CN106670728A - 一种大直径铝合金高性能筒形壳体的制造方法 - Google Patents
一种大直径铝合金高性能筒形壳体的制造方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明属于大直径铝合金筒形壳体制造技术领域，具体涉及一种大直径铝合金高性能筒形壳体的制造方法。本发明技术方案通过采取塑性成形代替铸造，研究环轧、旋压、电子束焊接的工艺组合，大型铝合金筒形壳段的制造采用先环轧、再旋压的塑性成形方案进行中部的筒状环形件研制，然后将两个端框分别与筒状环形件两端电子束焊接，控制产品的形-性状态，可以满足产品使用性能的要求。
Description
技术领域
本发明属于大直径铝合金筒形壳体制造技术领域，具体涉及一种大直径铝合金高性能筒形壳体的制造方法。
背景技术
高强铝合金壳体结构制造技术是航天器结构制造技术体系中的重要组成部分。传统航天器的壳段广泛采用整体铸件机械加工成形工艺方案，整体铸造具有生产周期短、成本低等优点。但整体铸造方案因铸造缺陷，如微疏松、缩孔等，对材料力学性能、延伸率及稳定性产生一定影响。另外，复杂区域铸造缺陷的检测困难，后续机加往往会暴露出内部缺陷，造成对接表面出坑等，并且缺陷在生产过程中暴露较晚，对生产成本和生产周期造成较大影响。对于内部质量要求高、力学性能稳定性好的壳体结构制造难以满足需要。
航天器级与级之间通过级间壳体连接，是相对薄弱的部位，在强大的压力和弯矩载荷冲击作用下，级间壳体容易发生失效和破坏。因此对壳段性能和内部质量稳定性提出了更高要求。亟需通过提高产品工艺和质量可靠性，保证产品生产进度，满足型号高密度、高风险发射任务需求。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对Ф2000mm级高性能筒形壳段的研制，以航天器铝合金二三级级间段壳体为研究对象，采取环轧、旋压、电子束焊接、热处理、机加等工艺组合技术方案，实现高强铝合金环形件环轧及旋压组合近净成型，筒形壳体形-性协调技术研究，保证筒形壳体的本体性能指标和焊接接头的性能指标满足要求。
为了实现这一目的，本发明采取的技术方案是：
一种大直径铝合金高性能筒形壳体的制造方法，适用于制备直径大于2000mm的铝合金筒形壳段，包括以下步骤：
步骤一：大型铝合金高筒环形件环轧成形
(1.1)确定初始环坯尺寸：
控制初始环坯的内圆与外圆同心，且圆度在0.5mm以内；
(1.2)控制初始环坯在轧制过程中的直径增长速率为8mm/s；
控制初始环坯在轧制过程中的主轧辊转速为1115mm/s；
(1.3)设计径-轴双向轧制过程中的轧制曲线：
轧制曲线分为3个主要阶段，阶段1为预整圆阶段，对坯料进行整圆，消除制坯缺陷以保证随后轧制过程平稳进行；阶段2为主轧制阶段，环坯咬入轧制装置中的孔型后，在轧制装置中的主轧辊的作用下壁厚和高度不断减小至目标尺寸，直径不断增大至目标尺寸；阶段3为精整阶段，此阶段轧制装置中的上下锥辊抬起，环件只在径向轻微变形，以控制环坯的尺寸精度及圆度；
(1.4)最终得到目标尺寸的环坯作为下一步的坯料；
步骤二：大型铝合金厚壁环形件旋压成形
(2.1)芯模和坯料设计及加工：坯料的材料为铝合金、旋压成形芯模的材料为钢质材料，旋压前，控制旋压成形芯模的直径大于坯料内径5mm；
(2.2)坯料预热：将坯料预热至180～200℃；
