CN102416413A - 一种大直径铝合金管材的制备方法 - Google Patents

Abstract

一种大直径铝合金管材的制备方法，它涉及一种铝合金管材的的制备方法。本发明要解决现有技术存在不能以低成本、高生产率制备管壁厚小于2mm、性能优越的大直径铝合金管材的问题。方法：首先采用剪板机下料得到铝合金轧制板，通过卷板机制成圆柱形管坯，然后利用夹具装卡得到待焊管坯，采用搅拌摩擦焊进行焊接，再经过滚圆处理得到圆柱形焊管，最后依次经旋压和热处理即得到大直径铝合金管材；优点：一、能得优质的旋压坯料；二、可制备大管径管材；三、力学性能好；四、旋压道次少，且道次间无需退火处理，缩短了生产周期，降低了成本；五、尺寸精度高。本发明主要用于生产大直径铝合金管材。

Description

一种大直径铝合金管材的制备方法

技术领域

本发明涉及一种铝合金管材的的制备方法。

背景技术

在航空航天领域轻量化、高性能、低成本的发展趋势下，大直径铝合金管件需求逐渐增多，例如飞机进气道等。此类管件形状复杂，多为弯曲轴线变截面空心零件，对管材塑性要求较高；且管材直径多大于500mm，而壁厚仅为2～3mm。

铝合金管材传统成形工艺主要有以下三种：

1)热挤压法，目前国内最大的125MN挤压机(辽宁中旺集团)，最大也仅能生产直径＜620mm，壁厚＞8mm的铝合金管材，而且成形周期长，费用高，管材壁厚不均匀。

2)变薄旋压法，其原理是利用减薄壁厚的方法使短而厚的环坯长度伸长，从而得到薄壁长管件。当成形大直径铝合金管材时，主要存在着大直径厚壁环坯获取困难的问题。常用的旋压毛坯的制备方法如挤出法，受挤压机吨位的限制无法制备直径大于620mm的环坯；而采用铸造的方法，又存在铸件缺陷多，尤其对于航空航天使用较广的Al-Cu系合金，由于凝固温度范围大，铸造性能差，旋压废品率高，可靠性低。焊管也可用于制作旋坯，但很少利用铝合金焊管作为旋压坯料，这主要是因为铝合金在传统熔焊过程中极易氧化，生成的氧化铝(Al₂O₃)熔点高、非常稳定，不易去除，阻碍母材的熔化和熔合。此外，氧化膜的比重大，不易浮出表面，易生成夹渣、未熔合、未焊透等缺陷。铝板表面的氧化膜和吸附大量的水分，还易使焊缝产生气孔。铝合金的线膨胀系数约为碳素钢和低合金钢的两倍。铝凝固时的体积收缩率较大，焊件的变形和应力较大，铝焊接熔池凝固时容易产生缩孔、缩松、热裂纹及较高的内应力等问题。这些都导致了铝合金传统熔焊接头质量差，焊缝强度低，在旋压过程中，焊缝容易产生开裂等问题。尤其对于上述Al-Cu系合金(如2xxx铝合金)的大直径旋压环坯，焊接更加困难，可靠性更差。

此外，对于此类短而厚的大直径旋压环坯，旋压过程中内层坯料往往无法压透，导致坯料厚向各层应力状态不同，容易产生内部裂纹。同时短而厚的环坯往往需要较多的旋压道次；且道次间需要多次退火处理，生产率低、成本高。

3)卷焊法，生产成本低，壁厚均匀是生产大直径管材较好的方法。但对铝合金而言，同样存在上述熔焊接头质量差，缺陷多等问题，尤其是对Al-Cu系合金(如2xxx铝合金)，焊缝基本没有塑性变形能力，无法用于后续加工成形。

