本發(fā)明屬于鍛造技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種將多個相同材質(zhì)的金屬板坯單元體通過表面凈化處理，真空焊接，鍛造過程中高溫保壓，來消除板坯單元體間的空洞型缺陷的多單元同質(zhì)金屬疊鍛生產(chǎn)主軸鍛件的方法。

背景技術(shù)：

大型鑄鍛件行業(yè)是一個非常特殊的行業(yè)，其發(fā)展水平是衡量一個國家綜合國力的標(biāo)志之一。大型鑄鍛件產(chǎn)品是電力、冶金、石化、造船、鐵路、礦山、航空航天、軍工和工程等裝備的基礎(chǔ)部件，是重大裝備制造業(yè)的基礎(chǔ)，關(guān)系到國家安全和國民經(jīng)濟(jì)命脈。

由于大型鍛件的原始鋼錠一般是澆鑄而成，而鋼鐵的冶金質(zhì)量和凝固特性不可避免地會給鋼錠帶來許多原始缺陷，常見的缺陷有：偏析、夾雜、氣體、氣泡、縮孔、疏松、裂紋和濺疤。這些缺陷的形成與冶煉，澆鑄和冷卻等過程緊密相關(guān)，而且鋼錠愈大，缺陷愈嚴(yán)重，這些缺陷也往往是造成大型鍛件報廢的主要原因，大幅度降低了鋼錠的成坯率；并且鋼錠內(nèi)部的缺陷是不可視的，這些缺陷也很難通過冶煉工藝的改進(jìn)而消除。傳統(tǒng)的鍛造過程中，鋼錠的冒口和錠尾由于存在的缺陷較多，通常需要切除，使得材料的利用率降低，能源的消耗量增大。

據(jù)相關(guān)專利文獻(xiàn)報導(dǎo)，公告號為CN101722260B的“一種轉(zhuǎn)臂類鍛件的自由鍛造方法”，旋轉(zhuǎn)鐓粗臺放置在移動工作臺上，胎模置于旋轉(zhuǎn)鐓粗臺上，將鍛件坯料放置在胎模中進(jìn)行鍛造，然后平整鍛件坯料大圓面，沖孔，滾圓和多次精整，制成轉(zhuǎn)臂類鍛件產(chǎn)品。該方法可通過簡單的胎模和鐓粗沖子控制鍛件外形尺寸，實(shí)現(xiàn)在設(shè)備能力小的自由鍛造設(shè)備上鍛造形狀復(fù)雜的轉(zhuǎn)臂類鍛件，但對于鋼液冷凝成為鋼錠時發(fā)生的物理收縮，所形成的鋼錠內(nèi)部空洞以及疏松的消除能力較差，并且無法滿足提升大型鍛件內(nèi)部質(zhì)量的鍛造要求，生產(chǎn)效率低。

公開號為CN1364667A的“刀劍專用多層折疊花紋鋼及其制造方法”，主要是以相同或不同配比的半硬鋼與硬鋼加溫后交疊鍛打，再經(jīng)多次折疊或扭轉(zhuǎn)，最后再夾入一層彈簧鋼，并利用氣錘按所需形狀錘打鍛制，使彈簧鋼與硬鋼和半硬鋼結(jié)合為一體，制成具有自然花紋的多層折疊花紋鋼。制成的多層折疊花紋鋼的鋒利維持性、易磨度和耐沖擊性都高過一般包鋼、片刃及夾鋼，強(qiáng)韌性及耐磨損性優(yōu)于一般刃材，且抗銹蝕性較佳。但這種方法只適合鍛造片狀的材料，無法應(yīng)用于軸類零件的鍛造。

公告號為CN102500733B的“一種高效率愈合鋼錠內(nèi)部孔洞型缺陷的鍛造方法”，以及公告號為CN104399854B的“提高鋼材橫向沖擊性能的鍛造方法”，采用數(shù)值模擬技術(shù)研究在傳統(tǒng)自由鍛過程中鋼錠內(nèi)部應(yīng)變的分布狀況及對鋼錠中孔洞型缺陷閉合效果的影響，并在此基礎(chǔ)上提出包括軸向預(yù)鐓粗、徑向鐓粗等步驟的鍛造方法。通過鍛造鋼材前的多次鐓拔鍛造工序，使得鋼材的等向性和橫縱向組織均勻性得到一定改善，鋼材在縱向性能不降低的同時橫向性能有所提高，由于每完成一次鐓拔即回爐加熱保溫，回爐實(shí)現(xiàn)鐓拔坯回復(fù)再結(jié)晶，有利于下一次的墩拔鍛造和晶粒細(xì)化。但這類方法對破壞金屬的連續(xù)性、引起顯微裂紋、降低鍛造性能和鍛后力學(xué)性能的異相質(zhì)點(diǎn)類夾雜，以及鋼錠中殘存氣體(例如氧、氮、氫等)最終以氧化物和氮化物形式，在鋼錠內(nèi)形成的導(dǎo)致鋼材塑性降低的鍛件內(nèi)部白點(diǎn)和氫脆等缺陷，無法起到有效消除的作用，故對質(zhì)量要求嚴(yán)格的鍛件缺乏適應(yīng)性。

