CN107470436A - 一种合金三层结构表面沟槽控制方法 - Google Patents

一种合金三层结构表面沟槽控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及到一种Ti2AlNb合金激光焊接/超塑成形三层结构表面沟槽控制方法，属于三层结构超塑成形技术领域，它适用于航空航天用超塑成形三层结构件表面沟槽缺陷控制。本发明的方法可实现一种Ti2AlNb合金激光焊接/超塑成形三层结构表面沟槽控制，按照以上方法可控制三层结构表面沟槽深度不大于0.3mm；该表面沟槽控制方法适用于不同蒙皮芯层厚度比、不同焊缝宽度、不同成形后蒙皮芯层夹角的Ti2AlNb合金激光焊接/超塑成形三层结构。

Description

一种合金三层结构表面沟槽控制方法
技术领域
本发明涉及到一种Ti2AlNb合金激光焊接/超塑成形三层结构表面沟槽控制方法，属于三层结构超塑成形技术领域，它适用于航空航天用超塑成形三层结构件表面沟槽缺陷控制。
背景技术
当前，航空航天产品零件正向轻量化、复杂化及整体化方向发展。超塑成形/扩散链接(SPF/DB)组合工艺技术可以制造具有复杂外形曲面、内筋加强的多层中空夹层结构，在减小构件重量、改善结构完整性和提高机体承载效率等方面具有独特技术优势。但是超塑成形/扩散链接(SPF/DB)过程中构件经历较长时间的热暴露，性能会有一定程度的下降。激光焊接技术以其具有能量密度高、焊接速度快、焊缝深宽比大、热影响区窄及变形小等优点受到人们关注。将激光焊接与超塑成形相结合可缩减坯料在高温下停留时间，对减少材料性能的损失和提高成形效率十分有利，将激光焊接与超塑成形复合技术应用于Ti2AlNb合金三层结构成形，可大大缩短构件热循环周期，提高零部件生产的质量与效率。激光焊接/超塑成形三层结构芯层波峰与蒙皮激光焊接处由于受向内的拉应力而易出现表面沟槽缺陷，表面沟槽缺陷导致三层结构难以满足表面平整度要求，影响其使用性能，因此，急需提出表面沟槽缺陷控制方法。
发明内容
本发明的解决解决问题是：克服现有技术的不足，提出一种Ti2AlNb合金激光焊接/超塑成形三层结构表面沟槽控制方法，该方法能够有效地控制Ti2AlNb合金激光焊接/超塑成形三层结构表面沟槽缺陷的产生，使表面光滑过渡。
本发明的技术解决方案是：
一种Ti2AlNb合金激光焊接/超塑成形三层结构表面沟槽控制方法，该方法的步骤包括：
(1)对Ti2AlNb合金进行选材，蒙皮的厚度T和芯层的厚度t的比T/t≥1.5；
(2)对芯层和蒙皮进行激光焊接；
进行焊接时，在同一焊接位置采用2-4条激光焊缝，同一侧相邻焊接位置之间的最近距离为L，l为同一焊接位置两个边缘处的激光焊缝之间的距离；H为成形后三层结构厚度；
(3)对步骤(2)激光焊接后的芯层和蒙皮进行超塑成型；
超塑成型温度为940-960℃，超塑成型压力为P，0<P≤25Bar，超塑成型时间为Tp，0<Tp≤100min。
所述步骤(1)中，芯层板材厚度t＝1mm，蒙皮厚度T≥1.5mm。
所述的三层结构为由芯层和位于芯层两侧的蒙皮组成的夹层结构。
所述的芯层为波纹状，芯层的边缘与蒙皮以及芯层波峰与蒙皮之间均由激光焊接连接。
所述步骤(2)中，同一位置的激光焊缝均为平行关系。
所述的步骤(3)中，
当Tp≤2min时，
当2<Tp<4min时，P＝1Bar；
当4≤Tp≤6min时，
当6<Tp<8min时，P＝2Bar；
当8≤Tp≤10min时，
当10<Tp<12min时，P＝3Bar；
