CN113428342A - 一种多功能铝合金空心结构壁板及其成形制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于铝合金成形加工技术领域，公开了一种多功能铝合金空心结构壁板，所述空心结构壁板为弧形主动空心冷却壁板，空心冷却壁板上并排设置有纵向流道，纵向流道的两端设置有缩颈节流孔，缩颈节流孔的端部对应连通空心结构壁板两侧的环向汇流通道，两侧环向汇流通道的外侧分别设置有汇流环框。本发明将多功能空心结构壁板采用穿透焊接与超塑成形复合工艺实现了一次成形，可实现汇流，节流和增加刚度多重功能，节流孔及冷却通道其大小可根据需求进行设计，设计自由度高。

Description

一种多功能铝合金空心结构壁板及其成形制备方法

技术领域

本发明属于铝合金成形加工技术领域，涉及一种多功能铝合金空心结构壁板及其成形制备方法，具体涉及结构功能一体化主动冷却壁板节流孔设计、汇流结构设计及成形制备。

背景技术

近些年来航空航天飞行器为满足特定功能需求，愈发朝着耐高温、高强度刚度、轻量化、大装载方向发展，而在事实上这四大目标相互制约，互为矛盾体。从满足耐高温角度，希望选用高温材料，然而耐高温材料一般比重大，这和轻量化和大装载目标矛盾；从轻量化角度，希望选用轻质材料，而轻质材料一般密度低，耐温性能差，结构强度和刚度难以满足设计要求；从大装载角度出发，希望结构轻薄，燃料装载空间体积大，但是舱体结构作为主承力体，其飞行时受力状态严酷，结构重量占比也受限制。因此要满足耐高温、高强度刚度、轻量化，大装载四大目标，必须寻找新的设计思路，传统结构设计思维难以同时实现相互制约的四大目标。选用轻质材料和轻质结构是实现高强度刚度及轻量化前提，通过结构功能一体化是实现耐高温和大装载的必要设计思路。

发明内容

(一)发明目的

本发明的目的是：提供一种多功能铝合金空心结构壁板及其成形制备方法，解决铝合金主动冷却壁板汇流设计、节流孔设计及成形制造关键难题。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供一种多功能铝合金空心结构壁板及其成形制备方法。本发明所述铝合金空心结构壁板为主动冷却结构壁板，实现主动冷却、高结构强度和刚度、两端汇流及流道节流等功能。铝合金空心结构壁板为弧形主动空心结构壁板，空心结构壁板上并排设置有纵向流道，纵向流道的两端设置有缩颈节流孔，缩颈节流孔的端部对应连通空心结构壁板两侧的环向汇流通道，两侧环向汇流通道的外侧分别设置有汇流环框。

其中，环向汇流通道和汇流环框插接装配，过盈配合，配合间隙 0.05mm。汇流环框截面为U型，设计成上边短、下边长的结构形式，也即外侧边的长度小于内侧边的长度，便于舱段航向上对接；汇流环框中部加工形成整体空腔，U型空腔底部间隔开设有多个流道孔，既有利于减重也可保证结构刚度。

上述结构的多功能铝合金空心结构壁板的成形制备过程如下：

第一步:空心壁板成形

S1：采用电子束穿透焊接及超塑成形复合工艺进行冷却壁板成形

复合工艺过程为：

S101、坯件设计：根据冷却壁板的结构形式，计算弧面冷却壁板展开坯料，弧面冷却壁板展开坯料可根据钣金设计手册进行计算，按照展开坯料确定坯料尺寸并下料，将坯料标记为内层板和外层板。

S102、画线：在内层板施焊面上用划针画出激光焊接轨迹线，后续激光选区焊接时激光枪将沿轨迹线对内层板和外层板进行焊接；为避免板材划伤，画线深度不宜太深，以肉眼可见即可。

