热加工工艺杂志

热加工工艺杂志2023年第19期

• 外加磁场辅助激光焊接的研究现状及展望

  檀财旺, 徐炳孝, 刘福运, 陈波, 宋晓国,

  作为一种易于添加又便于实施的外加能场，磁场被引入激光焊接过程中，会改变带电流体的流动状态，对等离子体形态、熔滴过渡、熔池流动及匙孔行为产生影响，进而对焊缝成形组织、接头性能及焊接过程稳定起到促进及改善作用。通过归纳国内外磁场辅助激光焊接的研究成果，总结了外加磁场对激光焊接的作用机理，及其对激光焊接过程特征及接头组织、缺陷及性能的影响规律，并对磁场辅助激光焊接的未来发展进行了展望。

• 激光选区熔化粉末尺度的数值模拟研究现状

  李泓历, 傅广, 任治好, 李少波, 彭庆国, 马翔宇,

  激光选区熔化成形过程是涉及多物理现象的耦合过程。采用数值模拟能够有效地研究成形过程中的多物理现象，探究缺陷形成机理，优化工艺参数设置。本文对目前国内外激光选区熔化粉末尺度的数值模拟进行了综述，介绍了数值模拟的关键模型，分析了粉末尺度下缺陷研究的数值模拟，总结展望了激光选区熔化粉末尺度数值模拟的发展方向与趋势。

• 铝合金补焊工艺与疲劳性能的研究进展

  贾剑平, 徐鑫,

  铝合金具有氧化性强、热导率大和凝固收缩率大等特点，使用传统补焊工艺修复铝合金构件可能会使接头性能弱化，无法保证补焊修复质量。本文综述了搅拌摩擦焊、激光熔覆焊和冷金属过渡焊等新型修复技术的工艺特点及其在铝合金补焊领域的研究进展。针对铝合金结构补焊后疲劳性能下降问题，总结了疲劳破坏机理和工艺措施等方面的创新性研究成果，为铝合金补焊技术的理论研究和实际应用提供参考。

• NiTi+Ni钎料真空钎焊SiC陶瓷的微观组织及性能

  刘自豪, 颜家振, 李宁, 石浩江, 白冬,

  SiC作为潜在的下一代核反应堆包壳材料，实现其稳定可靠的连接是SiC基包壳管投入实际工程应用的重要一环。使用镍含量为55at%的NiTi粉和Ni粉混合膏状钎料（NiTi+5Ni钎料）在1350℃保温10 min的工艺下实现了SiC陶瓷的连接。结果表明：焊缝界面区域组织为TiC连续反应层；中心区域基体组织为δ-Ni2Si+Ni3Si2共析组织，其中弥散分布着大量的TiC颗粒。接头平均室温剪切强度可达125 MPa，断裂位于靠近界面的SiC陶瓷内部。界面处TiC与SiC之间良好的晶格匹配度以及焊缝中心区域的TiC颗粒对接头热残余应力的缓解，提升了接头的力学性能。

• 电弧增材制造的核级316L不锈钢组织及腐蚀性能研究

  李学军, 朱平, 尚建路, 王龙, 陈亮,

  采用冷金属过渡电弧增材方法制备了核级316L奥氏体不锈钢试件，分析了试件不同区域的组织特征以及耐晶间腐蚀性能。结果表明：焊道区和热影响区主要由奥氏体、δ铁素体组成，且均呈柱状树枝晶生长特征，铁素体含量分别为16.1%和12.8%，其中热影响区中骨架状的铁素体二次枝晶含量明显多于焊道区的。试件的底部、中部以及顶部组织特征存在差异，且一次枝晶臂间距沿堆积高度方向增大。按照核电设计规范的要求对试件进行耐晶间腐蚀试验，未出现裂纹，耐晶间腐蚀性能满足要求。

• 核级气保焊丝ERNiCrFe-7A的研制

  霍树斌, 侯永涛, 郭枭, 陈佩寅, 徐锴, 陈波,

  ERNiCrFe-7A焊丝被广泛应用于核岛主设备的制造和安装，但目前此类焊材基本依赖进口。本文介绍研制的一种符合ERNiCrFe-7A标准的镍基合金焊丝，并对其焊接工艺性、焊缝金属的力学性能及微观组织进行了分析研究。结果表明：研制的焊丝焊接工艺性良好，焊道成型平整；焊缝金属在焊态和焊后热处理态下均具有较高的强度和良好的塑性，强度、伸长率、冲击功等力学性能均满足在核电工程上的安全应用条件；熔敷金属组织多为柱状晶，在晶界和晶内存在以碳化物为主的析出相，析出相形貌为不规则的块状，尺寸集中在1～5 μm。

