铝合金薄壁构件高效超低温成形方法

1.本发明涉及板材成形技术的技术领域，具体地，涉及一种铝合金薄壁构件高效超低温成形方法。


背景技术：

2.铝合金(特别是拉伸强度大于480mpa的高强铝合金)是实现新能源汽车车身轻量化的重要材料，应用于b柱、防撞梁等关键安全结构件具有显著的减重增强优势。这类零件的成形要求铝合金具有较好的成形性，成形后满足高强度要求，并能适应汽车大批量、快节拍的生产模式。高强铝合金室温塑性差，冷成形开裂严重，故通常采用热成形方法，如成形
‑
淬火(hot forming and cold
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die quenching,hfq)一体化工艺。然而，hfq工艺周期长(固溶20～40min，人工时效12～24h)，难以满足快节拍要求。
3.近年来，研究发现铝合金在超低温(<
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100℃)下变形位错由晶界塞积变为晶内均匀扩展，显著提高铝合金的塑性变形能力，具体表现为延伸率和硬化指数双增的现象。目前，奥地利理工学院已将超低温成形工艺应用于5xxx铝合金(不可热处理强化铝合金)，并且成功试制出汽车b柱、发罩等特征件，这为高强铝合金的超低温成形提供了参考。然而，高强铝合金的超低温增塑特性与其初始热处理状态相关。例如图1和图2所示，相比较室温，2219、7075等高强铝合金在退火态(o态)和固溶态(w态)时的超低温延伸率可提升50％以上；但在自然时效态(t4态)和峰值时效态(t6态)的超低温延伸率提升不明显，甚至会出现超低温提前断裂现象。当前根据退火态和固溶态铝合金的超低温增塑特性已发展了相应的成形方法。然而，铝合金在固溶处理后需要立即进行超低温成形，否则自然时效过程会减弱铝合金的超低温增塑特性，这对固溶态铝合金板的存放和运输提出了更高要求；另一方面，为了满足高强度服役性能要求，固溶态铝合金板超低温成形后还需要进行长时间的人工时效(12
‑
24h)，而退火态铝合金板超低温成形后需要重新固溶处理(20～40min)和人工时效处理(12～24h)，生产效率低，无法满足快节拍要求。
4.公开号为cn110605321a的中国发明申请文件公开了一种铝合金薄壁构件超低温成形方法，该方法以铝合金退火态板材为原料，用冷却剂使铝合金板冷却至
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190
±
10℃，预成形后进行固溶和淬火处理，再次冷却至
‑
190
±
10℃后完成终成形。该方法能够扩大铝合金薄壁构件成形调控窗口，降低构件材料内部损伤形成微裂纹的风险，有利于复杂薄壁构件成形精度实现以及构件性能的提升。
5.针对上述中的现有技术，发明人认为现有冷、热以及超低温成形技术均难以同时满足高强铝合金车身薄壁构件“成形性、高强度以及快节拍”三方面的要求，这三方面成为高强铝合金应用于车身薄壁构件的瓶颈难题。


