CN113930590A - 激光辅助固溶温旋成形方法及带交叉筋筒段 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种激光辅助固溶温旋成形方法及带交叉筋筒段，包括以下步骤：步骤S1，通过挤压、环轧、卷板以及焊接工艺制得筒坯；步骤S2，将固定后筒坯放置在淬火炉中加热；步骤S3，将加热后筒坯放置在水槽中进行固溶处理；步骤S4，筒坯通过旋轮进行旋压成形，旋压成形过程中，筒坯通过加热炬和激光发生器对旋压未变形区域加热；步骤S5，筒坯连带旋压模具放置时效炉中进行时效处理；步骤S6，从时效处理后筒坯上取出旋压模具和抱箍并得到带筋筒段零件。本发明采用激光辅助加热技术，不仅有利于工艺参数的量化控制，同时有利于材料内部组织的演变控制，防止过烧、晶粒粗大等缺陷的产生。

Description

激光辅助固溶温旋成形方法及带交叉筋筒段

技术领域

本发明涉及筒段成形工艺，具体地，涉及激光辅助固溶温旋成形方法及带交叉筋筒段；尤其涉及航空航天带筋薄壁筒段成形工艺。

背景技术

运载火箭是实现卫星、飞船等航天器等进入太空的主要工具之一，对于运载火箭箭体结构来说，其可靠性、尺寸精度、产品性能等指标决定了航天器入轨精度及运载能力，因此，对带筋贮箱筒段的整体精确制造，是实现未来运载火箭“高可靠性、低成本、绿色制造”的发展趋势。

为实现箭体燃料贮箱筒段的整体制造，2014年，NASA采用旋压+流动成形的方法从板坯成功旋出Φ200mm(8英寸)带稀疏纵向内筋的铝锂合金筒形件，其目标是从现有的3级技术成熟度跨越至7级，改变现有燃料贮箱筒段的拼焊结构制造方式。2015年，NASA实现了Φ460mm(16英寸)纵向筋筒段的旋压加工，并在探空火箭上完成演示验证。2017年，NASA与洛马公司、MT航天公司和欧洲航天局合作，将纵筋铝合金筒段扩大至Φ3000mm(10英尺)，为后续在运载火箭上的工程应用奠定了基础。

由于带筋筒段的内部结构复杂，采用传统的“旋压成形+固溶时效”工艺将成形与成性过程剥离，而实际加工过程中极易因热处理变形导致产品形位尺寸超差。根据前期淬火变形分析表明：大型带筋筒段旋压后存在较大的应力梯度，固溶过程中残余应力的释放导致零件变形不均匀，随着时间的延长，零件最大变形量由1.66mm增大至11mm；同时，变形呈现不规则特征，筒形件上、下边缘的变形向筒内弯转，中间侧壁部分向筒外弯转。另外，产品力学性能也局限于T6态，与性能要求更高的T8态尚存在一定距离，难以实现形性协同控制。

专利文献CN111485185A发明了一种铝合金板体复合-固溶淬火一体化热成形方法，该方法采用高温固溶阶段对零件进行成形，然后进行快速淬火处理，再进行时效，在固溶阶段需要同步完成成形工作，导致能耗大，加工装置复杂，成本昂贵。

专利文献CN111687592A发明了一种贮箱筒段一体化成形方法和一体化贮箱筒段，该方法采用先旋压后固溶的方式，整体零件性能提升至T6态。

专利文献CN108161347A提供一种带环向内加强筋筒形件旋压成形方法，该方法包括如下步骤：1、采用卷板焊或挤压管材机加的方法制造结构简单的旋压毛坯，在毛坯端面预留厚度6mm左右，直径比毛坯外径大12mm左右的工艺环；2、通过退火处理消除毛坯内应力；3、采用压料环将毛坯固定在模具内，通过旋轮压下量、进给速度等参数的合理选取实现材料正向旋压，使毛坯逐点减薄并拉长，在此过程中，通过旋轮与旋压模具间隙的调整实现加强筋的成形；4、通过车削加工切去长度方向余量，使旋压后半成品达到产品长度要求。

