CN109732206A

CN109732206A - 一种适用于可热处理强化铝合金的全流程加工方法

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Publication number: CN109732206A
Application number: CN201910092315.6A
Authority: CN
Inventors: 黄亮; 王泽宇; 李建军; 朱辉
Original assignee: Huazhong University of Science and Technology
Current assignee: Huazhong University of Science and Technology
Priority date: 2019-01-30
Filing date: 2019-01-30
Publication date: 2019-05-10

Abstract

本发明属于航空航天大型薄壁型构件的制备相关技术领域，其公开了一种适用于可热处理强化铝合金的全流程加工方法，该方法包括以下步骤：(1)对铝合金板料的焊缝处进行清理打磨后，采用激光对退火态的铝合金板料进行激光焊拼接；其中，所述激光的波长为1.07nm，功率为3.5kW；(2)对经过焊接处理的焊态铝合金板料依次进行固溶处理及双级时效处理，以得到薄壁型构件的半成品；其中，双级时效处理的第一阶段为在140℃下保持2小时，第二阶段为在180℃下保持6小时；(3)采用电磁成形的方式对所述半成品进行塑性变形处理，以得到所述薄壁型构件。本发明简化了工艺，提高了精度，灵活性较好，易于实施。

Description

一种适用于可热处理强化铝合金的全流程加工方法

技术领域

本发明属于航空航天大型薄壁型构件相关技术领域，更具体地，涉及一种适用于可热处理强化铝合金的全流程加工方法。

背景技术

目前，在航空航天领域中，随着对于运载能力的日益提升的需求，对于载具大型化、轻量化的要求也不断提高，而到目前为止，针对包括火箭贮箱在内的多种铝合金大型薄壁构件的制造依旧存在很大难题。

针对目前已经存在的应用技术，在文章《Spinforming of Friction Stir WeldedAA2219 Circular Blanks for ARIANE 5 Main Stage Tank Bulkheads》中介绍了Ariane5运载火箭中所使用的燃料贮箱的穹顶结构的制造方法，其工序包括焊接、预成形、成形、热处理等多个步骤，通过对于各个工艺的合理调控，最终可以生产出来直径达5.4米的贮箱的穹顶结构。但是由于成形后还需要进行固溶时效处理，因此很难避免因热处理导致的变形以及残余应力，不利于最终制件的装配以及服役性能。同时，采用旋压的工艺方式虽然能够大大降低对于成形力的要求，但对于工艺设备存在有较高的要求，且装备的柔性化程度较低，随着制件尺寸的增加，制造成本、工艺难度也迅速增加，同时对于非轴对称的复杂曲面的构件的成形也存在较大的难度。

对于更大尺寸的穹顶结构，目前主流的生产工艺依旧是分瓣成形后通过焊接的方式来进行连接，文章《美国SLS重型运载火箭最新进展分析》介绍了美国SLS运载火箭芯级的制造过程，作为目前世界上最大的火箭推进级，其芯级直径达到了8.4米，难以通过旋压技术直接进行整体成形，因此，箱底的穹顶结构是通过12块铝合金瓜瓣零件焊接而成，此分块成形的方法对于每块瓜瓣的形状尺寸和几何精度以及焊接过程中的装配工艺提出了较高的要求，对于制造过程中的生产成本的控制以及最终制件的性能的调控具有较高的难度。相应地，本领域存在着发展一种较为简单的适用于可热处理强化铝合金的全流程加工方法的技术需求。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，并基于大型薄壁构件的制备特点，本发明提供了一种适用于可热处理强化铝合金的全流程加工方法。所述加工方法致力于解决可热处理强化铝合金的航空航天大型薄壁型构件的生产中，因热处理、焊接及塑性成形工艺之间相互影响而导致的成形困难、制件质量难以调控等问题，以及针对大型薄壁构件的制造，传统成形方式所带来的成本及工艺难度的问题，进而在可控的成本及工艺环境下，制造得到符合设计要求的大型薄壁制件。

为实现上述目的，本发明提供了一种适用于可热处理强化铝合金的全流程加工方法，该方法包括以下步骤：

(1)对铝合金板料的焊缝处进行清理打磨后，采用激光对退火态的铝合金板料进行激光焊拼接；其中，所述激光的波长为1.07nm，功率为3.5kW；

(2)对经过焊接处理的焊态铝合金板料依次进行固溶处理及双级时效处理，以得到薄壁型构件的半成品；其中，双级时效处理的第一阶段为在140℃下保持2小时，第二阶段为在180℃下保持6小时；