• 新型复合(Cr,Mo)2(C,N)细化剂粉末的制备研究

  陈振磊, 马世卿, 王晓宇, 王鑫, 严斌, 杨治刚,

  以Cr2O3、MoO3和炭黑等为原料,采用碳热还原氮化法在流动N2气氛中合成了新型复合(Cr,Mo)2(C,N)细化剂粉末。采用TG-DSC、XRD和SEM等研究了反应温度、保温时间和Mo含量对制备(Cr,Mo)2(C,N)细化剂的影响规律。得出以下结论院随温度升高,物相演变遵从(MoO3,Cr2O3)→(Cr2O3,Mo2C,Cr3C2)→(Cr,Mo)2(C,N)的规律曰延长保温时间,(Cr,Mo)2(C,N)的结晶度不断变大,粉末粒径不断长大曰随着钼含量的增加,(Cr,Mo)2(C,N)的晶胞体积不断膨胀,粉末粒径不断减小。

• γ'形成元素Ta和Ti含量对镍基高温合金铸态组织的影响

  鹿超, 闵小华, 王伟强, 曹铁山,

  保持镍基高温合金中γ'相形成元素（Ta+Ti）总量3.12at%不变，采用光学显微镜、扫描电镜、电子探针、示差扫描量热测试和J MatPro软件对不同Ta/（Ta+Ti）合金的铸态组织进行了研究，分析了一次枝晶间距（λ1）、二次枝晶间距（λ2）、γ'相平均尺寸和体积分数及元素的偏析行为，探究了合金的固相线温度（TS）、液相线温度（TL）、γ'相固溶温度（Tγ'）及硬度的变化规律。结果表明，γ'相形貌随着Ta/（Ta+Ti）的提高由球形向立方状转变，λ1、λ2、γ'相平均尺寸及体积分数先增大后减小，枝晶间和枝晶干的γ'相尺寸差值减小。随着Ta/（Ta+Ti）的提高，W元素的偏析得到减轻，枝晶干和枝晶间的硬度及平均硬度增加。合金的凝固温度区间随着Ta/（Ta+Ti）的提高而减小，γ'相固溶温度随着Ta/（Ta+Ti）的提高而增大，使得γ'相的稳定性得到增强。

• 变形温度对弯曲矫直的ZK60板材组织及性能的影响

  王昆, 李线绒, 聂慧慧, 孔庆伟, 梁伟,

  通过弯曲矫直工艺在ZK60镁合金板材中成功预置了拉伸孪晶，研究了不同变形温度对板材组织及性能的影响。结果表明：通过弯曲矫直工艺可以提高ZK60板材的抗拉强度，降低屈服强度。随着变形温度升高，板材屈服强度明显增加，抗拉强度和断后伸长率略微增加。

• Si对蠕墨铸铁金属基体合金微观组织及导热的影响

  张笑笑, 杨忠, 史国庆, 李远, 段洪波,

  通过对已有缸盖本体进行EDS能谱分析和相图模拟，得到蠕墨铸铁的金属基体成分Fe-x Si-0.6C-0.1Mn-0.05V（x=1.2、1.5、1.8、2.1wt%）。采用真空电弧熔炼制备该基体合金，并进行930℃保温2 h随炉冷却处理。使用XRD、光学显微镜（OM）和扫描电镜（SEM）对基体合金的微观组织进行分析和表征，通过激光导热仪（TA）测量了不同温度下的热扩散系数，研究Si对蠕墨铸铁基体导热性能的影响。结果表明：蠕墨铸铁金属基体合金为珠光体和铁素体，随着Si含量升高，珠光体的含量逐渐降低，晶格畸变程度先加剧后减缓，热扩散系数和导热系数先降低后升高，比热容变化不明显。Si含量为1.8%时，基体合金的晶格畸变程度最严重，热扩散系数最低，导热系数越低。随着温度的升高，热扩散系数降低，比热容升高，导热系数增大，不同Si含量基体合金的热扩散系数差异减小。