(2.3)坯料芯模套装：套装时，芯模不预热，保持室温；控制芯模与坯料之间的单侧间隙在3.5mm以上；
(2.4)坯料与芯模预热：将芯模和坯料整体预热到260～280℃；
(2.5)旋压成形：在第一道次旋压前，控制坯料和芯模之间的间隙0≤Δs≤1.0mm；旋压过程中，在控制失稳隆起的前提下，采用偏上限进给比；
(2.6)坯料与芯模一体冷却：冷却至室温后卸料；通过冷却热应力提高成形精度；
步骤三：大型铝合金筒形壳体电子束焊接
(3.1)确定电子束焊接接头结构：焊接接头采用锁底对接的形式，焊接整体厚度30mm，锁底厚度为5mm，对接区厚度为25mm；
(3.2)对焊接接头进行固溶处理：在焊接前对焊接接头进行固溶处理，通过固溶处理使得焊接接头强度达到固溶态母材的85％以上，延伸率为4.5％～5.5％；
(3.3)按照如下参数开始电子束焊接：下散聚焦状态、焊接速度为700mm/min、液态熔池停留时间为5～10s、扫描波形为锯齿波扫描、扫描频率为400HZ、扫描幅值Vx＝1.3。
进一步的，如上所述的一种大直径铝合金高性能筒形壳体的制造方法，铝合金的型号为2A14。
进一步的，如上所述的一种大直径铝合金高性能筒形壳体的制造方法，步骤(1.1)中，环坯的目标尺寸是外圆直径为2095mm,内圆直径为1943mm，高度为500mm；初始环坯尺寸是外圆直径为1105mm,内圆直径为785mm，高度为508mm。
本发明技术方案通过采取塑性成形代替铸造，研究环轧、旋压、电子束焊接的工艺组合，大型铝合金筒形壳段的制造采用先环轧、再旋压的塑性成形方案进行中部的筒状环形件研制，然后将两个端框分别与筒状环形件两端电子束焊接，控制产品的形-性状态，可以满足产品使用性能的要求。具体有如下有益效果：
1)铝合金筒形壳体环轧-旋压-电子束焊接制造不需要大型昂贵锻造装备，相比等截面结构节省近一半原材料。
2)旋压成形与环轧成形的变形特点互补，产生双向轧制效应，不同区域力学性能取样测试的结果一致性好，力学性能优于铸造本体性能。
3)环轧-旋压成形内部质量好。内部组织均匀并且致密，晶粒细小，纤维排列整齐，一致性好，避免了铸件易产生的疏松、缩孔等内部缺陷，达到铝合金锻件要求。
4)电子束焊接30mm左右中大厚度的高强铝合金，能充分发挥穿透力强、焊缝深宽比大的特点，相比其它熔焊方法，热输入量小，能有效控制焊接变形，接头强度系数高，是中大厚度高强铝合金焊接的优选方法。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明技术方案进行详细说明。
铝合金高性能筒形壳体制造技术方案主要从高筒环形件环轧成形、厚壁环形件旋压成形、中大厚度铝合金电子束焊接及与热处理机制的协调研究、筒形壳体热处理防变形及去应力等方向逐步开展，采用自顶向下分解、自底向上铺垫的方式，逐个突破高强铝合金筒形件环轧椭圆度控制技术、厚壁铝合金筒坯旋压缺陷控制、大型铝合金壳段少无缺陷高质量焊接等关键技术，进而实现Ф2000mm级铝合金高性能筒形壳段的研制。
本发明一种大直径铝合金高性能筒形壳体的制造方法中，，适用于制备直径大于2000mm的铝合金筒形壳段，包括以下步骤：
步骤一：大型铝合金高筒环形件环轧成形
(1.1)确定初始环坯尺寸：
设计不同规格环坯，确定最优环坯规格，研究合理的制坯方式，提高环坯的力学性能。通过有限元仿真模拟技术，实现径-轴向轧制工艺参数设计与优化技术研究。明确各个过程参数的允许波动范围，制定过程参数控制方法，完成环件的小变形轧制成形，控制环轧件的椭圆度。
