（机械制造及其自动化专业论文）含缺陷层状金属复合板等离子体弧柔性成形研究.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 层状金属复合板材是由两种或者两种以上性能不同的单组元金属板材通过特殊的 加工制备方法复合而成。由于层状金属复合板材具备各组分金属板材的特点，可以根据 需要制备出性能优良、价格相对低廉的板材。因此，层状金属复合板材在航空航天、造 船、化工、汽车等领域具有广阔的应用前景。 层状金属复合板材的日趋广泛应用导致板件成形技术逐渐成为研究热点。层状金属 复合板等离子体弧柔性成形技术不需要花费大量的时间和资金来制造工模具，对降低新 产品的开发成本、缩短开发周期具有积极意义。但是，在层状金属复合板制备过程中， 在基、复板结合区经常出现一些孔洞、微裂纹、结合不充分等缺陷。这些缺陷在等离子 体弧柔性成形的过程中，有可能影响金属复合板件成形质量，甚至会引起板件成形失效。 针对这一问题，在国家自然科学基金( 5 0 7 7 5 0 1 9 ) 的资助下，本文对含缺陷层状金属复 合板等离子体弧柔性成形进行了研究，主要工作如下： ( 1 ) 分析了层状金属复合板的研究现状、制备方法、复合机理，并重点对其结构 与性能特点进行了研究； ( 2 ) 利用有限元分析软件a n s y s 对含缺陷层状金属复合板等离子体弧柔性成形过 程进行了数值模拟，通过研究板件温度场、应力场、位移场的变化规律，得到了层状金 属复合板结合区缺陷对板件成形质量的影响规律，探索了结合区缺陷在柔性成形过程中 引起板件成形失效的机理，并为后续实验研究提供了参考依据； ( 3 ) 针对层状金属复合板结合区缺陷的多样性，本文对缺陷的形状、尺寸、位置 对板件成形的影响进行了研究和分析，得到了其对板件成形的影响规律； ( 4 ) 建立、完善了实验装置，进行了光弹性实验和层状金属复合板的等离子体弧 柔性弯曲成形实验，通过实验结果和理论分析结果的对比，有效验证了本文有限元理论 分析方法的可行性以及所得结论的正确性。 上述研究工作，对进一步扩大等离子体弧柔性成形技术的应用范围，发展层状金属 复合板的柔性化成形技术，提高板件成形质量，避免成形失效具有积极意义。 关键词：层状金属复合板；等离子体弧；缺陷；柔性成形 含缺陷层状金属复合板等离子体弧柔性成形研究 r e s e a r c ho np l a s m aa r cf o r m i n go fl a m i n a t e dc l a dm e t a ls h e e t s c o n t a i n i n gd e f e c t s a b s t r a c t l a m i n a t e dc l a dm e t a ls h e e t s ( l c m s ) a r ep r e p a r e db yt w oo rm o r ek i n d so fd i f f e r e n t s i n g l e - c o m p o n e n t m e t a ls h e e t s b ys p e c i a lp r o c e s s i n gm e t h o d s d u et o t h ei n t e g r a t e d c h a r a c t e r i s t i c so fe a c hm e t a ls h e e t ，l c m sh a v et h eo b v i o u sa d v a n t a g e so fg o o dc o m b i n a t i o n p r o p e r t i e sa n dl o wp r i c e ，s ot h e ya r ew i d e l yu s e di nv a r i o u sf i e l d s ，s u c ha sa e r o s p a c e ， s h i p b u i l d i n g ，c h e m i c a lv e s s e l ，a u t o m o b i l ei n d u s t r ya n ds oo n t h ei n c r e a s i n ga p p l i c a t i o no fl c m sl e a d st om o r ei n t e r e s t sf o c u s e do n f o r m i n g t e c h n o l o g y f l e x i b l ef o r m i n go fl c m su s i n gp l a s m aa r ci san e w l y d e v e l o p e dt e c h n o l o g yo f m e t a ls h e e tf o r m i n g ，w h i c hf o r m sp a r t sb yt h e r m a ls t r e s sw i t h o u tm o u l da n de x t e r n a l m e c h a n i c a lf o r c e i ti sp o s i t i v et od e