而公開號為CN105499459A的“異質(zhì)金屬構(gòu)筑成形方法”，公開了一種異質(zhì)金屬構(gòu)筑成形方法，包括制備由第一材料制成的至少一個第一基元和由第二材料制成的多個第二基元構(gòu)成的多個基元，將多個基元堆垛成預(yù)定形狀，將堆垛成預(yù)定形狀的多個基元封裝成預(yù)制坯，再通過鍛焊使得多個基元之間的界面焊合以將預(yù)制坯制成毛坯等步驟。該成形方法中制備基元的過程只是簡單地描述為“將多塊小規(guī)格金屬坯下料為指定尺寸”，并沒有具體介紹基元截面尺寸的確定依據(jù)和方式，比較籠統(tǒng)，不利于方法的實(shí)施。該成形方法對預(yù)制坯實(shí)施鍛前加熱的方式與普通鋼錠的加熱方式相同，但由于經(jīng)過鍛焊的預(yù)制坯，在焊接后沒有進(jìn)行去應(yīng)力退火，所以通過普通加熱方式易引起焊縫處的變形，影響異質(zhì)金屬后續(xù)加工的質(zhì)量。并且，該成形方法中對預(yù)制坯實(shí)施的鐓粗與鍛焊的步驟描述，也只是簡單地敘述了鐓粗的下壓變形量，沒有涉及鐓粗過程中溫度、保溫時間和焊接比壓之間的關(guān)系，難以實(shí)現(xiàn)多個基元內(nèi)部裂紋的充分焊合，不能完全消除基元的空洞型缺陷，故無法滿足同質(zhì)金屬類大型鍛件的鍛造質(zhì)量要求。

鑄錠過程中由于操作不當(dāng)或注速、鑄溫控制不當(dāng)，使得鑄成的鋼錠內(nèi)部存在空洞、裂紋、偏析和第二相等缺陷。這些缺陷在鋼錠制造過程中普遍存在，而且鋼錠越大，鋼錠的內(nèi)部冶金質(zhì)量越難保障；而且，好多缺陷不可視，不可預(yù)見，通過簡單的鍛造很難消除。目前國內(nèi)報廢的大型鍛件80％以上是由于鋼錠質(zhì)量不合格引起的。特別是作為水力發(fā)電用的主軸鍛件，其力學(xué)性能要求更為嚴(yán)格。故有必要對現(xiàn)有的大型鍛件的鍛造方法予以改進(jìn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明就是針對上述問題，提供一種將多個相同材質(zhì)的金屬板坯單元體通過表面凈化處理，真空焊接，鍛造過程中高溫保壓，來消除板坯單元體間的空洞型缺陷的多單元同質(zhì)金屬疊鍛生產(chǎn)主軸鍛件的方法。

本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：該多單元同質(zhì)金屬疊鍛生產(chǎn)主軸鍛件的方法包括如下步驟：

步驟一、根據(jù)材質(zhì)計算焊合所需應(yīng)變量及溫度等因素的影響，依據(jù)在大鍛件的生產(chǎn)過程中，鍛坯內(nèi)部宏觀與微觀空洞型缺陷的閉合條件：

${\mathrm{\γ}}_s\left(\frac{{\mathrm{\σ}}_m}{{\mathrm{\σ}}_s}\right)=-F\left(V_0\right)$

式中：γ_s——八面體的切應(yīng)變

V₀——原始的空洞率

其中，

確定空洞的面積，再根據(jù)空洞面積確定板坯單元體的截面尺寸，選擇出合適尺寸的軋制板坯；

步驟二、多個相同材質(zhì)的金屬板坯單元體在進(jìn)行堆疊之前，對板坯單元體的接觸面進(jìn)行處理，首先去除板坯單元體表面的氧化皮，然后用有機(jī)溶劑清洗板坯單元體的表面；以確保板坯單元體需要焊接的接觸面高度清潔，無雜質(zhì)、油漬及表面氧化物等殘留，盡可能地減少主軸鍛件的缺陷；

