一种钛合金中空筒体结构件的成形方法与流程

本发明涉及一种钛合金中空筒体结构件的成形方法，属于钛合金成形技术领域。

背景技术：

一种中空筒体结构件，如图4～6所示，整体为四层的圆柱形筒体结构，包括双层带筋筒体、内蒙皮102和外蒙皮103，所述双层带筋筒体包括内筒体100和外筒体101，且内筒体100与外筒体101之间布置有三条纵向加强筋104及十五条周向加强筋105。

中空筒体类零件是航空航天飞行器、航海潜艇用于承载一定气压或液压的关键零件，在服役过程中承受着较大的压力。另外，目前全世界最先进的飞行器及潜艇对结构减重的要求日益苛刻，对零件不仅要求其具有较高的强度，同时要实现轻量化的目标，因此，钛合金是目前最适合实现上述要求的金属材料。但是钛合金冷成形性能较差，常造成钛合金零件发生回弹效应导致实际发生的塑性变形很小，而中空筒体结构件由于具有较多的周向加强筋，致使其结构复杂，需要较大的塑性变形才能实现零件成形，因此对于钛合金中空筒体结构件不能采用冷成形，而现阶段研究表明激光焊接、超塑成形-扩散连接等热成形方法是制造中空筒体类零件较为合适的方法。其中激光焊接作为一种高能束焊具有焊缝深宽比大、热影响区小、焊接变形小等优点，另外激光焊接与电子束焊接相比无需在真空环境中完成焊接，所以对焊缝的尺寸、结构上有着更大的灵活性；超塑成形-扩散连接可实现零件在高温环境下快速一次成形，尤其适合结构复杂难以施焊部位的相互连接。

中空筒体结构件所用材料均是牌号为ta15，厚度为1.0mm的板料，由于板料厚度较薄，导致板料焊接过程中易发生变形，超塑成形-扩散连接过程易发生破裂。而现有技术中尚未有针对上述中空筒体结构件最有效的焊接成形工艺，而现有技术中对于类似的中空筒体类零件的成形工装及作用原理并不适用于上述中空筒体结构件，例如现有技术中有采用胀瓣胀芯结构实现零件成形，但是因胀瓣属分体模具，各胀瓣之间存在间隙，成形后零件表面会有凸起，表面不平整，无法保证成形效果。

技术实现要素：

本发明是为了解决现有的对于中空筒体结构件的冷加工过程中易发生回弹效应，且没有适宜的热加工工艺及成形工装的问题，进而提供了一种钛合金中空筒体结构件的成形方法。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：

一种钛合金中空筒体结构件的成形方法，它包括如下步骤：

步骤一、按照内筒体的尺寸选择对应大小的板料，卷成圆筒形结构后套在焊接工装上，通过激光焊对对接缝进行焊接并打磨焊缝余高，形成内筒体，焊接后的内筒体继续放置在焊接工装上；

步骤二、按照外筒体的尺寸选择对应大小的板料，并卷成圆筒形结构，同轴套设在内筒体外部，通过激光穿透焊在两个圆筒形结构之间焊接出均布的三条纵焊缝及均布的十五条环焊缝，形成连接为一体的双层带筋筒体，然后将其从焊接工装上取下并打磨所有焊缝余高，其中每条环焊缝包括沿内筒体周向均布的若干焊缝段，且每相临两个焊缝段之间均存在间隙；

步骤三、将步骤二中的双层带筋筒体套在胀形工装上，在真空热处理炉中进行热胀形；

步骤四、按照内蒙皮与外蒙皮的尺寸选择对应大小的板料，并分别卷成圆筒形结构，通过激光焊对该步骤中两个圆筒形结构的对接缝分别进行焊接，打磨焊缝余高，形成内蒙皮与外蒙皮；

步骤五、将双层带筋筒体和内、外蒙皮装配至超塑成形-扩散连接工装中并连通气路，然后放入超塑成形-扩散连接设备中，升温并通入惰性气体，在高温高压下，外筒体外壁与外蒙皮内壁之间发生扩散连接，内筒体内壁与内蒙皮外壁之间发生扩散连接，最后冷却至室温后，拆解工装取出零件，最终形成中空筒体结构件，内筒体与外筒体之间的三条纵焊缝及十五条环焊缝即为横纵交替的纵向加强筋与周向加强筋结构。

