CN111215900A - 一种金属材料焊轧一体化复合成形方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种金属材料焊轧一体化复合成形方法，是兼具短流程、高效率、高性能集成特征的焊轧一体化复合成形方法，其特征在于，焊接过程采用低热输入填丝焊接方法配合优化焊接工艺，获得具有余高的焊接接头，并使其性能最薄弱的软化区靠近焊缝；同时采用轧制装置对焊接接头余高区域进行轧制；通过设置焊枪与轧辊之间/轧辊与金属试件表面的距离，实现对轧制温度和轧制变形量的协同调控，利用焊接接头余高在轧制过程中所产生的塑性流动及其变形强化效应，实现对焊接接头各区域组织和性能的精确调控。本发明可解决焊接接头软化难题，也适用于消除焊接接头所存在宏微观气孔和裂纹等焊接缺陷，大幅度提高金属材料焊接接头综合力学性能。
Description
技术领域
本发明属于材料工程技术领域，具体而言，尤其涉及一种金属材料焊轧一体化复合成形方法。
背景技术
焊接是先进制造领域的基础技术之一，广泛应用于航空、航天、核能、舰船、汽车等多个领域，在国防安全与国家建设中不可替代。然而，不可否认，焊接接头部位仍是国家重大装备关键零部件的薄弱位置。例如，对于热处理强化金属材料，主要包括采用“固溶+时效”热处理工艺的高强铝合金、调质处理的高强钢和超高强钢以及其它金属材料，焊接过程中极易受到焊接热循环影响而产生焊接热影响区软化问题，采用传统焊接方法焊接上述高强铝合金焊接接头的力学性能仅为母材的50％-60％左右。再例如，对于氢气溶解度随温度变化敏感的铝合金、镁合金、含硫量较高的钢以及母材本身就含有缩孔、裂纹的铸造金属，这些金属材料焊接接头极易产生气孔、裂纹等焊接缺陷，导致焊接接头力学性能尤其是疲劳等动载性能仅为母材的20％-50％。针对上述问题，在实际生产应用中，主要采用优化焊接工艺、增加板厚以及提升安全系数方法来满足零部件设计和服役可靠性要求，难以满足高端装备制造业向高使役条件、高服役寿命的发展需求。
为了提升焊接接头力学性能，国内外学者从降低焊接热输入以及采取焊后处理两方面开展了积极有效的工作。例如，针对热处理强化铝合金，采用低热输入的激光焊、冷金属过渡电弧焊(CMT)等熔化焊方法，可使焊接接头抗拉强度达到母材的65-75％；采用摩擦焊以及搅拌摩擦焊为代表的固相焊方法，通过优化工艺参数可使焊接接头抗拉强度达到母材70-80％，甚至个别牌号高强铝合金可达到90％以上；采用焊后热处理、深冷处理、喷丸等焊后处理方法，可使焊接接头的显微硬度、塑韧性和组织均匀性获得不同程度提升，其中喷丸还可以降低焊接残余应力并提高接头耐腐蚀性，但是上述的后续处理手段通常工艺复杂、过程缓慢，焊后热处理会对原始母材性能造成影响，难以同时解决焊接气孔及裂纹问题，同时上述方法也会受到零部件形状结构的制约，应用范围受到一定限制。
变形强化是提高金属材料性能的有效途径，通过外力作用对金属及其合金施以不可逆转的塑性变形加工，可以提高金属材料的致密度，改善气孔、裂纹及缩松等铸造缺陷，也可使金属材料内部发生晶粒变形及畸变、提高位错密度并诱发细晶强化和第二相颗粒析出强化，提高金属材料的强度或硬度等综合力学性能。因此，如果能够将焊接方法与变形加工方法结合在一起，将是提高焊接接头性能的有效途径。但是，目前关于焊接与变形加工相关的文献主要集中在复合板材的制备方面，例如发明专利“三层金属复合板的钎焊法铸轧复合成形装置(201120547932.X)”以及“高频焊轧多层复合板生产装置和方法(201310403515.1)”，其中的高频焊和钎焊工艺的作用都是起到实现多层金属板材全搭接连接在一起的目的，而通过轧制工艺是在提高多层复合板进一步结合能力的同时，可实现连续长度的多层金属复合板的制备，而关于焊接接头性能强化的焊轧方法研究则缺乏。
针对上述问题及形成原因，有必要开发一种金属材料焊轧一体化复合成形方法以解决上述问题。
发明内容
根据上述提出如何改善焊接接头性能方面的技术问题，而提供一种金属材料焊轧一体化复合成形方法。本发明主要采用在焊接过程中同时对焊接接头余高区域进行轧制的方法，利用该方法能够解决焊接接头软化问题，也能够改善气孔、裂纹等焊接缺陷，并且具有良好的工艺适应性和高的生产效率。
