热加工工艺杂志

热加工工艺杂志2024年第1期

• 热作模具钢磨损性能的研究现状

  黎芩, 卜恒勇, 李萌蘖, 韩久彦,

  磨损是热作模具的主要失效形式之一，了解材料磨损机理和开发改善材料磨损性能的方法对提高模具寿命具有重要意义。本文对热作模具钢磨损性能的研究现状进行了阐述，对影响磨损性能的因素和改善磨损性能的方法进行了探讨和总结，并对热作模具钢磨损性能的研究趋势进行了展望。

• 9%Ni钢焊接技术及其焊接材料的研究现状

  陈凯力, 肖明颖,

  9%Ni钢是液化天然气（LNG）存储容器制造的主流材料，其焊接材料的选用及焊接技术是LNG存储容器的制造难点和关键点，备受关注。本文综述了不同国家9% Ni钢及其焊接材料的化学成分、力学性能等规范要求，详细分析了9% Ni钢的焊接性、焊材材料和焊接方法选用原则及焊接控制要点，并讨论了9% Ni钢焊接材料和焊接技术的发展前景。

• 大熔覆速率TIG焊研究现状与展望

  刘自刚, 张建峰, 钱雪娇, 叶佳城, 孙仲侃,

  TIG焊具有焊接电弧稳定，焊缝成形美观，焊接过程无飞溅等优点，但也存在熔覆速率低的缺点。本文总结了热丝TIG焊、TOP-TIG焊、TIP-TIG焊、双钨极TIG焊、窄间隙TIG焊等几种提高TIG焊熔覆速率的高效TIG焊接方法，归纳了这几种大熔覆速率TIG焊接方法存在的问题，并展望了未来的发展方向。

• 间接电弧焊技术的热量传输机制及研究现状

  姜佳佳,

  传统电弧焊技术焊接效率的提升伴随着焊接热输入的增加，不利于焊接质量的提升。间接电弧焊技术通过母材不接电极，实现了焊接效率与热输入解耦的效果，具有降低母材热输入的同时提高焊接效率的独特优势。本文对间接电弧焊与传统电弧焊的热量传输机制差异进行分析，并综述了现阶段间接电弧焊技术的研究现状。藉此指出，未来主要研究朝以下三个方向发展：一是研究多热源复合工艺；二是结合有限元建模技术研究熔滴行为特性及熔池热-力机制，促进空间多位置焊接适用性；三是研究异种焊丝的共同熔敷机理。

• 能量密度对高氮不锈钢选区激光熔化成形质量的影响

  崔小杰, 王亚超, 任建彪, 孙鑫, 赵定国, 王书桓,

  固定扫描层厚0.02 mm，扫描间隔0.11 mm，采用不同激光功率（100～300 W）、扫描速度(200～1000 mm/s)进行了高氮不锈钢的选区激光熔化成形试验，研究了能量密度对选区激光熔化成形质量的影响。结果表明，在低扫描速度（200 mm/s）下，试样的相对致密度与激光功率成反比；在高激光功率（300 W）下，相对致密度与扫描速度成正比；在45.45～681.82 J/mm3区间，随激光能量密度的增加相对致密度呈先上升后下降的趋势，在136.36～443.18 J/mm3区间，随激光能量密度的增加显微硬度减小，当能量密度为136.36 J/mm3时，试样相对致密度最佳，为98.85%，显微硬度最高，为409 HV0.3。各工艺参数下的试样内部未出现大尺寸裂纹缺陷，内部缺陷主要是未熔粉体、微气孔及球化颗粒；在200 W激光功率下，试样内部缺陷数量及种类随着扫描速度的降低而增大；在1000 mm/s扫描速度下，试样内部缺陷数量及种类随激光功率增大而减小。