进一步地，步骤五中所述的超塑成形-扩散连接工装包括上模、下模、内模、外模、紧箍及若干组气路，其中外模同轴套设在内模外部，上模及下模上相对加工有两个环形定位槽，双层带筋筒体和内、外蒙皮同轴置于内模与外模之间，内模与外模形成的筒状结构顶端卡设在上模的环形定位槽内，内模与外模形成的筒状结构底端卡设在下模的环形定位槽内，且上模和下模上均加工有供气路通过的通孔，内筒体与内蒙皮之间上下同轴固设有两个内环法兰，外筒体与外蒙皮之间上下同轴固设有两个外环法兰，且两个内环法兰与两个外环法兰对应位于双层带筋筒体的两端部，若干组气路分别连通至内筒体与外筒体之间、内筒体与内蒙皮之间以及外筒体与外蒙皮之间，所述紧箍套装在外模上。

进一步地，气路的数量共八组，其中一组气路连通至内筒体与内蒙皮之间，另一组气路连通至外筒体与外蒙皮之间，其余六组气路连通至内筒体与外筒体之间且上下对称分布。

进一步地，步骤一及步骤二中所采用的焊接工装包括定位轴、同轴固装在定位轴上的支撑辊及沿支撑辊周向均布的三组压条，其中每组压条中压条的数量为两个，且均沿支撑辊轴向布置，同一组的两个压条之间存在间隙。

进一步地，每个压条均通过若干螺钉固装在支撑辊上。

进一步地，步骤三中所采用的胀形工装，其为圆筒状结构，其顶部加工有配装吊耳。

进一步地，步骤二中外筒体的对接缝与内筒体的对接缝位置径向正对设置，进行三条纵焊缝的焊接时，先采用激光穿透焊将内、外筒体的对接缝位置连接起来，焊接完成后，再将焊接工装进行旋转，在对接缝的两侧各120°的位置实施激光穿透焊，形成三条均布的纵焊缝。

进一步地，步骤四中内蒙皮与外蒙皮各自焊接完成后，分别在内蒙皮的内壁及外蒙皮的外壁涂阻焊剂。

进一步地，步骤五中，通入惰性气体前，将设备升温至890-950℃，惰性气体的通入顺度为：先向内筒体与内蒙皮之间以及外筒体与外蒙皮之间通气，气压为1-3mpa，内蒙皮与外蒙皮发生超塑成形，使得两蒙皮紧贴住超塑成形-扩散连接工装；再向内筒体与外筒体之间通气，气压为1-3mpa，两筒体发生超塑成形，且两筒体分别紧密接触两侧的蒙皮，实现扩散连接。

本发明与现有技术相比具有以下效果：

通过本申请的成形工艺，能够避免钛合金冷加工过程中产生的回弹效应，提高钛合金零件成形效率。

本申请只需要对双层带筋筒体焊接后进行一次胀形即可，与现有技术相比，有效节省工序。

通过本申请的成形方法加工出的中空筒体结构件综合性能优异，其扩散连接强度达母材强度90％以上，焊合率达95％。

附图说明

图1为超塑成形-扩散连接工装的主剖视示意图；

图2为焊接工装的立体结构示意图；

图3为胀形工装的立体结构示意图；

图4为中空筒体结构件的侧视示意图；

图5为图4的a-a向剖视示意图；

图6为图5的p处放大示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1～6说明本实施方式，一种钛合金中空筒体结构件的成形方法，它包括如下步骤：

步骤一、按照内筒体100的尺寸选择对应大小的板料，卷成圆筒形结构后套在焊接工装上，通过激光焊对对接缝进行焊接并打磨焊缝余高，形成内筒体100，焊接后的内筒体100继续放置在焊接工装上；

步骤二、按照外筒体101的尺寸选择对应大小的板料，并卷成圆筒形结构，同轴套设在内筒体100外部，通过激光穿透焊在两个圆筒形结构之间焊接出均布的三条纵焊缝及均布的十五条环焊缝，形成连接为一体的双层带筋筒体，然后将其从焊接工装上取下并打磨所有焊缝余高，其中每条环焊缝包括沿内筒体周向均布的若干焊缝段，且每相临两个焊缝段之间均存在间隙；使得后序进行超塑成形-扩散连接过程中惰性气体顺利的通入内筒体与外筒体之间。

步骤三、将步骤二中的双层带筋筒体套在胀形工装上，在真空热处理炉中进行热胀形；如此设计，目的是消除焊接变形，防止在随后的超塑成形-扩散连接过程中发生受力不均。胀形工艺参数为730-750℃，保温15-30分钟。

步骤四、按照内蒙皮102与外蒙皮103的尺寸选择对应大小的板料，并分别卷成圆筒形结构，通过激光焊对该步骤中两个圆筒形结构的对接缝分别进行焊接，打磨焊缝余高，形成内蒙皮102与外蒙皮103；

步骤五、将双层带筋筒体和内、外蒙皮装配至超塑成形-扩散连接工装中并连通气路6，然后放入超塑成形-扩散连接设备中，升温并通入惰性气体，在高温高压下，外筒体101外壁与外蒙皮103内壁之间发生扩散连接，内筒体100内壁与内蒙皮102外壁之间发生扩散连接，最后冷却至室温后，拆解工装取出零件，最终形成中空筒体结构件，内筒体100与外筒体101之间的三条纵焊缝及十五条环焊缝即为横纵交替的纵向加强筋104与周向加强筋105结构。

