CN109092966B - 一种异种材料曲面管件的多层管辅助快速气胀装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种异种材料曲面管件的多层管辅助快速气胀装置，属于金属板或管、棒或型材加工处理领域，装置通过在异种材料的管坯内、外各增加一层覆管，其中内覆管用于促进管坯强度大一侧的材料成形，外覆管用于限制管坯强度小一侧的材料成形；在内覆管的内腔通入高压气体实现多层管辅助高温快速气胀成形。本发明还提供利用该装置的成形方法，用于高效率快速制备大尺寸异种材料对焊的复杂曲率异形截面管件，该方法可以有效避免胀形时由于材料不同在焊缝附近导致的不协调变形、曲率突变、甚至破裂缺陷等问题，控制成形零件的尺寸精度，成形管件性能优异，质量稳定。该方法也可用于复杂管件的焊后矫形。
Description
技术领域
本发明属于金属板或管、棒或型材加工处理领域，具体是指一种异种材料曲面管件的多层管辅助快速气胀装置及方法。
背景技术
在航空航天发动机高温、高压、高转速和高负荷等苛刻运行条件下，内部的各组成部件工作环境也相差较大，如进气道、压气机、燃烧室、尾喷管等工作温度存在较大差距。其中，针对部分大型复杂曲面整体薄壁构件，同一构件的不同位置服役环境也存在巨大差别，例如进气道的唇口和接近压气机室位置的工作环境差别显著。针对此类构件制造，采用同质材料成形复杂构件时，为了满足使用环境需求，需要保证选择的材料同时满足使用条件，增大使用裕度，例如高速飞行器进气道可以整体选择高温合金材料，其缺点是：管件整体质量大、制造成本高，且高温材料难成形的特性增加了零件的制造难度。为了提高发动机推重比、减轻发动机重量、降低制造难度等，在保证构件强度和可靠性前提下，尽可能实现各零部件的轻量化，采用异种材料连接的构件可以在满足构件各位置服役条件，同时有效减轻部件整体重量。随着异种材料连接技术的发展，针对航空航天发动机等复杂曲率异形截面薄壁管件制造，可采用两种或两种以上材料对焊而成，例如铝合金/不锈钢、铝合金/钛合金、钛合金/高强钢、钛合金/高温合金、异种钛合金（TA15/Ti60、TA15/Ti2AlNb、Ti60/Ti2AlNb）等，其缺点是：焊缝较多，约束度大，强制装配、焊接变形容易产生高水平焊接残余应力，承压条件下可靠性低，且焊缝破坏了整体管件的平滑曲面曲率，降低了空气流动性。同时，采用整体制造技术，可显著降低零件的整体重量，尤其是针对复杂曲率的变截面管状零件，通过中空结构优化可大量减少多余材料。
目前，气胀成形是一种先进的成形工艺，可以直接成形复杂曲面整体构件，而采用异种材料对焊管材直接整体气胀成形复杂曲率异形截面管件时，由于异种材料及焊缝的强度存在明显差异，例如Ti60/Ti2AlNb对焊管，在970℃下以0.001 s-1应变速率变形时，Ti60的流动应力为20MPa左右，而Ti2AlNb的流动应力为70MPa左右。这种显著的材料强度差异使得对焊板材的变形不协调，焊缝在复杂剪切应力状态下易发生破裂，甚至出现仅单侧材料变形的情况，制约了管件整体成形的可成形性。
发明内容
本发明针对现有异种材料对焊管的气胀成形工艺中存在的问题，公开了一种异种材料曲面管件的多层管辅助快速气胀装置，采用内、外覆管辅助异种材料对焊管坯塑性成形，本发明还公开了利用该装置的成形方法，以避免因异种材料及焊缝因强度不同造成的不协调变形、焊缝破裂缺陷等问题，并解决了现有采用对焊技术成形异种复杂管件导致的残余应力、焊缝不光滑等缺陷。
本发明是这样实现的：
