CN1037856A - 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形的，复杂的，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，在这些金属超塑成形的温度下，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No.4，217，397和NO，4，304，821提出了一种制造夹层结构的工艺，在该夹层结构中，金属板料先按预定方式用断续焊接的方法焊接，再将该焊接过的板料用连续焊接的方法密封成一个可膨胀的包层构件。在夹具中对该包层构件施加惰性气体压力，从而用超塑成形形成夹层结构。该结构的芯部形状取决于断续焊接的方式。夹层结构的面板可以由包层构件的一块板料构成，或者，将夹层结构的面板插入限制夹具中并使包层构件对着面板膨胀。在此将美国专利NO，4，217，397和NO，4，304，821的内容合并，以便参考。

基本上，这两个专利所讲述的工艺只能生产平面芯部结构，也就是说，面板是平面的不是曲面的，虽然他们建议预先将面板制成复杂形状，象实用的那样，但这种技术仅对非常有限的曲面是有效的。该工艺过程最困难和最复杂的部分是焊接预成形芯板。除了焊接之外，预成形也是一道复杂的工序，因为预成形需要精密成形，否则就不能对预成形件进行满意的焊接。在典型的四板工艺过程中，两个面板需要不同的模型半径，并且形成后来膨胀成夹层芯的包层结构的焊接板料又需要第三个半径。

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形。而且，这些资料都讲述了用夹板固定成形板料的方法。Backofen教授提出了十种超塑成形的方法。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档块一样，这种档块可认为是作为夹板的一种简单代表，因为在一些方法中，例如采用波纹塞，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，所有各种超塑成形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，所有超塑成形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形时，成形材料被施加的液压力限制在成形夹具内，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，当金属是部分地位移状态和部分地通过流体相互作用状态进行超塑成形时，对于直接位移状态需要施加部分的液压，并且必须设计某它装置，在流体相互作用期间对成形板料进行定位。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，可以在一个成形模内既能进行直接位移成形也能进行流体相互作用成形，而不要在这两个步骤之间移动已部分成形的零件。因此，必须设计某些其它装置在两次成形操作期间，对被成形的板料进行定位。

本发明的一个目的是，用蠕变成形面板的方法和/或，用直接位移的方法膨胀包层构件，并昧魈逑嗷プ饔梅ń徊脚蛘筒糠只蛉吭姆椒ㄉ婕胁憬峁埂?

本发明的另一个目的是，提供一些不是靠本身压力而将成形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形板厚的装置，以便提供为成形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，在一个成形夹具内完成全部成形过程，而不像断间工序那样需要移动已部分成形的结构。

简明概括地说，本发明提供了制造曲面的金属夹层结构的方法，特别是制造用许多块金属板料组成的具有一个以上对称轴的曲面，例如二次曲面的夹层结构的方法。通常是用不连续滚焊法先将相邻的两块板料焊在一起，在某些方法中，允许气流以预先选定方式通过焊点之间的间隙，这种预先选定的方式决定了夹层结构芯部的几何形状。然后，插入一根膨胀气管并且密封被焊板料的周边，从而形成一个可膨胀的芯部包层构件。在芯部包层构件的顶部和底部安置面板，插入第二根膨胀气管并且密封周边，用大致相似的办法形成第二个（面板）包层构件，该包层构件将芯部包层构件包围。当成形夹具闭合时，两个包层构件的焊接周边必须能安放在该夹具的内部。然后，将这两个包层构件（一个包层构件被包含在另一个包层构件之内）安置在一个限制夹具之内，该限制夹具具有相对应的凸面和凹面。必须提供一些装置将层叠板料的包层构件与相关的夹具固定。当然，夹层凸面和凹面之间的空间控制了夹层结构的高度和形状。然后，将板料包层构件加热到适合于蠕变成形，但低于板料扩散焊的温度，这时将夹具缓慢地闭合，以便夹具的凸面直接移动，即，使板料向夹具的凹面进行蠕动成形。在这之后，不需要打开成形夹具，将板料加热到超塑成形的最佳温度，在两个可膨胀的包层构件中施加气压，使断续焊接的板料膨胀，首先形成面板，随后芯部板料膨胀形成曲面夹层结构。