• 激光-MIG复合角焊缝成形工艺研究

  郎志勇, 高延峰, 刘书健, 张华,

  目前，复合焊接技术研究多关注于薄板拼接焊，角焊缝焊接仍采用单热源，焊缝成形效果差。针对8 mm厚的Q235低碳钢板角焊缝，研究了激光-MIG复合焊接时，各工艺参数对角焊缝成形尺寸及熔池状态的影响。结果表明：MIG弧焊熔池飞溅较大，焊缝熔深、熔宽均较小，加入激光热源后，激光对电弧有一定的稳定作用，熔深、熔宽均增大，余高减小。弧焊熔池尺寸随电流增大而增大，当激光熔池与弧焊熔池耦合较好时，有利于稳定熔池、减少飞溅；随热源间距增大，熔滴不再滴入激光作用区，耦合作用下降；随焊接速度提升，热源在单位长度焊缝作用时间变短，熔深、熔宽下降。当激光功率为1.5 kW，焊接电流为220 A，热源间距为2 mm，焊接速度为600 mm/min时，弧焊熔池与激光熔池耦合好，熔池最为稳定，焊缝成形最佳。

• 430/304不锈钢搅拌摩擦焊搭接接头的组织和力学性能

  郭国林, 张伟, 熊龙婷, 周晟, 陈烘明, 魏佳丽,

  采用搅拌摩擦焊技术，以1200 r/min的搅拌转速对1 mm厚的430和304不锈钢板进行焊接，研究焊接速度对搭接接头组织和力学性能的影响。结果表明：随着焊接速度增加，接头界面两侧Hook钩尺寸减小，过渡层厚度减小，界面由锯齿状逐步转变为平直状。所有试样均断裂于焊缝附近的430不锈钢母材上，焊接速度为50 mm/min焊接接头的剪切强度最大，搭接接头界面区的冶金反应起主导作用，机械连接起促进作用。

• 底部辅热镁合金搅拌摩擦焊接头的组织及性能研究

  臧千昊, 周金楠, 朱涵文, 甘元元, 芦笙,

  针对镁合金搅拌摩擦焊接头底部成形不良的问题，对4 mm厚AZ31B镁合金板进行底部辅热搅拌摩擦焊，研究了底部辅热对镁合金接头底部区域温度及组织性能的影响。结果表明：施加底部辅热后，焊缝底部散热减少，峰值温度得到提升。同时，底部辅热可以软化金属，提高材料的流动性，焊缝底部的孔洞缺陷消失，底部组织得到细化，接头的抗拉强度和伸长率得到提升。

• 搅拌摩擦修复铸造镁合金缺陷及力学性能分析

  戴启雷, 金雷, 方舟, 孟开仁,

  采用搅拌摩擦加工（FSP）对铸造镁合金AZ91D内部缺陷进行了修复，采用光学显微镜（OM）、扫描电镜（SEM）及拉伸试验对修复前后的铸造镁合金组织和力学性能进行了分析。结果表明：采用优化的FSP参数可以完全消除铸造镁合金中的气孔。修复区域的显微组织和力学性能与修复前明显不同。修复区显微组织由5～15 μm的等轴晶粒组成。搅拌区的显微硬度比铸态金属的提高了10%～15%。与铸造母材相比，FSP样品的拉伸强度高出80%，伸长率比基材增加约1.8倍。

• 铝合金与镀铜钢CMT熔钎焊技术研究

  单琪, 张超, 谢鹏, 何兵,

  采用AlSi12药芯焊丝作为填充材料，对2 mm厚的6082铝合金与Q235B镀铜钢进行对接冷金属过渡（CMT）熔钎焊接试验，研究不同焊接速度和镀铜层厚度对接头焊缝成型、界面组织和力学性能的影响，探讨Cu元素对金属间化合物层（IMC）生长的影响。结果表明：当焊接速度为350 mm/min时，铝在钢板正反面均有良好的润湿铺展，焊缝成型美观；IMC层厚度过大或过小均会对接头性能产生不利影响，当镀铜层厚度为10 μm时，IMC层厚度为2.38 μm，接头抗拉强度达到峰值138.7 MPa，相较于未镀铜接头的提高了31.9%，接头断裂于铝侧热影响区。镀铜层可以抑制界面层中θ-Fe（Al，Si）3相的生成，阻碍Al、Fe反应，降低IMC层厚度。适当的镀铜层厚度可以有效改善接头的力学性能。镀铜层厚度过大促使Al2Cu相产生，成为接头的薄弱区域。