一种异种材料曲面管件的多层管辅助快速气胀装置包括上模、下模、左推头、右推头、气瓶、进气阀、进气管、出气管和泄压阀，所述的上模的下表面和下模的上表面向装置中心轴方向依次设置有外覆管、内覆管；在异种材料的对焊管坯内、外两侧各套一层不同材料的覆管，具体表现为外覆管的材料强度是管坯材料强度的1-2倍，内覆管的材料强度是管坯材料强度的0.5-1倍，其中内覆管用于促进异种材料对焊管坯中材料强度高的材料的变形，外覆管用于限制异种材料对焊管坯中材料强度低的材料的变形。
所述的内覆管的左右两侧分别插入左推头和右推头，且左、右推头与内覆管之间保持密封状态；左推头和右推头中设有与内覆管内腔相通的进气管和出气管；进气管在装置外部与气瓶连接，通过进气阀控制进气加载路径；出气管与外部环境相通，通过泄压阀控制气体卸载路径。通过进气管向多层管内充入高压气体，多层管之间由于高压气体的作用紧紧地相互接触，在内、外覆管辅助下异种材料对焊管坯快速均匀成形。
进一步，所述的内覆管和外覆管之间套入管坯，所述的管坯由钛合金、铝合金、高温合金或高强钢等两种或两种以上的材料对焊而成，焊接工艺包括激光焊接、电子束焊接等。
进一步，所述的内覆管与管坯和外覆管与管坯之间的间隙为0.1-0.3mm，使内覆管、外覆管和管坯所形成的多层管的层与层之间表面在成形过程中保持贴合状态，并保证多层管轴向两侧齐平。
进一步，所述的外覆管的材料强度较高；所述的内覆管的材料强度较低。其中外覆管的材料强度是管坯材料强度的1-2倍，用来限制管坯强度小一侧的材料成形，内覆管的材料强度是管坯材料强度的0.5-1倍，用来促进管坯强度大一侧的材料成形，从而使管坯变形均匀。
进一步，所述的上模的下表面和下模的上表面均为非对称、大曲率复杂曲面。利用具备非对称、大曲率的曲面的上模和下模可以一次成形出大尺寸异种材料复杂曲率异形截面的管件。
进一步，所述的气瓶中的介质为空气、氮气或氩气。
本发明还公开了一种异种材料曲面管件的多层管辅助快速气胀方法，步骤如下：
步骤一：将管坯、内覆管、外覆管的表面进行预处理，通过喷涂润滑剂、喷砂或打磨来调整内覆管与管坯或外覆管与管坯之间的摩擦系数，从而调控管坯、内覆管和外覆管的变形协调性，促进管坯焊缝处变形均匀；
步骤二：在管坯内侧插入内覆管，在管坯外侧套上外覆管，得到多层管，控制内覆管与管坯和外覆管与管坯之间的间隙为0.1-0.3mm，并保证多层管轴向两侧齐平。
步骤三：闭合上模、下模的模具，将多层管夹持住，将左推头插入内覆管的左侧，右推头插入内覆管的右侧，控制左推头和右推头管材轴向移动，使多层管的轴向两端紧贴上模和下模，以实现多层管的密封。
步骤四：将上模、下模和多层管加热至成形温度；
步骤五：待上模、下模和多层管加热至成形温度后，保温20-30分钟，打开进气阀，通过进气管向内覆管内充入高压气体。通过进气阀的打开和闭合，按压力加载路径进行胀形成形，初始气体压力为0-20Mpa；
步骤六：待多层管贴合上模和下模后，逐渐升高气体压力至0-70MPa，保温保压0.1-0.5h；
步骤七：胀形完成后，打开泄压阀卸除压力，从进气管持续吹入低压冷气，待上模和下模冷却至取件温度，打开上模，退出左推头和右推头，取出成形制件；
步骤八：通过化学腐蚀或电解加工等方法将内覆管和外覆管去除，从而得到所需异种材料曲面管件。
进一步，所述的异种材料对焊管坯通过激光焊接、电子束焊接等连接而成；所述的管坯厚度为1-5mm。也可通过其他的技术制备管坯，不限定以上的制备方式。
本发明与现有技术的有益效果在于：
1.本发明所使用的管坯是由异种材料通过焊接（例如激光焊接、电子束焊接等）或其他连接方法制成的管材，可采用两种或两种以上材料对焊而成，例如铝合金/不锈钢、铝合金/钛合金、钛合金/高强钢、钛合金/高温合金、异种钛合金（TA15/Ti60、TA15/Ti2AlNb、Ti60/Ti2AlNb）等，使用异种材料连接的构件可以在满足构件各位置服役条件的同时，有效降低部件整体质量；
