CN1011129B - 超塑成型/扩散焊曲面夹层组合结构 - Google Patents

Abstract

用于具有曲面的金属夹层结构在成型，特别是具有一个以上对称轴的曲面，例如二次曲面的金属结构的成型方法，该工艺方法部分地利用直接位移的方法，部分地利用流体相互作用的方法。另外，提供了一种限制成型板料与成型夹具之间相对位置的限位装置，这种装置允许在绝对限位前有部分板料流入成型腔中，并且其限位功能与压紧装置的夹紧力无关。

Description

本发明是关于超塑成型的复杂金属合金结构的

生产，更具体的说，是有关带曲面的这些结构的生产。

超塑性是某些金属在一定的温度范围内和一定的应变率范围内变形时，所显示出的具有最小颈缩的非常高的拉伸延伸率的特性。只有某些金属和合金才具有的这种特性在工艺上已是众所周知的。另外，在这些金属超塑成型的温度下，若对接触表面施加压力材料间就会发生熔融焊接，这也是人所共知的。

Hayase等人发明并转让给申请人的美国专利US4217397和US4304821提出了一种制造夹层结构的方法，在该夹层结构中两金属板料以一定的方式由断续焊接的方法焊接起来。根据成品的结构要求，断续焊的花样可以是简单的或复杂的，可以是较为分开的或是相对接近在一起。断续焊的目的是使得膨胀气体可通过未焊的间隔处通入芯部的所有部分，且均匀地胀开板料。然后通过连续焊接的方法把断续焊好的板料密封成一个可膨胀的芯部包层构件。在多层材料的工艺方法中，芯部板总是最内层的板料。包层构件设置一个管以提供把膨胀气通过包套内的腔。通过该管对夹在成型夹具中的芯部包层结构通入惰性气体的压力可超塑成型成要求的夹层结构。另外，芯部结构形状是为断续焊的花样所决定。当然，由断续焊花样形成的包层结构的各隔室之间的压力需实际上保持相等，这一点是由在断续焊缝中中断或不连续性而提供的通气孔来达到的。各室胀开形成自身的壁，这些壁包住断续焊缝，并且在胀开继续时，它们扩散焊成一单一的壁。当然，胀开的芯部的各部分的变形速度是不一样的，因此某些部分变形更大，这些部分壁更薄。如果使用简单的两板结构（如所说明的），在垂直壁形成时，芯部外表面将出现直接在断续焊缝上面的结合线。为消除这种结合线，该芯部包层结构可以-简单的方式对着另一块面板胀开，（这块面板可以如三层板结构中的一块面板或四层板结构中两块相对的面板）。这些面板可适应不同的方法。最简单的方法把面板与芯部包层结构稍隔开配置，并且让芯部板胀开对着面板，扩散焊在一起。另外，也可以把单块面板与芯部板料的周边焊起来形成第二个包层结构，由该包层结构中的一块板形成夹层结构的面板或外板。当然，必须装上另一根管以便对第二包层结构中通入膨胀气体。如果在芯部包层结构两侧都要有面板，可在两侧设置第二及第三包层结构，这些包层结构先胀开。另一种方法是让第二包层结构全部套住或包住芯部包层结构，并设置可通膨胀气体的管，然后第二包层结构（或外面的包层结构）先胀开，再胀开芯部包层结构。后一方案是用在这里所述的发明改进中。US4217397和US4304821的内容这里引作参考。但是，本发明改进在于使用专门的成型夹具和通过必要的步骤通过蠕变超塑成型工件的板料而形成具复杂曲面形状的夹层结构。

Hamilton等人的美国专利4，113，522和D.S.Field，Jr.等人的美国专利3，340，101，以及美国马省理工学院Walter    A.Backofen教授刊登在1962年12月15日“钢铁”杂志上题为“令冶金学喜悦的超塑性”的文章，都讲述了一些类似的两步操作。其方法包括，用直接位移（而不是流体的相互作用）的方法，至少部分地使材料变形，和在直接位移之前或后通过流体的相互作用的第二种状态，然而，所有这些参考资料讲述的都是一块板料的超塑成型。而且，这些资料都讲述了用夹板固定成型板料的方法，Backofen教授提出了十种超塑成型的方法。虽然他将这种固定方法比作像一块夹板一样，但他举例说明它就象挡块一样，这种挡块可认为是作为夹板的一种简单代表，因为在一些方法中，例如采用被纹塞，波纹快速反向板，气动滑板，和塞式助推气动滑板，如果固位装置仅是一个挡块，象图示那样，它是不能工作的。文章中没有讨论这些方法。

