本发明涉及多层金属复合板材制备领域，尤其涉及一种多层金属复合板脉冲电流辅助轧制装置及方法，具体是一种电致塑性及脉冲电流局部加热效应使多层金属板材轧制结合并使其达到良好复合效果的系统。
背景技术
多层金属复合材料是指通过一定复合加工技术将两种或两种以上性质不同的金属材料，以一定层厚的组元层和界面进行匹配，在界面处形成了牢固的冶金结合的多层结构材料。与传统的金属复合材料各组元之间弥散分布相比，多层金属复合材料的各组元呈层状连续分布，具有交替分布的组元成分以及层间界面。界面的存在对层状材料的变形过程中载荷的调控具有重要作用，可以实现应力在各层组元之间的调控和再分配，使得多层金属复合材料可以承受更大的塑性变形。因此，多层金属复合材料在保持各组元性质的同时，还能综合各组元之间的优势性能，使得多层金属复合材料具有比单一金属材料更优越的性能，可以适应恶劣的工作环境，满足苛刻的材料服役工况要求。目前多层金属复合板材的制备的主要工艺分别有扩散焊接法、轧制复合法。
扩散焊接是一种常用的制备多层金属材料的加工技术，能对同种或异种材料进行扩散焊接，其组元层材料在加温加压作用下通过产生界面扩散而复合。一般来讲扩散焊焊界面质量良好，性能稳定。但是扩散焊焊接过程时间较长，板材尺寸受到扩散炉得到限制，生产效率低，且一般需要在真空或者保护气氛下进行，通常一个周期至少需要几个小时，电能消耗大，扩散焊成本高，成为限制其发展的重要因素。
轧制复合法是指通过轧机的强大压力，使两种或者多种表面洁净相互接触的金属发生塑性变形，使表面金属层破裂，彼此间形成机械咬合，使组元之间的层界面紧密结合的一种加工工艺。轧制复合是一种有效的生产复层薄板的工艺方法，可以进行成卷连续生产层状复合材料，生产效率高，易于实现大规模工业化生产，是一种很有发展潜力的金属复层复合材料制备技术，但目前轧制复合过程需要较高的下压量促使板材复合，不可避免的使材料边缘出现裂纹，此外，为了保证轧制过程中板材的界面结合强度，需要在轧制过程中对板材进行加热，导致材料形成氧化层，降低了复合板材的结合效果。
近几年，发展出了一种新型脉冲电流辅助轧制技术，通过在金属轧制过程中施加脉冲电流，利用脉冲电流在材料与轧辊接触区域的局部加热效应与电致塑性效应相结合，使材料变形抗力降低、塑性增加，实现较大塑性变形。目前设计的脉冲电流轧制系统多用于难变形单层金属的轧制过程，且轧制系统中电流传输线路复杂，电阻大，如公告号为：cn105951020a，发明名称为：“一种电塑性轧制实现高强度高塑性锆及锆-2合金的方法”，其只涉及单层锆及锆-2合金的轧制加工过程；再如授权公告号为：cn202169276u，名称为：“一种电致塑性与温塑性结合轧制金属材料的系统”，则在轧辊的前后两侧分别设置与轧件接触的电极装置，通过轧件将电流传入轧制变形区。
以上专利提及的脉冲电流辅助轧制方法都是对单层难变形板材进行脉冲电流辅助轧制，且轧制系统中电流传输线路复杂，电阻大，未能实现电致塑性及脉冲电流局部加热效应轧制结合的理想功能，不能达到脉冲电流辅助轧制多层金属板材并使其达到良好复合效果的目的。
技术实现要素：
本发明是为解决现有轧制工艺制备多层金属板材结合效果差的问题，提出一种可以提高多层金属复合板结合强度的高效、低成本的多层金属复合板脉冲电流辅助轧制方法及装置，解决了多层金属复合板轧制生产过程中结合力低、容易开裂的问题。
本发明采取的技术方案是：
一种多层金属复合板脉冲电流辅助轧制方法，所述方法是按照以下步骤实现的：
步骤一：板材前处理：对待轧制板材四角打孔；打磨待复合表面，去除板材表面氧化层和其他杂质，去除表面油污；
步骤二：坯料固定：将经过表面处理的金属板材的清洁表面叠合，使用细铁丝穿入预留的孔中，将材料绑紧形成复合坯料；
