CN110480260A - 一种大直径薄壁钛合金环形管制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种大直径薄壁钛合金环形管制备方法，包括以下步骤1)平板卷筒、2)纵缝焊接、3)筒段校形和4)充液拉弯，利用切割装置对钛合金进行裁剪得到钛合金坯料，将裁剪后的钛合金坯料通过滚弯成型装备卷成开式筒段；将通过步骤1)得到的开式筒段卡装在焊接工作台上，然后通过焊接装置对开式筒段进行焊接，开式筒段通过焊接装置焊接后得到闭式筒段；将通过步骤2)得到的闭式筒段装配在耐高温不锈钢蠕变校形圆筒模具上，然后将其整体放置于真空热蠕变炉内，进行抽真空和加热处理，使钛合金圆筒在其作用下得到校形；将通过步骤3)得到的钛合金圆筒的两端通过拉弯夹具进行夹持。本发明的优点在于减少焊缝数量、显著降低焊接难度，释放了焊接残余应力。

Description

一种大直径薄壁钛合金环形管制备方法

技术领域

本发明涉及环形管制备技术领域，具体地，涉及一种大直径薄壁钛合金环形管制备方法。

背景技术

相对于高强钢管，钛合金管材不仅能够承受较大工作压力，还能满足航空航天领域对薄壁轻量化构件的需求，广泛应用在航空、航天等领域的特殊部件。美国首先在洛克希德C-5A军机上使用钛合金管材，随后该合金管材在F-14A、F-15和波音747、757、767等飞机的液压、燃油管路系统中被推广应用，在波音、通用、麦道、普惠、罗罗、空客等公司的军用飞机和商用客机等运输工具上也被广泛使用。除了航空应用外，钛合金管材还被广泛应用于航天飞机、卫星等领域，钛合金管材制成的钛合金环形贮箱具有体积小、质量轻、能承受高压等优点，在航天领域具有广阔的应用前景。

近年来，世界上主要航天大国，如美国、俄罗斯、欧洲空间局，均把发展上面级作为提高航天运输系统能力的重点进行开发。目前国外正在使用或正在进一步研制和发展的上面级有10多种型号，例如半人马座G、液体过渡级、IUS、PAM-DIII、轨道转移级、H-II的第二级、质子号D级、阿里安5的上面级、Briz-M、Fregat-SB等，其中Briz-M和Fregat-SB上面级使用大尺寸钛合金环形贮箱作为上面级通用平台，不仅能够使原上面级的技术状态得以全部继承，同时将大幅提高上面级的运载能力，在环形贮箱推进剂用完后抛离，显著减轻整器的飞行质量，最大幅度提高载荷的速度增量。

随着我国航天技术的快速发展，迫切需要建立一个可灵活配置、高度集成、适应快速集成灵活发射、在轨机动能力强、满足多种有效载荷要求的上面级通用平台，满足我国在空间防卫、空间控制领域的需求，提高我国对局部突发事件的空间侦查能力，这对大尺寸钛合金环形贮箱提出了迫切需求。

目前，国内生产者尚不具备大直径薄壁钛合金管材的制备能力，无法直接成形大直径薄壁钛合金无缝环形管。对于大直径钛合金环形管绝大部分采用分块成形+拼接的方式制造，采用此种制备方法存在焊缝数量多、三维曲面装配和焊接难度大、成形精度低等问题；也有少部分采用如中国专利CN103008386B，所公开的了一种厚径比直缝钛及钛合金焊管的制备方法，其特征是过程为：(1)钛带经过在线连续冷弯成型，制备得到由板状成型成圆筒状的管材；(2)进入焊接箱体，钨极氩弧焊接，通过钨极氩弧焊焊接，由未封闭的圆筒状焊接成封闭的管状；(3)将焊接后的管材进行在线感应去应力退火；(4)定径矫直；(5)涡流无损探伤和超声无损探伤、气密性检测，在无报警和卸压的情况下为合格管材，采用此种制备方法，虽然能够得到直缝钛及钛合金焊管，但是制备工艺较为复杂，给生产者带来了较大的不变。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种大直径薄壁钛合金环形管制备方法。