因此现有技术存在不能以低成本、高生产率制备管壁厚小于2mm、性能优越的大直径铝合金管材的问题。

发明内容

本发明要解决现有技术存在不能以低成本、高生产率制备管壁厚小于2mm、性能优越的大直径铝合金管材的问题，而提供一种大直径铝合金管材的制备方法。

一种大直径铝合金管材的制备方法，具体是按以下步骤完成的：一、下料：选择厚度为t₀铝合金轧制板，采用剪板机下料，得到长方形或者正方形铝合金轧制板；二、卷圆：利用卷板机将步骤一得到的长方形或者正方形铝合金轧制板进行卷圆，得到圆柱形管坯；三、装卡：采用夹具将步骤二得到的圆柱形管坯对接处装卡成宽度为20mm～Dmm的平面，且保证对接处的两端面对面完全对正、缝隙为10μm～100μm，即得到待焊管坯；四、焊接：采用搅拌摩擦焊的方法焊接步骤三得到待焊管坯的对接处，得到焊管；五、滚圆：将步骤四得到的焊管进行滚圆处理，得到圆柱形焊管；六、变薄旋压：采用变薄旋压方法将步骤五得到的圆柱形焊管的管壁厚度从t₀减薄至t，得到管壁厚度为t的圆柱形焊管，然后将管壁厚度为t的圆柱形焊管进行热处理，即得到大直径铝合金管材；步骤一中所述的厚度为t₀铝合金轧制板中t₀与步骤六中所述的管壁厚度为t的圆柱形焊管中t的关系为：t₀/t＝1.5～4；步骤三中所述的宽度为20mm～Dmm的平面中D为步骤二得到的圆柱形管坯的直径。

本发明的优点：一、本发明采用夹具将待焊接管坯对接处装卡成似Ω形状的待焊管坯，变“焊管为焊板”，然后利用搅拌摩擦焊焊接，解决了搅拌头与管坯接触及摩擦不完全而导致的焊缝壁厚过度减薄及力学性能差等问题，充分表现了搅拌摩擦焊固态连接方法焊缝强度高，塑性好的优点，从而获得了优质的旋压坯料；二、本发明可以制备大直径铝合金管材，因为最终管材尺寸取决于卷圆时铝合金轧制板的尺寸；三、本发明采用旋压方法制备的管材，管材组织及力学性能优异，管材焊缝及母材微观组织相近，避免了传统焊管组织不均匀而导致力学性能降低的问题，而且管材由细小等轴晶构成，平均晶粒尺寸小于5μm，与传统铝合金挤出管材晶粒为100μm～200μm相比，表现出更好的力学性能；四、本发明采用1.5～4倍管材壁厚的轧制板得到旋压坯料，解决了传统大直径旋坯获取困难以及短而厚的旋压坯料导致旋压道次多，旋压过程中易出现裂纹等问题，因为旋坯道次大大减少，且道次间无需退火处理，有效缩短了生产周期，降低了成本；五、本发明获得的大直径铝合金管材的尺寸精度远高于挤出管，管材直径公差为工件直径的0.2％左右，壁厚公差为工件壁厚的4％左右。

附图说明

图1是试验一各个步骤的产品示意图，图1中的A表示本试验步骤一得到的长方形铝合金轧制板，图1中的B表示本试验步骤二中得到的圆柱形管坯，图1中的C表示本试验步骤三得到似Ω形状管坯，图1中的D表示本试验步骤四得到似Ω形状焊管，图1中的E表示本试验步骤五得到圆柱形焊管，图1中的F表示本试验步骤六得到大直径铝合金管材；图2是试验一步骤五制备的直径为110mm圆柱形焊管母材的OIM微观组织结构分析图；图3是试验一步骤五制备的直径为110mm圆柱形焊管焊缝的OIM微观组织结构分析图；图4是步骤六制备的大直径铝合金管材母材的OIM微观组织结构分析图；图5是步骤六制备的大直径铝合金管材焊缝的OIM微观组织结构分析图；图6是具体实施方式二所述夹具的结构示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：本实施方式是一种大直径铝合金管材的制备方法，具体是按以下步骤完成的：

一、下料：选择厚度为t₀铝合金轧制板，采用剪板机下料，得到长方形或者正方形铝合金轧制板；二、卷圆：利用卷板机将步骤一得到的长方形或者正方形铝合金轧制板进行卷圆，得到圆柱形管坯；三、装卡：采用夹具将步骤二得到的圆柱形管坯对接处装卡成宽度为20mm～Dmm的平面，且保证对接处的两端面对面完全对正、缝隙为10μm～100μm，即得到待焊管坯；四、焊接：采用搅拌摩擦焊的方法焊接步骤三得到待焊管坯的对接处，得到焊管；五、滚圆：将步骤四得到的焊管进行滚圆处理，得到圆柱形焊管；六、变薄旋压：采用变薄旋压方法将步骤五得到的圆柱形焊管的管壁厚度从t₀减薄至t，得到管壁厚度为t的圆柱形焊管，然后将管壁厚度为t的圆柱形焊管进行热处理，即得到大直径铝合金管材。

