“塑性成型与焊接成型技术最新进展”
摘要：机械工程材料成型技术是随着工业现代化发展而迅速发展的成型加工技术。本文针对现代科技与产业化的发展中出现的最新机械工程材料成型技术，就其中的先进塑性成型技术和先进焊接成型技术进行详细介绍，并对其在未来的发展趋势进行展望。
关键词：塑性成型，焊接成型，研究进展
Research Progress in Nano-machining Technology
Abstract: Materials for mechanical engineering molding technology is rapidly developing to adapt the industrial modernization and rapid development. In this paper, the advanced plastic forming and welding fabrication technology was illustrated, based on the up-to-date Molding technology with the development of modern science and technology, as well as the industrialization. Meanwhile, the future prospect were also pointed out.
Key words: Plastic forming, Welding fabrication, Research progress
0 前言
随着现代先进制造技术的发展，先进机械工程材料成型技术也得到充足发展，先进铸造成型技术，先进塑性成型技术，先进焊接成型技术，先进粉末冶金成型技术等为现代工业和制造业的发展做出了不可磨灭的贡献。针对现代科技化、工业化以及产业化的发展中出现的最新机械工程材料成型技术，就其中的先进塑性成型技术和先进焊接成型技术进行详细介绍，具体包括各自的原理，研究现状和发展趋势等。
1 塑性成型技术
1.1 超塑性成型
超塑性现象最早是在Zn-Cu-AI合金的低速弯曲实验中被发现。Pb-Sn共晶合金在室温低速拉伸时延伸率可达到2000%。在实际生产应用方面，60年代末，英国的Reland汽车公司和RioTinto公司采用了锌铝合金超塑性成型成功制造出小轿车的配件。金结构减重30%，节约一半成本。日本超塑性研究比欧美要晚，日本的Mitsubishi和Kawasaki两家重工业公司最先展开超塑性研究，并第一批研制了SPF专用设备。随后，超塑性成型方法应用领域逐步扩大，飞机零件、汽车零件及家庭生活用品均可以通过超塑性成型方法获得。我国从20世纪70年代初开始超塑性研究工作，至今已走过近半个世纪，钦合金超塑性产品己在航空、航天、仪表等各个工业部门得到大量的应用。但是我国超塑性应用在材料范围和成批量生产方面与国外相比还有不小的差距，许多技术难题堕需研究人员去攻克。
西南交通大学权高峰课题组[1,2]对超塑性成型工艺有深入研究。以MB350和KBM 10两种新设计的AZ系镁合金材料为对象，通过OM、SEM、XRD、力学性能测试等手段系统研究了其室温、高温力学性能及微观组织演变。优化材料后，对铸态KBM 10镁合金进行高温压缩实验，获得压缩流变应力曲线。通过Deform-3D数值模拟锻造过程，结合现有实验条件，在压力机上完成大尺寸KBM10镁合金的多向锻造实验和过渡车钩的超塑性模锻成型实验。结合现有实验条件，进行了多向锻造工艺优化，得到性能优异的车钩预锻件，其抗拉强度为255MPa，屈服强度为130MPa，延伸率为6%。将热加工的安全工艺参数应用于KBM10镁合金车钩的试制，生产出镁合金过渡车钩试验件。
1.2 一体化塑性成型
范文涛[3]设计提供一种具有钣金冲压及热塑材料成型加工为一体的一体化多功能塑性成型技术设计方案（如图1所示），对适应企业用工的需求和职业教育的要求提供方便。
1 螺母 2 上固定板 3 上加热板 4 开合模活动板 5 水平开合模油缸