根据本发明提供的一种大直径薄壁钛合金环形管制备方法，其特征在于，包括以下步骤

1)平板卷筒；

利用切割装置对钛合金进行裁剪得到钛合金坯料，将裁剪后的钛合金坯料通过滚弯成型装备卷成开式筒段；

2)纵缝焊接；

将通过步骤1)得到的开式筒段卡装在焊接工作台上，然后通过焊接装置对开式筒段进行焊接，开式筒段通过焊接装置焊接后得到闭式筒段；

3)筒段校形；

将通过步骤2)得到的闭式筒段装配在耐高温不锈钢蠕变校形圆筒模具上，然后将其整体放置于真空热蠕变炉内，进行抽真空和加热处理，使钛合金圆筒在其作用下得到校形；

4)充液拉弯；

将通过步骤3)得到的钛合金圆筒的两端通过拉弯夹具进行夹持，并向钛合金圆筒内部冲入液体，钛合金圆筒在拉弯夹具的拉伸与弯曲联合作用下，使钛合金圆筒与拉弯模具的型面相贴合，最终实现大直径薄壁钛合金管材精密弯曲成形。

在本发明的一个优选实施例中，所述步骤1)中的切割装置为水切割、激光切割或线切割装置。

在本发明的一个优选实施例中，所述步骤1)中滚弯成型装备为三轴或四轴的滚弯成型装备。

在本发明的一个优选实施例中，所述步骤2)中的焊接装置为激光焊接装置和电子束焊接装置。

在本发明的一个优选实施例中，在所述步骤3)中的耐高温不锈钢蠕变校形圆筒模具的外周面上沿其轴向延伸开设有与闭式筒段的焊缝相对应的凹槽。

在本发明的一个优选实施例中，所述步骤4)中的拉弯夹具包括楔形壳体，在所述楔形壳体的上部的外周面上设有一锁紧外圈，所述锁紧外圈与楔形壳体之间采用螺纹连接，在所述楔形壳体的上端的中部设有与其轴线同轴且能够绕其轴线进行转动的调节螺母，在所述楔形壳体内部设有与其轴线同轴的楔形胀芯，所述楔形胀芯的上端延伸至楔形壳体的外部且与调节螺母进行螺纹配合；

在所述楔形壳体的内部还设有一在楔形胀芯的作用下能够将钛合金圆筒的端部夹持在其与楔形壳体之间的胀块，在所述胀块的下端上还设有密封塞，在所述密封塞的外周面上沿其轴线方向间隔设有多条密封圈；

在所述密封塞上设有与高压供液装置相连通管路，在所述高压供液装置上设有用于检测充入钛合金圆筒内液体的压力的压力传感器，所述压力传感器与高压供液装置分别与PLC控制系统通讯连接。

在本发明的一个优选实施例中，在所述胀块的外周面上设有压接在钛合金圆筒的端部上的压接牙。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：该方法可以实现大径厚比钛合金环形管结构件少缝精密成形，改变传统大直径薄壁钛合金环形管上下半管拼焊成形焊缝数量多、三维曲面装配和焊接难度大的现状，减少焊缝数量、显著降低焊接难度，同时采用先焊接后成形的方式替代传统的先成形再焊接的方式，校正了焊接变形、释放了焊接残余应力，大幅提高成形精度。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明平板卷筒的结构示意图。

图2为本发明纵缝焊接的结构示意图。

图3为本发明筒段校形的结构示意图。

图4为本发明充液拉弯的结构示意图。

图5为本发明拉弯夹具的结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

参照附图1所示，图中给出了一种大直径薄壁钛合金环形管制备方法，包括以下步骤

1)平板卷筒；

利用切割装置对钛合金进行裁剪得到钛合金坯料，将裁剪后的钛合金坯料1通过滚弯成型装备卷成开式筒段5。

在本实施例中切割装置为水切割、激光切割或线切割装置，滚弯成型装备为三轴或四轴的滚弯成型装备。

滚弯成型装备包括上工作辊2、侧向工作辊4和与上工作辊2相对应的下工作辊3。

合金环形管制备时，首先利用水切割、激光切割或线切割装置进行裁剪，获得待成形钛合金坯料1；调节上工作辊2和下工作辊3的位置，将下工作辊3调至侧向工作辊4同一高度，然后将上工作辊2调至至下工作辊3和侧向工作辊4的切线正上方，形成三点弯曲机构；然后将钛合金坯料1置于下工作辊3和侧向工作辊4之间，通过上工作辊5的下压实现端头弯曲；然后将下工作辊3位置下调，在上工作辊2、下工作辊3和侧向工作辊4的联合作用下，通过正反滚压的方式成形开式筒段5。

