高能脈沖電流輔助不銹鋼∕碳鋼復合研究

王 龍，阮金華

（武漢科技大學冶金裝備及其控制教育部重點實驗室，湖北 武漢 430081）

1 引言

最早發現電流對金屬材料的作用是上個世紀60年代。1861年，文獻[1]發現在Pb-Sn液體焊料中通以電流可以觀察到原子有規律的傳輸現象。文獻[2]等于1963年在鋅單晶表面涂汞的情況下進行拉伸實驗時發現，當電子流平行輻照鋅單晶體的滑移面時，鋅單晶試樣的流變應力大幅度降低，塑性明顯得到提高。上世紀80年代初，文獻[3]在多晶金屬拉伸試驗過程中施加脈沖電流，提出位錯運動模型合理解釋了脈沖電流對材料力學性能的影響規律。其次，還認為電子風力是影響金屬塑性最重要的原因。上個世紀90年代，文獻[4]在2091Al-Li合金超塑變型實驗時通入脈沖電流，實驗發現脈沖電流產生位錯增殖效應，促進晶內位錯滑移。從原子的間隙機制和空位機制解釋施加脈沖電流降低原子擴散激活能，從而起到促進原子擴散的作用。文獻[5]在傳統軋機上的基礎上，通過在軋輥上通入高能脈沖電流，研發出電輔助軋制設備。在對AZ31窄帶材的普通軋制與電致塑性軋制實驗對比，發現了在電脈沖的熱效應與非熱效應作用下，電致塑性加工能在較低的溫度下發生動態再結晶，改善了鎂合金的塑性，提高了表面質量。

這里簡要分析了脈沖電流對金屬改性的研究現狀，在前人基礎上，自主設計高能脈沖電流輔助不銹鋼∕碳鋼的復合模具，在實驗室范圍內進行實驗研究。本研究主要探討高能脈沖電源的電流大小、電流頻率以及壓下率等因素對不銹鋼和低碳鋼的復合效果影響。

2 實驗裝置

本研究中給不銹鋼與低碳鋼通電加熱主要利用了高能脈沖電流的集膚效應和鄰近效應[6]。集膚效應為：當高頻電流流過不銹鋼與低碳鋼板時，導體表面比中心耦合的磁力線少，因此其反電勢即感抗小，結果使高頻電流在流過導體時將集中于導體表面很淺的深度內流動，這一現象即為高頻電流的集膚效應。鄰近效應為：不銹鋼板和碳鋼板邊緣間相當于構成了往復導體，其間形成的感抗小，因此電流趨向于不銹鋼板和碳鋼板待復合表面流動[7]。隨著電流頻率的增加，高頻電流的集膚效應和鄰近效應都表現得更加顯著。高頻電流在傳導過程中被限定在表面更小的區域中流動，因此可以獲得極高的加熱速度。

結合圖1，不銹鋼∕碳鋼復合過程可簡述為：進過簡單表面清理的兩種母材送入壓邊裝置和壓力模具中，通過調節壓邊上的螺釘來保證兩種板材與導電板良好接觸，板材另一端通過壓力模具使其緊密接觸。兩種板材放置好位置后，高能脈沖電流對板材進行在線加熱，加熱的范圍是從導電板到兩板材緊密接觸這一回路。高能脈沖電流從兩個導電板導入，兩導電板與不銹鋼板和低碳鋼板通過壓邊裝置緊密接觸，從而對板材淺層進行在線快速加熱，之后兩種板材在緊密接觸位置進行熱傳導均熱，熱傳導后獲得適宜加熱溫度的兩種板材進行壓力復合。實驗實物圖，如圖2所示。

圖1 高能脈沖電流在線加熱壓力復合裝置Fig.1 High-Energy Pulse Current Online Heating Pressure Composite Device

圖2 實驗裝置實物圖Fig.2 Experimental Device Physical Map

根據高能脈沖電流集膚效應和鄰近效應的特點，高頻電流將只對從導電板到兩板材緊密接觸這一區域的板材進行加熱。根據鄰近效應的特點，加熱區域內兩種板材越接近時加熱溫度越高，所以在實驗中可以通過改變高能脈沖電流的大小、頻率、壓力機的壓力等可以靈活地調控加熱溫度，以獲得最優的加熱效果。

3 實驗材料及方法

3.1 實驗材料

（1）不銹鋼

采用304不銹鋼，規格為寬10mm、厚0.8mm。其主要成分，如表1所示。

表1 304不銹鋼的主要成分Tab.1 Main Components of 304 Stainless Steel

（2）低碳鋼

采用Q235低碳鋼，規格為寬10mm、厚1.5mm。其主要成分，如表2所示。

表2 Q235低碳鋼的主要成分Tab.2 Main Components of Q235 Low Carbon Steel

3.2 實驗方法

不銹鋼∕碳鋼壓力復合的制備工藝包括表面去除氧化膜、高頻電流加熱、壓力復合等幾個主要的工藝流程。由于不銹鋼和低碳鋼的表面覆蓋有致密的氧化膜，所以采用手工清刷的方法加以去除。手工清刷一方面有利于控制清刷的均勻性，另一方面避免了采用機械清刷所帶來的二次污染的問題[8]。

