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，利用发明人前期研究发现的铝合金在超低温下增塑/增强的新现象，发明大尺寸铝合金拼焊板类构件超低温冷冻成形技术。
技术实现要素：
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。
较佳的，在所述第一步之前，对所述铝合金拼焊板进行固溶处理，在所述第四步之后对所述铝合金板拼焊板构件进行人工时效处理。
较佳的，所述模具包括至少一个冷却室，所述冷却室设置于所述焊缝区所在模具内，用于降温。
较佳的，第二步所述模具温度通过控制装置调节，且所述控制装置与所述冷却室相连接，通过调节所述冷却剂的流量，进而控制所述冷却室的温度。
较佳的，所述模具还设置隔冷保温层。
较佳的，所述模具设置冷却通道，所述冷却通道设置于所述铝合金拼焊板的下方。
与现有技术比较，本发明的有益效果在于：1)本发明利用焊缝区塑性和强度高于母材区的特点，采用超低温下铝合金拼焊板差温成形，可以避免焊缝区变形量大导致的开裂问题；2)本发明方法制造的铝合金拼焊板类构件不会产生内部微观组织损伤，超低温下成形对组织性能基本没有改变，成形后恢复原始组织状态；3)拼焊板和模具的工作表面形成冰冻润滑层，可降低板材流动的摩擦阻力，降低成形力，大幅降低成形装备吨位和造价。
附图说明
为了更清楚地说明本发明各实施例中的技术方案,下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
图1是本发明中模具设置冷却通道的铝合金fsw拼焊板冷冻成形初始状态示意图；
图2本发明实施例1铝合金fsw拼焊板冷冻成形平底圆筒形件初始状态的示意图；
图3是本发明实施例1铝合金fsw拼焊板冷冻成形平底圆筒形件结束状态的示意图；
图4是本发明实施例1中铝合金fsw拼焊板冷冻成形的平底圆筒形件的结构图；
图5本发明实施例3铝合金fsw拼焊板冷冻成形半球形件初始状态的示意图；
图6是本发明实施例3铝合金fsw拼焊板冷冻成形半球形件结束状态的示意图；
图7是本发明实施例3中铝合金fsw拼焊板冷冻成形的半球形件的结构图；
图8本发明实施例5铝合金fsw拼焊板冷冻成形几字形件初始状态的示意图；
图9是本发明实施例5铝合金fsw拼焊板冷冻成形几字形件结束状态的示意图；
图10是本发明实施例5中铝合金fsw拼焊板冷冻成形的几字形件的结构图。
图中数字表示：第一控制阀1-1、第二控制阀1-2、冷却剂存储罐2、凹模3-1、压边圈3-2、凸模3-3、冷却室3-4、冰凹槽3-5、铝合金拼焊板4、母材区4-1、焊缝区4-2、第一温度传感器5-1、第二温度传感器5-2，第一隔冷保温层6-1，第二隔冷保温层6-2、铝合金拼焊板构件7、冷却通道8。
图中字母表示：温度t、温度差△t、拼焊板坯半径r。
具体实施方式
以下结合附图，对本发明上述的和另外的技术特征和优点作更详细的说明。
请参见图1，
图1是本发明中模具设置冷却通道的铝合金fsw拼焊板冷冻成形初始状态示意图；
本发明提供一种铝合金拼焊板类构件冷冻成形方法，所述的铝合金拼焊板是经过搅拌摩擦焊接(fsw)技术制备的，其技术方案在于，用冷却剂使所述铝合金拼焊板4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7。具体步骤如下：
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4-2的温度达到-150℃～-196℃，且所述焊缝区4-2的温度低于所述母材区4-1的温度，即所述焊缝区4-2与所述母材区4-1出现温度差△t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7；
