CN114951945A - 一种金属复合板的一体化制备成形系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于复合板的非晶合金连接和柔性成形技术领域，更具体地，涉及一种金属复合板的一体化制备成形系统及方法。该系统包括前置超声预成形组件和后置主成形组件；前置超声预成形组件用于对预热后的复合待成形复合板坯除去氧化层，并使部分非晶合金被压入待复合成形的金属板表面凹槽中，起到预焊接的作用；再利用后置主成形组件的工具头将加热至过冷液相区的非晶合金压入并充满金属板表面的凹槽中。本发明将现有技术金属板的整体复合离散为金属板之间的点复合，使得金属板之间各个区域随工具头的运动均能被施加相同的应力，以板料的局部变形代替整体变形，减小了板料的回弹量和应力集中现象，实现了变形的均匀分布，提高了板料的成形极限。

Description

一种金属复合板的一体化制备成形系统及方法

技术领域

本发明属于复合板的非晶合金连接和柔性成形技术领域，更具体地，涉及一种金属复合板的一体化制备成形系统及方法。

背景技术

目前层状金属复合板生产方法有爆炸焊接热轧法、直接轧制复合法、烧结复合法、铸轧复合法等。爆炸焊接热轧复合板制备时需要特定爆场，爆炸复合板的结合强度受板料表面光洁度影响，而且存在难以加工薄板，复合后板材表面质量差，需要进行二次处理，生产率低，噪音大等缺陷；直接轧制复合法工艺流程长，且较多的复合道次易使金属分层且厚度不均匀，对于力学性能和熔点差异大的异种金属，轧制复合过程中会存在变形不协调问题，难以得到质量均匀结合面；烧结复合法只能用于复合孔隙率高的金属材料，适用范围窄，复合工序复杂，能耗大；铸轧复合法在进行复合板制备时需要较高的复合温度，由于复层金属和复合金属熔点不同，结合面容易产生熔损、氧化。

通过线复合或面复合方式制备复合板时，施加在板面上的应力通常为非均匀分布，增大了板与板之间和板面之间的开裂风险，使得板之间不同区域结合质量不同，降低了复合板的整体结合强度。同时现有复合板的制备成形技术多为制备和成形分步进行，无法在单工序内完成，并且复合板在成形时由于局部应力过大或变形残余应力原因易产生开裂、回弹等问题，降低了复合板的成形质量。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明提供了一种金属复合板的一体化制备成形系统及方法，其充分结合非晶合金本身的特点，针对复合金属板的制备成形质量要求，对复合板的制备成形方法进行重新设计，提出了一种金属复合板的离散、渐进式制备成形一体化系统及方法，解决了现有技术复合板的制备成形技术多为制备和成形分步进行，无法在单工序内完成，并且复合板在成形时由于局部应力过大或变形残余应力原因易产生开裂、回弹等问题，降低了复合板的成形质量等的技术问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种金属复合板的一体化制备成形系统，包括夹紧单元、预热单元和渐进式制备成形单元；其中：

所述夹紧单元用于固定待成形复合板坯以便于对其进行制备成形加工；所述待成形复合板坯具有层叠结构，包括两层或多层待复合成形的金属板，还包括任意相邻两层待复合成形的金属板之间的非晶合金薄板；且所述任意相邻两层待复合成形的金属板与所述非晶合金薄板相接触的表面开设有凹槽；

所述预热单元用于对所述待成形复合板坯进行预热，预热温度低于所述非晶合金薄板的玻璃化转变温度；

所述渐进式制备成形单元包括前置超声预成形组件和后置主成形组件；所述前置超声预成形组件用于对经预热处理后的待成形复合板坯通过超声振动去除所述复合板坯内部的氧化层，并同时通过施加压力使得所述非金合金薄板部分充填入所述待复合成形的金属板表面的凹槽中以实现预成形；所述后置主成形组件用于对经所述前置超声预成形组件进行预成形后的复合板坯进一步成形，利用所述主成形组件对所述复合板坯加热加压，使得所述复合板坯中的非晶合金薄板被加热至过冷液相区的超塑性状态，利用所述主成形组件产生的压力将处于超塑性状态的非晶合金进一步压入至所述待复合成形金属板的凹槽中；

工作时，所述前置超声预成形组件和后置主成形组件按照预设的轨迹对所述待成形复合板坯依序进行渐进式加工处理，同时完成制备和成形过程。

其中，作为优选，所述非晶合金薄板的成分种类的选择标准为：该非晶合金过冷液相温度区间ΔT_x大于50K，且热塑性成形能力指标S>0.15。

作为优选，所述非晶合金薄板的厚度能够满足：将所述待复合成形的金属板上开设的凹槽完全填充以后，还有剩余厚度以作为待复合成形的金属板之间的扩散连接层。

作为优选，所述任意相邻两层待复合成形的金属板与所述非晶合金薄板相接触的表面开设的凹槽为阵列分布。

作为优选，所述夹紧单元包括压板，所述压板位于所述待成形复合板坯的两端或四周，用于固定所述固定待成形复合板坯以便于对其进行制备成形加工。

作为优选，所述预热单元包括箱体、惰性气体进口、加热器和惰性气体出口，使用时，所述待成形复合板坯下表面置于所述箱体内部，通过所述惰性气体进口对所述箱体内部通入惰性气体，通过所述加热器对所述箱体内的惰性气体进行加热，利用加热的惰性气体对所述待成形复合板坯进行预热处理；被加热的惰性气体能够通过所述惰性气体出口排出。

