论文部分内容阅读
摘 要：本课题阐述了半固态多坯料挤压方法生产双层复合管的主要工艺路线和成形原理，同时结合铝合金和镁合金的内部组织结构的特点分析了双层复合管之间界面的结合原理。通过ABAQUS有限元软件模拟出铝、镁合金的双金属成型过程及其触变性。
关键词：半固态；挤压、双层复合管；数值模拟
国内外双金属复合管复合工艺大部分都采用塑性复合成形技术，该技术是利用管材的局部或整体塑性变形来实现内管与外管之间紧密结合的复合工艺[1]。挤压双层复合管可以实现短流程、近净成形生产，成形界面之间可以达到冶金结合，得到的管材在长度方向和径向尺寸较均匀，而且坯料组合的自由度相对较大。
1、双层复合管结合面结合原理
内外管层的结合界面是影响双层复合管使用性能的最关键因素。它们之间的结合分为两个阶段：（1）在压力和摩擦力作用下的压力焊合阶段；（2）相互扩散的扩散焊合阶段。在第一个阶段，由于材料本身都处于半固态状态下，直接在半固态所特有的粘塑性状态下成形。在压力的作用下，两种材料彼此相互接触，两者之间便会产生相互扩散和动态结晶，从而得到冶金结合的连接界面。当内外层浆料之间达到初步结合后，随着温度的逐渐降低，便进入到第二个阶段。内外层材料继续进行扩散，扩散结合层的厚度继续增大，从而进一步提高冶金结合的强度。
扩散过程对界面附近的再结晶、金属间化合物的生成具有重要的作用，异种金属扩散焊时，界面附近原子的扩散是影响界面过渡区的相变、界面反应及接头结合质量的重要因素。由于镁合金和铝合金的晶格类型不同，在Al/Mg形成的有限固溶体中，溶解度随着温度的降低而降低。Mg/Al扩散焊界面过渡区中会形成Mg2Al3、MgAl和Mg17Al12三种共晶金属间化合物。在实际的扩散焊过程中受元素扩散系数和各相层生长速度的影响，造成元素浓度的不同，所以界面过渡区中各化合物的形成会存在一定的先后顺序，即Mgl7Al12-MgAl-Mg2A13。这几种化合物性质较脆，对结合面的性能有很大的影响。
2、双层金属复合管有限元数值模拟
在挤压成形过程中，温度对材料的变形行为影响很大，塑性变形与温度场相互影响，进而影响到材料的力学性能，所以将塑性变形与传热进行耦合分析是非常必要的[2]。
依照此模型，导入后，划分好网格后根据不同情况定义加载方式、初始条件、边界条件和接触关系的确立等边界条件。
3、数值模拟结果分析
当双层复合管的内外结合界面比为4：6时，为了便于比较，在模拟过程中选定了两对速度，分别如下：（1）镁合金坯料的速度为0.07m/s，铝合金坯料的速度为0.07m/s；（2）镁合金坯料的速度为0.15m/s，铝合金坯料的速度为0.15m/s；与这些速度相对应的温度场如图1a所示。从图中可以看出坯料的温度从高到低呈椭圆形向外扩散，形成温度梯度，图1a中列出了相同位移处的温度分布。从图1a中可以看出，随着挤压速度的提高，相同位移处的温度逐渐升高。由于在触变挤压成形过程中，毛坯和加工模具之间存在强烈的热交换（由热传导和热辐射引起）所引起的热能损耗引起。在实际加工过程中，如要实现复合管界面良好的结合，就需要保证在挤压变形区内，坯料仍然处于半固态温度区间。模拟结果都是在工作带长度为0.02m的条件下得到的。保持界面结合比为4：6时，将工作带长度分别增加到0.025m和减少到0.01m，得到的挤压温度场云图如图1b所示。同等位移和速度下的图1b中的温度场进行比较可知，由于工作带长度的增大，挤压变形区的温度降低，增大挤压阻力，不利于双层复合管的成形。图1b虽然变形区的温度进一步升高，但是由于挤压角太大，导致坯料流动受到的阻力增大，坯料的两表面运行速度差别很大，导致变形更不均匀，而影响复合管的成形。所以经过比较得知适合挤压的工作带长度为0.01m。
