一种消除超塑成形/扩散连接四层结构表面沟槽的方法

摘要

一种消除超塑成形/扩散连接四层结构表面沟槽的方法，①选取成形超塑成形/扩散连接四层结构的板材厚度；②在选取的板材上加工出成形超塑成形/扩散连接四层结构时的进气口；③将加工出进气口的板材焊接成为一个整体，并在进气口处焊接进气管；④将焊有进气管的整体板材加热，到一定温度后，向进气管中通气施加背压，直至板材完成扩散连接；⑤再向进气管中通气加压，使板材完成超塑成形。本发明通过施加背压方法成形超塑成形/扩散连接四层结构，可有效避免四层结构在超塑成形/扩散连接过程中的产生沟槽，通过施加背压方法制备的超塑成形/扩散连接四层结构在零件尺寸精度、型面精度、表面质量、加工效率以及制造成本等方面有显著优势。

说明书

技术领域

本发明属于精密钣金加工领域，涉及一种消除超塑成形/扩散连接四层结构表面沟槽的方法。

背景技术

超塑成形/扩散连接工艺是一种轻量化成形技术，其具有低成本、高效率和近无余量等特点，所成形的零件具有结构重量轻、结构完整性好等优点，这对于推动造价日益昂贵的现代飞行器的进一步发展有重要的现实意义。超塑成形/扩散连接四层结构被广泛应用于航空航天领域，该类结构部件产品的整体化、轻量化程度越来越高，制造精度要求也越来越高，对表面质量、加工效率和制造成本要求也越来越苛刻。

超塑成形/扩散连接四层结构在成形过程中极易产生表面沟槽缺陷，严重影响超塑成形/扩散连接四层结构的表面质量和尺寸精度，降低了超塑成形/扩散连接四层结构的加工效率，增加了超塑成形/扩散连接四层结构的制造成本。

发明内容

本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种消除超塑成形/扩散连接四层结构表面沟槽的方法，能消除超塑成形/扩散连接四层结构表面沟槽，有效地保证超塑成形/扩散连接四层结构的表面质量，成形出的超塑成形/扩散连接四层结构零件质量稳定，整体性好，减重效果明显，尺寸精度、型面精度以及表面质量较高，并且成形周期较短，加工成本较低。

本发明要解决的技术问题通过以下方案实现：一种消除超塑成形/扩散连接四层结构表面沟槽的方法，包括步骤如下：

步骤一：选取用于超塑成形/扩散连接四层结构成形的板材厚度，板材从上到下次序叠放，依次是上面层、上芯层、下芯层、下面层；

步骤二：在步骤一中选取的板材上、各层板材之间的对应位置处加工出成形超塑成形/扩散连接四层结构时的进气口；

步骤三：对步骤二中加工出进气口的各层板材进行焊接，保证各层板材之间的进气口位置对应，并在进气口处焊接进气管，各层板材之间形成型腔，各层板材间的进气管与对应的各层板材间的型腔相连；

步骤四、对步骤三中获得的整体板材进行加热，加热到设定的温度后，向上面层、上芯层之间的外腔上进气管和下芯层、下面层之间的外腔下进气管中通气施加背压，对板材继续升温，直至板材完成扩散连接；

步骤五：继续向上芯层、下芯层之间的内腔进气管中通气加压，完成超塑成形，得到最终的超塑成形/扩散连接四层结构。

所述板材材料为钛合金板材。

所述上面层和下面层的板材厚度相同，上芯层和下芯层的板材厚度相同。

所述的上面层和下面层选取板材厚度tm、上芯层和下芯层选取板材厚度tx之间存在关系：tm/tx＝0.5～2。

所述步骤三中，焊接后的各层板材之间形成的进气口包括上面层、上芯层之间的外腔上进气口，上芯层、下芯层之间的内腔进气口，下芯层、下面层之间的外腔下进气口；所述外腔上进气口和外腔下进气口的高度、宽度相同。

所述外腔上进气口和外腔下进气口的高度hw＝α×(tm+tx)；外腔上进气口和外腔下进气口的宽度bw＝β×(tm+tx)；其中，系数α的取值范围为0.3～0.5，系数β的取值范围为1～2。