当12≤Tp≤14min时，
当14<Tp<16min时，P＝4Bar；
当16≤Tp≤18min时，
当18<Tp<20min时，P＝5Bar；
当20≤Tp≤22min时，
当22<Tp<23min时，P＝6Bar；
当23≤Tp≤25min时，
当25<Tp<26min时，P＝7Bar；
当26≤Tp≤28min时，
当28<Tp<29min时，P＝8Bar；
当29≤Tp≤31min时，
当31<Tp<32min时，P＝9Bar；
当32≤Tp≤34min时，
当34<Tp<35min时，P＝10Bar；
当35≤Tp≤37min时，P＝(Tp-25)Bar；
当37<Tp<38min时，P＝12Bar；
当38≤Tp≤40min时，P＝(1.5Tp-45)Bar；
当40<Tp<80min时，P＝(0.25Tp+5)Bar；
当80≤Tp≤100min时，P＝25Bar。
一种Ti2AlNb合金激光焊接/超塑成形三层结构表面沟槽控制方法，该方法的步骤包括：
(1)对Ti2AlNb合金进行选材，蒙皮的厚度T和芯层t的层厚度的比T/t＜1.5，在蒙皮上添加辅料，辅料厚度为Tf，且满足T+Tf/t≥1.5；
(2)对辅料和蒙皮以及对芯层和辅料进行激光焊接；
进行焊接时，在同一焊接位置采用2-4条激光焊缝，同一位置的激光焊缝均为平行关系；同一侧相邻焊接位置之间的最近距离为L，l为同一焊接位置两个边缘处的激光焊缝之间的距离；H为成形后三层结构厚度；
(3)对步骤(2)激光焊接后的芯层、蒙皮及辅料进行超塑成型；
超塑成型温度为940-960℃，超塑成型压力为P，0<P≤25bar，超塑成型时间为Tp，0<Tp≤100min。
所述的步骤(1)中，在蒙皮上添加辅料的宽度与同一焊接位置两个边缘处的激光焊缝之间的距离相等，辅料的材料为Ti2AlNb。
所述的三层结构为由芯层和位于芯层两侧的蒙皮组成的夹层结构；所述的芯层为波纹状，芯层的边缘与蒙皮以及芯层波峰与蒙皮之间均由激光焊接连接；所述步骤(2)中，同一位置的激光焊缝均为平行关系。
所述的步骤(3)中，
当Tp≤2min时，
当2<Tp<4min时，P＝1Bar；
当4≤Tp≤6min时，
当6<Tp<8min时，P＝2Bar；
当8≤Tp≤10min时，
当10<Tp<12min时，P＝3Bar；
当12≤Tp≤14min时，
当14<Tp<16min时，P＝4Bar；
当16≤Tp≤18min时，
当18<Tp<20min时，P＝5Bar；
当20≤Tp≤22min时，
当22<Tp<23min时，P＝6Bar；
当23≤Tp≤25min时，
当25<Tp<26min时，P＝7Bar；
当26≤Tp≤28min时，
当28<Tp<29min时，P＝8Bar；
当29≤Tp≤31min时，
当31<Tp<32min时，P＝9Bar；
当32≤Tp≤34min时，
当34<Tp<35min时，P＝10Bar；
当35≤Tp≤37min时，P＝(Tp-25)Bar；
当37<Tp<38min时，P＝12Bar；
当38≤Tp≤40min时，P＝(1.5Tp-45)Bar；
当40<Tp<80min时，P＝(0.25Tp+5)Bar；
当80≤Tp≤100min时，P＝25Bar。
本发明的有益效果：
(1)本发明的方法可实现一种Ti2AlNb合金激光焊接/超塑成形三层结构表面沟槽控制，按照以上方法可控制三层结构表面沟槽深度不大于0.3mm；