步骤三：电流辅助轧制：调整脉冲电源参数，接通脉冲电源，将固定的板坯放入脉冲电流辅助轧制装置之间，使电流由上方的轧辊组件经由板坯流入下方的轧辊组件形成联通回路，完成电流辅助轧制。
本发明还提供一种多层金属复合板脉冲电流辅助轧制装置，它包括轧辊组件、电极接触装置、导线和脉冲电源，所述轧辊组件为三层复合结构，包括内辊、绝缘套和导电套，绝缘套与内辊嵌套在一起，绝缘套外部安装环形导电套，导电套上安装有电极接触装置，脉冲电源通过导线与电极接触装置连接，脉冲电流经由脉冲电源正极、导线、上辊的电极接触装置、上轧辊的导电套、轧制坯料、下轧辊的导电套、下辊的电极接触装置、回路导线和脉冲电源负极，形成电流回路。
与现有技术相比较，本发明的有益效果是：本发明的多层金属复合板脉冲电流辅助轧制装置及方法的优点在于对待复合板材轧制过程中同步施加高能脉冲电流，使材料在电致塑性与脉冲电流局部加热效应的交互作用下完成轧制复合。根据电致塑性理论，在高能脉冲电流的影响下，电流通过材料内部时，由于电子速度远远大于位错的运动速度，大量电子会在晶格中拖曳位错运动，或者将能量传递给位错，也会使得内部原子加速扩散，使材料流动应力降低，塑性增加，从而改善材料的成形性能。此外电流在通过金属时会产生焦耳热，使材料处于热激活变形状态，增加复合板材界面的轧制结合力；降低材料变形时的抗力，使材料塑性增加，在板材轧制复合时，可以承受更大的下压量而不出现开裂。
与现有技术相比，本发明的多层金属复合板脉冲电流辅助轧制装置及方法与传统金属板材轧制复合方法及其他脉冲电流辅助轧制方法相比具有以下突出优势：
一、与传统金属板材轧制复合方法相比，本发明采用的多层金属复合板脉冲电流辅助轧制装置，通过轧制过程中对多层金属板材施加脉冲电流，提高原子扩散能力，此外在脉冲电流焦耳热的作用下实现脉冲电流局部加热效应完成轧制过程，避免了传统复合板材轧制复合工艺的加热工序，节约能源，同时避免了热轧金属复合板材料表面出现加热氧化及粘辊现象。总之，本发明可以综合电致塑性与电致热效应的交互作用，大幅度降低轧制过程中材料的变形抗力，降低材料残余应力，防止材料在轧制后及后续使用过程中出现回弹、开裂现象，增加层状金属板材之间的结合力，使复合板材可以更加牢固的结合。
二、与现有的电致塑性轧制金属材料的方法及系统相比，本发明采用的多层金属复合板脉冲电流辅助轧制装置及方法的优点在于本发明使用的脉冲电流辅助轧制系统脉冲电流由脉冲电源正极直接通过上轧辊电接触装置连接到上轧辊的导电套上，通过轧件轧制变形区流入下轧辊的导电套，最终由下轧辊电接触装置流回到脉冲电源负极，在此过程中电流不会流过轧机机身及轧件非轧制变形区，避免了脉冲电流在外接回路的损失；可以实现脉冲电流在轧制变形区产生局部焦耳热效应，避免了脉冲电流在未变形区出现焦耳热效应出现材料表面形成氧化层而影响复合板材的结合性能的问题。本发明可以实现在同等脉冲电源功率及轧制条件下，使轧件轧制变形区获得更大电流密度，结构简单实用，避免了能源浪费，大大提高了多层金属板材界面的结合力。
附图说明
图1为本发明的多层金属复合板料脉冲电流辅助轧制原理示意图；
图2为本发明的多层金属复合板脉冲电流辅助轧制装置示意图；
图3为本发明的轧辊、绝缘套、导电套连接结构剖面示意图；
附图：1、脉冲电源，2、导线，3、轧辊组件，4、轧制复合坯料，5、电极接触装置，6、导电套，7、绝缘套，8、内辊，13、轧机机架，14、压下螺钉，15、上轧辊轴承，16、上轴承支撑架，17、下轧辊轴承，18、下轴承支撑架，19、绝缘套盲孔螺纹孔，20、绝缘套导电套固定螺栓，21、导电套沉头螺纹孔，22、内辊螺纹孔，23、内辊绝缘套固定螺栓，24、绝缘套沉头螺纹孔。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步地说明。