該實驗過程如下：放置壓力復合裝置在壓力機平臺上，為了保證實驗的安全性，在平衡壓頭上和底座上各放置一塊方形絕緣板。首先啟動壓力機應用100N的預緊壓力來保持兩板材的緊密接觸，然后打開電源提供電流[9]。與此同時，壓力機恒定壓力作用于壓力復合裝置，然后保持數秒后，關閉電源，釋放負載。為了檢測不銹鋼與低碳鋼復合界面的溫度，在實驗過程中使用紅外測溫儀進行實時監測。

4 有限元仿真與實驗

4.1 模型的建立

不銹鋼板和碳鋼板的幾何模型示意圖，如圖3所示。

圖3 幾何模型示意圖Fig.3 Schematic Diagram of the Geometric Model

在建模的過程中，由于不銹鋼板和碳鋼板壓力復合過程近似平面應變，而且通電加熱后板材的溫度在寬度方向的溫度近似相同[10]，為了節約計算機求解過程的時間，所以在有限元仿真時采用二維模型進行仿真。

4.2 有限元仿真計算結果

通入電流加熱溫度場云圖，如圖4所示。其中電流密度為20A∕mm2，電流頻率為8000Hz，通電時間為5s。

圖4 通電加熱后溫度場云圖Fig.4 Temperature Field Cloud Diagram after Electrification Heating

由圖4溫度場分析可知，當高能脈沖電流通入不銹鋼和碳鋼板時，在板材相互接觸位置電阻最大，消耗大量電能，引起溫度升高。

通電加熱溫度場云圖以及30%壓下率在室溫和高能脈沖電流通電加熱后的復合等效應力云圖，如圖5所示。

圖5 室溫和高能脈沖電流加熱復合等效應力云圖Fig.5 Room Temperature and High Energy Pulse Current Heating Composite Equivalent Stress Cloud

從圖5分析得到的等效應力云圖可以看出，在相同壓下率下，復合板材在經過高能脈沖電流加熱后在復合界面處的等效應力減少了17.83%，所以在應用高能脈沖設備時可以有效的降低材料的變形抗力，促進不銹鋼∕碳鋼的壓力復合過程。不同壓下率下高能脈沖電流通電加熱后的復合等效應力云圖，如圖6所示。

圖6 不同壓下率下高能脈沖電流通電加熱后的復合最大應變云圖Fig.6 Composite Maximum Strain Cloud Diagram after Energization Heating of High Energy Pulse Current under Different Reduction Ratios

從圖6分析得到的等效應變云圖可以看出，通過高能脈沖電流將板材加熱到630℃時，屈服強度驟然下降，塑性增加，隨著壓下率的增加，復合界面的等效應變也隨之增大，這使材料更容易通過污染物層的縫隙擠出來實現固態沾結。

4.3 實驗結果

4.3.1 電流頻率的影響

當電流密度為20A∕mm2，通電時間為5s時，不同電流頻率下不銹鋼∕低碳鋼的復合界面溫度，如圖7所示。

圖7 脈沖頻率與復合界面溫度的關系Fig.7 Relationship between Pulse Frequency and Composite Interface Temperature

在實驗過程中，利用紅外測溫儀對不銹鋼∕低碳鋼的復合界面的溫度進行測量。通過將電流脈沖頻率從4000Hz增加到8000Hz，溫度提高70%左右。這是由于頻率越高，高能脈沖電流的集膚效應和鄰近效應就明顯。對復合界面處溫度的實驗數據和仿真數據進行對比，如表3所示。

表3 仿真結果與實驗結果對比Tab.3 Comparison of Simulation Results with Experimental Results

由表3可知，實驗結果與仿真結果誤差在10%以內，仿真參數可以指導實驗過程。

4.3.2 電流密度的影響

不同電流密度下試件的剪切強度，如圖8所示。

圖8 電流密度與剪切強度的關系Fig.8 Relationship between Current Density and Shear Strength

隨著厚度的減小，在達到最大值之前，剪切強度隨電流密度的增大而增大。通過將電流密度從5A∕mm2到20A∕mm2，最大剪切強度提高大約10%。這是因為原始金屬的塑性流動由脈沖電流推動的，這使材料更容易通過污染物層的縫隙擠出來實現固態沾結。

4.3.3 兩種失效模式

在壓力加載不銹鋼∕碳鋼復合過程中觀察到兩種失效模式，如圖9所示。第一種是關節分離，當板材施加高能脈沖電流加熱后，由于壓下率小于20%時，無法破壞不銹鋼表面的氧化膜，使得兩種母材表面的新鮮金屬不能直接接觸，無法形成理想的冶金結合，粘結強度較弱。繼續增加壓力，使得壓下率達到70%時，由于不銹鋼復合位置變得更薄，因此出現第二次失效模式不銹鋼復合處斷裂。

圖9 兩種失效模式Fig.9 Two Failure Modes

5 結果與討論

（1）通過對母材進行高能脈沖電流加熱，待復合表面是熱量最為集中、加熱溫度最高的區域。由有限元結果可知使用高能脈沖電流加熱可以明顯降低材料的變形抗力，有限的促進不銹鋼∕碳鋼的復合。（2）通過高能脈沖電流加熱母材到630℃后，考慮到實際設備，壓下率為（30～35）%時，不銹鋼與碳鋼能夠實現較為理想的復合效果。（3）對不銹鋼板-碳鋼板板復合過程的模擬，驗證了實驗條件下高能脈沖電流加熱母材與壓下率工藝參數組合的可行性，后期的高能脈沖電流在線軋制復合提供可靠的工藝參數。