(3)采用电磁成形的方式对所述半成品进行塑性变形处理，以得到所述薄壁型构件。

进一步地，在激光焊接过程中通氩气以保护焊缝组织，所述氩气的通气速率为20L/min。

进一步地，采用光纤激光焊接器进行激光焊接，其中所述光纤激光焊接器输出的激光的焦点处光斑直径为0.3nm。

进一步地，激光焊接时的焊接速度为2.0m/min。

进一步地，所述铝合金板料是采用可热处理强化铝合金制成的。

进一步地，固溶处理为在535℃下保温40分钟。

进一步地，电磁成形时的放电量为8.63kJ～15.34kJ。

进一步地，采用的电磁成形方式为单次加载成形。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，本发明提供的适用于可热处理强化铝合金的全流程加工方法主要具有以下有益效果：

1.对铝合金板料的焊缝处进行清理打磨后，采用激光对退火态的铝合金板料进行激光焊拼接，直接对于板坯料进行焊接处理，避免了成形之后焊接造成的装夹困难、随形焊接工艺复杂等问题，同时也避免了焊接后所造成的焊接残余应力难以释放等问题。

2.通过焊接后进行固溶处理及双级时效处理，大大提升了焊缝组织的强度，进而降低了因焊接所导致的焊缝区域组织薄弱的问题。

3.将成形工序作为最终工序，可以充分保留塑性加工所导致的加工硬化，一定程度上提升了制件的强度，也避免了因成形后热处理所导致的变形等问题，同时由于电磁成形本身具有回弹较低的优势，因此有利于实现精确成形。

4.所述加工方法简化了流程，工艺简单，易于实施，灵活性较好。

附图说明

图1是本发明提供的适用于可热处理强化铝合金的全流程加工方法的流程示意图。

图2是本发明第一实施方式提供的适用于可热处理强化铝合金的全流程加工方法涉及的2219铝合金激光焊焊缝的表面形貌示意图。

图3是图2中的2219铝合金激光焊缝的横截面形貌示意图。

图4是图2中的2219铝合金激光焊焊缝的金相组织形貌示意图。

图5是图2中的2219铝合金激光焊焊缝经过固溶处理及双级时效处理后的金相组织形貌示意图。

图6是采用本发明第一实施方式提供的适用于可热处理强化铝合金的全流程加工方法获得的不同电磁成形放电总能量下焊态2219铝合金的力学性能示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

请参阅图1，本发明提供的适用于可热处理强化铝合金的全流程加工方法，所述加工方法主要包括以下步骤：

步骤一，对铝合金板料的焊缝处进行清理打磨后，采用激光对退火态的铝合金板料进行激光焊拼接；其中，所述激光的波长为1.07nm，功率为3.5kW。

具体地，在对铝合金板料的焊缝处组织进行清洗打磨之后，对于完全退火态的铝合金板料进行激光焊拼接，同时在焊接过程中通氩气以保护焊缝组织。本实施方式中，采用的激光的波长为1.07nm，功率为3.5kW，所述氩气的速率为20L/min。

采用激光焊接器进行激光焊接，所述激光焊接器为光纤激光焊接器，输出波长为1.07nm，最大输出功率为4kW，聚焦镜焦距为250nm，焦点处光斑直径为0.3nm，同时，焊接工艺采用机械臂完成，以保证焊接工艺下焊缝的一致性。本实施方式中，所述铝合金板料是采用可预热处理强化铝合金制备成的，如2xxx、6xxx以及7xxx等铝合金。

步骤二，对经过焊接处理的焊态铝合金板料依次进行固溶处理及双级时效处理，以得到薄壁型构件的半成品；其中，双级时效处理的第一阶段为在140℃下保持2小时，第二阶段为在180℃下保持6小时。

具体地，对经过焊接处理的焊态铝合金板料进行固溶处理及双级时效处理，可以在提高铝合金强度的同时降低焊缝组织与母材之间的差异。其中，固溶处理为在535℃下保持40分钟；双级时效处理的第一阶段为在140℃下保持2小时，第二阶段为在180℃下保持6小时。

步骤三，采用电磁成形的方式对所述半成品进行塑性变形处理，以得到所述薄壁型构件。

具体地，本实施方式采用电磁成形装置，所述电磁成形装置包括充电系统、储能电容、放电回路、放电线圈以及成形模具组成，通过计算机控制可以使储能电容达到指定的充电电压，从而对于电磁成形过程中的放电能量进行控制，并通过放电回路的脉冲放电实现电磁成形。其中，所述电磁成形装置的放电量为8.63kJ～15.34kJ，达到的变形量为4.13％～9.63％；且所述电磁成形的方式为单次加载成形。