在成形操作期间，固定板料包层构件的装置极为重要。在最佳的实施例中，成形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流入夹具的量。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形夹具周边的外面，这样金属条就卡在成形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流入夹具的材料量。

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形的球面部分的横剖面图;

图2是成形夹具及图1所示的曲面结构在成形前板料的剖面图;

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

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形前的四金属板料包层组合构件以及成形夹具。但图4的局部放大图中更好地表示了该四板料构件。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，园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，只要在超塑成形温度下不开焊即可。然而，在芯部膨胀之后，焊缝的宽度影响成形后腹板的形状，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，在成形之后，焊缝仍保持它预成形的形状。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，以便在成形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中假设轮廊线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，用于芯部的气压成形。

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。然后，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廊线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，可吹胀的面板包层结构以便单独加气压。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，在成形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已经被预先焊好，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形程度和配合零件几何形状的函数。这里，配合零件指的是成形夹具的下半部分22上的凸缘21。加上上半部分24就构成完整的成形夹具。

显然，成形夹具的两个半边24和26的内部形状决定了成形构件的形状。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。

如果成形材料是可扩散焊的，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形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形温度，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形时，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，这一点也是十分重要的。即使面板被吹胀到与成形夹具的内面25和26相接触之后，在面板上仍要保持压力，否则，在芯部成形的时候，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。超塑成形的实际压力处于100磅/英寸²的量级，但是，各种结构的实际压力随成形跨距而变化。因为芯部包层构件的跨距较短，故其成形压力高于面板包层构件的成形压力。

应变率对于平衡的，稳定的成形是很重要的，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距一起膨胀的。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仃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。如果成形材料是可扩散焊的，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，并且其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，随着成形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 (13)

1、具有曲面的金属夹层结构，特别是由多块板料组成的，有一个以上对称轴的曲面，例如二次曲面的夹层结构的成形方法，包括：

提供多块金属板料，至少其中之一是具有超塑性的金属合金板料；

至少将该板料中的二块焊在一起，至少该二块板料之一是具有超塑性的金属合金板料，按预先选定的方式用断续焊接的方法，将该二块板料相互焊接，形成至少一组焊成的板料；

密封该已焊接的板料，使已焊接的板料之间形成可容纳压力气体的装置，构成至少第一个可吹胀的包层组合构件；

提供一具有相对的凸面和凹面、并且在凸凹面之间具有一定空腔以成形曲面的限制夹具。

将层叠起来的板料放置在该限制夹具的内腔上，并且将至少一块具有超塑性的金属合金制成的板料面向该限制夹具的凹面；

在该板料的周边提供挡块装置，以限定该板料与该夹具的相对位置；

将该板料加热到适合于蠕变成形的温度，但是，如果该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；

闭合该限制夹具，使其凸面推动板料直接向凹面移动，从而使该板料产生蠕变成形并且使挡块装置移动到靠压在该限制夹具的外面；

然后将板料加热到适合于超塑成形的最佳温度，并且对该容纳压力气体的装置加压，于是在该可吹胀的包层组合构件的内部和外部产生压力差，从而至少引起一块断续焊接的上述板料膨胀而形成一种带腹板状的、彼此隔开的内壁的曲面结构。

2、根据权利要求1提出的方法，其中所述的多块板料结构是三块具有超塑性的板料，其特征在于该方法还包括：

将其第三块板料与第一个可吹胀的包层构件焊接并密封形成第二个可吹胀的包层构件，从而在该第三块板料和该第一个可吹胀包层构件之间提供一个可容纳压力气体的装置，并且将其第三块板料面向限制夹具的凹面，并且，

同时对这两个可吹胀的包层构件施加气压，控制该压力，以便在第一，二块断续焊接的板料中至少一块充分膨胀而形成带腹板的曲面结构之前，在第三块板料膨胀到与限制夹具的凹面贴紧的过程中，保持第一块板料和第二块板料之间分离。

3、根据权利要求1提出的方法，其中所述的多块板料结构是四块具有超塑性的板料，其特征在于该方法还包括：

焊接并密封其第三块和第四块板料，将第一个可吹胀的包层构件包在里面，从而在第三块和第四块板料之间提供一个容纳压力气体的装置庋偷玫揭桓隹纱嫡偷拿姘灏愎辜⑶遥?

