高能脉冲电流辅助不锈钢∕碳钢复合研究

王 龙，阮金华

（武汉科技大学冶金装备及其控制教育部重点实验室，湖北 武汉 430081）

1 引言

最早发现电流对金属材料的作用是上个世纪60年代。1861年，文献[1]发现在Pb-Sn液体焊料中通以电流可以观察到原子有规律的传输现象。文献[2]等于1963年在锌单晶表面涂汞的情况下进行拉伸实验时发现，当电子流平行辐照锌单晶体的滑移面时，锌单晶试样的流变应力大幅度降低，塑性明显得到提高。上世纪80年代初，文献[3]在多晶金属拉伸试验过程中施加脉冲电流，提出位错运动模型合理解释了脉冲电流对材料力学性能的影响规律。其次，还认为电子风力是影响金属塑性最重要的原因。上个世纪90年代，文献[4]在2091Al-Li合金超塑变型实验时通入脉冲电流，实验发现脉冲电流产生位错增殖效应，促进晶内位错滑移。从原子的间隙机制和空位机制解释施加脉冲电流降低原子扩散激活能，从而起到促进原子扩散的作用。文献[5]在传统轧机上的基础上，通过在轧辊上通入高能脉冲电流，研发出电辅助轧制设备。在对AZ31窄带材的普通轧制与电致塑性轧制实验对比，发现了在电脉冲的热效应与非热效应作用下，电致塑性加工能在较低的温度下发生动态再结晶，改善了镁合金的塑性，提高了表面质量。

这里简要分析了脉冲电流对金属改性的研究现状，在前人基础上，自主设计高能脉冲电流辅助不锈钢∕碳钢的复合模具，在实验室范围内进行实验研究。本研究主要探讨高能脉冲电源的电流大小、电流频率以及压下率等因素对不锈钢和低碳钢的复合效果影响。

2 实验装置

本研究中给不锈钢与低碳钢通电加热主要利用了高能脉冲电流的集肤效应和邻近效应[6]。集肤效应为：当高频电流流过不锈钢与低碳钢板时，导体表面比中心耦合的磁力线少，因此其反电势即感抗小，结果使高频电流在流过导体时将集中于导体表面很浅的深度内流动，这一现象即为高频电流的集肤效应。邻近效应为：不锈钢板和碳钢板边缘间相当于构成了往复导体，其间形成的感抗小，因此电流趋向于不锈钢板和碳钢板待复合表面流动[7]。随着电流频率的增加，高频电流的集肤效应和邻近效应都表现得更加显著。高频电流在传导过程中被限定在表面更小的区域中流动，因此可以获得极高的加热速度。

结合图1，不锈钢∕碳钢复合过程可简述为：进过简单表面清理的两种母材送入压边装置和压力模具中，通过调节压边上的螺钉来保证两种板材与导电板良好接触，板材另一端通过压力模具使其紧密接触。两种板材放置好位置后，高能脉冲电流对板材进行在线加热，加热的范围是从导电板到两板材紧密接触这一回路。高能脉冲电流从两个导电板导入，两导电板与不锈钢板和低碳钢板通过压边装置紧密接触，从而对板材浅层进行在线快速加热，之后两种板材在紧密接触位置进行热传导均热，热传导后获得适宜加热温度的两种板材进行压力复合。实验实物图，如图2所示。

图1 高能脉冲电流在线加热压力复合装置Fig.1 High-Energy Pulse Current Online Heating Pressure Composite Device

图2 实验装置实物图Fig.2 Experimental Device Physical Map

根据高能脉冲电流集肤效应和邻近效应的特点，高频电流将只对从导电板到两板材紧密接触这一区域的板材进行加热。根据邻近效应的特点，加热区域内两种板材越接近时加热温度越高，所以在实验中可以通过改变高能脉冲电流的大小、频率、压力机的压力等可以灵活地调控加热温度，以获得最优的加热效果。

3 实验材料及方法

3.1 实验材料

（1）不锈钢

采用304不锈钢，规格为宽10mm、厚0.8mm。其主要成分，如表1所示。

表1 304不锈钢的主要成分Tab.1 Main Components of 304 Stainless Steel

（2）低碳钢

采用Q235低碳钢，规格为宽10mm、厚1.5mm。其主要成分，如表2所示。

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

3.2 实验方法

不锈钢∕碳钢压力复合的制备工艺包括表面去除氧化膜、高频电流加热、压力复合等几个主要的工艺流程。由于不锈钢和低碳钢的表面覆盖有致密的氧化膜，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匀性，另一方面避免了采用机械清刷所带来的二次污染的问题[8]。

该实验过程如下：放置压力复合装置在压力机平台上，为了保证实验的安全性，在平衡压头上和底座上各放置一块方形绝缘板。首先启动压力机应用100N的预紧压力来保持两板材的紧密接触，然后打开电源提供电流[9]。与此同时，压力机恒定压力作用于压力复合装置，然后保持数秒后，关闭电源，释放负载。为了检测不锈钢与低碳钢复合界面的温度，在实验过程中使用红外测温仪进行实时监测。