界面结合比为4：6时，挤压镁合金速度为0.07m/s、铝合金的速度为0.07m/s时，两界面间的接触力的变在0.1s时彼此之间发生接触，而且两者之间的界面结合处存在接触力。在整个过程中，接触力一直处于震荡的状态，在0-12000N之间变化，平均值基本在2300N左右。这个力的存在就证明结合界面间存在接触压力，这个力为结合面之间在压力下焊合提供了保证。而且这个接触力的值会随着挤压速度和界面结合比的变化而变化的。
当界面结合比为4：6时，在两坯料的外表面选择两个节点，在两种速度下的Y向位移，在同一个速度下的两条线是平行的，这就证明了结合面的两节点的Y向距离是不变的，所以当速度相同时，坯料结合后两者就不再发生相对位移了，结合面只是在压力作用下进行焊合；但是当速度不相同时，两坯料的相对滑动距离是越来越大的，此时结合面间存在压力和摩擦力，所以结合面在这两种力下焊合，至于这摩擦力对焊合界面的作用要在以后继续研究。
4、结论
当界面结合比为4：6时，两坯料的挤压速度相同时，结合面的相对位移也为一定值，即界面间只存在压力作用。当两者的速度不一致时，则在界面间存在压力和摩擦力的共同作用。坯料的最大应力分布在工作带区以及坯料与模具接触的区域，镁合金的应力明显高于铝合金的应力。
参考文献
[1] 王开坤，王晰，汪富玉，等. 等壁厚双层管半固态共挤压成形的数值模拟[J] .锻压技术，2010，35（1）：40-43.
[2] 王永，李德富，胡捷，等.半固态连续触变挤压成形技术[J].金属成形工艺，2002，20（6）：36-37.
[3] 杜平安，甘娥忠，于亚婷.有限元法：原理、建模及应用[M].北京：国防工业出版社，2004.8.
关键词：半固态；挤压、双层复合管；数值模拟
国内外双金属复合管复合工艺大部分都采用塑性复合成形技术，该技术是利用管材的局部或整体塑性变形来实现内管与外管之间紧密结合的复合工艺[1]。挤压双层复合管可以实现短流程、近净成形生产，成形界面之间可以达到冶金结合，得到的管材在长度方向和径向尺寸较均匀，而且坯料组合的自由度相对较大。
1、双层复合管结合面结合原理
内外管层的结合界面是影响双层复合管使用性能的最关键因素。它们之间的结合分为两个阶段：（1）在压力和摩擦力作用下的压力焊合阶段；（2）相互扩散的扩散焊合阶段。在第一个阶段，由于材料本身都处于半固态状态下，直接在半固态所特有的粘塑性状态下成形。在压力的作用下，两种材料彼此相互接触，两者之间便会产生相互扩散和动态结晶，从而得到冶金结合的连接界面。当内外层浆料之间达到初步结合后，随着温度的逐渐降低，便进入到第二个阶段。内外层材料继续进行扩散，扩散结合层的厚度继续增大，从而进一步提高冶金结合的强度。
扩散过程对界面附近的再结晶、金属间化合物的生成具有重要的作用，异种金属扩散焊时，界面附近原子的扩散是影响界面过渡区的相变、界面反应及接头结合质量的重要因素。由于镁合金和铝合金的晶格类型不同，在Al/Mg形成的有限固溶体中，溶解度随着温度的降低而降低。Mg/Al扩散焊界面过渡区中会形成Mg2Al3、MgAl和Mg17Al12三种共晶金属间化合物。在实际的扩散焊过程中受元素扩散系数和各相层生长速度的影响，造成元素浓度的不同，所以界面过渡区中各化合物的形成会存在一定的先后顺序，即Mgl7Al12-MgAl-Mg2A13。这几种化合物性质较脆，对结合面的性能有很大的影响。