• 大功率长时间超声熔体处理对铝硅合金组织的影响

  何卫, 马恒, 王利民, 吴昊, 柯定芳, 林玉辉, 李成栋,

  采用金相显微镜（OM）、布氏硬度计研究了大功率长时间的超声波熔体处理对过共晶Al-17Si和Al-24Si合金组织和性能的影响。结果表明，大功率长时间的超声熔体处理可使过共晶铝硅合金中的硅相细化且分布得更加均匀；当超声温度处于合金液相线温度时，超声细化效果最佳，且铝硅合金硬度得到提高。经过超声处理后的Al-17Si和Al-24Si合金，硬度达到55.2 HB和60 HB，分别提升了3.5%和8.7%。

• 连续流变挤压参数对Al-Cu-Mn合金组织和性能的影响

  索叶龙, 赵生亮, 钱运亮, 阎峰云,

  采用连续流变挤压机、光学显微镜、扫描电子显微镜、万能试验机探究了不同工艺参数对Al-Cu-Mn合金组织和性能的影响。分析了连续流变挤压杆材的断裂机制，得到了最佳的流变挤压工艺参数。结果表明：在浇注温度690℃，工作辊转速15 r/min，冷却水流量3 m3/h下进行连续流变挤压成形的直径9.5 mm杆材力学性能最好，其抗拉强度、屈服强度和伸长率分别为340 MPa、250 MPa、28%。730℃，12.5 r/min，3 m3/h连续流变挤压铸造比相同浇注温度（730℃）下的重力铸造的抗拉强度、屈服强度和伸长率分别提高了43.8%、52%、700%。连续流变挤压铸造成形的Al-Cu-Mn合金的断裂形式为延性断裂，而重力铸造的Al-Cu-Mn合金断裂形式为脆性+延性的混合断裂。

• 涡轮导向器精密铸造工艺数值模拟及优化

  周志军, 王亚宇, 黄鹏飞, 张波, 李洪伟, 谢锦丽,

  借助ProCAST软件对涡轮导向器开展工艺设计与数值模拟，深度分析充型-凝固过程的潜在问题及缺陷形成原因。在此基础上，通过调整浇注方式、冒口数量与尺寸、铸件凝固顺序等措施优化了工艺，同时进行了数值模拟。结果表明，优化工艺的充型过程较为稳定，其铸件遵循顺序凝固原则且未形成缺陷，金属利用率由12.13%提高至43.18%，并通过实际铸件对优化工艺进行验证，铸件质量满足EMS52301/2规范要求。

• 铝合金箱体挤压铸造工艺的多目标优化

  杨闯, 苏小平, 周大双, 康正阳,

  利用数值模拟对铝合金变速箱箱体挤压铸造过程进行分析，预测了原始工艺方案中箱体缩松缩孔缺陷的分布情况，通过分析其形成原因添加了合理的冷却系统。在此基础上运用正交试验对工艺参数进行了多目标优化。结果表明：优化后的箱体无缩松缩孔缺陷，二次枝晶间距减小到36.37 μm。通过金相分析，验证了箱体挤压铸造工艺的正确性。

• ECAP变形Al-10% RE中间合金对ZL102合金组织和性能的影响

  吴静, 魏坤霞, 魏伟, 杜庆柏,

  对Al-10% RE中间合金（含La、Ce稀土元素）进行1道次等通道挤压变形（ECAP），研究了变形后Al-10% RE中间合金对ZL102合金微观组织、布氏硬度和电导率的影响。结果表明，随着RE含量的增加，粗大且不均匀的α-Al变得更细小且均匀分布，共晶Si由针片状转变为细小的短棒状。经过0.6wt%的1道次ECAP变形的Al-10% RE中间合金变质后，ZL102合金中α-Al平均尺寸由未变质的78 μm细化到24 μm，共晶Si平均长度由未变质的20 μm细化到7 μm；ZL102合金的布氏硬度由61.1 HBW提高到68.5 HBW，电导率由17.28 MS/m提高到17.95 MS/m。ECAP能显著提升Al-10% RE中间合金的变质效果。