• Ti6321合金激光-MIG复合焊接接头组织和力学性能分析

  穆壮壮, 高福洋, 余巍, 雷小伟,

  对6 mm厚的Ti6321钛合金板开展激光-MIG复合焊接试验，对焊接接头的微观组织和力学性能进行了测试分析。结果表明，焊缝区金相组织主要为粗大的β柱状晶和细小的针状α'相形成的网篮组织；热影响区金相组织分布不均匀，近焊缝区组织主要由针状马氏体α'相和等轴α相组成，而近母材区组织主要由等轴α相、针状马氏体α'相和少量残余β相组成。拉伸断裂发生在远离焊缝的母材处，抗拉强度均值为935 MPa。焊缝和热影响区的硬度明显高于母材，最高硬度值出现在熔合线附近。

• 6061铝合金/DP600钢CMT熔钎焊接头的组织及力学性能

  耿占一, 霍佳磊, 胡连海, 桑德利, 陶国栋, 马波,

  铝合金/钢异种金属连接结构有着广阔的应用前景。采用ER4043焊丝对6061铝合金与DP600钢异种金属进行CMT焊和脉冲电弧焊，并用高速摄影仪研究了焊接过程，分析了焊接模式和工艺参数对搭接接头的组织、界面层及力学性能的影响。试验结果表明，与脉冲电弧焊相比，CMT焊接能在低热输入下实现铝合金与钢的熔钎焊，有效控制金属间化合物的生成，焊接过程稳定，焊缝成型连续美观，焊接效率更高。随着CMT焊和脉冲电弧焊热输入的增加，界面层厚度均逐渐增加，当CMT焊的电流为65 A，热输入为1.97 kJ/cm时，钢侧界面层的厚度约为3 μm，搭接接头强度最高。

• Q460NH耐候钢药芯焊丝焊接接头力学性能与组织研究

  任军, 陈晨, 郑乔, 伍光凤,

  Q460NH是低合金高强度耐候钢，采用自制的CHT81W2药芯焊丝进行焊接，得到组织合理、力学性能良好的焊接接头。焊缝金相组织主要为先共析铁素体、板条铁素体、针状铁素体以及粒状贝氏体；热影响区组织主要有板条贝氏体和粒状贝氏体；焊缝、热影响区、母材的显微硬度呈梯度分布，并且依次下降。焊接接头各区的低温冲击韧性均达到标准规定的要求，具有良好的冲击性能；母材的断裂方式以延性断裂为主，断口微观形貌主要是韧窝；焊缝及热影响区的断口微观形貌为韧窝+准解理形貌。

• 基于弧压反馈的叶片微束等离子焊接修复弧长跟踪控制

  母嘉恒, 戴士杰, 李世博, 肖洋,

  在损伤航空发动机涡轮叶片微束等离子增材修复过程中，多层堆焊后熔覆层面不平整导致凸起形貌产生，使得待修复表面与熔覆层上表面一致性差。提出一种基于弧压反馈的弧长跟踪控制方法，提高弧长稳定性，以解决上述问题。利用电弧电压信号间接表征电弧弧长，并提出变分模态分解与中位值平均滤波融合算法以去除噪声信号。在此基础上，设计一种变论域模糊PID与PID并联的控制器，调节焊枪的高度以实现弧压稳定，并进行仿真优化。最后搭建弧压采集与弧长控制平台，进行弧压信号去噪实验和表面凸起试片焊接实验。结果表明，此方法能显著提高弧长稳定性，且凸起表面与熔覆层上表面一致性好。

• 小口径G115新型马氏体耐热钢管接头组织性能分析

  章亚林, 王立玉, 王学, 张鹏, 黄桥生,

  采用自主开发的焊材，对我国研制的G115新型马氏体耐热钢进行了小口径管焊接工艺试验，分析了接头的显微组织，测试了接头的力学性能。结果表明，G115小口径管的焊接工艺性良好，在常规GTAW工艺下焊接可以得到无缺陷的焊接接头，接头的常温拉伸和弯曲性能均满足相关要求。焊缝在焊态下的韧性很低，经过760℃×1.5 h的焊后热处理后，其冲击吸收能量由6 J提高到80 J以上。焊后热处理后，启裂区的断裂机制由解理转变为韧窝，明显提高了裂纹萌生需要的能量。G115焊接接头仍然存在细晶热影响区（FGHAZ）和软化带，软化带出现在靠近母材的临界正火区。

