CN107354409B - 一种温度场均匀的铝合金构件时效成形方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种温度场均匀的铝合金构件时效成形方法，所述时效成形在复合加热装置中完成，所述复合加热装置包括热压罐以及向热压罐内发出微波的微波发生器，所述构件设置于所述热压罐内的模具上；所述模具和铝合金构件均为非吸波材料；所述时效成形过程中在铝合金构件的上表面的部分面积处和/或在模具的下表面的部分面积处设置有吸波材料，使得采用热压罐对铝合金构件加热而对其时效成形的过程中，在连续或间断地开启微波发生器时所述吸波材料吸收微波而对铝合金构件进行局部的温度补偿。本发明运用吸波材料吸收微波升温速率快的特点，利用热传导将热量传递到构件和模具的低温区域进行温度补偿，使得构件在时效成形过程中温度场保持均匀。

Description

一种温度场均匀的铝合金构件时效成形方法

技术领域

本发明涉及时效成形技术领域，特别地，涉及一种温度场均匀的铝合金构件时效成形方法。

背景技术

壁板热压罐时效成形工艺过程可以划分为三个过程：加载阶段、蠕变成形阶段和卸载阶段，如图1所示。

(1)加载阶段。首先将经平板铣削后的壁板构件放置在模具上，利用真空带膜将壁板与模具上表面之间密封，抽真空气压加载使壁板向模具型面贴合。

(2)蠕变成形阶段。将壁板与模具整体放入热压罐中，开始对容器内进行升温升压直到预定值，然后保温保压一定的时间；这个阶段壁板发生蠕变变形和应力松弛，部分弹性变形转换为永久的塑性变形；同时材料微观组织发生变化，性能得到提高。

(3)卸载阶段。保温结束，热压罐内降温至设定温度后卸除载荷，壁板发生回弹，最终获得所需的外形。

与传统壁板类构件的金属加工过程(如喷丸、滚弯成形等)相比，时效成形方法在弹性加载条件下应力松弛成形和时效析出成性，大大减小残余应力、提高强度、获得较高精度以及良好稳定性。欧美等先进国家在20世纪50年代就开展了对该技术的相关研究。至今，波音、空客等几家大型飞机制造企业已经利用该项技术生产飞机机翼蒙皮和壁板等构件，如空客公司用7055铝合金材料制造A380飞机上机翼壁板。时效成形技术在我国起步较晚，与国际先进水平存在较大的差距，尚未见航空航天用大型壁板类构件应用此技术的报道。

目前，为提高产品在热压罐内时效成形的温度均匀性，专利CN104441698A提出一种调整热压罐内流场温度均匀性的方法，采用鼓风装置改变热压罐内低温区域流体的流动速度，加快该区域流体和外界的换热速率，进而使热压罐流场温度均匀；专利CN101962708A公开一种大型板材真空退火炉多温区均温性控制系统及其控制方法，其控制系统包括多个温控仪、多个功率调节器和均温巡检仪，通过对均温巡检仪所检测信号进行分析处理以及对各温控仪和各功率调节器的工作过程进行监控，从而保证炉内流场温度均匀；专利CN104046770A涉及一种加热炉温度场均匀性的控制方法，通过采取预热段，加热I段，加热II段，以及均热段等多步升温的方式，控制产品内部温度差来保证生产过程产品温度场相对均匀。

通过上述背景介绍可知，专利CN104441698A和CN101962708A主要是通过提高热压罐内流场温度均匀性的方式来提高产品温度均匀性，然而，对于金属构件时效成形过程而言，由于大型构件几何结构复杂导致与热压罐内热空气交换不均匀，同时受大型复杂模具工装结构温度场不均匀的热传递影响，构件温度不均匀不可避免，无法通过改善流体温度均匀性而改变。此外，专利CN104046770A通过改变升温方式的方法不一定适合大型金属构件的时效析出强化过程，有局限性且降低了生产效率。