在本实施例中，环坯的目标尺寸是外圆直径为2095mm,内圆直径为1943mm，高度为500mm；初始环坯尺寸是外圆直径为1105mm,内圆直径为785mm，高度为508mm。
(1.2)控制初始环坯在轧制过程中的直径增长速率为8mm/s；
控制初始环坯在轧制过程中的主轧辊转速为1115mm/s；
(1.3)设计径-轴双向轧制过程中的轧制曲线：
轧制曲线分为3个主要阶段，阶段1为预整圆阶段，对坯料进行整圆，消除制坯缺陷以保证随后轧制过程平稳进行；阶段2为主轧制阶段，环坯咬入轧制装置中的孔型后，在轧制装置中的主轧辊的作用下壁厚和高度不断减小至目标尺寸，直径不断增大至目标尺寸；阶段3为精整阶段，此阶段轧制装置中的上下锥辊抬起，环件只在径向轻微变形，以控制环坯的尺寸精度及圆度；
(1.4)最终得到目标尺寸的环坯作为下一步的坯料；
步骤二：大型铝合金厚壁环形件旋压成形
设置若干的旋压工艺参数、旋轮结构、旋压温度等，进行有限元模拟，提取和分析不同因素对旋压隆起程度、旋压变形分布等影响规律，优化旋压工艺参数、旋轮结构和旋压温度。为了提高旋压成形精度，一是根据旋压芯模和产品材料的热膨胀系数，计算在旋压温度状态下旋压芯模和产品的热膨胀量，设计室温状态下合理的旋压芯模外径和旋压坯料内径，二是利用旋压后芯模和坯料的余热，进行冷却收缩校形。具体包括以下步骤：
(2.1)芯模和坯料设计及加工：坯料的材料为铝合金、旋压成形芯模的材料为钢质材料，旋压前，控制旋压成形芯模的直径大于坯料内径5mm；
(2.2)坯料预热：将坯料预热至180～200℃；
(2.3)坯料芯模套装：套装时，芯模不预热，保持室温；控制芯模与坯料之间的单侧间隙在3.5mm以上；
(2.4)坯料与芯模预热：将芯模和坯料整体预热到260～280℃；
(2.5)旋压成形：在第一道次旋压前，控制坯料和芯模之间的间隙0≤≤1.0mm；旋压过程中，在控制失稳隆起的前提下，采用偏上限进给比；
(2.6)坯料与芯模一体冷却：冷却至室温后卸料；通过冷却热应力提高成形精度；
步骤三：大型铝合金筒形壳体电子束焊接
通过30mm左右厚度的铝合金试板电子束焊接试验，优化各项焊接工艺参数，分析和控制中大厚度铝合金易产生的焊接缺陷。开展2A14铝合金电子束焊接前后的热处理机制研究，协调接头强度与热处理制度的相互关系。分析重复修补焊策略及对高强铝合金接头性能的影响等。针对大型2A14铝合金筒形壳体的焊接，确定焊接前后的热处理机制，完善接头结构设计、装配焊接及检测方案等。具体包括以下方面：
(3.1)确定电子束焊接接头结构：焊接接头采用锁底对接的形式，焊接整体厚度30mm，锁底厚度为5mm，对接区厚度为25mm；
(3.2)对焊接接头进行固溶处理：在焊接前对焊接接头进行固溶处理，通过固溶处理使得焊接接头强度达到固溶态母材的85％以上，延伸率为4.5％～5.5％；
(3.3)按照如下参数开始电子束焊接：下散聚焦状态、焊接速度为700mm/min、液态熔池停留时间为5～10s、扫描波形为锯齿波扫描、扫描频率为400HZ、扫描幅值Vx＝1.3。