(2)该表面沟槽控制方法适用于不同蒙皮芯层厚度比、不同焊缝宽度、不同成形后蒙皮芯层夹角的Ti2AlNb合金激光焊接/超塑成形三层结构；
(3)本发明属于三层结构超塑成形领域，涉及到一种Ti2AlNb合金激光焊接/超塑成形三层结构表面沟槽控制方法，它适用于航空航天用超塑成形三层结构件表面沟槽缺陷控制。该方法如下：①进行蒙皮及芯层选材时，遵循蒙皮芯层厚度比T/t≥1.5的原则，如当芯层板材厚度t＝1mm时，选取板材厚度T≥1.5mm；②在进行蒙皮与芯层激光焊接时，遵循焊缝宽度l较大原则，可采取同一位置多条焊缝方法实现焊缝宽度增大，如在同一位置焊接两条平行相邻的焊缝；③在进行蒙皮与芯层激光焊接时，遵循原则，即④在960℃超塑成形，最大加载压力为25Bar，超塑成形时间为100min。分本发明的优点：1)该表面沟槽控制方法可实现一种Ti2AlNb合金激光焊接/超塑成形三层结构表面沟槽控制，表面沟槽深度不大于0.3mm；2)该表面沟槽控制方法适用于不同蒙皮芯层厚度比、不同焊缝宽度、不同成形后蒙皮芯层夹角的Ti2AlNb合金激光焊接/超塑成形三层结构。
附图说明
图1为Ti2AlNb合金激光焊接/超塑成形三层结构示意图；
图2为Ti2AlNb合金中蒙皮、芯层和加厚层之间的关系示意图；
图3为Ti2AlNb合金激光焊接/超塑成形三层结构成形过程加载压力P与加载时间之间的关系曲线图；
图4为激光焊缝之间的平行关系及距离关系示意图。
具体实施方式
一种Ti2AlNb合金激光焊接/超塑成形三层结构表面沟槽控制方法，如图1所示，该三层结构为由芯层和位于芯层两侧的蒙皮组成的夹层结构，芯层为波纹状，芯层的边缘与蒙皮以及芯层波峰与蒙皮之间均由激光焊接连接；影响三层结构超塑成形表面沟槽深度的主要因素有4个，即蒙皮芯层厚度比T/t、蒙皮芯层夹角焊缝宽度l以及超塑成形过程中的加载压力P，其中，其中T为蒙皮板材厚度、t为芯层板材厚度、H为成形后三层结构厚度、L为激光焊接时同一侧蒙皮相邻焊缝距离、l为焊缝宽度；可通过控制以上4个主要因素来控制表面沟槽缺陷。
该方法的步骤包括：
(1)进行蒙皮及芯层选材时，遵循蒙皮芯层厚度比T/t≥1.5的原则，如当芯层板材厚度t＝1mm时，选取板材厚度T≥1.5mm；若蒙皮芯层厚度比T/t＜1.5，则另外准备厚度为Tf加厚辅料使得T+Tf/t≥1.5，如图2所示；
(2)进行蒙皮与芯层激光焊接时，根据步骤(1)若蒙皮芯层厚度比T/t≥1.5，遵循焊缝宽度l较大原则，可采取同一位置多条焊缝方法实现焊缝宽度增大，如在同一位置焊接两条平行相邻的焊缝，如图1所示，同时遵循原则，即若蒙皮芯层厚度比T/t＜1.5，则在蒙皮与芯层间加上加厚层后进行焊接，同样遵循焊缝宽度l较大及原则；
(3)在960℃超塑成形，最大加载压力为25Bar，超塑成形时间为100min，压力P与时间Tp关系为：当Tp≤2min时，P＝Tp/2Bar，当2<Tp<4min时，P＝1Bar，当4≤Tp≤6min时，P＝(Tp/2-1)Bar，当6<Tp<8min时，P＝2Bar，当8≤Tp≤10min时，P＝(Tp/2-2)Bar，当10<Tp<12min时，P＝3Bar，当12≤Tp≤14min时，P＝(Tp/2-3)Bar，当14<Tp<16min时，P＝4Bar，当16≤Tp≤18min时，P＝(Tp/2-4)Bar，当18<Tp<20min时，P＝5Bar，当20≤Tp≤22min时，P＝(Tp/2-5)Bar，当22<Tp<23min时，P＝6Bar，当23≤Tp≤25min时