• 激光点焊等离子体光信号同轴监测及其特性分析

  才宇航, 高延峰, 刘书健, 包俊阳,

  激光焊接时产生的等离子体包含了许多可以反映焊接质量的相关信息。通过光电传感器采集等离子体的光信号可以有效监控激光焊接质量。本文搭建了激光点焊等离子体光信号的同轴监测系统，并对激光点焊过程中采集的光信号进行了短时能量分析。试验结果表明，在焊接起始阶段，工件表面对激光有较强的反射作用。当母材形成熔池以后，等离子体浓度逐渐增加，焊接过程趋于稳定，此时等离子体的光信号强度达到最大。随着焊接时间的增加，熔池发生塌陷，等离子体的稳定性变差，光信号的强度变弱且波动变大。工件被焊穿的瞬间，等离子体光信号强度明显减小。

• 基于ABAQUS的EH36海工钢气电立焊数值模拟研究

  江坤, 刘芳芳, 蒋健博, 厉文墨,

  为研究EH36海工钢气电立焊过程，以有限元软件ABAQUS为平台，建立了用于计算气电立焊焊接温度场和应力场的有限元模型。采用椭球体热源与高斯面热源的组合热源模型并通过DFLUX子程序实现，通过生死单元技术来控制焊缝的填充加载，通过实测得到EH36钢的热物理性能参数，模拟了气电立焊焊接过程。进行了焊接试验，并通过热电偶测得了焊板典型位置的热循环曲线。结果表明：焊后横向残余应力在立板的中间区域为拉应力，在其余区域为压应力。纵向残余应力在焊缝及其附近区域表现为较大的拉应力，而远离焊缝拉应力迅速衰减并过渡为压应力；计算得到的热循环曲线和焊缝形状与实际基本一致，表明了本文建立的气电立焊焊接模型的准确性。

• 两阶段轧制变形与时效下超细铁素体/马氏体双相钢的微观组织演变

  邢磊, 王成猛, 高雪云, 马才女, 翟亭亭, 王海燕,

  对含铜低合金高强钢进行了两阶段轧制变形及时效处理，形成了超细晶铁素体/马氏体双相组织。利用扫描电子显微镜与电子背散射衍射技术分析了不同工艺下双相钢的微观组织演变规律，结合力学性能测试讨论了细晶强化与纳米相析出的协同强化增韧机理。结果表明，经过上述变形和时效处理，得到具有良好的强塑性结合的超细晶铁素体/马氏体双相钢，其晶粒平均尺寸为1.23 μm。随着时效时间延长，细小的第二相弥散析出并均匀分布，使得实验钢的屈服强度提高。

• 大规格薄壁镁合金无缝管二辊斜轧穿孔的数值模拟

  胡建华, 靳帅帅, 丁小凤, 赵春江, 梁建国, 张国庆,

  目前，采用三辊斜轧穿孔的大规格薄壁镁合金管容易出现尾三角。因此，本文提出采用二辊锥辊穿制坯料直径为110 mm的大规格AZ31镁合金薄壁无缝管的方法。分析了二辊和三辊斜轧穿孔的原理，根据镁合金材料的特点，制定了相应的变形工艺参数，并采用Deform-3D有限元软件对整个过程进行了数值模拟。分析了等效应变、轧制速度、等效应力等结果。模拟结果表明，管形均匀，尾部截面圆整。

