一种性能均匀的大型铝合金拼焊板封头整体成形的方法与流程

本发明涉及一种铝合金拼焊板封头的成形方法。

背景技术：

封头在航空航天、石油化工等领域被广泛用于大型容器的制造，由于其开口直径通常在2米以上，目前的制造方法普遍采用多个曲面瓣组装后拼焊而成。封头作为大型容器的重要构件，承受内压、振动和冲击等复杂载荷，制造标准要求其组织性能均匀一致，从而满足大型装置的服役性能要求。然而，传统拼焊结构焊缝的强度仅有母材的70％，塑性仅有母材的30％，导致封头整体强度和韧性下降、焊接残余应力大，成为导致失效的主要因素；此外，曲面瓣的成形存在变形不均的问题，热处理后导致力学性能不均匀，严重时局部低于设计要求。

要从根本上提高封头的性能均匀性，就需要采用整体成形技术替代传统拼焊的制造方式。由于铝合金室温塑性较低，一种整体成形方法将整体板材置于200℃～400℃的条件下加热1h～2h，加热后将整体板材装入模具中进行热拉深成形，成形温度为150℃～300℃。由于板材置于模具内热量损耗较快，导致该方法成形温度难于精确控制；同时热拉深过程发生动态回复和再结晶，晶粒异常长大、组织性能下降等问题，严重影响整体封头的组织性能均匀性。近年来，板材充液拉深技术被用于汽车覆盖件等大型复杂曲面零件的成形，是实现大型封头整体制造的先进成形技术。然而，由于现有铝合金板宽一般在2.5m左右，不能满足整体成形所需的坯料尺寸要求，整体成形仍需拼焊的平板坯料。由于焊缝和母材组织性能的固有差异，以及整体成形时焊缝和母材的变形差异，制约了拼焊板整体成形的可行性，加剧了整体封头组织性能不均的问题。

技术实现要素：

本发明的目的是要解决现有整体成形得到铝合金拼焊板封头存在壁厚和力学性能分布不均匀的问题，而提供一种性能均匀的大型铝合金拼焊板封头整体成形的方法。

一种性能均匀的大型铝合金拼焊板封头整体成形的方法，具体是按以下步骤完成的：

一、搅拌摩擦焊接：采用焊接前进速度为200mm/min～400mm/min，旋转速度为800rpm～1000rpm的搅拌摩擦焊接方法制备大型铝合金拼焊板，所述大型铝合金拼焊板的宽度≥4000mm；

二、局部胀形：利用局部预胀模具对大型铝合金拼焊板进行局部胀形，所述局部预胀模具包括局部胀形模、预胀凹模和充液室，充液室内设有圆柱形内腔，且充液室的圆柱形内腔通过注液孔与液压系统的液体介质腔连通，预胀凹模呈环形，且预胀凹模的环形内径≤圆柱形内腔的直径，局部胀形模设有穹顶形模腔，穹顶形模腔端面圆形直径小于大型铝合金拼焊板上相邻两条焊缝之间的距离，将大型铝合金拼焊板放入局部预胀模具的局部胀形模和预胀凹模之间，且保证大型铝合金拼焊板的焊缝位于穹顶形模腔外，局部预胀模具合模并施加3MPa～5MPa的单位面积压边力，利用液压系统将液体介质腔内液体介质通过注液孔注入充液室内，使充液室内充满液体介质，利用液压系统继续增压至5MPa～10MPa，在液体压力为5MPa～10MPa下使大型铝合金拼焊板完全贴靠到局部胀形模的穹顶形模腔，得到预制件；

三、热处理：将预制件放入热处理炉内，在温度250℃～350℃下热处理，热处理时间为1h～2h，然后以30℃/h～50℃/h的降温速度炉冷至200℃取出，再空冷至室温，得到热处理后的预制件；