，P＝(Tp+1/2-6)Bar，当25<Tp<26min时，P＝7Bar，当26≤Tp≤28min时，P＝(Tp/2-6)Bar，当28<Tp<29min时，P＝8Bar，当29≤Tp≤31min时，P＝(Tp+1/2-7)Bar，当31<Tp<32min时，P＝9Bar，当32≤Tp≤34min时，P＝(Tp/2-7)Bar，当34<Tp<35min时，P＝10Bar，当35≤Tp≤37min时，P＝(Tp-25)Bar，当37<Tp<38min时，P＝12Bar，当38≤Tp≤40min时，P＝(1.5Tp-45)Bar，当40<Tp<80min时，P＝(0.25Tp+5)Bar，当80≤Tp≤100min时，P＝25Bar。
下面结合附图对本发明的最佳实施例作进一步详细说明。
一种Ti2AlNb合金激光焊接/超塑成形三层结构表面沟槽控制方法，其具体步骤如下：
具体内容如下：
(1)进行蒙皮及芯层选材时，如图1，遵循蒙皮芯层厚度比T/t≥1.5的原则，如当芯层板材厚度t＝1mm时，选取板材厚度T≥1.5mm。若蒙皮芯层厚度比T/t＜1.5，则另外准备厚度为Tf加厚辅料使得T+Tf/t≥1.5。
(2)如图1，在进行蒙皮与芯层激光焊接时，根据步骤(1)若蒙皮芯层厚度比T/t≥1.5，遵循焊缝宽度l较大原则，可采取同一位置多条焊缝方法实现焊缝宽度增大，如在同一位置焊接两条平行相邻的焊缝，同时遵循原则，即若蒙皮芯层厚度比T/t＜1.5，则如图2所示在蒙皮与芯层见夹上加厚层后进行焊接，同样遵循焊缝宽度l较大及原则。
(3)在960℃超塑成形，最大加载压力为25Bar，超塑成形时间为100min，如图3所示，压力P与时间Tp关系为：当Tp≤2min时，P＝Tp/2Bar，当2<Tp<4min时，P＝1Bar，当4≤Tp≤6min时，P＝(Tp/2-1)Bar，当6<Tp<8min时，P＝2Bar，当8≤Tp≤10min时，P＝(Tp/2-2)Bar，当10<Tp<12min时，P＝3Bar，当12≤Tp≤14min时，P＝(Tp/2-3)Bar，当14<Tp<16min时，P＝4Bar，当16≤Tp≤18min时，P＝(Tp/2-4)Bar，当18<Tp<20min时，P＝5Bar，当20≤Tp≤22min时，P＝(Tp/2-5)Bar，当22<Tp<23min时，P＝6Bar，当23≤Tp≤25min时，P＝(Tp+1/2-6)Bar，当25<Tp<26min时，P＝7Bar，当26≤Tp≤28min时，P＝(Tp/2-6)Bar，当28<Tp<29min时，P＝8Bar，当29≤Tp≤31min时，P＝(Tp+1/2-7)Bar，当31<Tp<32min时，P＝9Bar，当32≤Tp≤34min时，P＝(Tp/2-7)Bar，当34<Tp<35min时，P＝10Bar，当35≤Tp≤37min时，P＝(Tp-25)Bar，当37<Tp<38min时，P＝12Bar，当38≤Tp≤40min时，P＝(1.5Tp-45)Bar，当40<Tp<80min时，P＝(0.25Tp+5)Bar，当80≤Tp≤100min时，P＝25Bar。
实施例1
一种Ti2AlNb合金激光焊接/超塑成形三层结构表面沟槽控制方法，如图1所示，该三层结构为由芯层和位于芯层两侧的蒙皮组成的夹层结构，芯层为波纹状，芯层的边缘与蒙皮以及芯层波峰与蒙皮之间均由激光焊接连接；
该方法的步骤包括：
(1)对Ti2AlNb合金进行选材，选择的蒙皮的厚度T＝2mm，芯层的厚度t＝1mm；