作为发明背景，另有两点值得注意。第一点，所有各种超塑成型的秘诀是使变形零件保持在拉伸状态下，在压缩状态下会导致成品零件的弯曲和随之产生的皱折，注意这点是很重要的。第二点，许多正在研制的合金，特别是铝合金，它们都具有超塑性，但不易进行扩散焊。基本上讲，所有超塑成型加扩散连接的方法都很难用于不易焊接的合金，除非采用某些后面讲到的步骤去改善连接方法，例如焊接，钎焊或粘接，所有这些都是已知的工艺方法。

另外，在现有技术中，当典型的多块板料包层构件进行液压成型时，成型材料被施加的液压力限制在成型夹具内，液压力起到一个巨大的夹板的作用，一般是通过组合成型模具起作用。然而，当金属是部分地通过直接位移状态和部分地通过流体相互作用状态进行超塑成型时，对于直接位移状态需要施

加部分的液压，并且必须设计其它装置，在流体相互作用期间对成型板料进行定位。然而，施加的两种压力应该与执行的两种功能相适应，这些压力系统是很复杂的，费用很高，而且一般不容易获得。非常希望有一种简单地加压方式，可以在一个成型模内既能进行直接位移成型也能进行流体相互作用成型，而不要在这两个步骤之间移动已部分成型的零件。因此，必须设计某些其它装置在两次成型操作期间，对被成型的板料进行定位。

本发明的一个目的是，用蠕变成型面板的方法和/或用直接位移的方法膨胀包层构件，并用流体相互作用法进一步膨胀部分或全部元件的方法生产曲面夹层结构。

本发明的另一个目的是，提供一些不是靠本身压力而将成型的板料固定在夹层结构中的装置。

本发明的又一个目的是提供一个保持被成型板厚的装置。以便提供为成型工序所需的过量材料，以便减少高应变区域内材料变薄、或控制材料厚度。

本发明的另一个目的是，在一个成型夹具内完成全部成型过程，而不像间断工序那样需要移动已部分成型的结构。

本实现本发明的目的，本发明提供了一种由多块板料成型金属夹层结构的方法，在该结构中两块板料由断续焊焊接成面对面接触，所述的方法包括把所述的已焊接板料密封起来，充入加压气体构成第一个可吹胀的包层组合构件，然后在带有内腔的限制夹具中把所述的多块板料加热到超塑性成型温度，并施加气压使所述的断续焊缝周围胀开形成一带腹板的有间隔的壁的结构等步骤，其特征在于所形成的壁结构是曲面形的，特别是绕多于一个轴弯曲的曲面，如一个二次曲面其特征还在于所述的方法还包括下面的步骤;提供一具有相对的凸面和凹面，并且在凸面与凹面之间限定一曲面形空腔的成型夹具;提供固定到所述板料周边以相对于所述的限制夹具限制所述的板料的位移的零件;将所述的多块板料加热到适合于蠕变成型的温度，但是，如果所述的板料是易于扩散焊的，则该温度应低于该板料的扩散焊温度;闭合所述的限制夹具，使所述的夹具的凸面直接作用所述的板料使它往所述夹具的凹面位移，从而使所述的板料的限位零件移动到对着所述的限制夹具的外边，最后的步骤为超塑膨胀所述的可吹胀的包层组合构件。

另外，所述的多块板料可以包括三块具有超塑性的板料，其中两块板料由断续焊焊接起来并在周边密封起来以形成所述的第一个可胀开的包层构件，而第三块板料与所述的第一个包层构件密封以形成第二个可吹胀的包层构件。

或者，所述的多块板料包括四块具有超塑性的板料，其中两块在里面的板料由断续焊焊接起来并在周边密封起来以形成所述的第一个可吹胀的包层构件，而两块在外面的板料在周边密封以形成把所述的第一个可吹胀的包层构件包起来的第二个可吹胀的包层构件。

