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先进模具材料Invar钢制造技术研究 |
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作者：上海飞机制造有限公司 黄钢华 张冬梅 晏冬秀 |
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摘要：本文对 Invar 钢焊接性能与切削性能进行研究，试验结果表明坡口间隙 2mm，堆焊电流 170A、保护气体15L/min可得到良好的焊接接头；对 Invar 钢进行切削试验，试验表明粗加工采用转速 1400r/min、进给速度 400mm/min、切深 2.5mm 机床无异常,刀具未见磨损，精加工转速为2400r/min、进给速度 480mm/min、切深 0.5mm 可得到良好的切削表面。
关键词：复合材料 模具材料 Invar 钢 制造
中图分类号：TG7 文献标识码：B
1 引言
复合材料自20世纪70年代就以比重小、强度高、疲劳性能好等优点受到飞机设计师的青睐[1]。
在航空航天领域，热压罐固化工艺被广泛应用于复合材料层压板结构、蜂窝夹层结构、金属或复合材料胶接结构的制造，而复合材料零件固化后型面几乎不再做任何加工，其表面质量、外表尺寸主要由成型模具来保证。因此复合材料成型模具的优劣对制品的外形及表面质量起着重要作用[2]。
在国内，现有技术中复合材料成型模具大多采用普通碳钢、铝合金，存在的问题是成型模具的热膨胀系数与复合材料的热膨胀系数相差悬殊，这种差异可能致使复合材料零件在固化温度下成型后回复到常温自然条件过程中产生不可控制的变形。在国外，已大量采用 Invar 钢制作复合材料成型模具。Invar 钢的热膨胀系数与复合材料相近，采用 Invar 钢作为复合材料制件的成型模具可很好解决以上问题。本文首先对 Invar 钢、复合材料和传统模具材料如普通碳钢、铝合金的性能进行了对比，然后就 Invar 钢焊接工艺、切削工艺进行了分析。
2 模具材料性能比较
目前，复合材料制件的模具材料除选用 Invar 钢外，也常采用普通碳钢、铝合金及复合材料。
为获知模具材料准确的热膨胀系数，本文采用 GB/T 4339-1999 标准测试了多种模具材料的热膨胀系数，结果如图 1 所示。表 1 给出了各种模具材料的性能，可以看出 Invar 钢模具热膨胀系数与复合材料相匹配，表面粗糙度与气密性好，模具使用寿命长，适用于复合材料批量生产，对零件尺寸精度与型面精度高、有复杂型面或加筋壁板结构的场合。表 1 材料的基本性能
 
3 Invar钢模具制造工艺
焊接设备：WSME-500 逆变交直流方波脉冲氩弧焊机，99.99%纯度氩气。
材料：250mm×100mm×20mm 的 Invar 钢 8 块，Φ2.4mm×50mm Invar 焊丝若干
为节省熔敷金属和减少焊接变形，采用 60° “X”型焊接坡口（如图 2），焊前用酒精将焊丝表面、焊接坡口及坡口两侧擦拭干净，待酒精蒸发干燥后，采用非熔化极氩弧焊（以下简称 TIG 焊）方式焊接，焊接工艺参数见表 2。为了消除制造过程中产生的不均匀分布内应力，在焊接后，以每小时小于 200℃的升温速率加温至 850℃，保温两小时后随炉冷却至 300℃，最后开炉冷却；在粗加工/精加工之间，试样以每小时 50～100℃的升温速率加温至 350℃，保温 2 小时后随炉冷却至 150℃，最后开炉冷却。
为了测试焊接性能，采用 ASTM E8 标准对焊接区进行拉伸试验，就屈服强度、抗拉强度和断口形貌进行分析，表 3 为焊接接头试验结果，可见屈服强度实测值均高于理论值，方案一与方案二的抗拉强度分别仅为理论值 73%、77%，而且断口出现明显的未焊合区（图 3），说明坡口未留间隙很容易引起未焊透现象，影响焊接性能。
图 4 焊接缺陷
方案三抗拉强度为理论值 92% ，拉伸试验中，断裂出现在焊接处，属于韧窝型断裂（图 3），由图 4 可见在起弧处与收弧处，出现特别明显气孔（图 4），原因在于在起弧处、收弧处，保护气体不充分，容易受到外界空气气流的干扰，操作稍有不慎就不能保证空气与金属熔池、填充焊丝的完全隔离，使得熔池在高温下氧化，形成气孔，影响焊接接头质量。
方案四抗拉强度为理论值 94%，拉伸试验中，断裂出现在焊接处，亦属于韧窝型断裂（图 3），焊接区表面质量完好，机加以后完全看不出焊缝、无气孔（图 4）,进行抽真空试验，没有出现漏气现象。将焊接区取样分析微观组织，金相试样切割成 15mm×25mm，用砂纸逐级磨光直至 1200 目，再用金刚石研磨膏进行机械抛光，达到要求后，采用 ASTM E470 标准进行腐蚀。图 5 可以清楚地看到焊接区出现明显的柱状晶，这是由于熔池过冷度较大，液态金属内存在非自发晶核，而晶粒的棱边和顶角处的散热条件优于其他部位，使结晶发出的结晶潜能迅速逸出，此处晶粒优先长大并沿着一定方向生产出空间骨架；热影响区的晶粒长大明显，这是由于在 TIG 焊过程中，靠近焊缝的位置随着温度的升高，晶粒逐渐长大粗化；而在母材区，随着热温度场影响的减弱，晶粒细小、尺寸未发生变化，为单一的奥氏体相。经上述试验和分析比较，采用方案四效果较好。
3.2 切削工艺
切削时由于 Invar 钢镍含量高，切屑不易折断，导致切削力大、切削温度高、加剧了刀具的磨损，这不仅降低了刀具的寿命，还降低了工件的加工精度；因此切削 Invar 钢需要选择大前角、大后角、大螺旋角刀具。切削工具与工艺参数见表 4、5。在粗加工过程中，着重于切削量，切削参数选择转速 1400r/min、进给速度 400mm/min、切深 2.5mm 时，机床无异常，刀具未见明显磨损，其切削体积达到 20000mm3/min；在精加工时，着重于表面粗糙度，切削参数选择转速为 2400r/min、进给速度 480mm/min、切深 0.5mm，表面粗糙度达到 Ra0.3，可完全满足复合材料成型模具型面要求。
4 结论
（1）对复合材料零件尺寸精度与型面精度要求高、有复杂型面或加筋壁板结构的场合，应尽量采用 Invar 钢制造成型模具。
（2）使用 TIG 焊接工艺焊接板厚为 20mm 的 Invar 钢时，采用坡口间隙为 2mm，堆焊电流 170A、保护气体 15L/min，可获得良好的焊接接头。
（3）粗加工采用转速 1400r/min、进给速度 400mm/min、切深 2.5mm，精加工采用转速 2400r/min、进给速度 480mm/min、切深 0.5mm，可以获得良好的模具表面。
参考文献：
[1]刘君伍，黄建云.新型复合材料夹层结构及接头在机身结构中的应用前景[J]，复合材料制造，2008（25）：129～130.
[2]张纪奎.树脂基复合材料固化过程模拟和变形控制研究[D].北京航空航天大学.2006.
[3]何颖，蔡闻峰，赵鹏飞.热压罐成型中温固化复合材料模具[J]，纤维复合材料，2006（1）：58～59.
[4]ArcelorMittal 公司,INVAR®钢模具用于复合材料零件生产.
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(8/17/2012) |
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