通过本申请的成形方法加工出的中空筒体结构件综合性能优异，其扩散连接强度达母材强度90％以上，焊合率达95％。

最佳的温度与压力参数通过试验优化得出，高温范围为890-950℃，高压范围为1-3mpa。

本申请适用于厚度为1.0mm-2.0mm的各种成分钛合金板料的成形。对于不同厚度的钛合金板料，只需在超塑成形-扩散连接的工装设计过程中调整适合的间隙尺寸即可，其工装的结构、形状和组成部分都是相同的。

本申请只需要对双层带筋筒体焊接后进行一次胀形即可，与现有技术相比，有效节省工序。

步骤五中所述的超塑成形-扩散连接工装包括上模1、下模2、内模3、外模4、紧箍5及若干组气路6，其中外模4同轴套设在内模3外部，上模1及下模2上相对加工有两个环形定位槽7，双层带筋筒体和内、外蒙皮同轴置于内模3与外模4之间，内模3与外模4形成的筒状结构顶端卡设在上模1的环形定位槽7内，内模3与外模4形成的筒状结构底端卡设在下模2的环形定位槽7内，且上模1和下模2上均加工有供气路6通过的通孔，内筒体100与内蒙皮102之间上下同轴固设有两个内环法兰11，外筒体101与外蒙皮103之间上下同轴固设有两个外环法兰12，且两个内环法兰11与两个外环法兰12对应位于双层带筋筒体的两端部，若干组气路6分别连通至内筒体100与外筒体101之间、内筒体100与内蒙皮102之间以及外筒体101与外蒙皮103之间，所述紧箍5套装在外模4上。如此设计，通过两个环形定位槽7对内模3和外模4的相对位置进行限位。因采用了一体的内模3与一体的外模4结构，属于依靠模具材料与零件材料本身的热膨胀系数不同而实现成形，与现有技术相比，结构件成形后表面更光滑。超塑成形-扩散连接前，对双层带筋筒体的两端进行焊接，使双层带筋筒体内部封闭，两个内环法兰及两个外环法兰使内筒体与内蒙皮之间以及外筒体与外蒙皮之间形成密封腔，通气前通过在双层带筋筒体的两端、两个内环法兰以及两个外环法兰上开孔，以供气路通过，超塑成形-扩散连接完成后，根据变形程度将中空筒体结构件的两端部切割，得到符合要求的中空筒体结构件。

气路6的数量共八组，其中一组气路6连通至内筒体100与内蒙皮102之间，另一组气路6连通至外筒体101与外蒙皮103之间，其余六组气路6连通至内筒体100与外筒体101之间且上下对称分布。超塑成形-扩散连接工艺是靠温度和气压实现的，将气路均匀分布，保证气压在内部流通时更均匀。

步骤一及步骤二中所采用的焊接工装包括定位轴8、同轴固装在定位轴8上的支撑辊9及沿支撑辊9周向均布的三组压条10，其中每组压条10中压条10的数量为两个，且均沿支撑辊9轴向布置，同一组的两个压条10之间存在间隙。如此设计，三组压条10对应形成的三个间隙作为板料卷圆后对接施焊的位置，同样作为双层筒体之间的三条纵焊熢的施焊位置。

每个压条10均通过若干螺钉固装在支撑辊9上。

步骤三中所采用的胀形工装，其为圆筒状结构，其顶部加工有配装吊耳。如此设计，双层带筋筒体套在此胀形工装上进行一次胀形，以消除焊接变形。

步骤二中外筒体101的对接缝与内筒体100的对接缝位置径向正对设置，进行三条纵焊缝的焊接时，先采用激光穿透焊将内、外筒体的对接缝位置连接起来，焊接完成后，再将焊接工装进行旋转，在对接缝的两侧各120°的位置实施激光穿透焊，形成三条均布的纵焊缝。

步骤四中内蒙皮102与外蒙皮103各自焊接完成后，分别在内蒙皮102的内壁及外蒙皮103的外壁涂阻焊剂。

步骤五中，通入惰性气体前，将设备升温至890-950℃，惰性气体的通入顺度为：先向内筒体100与内蒙皮102之间以及外筒体101与外蒙皮103之间通气，气压为1-3mpa，内蒙皮102与外蒙皮103发生超塑成形，使得两蒙皮紧贴住超塑成形-扩散连接工装；再向内筒体100与外筒体101之间通气，气压为1-3mpa，两筒体发生超塑成形，且两筒体分别紧密接触两侧的蒙皮，实现扩散连接。