一种大直径异形截面薄壁管件的成形方法与流程

本发明涉及薄壁管件成形技术领域，特别是涉及一种大直径异形截面薄壁管件的成形方法。

背景技术：

在航空航天领域，存在一类大直径、壁厚超薄、截面和轴线复杂变化的封闭构件，如飞机的进气道、排气道，火箭或导弹的燃料储箱隧道管等。此类封闭构件也常称为复杂整体薄壁管件，通常由轻质高强的铝合金、钛合金等制成。为了满足苛刻的服役性能，此类复杂整体薄壁管件都要求具有很高的形状尺寸精度、合理的壁厚分布、稳定一致的微观组织等。

对于铝合金，当管件的等效直径小于300mm且截面形状尺寸和轴线比较简单时，可以采用挤压或旋压制得的无缝管坯直接成形出最终零件。当管件的等效直径大于300mm，或者管件的截面和轴线复杂多变，对壁厚均匀性或分布有严格要求时，则无法采用无缝铝合金管坯直接成形。此时，必须采用弯卷、焊接的方法制备所需的异形管坯。对于钛合金，因为现有方法都无法制备大直径薄壁无缝管，所以都需要采用弯卷、焊接的方法制备管坯。

由于铝合金、钛合金等材料在室温下变形能力差，当局部变形量较大时会很快出现开裂，因此无法在常温下成形出铝合金、钛合金复杂整体薄壁管件。为了改善材料的成形性能，需要将铝合金、钛合金坯料加热到特定的温度下再进行成形。此时，通常采用的工艺流程是：(1)制备管坯；(2)预成形；(3)热成形；(4)热处理。制备的管坯可以是简单的圆筒状，也可以是特定的锥形筒。预成形，主要是为了对初始的简单筒状管坯进行预先变形以获得需要的截面形状和轴线，在此过程中管坯截面的周长变化很小或基本不变化。热成形，通常是将管坯加热到需要的温度后，利用管坯内部高压气体和管端约束或载荷的共同作用，使管坯发生进一步变形并贴合模具型腔。热处理，是对成形后管件的整体或局部进行必要的热处理，以调控最终管件的微观组织和力学性能。

当所使用的大尺寸管坯是通过板材弯卷、对接拼焊的方法制备的有缝管坯时，在成形过程中将存在如下问题：(1)在热态下，拼焊焊缝和相邻母材的变形抗力都将明显下降，当焊缝区域的应力强度高于相邻母材区域，或者当焊缝区域的变形抗力低于相邻母材，或者当焊缝区域的壁厚明显小于相邻母材，都将导致焊缝区域成为“弱区”而发生集中变形，并最终因开裂导致无法顺利完成零件成形；(2)即使在成形过程中焊缝区域不出现破裂，但是焊缝区域的微观组织也可能发生不良转变，在后续热处理过程中也无法对焊缝区域的微观组织再进行有效调控；(3)在后续热处理过程中，为了兼顾焊缝区域和母材区域的组织性能，可能需要采用复杂的分区热处理方法。对于大尺寸的复杂薄壁管件，采用分区或局部热处理极容易因不合理的热胀冷缩、不合理的温度分布而产生严重的形状畸变或组织性能不均匀、不可控。正是因为上述几方面原因，目前大直径复杂薄壁构件的热成形已成为成形制造领域的一个难题。

因此，如何改变现有技术中，大直径异形截面薄壁管件制造过程中焊缝区域易变形开裂、焊缝区域微观组织异常、局部或分区热处理易引起零件发生畸变的现状，成为了本领域技术人员亟待解决的问题。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种大直径异形截面薄壁管件的成形方法，以解决上述现有技术存在的问题，避免焊缝变形开裂以及热处理过程中焊缝和母材难以协调的问题。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种大直径异形截面薄壁管件的成形方法，包括如下步骤：