在成型操作期间，固定板料包层构件的装置极为重要。在最佳的实施例中，成型操作时用于固定板料的方法是可变的，但要预先决定在绝对限位前板料移入夹具的量。一种非常方便的方法是在板料的周边焊上一金属条，当夹具闭合时该金属条的位置应该在成型夹具周边的外面，这样金属条就卡在成型夹具的凸缘上并提供强制的限位。该金属条可以是连续的，也可以是间断的。金属条和夹具凸缘之间间隔的变化决定了金属条与夹具凸缘接合而产生绝对限位之前移入夹具的材料量。

下面参照附图及实施例来进一步说明本发明。附图中本发明相同部分各给予相同的标号。

图1是用本发明的方法成型的球面部分的横剖面图;

图2是成型夹具及图1所示的曲面结构在成型前板料的剖面图;

图3与图2为同一剖面图，只是夹具闭合，这时，直接位移成型已经完成，而用流体相互作用方法的超塑性成型还未开始;

图4是图3的局部放大图，表示的是挡块和制造图1所示结构的实施例的四块板料;

图5为双包层构件板料的底视图，图中示出了挡块，焊接方式，密封部位及膨胀气管;

图2示出了图1所示的曲面夹层结构成型前的四金属板料包层组合构件以及成型夹具。但图4的局部放大图中更好地表示了该四块板料构件。该构件具有两块面板10和14，两块内部板料即芯部板料11和12。用不连续的间断的焊接法，按预先选定的方式将具有超塑性的芯部板料11和12焊在一起，如图中虚线15所示，其中，圆顶结构部位的中心距为1英寸。断续焊接的方式决定了芯部形状。

使芯部板料11和12焊在一起的断续焊接可以是任意类型的焊接，只要在超塑成型温度下不开焊即可。然而，在芯部膨胀之后，焊缝的宽度影响成型后腹板的形状，如图1中18所示，对于大多数合金而言，经受焊接之后材料的微结构已经发生变化而失去超塑性。因此，在成型之后，焊缝仍保持它预成型的形状。在这时，只不过是一系列点焊的间断滚焊法至少是焊接芯部板料的较好的方法。焊缝上的间断处必须足以提供一些孔穴，以便在成型过程中平衡芯部结构焊点之间的气压。然后，在板料周边附近进行连续焊接，使两块内部芯板11和12密封，但是，当夹具闭合时焊缝的位置必须处于该夹具之内。图5中假设轮廓线19表示的就是该焊缝。芯部包层构件在板料11和12之间产生局部变形，形成一个与芯部膨胀气管16的外径相配合的塞孔。然后，如图中23所示，将气管16对接焊到塞孔上形成一个连接的密封端。连续的滚焊焊缝19起始于膨胀气管16的一侧，在其另一侧结束，形成一个可吹胀的芯部包层构件，用于芯部的气压成型。

同样，对面板10和14也进行局部变形，形成与面板的膨胀气管17的外径相配合的第二个塞孔。气管17也被对接焊到该塞孔上形成另一个连接的密封端。然而，用连续滚焊法密封面板包层构件，焊缝的直径比图中假设轮廓线21所示的直径略大一些，该焊缝围绕着包层构件的周边，起始于膨胀气管17的一侧，结束于气管17的另一侧，形成一个独立的，附加的，可吹胀的面板包层构件以便单独加气压。于是我们有两个包层构件，芯部包层构件在面板包层构件之内。

除非你准备使用在一台设备上有两个压力装置的双动式压紧装置，否则，在成型过程中你需要一些装置固定板料。即使在双动式压紧装置上，也需要对夹具进行设计并确定夹具的尺寸，使之与压紧装置相配合，以便使该装置的一半能通过压力，或对板料周边的作用力使板料保持在相对于夹具的一定位置上。

总之，本发明提出一种新型挡块20，该挡块与层叠的四块板料焊在一起，在这四块板料中，芯板11和12已经被焊先焊好，并且在19所示的位置上密封，面板在21所示的位置上密封。挡块20必须与板料焊在一起（如图中27所示的点焊），这样挡块就可将全部四块板料固定。为了清楚地表示挡块的功能，图示的装置有点儿不成比例，在图1所示结构上实际使用的挡块是1/8英寸（3.2mm）厚，1英寸（25mm）宽，焊在面板的外周边上的金属条。