本实施方式步骤一中所述的厚度为t₀铝合金轧制板中t₀与步骤六中所述的管壁厚度为t的圆柱形焊管中t的关系为：t₀/t＝1.5～4。

本实施方式步骤三中所述的宽度为20mm～Dmm的平面中D为步骤二得到的圆柱形管坯的直径。

搅拌摩擦焊，作为一种固相连接技术，在铝合金接头力学性能上相比传统熔焊有着明显的优越性；但由于焊接机械力较大，只用于平板的焊接。

本实施方式采用夹具将待焊接管坯对接处装卡成似Ω形状的待焊管坯，变“焊管为焊板”，然后利用搅拌摩擦焊焊接，解决了搅拌头与管坯接触及摩擦不完全而导致的焊缝壁厚过度减薄及力学性能差等问题，充分表现了搅拌摩擦焊固态连接方法焊缝强度高，塑性好的优点，从而获得了优质的旋压坯料。

本实施方式可以制备大直径铝合金管材，因为最终管材尺寸取决于卷圆时铝合金轧制板的尺寸。

本实施方式采用旋压方法制备的管材，管材组织及力学性能优异，管材焊缝及母材微观组织相近，避免了传统焊管组织不均匀而导致力学性能降低的问题，而且管材由细小等轴晶构成，平均晶粒尺寸小于5μm，与传统铝合金挤出管材晶粒为100μm～200μm相比，表现出更好的力学性能。

本实施方式采用1.5～4倍管材壁厚的轧制板得到旋压坯料，解决了传统大直径旋坯获取困难以及短而厚的旋压坯料导致旋压道次多，旋压过程中易出现裂纹等问题，因为旋坯道次大大减少，且道次间无需退火处理，有效缩短了生产周期，降低了成本。

本实施方式获得的大直径铝合金管材的尺寸精度远高于挤出管，管材直径公差为工件直径的0.2％左右，壁厚公差为工件壁厚的4％左右。

采用下述试验验证发明效果：

试验一：一种大直径铝合金管材的制备方法，具体是按以下步骤完成的：

一、下料：选择厚度为5mm铝合金轧制板，采用剪板机下料，得到长度为500mm、宽度为336mm的长方形铝合金轧制板；二、卷圆：利用卷板机将步骤一得到的长方形铝合金轧制板进行卷圆，得到直径为110mm圆柱形管坯；三、装卡：采用夹具将步骤二得到的圆柱形管坯对接处装卡成宽度为60mm的平面，且保证对接处的两端面对面完全对正、缝隙为10μm，即得到待焊管坯；四、焊接：采用搅拌摩擦焊的方法焊接步骤三得到待焊管坯的对接处，得到焊管；五、滚圆：将步骤四得到的焊管进行滚圆处理，得到直径为110mm圆柱形焊管；六、变薄旋压：采用变薄旋压方法将步骤五得到的圆柱形焊管的管壁厚度从5mm减薄至1.5mm，得到管壁厚度为1.5mm的圆柱形焊管，然后将管壁厚度为1.5mm的圆柱形焊管在300℃下进行退火处理，即得到大直径铝合金管材。

本试验步骤三中所述的夹具是由左支撑、左压爪、左压紧螺栓、左推杆、右支撑、右压爪、右压紧螺栓、右推杆、夹具底座、芯轴和垫块组成，其中夹具底座是由底板、左挡板、右挡板和后挡板组成，左支撑和左推杆与左挡板连接，且左支撑和左推杆能在左挡板上左右反复运动，右支撑和右推杆与右挡板连接，且右支撑和右推杆能在右挡板上左右反复运动，芯轴与后挡板连接，且在焊接过程芯轴沿自身纵向固定不动，左压爪通过左压紧螺栓固定在左支撑上，右压爪通过右压紧螺栓固定在右支撑上，垫块放在夹具底座的底板上，通过调整垫块保证待焊管坯内壁与芯轴的弧形底部充分接触。

本试验步骤三中所述的装卡过程如下：将步骤二得到的圆柱形管材套入芯轴上，调整步骤二得到的圆柱形管材使圆柱形管材对接处置于左压爪和右压爪之间的缝隙处，然后调整垫块使芯轴的弧形底部与步骤二得到的圆柱形管材内壁充分接触，然后调整通过左支撑、左推杆、右支撑、和右推杆将步骤二得到的圆柱形管材固定，最后利用左压爪、左压紧螺栓、右压爪和右压紧螺栓将圆柱形管材对接处的两边压靠在芯轴上，最终得到待焊管坯。

