CN108817867B

CN108817867B - 一种密闭带筋空心构件的成形方法

Info

Publication number: CN108817867B
Application number: CN201810945784.3A
Authority: CN
Inventors: 张纪春; 邵杰; 韩秀全; 陈福龙
Original assignee: AVIC Beijing Aeronautical Manufacturing Technology Research Institute
Current assignee: AVIC Beijing Aeronautical Manufacturing Technology Research Institute
Priority date: 2018-08-20
Filing date: 2018-08-20
Publication date: 2021-03-05
Anticipated expiration: 2038-08-20
Also published as: CN108817867A

Abstract

本发明涉及一种密闭带筋空心构件的成形方法，其采用机械加工的方法加工完成两个带有立筋的空腔半坯构件，将两个半坯构件的立筋对齐，焊接成为一个整体毛坯，并在整体毛坯一侧焊接进气管，将整体毛坯放入加热炉中，在向整体毛坯空腔内充入惰性气体并保持一定压力的条件下进行超塑成形/扩散连接。该方法简单、高效，可有效防止采用其他工艺方法成形的空腔结构表面出现的沟槽、凹陷等缺陷，空腔区域壁厚在高温、高压下发生的蠕变变形问题，保证了零件的外形轮廓精度。

Description

一种密闭带筋空心构件的成形方法

技术领域

本发明涉一种密闭带筋空心构件的成形方法，属于钛合金超塑成形/扩散连接技术领域。

背景技术

随着航空航天制造技术的发展，飞行器已经从亚声速、超声速进入超高速声速阶段发展，飞行器的制造技术也向着轻量化、耐高温的方向发展。飞行器结构的某些承力部件，必须具备良好的气动性能，升力大，阻力小，重量轻，气动加热小等要求。为了实现结构的轻量化，减重的主要途经就是在结构上采用“以空代实”，即对于承受以弯曲或扭转载荷为主的构件, 采用空心结构取代实心结构，这样既可以减轻重量节约材料又可以充分利用材料的强度和刚度。综上所述，飞行器的此类功能性构件也由实心板式结构向空心结构转变，由铝合金材料向钛合金材料转变。

目前钛合金带筋空心结构零件的制造主要有三种方法：蒙皮骨架式、超塑成形/扩散连接结构、真空扩散焊。

蒙皮骨架式构件，骨架一般采用辐射梁式或网格式直接加工而成,蒙皮与骨架采用焊接或铆钉、螺钉装配。骨架一般采用铝合金机加、化学洗切、模锻等方法成型。蒙皮一般采用热成形工艺方法完成制造。蒙皮骨架式结构不论是采用了铆接方式还是螺钉连接方式，均为连接结构，存在结构整体性差、型面精度差、装配复杂，生产效率低等缺点。蒙皮与骨架之间采用焊接方式时，虽然其内部为空心结构，在一定程度上减轻了工件重量。但是，由于工件在焊接后冷却过程中散热不均，工件型面轮廓产生变形，影响工件在飞行过程中的受载分布，对飞行轨迹产生较大影响。另外，在焊接过程中，焊接位置和热影响区域经历焊接热循环过程，造成组织长大，极易产生母材强度下降或延迟裂纹以及裂纹等缺陷，直接影响到工件的使用性能，甚至整体产品的使用寿命。蒙皮与骨架铆接是薄壁与实体连接，蒙皮在与骨架连接区域，应力集中大，型面轮廓产生变形。在铆接外力的作用下，铆钉发生塑性形变，铆钉杆膨胀、变粗，强度下降，铆钉产生脱落。

超塑成形/扩散连接技术（SPF/DB）是在一定温度下、一个热循环状态下完成超塑成形和扩散连接两个工艺过程，从而制造出外形曲面复杂、内部立筋的空心构件。利用钛合金超塑成形技术可以制造多种复杂航空航天空心结构零件，如两层结构舱门、壁板、口盖、四层结构叶片等飞机、发动机零件以及导弹舵翼类零件。利用SPF/DB 组合工艺技术成形钛合金空心结构，虽然保证了结构的整体性，但是其工艺过程复杂，温度、时间、压力等工艺参数多，立筋完整性易出现缺陷。但是，在超塑成形立筋过程中，极易出现表面沟槽、褶皱、筋条缺失或不完整等缺陷，影响零件的气动外形和质量分布，严重时可引起颤振。