2.本发明通过在管坯内、外两侧各增加一层不同材料的覆管，即内、外覆管的强度不一致。其中外覆管的材料强度是管坯材料强度的1-2倍，用来限制管坯强度小一侧的材料成形，内覆管的材料强度是管坯材料强度的0.5-1倍，用来促进管坯强度大一侧的材料成形。通过内、外覆管辅助快速气胀成形的工艺方法，可有效避免由于材料强度不同导致的变形不协调、焊缝产生破裂缺陷等问题，控制成形零件尺寸精度，成形产品性能优异，质量稳定；
3.本发明设计的成形装置中，上、下模具的型腔表面均为非对称、大曲率复杂曲面，采用整体制造技术，可以一次成形出大尺寸异种材料复杂曲率异形截面的管件，通过中空结构优化可大量减少多余材料，显著降低零件的整体重量；
4.本发明采用快速气胀成形工艺，所需成形时间短，可以极大地提高产品的生产效率，而且变形时间短可以有效减弱长时高温加热导致的材料恶化，改善产品质量；此外，成形介质为氮气、氩气或空气，此类介质容易获得且对环境无污染；本发明公开的工艺过程简便、易控制，成本低，生产效率高；
5.本发明的方法的适用性广，除了运用于异种材料曲面管件的多层管辅助快速气胀成形，本发明装置以及方法还可用于复杂管件的焊后矫形。
附图说明
图1为本发明一种异种材料曲面管件的多层管辅助快速气胀方法的工艺流程图；
图2为本发明中多种异种材料制备的管坯示意图；
图3为具体实施方式1的异种材料曲面管件的多层管辅助快速气胀装置的主视剖视图；
图4为具体实施方式1的异种材料曲面管件的多层管辅助快速气胀装置成形后的主视剖视图；
图5为具体实施方式2的异种材料曲面管件的多层管辅助快速气胀装置成形前的主视剖视图；
图6为具体实施方式2的异种材料曲面管件的多层管辅助快速气胀装置成形后的主视剖视图；
其中，1-左推头，2-内覆管，3-外覆管，4-管坯，5-焊缝，6-多层管，7-上模，8-右推头，9-气瓶，10-进气阀，11-进气管，12-下模，13-出气管，14-泄压阀。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚，明确，以下参照附图并举实例对本发明进一步详细说明。应当指出此处所描述的具体实施仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
如图3所示，图3为本实施例的异种材料曲面管件的多层管辅助快速气胀装置的主视剖视图，装置包括上模7、下模12、左推头1、右推头8、内覆管2、外覆管3、气瓶9、进气阀10、进气管11、出气管13和泄压阀14。上模7的型腔表面和下模12的型腔表面向装置中心轴方向依次设置有外覆管3、管坯4和内覆管2。左推头1和右推头8分别插入内覆管2的左右两侧并向多层管6轴向运动进给保证密封；本实施例中在左推头1和右推头8中分别设有与内覆管2内腔相通的出气管13和进气管10，出气管13与外部环境相通，通过泄压阀14进行控制，进气管10与气瓶9连接，通过进气阀10进行控制；在内覆管2和外覆管3之间套入管坯4。其中管坯4由钛合金、铝合金或高强钢等两种或两种以上的材料对焊而成。
管坯4可以是两种材料对焊而成，也可以是多种材料对焊而成，不同材料对焊处会出现焊缝5，如图2a~2c所示。其中2a所示的为管坯4由两种材料对焊而成，形成两段，即材料A-材料A；2b所示的为管坯4由两种材料对焊而成，形成三段，即材料A-材料B-材料A；2c所示的为管坯4由三种材料对焊而成，形成三段，即材料A-材料B-材料C；利用本发明装置进行多层管辅助快速气胀方法中，管坯4由两种或两种以上的材料对焊而成，且可以根据实际需要形成不同的多段管坯。