c r e a s et h eh i g hc o s t ，s h o r t e nt h ep e r i o do f d e v e l o p i n ga n e w p r o d u c t h o w e v e r , d u r i n gt h ep r e p a r a t i o no fl c m s ，s o m ed e f e c t so f t e na p p e a ri nt h e b o n d i n gz o n e ，s u c ha sb l o w h o l e ，m i c r o - c r a c k ，i n a d e q u a t er e c o m b i n a t i o na n ds oo n ，w h i c h m a ya f f e c tf o r m i n gq u a l i t yo fl c m sp a r t s ，e v e nc a u s ef o r m i n gf a i l u r ed u r i n gt h ef l e x i b l e f o r m i n gp r o c e s s i nr e s p o n s et ot h i sp r o b l e m ，u n d e rt h es u p p o r to fn a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c e f o u n d a t i o no fc h i n a ( 5 0 7 7 5 019 ) ，f l e x i b l ef o r m i n go fl c m sc o n t a i n i n gd e f e c t su s i n gp l a s m a a r ch a v eb e e ns t u d i e da sf o l l o w s ( 1 ) n er e s e a r c ho nt h ep r e p a r a t i o nm e t h o d sa n dr e c o m b i n a t i o nm e c h a n i s mo fl c m s w e r es t u d i e d ，e s p e c i a l l yo nt h ec h a r a c t e r i s t i c so fs t r u c t u r ea n dm e c h a n i c a lp e r f o r m a n c e s ( 2 ) t h ep r o c e s so ff l e x i b l ef o r m i n go fl c m sc o n t a i n i n gd e f e c t su s i n gp l a s m aa r cw a s s i m u l a t e dw i t ht h eh e l po fa n s y s t h r o u g ha n a l y z i n gt h er u l e so ft e m p e r a t u r ef i e l d ，s t r e s s f i e l da n d d i s p l a c e m e n tf i e l d ，t h ei n f l u e n c er u l e so fd e f e c t so nf o r m i n gq u a l i t yo fs h e e t sw a s o b t a i n e d n l ef o r m i n gf a i l u r em e c h a n i s mo fl c m sc a u s e db yd e f e c t sw a se x p l o r e d ，w h i c h p r o v i d e sg u i d a n c ef o rt h ef o l l o w i n ge x p e r i m e n t s ( 3 ) i nr e s p o n s et ot h ed i v e r s i t yo fd e f e c t si nt h eb o n d i n gz o n eo fl c m s ，t h ei n f l u e n c eo f t h es i z e ，l o c a t i o na n ds h a p eo fd e f e c t so nf o r m i n gp r o c e s sw e r es t u d i e d ，a n dt h ei n f l u e n c e r u l e sw e r ea c q u i r e d ( 4 ) t h ee x p e r i m e n t sb yp h o t o e l a s t i cm e t h o da n dt h ef l e x i b l ef o r m i n ge x p e r i m e n t sw e r e p e r f o r m e d ，w h i c he f f e c t