本发明采用的技术手段如下：
一种金属材料焊轧一体化复合成形方法，其特征在于，对金属材料实施随焊随轧一体化复合成形，其中，焊接过程采用低热输入填丝焊接方法获得具有一定余高的焊接接头，并控制焊接热输入使焊接接头性能最薄弱的软化区靠近焊缝；在焊接过程中，同时采用轧制装置对焊接接头余高区域进行轧制；通过设置焊枪与轧辊之间的距离D以及轧辊间的距离HR或轧辊与金属试件表面的距离H，实现对轧制温度和轧制变形量的协同调控，利用焊接接头余高在轧制过程中所产生的塑性流动及其变形强化效应，实现对焊接接头各区域组织和性能的精确调控，也能够改善焊缝气孔、裂纹等缺陷。
进一步地，所述金属材料包括焊接接头极易产生热影响区软化现象的金属材料或者容易产生焊接气孔和焊接裂纹的金属材料。
进一步地，所述金属材料选自但不局限于经固溶和时效热处理的高强铝合金、经调质处理的高强钢、超高强钢、2系铝合金、镀层高强钢板以及铸造金属材料。
进一步地，所述低热输入填丝焊接方法指采用强制冷却辅助填丝焊接方法、冷金属过渡熔化极惰性气体电弧焊方法(CMT)、高能束(激光、电子束)填丝焊方法以及激光-电弧复合填丝焊方法以及其它具有相同低热输入特征的填丝焊方法。
进一步地，在焊接过程中，根据材料种类、材料板厚优化焊接工艺，主要通过优化单位焊接接头长度的填丝量以及焊接热输入，使得焊接接头软化区位置与焊接接头余高存在关联关系，即通过后续轧制变形能够实现焊接接头余高与焊接接头软化区发生协同塑性变形，实现软化区的变形强化。
进一步地，所述轧制装置为双轧辊轧制装置或单轧辊轧制装置，轧辊的尺寸依据所焊接金属材料的种类、力学性能、轧制力和焊接接头余高尺寸确定。
进一步地，所述焊枪与轧辊之间的距离D与到达设置的轧制温度T所需焊接接头冷却时间ST和焊接速度V存在如下关系，即D＝ST×V，其中，轧制温度T依据所焊接金属材料的塑性状态图和变形强化效果确定，ST为轧制位置焊接热循环曲线中从峰值温度降到所需轧制温度的冷却时间。
进一步地，所述轧辊间的距离HR或所述轧辊与金属试件表面的距离H与所焊接金属材料的种类、板厚H1、焊接接头余高H2及所需变形强化效果相关，对于双轧辊装置轧制H1≦HR<H1+H2，对于单轧辊装置H<H2。
较现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、本发明能够利用焊接余高和焊接接头软化区的协同塑性变形，实现焊接接头软化区的变形强化，达到提高焊接接头抗拉强度以及伸长率等综合力学性能的目的，将为高性能焊接零部件的设计与制造提供技术支撑。
2、本发明实现焊接与轧制的同时进行，具有短流程特点，通过调整轧制温度和变形程度，能够实现焊轧过程中组织和性能的精确一体化调控，扩大了焊轧工艺参数区间，大幅度提升生产效率。
3、本发明方法不仅能够改善焊接接头焊缝区和热影响区软化难题，同时能够通过对焊接接头余高的变形处理实现对焊接接头及热影响区存在的焊接气孔、裂纹进行压实焊合，尤其适用于易产生气孔的金属材料和易产生焊接裂纹的高强金属材料。
综上，本发明提供了一种金属材料焊轧一体化复合成形方法，可解决焊接接头软化难题，也适用于消除焊接接头所存在宏微观气孔和裂纹等焊接缺陷，大幅度提高金属材料焊接接头综合力学性能，属于一种兼具短流程、高效率、高性能集成特征的焊轧一体化复合成形方法，将极大提升现有关键焊接零部件的服役性能和使用寿命。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明采用双轧辊轧制装置进行金属材料焊轧一体化复合成形的示意图。