然而，挡块的形状和尺寸是成型程度和配合零件几何形状的函数，这里，配合零件指的是成型夹具的下半部分22上的凸缘21。加上上半部分24就构成完整的成型夹具。

显然，成型夹具的两个半边24和26的内部形状决定了成型构件的形状。已经与挡块20连在一起的层叠板料10，11，12和14，安放在夹具的下半部分22上，与具有凸面26的夹具上半部分24对准。且挡块20与凸缘21相接合。

如果成型材料是可扩散焊的，则压紧装置连同四块板料（两个包层构件）一起被加热到一个低于材料扩散焊的温度。这是很严格的，因为在这一工序中不能有任何扩散焊。而后缓慢地闭合压紧装置，使夹具上半部分的凸面26与面板10接触，并且利用其直接位移使全部四块板料10，11，12和14缓慢地变形，直到夹具闭合，如图3所示。当然，夹具闭合的速率或者是我们称为蠕变成型的板料变形速率是材料、温度和变形度的函数。在夹具的两半部分22和24完全闭合前的某一时刻，挡块20与凸缘21接合。变形前凸缘21与挡块20之间的间隙30应根据要求确定，前面已经讨论了，即，变形的零件必须总是处于拉伸状态，因为如果出现受压状态，变形部分会出现皱曲。

然后，将夹具和变形材料的温度升到最佳超塑性成型温度，如果材料是可扩散焊的，在该温度下变形材料将会产生扩散焊。通过气管17施加惰性气体，首先使面板包层构件（板料10和14）膨胀。因为面板的跨距较大，而芯板由于制造芯部时进行断续焊接，故跨距较小，所以面板的膨胀比芯板（材料11和12）的膨胀快得多。但是，当使用流体相互作用进行超塑性成型时，两个包层构件中都必须始终保持一定的压力;使芯板之间保持分离状态，防止它们扩散焊到一起。当加压气体充入板料11和12之间相对于断续胀开板料时形成腹板32。即使面板被吹胀到与成型夹具的内面25和26相接触之后，在面板上仍要保持压力，否则，在芯部成型的时候，芯板会在形成腹板32的地方牵拉面板，从而导致外表面的凹痕。超塑成型的实际压力处于100磅/英寸²的量级，但是，各种结构的实际压力随成型跨距而变化。因为芯部包层构件的跨距较短，故其成型压力高

于面板包层构件的成型压力。

应变率对于平衡的，稳定的成型是很重要的，应变率取决于整个包层构件的气压差的变化率，该包层构件在膨胀形成芯部时，是与包层构件中的特定结构跨超一起膨胀的。因此，被膨胀的包层构件的气压是按预先确定的速率增加的，对于涉及的特定结构它可以通过实验确定或者由计算得出。通过在断续滚焊时的停止或不连续性所形成的孔穴（图中以虚线15表示）使芯板包层构件间隔内的压力保持相等，对于某些芯部结构，按规定的速率增加膨胀压力，并且在几个压力水平上进行保压，使包层构件间隔内的压力保持平衡，也许是必要的。如果成型材料是可扩散焊的，随着芯部的膨胀并且与面板10和14的内表面相接触，芯板11和12被扩散焊到面板上。

芯板包层构件膨胀后接触到先膨胀的面板的内表面，并且特征在于具有图5中15所示的间断焊点移动的特征。焊点的上下表面均被原材料完全包容，并且某位置处于结构垂直面的中点，如图中18所示。然而，可以理解的是，随着成型表面被扩散焊在一起而形成一个单一的整体，在任意两块板料之间的任意界面上都不存在焊缝。

上面图示并加以说明的夹层结构是一种四板、两包层构件的组合结构。显然，一个三板料包层构件或者二板料构件，即单个包层构件，也能够被膨胀而形成另一种形式的这种结构件。

在已经说明并图示了本发明的特定的实施例时，应该懂得，在本发明的精神下，能够很容易地做出各种变化和改进。因此，不能认为本发明只是限制在所附的权利要求书的范围内。

Claims (15)