扩散焊是一种将工件在一定温度和压力的作用下，在母材表面产生极小的微观塑性流变相但无相对移动的固态焊接方法。真空扩散焊的原理是：将两个待焊接工件的断面磨光后放在一起，在真空环境下加热到金属熔化温度的0.7～0.9倍，在加压条件下使工件接触面发生局部塑性变形，发生金属原子间的连接和原子间的互相扩散从而实现两个工件的连接。扩散焊空心构件，受炉体真空环境影响较大，直接影响构件接触界面的焊合质量。另外，受到真空炉体工作台面积的制约，不适用于大零件的加工，且针对焊接处和装配要求较高，焊接过程中，热循环时间较长，导致生产效率不高，零件尺寸也受到了设备的局限。在真空扩散炉内，受长时间热循环状态影响，空腔处产生蠕变变形，造成空腔处塌陷，引起壁厚分布不均，不能保证零件最终的外形轮廓。采用超塑成形/扩散连接技术制造的空心立筋结构存在筋条宽度不一致，筋条紊乱或缺失等严重缺陷。采用本发明可避免上述缺点，并存在以下改进点：

（1）空腔立筋采用机械加工的方法，保证了筋条尺寸的精度，避免了筋条紊乱和缺失缺陷；

（2）不需要复杂的进气加载方式和气源系统，只需要一根进气管路通入少量的惰性气体，所需时间短、操作简单；

（3）加热炉不需要真空环境，仅需要空腔内部充入惰性气体保护。

本发明不需要复杂的毛坯制备过程，仅需要两件对称带筋结构的半坯进行封焊，大大提高了制造效率。

发明内容

为了解决现有技术中存在的空心带筋结构零件表面质量存在缺陷、筋条缺失、空腔壁厚分布不均的问题，本发明提供了一种密闭带筋空心构件的成形方法，保证了构件的型面精度和壁厚分布。

为了实现本发明，其采用了如下技术方案；

一种密闭带筋空心构件的成形方法，该密闭带筋空心构件由两个带有立筋的空腔半坯构件构成，其特征在于，该成形方法包括如下步骤：

（1）采用机械加工的方法加工完成两个带有立筋的空腔半坯构件；

（2）将两个半坯构件进行表面清理，然后将两件半坯构件的立筋对齐，焊接成为一个整体毛坯，并在整体毛坯一侧焊接进气管，通过进气管可向毛坯空腔内充入气体；

（3）检测整体毛体的密封性；

（4）将整体毛坯装入加热炉中的模具内，向模具上表面施加一定的压力F1，通过进气管向整体毛坯空腔内部通入惰性气体，对空腔内部进行净化，并向空腔内持续通入惰性气体至压力P1并保持该压力，F1大于P1，然后开始升温；

（5）持续加热炉体，使模具和整体毛体构件升温到扩散连接的温度，保持温度，调节压力F1为F2，调节压力P1为P2，保持一定时间后，开始降温，其中F2＞F1，P2＞P1、F2＞P2；

（6）降低加热炉温度，降至一定温度后，放出整体毛坯空腔内的惰性气体，卸载压力，取出整体毛坯，得到密闭带筋空心构件；

（7）机械加工出最终结构外形。

进一步地，所述立筋为一字形、十字形或其他形式。

进一步地，所述半坯构件的表面清理采用酸洗的方法去除表面油污，使半坯构件表面保持清洁。

进一步地，步骤（2）所述的焊接采用钨极氩弧焊填丝焊接方法。

进一步地，步骤（2）所述进气管为钛管。

进一步地，步骤（5）中，所述整体毛体构件为钛合金构件，扩散连接的温度为880℃～950℃，压力F2的大小为5T～30T。

进一步地，步骤（6）中，当加热炉温度降至低于500℃后，放出整体毛坯空腔内的惰性气体，至室温后，卸载压力，取出整体毛坯。

本发明的技术效果如下：

本发明针对密闭带筋空心构件加工，采用的工艺方法简单、高效，筋条采用机械加工方法完成，可有效防止采用其他工艺方法成形的空腔结构表面出现的沟槽褶皱、凹陷、筋条缺失缺陷，空腔内部充入一定压力的惰性气体解决了空腔区域壁厚在高温、高压下发生的因自重出现的蠕变变形问题，保证了零件的外形轮廓精度和壁厚精度。工艺流程简单,成形过程参数少，易于控制、质量稳定，具有以下创新点：

（1）采用机械加工的方法完成带有立筋的空腔半坯构件加工，效率高，立筋尺寸精度高，毛坯制备精度高，保证了空腔立筋的一致性，空腔区初始厚度的一致性，同时组坯焊接精度高；

（2）半坯采用机械加工完成，将空腔立筋结构一分为二，扩散连接界面为平面，有利于原子间的扩散。

（3）该方法中只有一个焊接界面，封焊时内部空腔气密性便于检测。

（4）该方法不需要加热炉保持真空环境，由于封焊后的毛坯空腔内通入一定量的惰性气体，在升温过程中有效防止了空腔内部扩散界面的氧化。成形模具简单，平台操作方便快捷，成形后的零件外形尺寸可由机械加工完成。