上述现有技术均未能实现形性协同控制。

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激光辅助固溶温旋成形方法及带交叉筋筒段。

根据本发明提供的一种激光辅助固溶温旋成形方法，包括以下步骤：

步骤S1，通过挤压、环轧、卷板以及焊接工艺制得筒坯；

步骤S2，所述筒坯套装抱箍并通过所述抱箍进行外形支撑与固定，将固定后所述筒坯放置在淬火炉中加热并使第二相溶入固溶体中；

步骤S3，将加热后所述筒坯浸入在水槽中进行固溶处理并得到过饱和固溶体组织；

步骤S4，将固溶处理后所述筒坯去除所述抱箍后，在淬火孕育期内转移并套装在旋压模具上，所述筒坯通过旋轮进行旋压成形并得到固溶态强化组织；

旋压成形过程中，所述筒坯先后通过加热炬和激光发生器对旋压未变形区域加热；

步骤S5，将旋压成形后所述筒坯重新套装所述抱箍后，所述筒坯连带所述旋压模具放置时效炉中进行时效处理；

步骤S6，从时效处理后所述筒坯上取出所述旋压模具和所述抱箍并得到带筋筒段零件。

优选地，所述旋压模具侧面设置内交叉槽；

在步骤S1中，所述筒坯一端设置台阶。

优选地，在步骤S2中，所述淬火炉加热温度为530-540℃。

优选地，在步骤S3中，所述筒坯浸入所述水槽时间为5-10s。

优选地，在步骤S4中，所述旋压模具设置内槽，所述旋压模具安装所述筒坯通过所述内槽配合所述台阶定位。

优选地，在步骤S4中，所述淬火孕育期为1.5-2.5h；

当所述旋压未变形区域温度小于等于150℃时，所述旋压未变形区域采用所述加热炬火焰加热，当所述旋压未变形区域温度大于150℃时，所述旋压未变形区域采用所述激光发生器(6)加热。

优选地，在步骤S4中，所述激光发生器通过支架固定安装在所述旋轮沿移动方向前端；

所述激光发生器安装有多个，所述旋轮设置有多个；

多个所述旋轮旋压成形方式采用错距旋压和单道次旋压工艺。

优选地，在步骤S4中，所述激光发生器加热温度为T3，T3在165℃-175℃；

在步骤S5中，所述时效处理温度为T4，T4＝165℃，所述时效处理保温时间t2＝950min；

所述激光发生器加热温度T3与所述时效处理温度T4一致。

优选地，在步骤S3中，所述筒坯沿轴向竖直放入所述水槽中。

优选地，带交叉筋筒段采用所述激光辅助固溶温旋成形方法。

优选地，所述内交叉槽的交叉角度为45°。

优选地，所述旋轮设置有三个，三个所述旋轮均进行所述错距旋压且错距量分别为Δ1、Δ2和Δ3；

其中，Δ1＞Δ2＞Δ3，Δ1、Δ2和Δ3递减；

所述旋轮下压量δ＝40％，进给比β＝2mm/R。

优选地，在步骤S1中，所述筒坯的圆度α小于等于1.5mm，所述筒坯的直线度γ小于等于1.5mm。

优选地，所述淬火炉中温度T1＝535℃，保温时间t1＝30min。

优选地，所述水槽中温度T2＝20℃，入水冷却时间为5min。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明将变形较大的固溶过程放在工序前端进行，对于固溶过程产生的变形在后续旋压过程中予以消除，从而直接减少或消除了因零件热处理变形导致的形位尺寸偏差，有效提高了零件尺寸精度。

2、本发明可实现零件T8热处理状态，与T6态相比，T8态使旋压后的晶粒细化效果得到保留，为θ'相的析出提供了充足动力，实现了产品内部组织的细化和强化，可以获得更高的拉伸强度和维氏硬度，有利于零件性能的提升。

3、本发明采用激光辅助加热技术，相对于传统火焰加热方式，零件受热面积、受热温度和加热区域更加量化，不仅有利于工艺参数的量化控制，同时有利于材料内部组织的演变控制，防止过烧、晶粒粗大等缺陷的产生。

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为筒坯平面示意图；

图2为筒坯在淬火炉中加热示意图；

图3为固溶处理示意图；

图4为旋压成形示意图；

图5为时效处理示意图；

图6为带筋筒段零件示意图；

图中所示：

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。

实施例1

一种激光辅助固溶温旋成形方法，可用于带交叉筋筒段成形，包括以下步骤：

步骤S1如图1所示，通过挤压、环轧、卷板以及焊接工艺制得筒坯1，筒坯1一端设置台阶；

步骤S2如图2所示，筒坯1套装抱箍3并通过抱箍3进行外形支撑与固定，将固定后筒坯1放置在淬火炉2中加热，加热温度控制在铝合金固溶加热温度区间内，为530-540℃，使第二相溶入固溶体中；