优选地，所述超声预成形组件包括超声工具头，工作时所述超声工具头直接作用于所述待成形复合板坯上表面；所述超声工具头与换能器和变幅杆连接，用于调节超声功率大小；所述超声工具头还与液压机相连接，所述液压机用于通过所述超声工具头对所述待成形复合板坯施加压力以进行预成形。

优选地，所述主成形组件包括上工具头和下工具头，工作时所述上工具头和下工具头分别直接作用于所述待成形复合板坯的上部和下部，用于将所述待成形复合板坯夹持以进行加工成形；

所述上工具头上设置有加热部件、加压部件和冷却系统，工作时，所述上工具头与待成形复合板坯的上表面直接接触，通过所述加热部件对所述待成形复合板坯进行加热，使得加热温度介于非晶合金的玻璃化转变温度T_g和起始晶化温度T_x之间；通过所述加压部件对所述待成形复合板坯进行加压；所述冷却系统用于对采用所述主成形部件成形后的复合板坯进行冷却，使复合板坯的加热时间不超过非晶合金的晶化起始时间。

优选地，所述加热部件包括第一导气槽，工作时，通过所述第一导气槽向所述上工具头通入加热的气体，以对所述待成形复合板坯进行加热；所述加压部件包括液压机，所述液压机用于通过所述上工具头对所述待成形复合板坯施加压力以进行进一步成形；所述冷却系统包括第二导气槽，工作时，通过所述第二导气槽向所述上工具头通入冷却的气体，以对成形后的复合板坯进行冷却，防止非晶合金长时间在过冷液相区而发生晶化；所述下工具头与所述上工具头具有相同的进给速度和进给路径，所述下工具头用于支撑和辅助成形。

优选地，所述超声工具头、上工具头和下工具头分别与位移控制系统相连接，所述位移控制系统用于控制所述超声工具头、上工具头和下工具头在各个方向上的位移控制。

按照本发明的另一个方面，提供了一种利用所述制备成形系统进行金属复合板的一体化制备成形方法，包括如下步骤：

(1)利用所述夹紧单元固定待成形复合板坯以便于对其进行制备成形加工；所述待成形复合板坯具有层叠结构，包括两层或多层待复合成形的金属板，还包括任意相邻两层待复合成形的金属板之间的非晶合金薄板；且所述任意相邻两层待复合成形的金属板与所述非晶合金薄板相接触的表面开设有凹槽；

(2)利用所述预热单元对步骤(1)所述复合板坯进行预热，预热温度低于所述非晶合金薄板的玻璃化转变温度；

(3)利用所述前置超声预成形组件和后置主成形组件按照预设的轨迹对所述待成形复合板坯依序进行渐进式制备和成形，具体为：

利用所述前置超声预成形组件对经预热处理后的待成形复合板坯通过超声振动去除所述复合板坯内部的氧化层，并同时通过施加压力使得所述非金合金薄板部分充填入所述待复合成形的金属板表面的凹槽中以实现预成形；

利用所述后置主成形组件对经所述前置超声预成形组件进行预成形后的复合板坯进一步成形，具体为：利用所述主成形组件对所述复合板坯加热加压，使得所述复合板坯中的非晶合金薄板被加热至过冷液相区的超塑性状态，利用所述主成形组件产生的压力将处于超塑性状态的非晶合金进一步压入至所述待复合成形的金属板表面的凹槽中。

优选地，步骤(2)所述预热温度位于所述非晶合金薄板的玻璃化转变温度以下10℃～20℃。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：

(1)本发明提供的一种一体化制备成形系统，包括夹紧单元、预热单元和渐进式制备成形单元，渐进式制备成形单元包括前置超声预成形组件和后置主成形组件；前置超声预成形组件用于对经预热处理后的待成形复合板坯通过超声振动去除所述复合板坯内部的氧化层，并同时通过施加压力使得所述非金合金薄板部分充填入待复合成形的金属板表面的凹槽中以实现预成形；后置主成形组件用于对经所述前置超声预成形组件进行预成形后的复合板坯进一步成形，利用主成形组件对所述复合板坯加热加压，使得所述复合板坯中的非晶合金薄板被加热至过冷液相区的超塑性状态，利用主成形组件产生的压力将处于超塑性状态的非晶合金进一步压入至待复合成形金属板的凹槽中。本发明一体化制备成形所使用的复合板需要有比单纯制备出的复合板更高的焊接均匀性和焊接强度，该技术先使用超声振动工具头对复合板坯进行预处理，破碎氧化膜，提高非晶合金变形能力并对凹槽进行预充填，可提高复合板难焊接部位的焊接质量，再使用主成形工具头进行后续焊接处理。本发明在制备复合板的同时完成了对复合板的成形，最终获得具有一定尺寸和形状的复合板或零件，降低了加工成本，缩短了生产周期。

(2)本发明采用柔性成形方法成形复合板，与常规复合板成形方法相比，本发明采用渐进成形设备，在制备复合板的同时完成了对复合板的成形，可获得具有一定形状的复合板或零件，缩短了生产周期，降低了零件生产成本，无需模具或只需简单模具即可完成复杂零件的成形。