（5）当温度达到扩散连接温度时，在机床压力作用下，可将扩散连接界面处的气体挤入空腔区域，腔体内部保持一定压力的惰性气体，高温下可有效限制空腔区材料因自重产生的蠕变变形。

附图说明

图1 本发明的工艺流程图；

图2本发明的带有立筋的空腔半坯构件结构示意图；

图3 图2的A-A剖视图；

图4 焊接得到的整体毛坯示意图；

图5 图4的横截面示意图；

图6 本发明的密闭带筋空心构件的成形方法的装置装配示意图；

图7 图6的局部放大图。

图中：1-焊缝；2-钛管；3-炉体；4-上模具；5-下模具；6-上平台；7-进气管；8-下平台;9-零件扩散连接界面。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明的一种密闭带筋空心构件的成形方法作进一步阐述，但本发明的保护内容并不限于以下实施例。

一种密闭带筋空心构件的成形方法，包括如下步骤：

（1）采用机械加工的方法加工完成两个带有立筋的空腔半坯构件；立筋为一字形、十字形或其他形式，图2和图3给出的为一字形立筋；

（2）将两个半坯构件进行表面清理，然后将两件半坯构件的立筋对齐，焊接成为一个整体毛坯，如图4所示，并在整体毛坯一侧焊接进气管，如图5所示，通过进气管可向毛坯空腔内充入气体；

两个半坯构件进行表面清理的可采用酸洗，去除表面油污，使构件表面保持清洁；

（3）检测整体毛体的密封性，确保整体毛体的内部空腔能够保持真空状态；

（4）将封边焊接后的整体毛坯装入加热炉中的模具内，下降加热炉上平台，向模具上平台施加一定的压力F1（较小的压力），通过进气管7向整体毛坯空腔内部通入惰性气体，对空腔内部进行净化，并向空腔内持续通入惰性气体至压力P1并保持该压力，F1大于P1，然后开始升温；

（5）持续加热炉体，使模具及整体毛坯升温到钛合金可进行扩散连接的温度（880℃～950℃），调节加热炉上平台压力，对构件施加一定吨位（5T～30T）的压力F2。调节空腔内部气体压力为P2，F2＞F1，P2＞P1、F2＞P2；加热炉上平台对模具保持一定时间的压力，使两半坯构件之间的接触面之间的气体被挤出至空腔内，接触界面上的原子在相应的温度、时间、压力条件下进行钛合金原子之间的扩散焊接，消除空洞，接触界面成为一体，保持一定时间后，开始降温；如图6和图7所示；

（6）降低加热炉温度，当加热炉温度降至低于500℃后，放出整体毛坯空腔内的惰性气体，至室温后，卸载压力，取出整体毛坯，得到密闭带筋空心构件；

（7）机械加工出最终结构外形。

Claims

1.一种密闭带筋空心构件的成形方法，该密闭带筋空心构件由两个带有立筋的空腔半坯构件构成，其特征在于，该成形方法包括如下步骤：

（3）检测整体毛坯的密封性；

（5）持续加热炉体，使模具和整体毛坯构件升温到扩散连接的温度，保持温度，调节压力F1为F2，调节压力P1为P2，保持一定时间后，开始降温，其中F2＞F1，P2＞P1、F2＞P2；

（7）机械加工出最终结构外形。

2.根据权利要求1所述的一种密闭带筋空心构件的成形方法，其特征在于，所述立筋为一字形或十字形。

3.根据权利要求1所述的一种密闭带筋空心构件的成形方法，其特征在于，所述半坯构件的表面清理采用酸洗的方法去除表面油污，使半坯构件表面保持清洁。

4.根据权利要求1所述的一种密闭带筋空心构件的成形方法，其特征在于，步骤（2）所述的焊接采用钨极氩弧焊填丝焊接方法。

5.根据权利要求1所述的一种密闭带筋空心构件的成形方法，其特征在于，步骤（2）所述进气管为钛管。

6.根据权利要求1所述的一种密闭带筋空心构件的成形方法，其特征在于，步骤（5）中，所述整体毛坯构件为钛合金构件，扩散连接的温度为880℃～950℃，压力F2的大小为5T～30T。

7.根据权利要求1所述的一种密闭带筋空心构件的成形方法，其特征在于，步骤（6）中，当加热炉温度降至低于500℃后，放出整体毛坯空腔内的惰性气体，至室温后，卸载压力，取出整体毛坯。