• Al-5Nb-B细化剂对Al-12Si合金组织与性能的影响

  张向东, 郭永春, 夏峰, 李建平,

  采用氟盐法制备了Al-5Nb-B晶粒细化剂，将所制备的细化剂按不同含量（0.0wt%、1.5wt%、3.0wt%、4.5wt%）分别添加到Al-12Si合金中。采用光学显微镜、扫描电镜对添加不同含量晶粒细化剂的Al-12Si合金的显微组织进行观察，并在电子万能试验机（D2-02001）上进行室温力学性能测试。研究了Al-5Nb-B晶粒细化剂对近共晶Al-12Si合金显微组织与拉伸性能的影响。结果表明：氟盐法制备的Al-5Nb-B晶粒细化剂主要包含平均尺寸为20 μm的Al3Nb颗粒和5 μm的NbB2颗粒。随着Al-5Nb-B晶粒细化剂含量的增大，Al-12Si合金中α-Al晶粒尺寸由未添加的1864 μm减小到396 μm，铸态合金的抗拉强度由128 MPa增大到145 MPa，且断后伸长率由6.9%提高到9.8%。氟盐法制备的Al-5Nb-B晶粒细化剂提高了NbB2在Al-12Si合金熔体中的形核数，有效细化了α-Al基体，提高了合金力学性能。

• 热加工过程中M50轴承钢一次碳化物的形成与演化

  侯志远, 刘威峰, 徐斌, 孙明月, 时婧,

  针对M50轴承套圈生产过程中的真空感应熔炼、真空自耗重熔、锻造、轧制、辗环五个环节，利用OM、SEM、EDS及X射线三维成像技术分析了一次碳化物在整个生产流程中的演化。结果表明：真空感应熔炼后粗大的一次碳化物M2C和MC沿晶间呈网状析出，真空自耗重熔可减少一次碳化物的析出，自耗锭边缘处析出的一次碳化物尺寸较小，体积分数最少，为2.614%。锻造过程中网状一次碳化物被部分破碎，轧制和辗环可进一步破碎一次碳化物并使其沿加工流线分布，但并不能完全改变一次碳化物分布不均匀的情况。热变形在破碎细化碳化物的同时也会在一次碳化物内部及周围形成孔洞。

• 冷轧变形程度对316L不锈钢硬度和强度比例关系的影响

  顾彩云, 唐金丽, 李建生, 王晓震, 徐组缘, 毛庆忠, 赵禹,

  采用两辊轧机对粗晶态316L不锈钢进行不同变形程度的轧制，研究不同冷变形程度对316L不锈钢硬度-屈服强度比例关系的影响。结果显示：随着冷轧变形程度的增加，材料中出现大量的位错、变形孪晶等形变缺陷，同时，马氏体相含量也增加。随着变形程度的增加，硬度与屈服强度的比值逐渐趋向于3，这主要是由于冷变形极大地削弱了316L不锈钢原有的加工硬化能力。

• 悬浮熔炼下电源参数和冷坩埚结构对铝钪合金熔体的影响

  李泽宇, 刘国怀, 王晔, 王昭东,

  为了研究高钪含量铝钪合金悬浮熔炼过程工艺参数对熔体磁场、温度和流动的影响，实现均质组织制备，通过COMSOL Multiphysics软件对悬浮熔炼过程进行了模拟，研究了不同电源参数和冷坩埚结构对熔体熔炼的影响。结果表明：磁感线透过开缝进入坩埚内部，坩埚底部磁场强度远大于坩埚中部的。增大电流强度和增多坩埚分瓣数都会使坩埚内部的磁场变强，而增加电流频率则会使内部磁场变弱，加热效率降低。增大电流会增大熔体各个位置的温度和流速，增加频率会使悬浮力增强、温度升高、流速减小，且沿逆时针搅拌的流速减小的幅度更大。根据模拟结果获得的熔炼工艺方案为：采用24分瓣坩埚，电流400 A，频率10 kHz，在此工艺下制备出成分均匀的Al-23% Sc合金。

• 基于增材制造叶轮的熔模铸造工艺研究

  张跃, 蒋勇, 张乐莹, 马常亮, 李想,

  使用FDM 3D打印增材技术和数值模拟软件对叶轮熔模铸造过程进行了研究。设计了底注式、顶注式和侧注式浇注系统，利用AnyCasting软件对各个浇注方案进行数值模拟分析，得到最佳浇注方案。采用增材制造技术和熔模铸造工艺制备出了合格铸件。结果表明，AnyCasting软件可以准确预测熔模铸造的缺陷，熔模铸造工艺可以很好地结合增材制造技术，并且能获得优良铸件。该研究解决了由于叶轮模具制造工艺繁琐所带来的铸造缺陷问题。