6 限位挡板 7 上下活动板 8 垂直开合模油缸 9 立导柱 10 下固定板 11 上隔热板
12 短压板 13 滑动式开模导轨 14 下加热板 15 长压板 16 限位开关 17 下隔热板
图1 一体化塑性成型技术示意图
以钣金压力成形加工为例，上固定板和下固定板通过螺母与四根立柱固定连接，上固定板的下底面依次装有上隔热板和上加热板，下固定板与上加热板之间装有由四根立柱导向的开合模垂直升降活动板，开模垂直升降活动板的下底面与开合模油缸的顶杆连接；在开合模垂直升降活动板的上底面上从下至上依次装有下隔热板和下加热板。当冲压钣金件作为钣金压力机使用时，上、下加热板不需要通电加热，将上模仁安装在上加热板上，将下模仁安装在下加热板上，利用开合模油缸的上下运动而实现钣金压力机的功能，可以完成冲压，拉伸等加工任务。
1.3 精密塑性成型
精密塑性成形技术是使制品最大限度地接近零件的使用条件。首先在形状上尽量接近最终使用的形状。所谓精密成形并不是仅仅无限制地提高塑性加工零件的精密，而是减少后序加工的比重。这不仅节约了工时和材料，而且双倍地节约了能源。从而缩短了制造周期，降低了成本。除了形状以外，把锻压和热处理结合在一起．也是重要内容之一。未来精密成形技术的主要技术的关键是模具精度和精度的保持（寿命），以及成形条件和过程的严格控制[4]。
等温挤压是一种可得到高精度净形或近似净形机械零件毛坯的有效毛坯精密加工的重要加工工艺之一，尤其是在常温成型时坯料的塑性差、抗变形能力强、应变硬化高且难以成型的黑色金属，以及形状结构复杂的非空间对称零部件的成型[5]。
1-圆弧回转体 2-从动转盘
图2 弧面分度凸轮机构的结构简图
图2为弧面凸轮机构的结构示意图，其为一种由圆弧回转体和从动转盘组成的两轴垂直交错的分度步进传动机构。结合弧面分度凸轮的几何结构和精密塑性加工成型工艺，张华[6]通过改造的闭塞式模具采用双向主动加载方式进行等温挤压精密成型，以自动机械弧面凸轮的精密塑性成型为研究对象，利用DEFORM-3D软件建立凸轮等温挤压成型的刚粘塑性模型，分析不同工艺参数对凸轮成型效果的影响。结果表明，等温挤压成型工艺可获得较好的弧面凸轮成型效果，其最优工艺参数为：冲压温度800℃，冲压速度10 mm/s，摩擦系数0.25。
1.4 其他技术
山东大学塑性成形工艺与模具技术研究团队立足于国家重要需求，开展塑性成形理论、新工艺及其装备、模具技术等科学与工程应用技术研究[7]。快速热循环高光注塑成型技术及其成套工艺与模具技术实现了高品质外观塑件的短流程、无污染、低成本的注塑成型制造；研发了高性能铝合金材料成分调控及优质铸锭制备、挤压工艺/模具设计制造和铝型材后续处理工艺与装备等关键技术，研制生产了系列高性能大规格复杂截面铝合金型材，在高速列车、轻轨地铁、轻量化汽车、船舶、大型工程结构等领域获得广泛应用，有力促进了我国高速列车等领域的建设与发展。
1.4.1 快速热循环高光注塑成型技术
图3 快速热循环高光注塑成型技术模具温度控制曲线
研究团队研究提出了将模具型腔表面快速加热至聚合物玻璃化温度以上进行注射成型的思想。研究发现，当模腔表面温度加热至聚合物玻璃化温度以上时，熔体温度和流动速率高，在汇流处两股熔体产生了很好的融合，且分布均匀，表明熔体充模能力强，汇流处熔体结合性能好，熔体复制模具表面的能力显著提高。研究提出了一种模具温度动态变化的快速热循环高光注塑成型技术，将注塑过程中模具温度控制分为快速加热、高温保持、快速冷却、低温保持等4个阶段，如图3所示，有效解决了常规注塑技术因熔体温度与模具温度差异较大而造成的一系列注塑缺陷，避免了高品质外观塑件生产中的打磨、喷涂、罩光等二次加工过程。
图4 蒸汽加热快速热循环注塑生产线
通过快速热循环高光注塑精密模具结构、加热冷却管道布局等设计方法，提高了模具加热效率及其型腔表面，温度的均匀性。针对高光模具承受的热力载荷高、模具寿命差的问题，系统研究了模具结构与其疲劳寿命之间的关系，建立了提高模具疲劳寿命的设计准则，发明了一种带有“冷间隙”的快速热循环高光注塑模具结构，通过在外模块和型腔模块之间设置合理的补偿间隙，提高了模具寿命和塑件精度。开发了快速热循环高光精密模具制造与加工技术、高光模具表面抛光技术及高精度检测技术，形成了快速热循环高光精密模具设计制造技术体系，模具表面粗糙度，合模后分型面间隙蕊0.02 mm。图4是经研究设计的蒸汽加热快速热循环注塑生产线，实现了规模化生产，塑件成品率达96%以上，塑件表面无熔痕，达到镜面效果，可直接用于最终装配。