(3)本发明使用双工具头制备成形复合板，其中超声辅助成形工具头可以对复合板施加一个低于主成形部件的工具头的压力，使部分非晶合金被压入金属板凹槽中，起到预焊接的作用。并且在金属接触面处施加的超声振动可破碎金属由于加热而在层与层之间产生的氧化膜，使原先进入凹槽中的大块氧化膜被破碎成小块氧化膜，减小了氧化膜对复合板复合质量的负面影响，同时超声振动降低了非晶合金的流动应力和粘度，使非晶合金更易充填到凹槽内，提高最终焊接质量。

(4)本发明提供的一种采用了非晶合金和柔性成形技术制备成形复合板的方法，首先将非晶合金薄板置于待复合金属板材之间制成复合板坯，然后通过包括前置超声工具头和后置主成形工具头在内的渐进成形工具头对与复合板坯接触部分进行加热成形。本发明采用非晶合金作为连接层，使被复合金属表面不直接接触，不仅可以复合同种金属，还可复合物理、化学和力学性质差异大的异种金属，可对任意熔点高于所选非晶合金过冷液相区温度的同种或异种金属进行复合。

(5)本发明首先通过将非晶合金薄板置于待复合金属板之间制成复合板坯料，再通过渐进成形设备工具头对复合板坯成形的同时对接触区域进行加热，加热至过冷液相区的非晶合金具有超塑性，可在较低压力下被压入金属板凹槽中实现金属板和非晶合金的机械互锁。被复合金属板之间仅通过非晶合金作为粘结剂结合，无需考虑金属板界面之间的相互作用，因此该技术可实现金属板的多层复合，同时非晶合金的高强度和成形后的低回弹可提高复合板的强度并减小整体回弹量。

(6)本发明在渐进成形的工具头上安装热电阻加热或热空气加热进行辅助成形，能够降低复合板成形时所需的成形力，同时使非晶合金和被复合金属之间形成扩散连接层，改善金属板复合质量。

(7)本发明的复合板制备成形一体化方法相比于常规的复合板制备方法将金属板的整体复合离散为金属板之间的点复合，使得金属板之间各个区域随工具头的运动均能被施加相同的应力，以板料的局部变形代替整体变形，减小了板料的回弹量和应力集中现象，实现了变形的均匀分布，提高了板料的成形极限。

附图说明

图1为本发明优选实施例中金属复合板的一体化制备成形系统结构示意图。

图2为本发明优选实施例中待成形复合板坯中一个夹芯结构的示意图。

图3为本发明优选实施例中待成形复合板坯加工至斜面时的示意图。

图4为本发明金属复合板的一体化制备成形方法流程示意图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1-箱体；2-惰性气体；3-热风进口；4-导轨；5-进气口；6-气体加热器；7-弹簧；8-复合板坯；9-压板；10-第一导气槽；11-上工具头；12-热风出口；13-下工具头；14-换能器；15-变幅杆；16-超声工具头；17-第一金属板；18-非晶合金薄板；19-第二金属板；20-凹槽；21-第二导气槽；22-连杆。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提供的一种金属复合板的一体化制备成形系统，包括夹紧单元、预热单元和渐进式制备成形单元；其中：

所述夹紧单元用于固定待成形复合板坯以便于对其进行制备成形加工；所述待成形复合板坯具有层叠结构，包括两层或多层待复合成形的金属板，还包括任意相邻两层待复合成形的金属板之间的非晶合金薄板；且所述任意相邻两层待复合成形的金属板与所述非晶合金薄板相接触的表面开设有凹槽；

所述预热单元用于对所述待成形复合板坯进行预热，预热温度低于所述非晶合金薄板的玻璃化转变温度；

所述渐进式制备成形单元包括前置超声预成形组件和后置主成形组件；所述前置超声预成形组件用于对经预热处理后的待成形复合板坯通过超声振动去除所述复合板坯内部的氧化层，并同时通过施加压力使得所述非金合金薄板部分充填入所述待复合成形的金属板表面的凹槽中以实现预成形；所述后置主成形组件用于对经所述前置超声预成形组件进行预成形后的复合板坯进一步成形，利用所述主成形组件对所述复合板坯加热加压，使得所述复合板坯中的非晶合金薄板被加热至过冷液相区的超塑性状态，利用所述主成形组件产生的压力将处于超塑性状态的非晶合金进一步压入至所述待复合成形的金属板表面的凹槽中；工作时，所述前置超声预成形组件和后置主成形组件按照预设的轨迹对所述待成形复合板坯依序进行渐进式制备和成形。

一些实施例中，所述非晶合金薄板的成分种类的选择标准为：非晶形成能力强，热稳定性好且热塑性成形性能佳。其中非晶形成能力强，即该非晶合金的非晶形成临界尺寸不小于10mm；热稳定性好，即过冷液相温度区间ΔT_x大于50K，其中ΔT_x＝T_x-T_g，T_g为玻璃转变温度，T_x为起始晶化温度；热塑性成形性能佳，即热塑性成形能力指标S>0.15,其中S＝ΔT_x/(T_L-T_g)，T_L为液相线温度。本发明所述非晶合金薄板的非晶合金材料种类比如可以选用Zr基、Cu基等非晶合金。

