PROFILED METAL CONSTRUCTION FORMING METHOD

本发明涉及金属材料的制造方法，具体涉及一种异形金属构筑成形方法。

在制备大型金属材料或复合金属材料时，现有方法提出以铸坯、锻坯、轧坯为基元，通过表面加工和清洁后，将多个基元封装在一起，并使界面内部保持高真空状态，然后施加以镦粗变形、锻间保温、多向锻造为特点的锻焊工艺，最终制备大型金属器件。如中国专利申请201511026272.X“同质金属构筑成形方法”、201511027492.4“金属构筑成形方法”、201511027686.4“圆柱体金属构筑成形方法”，均是采用一次构筑成形方法对金属材料进行制造。在这些方法中，预制坯的形状为长方体形状或圆柱体形状，在构筑过程中，长方体形状或圆柱体形状的坯料在最大鼓肚位置(坯料侧面中心位置)焊缝容易开裂。这是因为最大鼓肚位置(坯料侧面中心位置)的应力会随变形量的增加，压应力不断减小，最终变为0，如果继续变形该位置的应力将转化为拉应力。表面的应力状态是受鼓肚程度控制的。鼓肚越严重，表面拉应力越大。表面拉应力大于焊缝强度时，就会造成焊缝开裂。

另外，对于百吨级以上金属，一次构筑成形难度极大，对设备的要求高。构筑过程中焊缝一旦失效，将造成整体坯料的全部报废，损失较大。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的缺陷，提供一种异形金属构筑成形方法，改善锻造过程中坯料表面的拉应力状态，提高金属构筑成形的成材率。

本发明的技术方案如下：一种异形金属构筑成形方法，包括如下步骤：

(S1)制备预制坯；

(S2)将预制坯制成沙漏形模块；

(S3)通过对沙漏形模块加热后实施沿高度方向的镦粗变形和锻间保温，将预制坯锻焊成毛坯；

(S4)将毛坯加工成部件或零件。

进一步，如上所述的异形金属构筑成形方法，步骤(S1)中所述的预制坯由铸坯、锻坯或轧坯基元构筑并封焊、锻造而成；或者由锻坯通过机械加工方式直接制成。

进一步，如上所述的异形金属构筑成形方法，步骤(S2)中，将所述预制坯制成锥台形状单元，然后将两个锥台形状单元的小面叠放在一起，进行真空电子束焊接，制成沙漏形模块。所述锥台形状单元可以为圆锥台形状或四棱锥台形状，两个锥台形状单元的中间界面处平滑过渡。

更进一步，所述锥台形状单元的纵向梯形截面的下底边与腰边的夹角为60-85°。

进一步，如上所述的异形金属构筑成形方法，所述真空电子束焊接的焊接深度为25-40mm。

进一步，如上所述的异形金属构筑成形方法，步骤(S2)中所述的沙漏形模块的高径比在1-3之间。

进一步，如上所述的异形金属构筑成形方法，步骤(S3)中对沙漏形模 块实施镦粗变形的压下量为坯料总高度的30％-55％。

进一步，如上所述的异形金属构筑成形方法，步骤(S3)中将镦粗后的坯料实施高温扩散连接，加热温度不低于1200℃，均温后的保温时间不低于8小时。

本发明的有益效果如下：本发明所提供的异形金属构筑成形方法，将预制坯制成沙漏形模块，沙漏形的构筑坯料可以使镦粗过程的变形集中于界面位置，且避免了表面拉应力的产生，使坯料均匀地受到较大压应力，明显改善坯料表面的拉应力状态。同时，沙漏形坯料最小截面积较小，可以有效降低锻造所需压力。采用本发明提供的异形金属构筑成形方法，对设备要求低，焊缝可探，能够保证焊缝质量，进而可以提高金属构筑成形的成材率，在使用同规格压机的条件下可以大幅提高生产效率。

图1为本发明的方法流程图；

图2为本发明的沙漏形构筑坯料的纵向梯形截面示意图；

图3为本发明具体实施例中圆锥台形单元制成沙漏形构筑坯料的示意图；

图4为本发明具体实施例中四棱锥台单元的结构示意图。

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

如图1所示，从总体工艺过程来描述，本发明提供的异形金属构筑成形方法，包括：步骤(1)制备预制坯；步骤(2)将预制坯制成异形模块(沙漏形模块)；步骤(3)通过对异形模块加热后实施沿高度方向的镦粗变形和 锻间保温，将预制坯锻焊成毛坯。进而，还可以包括步骤(4)将毛坯加工成部件或零件。

在步骤(1)中所述的预制坯可以由铸坯、锻坯或轧坯基元构筑并封焊、锻造而成(具体的方法可以参见201511026272.X“同质金属构筑成形方法”中的描述)；或者由锻坯通过机械加工方式直接制成。

本发明区别于现有技术的关键点在于，步骤(2)将预制坯制成沙漏形模块，沙漏形的构筑坯料可以使镦粗过程的变形集中于界面位置，并且避免表面拉应力的产生，使坯料均匀地受到较大压应力，明显改善坯料表面的拉应力状态。