步骤S3如图3所示，将加热后筒坯1在5-10s内沿轴向竖直放入迅速浸入水槽4中实现快速冷却，进行固溶处理得到室温下的过饱和固溶体组织；

步骤S4如图4所示，将固溶处理后筒坯1去除抱箍3，并套装在旋压模具5上，控制零件转移时间在淬火孕育期1.5-2.5h内进行旋压，筒坯1通过旋轮7进行旋压成形，通过材料形变强化效果得到固溶态的强化组织；

旋压成形过程中，筒坯1通过激光发生器6对旋压未变形区域加热，以提高局部难成形区域材料的塑性；激光发生器6对筒坯1进行激光加热时，采用支架将激光发生器6固定在旋轮7前端，使其在旋轮7旋压前对筒坯1进行加热；

但由于加热过程受到激光功率，周围空气热传递等因素的影响，存在加热周期长，升温难度大，耗费功率大等缺点，对此可采用“加热炬火焰加热+激光辅助加热”串联的加热方式，即在初始升温阶段温度区间在室温-150℃采用加热炬实现快速升温，在温度升温至温度区间150℃-180℃时，采用激光辅助精准加热。

(激光加热的优势在于温度可控、加热区间可精准调节；缺点在于升温慢，易受到环境散热影响，所耗费的功率大；加热炬的优势在于升温快，所耗费功率小，经济性好，效率高；缺点在于温度难以控制，加热区间难以精准控制)。

激光发生器6安装在旋轮7上，激光发生器6安装有多个，旋轮7设置有多个，多个旋轮7旋压成形方式采用错距旋压和单道次旋压工艺。旋压模具5侧面设置内交叉槽，旋压模具5安装筒坯1通过内槽配合台阶定位。

步骤S5如图5所示，将旋压成形后筒坯1重新套装抱箍3后，筒坯1连带旋压模具5放置时效炉8中进行时效处理，实现材料强度和性能的提升；激光发生器6加热温度为T3，时效处理温度为T4，激光发生器6加热温度T3与时效处理温度T4一致。

步骤S6如图6所示，从时效处理后筒坯1上取出旋压模具5和抱箍3并得到带筋筒段零件9。

实施例2

如图1至图6所示，一种激光辅助固溶温旋成形方法，包括以下步骤：步骤S1，首先采用“挤压+环轧/卷板+焊接”工艺得到一端带台阶的筒坯1；步骤S2，将筒坯1外表面采用抱箍3进行外形的支撑与固定，然后将固定好的筒坯1放置在铝合金淬火炉2中，进行加热处理；步骤S3，对加热完成的筒坯1利用行车将其与抱箍3一同起吊至水槽4中，对筒坯1进行固溶处理；步骤S4，去除抱箍3，将固溶处理后的筒坯1套在带45°内交叉槽的旋压模具5上，利用旋压机上的三个旋轮7对筒坯1进行旋压成形；步骤S5，旋压过程中利用旋轮7前端的激光发生器6对零件进行激光辅助加热，以促进材料流入旋压模具5的内交叉槽中；步骤S6，将旋压完成后的零件重新采用抱箍3进行加固，并连同旋压模具5一同放入时效炉6中，对零件进行时效处理；步骤S7，最终将时效完成的带筋筒段零件9从旋压模具5中取出，然后将抱箍3从带筋筒段零件9上卸下，完成带筋筒段零件9的加工。

步骤S1中，对于环轧或卷板后的筒坯1，圆度α控制在小于等于1.5mm，直线度γ控制在小于等于1.5mm，并在筒坯1端部车削一20×5mm台阶，用于旋压定位。

步骤S2中，对筒坯1进行加热时，首先采用3-4段抱箍3将筒坯1抱紧固定，防止零件受热变形，然后用钢丝绳穿过抱箍3上的起吊螺钉，整体将筒坯1转运至铝合金淬火炉2中进行加热，加热温度T1＝535℃，保温时间t1＝30min；

步骤S3中，将筒坯1出炉后连同抱箍3迅速浸入水温T2＝20℃的水中进行固溶处理，入水方式采用自上而下垂直入水，零件转移时间控制在小于等于10s，浸入水中后冷却5min；

步骤S4中，将固溶完成后的筒坯1套在带内槽的旋压模具5上，并利用20×5mm台阶与内槽进行定位装配，利用三旋轮旋压机进行错距旋压，其中错距量采用递减的分配方法，即Δ1＞Δ2＞Δ3(其中Δ1、Δ2、Δ3分别表示三个旋轮7的错距量)，下压量δ＝40％，进给比β＝2mm/R，采用单道次旋压工艺；

步骤S5中，采用激光辅助加热，具体通过在三个旋轮7上配置三个激光发生器6，对筒段旋压未变形区域进行局部激光加载的方式，加热温度T3控制在165℃～175℃温度范围内，该温度与零件时效温度T4保持一致；