(2)对芯层和蒙皮进行激光焊接；
如图4所示，进行焊接时，在同一焊接位置采用3条平行的激光焊缝，同一侧相邻焊接位置之间的最近距离为L＝50mm，H＝40mm，l＝6mm；
(3)对步骤(2)激光焊接后的芯层和蒙皮进行超塑成型；
超塑成型温度为960℃，超塑成型压力为P＝25Bar，超塑成型时间为Tp＝100min。
得到的蒙皮表面各焊缝处光滑过渡，无沟槽。
实施例2
一种Ti2AlNb合金激光焊接/超塑成形三层结构表面沟槽控制方法，如图1所示，该三层结构为由芯层和位于芯层两侧的蒙皮组成的夹层结构，芯层为波纹状，芯层的边缘与蒙皮以及芯层波峰与蒙皮之间均由激光焊接连接；
该方法的步骤包括：
(1)对Ti2AlNb合金进行选材，选择的蒙皮的厚度T＝1mm，芯层的厚度t＝1mm；在蒙皮上添加辅料，辅料厚度为Tf＝1mm；
(2)对辅料和蒙皮以及辅料和芯层进行激光焊接；
如图4所示，进行焊接时，在同一焊接位置采用3条平行的激光焊缝，同一侧相邻焊接位置之间的最近距离为L＝50mm，H＝40mm，l＝6mm；
(3)对步骤(2)激光焊接后的芯层、蒙皮及辅料进行超塑成型；
超塑成型温度为960℃，超塑成型压力为P＝25Bar，超塑成型时间为Tp＝100min。
经过三维坐标测量，各焊缝处沟槽深度为0.08-0.12mm，满足沟槽深度小于0.3mm的要求。

Claims (10)

1.一种Ti2AlNb合金激光焊接/超塑成形三层结构表面沟槽控制方法，其特征在于该方法的步骤包括：
(1)对Ti2AlNb合金进行选材，蒙皮的厚度T和芯层的厚度t的比T/t≥1.5；
(2)对芯层和蒙皮进行激光焊接；
进行焊接时，在同一焊接位置采用2-4条激光焊缝，同一侧相邻焊接位置之间的最近距离为L，l为同一焊接位置两个边缘处的激光焊缝之间的距离；H为成形后三层结构厚度；
(3)对步骤(2)激光焊接后的芯层和蒙皮进行超塑成型；
超塑成型温度为940-960℃，超塑成型压力为P，0<P≤25Bar，超塑成型时间为Tp，0<Tp≤100min。
2.根据权利要求1所述的一种Ti2AlNb合金激光焊接/超塑成形三层结构表面沟槽控制方法，其特征在于：所述步骤(1)中，芯层板材厚度t＝1mm，蒙皮厚度T≥1.5mm。
3.根据权利要求1所述的一种Ti2AlNb合金激光焊接/超塑成形三层结构表面沟槽控制方法，其特征在于：所述的三层结构为由芯层和位于芯层两侧的蒙皮组成的夹层结构。
4.根据权利要求3所述的一种Ti2AlNb合金激光焊接/超塑成形三层结构表面沟槽控制方法，其特征在于：所述的芯层为波纹状，芯层的边缘与蒙皮以及芯层波峰与蒙皮之间均由激光焊接连接。
5.根据权利要求1所述的一种Ti2AlNb合金激光焊接/超塑成形三层结构表面沟槽控制方法，其特征在于：所述步骤(2)中，同一位置的激光焊缝均为平行关系。
6.根据权利要求1所述的一种Ti2AlNb合金激光焊接/超塑成形三层结构表面沟槽控制方法，其特征在于：所述的步骤(3)中，
当Tp≤2min时，
当2<Tp<4min时，P＝1Bar；
当4≤Tp≤6min时，
当6<Tp<8min时，P＝2Bar；
当8≤Tp≤10min时，
当10<Tp<12min时，P＝3Bar；
当12≤Tp≤14min时，
当14<Tp<16min时，P＝4Bar；
当16≤Tp≤18min时，
当18<Tp<20min时，P＝5Bar；
当20≤Tp≤22min时，
当22<Tp<23min时，P＝6Bar；
