CN109013735B - 一种双杆双坯料熔化焊合双金属板挤压模具及其使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种双杆双坯料熔化焊合双金属板挤压模具及其使用方法，包括成形模具、挤压筒、联动双挤压杆和保温隔板，成形模具包括模具块和设置于模具块内的第一通道、第二通道、成形槽、冷却水通道，第一通道和第二通道的另一端均连接于成形槽的一端，成形槽的两侧还分别设有冷却水通道，第一端面还连接有挤压筒；挤压筒包括挤压块和设置于挤压块内部的第一挤压孔、第二挤压孔和保温隔板孔，保温隔板孔内设有保温隔板；联动双挤压杆包括第一挤压板、第二挤压板和连接板，第一挤压板和第二挤压板还通过连接板连接。本发明通过成形模具、挤压筒、联动双挤压杆和保温隔板的设置，获得厚度均匀一致的双金属复合板材。
Description
技术领域
本发明涉及热加工领域，具体是一种双杆双坯料的熔化焊合双金属板挤压模具及其使用方法。
背景技术
金属复合板是利用各种复合技术将性能不同的金属在界面上实现结合而形成的复合材料，常见的金属复合板有钢钛复合板、钢铜合板、锌钛复合板、镍钛复合板、钢镍复合板、铜铝复合板和铜镍复合板等。通过合适的材料选择及合理的结构设计，复合板可以改善单一金属材料的强度、热膨胀性、韧性、耐磨耐蚀性、电性能及磁性能等，被广泛应用到船舶、石化、金属成形、水电、交通、环保、食药等领域。金属复合板除结构性和功能性之外，还可节省贵金属，从而降低成本，比如以铝节约铜等。
双金属材料的复合方法有很多种，大致分为液-液复合、固-液复合和固-固复合。其中液-液复合和固-液复合需要将其中一种或者两种材料熔化后复合，该类技术能耗高，且浇铸出的材料容易出现缩孔缩松、晶粒粗大和枝晶偏析等铸造缺陷，产品性能较差；固-固复合不讲任何一种金属提前熔化，采用轧制、挤压等压力加工的方式加工成形，属于锻件，产品在变形过程中发生塑性变形，工艺条件适当的情况下发生动态再结晶等晶粒细化过程，具有容易提高强度、增加韧性、改善抗腐蚀能力等优点。
固-固复合的挤压加工常用来获得成形质量及性能优异的工件，也可以用来生产复合板材、复合管材和复合型材等，在授权公开号为CN102226486B的发明创造中公开了一种铜铝双金属复合管及其模具挤压成形方法，在液压机上通过热装工艺对内、外层管坯模具挤压成形，成形前先预热内外层管坯，再将内层管坯装入外层管坯内，然后装入模具并通过凸模在液压机挤压块的作用下使双金属管材挤压成形，待外层金属冷却收缩后实现两种金属的复合。此铜铝双金属复合管及其模具挤压成形方法中的双层坯料在挤压前接触，由于坯料较薄，因此温度趋于一致，在温度一致的情况下，铝层较软而铜层较硬，因此在挤压过程中较软的铝先挤出，较硬的铜层在挤压凸模的作用下发生镦粗变形，对铝层有挤压的作用；铜层挤出的较慢，铝层挤出的较快，在铝层完全挤出模口之前，铜层并不能被挤出，仅发生镦粗变形，因此这种方法提供的复合材料双层厚度不能均匀一致。
在公开号为CN107838213A的发明发明创造中提到一种铜铝复合材料，将去皮后的铜、铝坯料在无氧环境下进行挤压复合得到。首先，这种方法没提及模具结构，没有涉及如何采用外力挤压的；从工艺上分析，铝合金的熔点大多为660℃，所述专利提到“坯料在700℃下保温3min”，在700℃时，铝合金已经熔化，如果没有铸造模盛放该部分溶液则溶液将无法成型。因此无法从所述专利的申请书中得知如何成型，或属于固-液复合。