步骤S6中，采用旋压后零件连带旋压模具5从旋压机上卸下，并采用抱箍3进行固定，整体在时效炉8中进行时效处理，时效温度T4＝165℃，时效处理保温时间t2＝950min。

该工艺路线将变形较大的固溶处理过程放在工序前端进行，对于固溶处理过程产生的变形在后续旋压过程中予以消除，从而直接减少或消除了因零件热处理变形导致的形位尺寸偏差，有效提高了零件尺寸精度，经过实测，零件精度达到±0.2mm，圆弧度和直线度均优于现有指标。采用该工艺可实现零件热处理状态由T6上升至T8，与T6态相比，T8态使旋压后的晶粒细化效果得到保留，为θ'相的析出提供了充足动力，实现了产品内部组织的细化和强化，可以获得更高的拉伸强度和维氏硬度，有利于零件性能的提升。采用激光辅助加热技术，相对于传统火焰加热方式，零件受热面积、受热温度和加热区域更加量化，不仅有利于工艺参数的量化控制(传统火焰加热温度和作用面积难以量化控制，工艺稳定性较低)，同时有利于材料内部组织的演变控制，防止过烧、晶粒粗大等缺陷的产生。

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 (10)

1.一种激光辅助固溶温旋成形方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1，通过挤压、环轧、卷板以及焊接工艺制得筒坯(1)；

步骤S2，所述筒坯(1)套装抱箍(3)并通过所述抱箍(3)进行外形支撑与固定，将固定后所述筒坯(1)放置在淬火炉(2)中加热；

步骤S3，将加热后所述筒坯(1)浸入在水槽(4)中进行固溶处理；

步骤S4，将固溶处理后所述筒坯(1)去除所述抱箍(3)后，在淬火孕育期内转移并套装在旋压模具(5)上，所述筒坯(1)通过旋轮(7)进行旋压成形；

旋压成形过程中，所述筒坯(1)先后通过加热炬和激光发生器(6)对旋压未变形区域加热；

步骤S6，将旋压成形后所述筒坯(1)重新套装所述抱箍(3)后，所述筒坯(1)连带所述旋压模具(5)放置时效炉(8)中进行时效处理；

步骤S7，从时效处理后所述筒坯(1)上取出所述旋压模具(5)和所述抱箍(3)并得到带筋筒段零件(9)。

2.根据权利要求1所述激光辅助固溶温旋成形方法，其特征在于：所述旋压模具(5)侧面设置内交叉槽；

在步骤S1中，所述筒坯(1)一端设置台阶。

3.根据权利要求1所述激光辅助固溶温旋成形方法，其特征在于：在步骤S2中，所述淬火炉(2)加热温度为530-540℃。

4.根据权利要求1所述激光辅助固溶温旋成形方法，其特征在于：在步骤S3中，所述筒坯(1)浸入所述水槽(4)时间为5-10s。

5.根据权利要求4所述激光辅助固溶温旋成形方法，其特征在于：在步骤S4中，所述旋压模具(5)设置内槽，所述旋压模具(5)安装所述筒坯(1)通过所述内槽配合所述台阶定位。

6.根据权利要求3所述激光辅助固溶温旋成形方法，其特征在于：在步骤S4中，所述淬火孕育期为1.5-2.5h；

当所述旋压未变形区域温度小于等于150℃时，所述旋压未变形区域采用所述加热炬火焰加热，当所述旋压未变形区域温度大于150℃时，所述旋压未变形区域采用所述激光发生器(6)加热。

7.根据权利要求1所述激光辅助固溶温旋成形方法，其特征在于：在步骤S4中，所述激光发生器(6)通过支架固定安装在所述旋轮(7)沿移动方向前端；

所述激光发生器(6)安装有多个，所述旋轮(7)设置有多个；

多个所述旋轮(7)旋压成形方式采用错距旋压和单道次旋压工艺。

8.根据权利要求1所述激光辅助固溶温旋成形方法，其特征在于：在步骤S4中，所述激光发生器(6)加热温度为T3；

在步骤S5中，所述时效处理温度为T4；

所述激光发生器(6)加热温度T3与所述时效处理温度T4一致。

9.根据权利要求1所述激光辅助固溶温旋成形方法，其特征在于：在步骤S3中，所述筒坯(1)沿轴向竖直放入所述水槽(4)中。

10.一种带交叉筋筒段，其特征在于：所述带交叉筋筒段采用权利要求1-9任一项所述激光辅助固溶温旋成形方法。

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