图中：1、送丝装置；2、焊枪；3、上轧辊；4、下轧辊；5、实施金属材料；D、焊枪与轧辊间距；H1、板厚；H2、焊接接头余高；HR、轧辊间的距离；H、轧辊与金属试件表面的距离；Ⅰ、已轧制区域；Ⅱ、焊接接头余高区域。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当清楚，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员己知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任向具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制：方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。
为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其位器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。
此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。
本发明提供了一种金属材料焊轧一体化复合成形方法，具体操作时，可以将焊枪和轧辊固定在同一行走机构上，对金属材料实施随焊随轧一体化复合成形。
可以实施的金属材料包括经热处理强化的金属材料，如固溶和时效热处理的高强铝合金、经调质处理的高强钢以及超高强钢等，上述金属材料焊后焊接接头极易产生热影响区软化现象；可以实施的金属材料还包括容易产生焊接气孔和焊接裂纹的金属材料，如2系铝合金、镀层高强钢板以及铸造金属材料等。
其中，焊接过程采用低热输入填丝焊接方法配合优化焊接工艺进行，一方面低热输入填丝焊接方法可以获得具有一定余高的焊接接头，优化焊接工艺控制焊接热输入可以使焊接接头性能最薄弱的软化区靠近焊缝。
所述低热输入填丝焊接方法指采用如水冷等强制冷却辅助填丝焊接方法、冷金属过渡熔化极惰性气体电弧焊方法、高能束填丝焊方法以及激光-电弧复合填丝焊方法以及其它具有相同低热输入特征的填丝焊方法。
在焊接过程中，优化焊接工艺指通过优化单位焊接接头长度的填丝量以及焊接热输入，使得焊接接头软化区位置与焊接接头余高存在关联关系，取决于材料种类、材料板厚，即通过后续轧制变形能够实现焊接接头余高与焊接接头软化区发生协同塑性变形，实现软化区的变形强化。
在焊接过程中，同时采用轧制装置对焊接接头余高区域进行轧制；所述轧制装置为双轧辊轧制装置或单轧辊轧制装置，轧辊的尺寸依据所焊接金属材料的种类、力学性能、轧制力和焊接接头余高尺寸确定。
具体为，通过设置焊枪与轧辊之间的距离D以及轧辊间的距离HR或轧辊与金属试件表面的距离H，实现对轧制温度和轧制变形量的协同调控，利用焊接接头余高在轧制过程中所产生的塑性流动及其变形强化效应，实现对焊接接头各区域组织和性能的精确调控，也能够改善焊缝气孔、裂纹等缺陷。改善焊缝气孔、裂纹等缺陷主要是指通过控制焊缝余高的变形量，实现对焊接接头以及热影响区形成的微观、宏观气孔以及焊接裂纹进行压实焊合。
所述焊枪与轧辊之间的距离D与到达设置的轧制温度T所需焊接接头冷却时间ST和焊接速度V存在如下关系，即D＝ST×V，其中，轧制温度T依据所焊接金属材料的塑性状态图和变形强化效果确定，ST为轧制位置焊接热循环曲线中从峰值温度降到所需轧制温度的冷却时间。
所述轧辊间的距离HR或所述轧辊与金属试件表面的距离H与所焊接金属材料的种类、板厚H1、焊接接头余高H2及所需变形强化效果相关，对于双轧辊装置轧制H1≦HR<H1+H2，对于单轧辊装置H<H2。
实施例1 1.5mm厚6061-T6铝合金焊轧复合成形实例
如图1所示，采用的是双轧辊轧制装置实施焊轧复合成形，图中1为送丝装置；2为焊枪；3为上轧辊；4为下轧辊。
焊接对象为板厚H1＝1.5mm的6061-T6铝合金(即图中实施金属材料5)，试板尺寸为100mm×50mm×1.5mm。焊接热源(焊枪2)采用激光-钨极氩弧(TIG)填丝对接复合焊接热源，主要焊接参数为：YAG脉冲激光平均功率900W，钨极氩弧焊焊接电流100A，钨极高度2mm，焊接速度600mm/min，送丝速度6500mm/min，焊丝牌号为ER5356，送丝角度20°，焊接接头余高H2为2.0mm，激光作用点与轧辊之间的间距D＝240mm，轧制工艺两棍间距(即上轧辊与下轧辊间距)HR＝1.5mm。图中，从右至左轧制Ⅰ为已轧制区域；Ⅱ为焊接接头余高区域。