同时对该第一个可吹胀包层构件和该可吹胀的面板包层构件施加气压，控制其压力，以便在该断续焊接的第一、二块板料充分膨胀而形成带腹板的曲面结构之前，在可吹胀面板包层构件膨胀到与限制夹具贴紧的过程中，保持第一块板料和第二块板料之间分离。

4、根据权利要求1，2或3提出的方法，其特征在于还包括提供限制该板料的装置的步骤，以便在成形该板料的过程中，在该板料受到绝对限制之前，有一定量的材料可以进入夹具的空腔。

5、根据权利要求1，2或3提出的方法，其特征在于还包括提供固定在板料上的挡块的步骤，该挡块与该限制夹具相接合，从而限制了该板料与该夹具的相对位置。

6、根据权利要求1，2或3提出的方法，其特征在于还包括：

在该夹具上提供一个凸缘，并且，

在该多块板料构件的周边焊上挡块，调整该凸缘与该挡块之间的间隙，以便，在挡块靠住凸缘之前板料可以流动。

7、曲面金属夹层结构的成形方法，特别是由多块板料组成的，有一个以上对称轴的曲面，例如二次曲面的夹层结构的成形方法，包括：

提供多块金属板料，至少其中之一是具有超塑性的金属合金板料;

将该板料中的至少二块焊在一起，至少该二块板料之一是具有超塑性的金属合金板料，按预先选定的方式用断续焊接的方法，将该二块板料叠加相互焊在一起，形成至少一组焊成的板料;

密封该已焊接的板料的周边，从而在该已焊接板料之间提供一个容纳压力气体的装置，形成至少第一个可吹胀的包层组合构件;

提供一具有相对应的凸面和凹面，并且在凸凹面之间具有一定空腔的成形曲面的限制夹具。该夹具在该凸面和凹面的其中之一带有凸缘;

将挡块焊到该多板料构件上，以便将所有板料连接起来，并且将包括至少一个可吹胀包层组合构件的板料放到限制夹具的内腔之上，其至少一块具有超塑性的金属合金板料面向限制夹具的凹面，并通过使挡块移到与夹具凸缘相接合的办法进一步定位;

然后将板料加热到适合于蠕变成形的温度，但是，如果该板料是易于扩散焊的，则该温度要低于板料扩散焊的温度;

闭合该限制夹具，以便使夹具的凸面直接使板料向着夹具的凹面移动，从而使板料蠕变成形;移动板料上的挡块使与夹具的凸缘接触，并且将板料加热到适合于超塑成形的最佳温度，并对该容纳压力气体的装置施加气压，使该可吹胀的包层组合构件的内外产生压力差，使得至少一块断续焊接的板料膨胀形成一种带腹板状的、彼此隔开的内壁的曲面结构。

8、根据权利要求7提出的方法，其特征在于挡块与和挡块相接合的凸缘在闭合夹具之前是相隔分离的，因此在闭合夹具时，有部分板料流入内腔，直到挡块与凸缘接合而绝对限定板料为止。

9、根据权利要求1，2，3，7，或8的方法生产的曲面金属结构。

10、将至少两块成形板料限制在组合限制夹具内的限位装置，该装置具有相对的第一表面和第二表面，并且该第二表面有一个内腔，该内腔可以部分通过直接位移的方法，部分通过流体相互作用的方法来生产一个曲面，其包括：

固定在板料周边的第一个装置，即限定板料与组合限制夹具南喽晕恢玫牡部?和

固定在组合限制夹具上的第二个装置，在成形过程中它与固定在板料周边的第一个装置相接合。

11、根据权利要求10的装置，其特征在于在成形该板料之前，固定在板料周边的第一个装置的位置，与固定在组合限制夹具上的第二个装置之间有一间隙。

12、根据权利要求10或11的装置，其特征在于固定在板料周边的第一个装置是焊在该板料上的金属挡块。

13、根据权利要求10，11或12的装置，其特征在于第二个装置是组合限制夹具的第二表面上的凸缘。

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