为此，本发明首先要将所述预制坯制成锥台形状单元，锥台形状单元可以通过锻造和/或机械加工的方式制成。然后将两个锥台形状单元的小面叠放在一起，进行真空电子束焊接，制成沙漏形模块。在具体的实施方式中，所述锥台形状单元可以为圆锥台形状或四棱锥台形状(也可以采用其他锥台形状，如六棱锥台、八棱锥台等)。图3为由圆锥台形单元制成沙漏形构筑坯料的示意图，图4为四棱锥台形状单元的示意图。

由于沙漏形坯料最小截面积较小，可以有效降低锻造所需压力。但当中间凹陷处较窄时，在锻造过程中会产生褶皱缺陷；中间凹陷处较宽时，降低锻造压力的作用又会被削弱。为此，在对沙漏形坯料进行设计时，应考虑锥台形状单元的纵向梯形截面的下底边与腰边的夹角大小，使之处在一个较为理想的范围，本发明的设计中锥台形状单元的梯形截面下底边与腰边的夹角为60-85°(例如80°)，如图2所示。同时，为避免梯形坯料在中间界面处产生折叠，要使其平滑过渡，避免两梯形交界处的尖角产生。如图3所示，两个圆锥台形单元的交界处设计成弧面相接，从而形成了平滑的过渡面A，避免交界处尖角的产生。并且，锥台形单元的底面与侧面相接的位置设计成一段柱状结构(如图3中B所示)，避免底面尖角的产生。

两个锥台形状单元的接合是通过真空电子束焊接的方式实现，先对待焊接表面进行加工、清洗，然后在真空室内对待焊合的坯料四周进行真空电子束封焊，真空电子束焊接的焊接深度为25-40mm。焊接后形成的沙漏形模块的高径比在1-3之间。此处所述的高径比是指沙漏形模块的总高度与圆锥台底面直径(或四棱锥台底面边长)的比值。

在步骤(3)中，首先要对坯料进行加热，最高加热温度不低于1250℃，然后对沙漏形坯料实施沿高度方向的镦粗变形，将加热后的坯料放在压机操作台上，沿高度方向实施镦粗，镦粗变形的压下量为坯料总高度的30％-55％。接下来，将镦粗后的坯料实施高温扩散连接，将墩粗后的坯料送回加热炉加热，加热温度不低于1200℃，均温后的保温时间不低于8小时。

然后可以对坯料进行进一步的锻造或加工，实现步骤(4)的将毛坯加工成部件或零件。

本发明适用于不锈钢、模具钢、碳钢、合金钢等钢材或其它金属材料的构筑成形。

实施例1

第一步，预制坯使用直径800mm的碳钢钢棒，切取长度为2400mm的圆柱形坯料制造。圆柱形坯料经过墩粗锻造，机械加工为指定尺寸，形成如图4所示的四棱锥台形状单元。清洗待焊接表面后,将两个四棱锥台形状单元的小面进行叠加，形成宽度为1086mm，长度为1086mm，厚度为1450mm的沙漏形模块坯料。

第二步，在真空室内，对待焊合的坯料四周进行真空电子束封焊，其中焊接深度为25-40mm。

第三步，在加热炉中对封焊后坯料进行加热，最高加热温度不低于1250℃。

第四步，对坯料实施沿高度方向的镦粗变形和锻间保温。将坯料加热后放在压机操作台上，使坯料高度方向沿竖直方向，进行镦粗操作，压下量为坯料 总高度的30％-55％。

第五步，对坯料实施高温扩散连接。将镦粗后的坯料送回加热炉加热，加热温度不低于1200℃，均温后的保温时间不低于8小时。

第六步，对坯料实施三个方向的镦粗锻造，并通过倒棱、拔长、滚圆锻造成模块。最终产品为直径1000mm的圆柱形棒料模块。

实施例2

第一步，采用连铸板坯切取成规格为1000mm×1000mm×200mm坯料7块，7块坯料叠加后形成宽度为1000mm、长度为1000mm、厚度为1400mm的模块，在真空室内对7块坯料四周进行真空电子束封焊，然后加热锻造，机械加工为指定尺寸，形成如图4所示的四棱锥台形状单元。将两个四棱锥台形状单元的小面进行叠加，形成沙漏形模块坯料。

第二步，在真空室内，对待焊合的坯料四周进行真空电子束封焊，其中焊接深度为25-40mm。

第三步，在加热炉中对封焊后坯料进行加热，最高加热温度不低于1250℃。

第四步，对坯料实施沿高度方向的镦粗变形和锻间保温。将坯料加热后放在压机操作台上，使坯料高度方向沿竖直方向，进行镦粗操作，压下量为坯料总高度的30％-55％。

第五步，对坯料实施高温扩散连接。将镦粗后的坯料送回加热炉加热，加热温度不低于1200℃，均温后的保温时间不低于8小时。

第六步，对坯料实施三个方向的镦粗锻造，形成所需的锻件模块。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若对本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其同等技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。