1.4.2高性能大规格复杂截面铝合金型材挤压成形技术
图5 模具优化前后型材断面流苏分布对比
通过三维稳态和非稳态铝型材挤压过程数值建模方法与系统，揭示了挤压工艺与模具参数对型材质量的影响规律，建立了大型挤压模具结构多目标优化设计模型及方法，图5为模具优化前后型材断面流速分布对比，开发了模具结构优化设计系统，解决了挤压过程中材料体积分配难题，研制出系列大规格复杂精密模具。解决了锭坯感应梯度加热、模具氮气冷却、温度在线测控、挤压速度调控等难题，实现了等温挤压；研发了系列型材后处理专用设备和技术，建立了不同铝型材的多级时效处理工艺规范，开发了型材质量检测装置等，提高了生产效率，保障了型材组织和性能的均匀和稳定.提高了大规格复杂截面铝型材的成品率。
2 焊接成型技术
2.1 电子束焊接
图6 电子束焊接原理图
电子束焊接是一种新颖、高能束流的熔化焊方法。它是利用在真空焊室作定向高速运动的电子束，经电子透镜聚焦后撞击工件，将部分动能转化为热能，从而使被焊下件金属迅速熔化和蒸发，工作原理如图6所示。随着电子束与工件的相对移动，液体金属向熔池后部，并逐步冷却、凝固形成焊缝。其功率密度可以提高到106 W/cm2以上，是目前已实际应用的各种焊接热源之冠[8]。
由于电子束焊具有焊接深度大，焊缝性能好，焊接变形小，焊接精度高，并具有较高的生产率的特点，能够焊接难熔合金和难焊材料，因此，在航空、航天、汽车、压力容器、电力及电子等工业领域中得到了广泛的应用。
2.2激光焊接
激光焊接是利用高平行度的单色光经透射或反射镜聚焦后，形成一道直径小于0.01mm、功率密度高达106-1012W/cm2的激光束作为能源轰击焊件所产生的热量将工件材料熔化进行焊接的方法。激光具有单色性好、方向性强、能量密度高的特点，使金属瞬间熔化，冷凝后形成焊接接头。
激光作为现代高科技的产物，已经成功在现代工业中得到应用。目前激光焊法的应用大都是太空、国防及电子工业等。激光焊在车辆制造、钢铁、能源、宇航、电子等行业得到了日益广泛的应用。实践证明，采用激光焊，不仅生产率高于传统的焊接方法，而且焊接质量也得到了显著的提高。激光焊无与伦比的优势以及工艺的柔性吸引着技术人员不断攻克难关，使其在飞机、汽车、轮船等制造领域得到了广泛的应用。相信在对加工技术要求更加严格的21世纪，激光焊将会给零部件的焊接带来更完善的未来。
2.3搅拌摩擦焊
搅拌摩擦焊是基于摩擦焊技术的基本原理（如图7所示），由英国焊接研究所于1991年发明的一种新型固相连接技术[9]。与传统的熔化焊方法相比，搅拌摩擦焊接头不会产生与熔化有关的如裂纹、气孔及合金元素的烧损等焊接缺陷；焊接过程中不需要填充材料和保护气体，使得以往通过传统熔焊方法无法实现焊接的材料通过搅拌摩擦焊技术得以实现连接，焊接前无须进行复杂的预处理，焊接后残余应力和变形小；焊接时无弧光辐射、烟尘和飞溅，噪音低；因而，搅拌摩擦焊是一种经济、高效、高质量的“绿色”焊接技术，被誉为“继激光焊后又一次革命性的焊接技术”。
图7 搅拌摩擦焊的工作原理图
目前，搅拌摩擦焊技术已在飞机制造、机车车辆和船舶制造等领域得到广泛的应用，主要用于铝铝合金、铜合金、镁合金、钦合金、铅、锌等有色金属材料的焊接，黑色金属如钢材等的焊接也已成功实现。搅拌摩擦焊技术用于航空制造，可以降低制造成本、减少重量以及获得优越的接头性能等方面的优点，在飞机制造工业中的应用具有巨大的潜在性。搅拌摩擦焊技术的出现，为飞机的设计、制造提供了一种新的方法和途径。经过十多年的发展，搅拌摩擦焊已成功的应用于航空、航天、汽车和轮船等诸多轻合金结构制造等领域，因其巨大的潜力，各国都在对其进行大力度的开发和应用。尤其以美国和欧洲在航空航天领域，欧洲旧本和澳大利亚在造船业方面的力度最大，而我国则刚处于起步阶段。
2.4焊接机器人技术