步骤六中所述的变薄旋压为：以下压量为10％～30％对步骤五得到的圆柱形焊管进行旋压，共旋压5道次。

本试验各个步骤的产品示意图，如图1所示，图1中的A表示本试验步骤一得到的长方形铝合金轧制板，图1中的B表示本试验步骤二中得到的圆柱形管坯，图1中的C表示本试验步骤三得到待焊管坯，图1中的D表示本试验步骤四得到焊管，图1中的E表示本试验步骤五得到圆柱形焊管，图1中的F表示本试验步骤六得到大直径铝合金管材；根据图1可以清楚的看到本试验从长方形铝合金轧制板到大直径铝合金管材变形过程。

本试验制备的大直径铝合金管材的直径为103mm，管壁厚度为1.5mm。

对本试验步骤五制备的直径为110mm圆柱形焊管和步骤六制备的大直径铝合金管材进行OIM微观组织结构分析，如图2～4所示，图2是本试验步骤五制备的直径为110mm圆柱形焊管母材的OIM图，从图2中可以看出步骤五制备的直径为110mm圆柱形焊管母材的晶粒为板条状的粗晶，尺寸约为300μm～500μm；图3是本试验步骤五制备的直径为110mm圆柱形焊管焊缝的OIM图，从图3中可以看出步骤五制备的直径为110mm圆柱形焊管焊缝的晶粒细小，平均晶粒尺寸约为2.4μm，本试验步骤五制备的直径为110mm圆柱形焊管的焊缝与本试验步骤五制备的直径为110mm圆柱形焊管的母材的晶粒尺寸相差近100倍，焊缝及母材组织较大差异会降低FSW接头的力学性能，降低管材使用的可靠性；图4是本试验步骤六制备的大直径铝合金管材母材的OIM图，对比图2可知母材原始粗大的板条状粗晶变得细小，平均晶粒尺寸约为3μm；图5是本试验步骤六制备的大直径铝合金管材焊缝的OIM图，对比图3可知焊缝晶粒进一步得到细化，平均晶粒尺寸约为1.8μm左右；从图4和5可知本试验步骤六制备的大直径铝合金管材的焊缝与本试验步骤六制备的大直径铝合金管材的母材微观组织相近，避免了传统卷焊管材焊缝及母材组织不均匀而导致力学性能降低的问题，而且管材由细小等轴晶构成，平均晶粒尺寸小于5μm。管材近似于均质的无缝管，但其组织性能却远高于挤出无缝管(平均晶粒尺寸100μm～200μm)，这极大的提高了管材用于航空及航天等领域的可靠性。

通过对本试验步骤六制备的管壁厚度为1.5mm的圆柱形焊管、步骤六制备的大直径铝合金管材和现有采用传统挤出工艺制备的直径105mm，壁厚2.5mm的挤出无缝管进行力学性能检测，检测结果如表1所示。

通过表1拉伸性能的对比，可以发现本试验步骤六制备的管壁厚度为1.5mm的圆柱形焊管在未进行热处理的情况下具有较高的强度，母材的屈服强度达到挤出无缝管的3倍，而焊缝的屈服强度达到挤出无缝管的3.6倍，步骤六中在经过300℃的退火处理后得到的大直径铝合金管材，管材不但具有较好的塑性，其强度仍高于挤出无缝管，管材表现出较好的综合力学性能，完全能满足后续塑性加工的要求。

表1

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一的不同点是：步骤三中所述的夹具结合图6是由左支撑1、左压爪2、左压紧螺栓3、左推杆7、右支撑6、右压爪5、右压紧螺栓4、右推杆8、夹具底座9、芯轴10和垫块11组成，其中夹具底座9是由底板9-1、左挡板9-2、右挡板9-3和后挡板9-4组成，左支撑1和左推杆7与左挡板9-2连接，且左支撑1和左推杆7能在左挡板9-2上左右反复运动，右支撑6和右推杆8与右挡板9-3连接，且右支撑6和右推杆8能在右挡板9-3上左右反复运动，芯轴10与后挡板9-4连接，且在焊接过程芯轴10沿自身纵向固定不动，左压爪2通过左压紧螺栓3固定在左支撑1上，右压爪5通过右压紧螺栓4固定在右支撑6上，垫块11放在夹具底座9的底板9-1上，通过调整垫块11保证待焊管坯内壁与芯轴10的弧形底部充分接触。其它与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二之一不同点是：步骤三中所述的装卡过程如下：将步骤二得到的圆柱形管材套入芯轴10上，调整步骤二得到的圆柱形管材使圆柱形管材对接处置于左压爪2和右压爪5之间的缝隙处，然后调整垫块11使芯轴10的弧形底部与步骤二得到的圆柱形管材内壁充分接触，然后调整通过左支撑1、左推杆7、右支撑6、和右推杆8将步骤二得到的圆柱形管材固定，最后利用左压爪2、左压紧螺栓3、右压爪5和右压紧螺栓4将圆柱形管材对接处的两边压靠在芯轴10上，最终得到待焊管坯。其它与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三不同点是：步骤六中所述的变薄旋压为：以下压量为10％～30％对步骤五得到的圆柱形焊管进行旋压，共旋压4～5道次。其它与具体实施方式一至三相同。

