堆焊双金属冷镦粗变形行为研究的技术学习体会

文献概况与研究意义

惠有科等发表于2017年《锻压技术》第42卷第10期的《堆焊双金属冷镦粗过程中的变形行为》，是一篇融合焊接冶金与塑性成形理论的交叉研究文献，由武汉理工大学材料科学与工程学院完成，获国家自然科学基金资助。该研究以等离子弧喷焊制备的堆焊双金属坯料为对象，通过冷镦粗实验探究其在单轴压缩塑性变形下的行为特征，为堆焊双金属坯料的锻造成形提供理论依据。

堆焊双金属是将两种不同性能的金属通过焊接方法结合为一体，实现"基体提供韧性、熔覆层提供耐磨/耐蚀/耐热等特种性能"的功能设计。在钢管、管件与阀门制造领域，堆焊双金属已广泛应用于耐磨管道、耐腐蚀管件、抗冲蚀阀体等产品。然而，堆焊双金属坯料能否进行后续塑性成形加工，一直是一个悬而未决的问题。该文献的研究正是针对这一工程需求展开。

堆焊双金属的界面特性与硬度分布

文献采用等离子弧喷焊（Plasma Arc Surfacing）技术制备双金属坯料，这是一种高能量密度的熔覆工艺，具有熔池小、稀释率低、界面结合良好等特点。等离子弧喷焊的熔覆层与基体之间为冶金结合，界面处存在熔合线（fusion line），该区域是堆焊双金属的力学薄弱环节。

文献的关键发现之一是：堆焊双金属的显微硬度最薄弱区域出现在熔合线附近，而熔覆层区域整体硬度远高于基体。这一现象的机理解释如下：

熔合线区域硬度偏低的原因在于：该区域处于熔覆层与基体的过渡带，成分介于两者之间，且经历了焊接热循环的影响，可能出现晶粒粗化、碳化物溶解与析出不足等组织特征，导致该区域的强度和硬度下降。这一发现对工程实践具有重要指导意义——在堆焊双金属制品的设计中，应尽量避免将熔合线置于高应力区域。

冷镦粗变形行为的机理分析

冷镦粗是单轴压缩塑性成形工艺，通过轴向压缩使坯料径向膨胀，实现截面形状的改变。文献发现，冷镦粗过程中堆焊双金属的变形行为呈现明显的"非均匀变形"特征：

1. 初始阶段：基体区域率先发生塑性变形，熔覆层抵抗变形能力高于基体。这是因为基体硬度低、屈服强度低，在外加应力下优先达到屈服条件。
2. 中期阶段：随着变形量增大，熔覆层底部区域也开始发生塑性变形，表明熔覆层具有进行塑性变形的潜力。
3. 后期阶段：当变形量超过一定阈值，熔覆层整体参与变形，但变形不均匀性加剧，可能出现层间开裂或熔合线处开裂。

这种非均匀变形行为的本质在于堆焊双金属的"力学不匹配"——熔覆层与基体的硬度、强度、塑性存在显著差异。在塑性成形过程中，变形不均匀会导致层间剪切应力集中，当剪切应力超过层间结合强度时，即发生层间开裂或熔合线开裂。

从FMEA（失效模式与影响分析）的角度，堆焊双金属冷镦粗的主要失效模式包括：

• 层间开裂：熔覆层与基体之间分离，源于变形不匹配导致的层间剪切应力。
• 熔合线开裂：熔合线区域因硬度低、强度弱而优先开裂。
• 熔覆层开裂：熔覆层因塑性不足而开裂，常见于高硬度、低塑性的熔覆材料（如高铬铸铁、碳化钨堆焊层）。
• 表面开裂：坯料表面因变形不均匀而产生裂纹。

对钢管与管件制造工程的启示

该文献的研究对钢管与管件制造领域具有直接的工程参考价值。在耐磨管道、抗冲蚀管件的生产中，堆焊双金属坯料的后续成形是一个关键工艺环节。例如：

• 弯头制造：堆焊耐磨管道在弯管过程中，熔覆层与基体的变形不匹配可能导致层间开裂。通过控制弯管半径与弯管速度，可以减小变形不均匀性。
• 三通制造：堆焊管件在热挤压或冷挤压成形时，熔覆层的塑性变形能力决定了成形极限。
• 法兰制造：堆焊法兰的机加工与成形过程中，熔合线区域的强度薄弱是潜在的质量隐患。

工程实践中，为改善堆焊双金属的成形性，可采取以下措施：

• 选用塑性较好的熔覆材料（如奥氏体不锈钢、镍基合金），提高熔覆层的变形能力。
• 优化堆焊工艺，减小熔合线区域的组织缺陷（如采用多层多道堆焊、控制稀释率）。
• 在成形前进行适当的热处理，改善熔合线区域的组织与性能。
• 控制成形变形量，避免超过熔覆层的塑性极限。

学习心得与思考

这篇文献的核心贡献在于首次系统地揭示了堆焊双金属在冷镦粗过程中的变形行为规律，为堆焊双金属坯料的塑性成形加工提供了理论依据。从工程角度看，堆焊双金属的"可成形性"是一个长期困扰制造业的技术难题。该研究表明，熔覆层并非完全不能变形，而是在一定变形量范围内具有塑性变形潜力。这一发现为工程应用打开了新的思路——通过合理选择熔覆材料、优化堆焊工艺、控制成形变形量，可以在一定程度上实现堆焊双金属坯料的塑性成形加工。然而，变形不均匀性问题仍是制约堆焊双金属成形加工的关键瓶颈，未来需要在熔合线区域性能强化、变形协调性设计等方面开展更深入的研究。