在公开号为CN104416005A的发明创造中公开了一种生产双金属复合管制备工艺，把盛锭筒加热到460度，在挤压筒内分别装入AB棒锭坯（在AB棒锭坯装入之前把棒温加到480度，还有模具要加热到460度）同时进行挤压，使其B棒锭坯流入内焊合室挤压模，A棒锭坯流入外焊合室挤压模，B材料从内焊合室出来，进入外焊合室与外焊合室的A材料焊合成一体后再从模孔挤出，以获得所需形状与尺寸双金属复合管的制品。两种坯料在相同温度下变形，其硬度和应力应变关系具有明显的不同，B坯料在内焊合室出来时为管状，A坯料从一侧进入外焊合室，从一侧对B坯料已经成形的管材进行冲击和挤压，使发生弯曲或畸变，无法保持规则圆管形状；在外焊合腔时，根据该发明创造的模具结构，在外焊合腔内并无芯轴，两种不同的坯料在相同的温度下在同一腔内被挤压，较软的先被挤出，因此该发明创造提供的模具结构无法获得厚度均匀一致的双金属复合材料。
发明内容
为克服现有技术中存在的双金属在相同温度下具有不同的变形抗力、双金属接触导热、挤出工件双金属厚度比不均匀等缺陷，本发明提供了一种双杆双坯料熔化焊合双金属板挤压模具及其使用方法，通过成形模具、挤压筒、联动双挤压杆和保温隔板的设置，获得厚度均匀一致的双金属复合板材。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种双杆双坯料熔化焊合双金属板挤压模具，其特征在于：包括成形模具、挤压筒、联动双挤压杆和保温隔板，所述成形模具包括模具块和设置于模具块内的第一通道、第二通道、成形槽、冷却水通道，所述模具块为圆柱型，模具块相对的两个端面分别为第一端面和第二端面，所述第一通道和第二通道的一端设置于第一端面处，第一端面处的第一通道和第二通道之间预留进料隔板，第一通道和第二通道的另一端在模具块的内部相连通，且第一通道和第二通道的另一端均连接于所述成形槽的一端，成形槽的另一端设置于所述第二端面处，所述成形槽的两侧还分别设有冷却水通道，所述第一端面还连接有挤压筒；所述挤压筒包括挤压块和设置于挤压块内部的第一挤压孔、第二挤压孔和保温隔板孔，所述挤压筒为圆柱型，所述第一挤压孔和所述第二挤压孔互相平行，所述第一挤压孔和第二挤压孔还分别与所述的第一通道和第二通道相连通，所述保温隔板孔内设有所述保温隔板；所述联动双挤压杆和所述成形模具分别设置于挤压筒的两端，所述联动双挤压杆包括第一挤压板、第二挤压板和连接板，所述第一挤压孔和所述第二挤压孔还可供所述第一挤压板和所述第二挤压板通过，挤压模具进行挤压时，第一挤压板和第二挤压板还分别在所述第一挤压孔和所述第二挤压孔内滑动，所述第一挤压板和所述第二挤压板还通过连接板连接。
进一步的，第一通道、第二通道和成形槽均为矩形通道，所述第一通道和所述第二通道还互为对称设置，第一通道和第二通道分别设置于对称面的两侧。
进一步的，所述冷却水通道平行于模具块的端面，冷却水通道内还通有冷却水。
进一步的，所述保温隔板孔设置于第一挤压孔和第二挤压孔的对称面上，所述第一挤压孔、第二挤压孔和保温隔板孔均为矩形通孔，第一挤压孔、第二挤压孔和保温隔板孔还分别与挤压块的中心轴线相平行。
进一步的，所述第一挤压板和所述第二挤压板互相平行，第一挤压板和第二挤压板的一端连接连接板，第一挤压板和第二挤压板的另一端可在第一挤压孔和第二挤压孔的孔内滑动。
进一步的，所述连接板垂直于所述第一挤压板和所述第二挤压板，第一挤压板、连接板和第二挤压板还依次连接为U型。
进一步的，所述第一挤压孔与第二挤压孔之间的间距、所述第一挤压板与第二挤压板之间的间距均与所述进料隔板相同。
本发明还提供一种双杆双坯料熔化焊合双金属板挤压模具的使用方法，其特征在于：具体步骤为：