通过本实施方式共旋压4～5道次，与现有变薄旋压法制备大直径管材相比，减少3～8道次，因此降低了制备成本。

Claims (4)

1.一种大直径铝合金管材的制备方法，其特征在于大直径铝合金管材的制备方法是按以下步骤完成的：

一、下料：选择厚度为t₀铝合金轧制板，采用剪板机下料，得到长方形或者正方形铝合金轧制板；二、卷圆：利用卷板机将步骤一得到的长方形或者正方形铝合金轧制板进行卷圆，得到圆柱形管坯；三、装卡：采用夹具将步骤二得到的圆柱形管坯对接处装卡成宽度为20mm～Dmm的平面，且保证对接处的两端面对面完全对正、缝隙为10μm～100μm，即得到待焊管坯；四、焊接：采用搅拌摩擦焊的方法焊接步骤三得到待焊管坯的对接处，得到焊管；五、滚圆：将步骤四得到的焊管进行滚圆处理，得到圆柱形焊管；六、变薄旋压：采用变薄旋压方法将步骤五得到的圆柱形焊管的管壁厚度从t₀减薄至t，得到管壁厚度为t的圆柱形焊管，然后将管壁厚度为t的圆柱形焊管进行热处理，即得到大直径铝合金管材；步骤一中所述的厚度为t₀铝合金轧制板中t₀与步骤六中所述的管壁厚度为t的圆柱形焊管中t的关系为：t₀/t＝1.5～4；步骤三中所述的宽度为20mm～D mm的平面中D为步骤二得到的圆柱形管坯的直径。

2.根据权利要求1所述的一种大直径铝合金管材的制备方法，其特征在于步骤三中所述的夹具是由左支撑(1)、左压爪(2)、左压紧螺栓(3)、左推杆(7)、右支撑(6)、右压爪(5)、右压紧螺栓(4)、右推杆(8)、夹具底座(9)、芯轴(10)和垫块(11)组成，其中夹具底座(9)是由底板(9-1)、左挡板(9-2)、右挡板(9-3)和后挡板(9-4)组成，左支撑(1)和左推杆(7)与左挡板(9-2)连接，且左支撑(1)和左推杆(7)能在左挡板(9-2)上左右反复运动，右支撑(6)和右推杆(8)与右挡板(9-3)连接，且右支撑(6)和右推杆(8)能在右挡板(9-3)上左右反复运动，芯轴(10)与后挡板(9-4)连接，且在焊接过程芯轴(10)沿自身纵向固定不动，左压爪(2)通过左压紧螺栓(3)固定在左支撑(1)上，右压爪(5)通过右压紧螺栓(4)固定在右支撑(6)上，垫块(11)放在夹具底座(9)的底板(9-1)上，通过调整垫块(11)保证待焊接管材内壁与芯轴(10)的弧形底部充分接触。

3.根据权利要求2所述的一种大直径铝合金管材的制备方法，其特征在于步骤三中所述的装卡过程如下：将步骤二得到的圆柱形管材套入芯轴(10)上，调整步骤二得到的圆柱形管材使圆柱形管材对接处置于左压爪(2)和右压爪(5)之间的缝隙处，然后调整垫块(11)使芯轴(10)的弧形底部与步骤二得到的圆柱形管材内壁充分接触，然后调整通过左支撑(1)、左推杆(7)、右支撑(6)、和右推杆(8)将步骤二得到的圆柱形管材固定，最后利用左压爪(2)、左压紧螺栓(3)、右压爪(5)和右压紧螺栓(4)将圆柱形管材对接处的两边压靠在芯轴(10)上，最终得到待焊管坯。

4.根据权利要求1、2或3所述的一种大直径铝合金管材的制备方法，其特征在于步骤六中所述的变薄旋压为：以下压量为10％～30％对步骤五得到的圆柱形焊管进行旋压，共旋压4～5道次。

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