四、二次变形：利用充液拉深模具对热处理后的预制件进行二次变形，所述充液拉深模具包括凸模、压边圈、二次变形凹模和充液拉深室，充液拉深室内设有圆柱形液腔，且充液拉深室的圆柱形液腔通过充液孔与液压系统的液体介质腔连通，二次变形凹模呈环形，且二次变形凹模的环形内径≤圆柱形液腔的直径，压边圈呈环形，且压边圈的环形内径与二次变形凹模的环形内径相等，依据大型铝合金拼焊板封头实际尺寸设计凸模，且凸模外沿圆形的直径≤压边圈的环形内径，将热处理后的预制件翻转后放入充液拉深模具的压边圈和二次变形凹模之间，充液拉深模具合模并施加3MPa～5MPa的单位面积压边力，利用液压系统将液体介质腔内液体介质通过充液孔注入充液拉深室内，使充液拉深室内充满液体介质，利用液压系统继续增压至10MPa～20MPa，在液体压力为10MPa～20MPa下凸模(4)下移使热处理后的预制件进行二次变形，得到成形后封头；

五、固溶处理：将成形后封头在温度500℃～540℃下固溶处理，固溶处理时间为0.5h～1h，取出后水淬，然后在温度160℃～180℃下人工时效处理，人工时效处理时间为10h～48h，取出空冷至室温，得到大型铝合金拼焊板封头。

本发明的原理及优点：

一、本发明采用搅拌摩擦焊接：搅拌摩擦焊接技术作为一种新型的固相连接技术，克服了熔焊等焊接方法易产生气孔和裂纹的不足，成为航空、航天、轨道交通等高强铝合金材料的新焊接技术，接头质量和性能明显优于传统焊接方法，已经在铝合金焊接方面获得大量实际应用，取得了满意的应用效果。

二、本发明不同于采用拼焊板一次整体拉深和一次充液拉深成形方法，焊接接头处于受力极为苛刻的拉应力状态下，由于焊缝和母材的变形能力差异大，导致焊缝在拉应力下形成较大的应力集中，极易由于变形能力不足而导致开裂或变形不均；本发明利用搅拌摩擦焊接制备的铝合金拼焊板组织性能差异，即母材区的强度低于焊缝区，但母材区的延伸率高于焊缝区的特性，本发明先采用液压成形进行第一次成形，使非焊缝区板材发生局部胀形(即使母材区优先发生变形)，焊接接头在胀形过程处于压边圈和凹模之间不发生变形，然后通过中间热处理使母材区和焊缝区的组织性能趋于一致，再采用充液拉深模二次成形，使预制件的母材区和焊缝区同时发生变形，获得铝合金拼焊板整体封头的同时，使整体封头的组织性能达到均匀，而且采用液压和凸模拉深成形有利于使法兰区板材流入凹模，降低焊缝区拉应力，提高成形的可行性和变形的均匀性。

三、采用固溶处理和人工时效处理可以利用铝合金的形变析出强化机制进一步提高整体封头的力学性能。

四、采用本发明成形的大型铝合金拼焊板封头壁厚和力学性能均匀，厚度分布差≤10％，强度分布差≤30MPa。

附图说明

图1是具体实施方式一所述局部预胀模具的结构示意图；图中1表示局部胀形模，2表示预胀凹模，3表示充液室，1-1表示穹顶形模腔，3-1表示圆柱形内腔，3-2表示注液孔；

图2是具体实施方式一所述局部胀形过程示意图；图中1表示局部胀形模，2表示预胀凹模，3表示充液室，3-1表示圆柱形内腔，3-2表示注液孔；

图3是具体实施方式一所述充液拉深模具的结构示意图；图中4表示凸模，5表示压边圈，6表示二次变形凹模，7表示充液拉深室，7-1表示圆柱形液腔，7-2表示充液孔；

图4是具体实施方式一所述充液拉深模二次成形过程示意图；图中4表示凸模，5表示压边圈，6表示二次变形凹模，7表示充液拉深室，7-1表示圆柱形液腔，7-2表示充液孔。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1至4，本实施方式是一种性能均匀的大型铝合金拼焊板封头整体成形的方法，它是按以下步骤完成的：