采用上述焊轧复合成形方法，所得对接试件的抗拉强度可达6061-T6母材的90％以上，延伸率达到6061-T6母材的80％以上。而单独采用钨极氩弧焊焊后试样抗拉强度只为6061-T6母材的62.5％，延伸率约为6061-T6母材的50％。
实施例2 2.5mm厚5083-O铝合金板材与2.5mm厚6061-T6铝合金板材复合成形实例
焊接对象为板厚H1＝2.5mm的5083-O铝合金板材与6061-T6铝合金板材，试板尺寸为200mm×100mm×2.5mm。焊接热源采用冷金属过渡电弧(CMT)焊接热源，主要焊接参数为：冷金属过渡电弧电流120A、电弧电压14.8V，焊接速度550mm/min，送丝速度8000mm/min，焊丝牌号为ER5356，焊后焊接接头余高H2为2.4mm，电弧焊枪与轧辊之间的间距D＝200mm，轧制工艺两棍间距HR＝2.5mm。
采用上述焊轧复合成形方法，所得对接试件的抗拉强度可达5083-O母材的100％，可达6061-T6母材的90％以上；延伸率达到6061-T6母材的85％以上。当采用冷金属过渡电弧(CMT)焊接工艺，焊后试样拉伸强度只有6061-T6母材的70％，延伸率约为6061-T6母材的55％。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (8)
1.一种金属材料焊轧一体化复合成形方法，其特征在于，对金属材料实施随焊随轧一体化复合成形，其中，焊接过程采用低热输入填丝焊接方法获得具有一定余高的焊接接头，并控制焊接热输入使焊接接头性能最薄弱的软化区靠近焊缝；在焊接过程中，同时采用轧制装置对焊接接头余高区域进行轧制；通过设置焊枪与轧辊之间的距离D以及轧辊间的距离HR或轧辊与金属试件表面的距离H，实现对轧制温度和轧制变形量的协同调控。
2.根据权利要求1所述的金属材料焊轧一体化复合成形方法，其特征在于，所述金属材料包括焊接接头极易产生热影响区软化现象的金属材料或者容易产生焊接气孔和焊接裂纹的金属材料。
3.根据权利要求2所述的金属材料焊轧一体化复合成形方法，其特征在于，所述金属材料选自但不局限于经固溶和时效热处理的高强铝合金、经调质处理的高强钢、超高强钢、2系铝合金、镀层高强钢板以及铸造金属材料。
4.根据权利要求1所述的金属材料焊轧一体化复合成形方法，其特征在于，所述低热输入填丝焊接方法指采用强制冷却辅助填丝焊接方法、冷金属过渡熔化极惰性气体电弧焊方法、高能束填丝焊方法以及激光-电弧复合填丝焊方法以及其它具有相同低热输入特征的填丝焊方法。
5.根据权利要求1所述的金属材料焊轧一体化复合成形方法，其特征在于，在焊接过程中，根据材料种类、材料板厚优化单位焊接接头长度的填丝量以及焊接热输入，使得焊接接头软化区位置与焊接接头余高存在关联关系，即通过后续轧制变形能够实现焊接接头余高与焊接接头软化区发生协同塑性变形，实现软化区的变形强化。
6.根据权利要求1所述的金属材料焊轧一体化复合成形方法，其特征在于，所述轧制装置为双轧辊轧制装置或单轧辊轧制装置，轧辊的尺寸依据所焊接金属材料的种类、力学性能、轧制力和焊接接头余高尺寸确定。
7.根据权利要求1所述的金属材料焊轧一体化复合成形方法，其特征在于，所述焊枪与轧辊之间的距离D与到达设置的轧制温度T所需焊接接头冷却时间ST和焊接速度V存在如下关系，即D＝ST×V，其中，轧制温度T依据所焊接金属材料的塑性状态图和变形强化效果确定，ST为轧制位置焊接热循环曲线中从峰值温度降到所需轧制温度的冷却时间。
8.根据权利要求6或7任意权利要求所述的金属材料焊轧一体化复合成形方法，其特征在于，所述轧辊间的距离HR或所述轧辊与金属试件表面的距离H与所焊接金属材料的种类、板厚H1、焊接接头余高H2及所需变形强化效果相关，对于双轧辊装置轧制H1≦HR<H1+H2，对于单轧辊装置H<H2。
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