一种非均匀筋条分布的钛合金整体壁板制造方法与流程

本发明涉及一种非均匀筋条分布的钛合金整体壁板制造方法，属于激光加工技术领域。

背景技术：

壁板类结构件常见于航空、航天工程应用中，钛合金材料由于其优良的比强度、比刚度、耐腐蚀性和高冲击韧性等优点在薄壁类型的壁板结构中得到广泛应用，常见的如飞机、火箭等飞行器的气动蒙皮。传统的钛合金壁板蒙皮结构一般由蒙皮底板和立筋（长桁与隔框）组成，制造时一般采用蒙皮热成形工艺成形出所需型面，采用电阻点焊或者铆接方式使得蒙皮与立筋连接。这种传统工艺结构简单，制造方便，变形小，型面精度较高。但是这种传统壁板结构由于立筋的双翻边设计，立筋与蒙皮底板贴合处的翻边可使壁板增重在16%以上。采用电阻点焊或者铆接方式的连接，其连接强度仅为满焊的5%-25%，而且会在蒙皮气动面上留下0.3mm~0.5mm的凹坑，破坏了整体壁板的完整性，其电磁辐射效应增大50%以上，严重影响隐身性能。而采用双光束激光焊接制造技术制造的整体壁板可以满足我国新一代战机高强度、高隐身、重量轻等一系列高标准要求，制造的双光束焊接壁板强度高，重量轻，蒙皮气动面无损伤。但是由于壁板尺寸巨大可达2m×3m，焊缝数量多可达数十条焊缝，焊缝总长约50m，而且分布不均匀。在制造过程中，大尺寸壁板的整体型面精度、t型接头焊缝处局部型面精度以及四周轮廓边界处型面精度变形规律均不一致，给制造过程带来难以想象的困难。焊接制造完成后，整体壁板型面难以满足设计的要求。以典型的军机上壁板为例，其尺寸达到2.5m×3m，焊缝总长度达到50m，而且其内部长桁与隔框的设计为非对称布局。长桁与隔框在双光束焊接制造过程中，其焊接应力场分布也非均匀分布。因此焊接完成后焊接应力释放，焊缝局部变形以及四周轮廓边界型面精度均为制造难点。

如图1所示，双光束焊接t型接头时，将蒙皮底板6放置于底胎模具7上，立筋5在顶压力f的作用下被压紧在蒙皮底板6的上表面，通过双光束在立筋5与蒙皮底板6接触部位的左右两侧进行焊接，蒙皮底板6会局部会产生角变形，立筋5的左右两侧部位向上翘曲，如图2所示。由于翘曲变形位于立筋5的位置，局部刚性大，采用热处理校形方法无法校正该变形，因此影响壁板的局部型面精度。在焊接完成后，通过热处理消除焊接残余应力。零件在热处理时会有一定的回弹，例如钛合金材料的热成形回弹量在0.3%~0.6%左右。对于双光束焊接壁板进行热处理保形处理时，对于内部有长桁与隔框的区域由于刚性得到加强，不需考虑材料回弹量问题，而对于无长桁与隔框的蒙皮区域，特别是四周边界处由于其刚性最弱，材料回弹量也较大，然而一般热处理工装的上、下型面均按照零件的理论数模进行设计，这就导致热处理后壁板四周轮廓边界型面精度低，难以满足设计要求。

技术实现要素：

因此，本发明的目的在于克服现有技术中在双光束焊缝位置蒙皮会存在一定程度的翘曲变形问题，提供一种可有效消除t型接头的翘曲变形的非均匀筋条分布的钛合金整体壁板制造方法。

为了实现上述目的，本发明的一种非均匀筋条分布的钛合金整体壁板制造方法，在对蒙皮底板与立筋进行双光束激光焊接之前，在底胎模具与蒙皮底板之间并位于蒙皮底板与立筋的焊缝下方的位置设置预变形铝箔，所述蒙皮底板在所述预变形铝箔上方的位置形成有向上的拱起变形，将立筋在顶压力的作用下压紧于蒙皮底板的上表面，通过双光束激光对立筋与蒙皮底板进行焊接，焊接完成后取出所述预变形铝箔。