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7，完成铝合金拼焊构件7的冷冻成形。
所述大尺寸铝合金拼焊板类构件冷冻成形方法涉及一冷冻成形装置，包括模具，所述模具包括凸模3-3、凹模3-1、压边圈3-2，所述凹模3-1设置于所述模具的下方，所述压边圈3-2设置于所述模具的中部，所述凸模3-3设置于所述模具的上方，用于向所述铝合金拼焊板4施加压力，以促其成形。且在所述模具中设置第一隔冷保温层6-1和第二隔冷保温层6-2，降低模具和外界之间的热交换或热传导，避免冷量损失，提高模具的冷却效果。且在所述模具与所述铝合金拼焊板4接触表面预留一凹槽3-5，用于存冰。且在所述铝合金拼焊板4焊缝区4-2的下方凹模3-1内设置冷却室3-4，用于冷却温度；
所述冷冻成形装置还包括第一温度传感器5-1和第二温度传感器5-2，分别用于监测所述焊缝区4-2和所述母材区4-1的温度。冷却剂存储罐2和控制装置，所述冷却剂存储罐2用于储存所述冷却剂；所述控制装置包括第一控制阀1-1和第二控制阀1-2，分别与所述冷却剂存储罐2和所述冷却室3-4相连接，用于调节所述冷却剂的流量，进而控制所述冷却室3-4的温度。
作为一种优选方式，所述模具内设置一冷却通道8，所述冷却通道8设置于所述铝合金拼焊板4的下方，避免所述冷却剂和所述铝合金拼焊板4直接接触，降低所述冷却剂的蒸发和损耗，便于冷却剂在密闭的所述冷却通道8中循环利用。
实施例1
请参见图2、图3和图4所示，
图2本实施例中铝合金fsw拼焊板冷冻成形平底圆筒形件初始状态的示意图；
图3是本实施例中铝合金fsw拼焊板冷冻成形平底圆筒形件结束状态的示意图；
图4是本实施例中铝合金fsw拼焊板冷冻成形的平底圆筒形件的结构图。
本实施例提供一种大尺寸铝合金fsw拼焊板平底圆筒形构件冷冻成形方法，其中铝合金板为al-cu-mn合金，具体材料为退火态2219铝合金板，厚度为6mm。搅拌摩擦焊接参数为：焊接前进速度为300mm/min，焊接旋转速度为800rpm；圆形板坯直径为2700mm，1条焊缝位于板坯对称轴。采用直径为2250mm的平底圆柱形刚性模具，且所述模具包括凸模3-3、凹模3-1、压边圈3-2，其中凹模3-1内预置冷却室3-4。具体步骤如下：
第一步：将所述2219铝合金拼焊板4放置在所述模具上，使所述焊缝区4-2位于所述凹模冷却室3-4的上方；
第二步：用所述冷却剂充入所述凹模冷却室3-4，使所述凹模冷却室3-4的温度冷却至-150℃；
第三步：将所述压边圈3-2和所述凸模3-3合模，所述压边圈3-2施加3mpa的单位压力，通过所述第一控制阀1-1和所述第二控制阀1-2调控冷却剂流量，当所述2219铝合金拼焊板4焊缝区4-2的温度达到-150℃，同时所述母材区4-1的温度高于-120℃时，所述凸模3-3下行施加拉深力，使所述2219铝合金拼焊板4发生拉深变形，成形为2219铝合金拼焊板平底圆筒形件；
第四步、将所述凸模3-3、所述压边圈3-2和所述凹模3-1分开，取出所述2219铝合金拼焊板平底圆筒形件，完成2219铝合金拼焊板平底圆筒形构件7冷冻成形。
所述冷却剂为一种超低温冷却介质，可以为液氮或液氦中的一种。
本实施例利用焊缝区塑性和强度高于母材区的特点，采用超低温下铝合金拼焊板差温成形，可以避免焊缝区变形量大导致的开裂问题；本实施例成形的铝合金拼焊板平底圆筒形件不会产生内部微观组织损伤，超低温下成形对组织性能基本没有改变，成形后恢复原始组织状态；本实施例的铝合金拼焊板平底圆筒形件冷冻成形过程拼焊板和模具的工作表面形成冰冻润滑层，可降低板材流动的摩擦阻力，降低成形力，大幅降低成形装备吨位和造价。