为了提高上金属板和下金属板的结合强度，本发明一些实施例中在所述待复合成形的金属板与所述非晶合金薄板相接触的表面开设有凹槽，凹槽可以为各种形状的凹槽，目的是在于金属板复合时起到互锁作用。一些是实施例中，所述凹槽为截面为梯形的梯形槽、截面为锯齿形的锯齿形槽等，凹槽为阵列分布。凹槽开设深度可以为待复合成形金属板板厚的1/3～1/2。本发明待复合成形的金属板的厚度范围可以为1～5mm。非晶合金薄板的厚度应满足将所述待复合成形的金属板上开设的凹槽完全填充以后，还有剩余厚度以作为待复合成形的金属板的扩散连接层。一些实施例中，所述非晶合金薄板的厚度为待复合成形的金属板的厚度的1/2或以上。

一些实施例中，利用激光加工法在待成像复合板坯上加工出凹槽，加工的凹槽开孔尺寸可以根据具体需要进行选择。凹槽的截面最大尺寸一般不超过板厚的1/2；凹槽与凹槽之间的最大距离不超过1mm，这样有利于非晶合金在工具头的压力下充满凹槽，避免因凹槽体积太大而使非晶合金无法完全填充从而降低复合质量。通过选择合理的成形温度和凹槽尺寸等工艺参数，使复合板坯在成形的同时拥有较佳的复合质量。较佳实施例中，凹槽截面尺寸具有上小下大的特点，这样便于复合板利用非晶合金左右连接相互锁效果更好。

本发明提出的一体化制备成形系统及方法，可以适用于只有两层待复合成形的金属板的复合板坯，也可以适用于含有多层待复合成形的金属板的待成形复合板坯，比如需要三层金属板的复合制备成形时，三层金属板两两之间分别设置非晶合金薄板，层叠设置，形成待成形复合板坯。

本发明一些实施例中，所述夹紧单元包括压板，所述压板位于所述待成形复合板坯的两侧，用于固定所述固定待成形复合板坯以便于对其进行制备成形加工。

本发明在对待成形复合板坯进行渐进成形之前，先对其进行预热。预热可采用各种加热方式，包括但不限于为热风加热、激光加热、自阻加热、加热带加热、高温液体加热等加热方式。一些实施例中，所述预热单元包括箱体、惰性气体进口、加热器和惰性气体出口，使用时，所述待成形复合板坯置于所述箱体内部，通过所述惰性气体进口对所述箱体内部通入惰性气体，通过所述加热器对所述箱体内的惰性气体进行加热，利用加热的惰性气体对所述待成形复合板坯进行预热处理；被加热的惰性气体能够通过所述惰性气体出口排出。

一些实施例中，所述超声预成形组件包括超声工具头，所述超声工具头上设置有超声振动系统，工作时所述超声工具头直接作用于所述待成形复合板坯上表面；所述超声工具头与换能器和变幅杆连接，用于调节超声功率大小；所述超声工具头还与液压机相连接，所述液压机用于通过所述超声工具头对所述待成形复合板坯施加压力以进行预成形。本发明所述超声工具头上装有超声振动系统，用于破碎非晶合金薄板和待复合金属板接触面之间的氧化膜，同时均匀化非晶合金内部的原子分布，提高非晶合金的充填和成形能力，并对待成形复合板坯进行预焊接。

一些实施例中，所述超声工具头的超声频率为0.1Hz～2.0Hz范围，超声载荷振幅为100～500N，所述超声工具头对所述待成形复合板坯施加的压力大小为500～1000N范围；所述超声工具头在平行于待成形复合板坯平面所在方向的进给速度为1000～3000mm/min。

一些实施例中，所述主成形组件包括上工具头和下工具头，工作时所述上工具头和下工具头分别直接作用于所述待成形复合板坯的上部和下部，用于将所述待成形复合板坯夹持以进行加工成形。

一些实施例中，所述上工具头上设置有加热部件、加压部件和冷却系统，工作时，所述上工具头与待成形复合板坯的上表面直接接触，通过所述加热部件对所述待成形复合板坯进行加热，使得加热温度介于非晶合金的玻璃化转变温度T_g和起始晶化温度T_x之间；通过所述加压部件对所述待成形复合板坯进行加压；所述冷却系统用于对主成形部件成形后的复合板坯进行冷却，使复合板坯的加热时间不超过非晶合金的晶化起始时间，该晶化起始时间可由等温DSC实验测得。

一些实施例中，所述加热部件为电阻丝。

另一些实施例中，所述加热部件包括第一导气槽，用于通过所述第一导气槽向所述上工具头通入加热的气体，以对所述待成形复合板坯进行加热。所述冷却系统包括第二导气槽，用于通过所述第二导气槽向所述上工具头通入冷却的气体，以对成形后的复合板坯进行冷却，防止非晶合金长时间在过冷液相区而发生晶化。

一些实施例中，所述加压部件包括液压机，所述液压机用于通过所述上工具头对所述待成形复合板坯施加压力以进行进一步成形。

本发明所述超声工具头、上工具头和下工具头分别与位移控制系统相连接，所述位移控制系统用于控制所述超声工具头、上工具头和下工具头在各个方向包括X、Y和Z方向上的位移控制。一些实施例中，通过伺服电机控制工具头在X-Y轴组成的平面运动，同时Z轴由伺服电机控制工具头的上下运动。

本发明所述前置超声预成形组件和后置主成形组件按照预设的轨迹对所述待成形复合板坯依序进行渐进式制备和成形，一些实施例中将UG、CAD等建模软件生成的待成形复合板坯的STL格式文件进行切片处理，计算机读取切片后的截面信息生成加工轨迹，随后渐进成形设备根据加工轨迹运行。