S103、加工进气槽：根据后续成形气路要求，在内层板和外层板上铣进气槽，进气槽长度应深入到模具型腔内部。

S104、坯料表面处理：将内层板和外层板酸洗并对焊接部位进行打磨，由于铝合金在常温暴露于大气时也容易氧化，为保证激光穿透焊接焊缝强度，实焊前需要对焊接区域用钢丝刷打磨抛光。

S105、工装夹持：将酸洗打磨抛光处理的内层板和外层板平行叠放装卡，装卡时必须保证内层板紧密贴合，尤其是需要激光焊接部位必须用工装压实，同时保证焊接时板材不会变形翘曲，每条需要焊接的焊缝都必须有工装压实。

S106、激光焊接：采用激光焊接工装将内层板和外层板压实后实施激光焊接，激光焊接时必须确保内层板和外层板完全贴合，保证实焊过程板材不翘曲变形；激光焊接是从内层板实施焊接，焊接电流根据内层板的厚度进行调节，保证内层板能够焊透，但不能击穿外层板。

S107、氩弧焊接封口：将激光焊接后的双层板周边采用氩弧焊接封口，形成密闭空腔，并焊接进气管，焊接完毕后可采用抽真空检漏，确保封口焊接不漏气。

S108、装模：将氩弧焊封口后的坯料装模，装模时可对坯料施加预紧力，使坯料弯曲，为避免氩弧焊焊缝及激光穿透焊焊缝在冷态下压过程中开裂，装模时对坯料施加的预紧力使零件产生些许变形即可。

装模时应将上下模具用导柱合模，然后将上下模具用压块固定在设备的上下平台上，然后卸掉导柱。

S109、模具加热升温：设定成形温度，加热升温过程中必须保证模具受热均匀，大型模具可适当延长均温时间。

S110、模具合模：为避免坯料在升温过程中软化而形成坍塌，当模具温度达到预设温度后可将模具合模，使坯料完全贴和模具。此时压力机开始加载机械压力，压力机所需压力吨位可根据胀形面积×最大进气压力计算得出。

S111、超塑气胀成形：模具到达设定温度后，在内层板和外层板形成的密封腔中进气成形，内层局部未焊合部位在气体介质作用下形成U型加强筋。

S112、脱模检验：出炉，然后热脱模，得到铝合金轻量化主动冷却壁板。

S2：机械加工去除工艺余量，并将环向汇流通道加工去除掉圆弧边，形成主动空心结构壁板1，空心结构壁板上直接形成环向汇流通道4、缩颈节流孔6、纵向流道5特征。

S3：将冷却壁板整体酸洗处理

第二步：汇流环框机械加工

按照设计模型，机械加工汇流环框。环向汇流通道和汇流环框过盈配合。汇流环框设计成上边短，下边缘长的结构形式，便于舱段直接的对接。

第三步：汇流环框和冷却壁板装配。

将汇流环框和冷壁板环向流道插接装配。

第四步：汇流环框和冷却壁板激光穿透焊接，将环向汇流框和冷却壁板实现连接。

第五步：焊接后进行气密形检查，确保焊后无漏点。

(三)有益效果

上述技术方案所提供的多功能铝合金空心结构壁板及其成形制备方法，具有以下有益效果：

(1)本发明提出了一种空心结构壁板成形方法，将多功能空心结构壁板采用穿透焊接与超塑成形复合工艺实现了一次成形，形成了环向汇流通道、纵向流道及节流孔。

(2)本发明提出了一种环向汇流框设计思路，将汇流框和空心结构冷却壁板采用穿透焊接进行连接，这种环向汇流框有利于航向结构装配，可实现汇流，节流和增加刚度多重功能。

(3)本发明实现的空心结构壁板设计、成形、装配，空心壁板结构实现了高结构强度刚度、主动冷却、汇流、节流多重功能，节流孔及冷却通道其大小可根据需求进行设计，设计自由度高。

(4)本发明实现的结构形式特别适合于燃油系统舱体冷却结构壁板的使用，将轻量化铝合金材料，轻量化空心结构，高强度加强筋结构及主动冷却结构实现有机结合，是一种结构设计合理、工艺实现简单、结构功能一体化新型适用轻量化结构形式。