随着机器人控制速度和精度的提高，尤其是电弧传感器的开发并在机器人焊接中得到应用，使机器人电弧焊的焊缝轨迹跟踪和控制问题在一定程度上得到很好解决，焊接机器人在机械制造中的应用，从原来较为单一的装配点焊发展为零部件和装配过程中的电弧焊[10]。弧焊机器人（如图8所示）可以被应用在所有电弧焊、切割技术范围及类似的工艺方法中。最常用的应用范围是结构钢和CrNi钢的熔化极活性气体保护焊(COx气体保护焊，MAG焊)，铝及特殊合金熔化极惰性气体保护焊(MIG), CrPli钢和铝的加冷丝和不加冷丝的钨极惰性气体保护焊(TIC)以及埋弧焊。除气割、等离子弧切割以及等离子弧喷涂外，还实现了在激光切割上的应用。
图8 机器人焊接技术
机器人电弧焊的最大特点是柔性，弧焊用的工业机器人通常有五个自由度以上，具有六个自由度的机器人可以保证焊枪的任意空间轨迹和姿态。点至点方式移动速度可达60 m/min以上，其轨迹重复精度可达到土0.2 mm，他们可以通过示教和再现方式或通过编程方式工作。即可通过编程随时改变焊接轨迹和焊接顺序，因此，最适用于被焊工件品种变化大、焊缝短而多、形状复杂的产品，如航空航天、造船、机车车辆、锅炉、重型机械等。
2.5 高强钢焊接技术
张明新[11]通过对HG785D高强钢材料焊接性、焊接方法选取、焊接工艺参数确定及结构装配、焊接顺序等方面的研究，摸索出了一整套高强钢焊接结构件生产的焊接技术，并在产品研制中推广应用，同时为其它高强度钢的研究和应用提供了实践经验借鉴和工艺技术支持。
朱晓明[12]为针对厚度20mm的AH32船用高强钢，采用15kW大功率CO2激光进行激光-电弧复合焊接，实现大厚度高强钢全熔透单道对接焊。分析了工件坡口、焊接速度、送丝速度、离焦量、装配间隙等规范参数对焊缝成型影响；通过金相观察以及显微硬度测定分析了接头组织性能（如图9所示）。结果表明：通过激光功率等焊接规范匹配，激光-电弧复合焊接能实现20mm厚板的全熔透单道对接；钝边为8mm的Y形坡口有助于提高厚板激光-电弧复合焊缝熔透能力；降低焊接速度有利于提高熔深能力；工件厚度较大时，装配间隙对焊缝熔深能力的影响较为显著；接头硬度表明厚板激光复合焊焊缝纵向热循环模式存在较大差异。
图9 接头弯曲试样
2.6 低温焊接技术
在低温环境下，受冷却速度过快、材料脆性增加等因素的影响，焊接质量很难确保，但另一方面，钢结构施工中对低温焊接的质量要求往往比常温焊接更高，这是因为必须考虑到温度变化对焊接质量带来的不利影响。因此，钢结构施工对低温焊接的施工工艺有非常高的需求。通过焊接预热优化低温焊接，通过参数控制优化低温焊接，通过优选材料优化低温焊接可以解决低温焊接中遇到的常见问题[13]。国家体育场（鸟巢）钢结构工程是奥运工程的突出代表,结构用钢总量约42 000 t，涉及6个高强钢钢种，为全焊接结构、造型独特新颖，为双曲面马鞍型结构，应力应变控制复杂[14]。在国家体育场钢结构施工中的一个突出难点就是实现结构的合拢和整体卸载，设计单位给定的合拢温度为14±4℃。根据历年气象资料和工期安排，对结构初始应力控制工程的有重要影响的合拢温度期在5~6月，也就是说占结构总量约1/2的桁架柱需在冬季施工，且多为厚板焊接。钢结构冬季焊接技术的成功实施保证了工程正常进行,确保了工程质量，总结国家体育场“鸟巢”钢结构焊接工程冬季焊接经验具有较大的参考应用价值。崔建超[15]以沈阳新世界中心项目钢结构工程为案例，展开了对钢结构低温焊接技术与措施的分析探讨，以供参考借鉴。
2.7 等离子弧焊
等离子弧焊是借助水冷喷嘴对电弧的约束作用，获得较高能量密度的等离子弧进行焊接的方法。利用特殊装置将自由电弧的弧柱受到约束，产生压缩效应，使弧柱中气体完全电离，从而产生温度更高、能量更加集中的等离子电弧。
邓健挺[16]等离子弧是采用等离子焊炬压缩自由电弧，形成高温、高电离度和高能量密度的电弧，等离子弧与TIG焊相比，具有焊接质量高、焊接速度快、热量集中等优点，将此技术应用在换热器不锈铜薄板的焊接，攻克了国内全焊接换热器，不适用高压工况的技术瓶颈。
