[发明专利]一种金属材料焊轧一体化复合成形方法

说明书

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。

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：