所述预变形铝箔的宽度为10～20mm，长度与焊缝等长，厚度0.3～0.5mm。

本发明的非均匀筋条分布的钛合金整体壁板制造方法，在对壁板进行热处理之前，计算出壁板四周轮廓边缘处的热处理回弹量与回弹角度，根据计算得出的回弹角度将热处理工装的上、下型面设置为与壁板热处理回弹后的边界型面相对应。

所述回弹量h的计算公式为：

h≈l*δk；

所述回弹角度α的计算公式为：

，其中l为立筋与壁板轮廓边缘之间的距离，δk为壁板材料的回弹系数。

采用上述技术方案，本发明的非均匀筋条分布的钛合金整体壁板制造方法，通过在焊接之前对蒙皮底板进行预变性控制，能够有效降低t型接头的翘曲变形对壁板的影响，同时根据壁板四周轮廓边缘处的热处理回弹量与回弹角度来修正热处理工装边界型面，将热处理工装的上、下型面设置为与壁板热处理回弹后的边界型面相对应，从而可以有效解决热处理过程中的材料回弹对零件边界尺寸型面精度的影响，对于提高零件边界尺寸型面精度具有指导意义。

附图说明

图1为现有技术中t型接头焊接前蒙皮底板与立筋的示意图。

图2为现有技术中t型接头焊接后的蒙皮底板局部变形的示意图。

图3为本发明中t型接头焊接前蒙皮底板与立筋的示意图。

图4为本发明中t型接头焊接后蒙皮底板与立筋的示意图。

图5为壁板边缘处的热处理回弹的示意图。

图6为壁板边缘处热处理回弹量的标示图。

图7为热处理工装的示意图。

图中：5、立筋；6、蒙皮底板；7、底胎模具；8、预变形铝箔；9、热处理回弹后的壁板轮廓边缘；91、热处理回弹前的壁板轮廓边缘；11、上模体；12、下模体；13、模具边界。

具体实施方式

以下通过附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

如图所示，本实施例提供一种非均匀筋条分布的钛合金整体壁板制造方法，包括：

第一步，采用2.0mm厚的tc4钛合金板材作为蒙皮底板材料，采用1.5mm厚的tc4钛合金板材作为长桁与隔框的母材。采用热成形技术，将蒙皮底板成形出所需三维型面。

第二步，在双光束激光焊接长桁与隔框前，在底胎模具7与蒙皮底板6之间并位于蒙皮底板与立筋5的焊缝下方的位置设置预变形铝箔8，所述蒙皮底板在所述预变形铝箔上方的位置形成有向上的拱起变形，所述预变形铝箔的宽度为10～20mm，长度与焊缝等长，厚度0.3～0.5mm，如图3所示。预制完箔带后，采用正常的焊接装配工艺对长桁与隔框进行装配，然后实施双光束焊接。焊接完成后，利用检验型胎对零件气动型面进行检测，检测焊接后气动面角变形情况。

第三步，在对壁板进行热处理之前，计算出壁板四周轮廓边缘处的热处理回弹量与回弹角度；

所述回弹量h的计算公式为：

h≈l*δk；

所述回弹角度α的计算公式为：

，其中l为立筋与壁板轮廓边缘之间的距离，δk为壁板材料的回弹系数（钛合金600℃~750℃回弹量可以按照0.3%~0.6%计算），如图5、6所示，可计算得到回弹角度α近似为1.719°～3.438°

根据计算得出的回弹角度将热处理工装的上、下模体11、12的上、下型面设置为与壁板热处理回弹后的边界型面相对应，即对热处理工装边界型面进行修改即按照理论型面角度减小1.9°计算，铣削模具型面时在模具边界13位置按照理论值的减小1.9°加工。模具加工完成，将零件安装在热处理模具上，选取钛合金真空去应力热处理制度，对零件进行去应力校形，完成后利用检验型胎对零件的型面贴模度进行检测，钛合金整体壁板整体型面精度，焊缝处局部型面，四周轮廓边界处型面精度均满足误差量小于0.3mm的要求。

显然，上述实施例仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。