步骤一、对目标零件进行特征分析，确定预制筒坯的形状，并确定预制筒坯上拼焊焊缝的位置和尺寸要求；

步骤二、裁切板坯，并将板坯卷制成筒状；

步骤三、将步骤二中卷制的板坯拼焊成筒坯，筒坯的径向截面为封闭状；

步骤四、对步骤三中得到的筒坯进行预先变形；

步骤五、对预先变形过的筒坯进行热气压胀形，使筒坯发生胀形变形并贴靠模具型腔，进而得到具有目标零件所需外形轮廓的管件；

步骤六、将步骤五得到的管件进行热处理，使管件的母材区域的组织性能达到设计要求；

步骤七、将热处理后的管件上的拼焊焊缝去除；

步骤八、将去除原始拼焊焊缝后的管件重新进行对接拼焊；

步骤九、对对接拼焊得到的管件进行校形、抛光处理，最终得到目标零件。

优选地，步骤一中，当所确定的预制筒坯为等截面的圆柱状筒坯时，拼焊焊缝为与筒坯轴线方向相平行的直焊缝；当所确定的预制筒坯为非等截面的圆锥状筒坯时，拼焊焊缝为与筒坯轴线在同一平面内的直线焊缝；当所确定的预制筒坯为截面为非圆形的筒坯时，拼焊焊缝为二维曲线焊缝。

优选地，步骤四中，对筒坯进行预先变形，使筒坯的整体或局部区域的截面形状发生改变。

优选地，步骤五中，向拼焊筒坯中通入压力为10-50mpa的压缩气体，使筒坯在30-100s的时间内胀形并贴靠模具型腔，得到目标零件所需要的外形轮廓。

优选地，向拼焊筒坯中通入压缩气体为压缩空气或压缩氮气。

优选地，步骤七中，采用激光切割机或水切割机将热处理后的管件上的原始焊缝去除。

优选地，管件去除部分的宽度较原始焊缝的焊核区域的宽度宽1-2mm；采用液氮或冷气对被切割的焊缝区域进行降温处理，保证焊缝区域的温度在100℃以下。

优选地，步骤八中，采用搅拌摩擦焊实现管件的对接拼焊。

优选地，步骤九中，将对接拼焊后的管件放置到热气压胀形模具中，采用常温液压胀形或气压胀形的方式，对管件进行整体校形或局部校形。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：本发明的大直径异形截面薄壁管件的成形方法，包括如下步骤：步骤一、对目标零件进行特征分析，确定预制筒坯的形状，并确定预制筒坯上拼焊焊缝的位置和尺寸要求；步骤二、裁切板坯，并将板坯卷制成筒状；步骤三、将步骤二中卷制的板坯拼焊成筒坯，筒坯的径向截面为封闭状；步骤四、对步骤三中得到的筒坯进行预先变形；步骤五、对预先变形过的筒坯进行热气压胀形，使筒坯发生胀形变形并贴靠模具型腔，进而得到具有目标零件所需外形轮廓的管件；步骤六、将步骤五得到的管件进行热处理，使管件的母材区域的组织性能达到设计要求；步骤七、将热处理后的管件上的拼焊焊缝去除；步骤八、将去除原始拼焊焊缝后的管件重新进行对接拼焊；步骤九、对对接拼焊得到的管件进行校形、抛光处理，最终得到目标零件。本发明采用拼焊筒坯作为原始坯料进行大直径异形截面薄壁管件的成形，在成形得到需要的形状后，去除原始焊缝并重新进行管件对接拼焊。由于原始筒坯的拼焊焊缝将从最终零件上去除，在成形过程及后续的热处理过程中无需考虑焊缝和母材的微观组织的一致性或协调性，避免了传统的成形工艺中必须保证焊缝和母材在成形过程、热处理过程中的协调性而带来的困难，解决了现有技术中焊缝区域易变形开裂、焊缝区域微观组织异常以及局部或分区热处理易引起零件发生畸变的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明大直径异形截面薄壁管件的成形方法的目标零件的示意图；

图2为本发明大直径异形截面薄壁管件的成形方法的步骤二和步骤三的示意图；

图3为本发明大直径异形截面薄壁管件的成形方法的步骤四的示意图；

图4为本发明大直径异形截面薄壁管件的成形方法的步骤五的示意图；

图5为本发明大直径异形截面薄壁管件的成形方法的步骤七的示意图；

图6为本发明大直径异形截面薄壁管件的成形方法的步骤八的示意图；

其中，1为搅拌摩擦焊设备的搅拌头。

另外，此处需要说明的是，上述附图只是为了阐明本发明的方法步骤而作示例用，并不代表特定零件。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种大直径异形截面薄壁管件的成形方法，以解决上述现有技术存在的问题，避免焊缝变形开裂以及热处理过程中焊缝和母材难以协调的问题。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

