV顯示其晶粒，鐵素體晶粒小于5μm，滿足超塑性要求。圖3-6Cr12MoV鋼熱軋退火組織先進(jìn)焊接與連接技術(shù)30任務(wù)2電致超塑性焊接工藝的確定熱軋退火態(tài)的40Cr鋼組織為粗大的珠光體+鐵素體，如圖3-7所示，無(wú)法滿足超塑性要求。對(duì)40Cr鋼進(jìn)行組織細(xì)化預(yù)處理，采用圖3-9對(duì)40Cr鋼鹽浴循環(huán)淬火工藝曲線，經(jīng)過(guò)兩次鹽浴循環(huán)淬火處理，即可得到細(xì)小的馬氏體組織，滿足超塑性組織要求。Cr12MoV和40Cr鋼的主要化學(xué)成分和物理力學(xué)性能。表3-2Cr12MoV和40Cr鋼的物理力學(xué)性能先進(jìn)焊接與連接技術(shù)31任務(wù)2電致超塑性焊接工藝的確定圖3-7熱軋退火態(tài)的40Cr鋼組織圖3-8鹽浴后40Cr鋼組織圖3-9兩次鹽浴循環(huán)淬火處理先進(jìn)焊接與連接技術(shù)32任務(wù)2電致超塑性焊接工藝的確定

基于Cr12MoV與40Cr電致超塑性壓縮實(shí)驗(yàn)結(jié)果，以焊接接頭力學(xué)性能和接頭變形量為主要考察指標(biāo)，采用正交試驗(yàn)，確定Cr12MoV與40Cr電致超塑性焊接工藝參數(shù)，通過(guò)優(yōu)化確定了最佳工藝參數(shù)，為實(shí)際應(yīng)用提供試驗(yàn)依據(jù)。正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)是目前應(yīng)用最為廣泛的試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，它用部分試驗(yàn)來(lái)代替更多的試驗(yàn)。通過(guò)對(duì)部分試驗(yàn)結(jié)果的分析，了解全面試驗(yàn)的情況。在解決多因素、多水平試驗(yàn)中效果顯著?？捎弥庇^分析法和方差分析法分析正交試驗(yàn)各試驗(yàn)因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，并進(jìn)而最終確定最優(yōu)試驗(yàn)方案。先進(jìn)焊接與連接技術(shù)33任務(wù)2電致超塑性焊接工藝的確定1.電場(chǎng)強(qiáng)度的影響Cr12MoV/40Cr在T=800℃，0ε&=1.5×10-4s-1，t=10min工藝條件下超塑性焊接，試驗(yàn)結(jié)果從圖3-8可以看出，隨電場(chǎng)強(qiáng)度升高，接頭抗拉強(qiáng)度σb在電場(chǎng)強(qiáng)度為+3kV/cm出現(xiàn)極值點(diǎn)(667MPa)；繼續(xù)增大電場(chǎng)強(qiáng)度，σb呈下降趨勢(shì)。與不加電場(chǎng)超塑性焊接相比，最佳電場(chǎng)強(qiáng)度下的接頭強(qiáng)度σb提高了8%，達(dá)到40Cr(700MPa)相同熱循環(huán)狀態(tài)下母材強(qiáng)度的95%；從接頭兩側(cè)變形可看出，電場(chǎng)作用下超塑性焊接Cr12MoV側(cè)變形量變化不大；40Cr側(cè)在電場(chǎng)強(qiáng)度為+3kV/cm時(shí)有微小起伏，但整體變化不大，可認(rèn)為電場(chǎng)對(duì)接頭變形影響較小。圖3-10電場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)焊接接頭拉伸強(qiáng)度的影響先進(jìn)焊接與連接技術(shù)34任務(wù)2電致超塑性焊接工藝的確定電場(chǎng)作用可使超塑性變形的穩(wěn)態(tài)流變應(yīng)力降低，m值提高，應(yīng)變激活能降低。在電場(chǎng)環(huán)境中進(jìn)行超塑性變形時(shí)，電源正極連接試樣，表面帶電層對(duì)空位和位錯(cuò)等材料內(nèi)部缺陷產(chǎn)生作用，降低擴(kuò)散激活能，促進(jìn)空位向表面定向遷移及促進(jìn)位錯(cuò)滑移和攀移。隨著空位的產(chǎn)生和遷移，以及位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)，接頭區(qū)擴(kuò)散加快、擴(kuò)散作用明顯增強(qiáng)，促使第二相碳化物粒子在晶界周圍大量析出，進(jìn)而阻止晶粒的長(zhǎng)大。在超塑性變形應(yīng)力作用下，晶粒呈近等軸狀，有利于降低超塑穩(wěn)態(tài)流變應(yīng)力，促進(jìn)晶界的滑移和晶粒的轉(zhuǎn)動(dòng)從而保證超塑性得以進(jìn)行，并形成高質(zhì)量的焊接接頭。先進(jìn)焊接與連接技術(shù)35任務(wù)2電致超塑性焊接工藝的確定2.焊接溫度的影響超塑性焊接通常是將待焊兩側(cè)材料的超塑性溫度重疊區(qū)間作為焊接溫度，合適的焊接溫度既要滿足超塑流變的要求又要兼顧原子的擴(kuò)散。圖3-11為Cr12MoV與經(jīng)過(guò)超細(xì)化處理40Cr在電場(chǎng)作用下焊接溫度對(duì)超塑性焊接接頭性能的影響。焊接溫度為760℃時(shí)，40Cr為(α+γ)兩相組織，超塑性較好，此時(shí)Cr12MoV雖具有一定的超塑性變形能力，但由于焊接溫度低而不利于超塑性流變和原子的擴(kuò)散，接頭兩側(cè)變形量小而焊后接頭拉伸強(qiáng)度較低。在780℃、800℃焊接，焊后接頭拉伸強(qiáng)度均達(dá)到600MPa以上，特別在800℃時(shí)焊接，焊后接頭拉伸強(qiáng)度達(dá)到40Cr母材強(qiáng)度的95%以上，40Cr接頭變形量變化不大，Cr12MoV處于超塑性變形溫度上限，接頭變形量略有增加。此時(shí)40Cr雖為單相奧氏體組織，但晶粒還沒(méi)有明顯長(zhǎng)大，仍具有一定的超塑變形能力；對(duì)于Cr12MoV鋼來(lái)說(shuō)，該溫度為最佳超塑性溫度范圍，此溫度下組織為α與彌散分布的粒狀碳化物，可呈現(xiàn)較好的超塑性。由此說(shuō)明，Cr12MoV/40Cr電致超塑性焊接，其主要利用了Cr12MoV鋼的超塑性。隨著溫度的升高，在820℃、840℃焊后接頭拉伸強(qiáng)度反而降低，分析認(rèn)為溫度升高對(duì)原子擴(kuò)散雖有利，但晶粒的