综上所述，目前尚无针对大型金属构件时效成形过程中构件温度场均匀性有效控制的方法。

发明内容

本发明目的在于提供一种温度场均匀的铝合金构件时效成形方法，以解决现有技术没有针对大型金属构件时效成形过程中构件温度均匀性有效控制的方法的技术问题。

为实现上述目的，本发明的一种温度场均匀的铝合金构件时效成形方法，所述时效成形在复合加热装置中完成，所述复合加热装置包括热压罐以及向热压罐内发出微波的微波发生器，所述构件设置于所述热压罐内的模具上；所述模具和铝合金构件均为非吸波材料；所述时效成形过程中在铝合金构件的上表面的部分面积处和/或在模具的下表面的部分面积处设置有吸波材料，使得采用热压罐对铝合金构件加热而对其时效成形的过程中，在连续或间断地开启微波发生器时所述吸波材料吸收微波而对铝合金构件进行局部的温度补偿。

特别地，设置有吸波材料的区域为采用有限元分析模型和方法而得到的构件和/或模具上的低温区域或与低温区域上下相应的区域。

模具的低温区域一般是在模具的上表面，但是模具的上表面与构件的下表面接触，为了不影响构件的贴模，一般将吸波材料设置于模具的下表面与模具的上表面低温区域相对应的区域。

特别地，所述低温区域为在未开启微波发生器且当热压罐内空气温度达到时效成形的目标温度时，构件或模具上的局部区域温度比构件最高温区域温度或模具上表面最高温区域温度的温差大于5℃的区域。

特别地，所述低温区域的温度与构件上或模具上表面上最高温区域温度的温差为大于等于n倍5℃小于n+1倍5℃时，相应在该低温区域或低温区域的上下对应区域重叠设置n层带有吸波材料的耐高温胶带，n为大于等于2的数。

由于构件和模具的各个区域的温差是不一样的，而同样数量或厚度的吸波材料在同样条件下吸收的热量基本一致，因此根据温差设置不同层数的带有吸波材料的耐高温胶带，可以对温差较大的地方有更多的温度补偿。

特别地，所述方法还包括在所述低温区域设置测温装置用于反馈温度和实时调节微波发生器对吸波材料的加热升温速度。

特别地，所述采用有限元分析模型和方法具体为先采用CAD软件建立模具和构件的三维几何模型，并导入Gambit软件中进行网格划分，其中模具和构件的三维几何模型整体采用四面体网格类型进行划分，且对于构件和模具接触的区域网格加密，在建立模型时，在软件参数的设置中选择模具和构件接触面为热接触对；再将前述建立的模型导入Fluent软件进行材料属性和边界条件设置，并模拟热压罐工艺中流场和温度场进行模拟试验，再通过流体力学的求解计算确定热压罐内构件和模具低温区域的分布位置。

特别地，所述吸波材料为三氧化二铁和/或碳化硅粉末。

特别地，在构件和/或模具上设置吸波材料的过程具体为将吸波材料粉末撒在耐高温胶带的粘性面形成吸波材料层，或将吸波材料粉末分散在液体中再涂抹在耐高温胶带的粘性面形成吸波材料层，再将耐高温胶带置于所述构件和/或模具的低温区域或低温区域的上下对应区域并使得其吸波材料面外露；在完成对构件的时效成形后，将耐高温胶带除去而撤除所述吸波材料。

特别地，在至少一个设置吸波材料处重叠设置两层以上的带有吸波材料的耐高温胶带。

特别地，所述铝合金构件的上表面贴设的吸波材料的面积占所述铝合金构件的上表面的总面积5％-30％，所述模具的下表面贴设的吸波材料的面积占所述模具的下表面的总面积5％-20％。

本发明至少具有以下有益效果：

1、本发明利用有限元仿真分析方法，查明构件热压罐时效成形温度场不均匀分布特征，确定热压罐内构件和模具低温区域的分布位置，再运用吸波材料吸收微波升温速率快的特点，将构件需要局部温度补偿的区域和与模具的低温区域上下对应的位置用吸波材料覆盖，利用热传导将热量传递到构件和模具上，对低温区域进行温度补偿，使得构件在时效成形过程中温度场保持均匀，进而保证构件整体性能的一致性和成形的高精度要求。

2、本发明采用微波辅助加热，并利用微波功率可调的性能和吸波材料的升温速率与微波功率、微波加热时间以及微波发生器的开启个数成正比的关系，对构件和模具低温区域进行实时可控加热，从而实现构件整体温度场的均匀性调控，提高了构件的成形质量。