所述内腔进气口的高度hn＝2×α×tx，内腔进气口的宽度bn＝2×β×tx。

所述步骤三中板材焊接采用手工氩弧焊接，焊接过程中采用氩气保护罩对板材焊缝进行氩气保护。

所述步骤四中，开始施加背压时的温度为600～800℃，施加背压的压力为0.1～0.5MPa。

所述步骤五中，向内腔进气管中通气加压的加压速度为0.01～0.03MPa/min。

本发明相对于现有技术的有益效果：

(1)本发明通过施加背压消除超塑成形/扩散连接四层结构表面沟槽，可有效地保证超塑成形/扩散连接四层结构的表面质量；

(2)本发明制造的超塑成形/扩散连接四层结构质量稳定，整体性好，合格率高；

(3)本发明制造的超塑成形/扩散连接四层结构尺寸精度和型面精度高，无回弹、起皱、开裂等缺陷产生；

(4)本发明制造的超塑成形/扩散连接四层结构成形周期较短，加工成本较低。

附图说明

图1为超塑成形/扩散连接四层结构四层板材叠放示意图；

图2为超塑成形/扩散连接四层结构示意图；

图3为超塑成形/扩散连接四层结构表面沟槽示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作进一步详细说明。

本发明提供一种消除超塑成形/扩散连接四层结构表面沟槽的方法，适用于成形尺寸精度、型面精度以及表面质量要求较高的超塑成形/扩散连接四层结构。

本发明通过施加背压消除超塑成形/扩散连接四层结构表面沟槽的方法，它能消除超塑成形/扩散连接四层结构表面沟槽，有效地保证超塑成形/扩散连接四层结构的表面质量，成形出的超塑成形/扩散连接四层结构零件质量稳定，整体性好，减重效果明显，尺寸精度、型面精度以及表面质量较高，并且成形周期较短，加工成本较低。

本发明要成形的超塑成形/扩散连接四层结构，是由四层板材通过超塑成形/扩散连接工艺成形出的整体，板材从上到下次序叠放，依次是上面层、上芯层、下芯层、下面层，上面层和下面层为光滑流线表面，上芯层和下芯层截面是一个“工字型”结构，上芯层和下芯层形成的“工字型”结构将上面层和下面层支撑起来，起到支撑加强作用，超塑成形/扩散连接四层结构为钛合金金属。

一种消除超塑成形/扩散连接四层结构表面沟槽的方法，包括步骤如下：

步骤一：选取用于超塑成形/扩散连接四层结构成形的板材厚度，板材从上到下次序叠放，依次是上面层1、上芯层2、下芯层3、下面层4；

步骤二：在步骤一中选取的板材上、各层板材之间的对应位置处加工出成形超塑成形/扩散连接四层结构时的进气口；

步骤三：对步骤二中加工出进气口的各层板材进行焊接，保证各层板材之间的进气口位置对应，并在进气口处焊接进气管，各层板材之间形成型腔，各层板材间的进气管与对应的各层板材间的型腔相连；

步骤四、对步骤三中获得的整体板材进行加热，加热到设定的温度后，向上面层1、上芯层2之间的外腔上进气管13和下芯层3、下面层4之间的外腔下进气管11中通气施加背压，对板材继续升温，直至板材完成扩散连接；

步骤五：继续向上芯层2、下芯层3之间的内腔进气管12中通气加压，完成超塑成形，得到最终的超塑成形/扩散连接四层结构。

板材材料为钛合金板材，上面层1和下面层4的板材厚度相同，上芯层2和下芯层3的板材厚度相同。

上面层1和下面层4选取板材厚度tm、上芯层和下芯层选取板材厚度tx之间存在关系：tm/tx＝0.5～2。

步骤三中，焊接后的各层板材之间形成的进气口包括上面层1、上芯层2之间的外腔上进气口8，上芯层2、下芯层3之间的内腔进气口9，下芯层3、下面层4之间的外腔下进气口10；所述外腔上进气口8和外腔下进气口10的高度、宽度相同，外腔上进气口8和外腔下进气口10的高度hw＝α×tm+tx；外腔上进气口8和外腔下进气口10的宽度bw＝β×tm+tx；内腔进气口9的高度hn＝2×α×tx；内腔进气口9的宽度bn＝2×β×tx，其中，系数α的取值范围为0.3～0.5，系数β的取值范围为1～2。

步骤三中板材焊接采用手工氩弧焊接，焊接过程中采用氩气保护罩对板材焊缝进行氩气保护。

步骤四中，开始施加背压时的温度为600～800℃，施加背压的压力为0.1～0.5MPa。

步骤五中，向内腔进气管12中通气加压的加压速度为0.01～0.03MPa/min。

实施例：

以某超塑成形/扩散连接四层结构作为优选方案，其形状尺寸见图1，零件材料为TA15钛合金，长度为30mm，宽度为14mm，上面层与上芯层厚度之和为2mm，下芯层与下面层厚度之和为2mm。