• 热变形参数对Ti80钛合金α+β两相组织演变的影响

  周晓锋, 付文, 利成宁, 程方杰,

  基于JMatPro相图计算确定了Ti80钛合金的相变点。采用热模拟压缩试验、光学显微镜和定量分析法研究了Ti80钛合金的α+β热变形行为，分析了变形温度和应变速率对显微组织的影响规律。结果表明：Ti80钛合金在α+β相区和β相区变形时变形机制存在明显的差异，随着变形温度的提高，未转变α相逐渐减少。当初始α相完全转变为β相后发生动态再结晶，而高应变速率会导致动态再结晶不完全。变形温度和应变速率对Ti80显微组织特征参数（β相晶粒尺寸、α相片层厚度及其均匀性）的影响较为显著。

• 基于加权灰色关联分析法的SPIF几何精度影响因素的研究

  王佰超, 赵鹏程, 孙立忠, 张澧桐, 杨文香, 王慧东,

  为了减小单点渐进成形（SPIF）中枕头效应参数鼓凸量的误差，对成形工艺参数进行研究。针对枕头效应现象的工艺复杂性，设计正交试验，利用有限元软件对各类工艺参数下的单点渐进成形工艺进行数值模拟。以出现枕头效应现象特定位置高度（即鼓凸量）作为评价指标，基于加权灰色关联分析法对试验数据进行分析，研究成形高度、板材厚度、成形角、层进给量、工具头直径、制件尺寸工艺参数对成形几何精度的影响，获得单点渐进成形最优工艺参数组及对评价指标影响的主次顺序。结果表明：用加权灰色关联分析法有效地减小了目标制件的枕头效应的几何误差，提高了成形精度。

• 轧制温度对Q420钢组织和性能影响的研究

  吴春平, 袁勤攀, 肖娟,

  采用Gleeble-3500热模拟实验机、金相法和室温力学性能测试等，研究了轧制温度对建筑结构用Q420钢组织和力学性能的影响。结果表明，随着轧制温度的降低，铁素体和珠光体显微组织晶粒尺寸减小，铁素体体积分数下降而珠光体体积分数增加。此外，对不同轧制温度试样进行碳复型TEM分析可知，随着轧制温度降低，试样中出现了更多更细小的析出物。最后对不同轧制温度试样进行力学性能分析，表明由于组织细化和更多细小碳化物的析出，轧制温度较低的试样具有更高的屈服强度和抗拉强度。

• 铝白铜合金热变形行为及热加工图的研究

  杨青云, 马博荣, 韩茂盛,

  利用Gleeble-3500热模拟机在变形温度750～950℃、应变速率0.01～10 s-1进行了等温热压缩实验，得到铝白铜合金的真应力-真应变曲线。在实验结果的基础上，采用应变、应变速率和变形温度耦合的改进Johnson-Cook（J-C）模型，分析了合金的流动应力行为。用模型对其进行了拟合分析，建立并验证了流动应力的本构方程。结果表明，J-C本构模型能够准确地描述加工温度和应变速率对材料流动应力的影响，在低应变速率下预测结果与实验数据吻合良好。结合热加工图和微观组织可以确定，铝白铜合金的最佳变形温度为820～920℃，应变速率为5～10 s-1。

• 坡口对3 mm厚5083铝合金板CMT对接焊缝显微组织与性能的影响研究

  苏江舟, 李建伟, 何智, 步贤政, 王志敏,

  为优化航天产品进气道结构件的CMT焊接工艺，使用优选的对接焊工艺对3 mm厚的5083铝合金板进行焊接，对比了不开坡口与开坡口情况下焊缝的尺寸、显微组织与力学性能。结果表明，使用坡口结构，可以使得焊缝更加平整，减小正面余高。在无坡口情况下，焊缝内组织呈等轴晶，局部有自底向上柱状晶的倾向；在有坡口情况下，焊缝组织呈现明显向中心生长的柱状晶。不开坡口时焊缝热影响区的粗大晶粒导致接头的力学性能降低，拉伸试验时在此处断裂。开坡口后焊缝热影响区较小，几乎不对焊缝的力学性能产生影响，拉伸试验时在基板断裂。因此，开坡口的焊缝更有利于进气道产品的后续成形加工。