步驟三、將清潔后的板坯單元體逐層堆疊，然后快速地轉(zhuǎn)入到真空焊接室內(nèi)，采用激光束融化母材的方式，對堆疊的板坯單元體的各結(jié)合處進(jìn)行融合焊接；以使堆疊的板坯單元體形成一個整體，并防止結(jié)合處進(jìn)入雜質(zhì)，影響鍛造效果；

步驟四、將焊接成一體的堆疊板坯單元體平放在加熱爐的墊鐵上，單元體的焊接面平行于水平面，然后開始對板坯單元體進(jìn)行加熱，加熱工藝為：在350℃保溫10小時后，以小于或等于50℃/小時的升溫速率將溫度升高到750℃，在750℃保溫7小時，然后再以小于或等于50℃/小時的升溫速率將溫度升高到1080℃，并在1080℃保溫12小時后，按照加熱爐的自動加熱功率快速升溫到1220℃，最后在1220℃保溫20小時；以在對板坯單元體進(jìn)行加熱的同時，消除經(jīng)過激光束融合焊接的堆疊板坯單元體的內(nèi)應(yīng)力；

步驟五、把加熱后的堆疊板坯單元體吊裝到水壓機(jī)的墩粗平臺上，對堆疊板坯單元體進(jìn)行墩粗保壓焊合，墩粗保壓焊合的溫度、保溫時間和焊接比壓三者滿足菲克第二定律，使板坯單元體的裂隙型缺陷充分的焊合；菲克第二定律指出，在非穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散過程中，在距離x處，濃度隨時間的變化率等于該處的擴(kuò)散通量隨距離變化率的負(fù)值，即

$\frac{\∂C}{\∂t}=-\frac{\∂J}{\∂x}$

將代入上式，得

$\frac{\∂C}{\∂t}=-\frac{\∂}{\∂x}\left(D\frac{dC}{dx}\right)$

式中：t——擴(kuò)散時間(s)

C——擴(kuò)散物質(zhì)的體積濃度(kg/m³)

x——距離(m)

板坯單元體的裂紋在墩粗保壓焊合過程中，經(jīng)過裂尖鈍化、裂紋分節(jié)、裂腔球化、空洞愈合及質(zhì)量均勻化等階段，最終完成愈合；

步驟六、對墩粗保壓焊合的堆疊板坯單元體進(jìn)行高溫擴(kuò)散處理，裂隙型缺陷的焊合是通過原子擴(kuò)散來實(shí)現(xiàn)的，原子擴(kuò)散走過的平均距離與擴(kuò)散時間的平方根成正比，一般滿足以下公式：

$X=K\sqrt{\mathrm{\τ}}$

式中：X——原子的平均距離

τ——保溫時間

K——常數(shù)，與材質(zhì)有關(guān)

步驟七、墩粗沖孔和馬杠擴(kuò)孔成形。

所述步驟二，對板坯單元體的接觸面進(jìn)行處理時，采用銑床去除板坯單元體表面的氧化皮。

所述步驟二，對板坯單元體的接觸面進(jìn)行處理后，需保證加工后的板坯單元體表面粗糙度小于6.3。

所述步驟二，在去除板坯單元體表面的氧化皮之后，用來清洗板坯單元體表面的有機(jī)溶劑是丙酮或酒精。

所述步驟五，采用20SiMn作為主軸鍛件的材料時，該材質(zhì)的焊接溫度為1100～1150℃，焊接比壓為5～10MPa，焊接時間為30～60min。

所述步驟六，堆疊板坯單元體主軸鍛件高溫擴(kuò)散的速度是50～70mm/h。

本發(fā)明的有益效果：通過提出一種多單元同質(zhì)金屬疊鍛生產(chǎn)主軸鍛件的方法：即把符合成分要求的軋制板坯作為金屬單元體，在真空焊接室內(nèi)采用激光束進(jìn)行融合焊接，根據(jù)大鍛件內(nèi)部空洞型缺陷閉合條件制定出合理的鍛造和加熱工藝，使多個金屬板坯單元體通過高溫保壓焊合成整體坯料；把坯料鍛造成工藝尺寸要求的主軸鍛件。該方法與傳統(tǒng)的鍛造原料使用鋼錠相比，多單元同質(zhì)金屬堆焊成鍛造原坯的方式，避免了大鋼錠偏析、夾雜、氣體、氣泡、縮孔、疏松、裂紋等缺陷，提高了鍛件的整體質(zhì)量；并且，坯料不需要去除水口冒口材料，提高了材料的利用率，降低了能耗，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益。由于金屬單元體一般為軋制板坯，堆疊焊接在專用的真空焊室內(nèi)進(jìn)行，與大鋼錠的生產(chǎn)工藝相比，生產(chǎn)效率高，環(huán)境污染小。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的板坯單元體堆疊的示意圖。