在本实施例中，通过分析和控制中大厚度铝合金易产生的气孔、冷隔等焊接缺陷，制定控制措施。采用饱和热输入的焊接工艺，避免冷却速度过快，有利于控制气孔。加大电子束焊接熔池的搅拌效果，以增加气孔溢出的时间和动力。焊接时锯齿波小尺寸扫描图形比圆形扫描的搅拌作用更为明显，增加搅拌频率(f＝400HZ)，实现高速扫描。在焊接过程中采用散焦焊接，通过散焦能延长熔池凝固的时间，增加电子束对熔池底部的搅动作用，从而有利于气泡的逸出，并且避免焊缝截面成形根部过于尖窄，防止凝固过程中液态金属填充不充分。
综上，本发明大型铝合金筒形壳体的制造采用先环轧、再旋压的塑性成形方案进行筒状环形件研制，然后将两个端框分别与筒状环形件两端电子束焊接，控制产品的形-性状态，以满足产品使用性能要求。
Claims (3)
1.一种大直径铝合金高性能筒形壳体的制造方法，适用于制备直径大于2000mm的铝合金筒形壳段，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：大型铝合金高筒环形件环轧成形
(1.1)确定初始环坯尺寸：
控制初始环坯的内圆与外圆同心，且圆度在0.5mm以内；
(1.2)控制初始环坯在轧制过程中的直径增长速率为8mm/s；
控制初始环坯在轧制过程中的主轧辊转速为1115mm/s；
(1.3)设计径-轴双向轧制过程中的轧制曲线：
轧制曲线分为3个主要阶段，阶段1为预整圆阶段，对坯料进行整圆，消除制坯缺陷以保证随后轧制过程平稳进行；阶段2为主轧制阶段，环坯咬入轧制装置中的孔型后，在轧制装置中的主轧辊的作用下壁厚和高度不断减小至目标尺寸，直径不断增大至目标尺寸；阶段3为精整阶段，此阶段轧制装置中的上下锥辊抬起，环件只在径向轻微变形，以控制环坯的尺寸精度及圆度；
(1.4)最终得到目标尺寸的环坯作为下一步的坯料；
步骤二：大型铝合金厚壁环形件旋压成形
(2.1)芯模和坯料设计及加工：坯料的材料为铝合金、旋压成形芯模的材料为钢质材料，旋压前，控制旋压成形芯模的直径大于坯料内径5mm；
(2.2)坯料预热：将坯料预热至180～200℃；
(2.3)坯料芯模套装：套装时，芯模不预热，保持室温；控制芯模与坯料之间的单侧间隙在3.5mm以上；
(2.4)坯料与芯模预热：将芯模和坯料整体预热到260～280℃；
(2.5)旋压成形：在第一道次旋压前，控制坯料和芯模之间的间隙0≤Δs≤1.0mm；旋压过程中，在控制失稳隆起的前提下，采用偏上限进给比；
(2.6)坯料与芯模一体冷却：冷却至室温后卸料；通过冷却热应力提高成形精度；
步骤三：大型铝合金筒形壳体电子束焊接
(3.1)确定电子束焊接接头结构：焊接接头采用锁底对接的形式，焊接整体厚度30mm，锁底厚度为5mm，对接区厚度为25mm；
(3.2)对焊接接头进行固溶处理：在焊接前对焊接接头进行固溶处理，通过固溶处理使得焊接接头强度达到固溶态母材的85％以上，延伸率为4.5％～5.5％；
(3.3)按照如下参数开始电子束焊接：下散聚焦状态、焊接速度为700mm/min、液态熔池停留时间为5～10s、扫描波形为锯齿波扫描、扫描频率为400HZ、扫描幅值Vx＝1.3。
2.如权利要求1所述的一种大直径铝合金高性能筒形壳体的制造方法，其特征在于：铝合金的型号为2A14。
3.如权利要求1所述的一种大直径铝合金高性能筒形壳体的制造方法，其特征在于：步骤(1.1)中，环坯的目标尺寸是外圆直径为2095mm,内圆直径为1943mm，高度为500mm；初始环坯尺寸是外圆直径为1105mm,内圆直径为785mm，高度为508mm。
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