i v e l yp r o v e dt h a tt h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sm e t h o da d o p t e di nt h e t h e s i sw a sf e a s i b l ea n dc o r r e c t 一i i 大连理工大学硕士学位论文 a b o v e m e n t i o n e ds t u d i e sh a v eap o s i t i v es i g n i f i c a t i o nt o p r o m o t et h es c o p eo ft h e t e c h n i q u eo ff l e x i b l ef o r m i n gu s i n gp l a s m aa r c ，i m p e lf l e x i b l ef o r m i n go fl c m s ，i m p r o v et h e f o r m i n gq u a l i t yo fs h e e t sa n da v o i df o r m i n gf a i l u r e k e yw o r d s ：l a m i n a t e dc l a dm e t a ls h e e t s ；p l a s m aa r c ；d e f e c t s ；f l e x i b l e f o r m i n g - i i i 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目： 金迭堕屋达金星复佥拯笠直至签塾苤性盛型盈窒 作者签名：兰丝趋 日期：型望年堡月丝日 大连理工大学硕士学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，可以将 学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 印、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 位论文题目： 者签名： 师签名： 大连理工大学硕士学位论文 1绪论 1 1研究背景 随着国民经济的迅速发展以及各种新技术、新产业的出现，对具有各种不同性能的 工程材料的需求越来越广泛。单一的金属材料或受自然资源的局限，或因综合性能不足， 其应用领域受到极大地限制。在这种情况下，复合材料的研制、生产和应用越来越显示 其重要的地位。作为复合材料的一种层状金属复合板，如不锈钢碳钢、钛钢复合 板，是由两种或者两种以上性能不同的单组元金属板材通过特殊的加工制备方法复合而 成的。与单组元金属板相比，层状金属复合板综合了不同材料组元的性能特点【1 3 】，具 有较高的强度、耐腐蚀性和良好的导电、导热、导磁等综合性能，在航天、石油、机械、 化工、汽车、造船、建筑、电力、核能以及家用电器、日常生活用品等领域得到了广泛 地应用。因此，近几十年来，层状金属复合板的研制、生产和应用越来越引起人们的关 注，成了世界各国竞相研制的新型材料1 4 声j 。 目前，层状金属复合板件的主要成形技术是机械冲压成形，该技术是一种传统的板 件加工技术，它是将金属或其它刚性材料制成的工具安装在压力机上，对金属薄板的变 形加以控制，使其成为所需求的零件，而不产生断裂或局部过量变薄的金属压力加工技 术。冲压技术具有材料利用率高、操作简单、生产效率高、产品尺寸精度稳定、易于实 现机械化和自动化加工等优点，比较适用于大批量板壳零件的生产。传统的板件冲压成 形过程通常包括成形材料的选择、成形件坯料制各、成形工序制定、模具设计、模具制 造、成形操作、后续处理等部分【6 ，7 】。一个板壳零件经过完整的加工过程，如果没有足够 的数量作为保障，板件冲压成形的费用将相当可观，所以对于单件小批量生产而言，冲 压成形技术的应用领域有一定的局限性。由此可以看出，传统的成形技术通常需要根据 板件形状，花费大量时间和资金制造相应的工模具，特别是在大型板件成形中，这些费 用更为昂贵。因此研究板材无模具柔性成形理论与技术，对减少新产品开发成本、缩短 开发周期都具有一定积极意义，尤其在大型板件多品种小批量成形生产中具有极大的潜 在优势。 从分析金属板件无模具柔性成形技术的研究现状可以发现，利用热应力和热应变来 实现板材热柔性成形在国内外逐渐成为研究的热点，并被公认为是比较有发展前景的成 形方法1 8 , 9 1 。因此，研究层状金属复合板件无模具柔性成形理论与技术对减少新产品开发 成本，节约稀贵资源、促进金属复合板材广泛应用具有积极意义。 含缺陷层状金属复合板等离子体弧柔性成形研究 等离子体弧柔性成形技术是近年来发展起来的金属板件热成形技术。它以等离子体 弧作为可控热源，在不借助工模具和外加压力的情况下，通过合理控制弧柱的扫描轨迹 和速率，并辅以有序的冷却措施，使材料内部形成可控的温度梯度迸而产生非均匀热应 力场，当热应力超过材料相应温度下的屈服极限时，便会在材料内部产生塑性变形，使 板件成形为预期要求形状。