4 有限元仿真与实验

4.1 模型的建立

不锈钢板和碳钢板的几何模型示意图，如图3所示。

图3 几何模型示意图Fig.3 Schematic Diagram of the Geometric Model

在建模的过程中，由于不锈钢板和碳钢板压力复合过程近似平面应变，而且通电加热后板材的温度在宽度方向的温度近似相同[10]，为了节约计算机求解过程的时间，所以在有限元仿真时采用二维模型进行仿真。

4.2 有限元仿真计算结果

通入电流加热温度场云图，如图4所示。其中电流密度为20A∕mm2，电流频率为8000Hz，通电时间为5s。

图4 通电加热后温度场云图Fig.4 Temperature Field Cloud Diagram after Electrification Heating

由图4温度场分析可知，当高能脉冲电流通入不锈钢和碳钢板时，在板材相互接触位置电阻最大，消耗大量电能，引起温度升高。

通电加热温度场云图以及30%压下率在室温和高能脉冲电流通电加热后的复合等效应力云图，如图5所示。

图5 室温和高能脉冲电流加热复合等效应力云图Fig.5 Room Temperature and High Energy Pulse Current Heating Composite Equivalent Stress Cloud

从图5分析得到的等效应力云图可以看出，在相同压下率下，复合板材在经过高能脉冲电流加热后在复合界面处的等效应力减少了17.83%，所以在应用高能脉冲设备时可以有效的降低材料的变形抗力，促进不锈钢∕碳钢的压力复合过程。不同压下率下高能脉冲电流通电加热后的复合等效应力云图，如图6所示。

图6 不同压下率下高能脉冲电流通电加热后的复合最大应变云图Fig.6 Composite Maximum Strain Cloud Diagram after Energization Heating of High Energy Pulse Current under Different Reduction Ratios

从图6分析得到的等效应变云图可以看出，通过高能脉冲电流将板材加热到630℃时，屈服强度骤然下降，塑性增加，随着压下率的增加，复合界面的等效应变也随之增大，这使材料更容易通过污染物层的缝隙挤出来实现固态沾结。

4.3 实验结果

4.3.1 电流频率的影响

当电流密度为20A∕mm2，通电时间为5s时，不同电流频率下不锈钢∕低碳钢的复合界面温度，如图7所示。

图7 脉冲频率与复合界面温度的关系Fig.7 Relationship between Pulse Frequency and Composite Interface Temperature

在实验过程中，利用红外测温仪对不锈钢∕低碳钢的复合界面的温度进行测量。通过将电流脉冲频率从4000Hz增加到8000Hz，温度提高70%左右。这是由于频率越高，高能脉冲电流的集肤效应和邻近效应就明显。对复合界面处温度的实验数据和仿真数据进行对比，如表3所示。

表3 仿真结果与实验结果对比Tab.3 Comparison of Simulation Results with Experimental Results

由表3可知，实验结果与仿真结果误差在10%以内，仿真参数可以指导实验过程。

4.3.2 电流密度的影响

不同电流密度下试件的剪切强度，如图8所示。

图8 电流密度与剪切强度的关系Fig.8 Relationship between Current Density and Shear Strength

随着厚度的减小，在达到最大值之前，剪切强度随电流密度的增大而增大。通过将电流密度从5A∕mm2到20A∕mm2，最大剪切强度提高大约10%。这是因为原始金属的塑性流动由脉冲电流推动的，这使材料更容易通过污染物层的缝隙挤出来实现固态沾结。

4.3.3 两种失效模式

在压力加载不锈钢∕碳钢复合过程中观察到两种失效模式，如图9所示。第一种是关节分离，当板材施加高能脉冲电流加热后，由于压下率小于20%时，无法破坏不锈钢表面的氧化膜，使得两种母材表面的新鲜金属不能直接接触，无法形成理想的冶金结合，粘结强度较弱。继续增加压力，使得压下率达到70%时，由于不锈钢复合位置变得更薄，因此出现第二次失效模式不锈钢复合处断裂。

图9 两种失效模式Fig.9 Two Failure Modes

5 结果与讨论

（1）通过对母材进行高能脉冲电流加热，待复合表面是热量最为集中、加热温度最高的区域。由有限元结果可知使用高能脉冲电流加热可以明显降低材料的变形抗力，有限的促进不锈钢∕碳钢的复合。（2）通过高能脉冲电流加热母材到630℃后，考虑到实际设备，压下率为（30～35）%时，不锈钢与碳钢能够实现较为理想的复合效果。（3）对不锈钢板-碳钢板板复合过程的模拟，验证了实验条件下高能脉冲电流加热母材与压下率工艺参数组合的可行性，后期的高能脉冲电流在线轧制复合提供可靠的工艺参数。