请参考图1-5，其中，图1为本发明大直径异形截面薄壁管件的成形方法的目标零件的示意图，图2为本发明大直径异形截面薄壁管件的成形方法的步骤二和步骤三的示意图，图3为本发明大直径异形截面薄壁管件的成形方法的步骤四的示意图，图4为本发明大直径异形截面薄壁管件的成形方法的步骤五的示意图，图5为本发明大直径异形截面薄壁管件的成形方法的步骤七的示意图，图6为本发明大直径异形截面薄壁管件的成形方法的步骤八的示意图。

本发明提供一种大直径异形截面薄壁管件的成形方法，包括如下步骤：

步骤一、对目标零件进行特征分析，通过理论计算或仿真分析等方法确定预制筒坯的形状，并确定预制筒坯上拼焊焊缝的位置和尺寸要求。

步骤二、裁切板坯，并将板坯卷制成筒状。

步骤三、将步骤二中卷制的板坯拼焊成筒坯，筒坯的径向截面为封闭形状，因原始焊缝将从最终目标零件上去除，因此，对拼焊焊缝的组织、性能、外形等要求大大降低，只需保证拼焊焊缝在后续的预先变形、热气压胀形过程中不发生破坏，不影响获得满足形状、尺寸要求的目标零件即可。此时的拼焊只是为了将卷制的筒坯焊到一起，保证在向筒坯内部充入气体进行胀形时不会漏气，并保证拼焊焊缝和周围母材能够发生相对协调的变形即可，因此在焊接方法选择、焊缝结构设计以及焊接工艺参数确定等方面都无特别严格的限制，大大降低了筒坯拼焊的难度。

步骤四、对步骤三中得到的筒坯进行预先变形，即预成形。

步骤五、对预先变形过的筒坯进行热气压胀形，使筒坯发生胀形变形并贴靠模具型腔，进而得到具有目标零件所需外形轮廓的管件。同样地，由于原始焊缝将由目标零件上去除，因此在热气压胀形过程中无需同时兼顾拼焊焊缝区域和母材区域的微观组织，也不用严格保证焊缝和母材的变形流动协调性，只要能保证在成形后母材区域能获得需要的形状尺寸即可，大大降低了热气压胀形的难度，避免采用复杂的模具工装。

步骤六、将步骤五得到的管件进行热处理，使管件的母材区域的组织性能达到设计要求，因无需同时兼顾拼焊焊缝和母材，只要保证母材区域的微观组织和力学性能满足要求即可，大大降低了热处理的要求，可避免采用复杂的分区热处理，只需关注母材的热处理要求，拓宽了热处理工艺参数的选择范围。

步骤七、将热处理后的管件上的拼焊焊缝去除。

步骤八、将去除原始拼焊焊缝后的管件重新进行对接拼焊，此次焊接完成后即为最终的目标零件，能够保证零件最终的微观组织均匀可靠。

步骤九、对对接拼焊得到的管件进行校形、抛光处理，最终得到目标零件，提高目标零件成形质量。

本发明采用拼焊筒坯作为原始坯料进行大直径异形截面薄壁管件的成形，在成形得到需要的形状后，去除原始焊缝并重新进行管件对接拼焊。由于原始筒坯的拼焊焊缝将从最终零件上去除，因此可以将初始筒坯的拼焊与最终零件的拼焊分开处理，即可以采用不同的焊接方法或焊接结构或焊接参数，只需要保证成形过程中拼焊焊缝区域不开裂即可，在成形过程及后续的热处理过程中无需考虑焊缝和母材的微观组织的一致性或协调性，避免了传统的成形工艺中必须保证焊缝和母材在成形过程、热处理过程中的协调性而带来的困难。

具体地，步骤一中，当所确定的预制筒坯为等截面的圆柱状筒坯时，拼焊焊缝为与筒坯轴线方向相平行的直焊缝，采用等截面的圆柱筒坯时，板坯的下料可以直接用剪板机实现，板坯的卷制可以采用通用的卷板机，且焊缝焊接简单易操作。当所确定的预制筒坯为非等截面的圆锥状筒坯或截面为非圆形的筒坯时，筒坯轴线方向的各个截面的形状和尺寸逐渐单调变化或者非单调变化。在步骤二中，采用不等截面的圆锥筒坯或截面为非圆形筒坯，拼焊焊缝为沿着筒坯轴向的一条直线或者是一条二维空间的曲线，使筒坯轴线方向上的各个截面形状和周长按照最终零件的形状尺寸和壁厚分布要求做相应变化，获得截面形状变化大、各截面周长变化大的零件。同时，可以简化后续预先成形和热气压胀形工序的难度，降低对成形设备、模具工装的要求，降低复杂零件的研制周期和制造成本。