技术实现要素：

6.针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种铝合金薄壁构件高效超低温成形方法。
7.根据本发明提供的一种铝合金薄壁构件高效超低温成形方法，包括如下步骤：
8.步骤1：通过预时效工艺定制铝合金板；
9.步骤2：将定制的所述铝合金板置于冷却介质中浸泡5min～15min；
10.步骤3：将浸泡后的所述铝合金板转移至模具上进行成形，得到铝合金薄壁构件；
11.步骤4：将成形后的所述铝合金薄壁构件进行处理，最终获得目标零件。
12.优选的，所述步骤1中的预时效工艺包括：预时效温度为80℃～200℃，预时效时间为5min～12h。
13.优选的，所述步骤2中的冷却介质包括液氩、液氮和液氦。
14.优选的，所述步骤3中的模具包括室温模具和低温模具，所述低温模具的温度小于
‑
100℃。
15.优选的，所述步骤3中的低温模具采用的冷却手段包括液氮浸泡冷却、液氮喷淋冷却和流道冷却。
16.优选的，所述步骤3中的低温模具采用的冷却方式包括整体冷却和局部冷却。
17.优选的，所述步骤4包括：将成形后的所述铝合金薄壁构件进行烘烤或者二级人工时效处理。
18.优选的，所述步骤4中的二级人工时效处理包括：二级人工时效温度为80℃～200℃，二级人工时效时间为5min～12h。
19.优选的，所述铝合金板的材料包括al
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mg
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si合金、al
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cu合金、al
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zn
‑
mg
‑
cu合金和al
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li合金。
20.优选的，所述铝合金板的厚度为0.1mm～20mm。
21.与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
22.1、本发明在超低温成形前，采用预时效工艺定制适合超低温成形的铝合金初始组织，一方面可以避免固溶态铝合金室温存放不稳定的问题，另一方面预时效工艺技术成熟、容易实现，可直接由铝合金板供货厂商完成，无需在零件生产线上增加额外工位和设备；
23.2、本发明利用预时效态铝合金在超低温下具有塑性显著提升的特点实现铝合金薄壁构件的超低温成形，可以有效避免铝合金室温成形性不足的问题；
24.3、本发明铝合金超低温成形后容易形成均匀致密的晶内位错，一方面有利于形成细小致密分布的晶内强化相，提高铝合金的强度性能，另一方面有利于加快强化相的时效析出过程，提高生产效率。因此本发明中铝合金薄壁构件超低温成形后，仅需配合后续烤漆工艺或者通过短时的二级人工时效处理即可保证高强度，满足汽车快节拍生产要求。
附图说明
25.通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
26.图1为不同热处理态的2219高强铝合金在不同温度下的应力应变曲线图；
27.图2为不同热处理态的7075高强铝合金在不同温度下的应力应变曲线图；
28.图3为本发明的铝合金薄壁构件高效超低温成形工艺路线图；
29.图4为本发明预时效态7075高强铝合金在不同温度下的应力应变曲线图；
30.图5为本发明不同超低温预变形量的预时效态7075高强铝合金的烘烤强度对比
图；
32.图6为本发明预时效态2219高强铝合金在不同温度下的应力应变曲线图。
具体实施方式
33.下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
34.本发明实施例1公开了一种铝合金薄壁构件高效超低温成形方法，如图3所示，本发明通过预时效工艺合理定制铝合金初始组织，利用其超低温增塑特性满足成形性，利用预析出第二相和超低温变形位错结合后续烤漆工艺实现快速强化，保证高强度和快节拍。其中铝合金为al
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zn
‑
mg
‑
cu合金，具体材料为7075高强铝合金，板料厚度1.6mm，包括如下步骤：
35.步骤1：通过预时效工艺定制7075高强铝合金的初始组织，将热处理炉的温度设定为475℃，当炉温到达该温度后，将原始板料放入炉中进行固溶处理，时间为35min，固溶完成后立即将板料进行水淬。预时效工艺包括人工时效处理，火完成后将板料放入预时效温度120℃的热处理炉中进行人工时效处理，人工时效时间为预时效时间1h，最后取出板料进行空冷，即获得所需的初始板料。
36.步骤2：将定制的7075高强铝合金浸泡到超低温冷却介质中进行冷却，超低温冷却介质为液氩、液氮或液氦中的一种，浸泡时间为15min。
37.步骤3：将浸泡后的7075高强铝合金板快速转移至模具上进行快速成形，模具包括低温模具和室温模具，低温模具的温度小于
‑
100℃。低温模具采用的冷却手段包括液氮浸泡冷却、液氮喷淋冷却和流道冷却，低温模具采用的冷却方式包括整体冷却和局部冷却。
38.步骤4：成形后将零件送入180℃的烤箱中进行烘烤处理，烘烤时间为20min，烘烤完成后取出零件进行空冷，即完成整个工艺流程。
39.本发明通过预时效工艺合理定制高强铝合金初始组织，利用其超低温增塑特性满足成形性，利用预析出第二相和超低温变形位错结合后续烤漆工艺或二级人工时效实现快速强化，保证高强度和快节拍。
40.相比较t4和t6态，高强铝合金通过预时效(短时人工时效)处理后可显著提高其超低温成形性。例如图4所示，7075高强铝合金通过120℃、1h预时效处理后，超低温延伸率较室温提升55％。另一方面，相比较室温成形，铝合金在超低温下变形容易形成均匀致密的晶内位错，有利于配合后续烤漆工艺或者人工时效实现快速强化，满足“高强度”和“快节拍”要求。例如图5所示，预时效处理(120℃、1h)的7075高强铝合金经过15％超低温预变形，烘烤(180℃，20min)后屈服强度可达t6态，抗拉强度到达t6态的96％。相比较hfq工艺(生产周期12h以上)和固溶态铝合金超低温成形工艺(生产周期12h以上)，本发明提出的高效超低温成形方法仅需30min即可完成铝合金薄壁构件的制造，显著提高生产效率。因此，本发明可以实现高强铝合金薄壁构件的成形。
41.本发明实施例2还公开了一种高强铝合金薄壁构件高效超低温成形方法，与实施例1的不同之处在于，本发明通过预时效工艺合理定制高强铝合金初始组织，利用其超低温
增塑特性满足成形性，利用预析出第二相和超低温变形位错结合后续二级人工时效实现快速强化，保证高强度和快节拍。其中铝合金为al
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cu合金，具体材料为2219高强铝合金，板料厚度2.0mm，如图3所示，该方法包括如下步骤：步骤1：通过预时效工艺定制2219高强铝合金的初始组织，将热处理炉的温度设定为535℃，当炉温到达该温度后，将原始板料放入炉中进行固溶处理，时间为35min，固溶完成后立即将板料进行水淬，淬火完成后将板料放入190℃的热处理炉中进行人工时效处理，人工时效时间为20min，最后取出板料进行空冷，即获得所需的初始板料。例如图6所示，2219高强铝合金通过190℃、20min预时效处理后，超低温延伸率较室温提升30％。
42.步骤2：将定制的2219高强铝合金浸泡到盛有液氮的液氮槽中进行冷却，浸泡时间为15min。
43.步骤3：将浸泡后的2219高强铝合金板快速转移至低温模具上进行快速成形，其中模具温度为
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180℃。
44.步骤4：成形后将零件送入二级人工时效温度为190℃的烤箱中进行二级人工时效处理，二级人工时效时间为30min，时效完成后取出零件进行空冷，即完成整个工艺流程。
45.在本技术的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术的限制。
46.以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本技术的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。