• 激光熔覆红外热成像图像增强方法研究

  高瑞鹏, 郭清源, 毛威, 王怡然,

  将红外热场分布规律与直方图均衡化图像增强算法相结合提出了一种新的红外图像增强方法Heat-HE。对通过试验获得的红外图像进行随机抽样，使用Heat-HE、灰度世界算法、自动白平衡三种红外增强算法进行处理，通过平均峰值信噪比、平均结构相似度两个评价指标来判断算法处理结果的优劣。结果表明，Heat-HE算法的平均峰值信噪比和平均结构相似度优于传统的灰度世界算法、自动白平衡算法。Heat-HE算法使熔覆层红外热像图片在保留原始图像特征的基础上使缺陷轮廓更为清晰、直观，能够将熔覆层缺陷与背景噪声区分开。

• 基于后级斩波可控短路过渡GMAW电源设计

  吉霖, 刘纪周, 郭彦兵, 高东峰, 张旺,

  采用熔化极气体保护焊（GMAW），在短路过渡时，焊缝成形好，过渡频率高。但是在电弧重新引燃时，大电流产生的电弧力会引起过渡金属的飞溅，使得短路过渡飞溅量大。可控短路过渡技术在短路过渡结束与重新引弧的瞬间，通过迅速降低焊接电流能够明显减少飞溅量。本文结合短路过程燃弧和短路过程的解耦分析，设计了基于后级斩波控制的可控短路过渡GMAW电源，通过检测焊接电压来预测燃弧，在燃弧的瞬间降低焊接电流以减少飞溅。在同等试验条件下发现传统短路控制的飞溅量大，而采用后级斩波控制的飞溅量明显减少。

• 高功率激光焊接X65管线钢的接头组织与性能

  蒋爽, 江国业,

  在激光功率10 kW、焊接速度20 mm/s、离焦量+10 mm的试验条件下，对10 mm厚的X65管线钢板进行激光对接焊，研究焊接接头的显微组织、力学性能和耐腐蚀性能。对试样的基体、焊缝区与热影响区的微观组织进行观察，利用硬度仪对试件进行硬度测试，并对焊缝和母材进行了电化学腐蚀试验。结果显示：焊接接头横截面呈“酒杯状”的宏观形貌，焊缝成形连续饱满，无明显缺陷。焊缝区组织主要为板条马氏体，具有最高的硬度值，热影响区的硬度次之，基体的最小；焊缝的耐腐蚀性要低于母材的，这是由于焊缝区马氏体的位错密度大，更容易被腐蚀。

• 紫铜激光扫描焊接焊缝形貌及微观组织研究

  谢顺, 梅丽芳, 严东兵, 闫哲, 王九龙,

  采用IPG单模光纤激光器对T2紫铜进行激光扫描焊接试验，对比分析单面焊不同焊接速度、焊接次数以及双面焊等工艺参数下焊缝的表面形貌、截面形状及微观组织。结果表明：焊接速度对紫铜激光焊接的外观成形影响较大，当焊接速度为10 mm/s时，试样焊缝表面鱼鳞纹均匀细密且连续平整，驼峰、飞溅等缺陷明显减少。焊接接头的微观组织主要为焊缝区的细小等轴晶与熔合区的粗大柱状晶，随着焊接速度的增大，等轴晶区域变窄，且晶粒变细小。与单面单次焊试样相比，单面重复焊接试样焊缝熔宽、熔深均有所增大，但易出现局部热损伤，同时焊缝区晶粒变粗大；采用双面焊接时，试样焊缝表面成形质量不佳，焊缝底部熔合区域出现气孔等缺陷，接头区域晶粒粗大。

• 大模数齿轮表面缺陷Ni基合金等离子熔覆修复技术研究

  于双洋, 刘静, 余健,

  针对三峡升船机主驱动齿轮表面点蚀等缺陷，采用三种填充材料Ni20、Ni35、Ni60合金粉末进行等离子熔覆修复试验，研究了熔覆层的组织性能。结果表明：采用Ni60粉末作为填充材料，离子气流量3 L/min、氩气流量9 L/min，熔覆电流135 A、预热温度300℃时，获得的熔覆层具有最好的综合性能，熔覆层组织细密，枝晶晶粒较小，其截面硬度比基材的提高42.3%，磨损量比基材的小74%。