步骤一、将金属坯料A和金属坯料B分别安装于所述第一挤压空和所述第二挤压孔的内部，所述的金属坯料A和所述的金属坯料B尺寸形状相同，均为长方体，其横截面尺寸小于所述挤压筒的第一挤压孔、第二挤压孔1mm-2mm，实现较大的间隙配合，金属坯料A和金属坯料B的长度还小于第一挤压孔和第二挤压孔长度10mm-20mm；
步骤二、远离所述成形模具的第一挤压孔和第二挤压孔的一端端口处设有倒圆角，远离连接板的第一挤压板和第二挤压板的端部还分别设置于设有倒圆角的第一挤压孔和第二挤压孔孔口处，联动双挤压杆的连接板还固定于挤压机的动力机构上，且联动双挤压杆在挤压机动力机构带动下的工作速度为3-15mm/s；
步骤三、金属坯料A和金属坯料B的加热温度分别保持在金属坯料A和金属坯料B的再结晶温度线以上50℃-100℃，熔点较高的一种金属坯料A在到达第一通道和第二通道汇合处时的温度应高于熔点较低的金属坯料B的熔点50℃以上，两金属材料在接触的瞬间，由于熔点较高的金属坯料A的温度高于熔点较低的金属坯料B的熔点，在热传导的作用下，熔点较低的金属坯料B表面发生熔化；
步骤四、在成形模具的冷却水通道中通入循环冷却水，成形槽内表面温度保持在较低熔点金属材料熔点以下100℃-150℃，金属坯料A和金属坯料B夹着熔融的薄层在通过成形槽时被冷却，瞬间冷却凝固的熔融层在挤出后的双金属坯料之间形成具有熔化焊特征的焊缝。
本发明的有益效果为：本发明的一种双杆双坯料熔化焊合双金属板挤压模具及其使用方法，通过成形模具、挤压筒、联动双挤压杆的配套系统对双坯料进行挤压，并通过保温隔板阻止两种金属坯料之间的热传导，使之分别在不同的合适的变形温度下进行径缩变形，最后在接触的瞬间依靠高熔点金属的热量瞬间熔化低熔点金属表面薄层，然后在冷却水通道中冷却水的冷却作用下，成形槽的导热作用下瞬间凝固焊合，双金属在等速下挤出模口，获得厚度均匀一致的双金属复合板材；双金属坯料挤出成形孔后形成具有熔化焊特征的焊缝。除焊缝附近金属坯料B的表层外，挤出获得的双金属板料的大部分区域是通过塑性变形获得的，具有较高的强度和高的致密度，优于铸造组织。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的剖视图；
图3为联动双挤压杆的结构示意图；
图4为挤压筒的立体图；
图5为挤压筒的主视图；
图6为挤压筒A-A剖视图；
图7为成形模具的立体图；
图8为成形模具的主视图；
图9为成形模具C-C剖视图；
图10为成形模具D-D剖视图；
图11为保温隔板的立体图；
图12为坯料的立体图；
图13为坯料流动示意图。
其中，图中各标号为：1、模具块；101、第一端面；102、第二端面；2、第一通道；3、第二通道；4、成形槽；5、冷却水通道；6、进料隔板；7、挤压块；8、第一挤压孔；9、第二挤压孔；10、保温隔板孔；11、保温隔板；12、第一挤压板；13、第二挤压板；14、连接板；15、坯料A；16、坯料B；17、倒角；18、双金属接触区；19、双金属复合板；20、挤压方向。
具体实施方式
为了本领域的技术人员能够更好地理解本发明所提供的技术方案，下面结合具体实施例进项阐述。
本发明包括成形模具、挤压筒、联动双挤压杆和保温隔板11，挤压筒用于盛放两种待挤压坯料，坯料A15和坯料B16；联动双挤压杆用于同时、同步将挤压机的动力传递两个坯料。成形模具用于坯料变形、坯料焊合、成形挤出。保温隔板11用于阻止坯料A15和坯料B16之间热量传导。