实施例2：
本实施例提供一种铝合金fsw拼焊板平底圆筒形构件冷冻成形方法，与实施例1的区别之处在于所述铝合金板为al-cu-mg合金，具体材料为退火态2024铝合金板，厚度为7mm。搅拌摩擦焊接参数为：焊接前进速度为200mm/min，焊接旋转速度为1000rpm；圆形板坯直径为2700mm，1条焊缝位于板坯对称轴。采用直径为2250mm的平底圆柱形刚性模具，且所述模具包括凸模3-3、凹模3-1、压边圈3-2，其中凹模3-1内预置冷却室3-4。具体步骤如下：
第一步：将所述2024铝合金拼焊板4放置在所述模具上，使所述焊缝区4-2位于所述凹模冷却室3-4的上方；
第二步：用所述冷却剂充入所述凹模冷却室3-4，使所述凹模冷却室3-4的温度冷却至-172℃；
第三步：将所述压边圈3-2和所述凸模3-3合模，所述压边圈3-2施加3mpa的单位压力，通过所述第一控制阀1-1和所述第二控制阀1-2调控冷却剂流量，当所述2024铝合金拼焊板4焊缝区4-2的温度达到-172℃，同时所述母材区4-1的温度高于-142℃时，所述凸模3-3下行施加拉深力，使所述2024铝合金拼焊板4发生拉深变形，成形为2024铝合金拼焊板平底圆筒形件；
第四步、将所述凸模3-3、所述压边圈3-2和所述凹模3-1分开，取出所述2024铝合金拼焊板平底圆筒形件，完成2024铝合金拼焊板平底圆筒形构件7冷冻成形。
所述冷却剂为一种超低温冷却介质，可以为液氮或液氦中的一种。
本实施例利用焊缝区塑性和强度高于母材区的特点，采用超低温下铝合金拼焊板差温成形，可以避免焊缝区变形量大导致的开裂问题；本实施例成形的铝合金拼焊板平底圆筒形件不会产生内部微观组织损伤，超低温下成形对组织性能基本没有改变，成形后恢复原始组织状态；本实施例的铝合金拼焊板平底圆筒形件冷冻成形过程拼焊板和模具的工作表面形成冰冻润滑层，可降低板材流动的摩擦阻力，降低成形力，大幅降低成形装备吨位和造价。
实施例3：
请参见图5、图6和图7所示，
图5本发明实施例4铝合金fsw拼焊板冷冻成形半球形件初始状态的示意图；
图6是本发明实施例4铝合金fsw拼焊板冷冻成形半球形件结束状态的示意图；
图7是本发明实施例4中铝合金fsw拼焊板冷冻成形的半球形件的结构图。
本实施例提供一种铝合金fsw拼焊板半球形构件冷冻成形方法，其中铝合金板为al-cu-mn合金，具体材料为退火态2219铝合金板，厚度为8mm。搅拌摩擦焊接参数为：焊接前进速度为300mm/min，焊接旋转速度为800rpm。圆形板坯直径为4200mm，2条焊缝分别位于距离板坯对称轴1750mm的两侧，采用直径为3350mm的半椭球形刚性模具，且所述模具包括凸模3-3、凹模3-1、压边圈3-2，其中凹模3-1内预置冷却室3-4。具体步骤如下：
第一步：将所述铝合金拼焊板4固溶处理，固溶采用箱式加热炉加热至535℃，所述铝合金拼焊板4放入后保温45分钟，取出后快速水淬；
第二步：将所述2219铝合金拼焊板4放置在所述模具上，使所述焊缝区4-2位于所述凹模冷却室3-4的上方；
第三步：用所述冷却剂充入所述凹模冷却室3-4，使所述凹模冷却室3-4的温度冷却至-180℃；
第四步：将所述压边圈3-2和所述凸模3-3合模，所述压边圈3-2施加3mpa的单位压力，通过所述第一控制阀1-1和所述第二控制阀1-2调控冷却剂流量，当所述2219铝合金拼焊板4焊缝区4-2的温度达到-180℃，同时所述母材区4-1的温度高于-150℃时，所述凸模3-3下行施加拉深力，使所述2219铝合金拼焊板4发生拉深变形，成形为2219铝合金拼焊板半球形件；