等离子弧焊电弧穿透能力强，在一定厚度范围内，开I形坡口，可以一次焊透。为此，在承压设备，特别是在高合金或特种材料的容器制造中，将其作为一种优质、高效、经济的焊接方法，并在行业上得到广泛的应用。吴磊[17]以不锈钢、镍基合金、钛、锆等设备的纵环缝焊接为例，从坡口加工、组对质量控制、焊接参数优化等方面介绍等离子弧焊技术的实施，并在多台产品制造中取得令人满意的效果。
2.8超声波焊接
超声波焊接是利用高频振动波传递到两个需焊接的物体表面，在加压的情况下，使两个物体表面相互摩擦而形成分子层之间的熔合，它是利用超声波的高频振动对焊件接头进行局部加热和表面氧化物清理，然后施加压力实现焊接的压焊方法（如图10所示）[18]。
图10 超声波焊接原理图
王伊卿[19]针对超声波焊接金属界面温度难以实时测量的问题，从能量角度建立了超声波焊接二维瞬态传热模型。利用ABAQUS计算了超声波焊接铝箔表面不同点处的温度历程，红外热像仪测量了焊接过程中铝箔表面温度历程曲线,铝箔表面最高温度计算值与实验值对比误差在5％以内，证明该模型具有良好的计算精度.再利用该模型计算了不同参数组合下超声波焊接铝箔界面的温度场，研究表明,超声波焊接铝箔界面最高温度不超过金属熔点的50％；得到了焊接界面最高温度与速度、声极振幅和法向压力的关系，其中焊接最高温度随焊接振幅的增加而增加,随焊接速度的增加而减小。
2.9 爆炸焊接
图11 平行放置法爆炸焊接示意图
爆炸焊接是利用炸药爆炸时产生的冲击力造成焊件的迅速碰撞，实现焊件连接的一种压焊方法。爆炸焊接时，覆板一般有两种放置方法：即平行放置和倾斜放置。平行放置法爆炸焊接装配示意图如图11所示。适合于焊接金属轧制焊件和表面包覆有特殊物理、化学性能的合金，也适合于异种材料制成的焊接。Bataev等[20]成功实现了11层铝板和10层钦板之间的爆炸交叉焊接，之后对多层复合板进行退火处理，并对其力学性能进行检测，结果表明，所得多层复合板的Ti层、A1层的显微硬度平均值分别达到2000 MPa和300 MPa。
2.10 扩散焊接
扩散焊接是焊件紧密贴合，在真空或保护气体中，在一定温度和压力下保持一段时间，使接触面之间原子相互扩散，从而完成焊接的压焊方法，通常是被连接表面相互接触，通过使局部发生微观塑性变形或被连接表面产生微观液相，从而扩大被连接表面接触，结合层原子间经过一定时间的相互扩散，实现整体可靠连接的过程。Vigraman等[21]研究Ti-6A1-4V和AISI 304L扩散焊，利用Fick第二定律描述粒子的扩散速度。其研究表明，温度升高，相位变换加快，生成大量脆性化合物导致接头硬度增加。扩散系数D表明，Ti扩散速度大于Fe扩散速度，高温时生成FeZTi、MnZTi、TiNiz等脆性化合物，从而降低了焊接接头的力学性能。
图12 不同温度扩散焊接头的显微硬度分布
Shang等[22]研究了AZ31BMg、6061A1镁铝异种合金真空扩散焊工艺。研究表明:在焊接温度为440℃时，焊接区生成Mg2A13和Mg17Al12焊接温度为460和480℃时，焊接区生成Mg2A13、Mg17Al12和Mg17Al12与Mg基合金共溶层，脆性断裂发生在Mg17Al12层。
如图12所示，随着温度增高，由于金属间化合物生成不同，导致靠近A1和Mg区域硬度不同，在A1基焊接区硬度达到240.1 HV，而Mg基焊接区硬度为184.9 HV。焊接温度为440℃时，接头抗拉强度最高，达到37 MPa，而后降低。
3 结论与展望
塑性加工技术的发展目标是高效、节能、节材、注重环境保护和降低成本．而精确塑性成形技术将是实现上述目标最重要的发展方向。精确塑性成形技术将不断吸收现代最新科技成果，作为一种综合性技术在2l世纪更快的发展。未来的焊接技术也会得到更大的进步，随着电子技术进步，自动化程度的提高，机器人焊接技术将会在焊接中占有一席之地。而电子束焊、激光焊以及激光电弧焊尽管其焊接性能得到了很大的提高，但是其焊接设备的复杂、投资大将会严重制约其发展，所以未来这三种焊接方法的发展方向之一就是降低其焊接成本和复杂程度。相比其他焊接技术而言，搅拌摩擦焊以其优异的性能在未来会得到更大程度的应用和发展。
参考文献
行业资讯
您现在的位置：