成形模具的一端为两个对称的长方形斜孔，分别为第一通道2和第二通道3，为两种金属坯料的成形通道；其尺寸应小于坯料截面和坯料孔截面尺寸，用于两种金属坯料的径缩变形和导向。成形模具的另一端为一个窄长方形成形孔，即为成形槽4，用于成形双金属复合板19条。所述两成形通道汇合处至成形孔的之间有较小空间，成形槽4还连接第一通道2和第二通道3的相连通处，此成形槽4区为双金属接触区18；在接触区，熔点较高的金属坯料A15将热量传递给熔点较低的金属坯料B16，并使金属坯料B16表面熔化后与金属坯料A15焊合；所述接触区沿成形模具轴线方向的尺寸不应过大或过小，过小并未发生熔化即挤出，过大熔化过多，为后期凝固带来困难，合适尺寸为3mm-5mm。在成形模具外缘上有两个平行通孔，该通孔为冷却水通道5，所述两平行通孔垂直于成形模具中轴线，且平行于成形槽4的长度方向，距离成形槽4 6mm-10mm，所述两平行通孔为冷却水通道5，用于对焊合后的双金属复合板19快速降温。
挤压块7为圆柱形结构，端面上有三个长方形通孔；其中，两侧对称的两个长方形通孔为两种金属的坯料安装孔，分别为第一挤压孔8和第二挤压孔9；中间较窄长方形通孔为保温隔板孔10，用于安装保温隔板11。挤压块7的一端上两种金属的安装孔的入口具有较大倒圆角，圆角直径不小于坯料厚度的0.1倍。
联动双挤压杆的一端是一个方形体的连接板14，用于安装固定在挤压机的动力机构上，即安装端。另一端是两个分离的长方体，第一挤压板12和第二挤压板13，所述第一挤压板12和第二挤压板13连接于所述连接板14一端，呈现为U型的一体结构，两个挤压板还用于将挤压机动力分别传递给两坯料，即工作端。
所用的金属坯料A15和金属坯料B16尺寸形状相同，均为长方体，其横截面尺寸小于所述挤压筒内衬上的坯料安装孔1mm-2mm，实现较大的间隙配合，方便安装坯料。长度小于挤压筒内衬长度10mm-20mm。
保温隔板11为长方体，其横截面尺寸小于所述挤压筒内衬上的保温隔板孔101mm-2mm，实现较大的间隙配合，方便安装保温隔板11。长度小于挤压筒内衬长度10mm-20mm。
以纯铜（Cu）和6063Al合金为双金属材料的两种坯料，模具块1为圆柱形结构，材料为H13钢，直径为φ100mm，总长度120mm；一端为两个对称的长方形孔口，为两种金属坯料的成形通道第一通道2、第二通道3的入口；第一通道2、第二通道3的横截面尺寸为120mm×20mm，轴向深度100mm，两通道的轴芯线与模具块1的轴线夹角均为4.32°，对称分布，用于两种金属坯料的径缩变形和导向。模具块1的另一端为一个窄长方形成形槽4，用于成形双金属复合板19条。第一通道2和第二通道3汇合处至成形槽4的之间有较小空间，所述空间为双金属接触区18，该接触区沿模具块1轴线方向的尺寸为5mm。在模具块1外缘上有两个直径为φ10mm的冷却水通道5，所述两冷却水通道5垂直于模具块1中轴线，且平行于成形槽4的长度方向，与成形槽4的距离为8mm，所述两平行通孔为冷却水通道5，用于对双金属复合板19焊合后快速降温凝固后挤出成形。
挤压筒的挤压块7为圆柱形结构，材料为H13钢，直径为φ100mm，总长度450mm，端面上有两个对称分布的长方形通孔，第一挤压孔8和第二挤压孔9，分别为两种金属坯料挤压孔，其截面尺寸为120mm×40mm，第一挤压孔8和第二挤压孔9的高度小于模具块1中第一通道2和第二通道3的高度，第一挤压孔8和第二挤压孔9之间模具实体的厚度为40mm；两坯料挤压孔在挤压块7与模具块1装配的另一端有R10mm的较大倒角17，方便联动双挤压杆进入挤压筒的挤压孔内。挤压块7的端面中心位置有一截面尺寸为135mm×11mm的保温隔板孔10，保温隔板孔10的一个面与挤压孔平行，夹在第一挤压孔8和第二挤压孔9正中间，用于安装保温隔板11。