一、搅拌摩擦焊接：采用焊接前进速度为200mm/min～400mm/min，旋转速度为800rpm～1000rpm的搅拌摩擦焊接方法制备大型铝合金拼焊板，所述大型铝合金拼焊板的宽度≥4000mm；

二、局部胀形：利用局部预胀模具对大型铝合金拼焊板进行局部胀形，所述局部预胀模具包括局部胀形模1、预胀凹模2和充液室3，充液室3内设有圆柱形内腔3-1，且充液室3的圆柱形内腔3-1通过注液孔3-2与液压系统的液体介质腔连通，预胀凹模2呈环形，且预胀凹模2的环形内径≤圆柱形内腔3-1的直径，局部胀形模1设有穹顶形模腔1-1，穹顶形模腔1-1端面圆形直径小于大型铝合金拼焊板上相邻两条焊缝之间的距离，将大型铝合金拼焊板放入局部预胀模具的局部胀形模1和预胀凹模2之间，且保证大型铝合金拼焊板的焊缝位于穹顶形模腔1-1外，局部预胀模具合模并施加3MPa～5MPa的单位面积压边力，利用液压系统将液体介质腔内液体介质通过注液孔3-2注入充液室3内，使充液室3内充满液体介质，利用液压系统继续增压至5MPa～10MPa，在液体压力为5MPa～10MPa下使大型铝合金拼焊板完全贴靠到局部胀形模的穹顶形模腔1-1，得到预制件；

三、热处理：将预制件放入热处理炉内，在温度250℃～350℃下热处理，热处理时间为1h～2h，然后以30℃/h～50℃/h的降温速度炉冷至200℃取出，再空冷至室温，得到热处理后的预制件；

四、二次变形：利用充液拉深模具对热处理后的预制件进行二次变形，所述充液拉深模具包括凸模4、压边圈5、二次变形凹模6和充液拉深室7，充液拉深室7内设有圆柱形液腔7-1，且充液拉深室7的圆柱形液腔7-1通过充液孔7-2与液压系统的液体介质腔连通，二次变形凹模6呈环形，且二次变形凹模6的环形内径≤圆柱形液腔7-1的直径，压边圈5呈环形，且压边圈5的环形内径与二次变形凹模6的环形内径相等，依据大型铝合金拼焊板封头实际尺寸设计凸模4，且凸模4外沿圆形的直径≤压边圈5的环形内径，将热处理后的预制件翻转后放入充液拉深模具的压边圈5和二次变形凹模6之间，充液拉深模具合模并施加3MPa～5MPa的单位面积压边力，利用液压系统将液体介质腔内液体介质通过充液孔7-2注入充液拉深室7内，使充液拉深室7内充满液体介质，利用液压系统继续增压至10MPa～20MPa，在液体压力为10MPa～20MPa下凸模4下移使热处理后的预制件进行二次变形，得到成形后封头；

五、固溶处理：将成形后封头在温度500℃～540℃下固溶处理，固溶处理时间为0.5h～1h，取出后水淬，然后在温度160℃～180℃下人工时效处理，人工时效处理时间为10h～48h，取出空冷至室温，得到大型铝合金拼焊板封头。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一的不同点是：步骤二中设大型铝合金拼焊板封头的端部内径为A，大型铝合金拼焊板上相邻焊缝的间距为B，当A-B＞2500mm时，在部胀形模1的穹顶形模腔1-1两侧堆成设置两个辅助模腔，两个辅助模腔外沿距离H≤大型铝合金拼焊板封头的端部内径A，设穹顶形模腔1-1与辅助模腔之间焊缝平台的宽度为h，大型铝合金拼焊板的焊缝宽度为b，则h≥2b；将大型铝合金拼焊板放入局部预胀模具的局部胀形模1和预胀凹模2之间，且保证大型铝合金拼焊板的焊缝位于焊缝平台处。其他与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二之一不同点是：步骤一中采用焊接前进速度为200mm/min，旋转速度为800rpm的搅拌摩擦焊接方法制备大型铝合金拼焊板。其他与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同点是：步骤一中采用焊接前进速度为300mm/min，旋转速度为800rpm的搅拌摩擦焊接方法制备大型铝合金拼焊板。其他与具体实施方式一至三相同。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同点是：步骤一中采用焊接前进速度为300mm/min，旋转速度为1000rpm的搅拌摩擦焊接方法制备大型铝合金拼焊板。其他与具体实施方式一至四相同。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同点是：步骤一中采用焊接前进速度为400mm/min，旋转速度为800rpm的搅拌摩擦焊接方法制备大型铝合金拼焊板。其他与具体实施方式一至五相同。