具体的优选方案按如下工艺步骤进行：

第一步，选取成形超塑成形/扩散连接四层结构的板材厚度，板材从上到下次序叠放，依次是上面层1、上芯层2、下芯层3、下面层4，上面层1和下面层4选取板材厚度相同为1mm，上芯层2和下芯层3选取板材厚度相同为1mm；上面层1和下面层4选取板材厚度tm，上芯层2和下芯层3选取板材厚度tx存在关系tm/tx＝1，符合tm/tx＝0.5～2要求。

第二步，在第一步中选取的板材上加工出成形超塑成形/扩散连接四层结构时的进气口，上面层1和上芯层2之间的进气口叫外腔上进气口8，上芯层2和下芯层3之间的进气口叫内腔进气口9，下芯层3和下面层4之间的进气口叫外腔下进气口10；外腔上进气口8和外腔下进气口10高度hw＝α×(tm+tx)＝0.5×(1+1)＝1，外腔上进气口8和外腔下进气口10宽度bw＝β×(tm+tx)＝2×(1+1)＝4；内腔进气口9高度hn＝2×α×tx＝2×0.5×1＝1，内腔进气口9宽度bn＝2×β×tx＝2×2×1＝4。

第三步，将第二步加工出进气口的板材焊接成为一个整体，并在进气口处焊接进气管；首先将上芯层2和下芯层3焊接在一起，上芯层2和下芯层3形成的型腔叫内腔6；然后将上面层1、下面层4与上芯层2、下芯层3焊接在一起，上面层1与上芯层2形成的型腔叫外腔上7，下面层与下芯层形成的型腔叫外腔下5；将进气管与内腔进气口9焊接，使进气管与内腔6相连，与内腔相连的进气管叫内腔进气管12；将进气管与外腔上进气口8焊接，使进气管与外腔上7相连，与外腔上7相连的进气管叫外腔上进气管13；将进气管与外腔下进气口10焊接，使进气管与外腔下5相连，与外腔下5相连的进气管叫外腔下进气管11；板材焊接成为一个整体，采用手工氩弧焊接的方式进行，焊接过程中可采用氩气保护罩对板材焊缝进行氩气保护，如图2所示。

第四步，将第三步焊有内腔进气管12、外腔上进气管13、外腔下进气管11的上面层1、上芯层2、下芯层3、下面层4整体板材加热，到700℃后，向外腔上进气管13和外腔下进气管11中通气施加背压0.1MPa，整体板材继续升温，直至板材完成扩散连接；

第五步，在第四步完成后，再向内腔进气管12中通气加压，加压速度为0.02MPa/min，使上面层1、上芯层2、下芯层3、下面层4整体板材完成超塑成形，得到最终的超塑成形/扩散连接四层结构。

采用此方法制备的超塑成形/扩散连接四层结构尺寸精度为±0.1mm，型面精度±0.3mm，表面粗糙度Ra3.2。比现有技术成本节约20％，效率提高15％，减重10％，可有效消除如图3所示的表面沟槽缺陷。

本发明还有一种优选方案，在步骤一中，上面层1和下面层4选取板材厚度相同为1.2mm，上芯层2和下芯层3选取板材厚度相同为0.8mm；上面层1和下面层4选取板材厚度tm，上芯层2和下芯层3选取板材厚度tx存在关系tm/tx＝1.5，符合tm/tx＝0.5～2要求，可以进一步消除超塑成形/扩散连接四层结构表面缺陷，提高了超塑成形/扩散连接四层结构表面质量，可保证航天飞行器的正常工作。

本发明还有一种优选方案，在步骤四中，焊有内腔进气管12、外腔上进气管13、外腔下进气管11的上面层1、上芯层2、下芯层3、下面层4整体板材加热，到600℃后，向外腔上进气管13和外腔下进气管11中通气施加背压0.3MPa，可以进一步消除超塑成形/扩散连接四层结构表面缺陷，提高了超塑成形/扩散连接四层结构表面质量，效率提高15％。

本发明还有一种优选方案，在步骤五中，向内腔进气管12中通气加压，加压速度为0.015MPa/min，使上面层1、上芯层2、下芯层3、下面层4整体板材完成超塑成形，可以进一步消除超塑成形/扩散连接四层结构表面缺陷，提高了超塑成形/扩散连接四层结构表面质量，合格率提高10％。

本发明未详细说明的部分属于本领域技术人员公知技术。