联动双挤压杆的材料为H13钢，一端为正方形结构的连接板14，即安装端，用于与挤压机上的动力源连接，安装端的尺寸为120mm×120mm。另一端是两个分离的长方体第一挤压板12和第二挤压板13，截面尺寸均为120mm×40mm，所述第一挤压板12和第二挤压板13通过连接板14连接，为一体制造，用于将挤压机动力分别传递给两坯料，即工作端。
保温隔板11为长方体，材质为石棉热固性树脂浸渍纸高压层积板，是建材市场常见的一种防火板，其尺寸为450mm×10mm×130mm。安装于挤压块7中的保温隔板孔10中。
两种金属坯料均为长方体，其尺寸均为430mm×39mm×119mm，安装于挤压块7中的坯料挤压孔第一挤压孔8和第二挤压孔9中。
一种双杆双坯料熔化焊合双金属板挤压模具在使用过程中，联动双挤压杆的第一挤压杆和第二挤压杆应在与挤压筒上具有较大倒圆角的一端对准，且在圆周方向上保持孔配合对齐；挤压筒上另一端与成形模具的第一通道2和第二通道3的入口一端对准，同样在圆周方向上保持孔配合对齐；联动双动挤压杆的工作速度为6mm/s，按照挤压方向20运动。Cu的坯料初始加热温度为680℃，6063Al的坯料初始加热温度为500℃，成型模具预热温度为500℃；两种金属材料在变形过程中发生塑性结晶起热，经过有限元软件模拟分析，在以上工艺条件下，Cu坯料流到接触区时的温度为724℃，6063Al坯料流到接触区时的温度为542℃，两种金属接触时Cu的温度较高，且超过6063Al的熔点610℃，将6063Al层的表面部分熔化，由于该挤出过程是连续不断地，因此双金属在接触焊合后在通过成形模具内具有冷却水降温的成形槽4区域时又迅速凝固，使两种合金焊合后挤出形成双金属复合板19。在两个冷却水通道5中通入冷却水的水压为0.3MPa，水温保持30℃±5℃，两个冷却水通道5的水的流向为相反方向，可保持挤出的双金属复合板19两端和中部区域温降速率平衡。
利用本发明中的模具和方法制备以纯铜（Cu）和6063Al合金为双金属材料、以纯铜（Cu）和7075Al合金为双金属材料、以纯铜（Cu）和AZ31Mg合金为双金属材料、以纯铜（Cu）和ZK60Mg合金为双金属材料的双金属复合板19。同时，针对同成分、同型号产品进行抗拉强度强度测试，利用本发明中的模具和方法获得的部分复合材料与传统液-液复合方法获得的复合材料的对比情况如下表所示。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (7)
1.一种双杆双坯料熔化焊合双金属板挤压模具的使用方法，其特征在于：该方法所用的挤压模具包括成形模具、挤压筒、联动双挤压杆和保温隔板，所述成形模具包括模具块和设置于模具块内的第一通道、第二通道、成形槽、冷却水通道，所述模具块为圆柱型，模具块相对的两个端面分别为第一端面和第二端面，所述第一通道和第二通道的一端设置于第一端面处，第一端面处的第一通道和第二通道之间预留进料隔板，第一通道和第二通道的另一端在模具块的内部相连通，且第一通道和第二通道的另一端均连接于所述成形槽的一端，成形槽的另一端设置于所述第二端面处，所述成形槽的两侧还分别设有冷却水通道，所述第一端面还连接有挤压筒；
所述挤压筒包括挤压块和设置于挤压块内部的第一挤压孔、第二挤压孔和保温隔板孔，所述挤压筒为圆柱型，所述第一挤压孔和所述第二挤压孔互相平行，所述第一挤压孔和第二挤压孔还分别与所述的第一通道和第二通道相连通，所述保温隔板孔内设有所述保温隔板；