结合图1说明，本发明提供一种多层金属复合板脉冲电流辅助轧制方法，所述方法是按照以下步骤实现的：
步骤一：板材前处理：对待轧制板材四角打孔；打磨待复合表面，去除板材表面氧化层和其他杂质，去除表面油污；
步骤二：坯料固定：将经过表面处理的板材的清洁表面叠合，使用细铁丝穿入预留的孔中，将材料绑紧形成轧制复合板坯4；
步骤三：电流辅助轧制：调整脉冲电源1参数，接通脉冲电源1，将固定的轧制复合板坯4放入脉冲电流辅助轧制装置之间，使电流由上方的轧辊组件经由轧制复合板坯流入下方的轧辊组件形成联通回路，完成电流辅助轧制。
上述步骤一中板材表面处理选择利用钢丝刷打磨待复合表面；用丙酮和无水乙醇溶液超声清洗，去除表面油污。保证待复合表面干净，不影响复合板坯的轧制。表面处理的板材为金属板材，例如铝合金、镁合金、铜等金属板带材。
参见图1-图3说明，本发明还提供一种实现上述轧制方法的多层金属复合板脉冲电流辅助轧制装置，它包括轧辊组件3、电极接触装置5、导线2和脉冲电源1，所述轧辊组件为三层复合结构，包括内辊8、绝缘套7和导电套6，绝缘套7与内辊8过盈配合嵌套在一起，绝缘套7外部安装环形导电套6，导电套6上安装有电极接触装置5，脉冲电源1通过导线2与电极接触装置5连接，脉冲电流经由脉冲电源正极、导线、上辊的电极接触装置5、上轧辊的导电套6、轧制复合板坯4、下轧辊的导电套6、下辊的电极接触装置5、回路导线和脉冲电源负极，形成电流回路。
内辊8为普通轧机的轧辊。内辊8外周侧面上沿周向均布加工有多个内辊螺纹孔22，绝缘套7外周侧面上沿周向均布加工有与内辊螺纹孔22数量相一致的绝缘套沉头螺纹孔24，内辊8通过安装在内辊螺纹孔22和绝缘套沉头螺纹孔24内的内辊绝缘套固定螺栓23与绝缘套连接。绝缘套7沿周向均布加工有多个绝缘套盲孔螺纹孔19，导电套沿周向均布加工有与绝缘盲孔螺纹孔数量相一致的导电套沉头螺纹孔21，绝缘套7通过安装在绝缘套盲孔螺纹孔19和导电套沉头螺纹孔21内的绝缘套导电套固定螺栓20与导电套6连接。
每组绝缘套7的绝缘套沉头螺纹孔24数量及位置分布与内辊8圆周上的内辊螺纹孔22数量及位置分布相对应，随后将绝缘套7套在内辊8上，使螺纹孔对齐，将内辊绝缘套固定螺栓23旋合在绝缘套7与内辊8的螺纹孔内。需要注意应将内辊绝缘套固定螺栓完全沉入到绝缘套7中，以保证内辊绝缘套固定螺栓不与外层的导电套6接触，防止螺栓构成导电套6及内辊8的电流通路，阻止脉冲电流辅助轧制过程中螺栓将外层的导电套6的电流传入到内辊8及轧机机架13中。在导电套6左右两端边缘处圆周上分别均匀分布着三个导电套沉头螺纹孔21，且在绝缘套7与之对应的位置上分布着绝缘套盲孔螺纹孔19，将导电套6与绝缘套7配合，使螺纹孔对齐，将螺栓旋合固定导电套6和绝缘套7。需要注意的是，为了防止绝缘套导电套固定螺栓20透过绝缘套7将导电套6与内辊8连接形成的电源通路，绝缘套7的螺纹孔为盲孔，且所选螺栓长度适中。由此获得的轧辊组件3在导电套6通电后，电流不会经过内辊8传递到轧机机身中，避免出现因轧机带电而导致的安全问题及电流消耗。导电套6与绝缘套7及绝缘套7与内辊8之间的配合均为过盈配合。
本发明已以较佳实施案例揭示如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，依据本发明的技术实质对以上实施案例所做的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属本发明技术方案范围。