1、由多块板料成型金属夹层结构的方法，该结构中两块板料由断续焊焊接成面对面接触，所述的方法包括把所述的已焊接板料密封起来，充入加压气体构成第一个可吹胀的包层组合构件，然后在带有内腔的限制夹具中把所述的多块板料加热到超塑性成型温度，并施加气压使所述的断续的焊缝周围胀开形成一带腹板的有间隔的壁的结构等步骤，其特征在于所形成的壁结构是曲面形的，特别是绕多于一个轴弯曲的曲面，如一个二次曲面，所述的方法还包括下面的步骤：

提供一具有相对的凸面和凹面，并且在凸面与凹面之间限定一曲面形空腔的成型夹具；

提供固定到所述的板料周边以相对于所述的限制夹具限制所述的板料位移的零件；

将所述的多块板料加热到适合于蠕变成型的温度，但是，如果所述的板料是易于扩散焊的，则该温度应低于该板料的扩散焊温度；

闭合所述的限制夹具，使所述的夹具的凸面直接作用所述的板料使它往所述夹具的凹面位移，从而使所述的板料产生蠕变成型，并使固定到所述的板料的限位零件移动到对着所述的限制夹具的外边，最后的步骤为超塑膨胀所述的可吹胀的包层组合构件。

2、根据权利要求1的方法，其特征在于所述的多块板料包括三块具有超塑性的板料，其中两块板料由断续焊焊接起来并在周边密封起来以形成所述的第一可吹胀的包层构件，而第三块板料与所述的第一个包层构件密封以形成第二个可吹胀的包层构件。

3、根据权利要求1的方法，其特征在于所述的多块板料包括四块具有超塑性的板料，其中两块在里面的板料由断续焊焊接起来并在周边密封起来以形成所述的第一个，可吹胀的包层构件，而两块在外面的板料在周边密封以形成把所述的第一个可吹胀的包层构件包起来的第二个可吹胀的包层构件。

4、根据权利要求1，2，3中任一项要求的方法，其特征在于还包括在提供限制所述的板料位移的装置的步骤中使在成型该板料的过程中，在该板料受到限制之前，有一定量的材料可以进入所述的夹具的腔中。

5、根据权利要求1，2，3中任一项要求的方法，其特征在于所述的限制夹具的外边设有所述夹具的凸缘，而所述的提供固定到所述的板料周边的零件的步骤包括在所述的多块板料的周边焊一个挡块以在所述夹具的所述的凸缘和所述板料的所述挡块之间限定有一间距，使所述的挡块与所述的凸缘接触之前所述的板料可移动。

6、根据权利要求5的方法，其特征在于所述的挡块和要与挡块相接合的凸缘在所述的限制夹具闭合前是相隔分离的，因此在闭合夹具时，有部分板料可移动进入夹具的内腔，直到挡块与凸缘接触而绝对限制所述的板料位移时为止。

7、用权利要求1，2，3中任一项得到的由多块板料成型的金属夹层结构，其中两块板料由断续焊点焊接成面对面接触，并在周边密封起来并在所述的断续焊点周围超塑胀开，并且跟相对的隔开的在外面的板块扩散焊在一起形成带有间隔的壁的结构的几何形状，所述的壁一般与所述的面板垂直，所述的壁包住所述的断续焊点并且在它们与所述的面板间扩散焊接起来，其特征在于所形成的夹层结构的相对的外表面是绕多于一个轴弯曲的形成如二次曲面的结构。

8、实现权利要求1，2，3中任一项方法的装置，包括焊接装置、加热装置、充加压气体的装置、成型用的限制夹具，其特征在于还包括把多块板料限制在该两半分的限制夹具中的限位装置，该装置包括固定到所述板料的周边的一个零件、以给所述的板料提供相对于所述的两半分的限制夹具的挡块，和在成型过程中与固定到所述的板料的周边的零件相配合的而固定在所述的限制夹具上的一个部分。

9、根据权利要求8的装置，其特征在于在成型该板料之前，固定在该板料周边的挡块的位置与固定在两半分的限制夹具上的一个配合部分之间有一间距。

10、根据权利要求8的装置，其特征在于固定在板料周边的限制零件是焊在该板料上的金属块。

11、根据权利要求8的装置，其特征在于固定在限制夹具上的配合部分是在两半分的限制夹具上的一凸缘。

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