所述联动双挤压杆和所述成形模具分别设置于挤压筒的两端，所述联动双挤压杆包括第一挤压板、第二挤压板和连接板，所述第一挤压孔和所述第二挤压孔还可供所述第一挤压板和所述第二挤压板通过，挤压模具进行挤压时，第一挤压板和第二挤压板还分别在所述第一挤压孔和所述第二挤压孔内滑动，所述第一挤压板和所述第二挤压板还通过连接板连接；
一种双杆双坯料熔化焊合双金属板挤压模具的使用方法，具体步骤为：
步骤一、将金属坯料A和金属坯料B分别安装于所述第一挤压孔和所述第二挤压孔的内部，所述的金属坯料A和所述的金属坯料B尺寸形状相同，均为长方体，其横截面尺寸小于所述挤压筒的第一挤压孔、第二挤压孔1mm-2mm，实现间隙配合，金属坯料A和金属坯料B的长度还小于第一挤压孔和第二挤压孔长度10mm-20mm；
步骤二、远离所述成形模具的第一挤压孔和第二挤压孔的一端端口处设有倒圆角，远离连接板的第一挤压板和第二挤压板的端部还分别设置于设有倒圆角的第一挤压孔和第二挤压孔孔口处，联动双挤压杆的连接板还固定于挤压机的动力机构上，且联动双挤压杆在挤压机动力机构带动下的工作速度为3-15mm/s；
步骤三、金属坯料A和金属坯料B的加热温度分别保持在金属坯料A和金属坯料B的再结晶温度线以上50℃-100℃，熔点较高的一种金属坯料A在到达第一通道和第二通道汇合处时的温度应高于熔点较低的金属坯料B的熔点50℃以上，两金属材料在接触的瞬间，由于熔点较高的金属坯料A的温度高于熔点较低的金属坯料B的熔点，在热传导的作用下，熔点较低的金属坯料B表面发生熔化；
步骤四、在成形模具的冷却水通道中通入循环冷却水，成形槽内表面温度保持在较低熔点金属材料熔点以下100℃-150℃，金属坯料A和金属坯料B夹着熔融的薄层在通过成形槽时被冷却，瞬间冷却凝固的熔融层在挤出后的双金属坯料之间形成具有熔化焊特征的焊缝。
2.根据权利要求1所述的一种双杆双坯料熔化焊合双金属板挤压模具的使用方法，其特征在于：第一通道、第二通道和成形槽均为矩形通道，所述第一通道和所述第二通道还互为对称设置，第一通道和第二通道分别设置于对称面的两侧。
3.根据权利要求1所述的一种双杆双坯料熔化焊合双金属板挤压模具的使用方法，其特征在于：所述冷却水通道平行于模具块的端面，冷却水通道内还通有冷却水。
4.根据权利要求1所述的一种双杆双坯料熔化焊合双金属板挤压模具的使用方法，其特征在于：所述保温隔板孔设置于第一挤压孔和第二挤压孔的对称面上，所述第一挤压孔、第二挤压孔和保温隔板孔均为矩形通孔，第一挤压孔、第二挤压孔和保温隔板孔还分别与挤压块的中心轴线相平行。
5.根据权利要求1所述的一种双杆双坯料熔化焊合双金属板挤压模具的使用方法，其特征在于：所述第一挤压板和所述第二挤压板互相平行，第一挤压板和第二挤压板的一端连接连接板，第一挤压板和第二挤压板的另一端可在第一挤压孔和第二挤压孔的孔内滑动。
6.根据权利要求5所述的一种双杆双坯料熔化焊合双金属板挤压模具的使用方法，其特征在于：所述连接板垂直于所述第一挤压板和所述第二挤压板，第一挤压板、连接板和第二挤压板还依次连接为U型。
7.根据权利要求1所述的一种双杆双坯料熔化焊合双金属板挤压模具的使用方法，其特征在于：所述第一挤压孔与第二挤压孔之间的间距、所述第一挤压板与第二挤压板之间的间距均与所述进料隔板相同。
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