第五步、将所述凸模3-3、所述压边圈3-2和所述凹模3-1分开，取出所述2219铝合金拼焊板半球形件，完成2219铝合金拼焊板半球形构件7冷冻成形；
第六步：对所述铝合金拼焊板薄壁构件7进行人工时效处理，把所述2219铝合金拼焊板半球形件放入时效炉中，在175℃下保温18小时后取出空冷至室温。
所述冷却剂为一种超低温冷却介质，可以为液氮或液氦中的一种。
本实施例利用焊缝区塑性和强度高于母材区的特点，采用超低温下铝合金拼焊板差温成形，可以避免焊缝区变形量大导致的开裂问题；本实施例成形的铝合金拼焊板半球形件不会产生内部微观组织损伤，超低温下成形对组织性能基本没有改变，成形后恢复原始组织状态；本实施例的铝合金拼焊板半球形件冷冻成形过程拼焊板和模具的工作表面形成冰冻润滑层，可降低板材流动的摩擦阻力，降低成形力，大幅降低成形装备吨位和造价。
实施例4：
本实施例提供一种铝合金fsw拼焊板半球形构件冷冻成形方法，与实施例3的不同之处在于，其中铝合金板为al-mg-si合金，具体材料为淬火态6016铝合金板，厚度为6mm。搅拌摩擦焊接参数为：焊接前进速度为400mm/min，焊接旋转速度为1200rpm。圆形板坯直径为4200mm，2条焊缝分别位于距离板坯对称轴1750mm的两侧，采用直径为3350mm的半椭球形刚性模具，且所述模具包括凸模3-3、凹模3-1、压边圈3-2，其中凹模3-1内预置冷却室3-4。具体步骤如下：
第一步：将所述6016铝合金拼焊板4放置在所述模具上，使所述焊缝区4-2位于所述凹模冷却室3-4的上方；
第三步：用所述冷却剂充入所述凹模冷却室3-4，使所述凹模冷却室3-4的温度冷却至-160℃；
第四步：将所述压边圈3-2和所述凸模3-3合模，所述压边圈3-2施加3mpa的单位压力，通过所述第一控制阀1-1和所述第二控制阀1-2调控冷却剂流量，当所述6016铝合金拼焊板4焊缝区4-2的温度达到-160℃，同时所述母材区4-1的温度高于-130℃时，所述凸模3-3下行施加拉深力，使所述6016铝合金拼焊板4发生拉深变形，成形为6016铝合金拼焊板半球形件；
第五步、将所述凸模3-3、所述压边圈3-2和所述凹模3-1分开，取出所述6016铝合金拼焊板半球形件，完成6016铝合金拼焊板半球形构件7冷冻成形；
第六步：对所述铝合金拼焊板薄壁构件7进行人工时效处理，把所述6016铝合金拼焊板半球形件放入时效炉中，在175℃下保温20min后取出空冷至室温。
所述冷却剂为一种超低温冷却介质，可以为液氮或液氦中的一种。
本实施例利用焊缝区塑性和强度高于母材区的特点，采用超低温下铝合金拼焊板差温成形，可以避免焊缝区变形量大导致的开裂问题；本实施例成形的铝合金拼焊板半球形件不会产生内部微观组织损伤，超低温下成形对组织性能基本没有改变，成形后恢复原始组织状态；本实施例的铝合金拼焊板半球形件冷冻成形过程拼焊板和模具的工作表面形成冰冻润滑层，可降低板材流动的摩擦阻力，降低成形力，大幅降低成形装备吨位和造价。
实施例5
请参见图8、图9和图10所示，
图8是本实施例中铝合金fsw拼焊板冷冻成形几字形件初始状态的示意图；
图9是本实施例中铝合金fsw拼焊板冷冻成形几字形件结束状态的示意图；
图10是本实施例中铝合金fsw拼焊板冷冻成形的几字形件的结构图。
本实施例提供一种铝合金fsw拼焊板几字形构件冷冻成形方法，其中铝合金板为al-cu-li合金，具体材料为退火态2195铝合金板，厚度为2mm。搅拌摩擦焊接参数为：焊接前进速度为200mm/min，焊接旋转速度为1000rpm。矩形板坯尺寸为长1200mm×宽600mm，3条焊缝分别位于板坯宽度方向的对称轴中心、以及距离对称轴200mm的两侧，采用长1200mm、宽300mm、高300mm的刚性模具，且所述模具包括凸模3-3、凹模3-1、压边圈3-2，其中凹模3-1内预置冷却室3-4。具体步骤如下：