• TC4钛合金激光-TIG复合焊焊缝成形与组织研究

  樊浩, 惠媛媛, 崔珊, 倪昱, 李杰,

  通过对TC4钛合金进行激光-TIG（钨极氩弧焊）复合焊接，研究了不同TIG电流大小对接头表面形貌、焊缝成形、显微组织的影响。结果表明，TC4钛合金在激光-TIG复合焊接下可以形成连续完整的焊接接头。且随着电流增加，焊缝横截面由“钉子”形状逐渐转变为“漏斗”形状，平均气孔面积则先减少后增加，并在电流I=50 A时达到最小值。在激光-TIG的复合作用下，随着电流增加，熔池流动更加剧烈，焊缝的晶粒先减小然后增大。焊缝的显微组织主要是由针状α'马氏体和β相带相互交织而成的网篮组织、αgb相和魏氏组织组成。当电流I=50 A时，焊缝α'马氏体束之间的β相带宽度更宽，平均宽度为0.91 μm。

• 基于红外热成像检测技术的焊接裂纹深度定量识别研究

  宋飞, 殷晨波, 杜雪雪, 陈曦,

  针对起重机金属结构焊接裂纹缺陷定量检测的需求，研究了红外热成像检测技术在缺陷深度定量识别上的应用。先后介绍了脉冲热像法和脉冲相位法的技术原理；基于COMSOL软件建立了裂纹缺陷试件的热分析模型并进行了仿真分析，得到了不同深度缺陷处的温度响应。在此基础上对比分析了脉冲热像法和脉冲相位法的缺陷深度预测精度。结果表明，利用脉冲热像法根据温差峰值时间来预测缺陷深度，对浅层缺陷有不错的效果，而利用脉冲相位法根据盲频与缺陷深度的关系进行深度预测，则可实现更大深度缺陷的定量识别。

• 焊接顺序对电动汽车电池盒铝合金框架残余应力及焊接变形的影响

  梁军强, 蒋玲玲, 迟珉良, 赵天佑, 张勇, 李文亚,

  针对电动汽车电池盒铝合金框架结构复杂、焊缝多、焊后尺寸精度要求高的难题，提出采用4把焊枪同步进行熔化极惰性气体保护焊（MIG焊）的方法。基于数值仿真技术，对比分析了4种不同焊接顺序下框架的残余应力及焊接变形。结果表明，4种焊接策略下电池盒框架的残余应力分布规律相似，主要集中在焊缝；“M”形由外及里焊接策略的最大等效残余应力平均值最小，为147 MPa。不同焊接策略的变形分布存在较大差异。采用“W”形内外交替的焊接顺序，首先将中间横梁、短梁与边框连接在一起，增大了电池盒框架抗变形能力，然后焊接其余焊缝，框架的平衡对称状态能抵消部分变形，最大变形量0.54 mm，在4种焊接策略中变形最小。

• 3000kJ液压打桩锤整锻式锤芯淬火断裂的原因分析

  孙统辉, 张彦娟, 宋亚虎, 张鹏豪,

  运用宏观分析、微观断口分析、能谱分析、着色探伤、化学成分分析、低倍检验及金相分析，对3000 kJ液压打桩锤整锻式锤芯淬火开裂进行原因分析。结果表明，基体存在大量非金属夹杂物及严重偏析导致轴颈断裂，特大型钢锭（300t及以上）化学成分偏析是大截面实心锻件淬火失效的根本原因。

• 牵引电机铸铝结构件失效分析及结构优化

  武媛, 齐影, 谢贵生, 刘军,

  某牵引电机铸铝结构件在长寿命振动试验过程中开裂失效。通过对铸铝结构件的断口形貌分析、化学成分检测、显微组织观察、硬度检测、强度仿真分析等方法，对铸铝结构件的失效模式进行分析。结果表明：铸铝结构件的失效模式为疲劳断裂，裂纹起源于端盖油嘴的凹槽底部。断裂原因为结构件该处较薄，仅为4 mm，加之此处存在铸造缺陷，材料的连续性被打断，有效承载强度减弱；且该处为直角过渡，在使用应力作用下形成应力集中。通过增加凹槽处厚度，把凹槽直角过渡改为圆角过渡，减小了应力集中，提高了铸铝结构件的安全系数。