3、本发明方法中对于温差较大的区域，重叠设置多层吸波材料层，可以在相同的微波加热的条件下，对不同温差区域进行不同的温度补偿，从而使得构件在温度场均匀的环境下进行时效成形。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

在附图中：

图1是现有技术壁板热压罐时效成形工艺过程图；

图2是实施例1中复合加热装置的结构示意图；

图3是实施例1仿真模拟加热过程中不同阶段模具和构件的温度分布示意图；其中，图a是升温阶段热压罐内气体温度达到目标温度时模具和构件的温度分布示意图，图b是模具温度达到目标温度时模具和构件的温度分布示意，图c是加热保温阶段中模具和构件的温度分布示意图，图d是热压罐的降温过程中模具和构件的温度示意图；

附图标记说明：

1、热压罐，2、微波功率控制模块，3、微波发生器，4、控制系统，5、数据采集仪，6、测温传输线，7、吸波材料，8、构件，9、模具，10、真空袋，11、真空抽气管。

以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以根据权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。

实施例1

本实施例中一种温度场均匀的铝合金构件时效成形方法，所述时效成形在复合加热装置中完成(详见图2)，包括微波加热装置和热压罐1，所述微波加热装置包括微波发生器3(本实施例中微波发生器的工作功率为0-500W，频率2.45GHz)和测温装置，所述微波加热装置通过调节所述微波发生器入射微波功率、开启微波功率时间以及微波发生器开启的个数来调节温度，使得构件和模具上表面的温差维持在5℃以内。所述复合加热装置还包括控制系统4和微波功率控制模块2；所述微波发生器向热压罐内发送微波，热压罐内用于放置模具9和构件8，所述构件设置于所述热压罐内的模具上。

所述测温装置包含多个热电偶、数据采集仪5和测温传输线6，所述热电偶分别设置在各个低温区域以及最高温区域，所述测温传输线6一端与热电偶连接，另一端引出至所述热压罐外侧与数据采集仪5连接，通过测温装置反馈得到各个低温区域和最高温区域的温度进入到控制系统，进而控制系统通过控制微波发生器的功率大小、开启微波功率时间以及微波发生器开启的个数来调节微波功率控制模块对构件进行加热。

装置中在所述构件的外侧还包括用于密封的真空袋10，以及在所述真空袋的内侧以及所述构件的外侧还设置有透气毡用于抽真空时气体的导流；与真空袋配合的部件还包括用于抽真空的真空抽气管11。

本实施例中采用尺寸为2500mm*1300mm*10.4mm的大型铝合金板材，并按蒙皮2.4mm，筋条高8mm，筋条宽6.5mm，焊接边厚10.4mm的要求铣削加工好；试验模具的型号为3200mm*1600mm*830mm，曲率半径为1426mm。

步骤1、根据模具和构件的尺寸进行简化并采用CAD软件建立模具和构件的三维几何模型；再将模型导入Gambit软件中，采用四面体网格类型进行模型的划分，其中对于构件和模具接触的区域网格加密，在建立模型时，在软件参数的设置中选择模具和构件接触面为热接触对，建立热压罐时效成形温度场有限元分析模型。

步骤2、通过流体分析(Fluent)软件进行材料属性和边界条件设置，并模拟热压罐工艺中流场和温度场进行模拟试验。

详见图3是模拟试验中四个不同时间段构件和模具的温度分布示意图：图a是升温阶段热压罐内气体温度达到目标温度时构件和模具的温度分布示意图，图b是模具温度达到目标温度时构件和模具的温度分布示意，图c是加热保温阶段中构件和模具的温度分布示意图，而图d是热压罐的降温过程中构件和模具的温度示意图。从图3中可看出，温度不平衡阶段主要出现在热压罐的加热升温阶段，从图a时间段的温度分布示意图可以看出，构件的上表面中间出现两个明显的低温区域(由于仿真实验时，构件和模具是贴合状态，因此在本图中并没有显示模具上表面的低温区域)。