当23≤Tp≤25min时，
当25<Tp<26min时，P＝7Bar；
当26≤Tp≤28min时，
当28<Tp<29min时，P＝8Bar；
当29≤Tp≤31min时，
当31<Tp<32min时，P＝9Bar；
当32≤Tp≤34min时，
当34<Tp<35min时，P＝10Bar；
当35≤Tp≤37min时，P＝(Tp-25)Bar；
当37<Tp<38min时，P＝12Bar；
当38≤Tp≤40min时，P＝(1.5Tp-45)Bar；
当40<Tp<80min时，P＝(0.25Tp+5)Bar；
当80≤Tp≤100min时，P＝25Bar。
7.一种Ti2AlNb合金激光焊接/超塑成形三层结构表面沟槽控制方法，其特征在于该方法的步骤包括：
(1)对Ti2AlNb合金进行选材，蒙皮的厚度T和芯层t的层厚度的比T/t＜1.5，在蒙皮上添加辅料，辅料厚度为Tf，且满足T+Tf/t≥1.5；
(2)对辅料和蒙皮以及对芯层和辅料进行激光焊接；
进行焊接时，在同一焊接位置采用2-4条激光焊缝，同一位置的激光焊缝均为平行关系；同一侧相邻焊接位置之间的最近距离为L，l为同一焊接位置两个边缘处的激光焊缝之间的距离；H为成形后三层结构厚度；
(3)对步骤(2)激光焊接后的芯层、蒙皮及辅料进行超塑成型；
超塑成型温度为940-960℃，超塑成型压力为P，0<P≤25bar，超塑成型时间为Tp，0<Tp≤100min。
8.根据权利要求7所述的一种Ti2AlNb合金激光焊接/超塑成形三层结构表面沟槽控制方法，其特征在于：所述的步骤(1)中，在蒙皮上添加辅料的宽度与同一焊接位置两个边缘处的激光焊缝之间的距离相等，辅料的材料为Ti2AlNb。
9.根据权利要求7所述的一种Ti2AlNb合金激光焊接/超塑成形三层结构表面沟槽控制方法，其特征在于：所述的三层结构为由芯层和位于芯层两侧的蒙皮组成的夹层结构；所述的芯层为波纹状，芯层的边缘与蒙皮以及芯层波峰与蒙皮之间均由激光焊接连接；所述步骤(2)中，同一位置的激光焊缝均为平行关系。
10.根据权利要求7所述的一种Ti2AlNb合金激光焊接/超塑成形三层结构表面沟槽控制方法，其特征在于：所述的步骤(3)中，
当Tp≤2min时，
当2<Tp<4min时，P＝1Bar；
当4≤Tp≤6min时，
当6<Tp<8min时，P＝2Bar；
当8≤Tp≤10min时，
当10<Tp<12min时，P＝3Bar；
当12≤Tp≤14min时，
当14<Tp<16min时，P＝4Bar；
当16≤Tp≤18min时，
当18<Tp<20min时，P＝5Bar；
当20≤Tp≤22min时，
当22<Tp<23min时，P＝6Bar；
当23≤Tp≤25min时，
当25<Tp<26min时，P＝7Bar；
当26≤Tp≤28min时，
当28<Tp<29min时，P＝8Bar；
当29≤Tp≤31min时，
当31<Tp<32min时，P＝9Bar；
当32≤Tp≤34min时，
当34<Tp<35min时，P＝10Bar；
当35≤Tp≤37min时，P＝(Tp-25)Bar；
当37<Tp<38min时，P＝12Bar；
当38≤Tp≤40min时，P＝(1.5Tp-45)Bar；
当40<Tp<80min时，P＝(0.25Tp+5)Bar；
当80≤Tp≤100min时，P＝25Bar。
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