成形装置的上模7的型腔表面和下模12的型腔表面均为非对称、大曲率复杂曲面；内覆管2和外覆管3是强度不同的两种材料管件，其中外覆管3的材料强度是管坯4的材料强度的1-2倍，内覆管2的材料强度是管坯4的材料强度的0.5-1倍。其中内覆管2用于促进管坯4强度大一侧的材料成形，外覆管3用于限制管坯4强度小一侧的材料成形，由内覆管2、外覆管3和管坯4形成的多层管6。多层管6在套合前需要对层与层之间的表面预处理，通过喷涂润滑剂、喷砂或打磨来调整内覆管2与管坯4或外覆管3与管坯4之间的摩擦系数，从而调控管坯4、内覆管2和外覆管3的变形协调性，促进管坯4的焊缝5处变形均匀。
本发明还公开了利用上述成形装置的大型异种材料曲面管件的多层管辅助快速气胀方法，如图1所示，该方法的步骤如下：
步骤一、将管坯4、内覆管2、外覆管3的表面进行预处理，通过喷涂润滑剂、喷砂或打磨来调整内覆管2与管坯4或外覆管3与管坯4之间的摩擦系数，从而调控管坯4、内覆管2和外覆管3的变形协调性，促进管坯4焊缝处发生均匀变形；
步骤二、在管坯4内侧插入内覆管2，在管坯4外侧套上外覆管3，得到多层管6，控制内覆管2与管坯4和外覆管3与管坯4之间的间隙为0.1-0.3mm，并保证多层管6轴向两侧齐平。
步骤三、闭合上模7、下模12的模具，将多层管6夹持住，将左推头1插入内覆管2的左侧，右推头8插入内覆管2的右侧，控制左推头1和右推头8向管材轴向移动，使多层管6的轴向两端紧贴上模7和下模12上，以实现多层管6的密封。
步骤四、将上模7、下模12和多层管6加热至成形温度；
步骤五、待上模7、下模12和多层管6加热至成形温度后，保温20-30分钟，打开进气阀，通过进气管向内覆管内充入高压气体。通过进气阀的打开和闭合，按压力加载路径进行胀形成形，初始气体压力为0-20Mpa；
步骤六、待多层管贴合上模和下模后，逐渐升高气体压力至0-70MPa，保温保压0.1-0.5h；
步骤七、胀形完成后，打开泄压阀卸除压力，从进气管持续吹入低压冷气，待上模和下模冷却至取件温度，打开上模，退出左推头和右推头，取出成形制件；
步骤八、通过化学腐蚀或电解加工等方法将内覆管和外覆管去除，从而得到所需异种材料曲面管件。如图4所示，图4为本实施例的异种材料曲面管件的多层管辅助快速气胀装置成形后的主视剖视图。
实施例2
如图5~6所示，利用本发明的成形装置以及成形方法，具体的步骤与上述实施例1类似。只是管坯由三种不同材料焊接而成。图5为本实施例的异种材料曲面管件的多层管辅助快速气胀装置成形前的主视剖视图；图6为本实施例中三种不同材料焊接而成的异种材料曲面管件的多层管辅助快速气胀装置成形后的主视剖视图。
需要说明的是本发明的装置以及方法还可以运用于复杂管件的焊后矫形。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种异种材料曲面管件的多层管辅助快速气胀装置，其特征在于，所述的装置包括上模（7）、下模（12）、左推头（1）、右推头（8）、气瓶（9）、进气阀（10）、进气管（11）、出气管（13）和泄压阀（14），所述的上模（7）的型腔表面和下模（12）的型腔表面向装置中心轴方向依次设置有外覆管（3）、管坯（4）和内覆管（2）；所述的内覆管（2）的左右两侧分别插入左推头（1）和右推头（8），且左推头（1）和右推头（8）与内覆管（2）之间保持密封状态；在所述的左推头（1）和右推头（8）中分别插入进气管（11）和出气管（13），并与内覆管（2）的内腔相通；其中进气管（11）在装置外部与气瓶（9）连接，通过进气阀（10）控制，出气管（13）与外部环境相通，通过泄压阀（14）控制。