请参阅图2、图3、图4、图5及图6，本发明第一实施方式提供的适用于可热处理强化铝合金的全流程加工方法主要包括以下步骤：

S1，取一组完全退火态的2219铝合金板料进行激光焊拼焊。

具体地，激光功率为3.5kW，离焦量为0mm，焊接速度为2.0m/min，同时以20L/min的速率通氩气进行气体保护。焊接结束后，焊缝处外观参见图2所示，焊缝的正面与背面均呈现出均匀一致、明亮的金属光泽，同时焊缝表面平整，质量较高，接头正面的鱼鳞纹形貌为保护气流作用结果；焊缝的横截面形貌如图3所示，焊缝整体呈现下凹状，这是重力以及保护气流综合作用下的结果。

完全退火态的2219铝合金板料的抗拉强度为153.22±9.06MPa，断面收缩率为33.78±1.07％，而经过激光焊接处理之后，抗拉强度提高到了235.42±14.84MPa，而断面收缩率降低到了10.35±2.07％，同时，显微硬度测试表明，相比于母材的50HV，激光焊的焊缝处的硬度值保持在75HV左右。由金相检测结果(参见图4)可以看出，激光焊焊缝区域的组织以细小的柱状晶以及等轴晶为主，可以看出焊接接头的主要强化机制为细晶强化。

S2，取焊态的2219铝合金板料进行固溶处理及时效处理。

具体地，热处理规范为固溶处理在535℃下保温40min，时效处理的第一阶段为在140℃下保温2h，第二阶段为在180℃下保温6h。试样在经过固溶处理及双级时效处理之后，焊接接头的强度达到了393.68MPa，断面收缩率达到了17.78％，相比于焊态试样分别提高了67.22％和71.79％。同时，经过固溶处理及双级时效处理之后，焊缝与母材之间的硬度差距大大减小，试样的整体强度维持在130HV左右。请参阅图5，经过固溶处理及双级时效处理之后焊缝中细小的晶粒结构减少，但由于在固溶时效过程中，2219铝合金析出了以Al₂Cu为主要成分的强化相，因此整体强度大大提高。

S3，将经过热处理的试样进行电磁成形以得到大型薄壁构件。

具体地，分别将放电总能量控制在8.63kJ、10.65kJ、12.89kJ和15.34kJ，最终得到在放电能量下，单次电磁成形作用下的焊态2219铝合金试样，随着电磁成形放电能量的增加，试样的变形量分别为4.13％、5.43％、7.44％及9.63％；请参阅图6，经过电磁成形后，材料的抗拉强度最高达到了464.4MPa，对应的断面收缩率为9.35％，相比于未成形的试样，材料的抗拉强度提高了17.96％，同时断面收缩率降低了47.41％。

本发明提供的适用于可热处理强化铝合金的全流程加工方法，所述加工方法通过工序的合理安排，简化了流程，易于实施，充分保留了塑性加工所导致的加工硬化，一定程度上提升了大型薄壁制件的强度，也避免了因成形后热处理所导致的变形等问题，提高了成形精度。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种适用于可热处理强化铝合金的全流程加工方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

2.如权利要求1所述的适用于可热处理强化铝合金的全流程加工方法，其特征在于：在激光焊接过程中通氩气以保护焊缝组织，所述氩气的通气速率为20L/min。

3.如权利要求1所述的适用于可热处理强化铝合金的全流程加工方法，其特征在于：采用光纤激光焊接器进行激光焊接，其中所述光纤激光焊接器输出的激光的焦点处光斑直径为0.3nm。

4.如权利要求1-3任一项所述的适用于可热处理强化铝合金的全流程加工方法，其特征在于：所述铝合金板料是采用可热处理强化铝合金制成的。

5.如权利要求1-3任一项所述的适用于可热处理强化铝合金的全流程加工方法，其特征在于：激光焊接时的焊接速度为2.0m/min。

6.如权利要求1-3任一项所述的适用于可热处理强化铝合金的全流程加工方法，其特征在于：固溶处理为在535℃下保温40分钟。

7.如权利要求1-3任一项所述的适用于可热处理强化铝合金的全流程加工方法，其特征在于：电磁成形时的放电量为8.63kJ～15.34kJ。

8.如权利要求1-3任一项所述的适用于可热处理强化铝合金的全流程加工方法，其特征在于：采用的电磁成形方式为单次加载成形。