一些实施例中，所述下工具头一端作用于所述待成形复合板坯的下部，另一端与导轨滑动连接，通过所述导轨控制所述下工具头在渐进成形过程中的移动；所述导轨的高度可调，用于根据需要调控所述下工具头在竖直方向上的高度。

本发明主成形部件中的上工具头和下工具头具有相同的进给速度和进给路径，所述下工具头用于支撑和辅助成形。一些实施例中，所述上工具头的进给速度(平行于待成形复合板坯平面所在的方向上)为1000～3000mm/min范围，所述上工具头对所述待成形复合板坯施加的压力大小为500～3000N，且所述上工具头对所述待成形复合板坯施加的压力大于超声工具头对所述待成形复合板坯施加的压力。

根据需要调控前置超声成形组件中超声工具头和后置主成形组件中上、下工具头的距离，一些实施例中，控制超声工具头和上工具头之间的距离在10～30mm之间。也可根据实际运行轨迹调整二者之间的间距。可根据待成形复合板坯的成形复杂度改变超声预成形组件和后置主成形组件的协同运动参数。如对于复合板易制备成形的部位，前置超声工具头和后置主工具头可采用相同运动参数，以较快速度运行；制备成形复合板复杂部位时，可调节运动参数降低前置超声工具头的运行速度以延长超声工具头在此处停留时间，从而改善待成形复合板坯难成形部位的成形性。比如待超声工具头运行至待成形复合板坯的斜面上时，上工具头和下工具头可停止动作，待超声工具头前进至适当距离后再开始动作，以确保二者之间具有合适的距离，避免相互影响。

可根据需要设置所述超声工具头、所述上工具头以及下工具头与所述待成形复合板坯接触端的端部尺寸大小，比如一些实施例中，所述超声工具头的端部尺寸大于所述上工具头以及下工具头的端部尺寸。先使用大尺寸工具头进行粗成形，然后更换小尺寸工具头进行二次成形，对于拐角等工具头难以成形部位还可以使用电磁成形进行精细加工以改善整体成形质量。

本发明还提供了一种利用所述制备成形系统进行金属复合板的一体化制备成形方法，包括如下步骤：

(1)利用所述夹紧单元固定待成形复合板坯以便于对其进行制备成形加工；所述待成形复合板坯具有层叠结构，包括两层或多层待复合成形的金属板，还包括任意相邻两层待复合成形的金属板之间的非晶合金薄板；且所述任意相邻两层待复合成形的金属板与所述非晶合金薄板相接触的表面开设有凹槽；

(2)利用所述预热单元对步骤(1)所述复合板坯进行预热，预热温度低于所述非晶合金薄板的玻璃化转变温度；

(3)利用所述前置超声预成形组件和后置主成形组件按照预设的轨迹对所述待成形复合板坯依序进行渐进式制备和成形，具体为：

利用所述前置超声预成形组件对经预热处理后的待成形复合板坯通过超声振动去除所述复合板坯内部的氧化层，并同时通过施加压力使得所述非金合金薄板部分充填入所述待复合成形的金属板表面的凹槽中以实现预成形；

利用所述后置主成形组件对经所述前置超声预成形组件进行预成形后的复合板坯进一步成形，具体为：利用所述主成形组件对所述复合板坯加热加压，使得所述复合板坯中的非晶合金薄板被加热至过冷液相区的超塑性状态，利用所述主成形组件产生的压力将处于超塑性状态的非晶合金进一步压入至所述待复合成形的金属板的凹槽中。

一些实施例中，步骤(2)所述预热温度位于所述非晶合金薄板的玻璃化转变温度以下10℃～20℃。

在本发明一体化制备成形过程中，涉及多个工作参数，包括前置超声工具头和主成形组件中上工具头和下工具头的进给速度、进给量、预热温度、上工具头加热温度、上工具头施加压力、超声振动频率等参数。一些实施例中，可根据此类参数建立神经网络实现对复合板成形质量的实时监测与调控，以达到待成形复合板坯的智能一体化制备成形。