具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同点是：步骤三中在温度300℃下热处理，热处理时间为2h。其他与具体实施方式一至六相同。

具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同点是：步骤五中将成形成形后封头在温度535℃下固溶处理，固溶处理时间为1h。其他与具体实施方式一至七相同。

具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八之一不同点是：步骤五中在温度175℃下人工时效处理，人工时效处理时间为18h。其他与具体实施方式一至八相同。

本发明内容不仅限于上述各实施方式的内容，其中一个或几个具体实施方式的组合同样也可以实现发明的目的。

采用下述试验验证本发明效果：

实施例1：利用一种性能均匀的大型铝合金拼焊板封头整体成形的方法，按照大型铝合金拼焊板封头的封头直径为2250mm，高为700mm，厚度为6mm，具体是按以下步骤完成的：

一、搅拌摩擦焊接：采用焊接前进速度为200mm/min，旋转速度为1000rpm的搅拌摩擦焊接方法制备大型铝合金拼焊板；所述大型铝合金拼焊板的材质为2A14铝合金；

二、局部胀形：利用局部预胀模具对大型铝合金拼焊板进行局部胀形，所述局部预胀模具包括局部胀形模1、预胀凹模2和充液室3，充液室3内设有圆柱形内腔3-1，且充液室3的圆柱形内腔3-1通过注液孔3-2与液压系统的液体介质腔连通，预胀凹模2呈环形，且预胀凹模2的环形内径≤圆柱形内腔3-1的直径，局部胀形模1设有穹顶形模腔1-1，穹顶形模腔1-1端面圆形直径小于大型铝合金拼焊板上相邻两条焊缝之间的距离，将大型铝合金拼焊板放入局部预胀模具的局部胀形模1和预胀凹模2之间，且保证大型铝合金拼焊板的焊缝位于穹顶形模腔1-1外，局部预胀模具合模并施加3MPa的单位面积压边力，利用液压系统将液体介质腔内液体介质通过注液孔3-2注入充液室3内，使充液室3内充满液体介质，利用液压系统继续增压至5MPa，在液体压力为5MPa下使大型铝合金拼焊板完全贴靠到局部胀形模的穹顶形模腔1-1，得到预制件；

三、热处理：将预制件放入热处理炉内，在温度300℃下热处理，热处理时间为2h，然后以40℃/h的降温速度炉冷至200℃取出，再空冷至室温，得到热处理后的预制件；

四、二次变形：利用充液拉深模具对热处理后的预制件进行二次变形，所述充液拉深模具包括凸模4、压边圈5、二次变形凹模6和充液拉深室7，充液拉深室7内设有圆柱形液腔7-1，且充液拉深室7的圆柱形液腔7-1通过充液孔7-2与液压系统的液体介质腔连通，二次变形凹模6呈环形，且二次变形凹模6的环形内径≤圆柱形液腔7-1的直径，压边圈5呈环形，且压边圈5的环形内径与二次变形凹模6的环形内径相等，依据大型铝合金拼焊板封头实际尺寸设计凸模4，且凸模4外沿圆形的直径≤压边圈5的环形内径，将热处理后的预制件翻转后放入充液拉深模具的压边圈5和二次变形凹模6之间，充液拉深模具合模并施加5MPa的单位面积压边力，利用液压系统将液体介质腔内液体介质通过充液孔7-2注入充液拉深室7内，使充液拉深室7内充满液体介质，利用液压系统继续增压至20MPa，在液体压力为20MPa下凸模4下移使热处理后的预制件进行二次变形，得到成形后封头；