应用者可以通过调整等离子弧加工工艺参数，选择合适的扫 描轨迹和扫描速度、借助时间、位移、力等传感器，控制成形过程，就能够获得需要的 直线弯曲件以及形状复杂的三维曲面零件【n 1 2 】。 等离子体弧柔性成形技术与传统的氧乙炔火焰成形和激光成形技术相比，其优势在 于如下几方面l iu 】： ( 1 ) 等离子体弧平均能量转化率可达8 5 ，远高于激光的转化率( 5 1 0 ) 。 ( 2 ) 等离子体弧加工设备具有较好的适应性，可在粉尘、振动等各种恶劣环境下 完成对各种厚度板材的柔性成形。 ( 4 ) 可以适当利用各种约束手段，控制等离子弧柱形态、功率密度和稳定性入手， 从而获得有效等离子体弧，提高板件成形质量。 ( 4 ) 设备成本及操作成本低，约为激光设备的5 - 1 0 。 ( 5 ) 与氧乙炔焰流相比，等离子体弧能量密度大，可控性好。 综上所述可以看出，等离子体弧柔性成形技术在一定程度上可以取代传统的水火弯 板技术，同时在大型件的弯曲成形领域，它也有着激光弯曲成形不具备的优点成本 低。因此等离子体弧柔性成形技术作为一种新兴的成形技术有着广阔的应用前景。 图1 1 层状金属复合板的制备方法及分类 f i g 1 1p r e p a r a t i o nm e t h o d sa n dc l a s s i f i c a t i o no f l c m s 大连理工大学硕士学位论文 为了满足现代生产对层状金属复合扳日益增长的需要，目前已经发展了多种复合加 工方法，主要有二二类：固一圊相复合法、液- | 鸢l 栩复合法和液- 液相复台法旧”】。圈1 1 给 出了层状金属复合板的制备方法及分类。而在实际的运用中层状金属复合板无论采用 哪种复合方法制备，其界面结构的优劣都直接关系到金属复台板的综合性能。 金属复合板在制备的过程中通常伴随着高温、高压，因此基层与复层之间的界面反 应( 如溶解、扩散、元素偏聚等) 在所难免，其后果是在结合界面处往往发生两相问反 应而形成新的金属相或产生合金元素在界面的富集现象。金属复合板结台界面是不同金 属相的交接处，多相共存的体系，并非是个理想的几何面l t 6 - , e o 比如在爆炸复合法制备 复合板的过程巾利用爆炸产生的冲击波推动复板以高速向基板运动，在排出间隙巾气 体的同时通过撞击，在接触界面上发生一薄层金属的塑性变形、熔化和原予问的扩散，从 而使金属板之间焊台。由于金属间高速碰撞，巨大的压力和剪切作用使得复合区基、复 板都有强烈的塑性变形，复合结合界面呈波浪状结合”。同样，轧制复合是利用强大的 轧制力和高温将两种表面沽狰的金属相互接触，通过其在接触面上发生金属的塑性变 形、熔化咀及原子问的高度扩散从而达到金属板的结合形成了结构复杂形状不规则 的界面组织。 罔1 2 层状金属复台板结台区常出现的缺陷 f i gi2c o m m o n d e f e c t s i n i h e b o n d i n go o 僻o f l c m s 在金相显微镜下观察金属复合板的结合区组织经常会发现一些缺陷，如气孔、缩 孔、裂纹等”7 - 1 9 如图1 2 所示。这主要是因为在制备复台板时，结合区往往会发生剧 烈的塑性变形和金属的熔化，很容易出现铸态金属中常出现的缺陷：另外由于两种复合 金届材料的物理性能的差异在制备过程中由于热收缩程度不同产生内应力，这是结合 区出现局部分层和裂纹的主要原因。上述这些缺陷在层状金属复合板材等离子体弧莱性 成形的过程中，可能会引起板件界面分层、裂纹扩展、复层起皱和剥落等失效形式。为 含缺陷层状金属复合板等离子体弧柔性成形研究 了避免上述失效现象的出现，有必要对层状金属复合板结合区缺陷对板材成形的影响规 律进行研究。 正是在这样的背景下，我们提出了对含缺陷层状金属复合板等离子体弧柔性成形的 研究。 1 2 国内外研究现状 金属复合板的研究最早是由美国于1 8 6 0 年开始的，经过一百多年的发展，生产技术 日益完善。目前国际上，在有色金属层状复合材料的研究和应用领域取得显著成功的国 家有美、日、俄、英、德等。主要材料品种是含有铜、铝、钛、镍、锆等金属组分的层 状复合板、复合管、复合棒以及过渡接头等，年产量在2 0 万吨以上。我国于2 0 世纪6 0 年代中期开始研究这种新型材料，西北有色金属研究院、宝鸡有色金属加工厂、大连造 船厂等单位开展相关工作较早。1 9 6 8 年大连造船厂陈火金等同志通过爆炸复合工艺试制 成功了国内第一块双金属复合板。3 0 多年来，在异种金属的连接和大面积层状金属复合 板的复合工艺研究和应用方面，我国科研和生产应用取得了重要进展。在爆炸复合工艺方 面，我国与世界多数国家处于同一水平，金属爆炸复合产品己实现规格化、系列化、性能 标准化，年生产能力超过1 万吨【1 4 捌l 。 为了满足现代生产对材料性能日益增长的需要，已经发展了多种复合加工方法，而 目前在国内，制备层状金属复合板主要采用轧制复合法和爆炸复合法【2 2 l 。 