• 涡喷压气机叶片精密铸造工艺探究

  邢小颖, 汤彬, 彭世广, 马运, 姚启明, 王龙兵, 徐江波,

  叶片精密铸造是熔模精密铸造技术在叶片制造中的应用。本文对涡喷压气机叶片精密铸造工艺进行研究，利用SolidWorks软件建立三维模型，对压气机叶片进行充型凝固数值模拟，并总结出一套合适的铸造工艺。

• 一种304不锈钢圆球阀的熔模铸造工艺优化

  丁华锋, 金先志, 陈涛, 胡泽奇,

  在304不锈钢圆球阀传统的熔模铸造生产过程中，采用经验确定的工艺参数往往无法完全消除缺陷，在阀体与法兰转角处存在一些缩孔，严重影响产品质量。利用ProCAST软件对不锈钢圆球阀铸件的成形进行了仿真和缺陷分析，发现传统工艺方法在阀体与法兰转角处存在较多大而集中的缩松。重新设计浇注系统结构、调整工艺参数，设计了正交试验方案。结果显示，在浇注温度1550℃、浇注速度1.0 kg/s、型壳预热温度1150℃工艺参数下，阀体与法兰转角处的缩孔消失。

• 镀锌家电板DX51D+Z冲压橘皮的原因分析及工艺优化

  曹晓恩, 韩雄超, 宋志超, 张秀宏, 马国良,

  针对DX51D+Z低碳铝镇静钢镀锌家电板冲压橘皮问题，分别从化学成分、热轧工艺、冷轧镀锌工艺等进行对比分析。结果表明，镀锌板冲压橘皮缺陷受时效的影响，均与固溶碳原子的存在相关；热轧卷取温度、镀锌均热温度及光整延伸率对固溶碳原子引起的时效具有重要影响，降低固溶C和N含量、保证热轧卷取温度、镀锌均热温度精准控制及光整延伸率稳定控制可有效改善橘皮缺陷。

• 工艺参数对铸态7075铝合金管旋压成形强度的影响

  陶茂志, 赵刚要, 张冉阳, 郭正华, 余贤文, 魏清华,

  工艺参数对铸态7075铝合金管旋压成形强度的影响至关重要。本文以抗拉强度与屈服强度作为成形质量指标，系统地分析了压下量、预热温度、进给比和摩擦条件等工艺参数对铸筒旋压件强度的影响。结果表明：随着压下量的增加，管的抗拉强度与屈服强度增加；随着预热温度的上升或者进给比的增加，管的抗拉强度与屈服强度先增加后减少；随着摩擦系数的增加，管的抗拉强度与屈服强度先增加后减少，但变化不明显。

• 带凸台无底缸体零件的多向模锻工艺研究

  葛苏, 任杰, 张家伟,

  为了保证气缸、液压缸在服役过程中的可靠性和稳定性，其毛坯必须采用锻件。针对带凸台无底缸体零件内部中空、外侧带有凸起的结构特点，制定其锻件图。通过对比坯料填充模腔的成形过程、锻造载荷、锻件应变分布、锻件温度分布、模具温度分布，对4种多向模锻方案进行了有限元模拟研究，得出了最佳多向模锻操作方案。按照此方案设计模具和试验，成形出尺寸合格的缸体锻件。

• 单分散Al-4.5wt%Cu合金粒子的制备与凝固过程模拟

  董伟, 慈恒坚, 王旭东, 许富民, 王晓明, 赵阳,

  使用脉冲微孔喷射法制备了粒径可控的单分散Al-4.5wt%Cu液滴，对液滴凝固成的粒子进行分析表征。结果表明：该粒子具有粒径均一、高球形度、热履历一致的优点。随着粒径的增长，粒子的内部微观结构由胞状晶变为树枝晶。建立了粒子凝固过程的传热数值计算模型，分析了粒子下落中温度、温度梯度变化及冷却速率与粒子微观组织形貌的关系。在本实验条件下，310.0 μm粒子内部凝固组织为胞状晶，冷却速率为771.71 K/s；485.1 μm粒子内部凝固组织为树枝晶，冷却速率为382.40 K/s。