五、固溶处理：将成形后封头在温度500℃下固溶处理，固溶处理时间为0.5h，取出后水淬，然后在温度170℃下人工时效处理，人工时效处理时间为10h，取出空冷至室温，得到大型铝合金拼焊板封头。

实施例1得到的大型铝合金拼焊板封头的厚度分布为6mm±0.6mm，力学性能分布为450MPa±10MPa。

实施例2：一种性能均匀的大型铝合金拼焊板封头整体成形的方法，按照大型铝合金拼焊板封头的封头直径为3350mm，高为900mm，厚度为8mm，具体是按以下步骤完成的：

一、搅拌摩擦焊接：采用焊接前进速度为300mm/min，旋转速度为800rpm的搅拌摩擦焊接方法制备大型铝合金拼焊板；

二、局部胀形：利用局部预胀模具对大型铝合金拼焊板进行局部胀形，所述局部预胀模具包括局部胀形模1、预胀凹模2和充液室3，充液室3内设有圆柱形内腔3-1，且充液室3的圆柱形内腔3-1通过注液孔3-2与液压系统的液体介质腔连通，预胀凹模2呈环形，且预胀凹模2的环形内径≤圆柱形内腔3-1的直径，局部胀形模1设有穹顶形模腔1-1，穹顶形模腔1-1端面圆形直径小于大型铝合金拼焊板上相邻两条焊缝之间的距离，将大型铝合金拼焊板放入局部预胀模具的局部胀形模1和预胀凹模2之间，且保证大型铝合金拼焊板的焊缝位于穹顶形模腔1-1外，局部预胀模具合模并施加5MPa的单位面积压边力，利用液压系统将液体介质腔内液体介质通过注液孔3-2注入充液室3内，使充液室3内充满液体介质，利用液压系统继续增压至5MPa，在液体压力为5MPa下使大型铝合金拼焊板完全贴靠到局部胀形模的穹顶形模腔1-1，得到预制件；

三、热处理：将预制件放入热处理炉内，在温度300℃下热处理，热处理时间为2h，然后以450℃/h的降温速度炉冷至200℃取出，再空冷至室温，得到热处理后的预制件；

四、二次变形：利用充液拉深模具对热处理后的预制件进行二次变形，所述充液拉深模具包括凸模4、压边圈5、二次变形凹模6和充液拉深室7，充液拉深室7内设有圆柱形液腔7-1，且充液拉深室7的圆柱形液腔7-1通过充液孔7-2与液压系统的液体介质腔连通，二次变形凹模6呈环形，且二次变形凹模6的环形内径≤圆柱形液腔7-1的直径，压边圈5呈环形，且压边圈5的环形内径与二次变形凹模6的环形内径相等，依据大型铝合金拼焊板封头实际尺寸设计凸模4，且凸模4外沿圆形的直径≤压边圈5的环形内径，将热处理后的预制件翻转后放入充液拉深模具的压边圈5和二次变形凹模6之间，充液拉深模具合模并施加5MPa的单位面积压边力，利用液压系统将液体介质腔内液体介质通过充液孔7-2注入充液拉深室7内，使充液拉深室7内充满液体介质，利用液压系统继续增压至12MPa，在液体压力为12MPa下凸模4下移使热处理后的预制件进行二次变形，得到成形后封头；

五、固溶处理：将成形后封头在温度535℃下固溶处理，固溶处理时间为1h，取出后水淬，然后在温度175℃下人工时效处理，人工时效处理时间为18h，取出空冷至室温，得到大型铝合金拼焊板封头。

实施例2得到的大型铝合金拼焊板封头的封头的壁厚分布为6.8mm～8.5mm，抗拉强度分布为440MPa±15MPa，比2219铝合金时效态板材抗拉强度提高13％。