第一步：将所述2195铝合金拼焊板4放置在所述模具上，使所述焊缝区4-2位于所述凹模冷却室3-4的上方；
第二步：用所述冷却剂充入所述凹模冷却室3-4，使所述凹模冷却室3-4的温度冷却至-196℃；
第三步：将所述压边圈3-2和所述凸模3-3合模，所述压边圈3-2施加3mpa的单位压力，通过所述第一控制阀1-1和所述第二控制阀1-2调控冷却剂流量，当所述2195铝合金拼焊板4焊缝区4-2的温度达到-196℃，同时所述母材区4-1的温度高于-150℃时，所述凸模3-3下行施加拉深力，使所述2195铝合金拼焊板4发生拉深变形，成形为2195铝合金拼焊板几字形件；
第四步、将所述凸模3-3、所述压边圈3-2和所述凹模3-1分开，取出所述2195铝合金拼焊板几字形件，完成2195铝合金拼焊板几字形构件7冷冻成形。
所述冷却剂为一种超低温冷却介质，可以为液氮或液氦中的一种。
本实施例利用焊缝区塑性和强度高于母材区的特点，采用超低温下铝合金拼焊板差温成形，可以避免焊缝区变形量大导致的开裂问题；本实施例成形的铝合金拼焊板几字形件不会产生内部微观组织损伤，超低温下成形对组织性能基本没有改变，成形后恢复原始组织状态；本实施例的铝合金拼焊板几字形件冷冻成形过程拼焊板和模具的工作表面形成冰冻润滑层，可降低板材流动的摩擦阻力，降低成形力，大幅降低成形装备吨位和造价。
实施例6
本实施例提供一种铝合金fsw拼焊板平底筒形构件冷冻成形方法，与实施例1的区别之处在于所述铝合金板为al-zn-mg-cu合金，具体材料为时效态7075铝合金板，厚度为6.5mm。搅拌摩擦焊接参数为：焊接前进速度为300mm/min，焊接旋转速度为800rpm；圆形板坯直径为2700mm，1条焊缝位于板坯对称轴。采用直径为2250mm的平底圆柱形刚性模具，且所述模具包括凸模3-3、凹模3-1、压边圈3-2，其中凹模3-1内预置冷却室3-4。具体步骤如下：
第一步：将所述7075铝合金拼焊板4放置在所述模具上，使所述焊缝区4-2位于所述凹模冷却室3-4的上方；
第二步：用所述冷却剂充入所述凹模冷却室3-4，使所述凹模冷却室3-4的温度冷却至-180℃；
第三步：将所述压边圈3-2和所述凸模3-3合模，所述压边圈3-2施加3mpa的单位压力，通过所述第一控制阀1-1和所述第二控制阀1-2调控冷却剂流量，当所述7075铝合金拼焊板4焊缝区4-2的温度达到-180℃，同时所述母材区4-1的温度高于-150℃时，所述凸模3-3下行施加拉深力，使所述7075铝合金拼焊板4发生拉深变形，成形为7075铝合金拼焊板平底圆筒形件；
第四步、将所述凸模3-3、所述压边圈3-2和所述凹模3-1分开，取出所述7075铝合金拼焊板平底圆筒形件，完成7075铝合金拼焊板平底圆筒形构件7冷冻成形。
所述冷却剂为一种超低温冷却介质，可以为液氮或液氦中的一种。
本实施例利用焊缝区塑性和强度高于母材区的特点，采用超低温下铝合金拼焊板差温成形，可以避免焊缝区变形量大导致的开裂问题；本实施例成形的铝合金拼焊板几字形件不会产生内部微观组织损伤，超低温下成形对组织性能基本没有改变，成形后恢复原始组织状态；本实施例的铝合金拼焊板几字形件冷冻成形过程拼焊板和模具的工作表面形成冰冻润滑层，可降低板材流动的摩擦阻力，降低成形力，大幅降低成形装备吨位和造价。
尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换,凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。