圖2是本發(fā)明的板坯單元體在真空焊接室內(nèi)利用激光束進(jìn)行焊接的示意圖。

圖3是本發(fā)明的板坯單元體墩粗保壓焊合的示意圖。

圖4是本發(fā)明的工藝路線圖。

圖5是本發(fā)明的加熱曲線圖。

圖中序號說明：1金屬板坯單元體、2真空焊接室、3激光束槍、4焊接轉(zhuǎn)盤、5水壓機(jī)上橫梁、6上墩粗板、7下墩粗板、8水壓機(jī)下平臺。

具體實(shí)施方式

根據(jù)圖1～5詳細(xì)說明本發(fā)明的具體步驟。該多單元同質(zhì)金屬疊鍛生產(chǎn)主軸鍛件的方法包括：

步驟一，為了選擇出合適尺寸的軋制板坯，根據(jù)材質(zhì)計算焊合所需應(yīng)變量及溫度等因素的影響，以確定板坯單元體的截面尺寸。

依據(jù)金寧等研究的大鍛件空洞性缺陷在塑性加工過程中的變化問題，采用數(shù)學(xué)解析的方法研究了大鍛件內(nèi)部空洞性缺陷在塑性加工過程中的壓合機(jī)制、條件和判據(jù)，以空洞力學(xué)為基礎(chǔ)，推導(dǎo)出了壓合大鍛件內(nèi)部空洞性缺陷的判據(jù)，并根據(jù)研究結(jié)果探討了FM法、WHF法及V型砧鍛造工藝中大鍛件內(nèi)部柱狀空洞的閉合規(guī)律、閉合路徑和閉合速度。以多孔可壓縮材料的塑性理論和空洞力學(xué)為基礎(chǔ)推導(dǎo)得出，在大鍛件的生產(chǎn)過程中，鍛坯內(nèi)部宏觀與微觀空洞型缺的閉合條件可以表示為：

${\mathrm{\γ}}_s\left(\frac{{\mathrm{\σ}}_m}{{\mathrm{\σ}}_s}\right)=-F\left(V_0\right)$

式中：γ_s——八面體的切應(yīng)變

V₀——原始的空洞率

其中，

根據(jù)以上公式可確定空洞的面積，根據(jù)空洞面積確定板坯單元體的截面尺寸，選擇出合適尺寸的軋制板坯，以確保經(jīng)過后續(xù)加工，生產(chǎn)出質(zhì)量可靠的產(chǎn)品。

步驟二，進(jìn)行堆疊之前，采用銑床去除多個相同材質(zhì)的金屬板坯單元體表面的氧化皮，以對板坯單元體的接觸面進(jìn)行處理，并保證經(jīng)銑床加工后的表面粗糙度小于6.3。然后用丙酮或酒精等有機(jī)溶劑清洗板坯單元體的表面，以確保板坯單元體需要焊接的接觸面高度清潔，并且無雜質(zhì)、油漬及表面氧化物等殘留，盡可能地減少最終成品主軸鍛件的缺陷。

步驟三，為了使堆疊的板坯單元體形成一個整體，快速地將清潔后逐層堆疊的板坯單元體轉(zhuǎn)入到真空焊接室內(nèi)，采用高能量密度的激光束作為熱源融化母材的方式，對堆疊的板坯單元體的各結(jié)合處進(jìn)行融合焊接，以防止結(jié)合處進(jìn)入雜質(zhì)，影響鍛造效果。激光束焊接可將入熱量降到最低的需要量，熱影響區(qū)域金相變化范圍小，且因熱傳導(dǎo)所導(dǎo)致的變形量也最低；激光束可聚焦在很小的區(qū)域，適合于焊接間隔較小的部件，并且可降低厚板焊接所需的時間、甚至省掉填料金屬的使用。