2、双层金属复合管有限元数值模拟
在挤压成形过程中，温度对材料的变形行为影响很大，塑性变形与温度场相互影响，进而影响到材料的力学性能，所以将塑性变形与传热进行耦合分析是非常必要的[2]。
依照此模型，导入后，划分好网格后根据不同情况定义加载方式、初始条件、边界条件和接触关系的确立等边界条件。
3、数值模拟结果分析
当双层复合管的内外结合界面比为4：6时，为了便于比较，在模拟过程中选定了两对速度，分别如下：（1）镁合金坯料的速度为0.07m/s，铝合金坯料的速度为0.07m/s；（2）镁合金坯料的速度为0.15m/s，铝合金坯料的速度为0.15m/s；与这些速度相对应的温度场如图1a所示。从图中可以看出坯料的温度从高到低呈椭圆形向外扩散，形成温度梯度，图1a中列出了相同位移处的温度分布。从图1a中可以看出，随着挤压速度的提高，相同位移处的温度逐渐升高。由于在触变挤压成形过程中，毛坯和加工模具之间存在强烈的热交换（由热传导和热辐射引起）所引起的热能损耗引起。在实际加工过程中，如要实现复合管界面良好的结合，就需要保证在挤压变形区内，坯料仍然处于半固态温度区间。模拟结果都是在工作带长度为0.02m的条件下得到的。保持界面结合比为4：6时，将工作带长度分别增加到0.025m和减少到0.01m，得到的挤压温度场云图如图1b所示。同等位移和速度下的图1b中的温度场进行比较可知，由于工作带长度的增大，挤压变形区的温度降低，增大挤压阻力，不利于双层复合管的成形。图1b虽然变形区的温度进一步升高，但是由于挤压角太大，导致坯料流动受到的阻力增大，坯料的两表面运行速度差别很大，导致变形更不均匀，而影响复合管的成形。所以经过比较得知适合挤压的工作带长度为0.01m。
界面结合比为4：6时，挤压镁合金速度为0.07m/s、铝合金的速度为0.07m/s时，两界面间的接触力的变在0.1s时彼此之间发生接触，而且两者之间的界面结合处存在接触力。在整个过程中，接触力一直处于震荡的状态，在0-12000N之间变化，平均值基本在2300N左右。这个力的存在就证明结合界面间存在接触压力，这个力为结合面之间在压力下焊合提供了保证。而且这个接触力的值会随着挤压速度和界面结合比的变化而变化的。
当界面结合比为4：6时，在两坯料的外表面选择两个节点，在两种速度下的Y向位移，在同一个速度下的两条线是平行的，这就证明了结合面的两节点的Y向距离是不变的，所以当速度相同时，坯料结合后两者就不再发生相对位移了，结合面只是在压力作用下进行焊合；但是当速度不相同时，两坯料的相对滑动距离是越来越大的，此时结合面间存在压力和摩擦力，所以结合面在这两种力下焊合，至于这摩擦力对焊合界面的作用要在以后继续研究。
4、结论
当界面结合比为4：6时，两坯料的挤压速度相同时，结合面的相对位移也为一定值，即界面间只存在压力作用。当两者的速度不一致时，则在界面间存在压力和摩擦力的共同作用。坯料的最大应力分布在工作带区以及坯料与模具接触的区域，镁合金的应力明显高于铝合金的应力。
参考文献
[1] 王开坤，王晰，汪富玉，等. 等壁厚双层管半固态共挤压成形的数值模拟[J] .锻压技术，2010，35（1）：40-43.
[2] 王永，李德富，胡捷，等.半固态连续触变挤压成形技术[J].金属成形工艺，2002，20（6）：36-37.
[3] 杜平安，甘娥忠，于亚婷.有限元法：原理、建模及应用[M].北京：国防工业出版社，2004.8.