本发明将待成形复合板坯的制备和成形整合到同一工序中，离散化的加热成形方式减小了变形过程中应力的影响，同时实现了复合板的短流程制备成形。但为了保证待成形复合板坯在制备成形过程中不脱焊，就要求一体化制备成形的待成形复合板坯有比单独制备的待成形复合板坯更高的焊接质量。传统方法制备复合板时除了难以控制金属板各点之间的复合均匀度外，还难以去除层与层之间的氧化膜，从而降低金属板最终的复合质量。而直接使用后置主成形组件的工具头制备成形复合板时，由于层与层之间较大体积的氧化膜其中一部分会阻碍非晶合金流入金属板凹槽中，另一部分会随非晶合金流入金属板凹槽中，从而降低复合板的焊接质量。本发明先使用超声辅助工具头先破碎接触面之间的氧化膜，提高非晶合金的充填和成形能力，同时超声辅助成形工具头会施加一个小于主成形组件的工具头的应力将非晶合金预充填入金属板凹槽中，随后主成形组件的工具头将接触部分非晶合金加热至过冷液相区，由于非晶合金在过冷液相区具有超塑性，使其可以在主成形组件的工具头压力下完全流入金属板料梯形槽中。冷却后的非晶合金起到机械互锁作用完成对金属板的复合，同时在工具头的压力和加热作用下，非晶合金和金属板料之间发生局部塑性变形形成扩散层，起到扩散连接作用，加强了复合板的结合强度。本发明使用的超声辅助成形工具头可以在金属接触面处施加超声振动来破碎金属由于加热而在层与层之间产生的氧化膜，同时降低非晶合金的流动应力和粘度，使非晶合金更易充填到凹槽内，提高最终焊接质量。该技术不仅可以复合同种金属，还可复合物理、化学和力学性质差异大的异种金属(如变形抗力大，热膨胀系数差异大，易发生相互反应的金属均可进行复合)，可对任意熔点高于所选非晶合金过冷液相区温度的同种或异种金属进行多层复合，同时非晶合金具有的高强度可提高复合板的整体强度。相比于常规的复合板制备方法，本发明提出的柔性成形方法将金属板的整体复合离散为金属板之间的点复合，使得金属板之间各个区域均能被施加相同的应力，该技术在制备成型复合板时对复合板进行了预热处理，同时工具头对加工区域进行实时加热，提高了金属板的塑性并降低金属板的变形抗力，使其对金属板施加相对较小的应力就可以完成对金属板的复合，降低了复合板的开裂风险，从而改善其结合质量。在制备复合板的同时，工具头可将复合板加工成具有目标形状的零件，以板料的局部变形代替整体变形，减小了板料的回弹量和应力集中现象，实现了变形的均匀分布，提高板料的成形极限，省去了对复合板的二次加工成本，缩短了生产周期。

本发明在制备该金属复合板过程中，首先对待复合成形金属板与中间非晶合金薄膜接触的表面预设凹槽，有利于后期成形时非晶合金和金属板的机械互锁。柔性成形过程中前端超声辅助工具头施加超声振动破碎金属和非晶合金接触面处的氧化层，使得原子分布更加均匀，提高了非晶合金成形能力，同时超声辅助工具头可施加一定的应力使非晶合金预充填入凹槽中，随后主工具头对复合板表面进行挤压和加热，将非晶合金完全压入凹槽中，并且增强非晶合金和金属板之间的扩散连接能力，以同时完成复合板的制备与成形。利用非晶合金热塑性和柔性成形方法，本发明能够同时完成复合板的制备与成形。

以下为实施例：

实施例1

图1是按照本发明的优选实施例所构建的一种金属复合板的一体化制备成形系统示意图，其制备成形方法包括下列步骤：

步骤(1)：铝-钢-钛复合板坯的制备

选择尺寸为140mm×140mm×2mm的铝、钢、钛金属板作为复合用金属板，Zr_46.5Ti_8.5Cu_7.5Ni₁₀Be_27.5非晶合金板作为复合板中间连接层。Zr_46.5Ti_8.5Cu_7.5Ni₁₀Be_27.5非晶合金的形成临界尺寸大于20mm,玻璃转变温度T_g为677K,起始晶化温度T_x为733K，过冷液相区间ΔT_x＝T_x-T_g＝56K，非晶合金薄板尺寸为140mm×140mm×2mm。在铝板和钛板上与非晶合金的接触面上每隔1mm开圆形凹槽，圆形凹槽半径0.7mm，开口处半径0.5mm，凹槽距离边界1mm，每个凹槽相隔1mm呈阵列排布，钢板在上下表面以相同方式开槽。用砂纸打磨开有槽的铝板、钢板和钛板，清除表面氧化层，再用酒精将结合面擦拭干净。按照铝板、非晶合金薄板、钢板、非晶合金薄板、钛板顺序进行重叠放置，制成复合板坯。

步骤(2)：渐进成形

复合板制备成形一体化渐进成形设备示意图如图1所示。

如图1所示，该一体化制备成形系统包括箱体1，待制备成形的复合板坯8水平放置于该箱体1上，其中该复合板坯8的下表面位于箱体1内部，上表面位于箱体1外部，该复合板坯8相当于箱体1的盖体，复合板坯8两侧设置有压板9，用于固定复合板坯。箱体1底部设置有进气口5、气体加热器6、热风进口3、热风出口12，惰性气体2自进气口5进入，惰性气体2为氦气，先经过气体加热器6加热，然后加热后的惰性气体通过热风进口3进入箱体1，箱体1内充满氦气，为复合板坯8进行预热，最后再从热风出口12排出。

复合板坯8经压板9夹紧并与连杆22固定连接，连杆22一端与复合板坯8底部相连，另一端连接弹簧7，通过外部电机控制连杆22的上下移动，带动弹簧7的伸缩运动，进而控制板坯8的上下移动。

复合板坯8上设置有前置超声成形组件和后置主成形组件，前置超声成形组件包括超声工具头16、换能器14和变幅杆15，超声工具头上装有超声振动系统，用于破碎非晶合金薄板和待复合金属板接触面之间的氧化膜，同时均匀化非晶合金内部的原子分布，提高非晶合金的充填和成形能力，并对待成形复合板坯进行预焊接，换能器用于将电磁能转化为机械能(声能)，变幅杆用于将机械振动的质点位移或速度放大，并将超声能量聚集在较小面积上。后置主成形组件包括上工具头11和下工具头13，上工具头11还连接第一导气槽10，用于通过所述第一导气槽10向所述上工具头11通入加热的气体，以对复合板坯8进行加热。下工具头13一端作用于复合板坯8的下部，另一端与导轨4滑动连接，通过所述导轨4控制所述下工具头13在渐进成形过程中的移动；导轨的高度可调，用于根据需要调控所述下工具头在竖直方向上的高度。上工具头11上还设置有第二导气槽21，用于通过所述第二导气槽21向所述上工具头11通入冷却的气体，以对成形后的复合板坯8进行冷却，防止非晶合金长时间在过冷液相区而发生晶化。第一导气槽10和第二导气槽21共同作用，以使得具有超塑性的处于过冷液相区的非晶合金快速降温让非晶合金更快定型。