附图说明

图1铝合金空心冷却壁板组合件；I图为主视图，II图为中部剖面后的立体图示。

图2铝合金空心结构壁板；I图为壁板原理图，II图为壁板立体图，III图为壁板剖面的侧部局部立体图。

图3汇流环框；I图为主视图，II图为A-A、B-B剖视图。

图4装配焊接图；I图为原理图，II图、III图、IV图分别为对应焊接外表面焊缝及焊接部位的图示。

图5为汇流环框在舱段航向上对接的示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、内容和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。

实施例

参照图1至图5所示，本实施例多功能铝合金空心结构壁板成形制备方法过程如下：

第一步:空心壁板成形

本实施例中，空心结构壁板采用5083板材，板材状态为O态，其中内层的流道层选用厚度1mm板材，外层的面板选用2mm板材，缩颈节流孔设计直径5mm。缩颈节流孔可通过模具实现；汇流环框采用5A06厚板，状态O态。

A1.1.空心结构壁板成形采用电子束穿透焊接/气胀成形复合工艺，在平板状态下用工装压实后在内层的1mm板材实施穿透焊接，焊接工艺参数科采用试片进行试焊后然后焊接正式产品。

A1.2机械加工去除工艺余量，将环向汇流通4道加工去除掉圆弧边(图2中的I图)，形成空心结构壁板1，成形后空心结构壁板上直接形成环向汇流通道4、缩颈节流孔6、纵向流道5三个功能特征。

A1.3将空心板整体酸洗处理，以待后续焊接。

第二步：汇流环框机械加工

按照设计模型，机械加工汇流环框2和3。环向汇流通道4和汇流环框过盈配合，配合间隙0.05mm。汇流环框设计成上边短，下边长的结构形式，便于舱段航向上对接(图5)，中间加工成整体空腔+ 流道孔形式，既有利于减重也可保证结构刚度。

第三步：汇流环框和空心壁板装配。

将汇流环框和空心壁板的环向汇流通道4插接装配(图2中的III 图)，其装配深度可通过工装保证或者在汇流环框上画线。

第四步：汇流环框和空心结构壁板1激光穿透焊接，将汇流环框和空心结构壁板1实现连接。

A4.1采用焊接试片确定焊接工艺参数；

A4.2焊接外表面焊缝7及7‘；

A4.3焊接外表面焊缝8及8‘；

A4.4氩弧补焊接角部激光焊接无法实焊接部位9。

第五步：焊接后进行气密形检查，确保焊后无漏点。

本发明未详细说明部分为本领域技术人员公知技术。

由上述技术方案可以看出，本发明提出了铝合金空心结构壁板，这种结构形式将轻质材料、结构和功能实现有机结合，将空心结构设计成流道形式，流道中实现液体的循环冷却，这种流道兼具加强筋作用，可提高结构强度，同时流道内可通冷却液起主动冷却功能，实现了结构功能一体化。这种结构形式在燃油系统舱体中尤为适用，燃油系统舱体为了增大储油量希望内空间越大越好，舱体本身希望高结构强度和刚度，同时为了保证燃料温度，燃油系统舱体还必须防热隔热，而采用主动冷却结构能够很好解决以上三个问题，本文提出的冷却结构空心舱体，由于是空心夹层结构，因此其强度刚度高，重量轻。由于带主动冷却结构，因而可实现主动冷却，而且这种冷却剂可直接采用燃油系统舱体中燃料，没有增加整体重量，冷却完毕后燃料还可继续参与燃烧，没有浪费。

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，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种多功能铝合金空心结构壁板，其特征在于，所述空心结构壁板为弧形主动空心冷却壁板，空心冷却壁板上并排设置有纵向流道，纵向流道的两端设置有缩颈节流孔，缩颈节流孔的端部对应连通空心结构壁板两侧的环向汇流通道，两侧环向汇流通道的外侧分别设置有汇流环框。