再通过流体力学的求解计算确定热压罐内构件和模具低温区域的分布位置，所述低温区域为在未开启微波发生器且当热压罐内空气温度达到时效成形的目标温度时，构件或模具上的局部区域温度比构件最高温区域温度或模具上表面最高温区域温度的温差大于5℃的区域。在试验过程中，由于只有模具的上表面与构件接触，模具其他区域的温度变化不影响构件的时效成形质量，因此在时效成形时只需保证模具与构件接触的上表面以及构件整体的温度场均匀。

本实施例中，在进行仿真模拟试验的时候发现当热压罐内气体的温度达到目标温度165℃时，模具上表面的局部区域温度与模具上表面最高温区域的温差范围在0-25℃，构件的局部区域温度与构件最高温区域的温差范围在0-15℃，且模具上表面的低温区域集中在模具底部支撑卡板与模具上表面连接的区域以及模具上表面中部热流难以循环到的区域，构件低温区域集中在筋条与蒙皮的结合部位以及焊接边(时效成形时，板材的筋条朝上设置，因此构件的低温区域也在构件的上表面)，模具上表面的高温区域和构件的高温区域均出现在迎风口处，即热压罐的压缩空气入风口处。

步骤3、依据仿真中构件需要局部温度补偿的区域(低温区域)和与模具上表面的低温区域相对应的模具下表面区域设置吸波材料7。此处吸波材料采用碳化硅粉末，具体为直接将碳化硅粉末撒在在耐高温胶带的粘性面形成吸波材料层，再将耐高温胶带置于所述构件的低温区域以及模具下表面与模具上表面的低温区域相对应的区域并使得其吸波材料面外露(由于模具的上表面与构件的下表面接触，为了不影响构件的贴模，特将带有吸波材料的耐高温胶带贴在模具下表面)。

为了使温差较大的区域温度补偿也相应多一些，所述低温区域的温度与构件上或模具上表面上最高温区域温度的温差为大于等于n倍5℃小于(n+1)倍5℃时，相应在该低温区域或低温区域的上下对应区域重叠设置n层带有吸波材料的耐高温胶带，n为大于等于2的数。

在本实施例中，模具的中部处模具型面与卡板结合处的温度与模具上表面最高温区域的温度温差最大，为25℃，铺贴五层带有吸波材料的耐高温胶带，从中间延伸至两边的模具型面与卡板结合处根据与模具上表面最高温区域的温度的温差范围20℃-24℃、15℃-19℃、10℃-14℃、5℃-9℃依次铺贴四至一层带有吸波材料的耐高温胶带，且全部铺贴在模具下表面与所述低温区域相对应的模具型面与支撑卡板的连接处(本领域的人员，应该明白在本领域中，试验的模具是由上面的型面以及下面的有用于支撑所述型面的支撑卡板构成)。本实施例中，模具的下表面共设置有尺寸为2cm*40cm的带有吸波材料的耐高温胶带五十条(重叠设置区域算一条)。

构件的筋条与蒙皮结合处的温度与构件最高温区域的温度温差最大，为15℃，铺贴三层带有吸波材料的耐高温胶带，焊接边较厚且与构件最高温区域的温度温差范围为10℃-14℃，铺贴两层带有吸波材料的耐高温胶带。在仿真试验时，由于构件的低温区域与最高温区域的温差范围没有出现5℃-9℃这个区间，因此，在本实施例中构件没有仅设置一层吸波材料层的区域。本实施例中，构件的上表面共设置有尺寸为2cm*13cm的带有吸波材料的耐高温胶带一百五十条(重叠设置区域算一条)。

铺贴好吸波材料后，再在低温区域(温度补偿区域)位置贴好热电偶，并在高温区域贴一个热电偶作基准。由于本实施例中构件和模具比较大，故各用了十个热电偶来监测温度。

步骤4、开启热压罐加热构件后，由于前期气流温度低，模具和构件的温度上升慢，温度差异小。当气体温度超过80℃时，各个热电偶与高温区域的热电偶反馈的温度示数差异开始出现，温度差大于5℃时，开启微波辅助装置开启，温差较小时，调节微波功率低或微波加热时间短或开启微波发生器数量少；当温差较大时，调节微波功率高或微波加热时间长或开启微波发生器数量多，实时调控温度补偿速率，使温差不超过5℃，从而在整个蠕变时效过程中实现了构件整体温度场的均匀性调控。

