[发明专利]一种大尺寸铝合金拼焊板类构件冷冻成形方法

说明书

本发明提供一种大尺寸铝合金拼焊板类构件冷冻成形方法，用冷却剂使所述铝合金拼焊板冷却至超低温区间，并使所述焊缝区的温度低于所述母材区的温度，采用模具成形出大尺寸铝合金整体曲面构件，本发明具有以下技术优势：1)成形极限高，采用超低温下铝合金拼焊板差温成形，利用焊缝区塑性和强度高于母材区的特点，避免焊缝区变形量大导致的开裂问题；2)组织性能好，超低温下成形过程组织性能基本没有改变，成形后恢复原始组织状态，不会产生内部组织损伤；3)成形载荷低，拼焊板和模具的工作表面形成冰冻润滑层，降低板材摩擦阻力和成形力，降低大型装备吨位和造价，适合于制造航空航天领域各种铝合金大尺寸整体薄壁曲面构件。

技术领域

本发明涉及板材成形技术领域，具体为一种大尺寸铝合金拼焊板类构件冷冻成形方法。

背景技术

铝合金具有优异的比强度、比刚度和耐腐蚀性能，一直是火箭、飞机等航空航天装备的主体结构材料之一。铝合金在运载火箭结构质量的占比约为80％，民用飞机的占比为50％以上。随着新一代大型火箭和大型飞机的发展，迫切需求大尺寸整体结构铝合金薄壁构件，以满足其对高可靠、长寿命和轻量化的要求。

现有的铝合金薄壁构件制造技术路线为“板材分块成形+焊接成整体构件+热处理调控性能”。现有技术存在的主要难题是分块成形后焊接引起较大的变形，再经过热处理带来更大的变形。而且整体构件变形后无法校形，造成精度低，无法满足使用要求。为了解决上述难题，需要采用的技术路线为“板材拼焊制备大尺寸坯料+热处理调控性能+大尺寸构件整体成形”。因搅拌摩擦焊(FSW)具有接头强度系数高的优势，近年来在航空航天领域已经成为铝合金构件首选焊接方法，替代弧焊和激光焊等熔化焊接方法。因此，迫切需要研发大尺寸铝合金FSW拼焊板材整体成形技术。

然而，采用现有的冷成形技术和热成形技术制造大尺寸铝合金薄壁整体构件存在无法克服的难题。对于冷成形技术，当采用普通拉深工艺时，大尺寸薄壁坯料易发生起皱，而FSW焊缝容易引起开裂缺陷，因此起皱开裂缺陷并存无法解决；当采用最先进的板材液压成形工艺时，直径5m构件的成形力达800MN，超大型流体高压成形装备造价昂贵、风险极大。对于热成形技术，加热状态下FSW焊缝发生软化，导致成形过程开裂无法克服；而且，热成形过程组织性能难于控制。

为了解决传统成形技术制造大尺寸铝合金整体薄壁构件存在的难题，发明大尺寸铝合金拼焊板类构件超低温冷冻成形技术。

发明内容

为解决现有技术缺陷，本发明提供一种铝合金拼焊板类构件冷冻成形方法，其技术方案在于，用冷却剂使所述铝合金拼焊板冷却至合适的超低温区间，采用模具成形出复杂铝合金拼焊板构件，具体包括以下步骤：

第一步：将所述铝合金拼焊板放置在所述模具上；

第二步：将所述模具合模，向所述模具内充入冷却剂，使所述模具温度降至-150℃～-196℃；

第三步：当所述铝合金拼焊板焊缝区的温度达到-150℃～-196℃，且所述焊缝区的温度低于所述母材区的温度，即所述焊缝区与所述母材区出现温度差时，所述模具施加压力使所述铝合金拼焊板变形，成形为铝合金拼焊板构件；

第四步：将第二步中所述模具分开，取出所述铝合金拼焊板构件，完成铝合金拼焊板构件的冷冻成形。

较佳的，第三步中所述焊缝区与所述母材区的温度差不小于30℃。

较佳的，所述的铝合金拼焊板是Al-Cu-Mg合金板、Al-Cu-Mn合金板、Al-Mg-Si合金板、Al-Zn-Mg-Cu合金板、Al-Cu-Li合金板中的一种。

较佳的，所述大尺寸铝合金拼焊板为经过搅拌摩擦焊接技术制备的大尺寸铝合金FSW拼焊板。

较佳的，所述冷却剂为一种超低温冷却介质，是液氮或液氦中的一种。