2.根据权利要求1所述的一种异种材料曲面管件的多层管辅助快速气胀装置，其特征在于，在所述的内覆管（2）和外覆管（3）之间套入管坯（4），所述管坯（4）由钛合金、铝合金、高温合金或高强钢两种或两种以上的材料对焊而成，焊接工艺包括激光焊接、电子束焊接。
3.根据权利要求2所述的一种异种材料曲面管件的多层管辅助快速气胀装置，其特征在于，所述的内覆管（2）与管坯（4）、外覆管（3）与管坯（4）之间的间隙为0.1-0.3mm，使内覆管（2）、外覆管（3）和管坯（4）所形成的多层管（6）的层与层之间表面在成形过程中保持贴合状态，并保证多层管（6）轴向两侧齐平。
4.根据权利要求1~3任一所述的一种异种材料曲面管件的多层管辅助快速气胀装置，其特征在于，所述的外覆管（3）的材料强度是管坯（4）的材料强度的1-2倍；所述的内覆管（2）的材料强度是管坯（4）的材料强度的0.5-1倍。
5.根据权利要求1所述的一种异种材料曲面管件的多层管辅助快速气胀装置，其特征在于，所述的上模（7）的型腔表面和下模（12）的型腔表面均为非对称、大曲率不规则曲面。
6.根据权利要求1所述的一种异种材料曲面管件的多层管辅助快速气胀装置，其特征在于，所述的气瓶（9）中的介质为空气、氮气或氩气。
7.一种异种材料曲面管件的多层管辅助快速气胀方法，其特征在于，步骤如下：
步骤一：将管坯（4）、内覆管（2）、外覆管（3）的表面进行预处理，
步骤二：在管坯（4）内侧插入内覆管（2），在管坯（4）外侧套上外覆管（3），得到多层管（6），控制内覆管（2）与管坯（4）、外覆管（3）与管坯（4）之间的间隙为0.1-0.3mm，并保证多层管（6）轴向两侧齐平；
步骤三：闭合上模（7）、下模（12）的模具，将多层管（6）夹持住，分别将左推头（1）、右推头（8）插入内覆管（2）的两侧，控制左推头（1）和右推头（8）向管材轴向移动，使多层管（6）的轴向两端紧贴上模（7）和下模（12），以实现多层管（6）的密封；
步骤四：将上模（7）、下模（12）和多层管（6）加热至成形温度；
步骤五：待上模（7）、下模（12）和多层管（6）加热至成形温度后，保温20-30分钟，打开进气阀（10），通过进气管（11）向内覆管（2）内充入高压气体；通过进气阀（10）的打开和闭合，按压力加载路径进行气胀成形，初始气体压力为0-20MPa；
步骤六：待多层管贴合上模（7）和下模（12）后，逐渐升高气体压力至0-70MPa，保温保压0.1-0.5h；
步骤七：胀形完成后，打开泄压阀（14）卸除压力，从进气管（11）持续吹入低压冷气，待上模（7）和下模（12）冷却至取件温度，打开上模（7），退出左推头（1）和右推头（8），取出成形制件；
步骤八：将内覆管（2）和外覆管（3）去除，得到所需异种材料曲面管件。
8.根据权利要求7所述的一种异种材料曲面管件的多层管辅助快速气胀方法，其特征在于，所述的管坯（4）厚度为1-5mm；所述的步骤一中的预处理包括：喷涂润滑剂、喷砂或打磨来调整内覆管（2）与管坯（4）或外覆管（3）与管坯（4）之间的摩擦系数。
9.根据权利要求7所述的一种异种材料曲面管件的多层管辅助快速气胀方法，其特征在于，所述的步骤八中去除内覆管（2）和外覆管（3）的方法包括化学腐蚀、电解加工。
10.根据权利要求7~9任一所述的一种异种材料曲面管件的多层管辅助快速气胀方法，其特征在于，该方法还可以用于复杂管件的焊后矫形。
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