步驟四，吊裝焊接成一體的堆疊板坯單元體，使其平放在加熱爐的墊鐵上，單元體的焊接面平行于水平面布置。堆疊的板坯單元體的加熱工藝曲線與普通鋼錠的加熱曲線相比，低溫段、中溫鍛和高溫段的保溫時間都相對延長。由于堆焊板坯焊接后不進(jìn)行去應(yīng)力退火，為防止焊接應(yīng)力引起焊縫處變形，所以適當(dāng)延長中溫段的保溫時間。在高溫段保溫時，單元體堆焊件的保溫時間不能夠按照單件最小截面尺寸的大小計算加熱時間，而是要按照多件坯料堆疊方向尺寸計算加熱時間，保溫時間按照每100mm保溫1.5小時計算。

由于要消除激光束融合焊接的堆疊板坯單元體的內(nèi)應(yīng)力，堆疊的板坯單元體的加熱工藝曲線與普通鋼錠的加熱曲線相比，低溫段、中溫段和高溫段的保溫時間延長1.3倍。具體的加熱工藝為：首先，在350℃保溫10小時后，以小于或等于50℃/小時的升溫速率將溫度升高到750℃，然后在750℃保溫7小時，再以小于或等于50℃/小時的升溫速率將溫度升高到1080℃，并在1080℃保溫12小時后，按照加熱爐的自動加熱功率(提高加熱功率)快速升溫到1220℃，最后在1220℃保溫20小時，完成整個加熱過程。

步驟五，對加熱后的堆疊板坯單元體進(jìn)行墩粗保壓焊合。用鐵鏈把加熱后的堆疊板坯單元體吊到水壓機(jī)的墩粗平臺上，在吊裝單元體時，要始終保證單元體的焊接面平行于水平面。墩粗保壓焊合是本發(fā)明的關(guān)鍵，板坯單元體的裂隙型缺陷在溫度、保溫時間和焊接比壓三者滿足菲克第二定律時，能夠?qū)崿F(xiàn)充分的焊合。菲克第二定律是在第一定律的基礎(chǔ)上推導(dǎo)出來的，菲克第二定律指出，在非穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散過程中，在距離x處，濃度隨時間的變化率等于該處的擴(kuò)散通量隨距離變化率的負(fù)值，即

$\frac{\∂C}{\∂t}=-\frac{\∂J}{\∂x}$

將代入上式，得

$\frac{\∂C}{\∂t}=-\frac{\∂}{\∂x}\left(D\frac{dC}{dx}\right)$

式中：t——擴(kuò)散時間(s)

C——擴(kuò)散物質(zhì)的體積濃度(kg/m³)

x——距離(m)

實(shí)際上，固溶體中溶質(zhì)原子的擴(kuò)散系數(shù)D是隨濃度變化的，為了使求解擴(kuò)散方程簡單些，往往近似地把D當(dāng)做常數(shù)看待。根據(jù)菲克第二定律可知板坯單元體的裂紋在墩粗保壓焊合過程中，經(jīng)過裂尖鈍化、裂紋分節(jié)、裂腔球化、空洞愈合及質(zhì)量均勻化等階段，最終完成愈合。

裂紋愈合過程分為裂尖鈍化、裂紋分節(jié)、裂腔球化、空洞愈合及質(zhì)量均勻化等幾個階段。對于已經(jīng)墩粗到位的板坯單元體來說，根據(jù)焊接比壓(壓機(jī)的保壓壓力)，裂縫的焊接時間(保壓時間)，以及材質(zhì)的不同，最佳參數(shù)也不盡相同。當(dāng)主軸鍛件的材料是20SiMn時，經(jīng)過計算，該材質(zhì)的最佳焊接溫度為1100～1150℃，焊接比壓力為5～10MPa，焊接時間為30～60min。

步驟六，高溫擴(kuò)散的保溫時間對焊合過程也非常重要。在同樣的變形量和保溫溫度條件下,適當(dāng)?shù)难娱L保溫時間可以改善焊合效果。裂隙型缺陷的焊合是通過原子擴(kuò)散等機(jī)制實(shí)現(xiàn)的,原子擴(kuò)散走過的平均距離與擴(kuò)散時間的平方根成正比。一般滿足以下公式：

$X=K\sqrt{\mathrm{\τ}}$

式中：X——原子的平均距離

τ——保溫時間

K——常數(shù)，與材質(zhì)有關(guān)，一般合金鋼為1.5

根據(jù)計算，堆疊板坯單元體主軸鍛件的高溫擴(kuò)散保溫時間是一般鋼錠鍛件保溫時間的1.5～1.7倍。一般碳鋼和低合金鋼鋼錠保溫時間通常按照100mm/h的速度計算。

步驟七，后續(xù)工序?yàn)橐?guī)圓——墩粗沖孔——馬杠擴(kuò)孔——整形。這些與普通主軸的鍛造步驟相同。