更具体地，步骤四中，对筒坯进行预先变形，使筒坯的整体或局部区域的截面形状发生改变。通过对拼焊得到的筒坯进行预先变形，可以避免在热气压胀形的合模阶段因筒坯发生异常的截面变化而出现咬边、折叠等宏观缺陷。同时，通过对筒坯进行预先变形，可以获得更接近后续热气压胀形模具型腔的坯料，使坯料上各处与模具型腔的距离相同或相近，可以减小热气压胀形阶段局部区域的变形量，更易于获得壁厚满足设计要求的最终目标零件。

在本具体实施方式中，步骤五中，向拼焊筒坯中快速通入压力为10-50mpa的压缩气体，使筒坯在30-100s的时间内胀形并贴靠模具型腔，得到目标零件所需要的外形轮廓。通过使用高压气体进行筒坯的胀形，可以在较短时间内完成筒坯的成形，焊缝和母材在高温条件下停留时间短，这就避免了焊缝区域的微观组织在高温下发生复杂变化而导致焊缝开裂等问题，从而能够保证筒坯的热气压成形顺利完成。为有效保护筒坯，向拼焊筒坯中通入压缩气体为压缩空气或压缩氮气。

以制备的筒坯的材料为2a12铝合金为例，在步骤六中，对热气压胀形所得的管件进行整体热处理，热处理条件为：固溶温度510～540℃，时间3.0～4.5小时，采用水淬冷却，时效温度为180～210℃，时间1.5～2.5小时。而现有技术中，为兼顾焊缝和母材的组织性能，所采用的热处理条件为：固溶温度520～535℃，时间3.0～3.5小时，采用带有淬火液的水淬冷却，时效温度为185±5℃，时间1.5小时。采用整体热处理方式进行成形后管件的组织性能调控，所制定的热处理规范和条件只需满足母材区域的热处理要求即可，而无需考虑焊缝区域在此过程中的组织性能变化，因此热处理工艺参数选择范围宽。同时，也避免了传统的为了兼顾焊缝和母材而需要采用分区热处理所带来的工装复杂、操作困难等问题。

进一步地，步骤七中，采用激光切割机或水切割机将热处理后的管件上的原始焊缝去除，可以保证切割后管件上的切口平整、无毛刺，有利于后续的管件拼焊。将切割设备与数控机床结合，可严格按照设定的运动路线进行精确切割，所以可实现复杂的二维曲线焊缝的切割。

为了保证将原始焊缝完全去除，管件去除部分的宽度较原始焊缝的焊核区域的宽度宽1-2mm，避免原始焊缝影响最终目标零件的性能；采用液氮或冷气对被切割的焊缝区域进行降温处理，保证焊缝区域的温度在100℃以下，切割时对被切割区域进行及时的冷却处理，可以避免切割过程中材料局部快速升温而对其组织性能产生不利影响。

更进一步地，步骤八中，采用搅拌摩擦焊实现管件的对接拼焊。对于焊缝为直线的管件，采用传统的内部支撑的搅拌摩擦焊方法，对于焊缝为二维曲线的，采用新型的自支撑搅拌摩擦焊方法，搅拌摩擦焊为固态焊接，焊接过程中材料不发生熔融和凝固的复杂过程，焊接过程对焊缝邻近区域的影响小，焊缝均匀性好，且晶粒细小、强度高，焊缝区强度可以达到热处理后母材强度的85～90％，从而可保证对接拼焊后管件具有良好的服役性能。

为了进一步保证目标零件的成形质量，步骤九中，将对接拼焊后的管件放置到热气压胀形模具中，采用常温液压胀形或气压胀形的方式，对管件进行整体校形或局部校形。

本发明采用拼焊筒坯作为原始坯料进行大直径异形截面薄壁管件的成形，在成形得到需要的形状后，去除原始焊缝并重新进行管件对接拼焊。由于原始筒坯的拼焊焊缝将从最终零件上去除，在成形过程及后续的热处理过程中无需考虑焊缝和母材的微观组织的一致性或协调性，避免了传统的成形工艺中必须保证焊缝和母材在成形过程、热处理过程中的协调性而带来的困难，解决了现有技术中焊缝区域易变形开裂、焊缝区域微观组织异常以及局部或分区热处理易引起零件发生畸变的问题。

本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。