2)纵缝焊接；

将通过步骤1)得到的开式筒段5卡装在焊接工作台上，然后通过焊接装置6对开式筒段进行焊接，开式筒段通过焊接装置焊接后得到闭式筒段8。

参照图2所示，开式筒段5经滚弯成型装备成形，之后将其固定在焊接工作台7上，通过焊接装置6施加热量实现开式筒段5进行焊接；焊接装置6可为激光焊接装置或电子束焊接装置，焊接工作台7为开式筒段5焊接提供支撑，开式筒段5通过焊接装置6焊接后得到闭式筒段8。

3)筒段校形；

将通过步骤2)得到的闭式筒段8装配在耐高温不锈钢蠕变校形圆筒模具9上，然后将其整体放置于真空热蠕变炉内，进行抽真空和加热处理，使钛合金圆筒在其作用下得到校形。

参照图3所示，耐高温不锈钢蠕变校形圆筒模具的外周面上沿其轴向延伸开设有与闭式筒段的焊缝相对应的凹槽，在蠕变校形装模时与闭式筒段8的焊缝对齐，防止焊缝在校形过程发生变形。

闭式筒段8经激光焊接装置或电子束焊接装置焊接后，焊接区域存在少量直边区，为提高其圆度，将其强制装配至耐高温不锈钢蠕变校形圆筒模具9，基于耐高温不锈钢蠕变校形圆筒模具9材料热膨胀系数大于钛合金筒段材料热膨胀系数的原理，将装配后的闭式筒段8和耐高温不锈钢蠕变校形圆筒模具9送入真空热蠕变炉，通过抽真空和阶梯加热的方式升温至蠕变校形温度，然后随炉冷却后取出闭式筒段8；耐高温不锈钢蠕变校形圆筒模具9选用耐高温不锈钢材料，采用中空筒段结构。

4)充液拉弯；

参照图4所示，将通过步骤3)得到的钛合金圆筒10的两端通过拉弯夹具12进行夹持，并向钛合金圆筒10内部冲入液体，钛合金圆筒10在拉弯夹具12的拉伸与弯曲联合作用下，使钛合金圆筒10与拉弯模具11的型面相贴合，最终实现大直径薄壁钛合金管材精密弯曲成形。

钛合金圆筒10经大直径薄壁钛合金闭式筒段蠕变校形获得，在充液拉弯时，将钛合金圆筒10置于拉弯模具11上方，两端通过拉弯夹具12夹紧，通入高压液体用于提高大直径薄壁钛合金圆筒的刚度，拉弯模具11型面结构为环形半圆结构，其半径略小于钛合金环形管半径，用于回弹补偿，拉弯夹具12用于夹紧和密封钛合金圆筒10，同时拉弯夹具开有小孔，用于充入液压油，在油缸的作用下拉弯夹具12对大直径薄壁钛合金圆筒带动大直径薄壁钛合金圆筒慢慢贴合拉弯模具11，实现弯曲成形。

参照图5所示，拉弯夹具12包括楔形壳体12-3，在楔形壳体12-3的上部的外周面上设有一锁紧外圈12-4，锁紧外圈12-4与楔形壳体12-3之间采用螺纹连接，在楔形壳体12-3的上端的中部设有与其轴线同轴且能够绕其轴线进行转动的调节螺母12-2，在楔形壳体12-3内部设有与其轴线同轴的楔形胀芯12-1，楔形胀芯12-1的上端延伸至楔形壳体12-3的外部且与调节螺母12-2进行螺纹配合。

在楔形壳体12-3的内部还设有一在楔形胀芯12-1的作用下能够将钛合金圆筒10的端部夹持在其与楔形壳体12-3之间的胀块12-5，在胀块12-5的下端上还设有密封塞12-6，在密封塞12-6的外周面上沿其轴线方向间隔设有多条密封圈12-7。

在密封塞12-6上设有与高压供液装置相连通管路，在高压供液装置上设有用于检测充入钛合金圆筒内液体的压力的压力传感器，压力传感器与高压供液装置分别与PLC控制系统通讯连接。