如图2所示，复合板坯8中其中一个三明治夹芯结构包括第一金属板17、第二金属板19以及中间的非晶合金薄板18。在第一金属板17、第二金属板19与非晶合金薄板18接触的表面均开设有凹槽20，该复合板坯经预热后，经超声工具头16和上工具头11先后加工处理。

制备成形时，如图4所示，首先建立所需零件的三维结构模型，根据该三维模型生成加工轨迹；通过压板将复合板坯固定在预热台上方，在金属板上表面均匀涂抹润滑油，润滑油保证复合板在加工过程中受热不发生氧化，同时减少磨损，选用在非晶合金过冷液相区温度区间不发生分解的润滑油；然后启动气体压缩机和加热器向预热箱内通入热惰性气体对复合板坯进行预热。当复合板坯温度被预热至非晶合金的玻璃转变温度T_g以下的657K时超声辅助工具头以1000mm/min进给速度开始运行并对金属表面施加超声载荷振幅为400N,频率1.5Hz的超声振动，超声工具头的端部尺寸为3mm。待超声辅助工具头运行到主工具头前方2cm处时主成形部件的工具头(上工具头和下工具头)开始运动，热风通过上工具头上的导气槽吹到复合板表面，将热风影响区内的板料迅速从预热温度加热至非晶合金的玻璃转变温度T_g和起始晶化温度T_x之间的697K，同时上工具头以0.5mm的进给量(工具头沿Z轴向下运行0.5mm)下压，1000mm/min的速度沿预设好的加工轨迹(经过计算机处理后的截面数据)行进，之后冷却系统对加工后的部位进行快速冷却以防止非晶合金发生晶化，下工具头以同样运行速度和路径运行，起支撑和辅助成形作用，整个沿平面的直线成形过程中超声工具头、上工具头和下工具头保持相同的运动参数。在板料上需要弯曲的成形部位，如图3所示，超声工具头的进给速度降低至500mm/min，后方主成形工具头即上工具头和下工具头暂停运行，待完全经过需要弯曲部分后上工具头和下工具头开始运行，以充分减小非晶合金的流动应力和粘度，便于复合板的制备成形。复合板加工完毕后依次关闭超声辅助工具头、上工具头和下工具头的加热系统和冷却系统，最后关闭预热系统取出成形后零件，清洗润滑油，完成复合板的制备和成形。上工具头和下工具头的端部尺寸为3mm，上工具头和下工具头的行进速度为1000mm/min，可以计算得到上工具头和下工具头和复合板接触时间约为0.09s，接触时间短于该非晶合金的晶化起始时间，在这个时间内非晶合金不会因为加热而发生晶化，且温度不超过非晶合金的晶化温度，Zr_46.5Ti_8.5Cu_7.5Ni₁₀Be_27.5非晶合金不会发生晶化现象，同时此温度未达到复合板内任何一种金属熔点。因此，本实施例通过采用上述方法和装置可以得到制备成形一体化的复合板零件。

本发明属于金属复合板制备和复合板柔性成形领域，具体涉及一种金属复合板的柔性成形制备成形方法。将金属板和非晶合金按三明治方式叠放制成复合板坯。然后将非晶合金薄板置于金属板之间放到有加热工具头的渐进成形设备中进行制备成形。通过选择合理的成型温度和凹槽尺寸等工艺参数，使复合板在成形的同时拥有优秀的复合质量。传统的复合板制备和成形通常分成两个步骤进行，工艺流程长，能耗大，能效低，中间氧化层难以去除，难以复合性能差异大的金属板。与之相比，本发明采用双工具头完成复合板的一体化制备成形，减小了层间氧化膜对焊接质量的影响，使复合板各点间受力分布更加均匀，减小了复合板开裂风险。同时该技术不仅可以复合同种金属，还可复合物理、化学和力学性质差异大的异种金属，可对任意熔点高于所选非晶合金过冷液相区温度的同种或异种金属进行多层复合，同时非晶合金具有的高强度可提高复合板的整体强度，使用的渐进成形设备无需模具或只需简单模具即可完成复杂零件的成形，在制备复合板的同时完成了对复合板的加工

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种金属复合板的一体化制备成形系统，其特征在于，包括夹紧单元、预热单元和渐进式制备成形单元；其中：

所述夹紧单元用于固定待成形复合板坯以便于对其进行制备成形加工；所述待成形复合板坯具有层叠结构，包括两层或多层待复合成形的金属板，还包括任意相邻两层待复合成形的金属板之间的非晶合金薄板；且所述任意相邻两层待复合成形的金属板与所述非晶合金薄板相接触的表面开设有凹槽；