l 毒l ：i 妻 、，一v ，j、 陌熙釜、土l l ，、 图1 3 复合板轧制原理图 f i g 1 3 t h es c h e m a t i cd i a g r a mo fc o m p o s i t e p l a t er o l l i n g 图1 4 复合板爆炸焊接原理图 f i g 1 4t h es c h e m a t i cd i a g r a mo fe x p l o s i o nw e l d i n g p r o c e s s 大连理工大学硕士学位论文 轧制复合的基本原理如图1 3 所示，在轧机的强大压力条件下，有时伴以热作用， 使组元表面氧化皮破碎，并在整个金属截面内产生塑性变形，在破碎后露出的新鲜金属 表面处形成组元层间的原子键合和榫扣嵌合，在后续的热处理过程中结合面继续扩大， 形成稳固结合。轧制复合分为热轧和冷轧复合，热轧复合出现于2 0 世纪4 0 年代它是 将复层和基层金属事先装配在起，周边预先焊接以防止在加热过程中界面氧化。2 0 世纪5 0 年代初美国率先开展冷轧复合技术的研究并获得成功。冷轧复合是在热轧复合 的基础上发展起来的。在复合轧制之前先将金属板材的表面进行清理，通过被* l n 板材 的接触表面相对剪切变形，大于某一临界变形程度产生复合，在低温时长时间的扩散退 火处理后获得理想的复合界面结构 2 3 , 2 4 。* l n 复合是一种有效的生产层状复合板的工艺 方法，可以生产比较薄的板带复合材料。随着我国引进大型轧制设备，轧制复合法在复合 板的生产中将会得到越来越广泛的应用。 如图1 4 所示，爆炸焊接复合法是利用炸药的高速引爆和冲击作用，在十分短暂的过 程中使被焊接金属表面形成一层薄的塑性变形区，并熔化和微扩散，从而实现两金属的 焊接，是集压力焊、熔化焊和扩散焊三位一体的焊接方法。它是将炸药的化学能转换为 机械能使金属材料连接的一种有效方法。上世纪6 0 年代由于航空航天工业的发展，产 生和发展了爆炸焊接技术，3 0 多年来爆炸焊接技术以其独特的优势得到了迅速发展。对 于我国目前轧制设备比较落后的现状，爆炸复合仍然是一种可靠、经济、实用的生产较 厚层状复合板的工艺方法 2 3 , 2 4 j 。 在复合板屈曲特性以及失效研究方面，x w x u 等基于经典层合板理论对椭圆型孔 的层合板进行了研究，用混合势能方法分析了孔的尺寸、间距和数目对强度的影响i z 引。 d a w e 和g e 介绍了热载情况下的复合材料层合板剪切变形的有限元方法【2 6 j 。同时国内 外研究者也分别对考虑和不考虑材料性质随温度变化情况下无分层损伤的复合材料层 合板壳的线性和非线性热屈曲问题进行了研究【2 卜2 9 1 。大连理工大学的陈浩然教授以及南 京航空航天大学的温卫东教授多年来在复合材料层合板的热屈曲以及失效方面做了大 量的工作 3 0 - 3 2 ，这些都为本论文的研究提供了一定理论基础。 目前，利用热应力和热应变来实现板件成形在国内外逐渐成为研究热点，显示出了 良好的发展前景。利用热应力和热应变来实现板件弯衄成形的研究主要包括氧乙炔火焰 成形( 以水火弯板为代表) 、激光弯曲成形以及等离子体弧弯曲成形。 弯曲成形技术中出现较早的是水火弯曲成形技术，但在成形过程中主要凭个人经验 进行操作。在国外，日、韩等国在这方面的研究较多，并取得了一定的成果。比如东京 大学n o m o t ot 等采用简化的非线性弹性板弯曲模型代替水火弯板热弹塑性大变形来求 解厚板线状加热成形问题p 3 】；汉城国立大学j a n gcd 等人将热弹塑性分析和数值模拟 含缺陷层状金属复合板等离子体弧柔性成形研究 技术引入加热线选择和变形预测等方面p 4 1 。在国内，从8 0 年代中期开始，哈尔滨工业 大学、上海交通大学、大连理工大学等单位相继开展该方面的研究工作。目前国际上的 研究重点是建立水火弯板温度和形状的测量系统、热源控制技术、加工过程中修正方法、 变形预测与仿真等p 川。 激光弯曲成形方面，从n a m b ay 正式提出激光弯曲成形以来，许多国家投入了大 量的人力、物力和财力进行研究。日本的n a m b ay 、德国的m a r t i nr 和g e i g e rm 、美 国的s c u l l yk 等人在激光成形技术方面做了许多创造性研究工作p 6 j 。国内对激光成形 技术研究较早的单位有西北工业大学、燕山大学。近年来，北京航空航天大学、华中科 技大学、大连理工大学等单位也相继开展了该方面的研究工作1 3 洲j 。总体来看，目前的 工作逐渐从定性的模拟试验转向对成形过程的理论分析和定量描述，由直线弯曲转向三 维曲面弯曲，从碳钢、不锈钢成形研究转向难成形材料的成形研究。 2 0 0 0 年以来，美国肯塔基大学m a l eat 领导的课题组对等离子弧弯曲板材的可行 性进行了研究，显示出良好的发展前景 4 1 , 4 2 。主要进展情况概括如下：探讨正向弯曲 ( 弯曲方向朝向等离子体弧) 和反向弯曲( 弯曲方向背向等离子体弧) 的机理；利用 o 8 m m 厚不锈钢板定性研究工艺参数与弯折角度的关系；探讨材料的热物理性能对弯 折角度的影响；探讨成形热影响区的组织转变特征。 2 0 0 2 年以来，大连理工大学机械工程学院徐文骥教授带领的课题组，在国家自然基 金的资助下开展了对等离子体弧柔性成形技术的研究【4 3 - 4 - 8 。