在胀块12-5的外周面上设有压接在钛合金圆筒10的端部上的压接牙，采用此种结构能够将钛合金圆筒的两端紧紧的压接在胀块与楔形壳体之间，避免钛合金圆筒的端部在胀块与楔形壳体之间发生滑动。

充液拉弯夹具用于大直径薄壁钛合金圆筒10拉弯成形，钛合金圆筒10两端插入楔形壳体12-3内；然后旋转锁紧外圈12-4，使其向下移动，锁紧外圈12-4与楔形壳体12-3上半部分通过螺纹连接，使得楔形壳体12-3沿径向向内收缩；然后旋转调节螺母12-2，调节螺母12-2与楔形胀芯12-1之间通过螺纹连接，使得楔形胀芯12-1向上移动，同时胀块12-5沿径向向外扩张；胀块12-5与楔形壳体12-3共同作用下将钛合金圆筒10夹紧；液压油通过密封塞12-6上的管路充入钛合金圆筒，用于支撑钛合金圆筒，抑制截面塌陷；密封塞12-6用于固定密封圈12-7，同时对胀块12-5限位，使其只能沿径向移动。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (7)

1.一种大直径薄壁钛合金环形管制备方法，其特征在于，包括以下步骤

1)平板卷筒；

利用切割装置对钛合金进行裁剪得到钛合金坯料，将裁剪后的钛合金坯料通过滚弯成型装备卷成开式筒段；

2)纵缝焊接；

将通过步骤1)得到的开式筒段卡装在焊接工作台上，然后通过焊接装置对开式筒段进行焊接，开式筒段通过焊接装置焊接后得到闭式筒段；

3)筒段校形；

将通过步骤2)得到的闭式筒段装配在耐高温不锈钢蠕变校形圆筒模具上，然后将其整体放置于真空热蠕变炉内，进行抽真空和加热处理，使钛合金圆筒在其作用下得到校形；

4)充液拉弯；

将通过步骤3)得到的钛合金圆筒的两端通过拉弯夹具进行夹持，并向钛合金圆筒内部冲入液体，钛合金圆筒在拉弯夹具的拉伸与弯曲联合作用下，使钛合金圆筒与拉弯模具的型面相贴合，最终实现大直径薄壁钛合金管材精密弯曲成形。

2.根据权利要求1所述的一种大直径薄壁钛合金环形管制备方法，其特征在于，所述步骤1)中的切割装置为水切割、激光切割或线切割装置。

3.根据权利要求1所述的一种大直径薄壁钛合金环形管制备方法，其特征在于，所述步骤1)中滚弯成型装备为三轴或四轴的滚弯成型装备。

4.根据权利要求1所述的一种大直径薄壁钛合金环形管制备方法，其特征在于，所述步骤2)中的焊接装置为激光焊接装置和电子束焊接装置。

5.根据权利要求1所述的一种大直径薄壁钛合金环形管制备方法，其特征在于，在所述步骤3)中的耐高温不锈钢蠕变校形圆筒模具的外周面上沿其轴向延伸开设有与闭式筒段的焊缝相对应的凹槽。

6.根据权利要求1所述的一种大直径薄壁钛合金环形管制备方法，其特征在于，所述步骤4)中的拉弯夹具包括楔形壳体，在所述楔形壳体的上部的外周面上设有一锁紧外圈，所述锁紧外圈与楔形壳体之间采用螺纹连接，在所述楔形壳体的上端的中部设有与其轴线同轴且能够绕其轴线进行转动的调节螺母，在所述楔形壳体内部设有与其轴线同轴的楔形胀芯，所述楔形胀芯的上端延伸至楔形壳体的外部且与调节螺母进行螺纹配合；

在所述楔形壳体的内部还设有一在楔形胀芯的作用下能够将钛合金圆筒的端部夹持在其与楔形壳体之间的胀块，在所述胀块的下端上还设有密封塞，在所述密封塞的外周面上沿其轴线方向间隔设有多条密封圈；

在所述密封塞上设有与高压供液装置相连通管路，在所述高压供液装置上设有用于检测充入钛合金圆筒内液体的压力的压力传感器，所述压力传感器与高压供液装置分别与PLC控制系统通讯连接。

7.根据权利要求6所述的一种大直径薄壁钛合金环形管制备方法，其特征在于，在所述胀块的外周面上设有压接在钛合金圆筒的端部上的压接牙。