所述预热单元用于对所述待成形复合板坯进行预热，预热温度低于所述非晶合金薄板的玻璃化转变温度；

所述渐进式制备成形单元包括前置超声预成形组件和后置主成形组件；所述前置超声预成形组件用于对经预热处理后的待成形复合板坯通过超声振动去除所述复合板坯内部的氧化层，并同时通过施加压力使得所述非金合金薄板部分充填入所述待复合成形的金属板表面的凹槽中以实现预成形；所述后置主成形组件用于对经所述前置超声预成形组件进行预成形后的复合板坯进一步成形，利用所述主成形组件对所述复合板坯加热加压，使得所述复合板坯中的非晶合金薄板被加热至过冷液相区的超塑性状态，利用所述主成形组件产生的压力将处于超塑性状态的非晶合金进一步压入至所述待复合成形金属板的凹槽中；

工作时，所述前置超声预成形组件和后置主成形组件按照预设的轨迹对所述待成形复合板坯依序进行渐进式加工处理，同时完成制备和成形过程。

2.如权利要求1所述的制备成形系统，其特征在于，所述非晶合金薄板的成分种类的选择标准为：该非晶合金过冷液相温度区间ΔT_x大于50K，且热塑性成形能力指标S>0.15。

3.如权利要求1所述的制备成形系统，其特征在于，所述非晶合金薄板的厚度能够满足：将所述待复合成形的金属板上开设的凹槽完全填充以后，还有剩余厚度以作为待复合成形的金属板之间的扩散连接层。

4.如权利要求1所述的制备成形系统，其特征在于，所述夹紧单元包括压板，所述压板位于所述待成形复合板坯的两端或四周，用于固定所述固定待成形复合板坯以便于对其进行制备成形加工。

5.如权利要求1所述的制备成形系统，其特征在于，所述预热单元包括箱体、惰性气体进口、加热器和惰性气体出口，使用时，所述待成形复合板坯下表面置于所述箱体内部，通过所述惰性气体进口对所述箱体内部通入惰性气体，通过所述加热器对所述箱体内的惰性气体进行加热，利用加热的惰性气体对所述待成形复合板坯进行预热处理；被加热的惰性气体能够通过所述惰性气体出口排出。

6.如权利要求1所述的制备成形系统，其特征在于，所述超声预成形组件包括超声工具头，工作时所述超声工具头直接作用于所述待成形复合板坯上表面；所述超声工具头与换能器和变幅杆连接，用于调节超声功率大小；所述超声工具头还与液压机相连接，所述液压机用于通过所述超声工具头对所述待成形复合板坯施加压力以进行预成形。

7.如权利要求1所述的制备成形系统，其特征在于，所述主成形组件包括上工具头和下工具头，工作时所述上工具头和下工具头分别直接作用于所述待成形复合板坯的上部和下部，用于将所述待成形复合板坯夹持以进行加工成形；

所述上工具头上设置有加热部件、加压部件和冷却系统，工作时，所述上工具头与待成形复合板坯的上表面直接接触，通过所述加热部件对所述待成形复合板坯进行加热，使得加热温度介于非晶合金的玻璃化转变温度T_g和起始晶化温度T_x之间；通过所述加压部件对所述待成形复合板坯进行加压；所述冷却系统用于对采用所述主成形部件成形后的复合板坯进行冷却，使复合板坯的加热时间不超过非晶合金的晶化起始时间。

8.如权利要求7所述的制备成形系统，其特征在于，所述加热部件包括第一导气槽，工作时，通过所述第一导气槽向所述上工具头通入加热的气体，以对所述待成形复合板坯进行加热；所述加压部件包括液压机，所述液压机用于通过所述上工具头对所述待成形复合板坯施加压力以进行进一步成形；所述冷却系统包括第二导气槽，工作时，通过所述第二导气槽向所述上工具头通入冷却的气体，以对成形后的复合板坯进行冷却，防止非晶合金长时间在过冷液相区而发生晶化；所述下工具头与所述上工具头具有相同的进给速度和进给路径，所述下工具头用于支撑和辅助成形。

9.一种利用如权利要求1至8任一项所述制备成形系统进行金属复合板的一体化制备成形方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)利用所述夹紧单元固定待成形复合板坯以便于对其进行制备成形加工；所述待成形复合板坯具有层叠结构，包括两层或多层待复合成形的金属板，还包括任意相邻两层待复合成形的金属板之间的非晶合金薄板；且所述任意相邻两层待复合成形的金属板与所述非晶合金薄板相接触的表面开设有凹槽；

(2)利用所述预热单元对步骤(1)所述复合板坯进行预热，预热温度低于所述非晶合金薄板的玻璃化转变温度；

(3)利用所述前置超声预成形组件和后置主成形组件按照预设的轨迹对所述待成形复合板坯依序进行渐进式制备和成形，具体为：

利用所述前置超声预成形组件对经预热处理后的待成形复合板坯通过超声振动去除所述复合板坯内部的氧化层，并同时通过施加压力使得所述非金合金薄板部分充填入所述待复合成形的金属板表面的凹槽中以实现预成形；

利用所述后置主成形组件对经所述前置超声预成形组件进行预成形后的复合板坯进一步成形，具体为：利用所述主成形组件对所述复合板坯加热加压，使得所述复合板坯中的非晶合金薄板被加热至过冷液相区的超塑性状态，利用所述主成形组件产生的压力将处于超塑性状态的非晶合金进一步压入至所述待复合成形的金属板表面的凹槽中。

10.如权利要求8所述的制备成形方法，其特征在于，步骤(2)所述预热温度位于所述非晶合金薄板的玻璃化转变温度以下10℃～20℃。

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