主要进展情况概括如下： 利用数值模拟与实验相结合的方法探索了等离子体弧柔性成形机理；建立了相应的实 验设备，对碳钢、不锈钢、黄铜等典型材料的等离子体弧弯曲成形规律做了探索性研究， 对直线扫描的弯曲方向、弯曲角度已能较好的控制；在薄板等离子体弧柔性成形方面， 对矩形板、环形板和扇形板成形进行了分析，并初步探讨了三维件成形的方法并取得了 一定的成果；在等离子体弧柔性成形过程中引入交变磁场，实现加工曲率较大的工件； 近期又开展了对层状金属复合板等离子体弧柔性成形技术的研究。 纵观含缺陷层状金属复合板等离子体弧柔性成形的国内外研究现状，可以清楚地看 出，目前对这方面的研究还相对较少，还处于起步阶段，研究内容主要集中在层状金属 复合板的制备、单质板等离子体弧成形以及传统的柔性弯板等方面，而对层状金属复合 板等离子体弧柔性成形规律、结合区缺陷对板件成形质量的影响以及引起板件成形失效 方面的研究较少。本文以层状金属复合板结合区缺陷对板材成形的影响规律作为研究重 点，展开本课题的研究工作。 大连理工大学硕士学位论文 1 3 本课题的研究意义 近几十年来，层状金属复合板的研制、生产和应用越来越引起人们的关注，到目前 为止，这种复合材料已经在航空航天、石油、化工、冶金、机械、汽车、轮船、建筑、 核能以及电力和电子等领域得到了应用。 层状金属复合板之所以广泛得到应用，是因为具有以下优点1 2 0 1 ： ( 1 ) 价格低廉因为基层和覆层有一定厚度的比例，因此层状金属复合板具有价 格的优越性。如不锈钢钢复合板的价格与纯不锈钢相比，价格要便宜5 4 0 0 元吨6 0 0 0 元吨。 ( 2 ) 作为稀贵金属的代替品由于复合板材的价格低廉，这样既降低了设备制造 成本，也节约了稀贵金属自然资源，如钛、镍、铌等。 ( 3 ) 改善了材料的综合性能如在弱腐蚀环境中不锈钢钢复合板料既解决了材料 的耐腐蚀性，又解决了材料的设计强度。 层状金属复合板等离子体弧柔性成形是一种无模具成形技术，由于它不需要制造相 应的工模具，因此在缩短产品开发周期、节省人力、物力方面具有一定积极意义，具有 良好的发展前景。 如前文所述，层状金属复合板结合区由于高温、高压的制备条件不可避免地发生复 杂的界面反应，因此经常会出现一些孔洞、微裂纹、夹渣等缺陷。这些缺陷有可能导致 在等离子体弧柔性成形过程中热应力分布集中，影响板件成形质量，甚至引起板件结合 界面分层、复层起皱、基体开裂等失效形式。 综上所述，鉴于层状金属复合板的广泛应用和等离子体弧柔性成形技术的特点，可 以看出本文对含缺陷层状金属复合板等离子体弧柔性成形的研究，可有助于进一步完善 等离子体弧柔性成形的基础理论，推广其应用范围，对提高层状金属复合板件等离子体 弧柔性成形质量、避免成形失效，具有积极意义。 1 4 本课题的主要工作 本文的研究目标是：在现有等离子体弧柔性成形技术的基础上，以含缺陷层状金属 复合板为对象，结合计算机模拟技术，研究成形过程中对板件温度场、应力场、位移场 的变化规律，得到层状金属复合板结合区缺陷对板件成形质量的影响规律，探索引起板 件成形失效的机理。最后建立相应的实验装置，通过实验研究对理论分析方法及结果进 行验证。 着眼于以上研究目标，将结合层状金属复合板的结构特点与等离子体弧柔性成形的 特点，着重研究以下问题： 含缺陷层状金属复合板等离子体弧柔性成形研究 ( 1 ) 研究金属单质板等离子体弧成形技术以及层状金属复合板的复合机理与结构 性能特点，为研究含缺陷层状金属复合板柔性成形过程提供理论基础和技术支持； ( 2 ) 结合层状金属复合板的结构特点，利用有限元分析软件a n s y s 建立相应的数 值分析模型，分析在成形过程中复合板结合区缺陷对板件温度场、应力场、位移场的影 响规律，研究缺陷对板件成形质量的影响情况，探索引起板件成形失效的机理： ( 3 ) 鉴于层状金属复合板结合区所含缺陷的多样性，对缺陷的形状、尺寸、位置 对板件成形的影响规律进行研究； ( 4 ) 建立、完善相应的实验装置，进行实验研究，通过实验结果与理论分析结果 的对比，对有限元理论分析方法及结论进行验证。 大连理工大学硕士学位论文 2 层状金属复合板等离子体弧柔性成形技术简介 2 1等离子体弧柔性成形基本原理 热胀冷绵是材料崮有的物理性质，当材料受到不均匀加热时，内部便会产生热应力， 导致材料产生弯曲变形。当热麻力超过材料的屈服极限时材料便会产生永久的塑性变 形甚至出现裂纹而失效。因此，在实际生产中一般尽最避免小均匀加热。但是如果不均 匀加热产生的热应力大小及方向得到有设控制，使产生的塑性变形朝若预定的方向发 展，便会成为一种有效的塑性加工方法。等离子体弧柔性成形技术正是利用等离子体弧 扫描板件表面时，在板件内部形成币均匀温度场导致内部产生热应力来实现板件成形的 一种方法。其基本思想是：以等离子体弧为热源，在不借助工模具和外力的条件下合理 控制弧柱的扫描轨迹和速率，并轴以有序的冷却措施，使材料内部形成可控的温度梯度 进而产生非均匀热应力场，当热应力超过材料相应温度下的屈服极限时，便会在材料内 部产生颦性变形，使板件成形为预期要求的形状【4 ”，网2l 为其工作原理示意图。 图2l 等离子体弧柔性成形加工示意幽 f i g2l t h es c h e m a t i c d i a g r a m o f f l c x i b l c f o r m i n gu s i n gp l a s m aa k 通过大量的实验研究发现弯曲机理与特定工艺参数下所形成的温度场形式有关， 根据板厚方向的温度场分布状况，其成形机理可归结为以下三种：温度梯度机理、屈曲 机理、礅租机理p 1 。 