2.如权利要求1所述的多功能铝合金空心结构壁板，其特征在于，所述环向汇流通道和汇流环框插接装配，过盈配合，配合间隙0.05mm。

3.如权利要求1所述的多功能铝合金空心结构壁板，其特征在于，所述汇流环框截面为U型，U型截面中，外侧边的长度小于内侧边的长度；汇流环框中部加工形成整体空腔，U型空腔底部间隔开设有多个流道孔。

4.一种多功能铝合金空心结构壁板成形制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步：空心冷却壁板成形

S1：采用电子束穿透焊接及超塑成形复合工艺进行弧形主动空心冷却壁板成形；

S2：机械加工去除工艺余量，并将环向汇流通道加工去除掉圆弧边，形成主动空心冷却壁板，空心冷却壁板上直接形成环向汇流通道、缩颈节流孔、纵向流道；纵向流道并排设置在空心冷却壁板上，纵向流道的两端设置缩颈节流孔，缩颈节流孔的端部对应连通空心冷却壁板两侧的环向汇流通道；

S3：将空心冷却壁板整体酸洗处理；

第二步：汇流环框机械加工

按照设计模型，机械加工汇流环框；

第三步：汇流环框和空心冷却壁板装配；

将汇流环框和空心冷却壁板环向汇流通道插接装配；

第四步：汇流环框和空心冷却壁板激光穿透焊接，将汇流环框和空心冷却壁板实现连接；

第五步：焊接后进行气密形检查，确保焊后无漏点。

5.如权利要求4所述的多功能铝合金空心结构壁板成形制备方法，其特征在于，步骤S1中，复合工艺过程为：

S101、坯件设计：根据冷却壁板的结构形式，计算弧形冷却壁板展开坯料，弧形冷却壁板展开坯料根据钣金设计手册进行计算，按照展开坯料确定坯料尺寸并下料，将坯料标记为内层板和外层板；

S102、画线：在内层板施焊面上用划针画出激光焊接轨迹线，后续激光选区焊接时激光枪将沿轨迹线对内层板和外层板进行焊接；

S103、加工进气槽：根据后续成形气路要求，在内层板和外层板上铣进气槽；

S104、坯料表面处理：将内层板和外层板酸洗并对焊接部位进行打磨；

S105、工装夹持：将酸洗打磨抛光处理的内层板和外层板平行叠放装卡；

S106、激光焊接：采用激光焊接工装将内层板和外层板压实后实施激光焊接；激光焊接时，从内层板实施焊接，焊接电流根据内层板的厚度进行调节，满足内层板焊透且不击穿外层板；

S107、氩弧焊接封口：将激光焊接后的双层板周边采用氩弧焊接封口，形成密闭空腔，并焊接进气管，焊接完毕后采用抽真空检漏；

S108、装模：将氩弧焊封口后的坯料装模；

S109、模具加热升温：设定成形温度，模具均匀受热；

S110、模具合模；

S111、超塑气胀成形：模具到达设定温度后，在内层板和外层板形成的密封腔中进气成形；

S112、脱模检验：出炉，然后热脱模，得到铝合金轻量化主动冷却壁板。

6.如权利要求5所述的多功能铝合金空心结构壁板成形制备方法，其特征在于，所述空心冷却壁板采用5083板材，板材状态为O态。

7.如权利要求6所述的多功能铝合金空心结构壁板成形制备方法，其特征在于，所述内层板选用厚度1mm板材，外层板选用2mm板材。

8.如权利要求7所述的多功能铝合金空心结构壁板成形制备方法，其特征在于，所述缩颈节流孔设计直径5mm，缩颈节流孔通过模具成形。

9.如权利要求8所述的多功能铝合金空心结构壁板成形制备方法，其特征在于，所述汇流环框采用5A06厚板，状态O态。

10.如权利要求9所述的多功能铝合金空心结构壁板成形制备方法，其特征在于，第三步中，所述环向汇流通道和汇流环框插接装配，过盈配合，配合间隙0.05mm。

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