本发明方法在加热前先抽真空使得构件和模具趋近贴合。在复合加热过程中，热压罐中加热的空气依次经过真空袋和透气毡传递给构件，使其慢慢升温。同时，微波能进入吸波材料对构件和模具进行表面温度较低的地方局部加热，且由于构件和模具本身的材料是非吸波材料，微波加热对于其他区域的影响不大。

试验结束后，回弹结束的构件的曲率半径为1674mm。

对比例1

本对比例与实施例1的其他条件相同，但全程没有微波辅助调控温度，试验结束后，回弹结束的构件的曲率半径为1697mm。

由此可知，采用微波辅助加热明显提高了构件的成形质量，使构件更趋近于目标半径。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种温度场均匀的铝合金构件时效成形方法，所述时效成形在复合加热装置中完成，所述复合加热装置包括热压罐(1)以及向热压罐内发出微波的微波发生器(3)，所述构件设置于所述热压罐内的模具上；所述模具和铝合金构件均为非吸波材料；所述时效成形过程中在铝合金构件的上表面的部分面积处和/或在模具的下表面的部分面积处设置有吸波材料，使得采用热压罐对铝合金构件加热而对其时效成形的过程中，在连续或间断地开启微波发生器时所述吸波材料吸收微波而对铝合金构件进行局部的温度补偿；在构件和/或模具上设置吸波材料的过程具体为将吸波材料粉末撒在耐高温胶带的粘性面形成吸波材料层，或将吸波材料粉末分散在液体中再涂抹在耐高温胶带的粘性面形成吸波材料层，再将耐高温胶带置于所述构件和/或模具的低温区域或低温区域的上下对应区域并使得其吸波材料面外露；在完成对构件的时效成形后，将耐高温胶带除去而撤除所述吸波材料。

2.根据权利要求1所述的时效成形方法，其特征在于，设置有吸波材料的区域为采用有限元分析模型和方法而得到的构件和/或模具上的低温区域或与低温区域上下相应的区域。

3.根据权利要求2所述的时效成形方法，其特征在于，所述低温区域为在未开启微波发生器且当热压罐内空气温度达到时效成形的目标温度时，构件或模具上的局部区域温度比构件最高温区域温度或模具上表面最高温区域温度的温差大于5℃的区域。

4.根据权利要求3所述的时效成形方法，其特征在于，所述低温区域的温度与构件上或模具上表面上最高温区域温度的温差为大于等于n倍5℃小于n+1倍5℃时，相应在该低温区域或低温区域的上下对应区域重叠设置n层带有吸波材料的耐高温胶带，n为大于等于2的数。

5.根据权利要求2所述的时效成形方法，其特征在于，所述方法还包括在所述低温区域设置测温装置用于反馈温度和实时调节微波发生器对吸波材料的加热升温速度。

6.根据权利要求2所述的时效成形方法，其特征在于，所述采用有限元分析模型和方法具体为先采用CAD软件建立模具和构件的三维几何模型，并导入Gambit软件中进行网格划分，其中模具和构件的三维几何模型整体采用四面体网格类型进行划分，且对于构件和模具接触的区域网格加密，在建立模型时，在软件参数的设置中选择模具和构件接触面为热接触对；再将前述建立的模型导入Fluent软件进行材料属性和边界条件设置，并模拟热压罐工艺中流场和温度场进行模拟试验，再通过流体力学的求解计算确定热压罐内构件和模具低温区域的分布位置。

7.根据权利要求1所述的时效成形方法，其特征在于，所述吸波材料为三氧化二铁和/或碳化硅粉末。

8.根据权利要求1所述的时效成形方法，其特征在于，在至少一个设置吸波材料处重叠设置两层以上的带有吸波材料的耐高温胶带。

9.根据权利要求1所述的时效成形方法，其特征在于，所述铝合金构件的上表面贴设的吸波材料的面积占所述铝合金构件的上表面的总面积5％-30％，所述模具的下表面贴设的吸波材料的面积占所述模具的下表面的总面积5％-20％。