含缺陷层状金属复合板等离子体弧柔性成形研究 2 1 1 温度梯度机理 当弧功率较小、扫描速度较快的等离子体弧在金属板件上表面加热时，上表面瞬间 被加热至高温状态，由于板厚的缘故，热量由上表面传导到下表面需要一定时间，因此 下表面温度在较短的时间内没有明显变化，从而在板件厚度方向上形成较大的温度梯 度，导致材料在板件厚度方向上产生不同的热膨胀。 e s e 二e = ( a ) 加热过程的温度梯度( b ) 加热阶段( c ) 冷却过程 图2 2 温度梯度机理 f i g 2 2t e m p e r a t u r eg r a d i e n tm e c h a n i s m 如图2 2 所示，在加热过程中，等离子体弧的快速加热作用使金属板件的上表面s l 区首先达到塑性状态，而下表面s 2 区仍保持弹性状态( 见图2 2 ( a ) ) 。s l 区内的材料受 热膨胀，但由于s 2 区内的材料仍保持刚性，抑制了s 1 区材料的膨胀，使s l 区的部分材 料在表面堆积。由于s i 区周围低温材料抑制了s i 区材料的膨胀，在s l 区内会形成压应 力，当在此温度下压应力达到材料的屈服极限时，在s l 区内就会产生塑性变形。同时 由于s 2 区仍处于弹性状态，s l 区材料的膨胀会使工件以一个a l 的角度向背离等离子体 弧的方向弯曲，见图2 1 ( b ) 。在冷却过程中，随着s l 区域温度的降低，先前由于受热产 生压应力的s l 区收缩。当s 1 区的金属试图收缩时，会在s 1 区诱发拉伸应力使金属板件 产生一个以c t 2 角度朝向等离子体弧方向的弯曲。由于低温下的屈服应力要高于高温下的 屈服应力，在冷却过程中的拉伸应力会产生一个相对较大的收缩。作为这两个过程( 加 热和冷却) 的叠加，会形成如图2 1 ( c ) 所示的弯曲变形，弯曲角度为0 c 3 = a 2 a i 。 2 1 2 屈曲机理 图2 3 给出了屈曲机理的简单示意图，当使用较大的弧柱直径( 远比板件厚度大) 、 相对较高的弧功率或较低移动速度的等离子体弧扫描热传导率较高的金属薄板时，板件 大连理工大学硕士学位论文 单位面积内输入的热量以及加热区的面积都远比温度梯度机理所对应的大，同时由于使 用的是薄板，因此在板件厚度方向上温度梯度较小。 ( a ) 加热初始阶段( b ) 加热阶段( c ) 最终形状 图2 3 屈曲机理 f i g 2 3 b u c k l i n gm e c h a n i s m 在初始阶段，板件正面先于背面发生膨胀，使板件产生较小的反向弯曲变形，如图 2 3 ( a ) 。随着热量输入，在相对较大的加热区域内，板件因温度升高，继续发生热膨胀， 而邻近区域的冷态材料要限制其膨胀，因此，在整个加热区域内产生很大的压缩应力， 同时，由于温度升高引起材料屈服应力降低，不仅使加热区材料产生压缩塑性变形，而 且使加热区材料产生失稳，即发生屈曲，使反向弯曲变形增大，进一步加大板件背面的 压缩塑性变形区，此时板件背面材料的压缩塑性应变值远大于正面的压缩塑性应变值， 表现出较大的反向弯曲变形，如图2 3 ( b ) 。随着温度降低，板件背面横向收缩效应也较 正面显著，结果使板件正面塑性压缩应变值反而随温度降低而增大。当板件温度恢复到 室温时，板件正、背两面的塑性应变差值有所减小，但板件仍保持反向弯曲，如图2 3 ( c ) 。 2 1 3 镦粗机理 蛙废囊性窟囊座丧爱 ( a ) 加热初始阶段 ( b ) 加热阶段( c ) 最终形状 图2 4 镦粗机理 f i g 2 4u p s e t t i n gm e c h a n i s m 如图2 4 所示，镦粗机理的过程与屈曲机制相似，只是等离子体弧柱的半径和板件 厚度之间的相对大小比屈曲机制要小。由于等离子体弧扫描速度较慢，温度梯度机理的 含缺陷层状金属复合板等离子体弧柔性成形研究 作用在加热区的厚度方向非常小，板件在等离子体弧周围的温度梯度主要表现在板件平 面方向上，如图2 4 ( a ) 。随着加热的进行，加热区材料很快达到屈服极限，由于受板件 加热区周围材料的限制，加热区内部形成了高压力，在厚度方向上几乎同时发生了塑性 变形，致使材料产生堆积，如图2 4 ( b ) 。冷却过程中，这种堆积不能完全复原，从而产 生厚度方向上的正应变，即在厚度方向上发生了镦粗，如图2 4 ( c ) 。 事实上，在实际的金属板件等离子体弧柔性成形过程中，其成形机理非常复杂，往 往是几种机理复合作用的结果。 2 2 层状金属复合板的结构与性能 2 2 1 层状金属复合板的复合机理及结构特点 近几十年来，层状金属复合板的研制、生产和应用越来越受到人们的关注，成了世 界各国竞相研制的新型材料。其常用的制备方法主要有以下几种 2 2 1 ： ( 1 ) 爆炸焊接复合法金属爆炸焊接是借助炸药爆炸产生的高强化学能驱动复板 高速碰撞基板，碰撞点产生的瞬间高压不仅破坏了金属板表层的氧化薄膜，露出了新鲜 的表面，而且在露出新鲜金属表面上形成了一薄层具有塑性变形、熔化、扩散以及波形 特征的焊接过渡区，从而实现强固结合的一种金属焊接的新工艺和新技术。 ( 2 ) 轧制复合法轧制复合法的基本原理是指金属板在受到轧机施加于其上强大 压力的作用下，在两层金属的待复合表面发生塑性变形，使表面金属层破裂。随后，洁 净而活化的金属层从破裂的金属表面露出，在强大压力作用下，形成平面状的冶金结合。 ( 3 ) 爆炸+ 轧制复合法爆炸焊接复合法可以生产不同金属组合的层状复合板，而 且通过调整爆炸工艺参数复合板面积可以达到十几到几十平方米。人们综合这两种生产 方法的优缺点后，采用先通过爆炸复合法制备较厚的复合板坯，再根据不同的要求，通过 热轧或冷轧或热轧+ 冷轧的工艺轧制成所需的复合板。 复合材料的界面是指两相之间化学成分有显著变化的、构成彼此结合的、能起载荷 传递作用的微小区域。界面将两个不同的材料层紧密地结合成一个整体，并可传递机械 力或功。两个面的结合力可以是化学键力、范德华力、静电吸引力、机械互锁力或是以 上几种力协同作用的结果。界面结合的状态和强度无疑对复合材料的性能有重要影响。 关于层状金属复合板界面复合机理，有关学者进行了很多研究，形成了许多理论，各种 理论均有其特点与局限性。目前可归纳为以下几种1 4 8 】： ( 1 ) 再结晶复合理论该理论认为，双金属在高温加压条件下形成结合的主要过 程是接触区的再结晶过程。即是说，金属的变形和变形引起的冷作硬化，在高温的作用 大连理工大学硕士学位论文 下，会使双金属接触面边缘的晶格原子重新排列，形成同属于两组元金属的共同晶粒， 这就使相互接触的两组元金属结合成一体。 ( 2 ) 化学键复合理论这种理论认为当两种物质接触时，在界面处引起化学反应， 形成共价键或者金属键结合，从而形成复合界面，产生良好的界面结合强度。化学键的 存在使结合强度大为增加。 ( 3 ) 薄膜复合理论该理论认为双金属材料的复合性能并不取决于材料本身的性 能，而是由金属材料的表面状态决定的。只要除净双金属表面上的油膜和氧化膜，在协 调一致的塑性变形下，双金属接近到原子间力的作用范围内，就可以形成双金属的结合。 ( 4 ) 扩散复合理论此理论认为当基层、复层在一定复合条件下紧密接触时，会 产生相互扩散现象导致界面的消失和过渡区的产生，使界面形成了牢固的粘合结构。 ( 5 ) 位错复合理论该理论认为，当两种相互接触的金属产生协调一致的塑性变 形时，位错迁移到金属的接触表面，并使表面的氧化膜破裂，形成了高度只有一个原子 间距的小台阶。这一方面可以看成是塑性变形阻力的减小；另一方面可以认为是增加了 双金属接触表面的不平度，使接触表面产生比内部金属大得多的塑性变形。 ( 6 ) 能量复合理论该理论运用了原子激活的观点，认为只有获得足够能量而被 激活的原子之间接触到一定距离后才可能形成金属键而实现金属之间的结合。 ( 7 ) 双金属复合过程的三阶段理论该理论认为，任何在高温加压条件下进行的 双金属复合过程都包含如下三个阶段： 第一阶段是双金属间物理接触的形成阶段，也就是双金属中的原子依靠塑性变形， 在整个接触面上相互接近到能够引起物理作用的距离或足以产生弱化学作用的距离。 第二阶段是化学相互作用阶段。双金属接触表面激活并形成化学键，实现双金属间 的结合。 第三阶段是扩散阶段。双金属在完成物理接触实现初步结合后，各组元金属中的原 子通过结合面相互扩散，以增进结合强度。此阶段要根据扩散区及新相的性质控制扩散 过程。 由上可以看出，层状金属复合板的界面复合机理十分复杂，与单质金属板相比，除 了在厚度方向表现为材料性能的不连续外，它还具有一个结构复杂的结合区。由于制备 层状金属复合板常常伴随着高温、高压的条件，因此基层与复层金属板之间不可避免地 会发生界面反应，比如金属塑性变形、熔化、扩散等等，这将使在结合区形成新的金属 相或者产生合金元素在界面的富集。同时剧烈的塑性变形和熔化也会导致在层状金属复 合板的结合区可能存在一些缺陷，如孔洞、裂纹、夹渣、结合不充分等。 含缺陷层状金属复合板等离子体弧柔性成形研究 2 2 2 层状金属复合板的力学性能 层状金属复合板在实际应用中，不仅对复合板的复合率有很高的要求，而且对复合 板界面的结合强度、抗拉强度、屈服强度、延伸率、内外弯曲试验等性能也有较高的要 求。其中结合强度、抗拉强度是衡量层状金属复合板力学性能的两个重要指标，也为避 免金属复合板成形失效分析提供依据。 ( 1 ) 结合强度 结合强度是指金属复合板界面承受剪切力和剥离力的能力。结合强度的大小表 示金属复合板的复层和基层结合的牢固程度。而结合越牢固，金属复合板的工艺性 能越优异。因此结合强度是金属复合板最重要的技术指标。 金属复合板界面结合强度，可采用下面公式确定【4 9 】 盯= f l o t l + 五盯，2 ( 2 1 ) 其中，仃为结合强度，石、以分别是不锈钢及q 2 3 5 钢的厚度权值，仃n 、盯心分别 是不锈钢及碳钢的塑性硬化变形抗力。 ( 2 ) 抗拉强度 层状金属复合板的复层是按抗腐蚀、耐热、耐磨或具有其他特殊用途选取的，它多 半是稀缺或贵重材料，而基层材料多半是结构钢或其它结构材料，因此为了节约成本， 一般情况下金属复合板的基层要比复层厚，所以层状金属复合板的整体抗拉强度主要取 决于基层材料的性能。在实际应用中，我们也较多以抗拉强度作为最基本