一种激光冲击实现高精度预成形的辅助蠕变时效成形方法

1.本发明涉及有色金属构件成形制造技术领域，具体涉及到一种激光冲击实现高精度预成形的辅助蠕变时效成形方法，特别适用于高精度复杂曲率且带有加筋结构的零件成形。


背景技术：

2.为了适应现代航空航天领域快速高质量发展的需求，“高载荷、长航程”成了新一代航空产品的特点。在新的需求背景下，航空航天产品朝着大型化、整体化发展，为此，航空航天制造业对航空产品进行了轻量化设计，广泛使用铝合金作为制造航空器零部件的材料。为了提高零部件的强度、可靠性以及实现良好的气动布局，航空航天设备结构件中大量使用了具有复杂曲率的大型加筋薄壁构件，且要求成形精确。针对上述构件的结构特点，技术人员开发了蠕变时效成形工艺用于该类加筋薄壁构件的成形制造。蠕变时效成形工艺是利用材料在高温高压环境下发生蠕变变形的特性，对构件进行成形的同时实现时效强化，达到形性协同精确制造的目的，如今已发展成为航空航天大型薄壁构件制造成形的关键技术之一。
3.新形势下的航空器构件存在形状复杂、尺寸大、壁薄以及加筋等特点，为蠕变时效成形工艺带来了新的挑战和难题。针对上述大型复杂曲率加筋薄壁构件在蠕变时效成形过程存在蠕变量低下、回弹量大等问题，最终造成构件成品型面欠弯的情况，一般先对构件板料进行局部(难成形的部位)滚弯预成形，再对局部预成形后的构件进行蠕变时效成形以获得较佳的成形型面。
4.滚弯会使构件板料局部发生塑性变形，改善构件在后续蠕变时效成形中因蠕变量不足造成的欠弯状况，同时引入大量的位错，提高该滚弯区域在后续蠕变时效成形过程中的蠕变量，以期实现型面的精确成形。由于滚弯设备受限于工作原理，使用滚弯工艺进行预成形存在以下问题：
5.(1)一般只针对平板构件进行滚弯，且只能滚弯成形单曲型面，且成形后的构件会存在回弹现象，影响滚弯成形的精度。
6.(2)针对双曲型面的成形需求，一般通过在构件进行滚弯时向待滚弯部位塞填数量不等的同类金属板以实现型面双曲的目的，但由于滚弯往往是基于经验完成，因此成形效果较差，不能令人满意，同时由于塞垫金属板会导致构件局部存在突变、变形不连续等问题，并且局部会引入损伤可导致裂纹的产生，最终会使得构件在经过后续蠕变时效成形后依然存在相同的问题，严重影响构件的成形精度和性能，且针对更为复杂的型面，滚弯工艺则更加无法应对。
7.(3)当构件板料存在较多加强筋时，若想对其进行滚弯预成形，一般需要对加强筋围成的区域进行硅胶充填使其成为“平板”构件。由于硅胶和铝合金构件材料属性的差别，容易造成硅胶挤压使筋条局部产生较大应力出现根部裂纹或者自由端扭曲。其次，铝合金构件加筋和不加筋部位由于其结构的不同，易出现不同方向的变形不协调，造成不加筋部
位出现“橘皮”起皱现象，进而引起筋条部位出现变形，严重影响后续蠕变时效成形后型面的成型精度。
8.(4)在对构件板料进行局部滚弯时，无法针对构件待滚弯部位结构特征的变化(壁厚是否均匀、是否加筋以及曲率变化趋势等)分区域或方向调整挤压力以使滚弯后型面成为连续、渐变且光顺的高质量曲面，进而影响构件蠕变时效成形后的型面质量。
9.(5)滚弯使构件板料局部发生塑性变形的同时会导致晶粒沿滚弯变形方向伸长为扁平晶粒，使晶粒发生择优取向，进而形成织构。变形量越大，织构越强，使构件滚弯区域呈现明显的各向异性，严重影响预成形后型面的精度和力学性能，降低该区域的实际承载力。此外，滚弯可能引起的局部微裂纹和缺陷也会进一步增强各向异性。
10.综上所述，现有的滚弯预成形工艺已经不能满足大型、薄壁和加筋铝合金构件蠕变时效高质量成形的制造要求。因此，亟需针对大型铝合金复杂曲率加筋薄壁构件提出一种能够对预成形过程进行精准控制，实现高精度预成形的新方法以辅助蠕变时效进行精确成形。


技术实现要素：

11.本发明提供了一种激光冲击实现高精度预成形的辅助蠕变时效成形方法，以解决背景技术中提出的大型复杂曲率加筋薄壁构件蠕变时效成形方案中用于辅助的预成形工艺无法精准控制预成形过程和实现精确预成形的问题。本发明通过使用激光对构件局部区域进行冲击，引入位错的同时实现精确预成形，为构件后续实现蠕变时效高精度成形提供良好的型面基础。
12.本发明是通过如下技术方案予以实现的。
13.一种激光冲击实现高精度预成形的辅助蠕变时效成形方法，包括以下步骤：
14.s1：获得大尺寸铝合金加筋薄壁构件材料在不同应力和温度下蠕变量随时间的变化数据，选择一定温度下的蠕变数据建立本构模型，结合有限元软件建立构件尺度的蠕变时效过程仿真模型，得到需预成形区域及其欠弯量分布数据；
15.s2：根据s1步骤得到的需预成形区域及其欠弯量分布数据，获得预成形型面；
16.s3：根据s2步骤得到的预成形型面，选择硬质橡胶材料对其加工，得到具有预成形型面的预成形模具；
17.s4：根据s1步骤得到的需预成形区域，在大尺寸铝合金加筋薄壁构件板料上标记相应区域，将构件板料置于s3步骤得到的预成形模具上，使构件待预成形区域与预成形模具型面对应，再在构件待预成形区域上铺设约束层和能量吸收层；
18.s5：根据构件板料加筋情况及预成形型面的曲率变化情况对激光冲击装置进行参数设置，对构件待预成形区域进行激光冲击，完成预成形；
19.s6：将透气毡包裹固定在s5步骤得到的构件上，随后将构件置于真空袋与成形模具型面之间形成的密闭空间内；
20.s7：对密闭空间抽真空，之后将成形模具送入热压罐设备进行蠕变时效过程，完成后构件慢慢回弹，获得最终的目标型面。
21.优选的，构件厚度为3-5mm。
22.优选的，s1中，大尺寸铝合金加筋薄壁构件材料在不同应力和温度下蠕变量随时
间的变化数据是通过采用大尺寸铝合金加筋薄壁构件材料制成的试样进行蠕变时效基础实验获得。
23.优选的，s1中，通过有限元软件建立构件尺度的蠕变时效过程仿真模型的方法为：添加实际成形制造过程的模具型面和热压罐工作参数作为边界条件，工作参数包括压强、温度、时间，获得成形后的型面仿真结果。
24.优选的，s2中，预成形型面获得方法为：将所述需预成形区域的欠弯量分布数据，导入三维软件进行处理，得到由欠弯量形成的曲面，即预成形型面。
25.优选的，s3中，预成形模具的制作方法为：将预成形型面的区域边界尺寸向外扩大10cm，根据扩后的尺寸加工一块厚度超过预成形型面纵深2cm以上的硬质橡胶块，将预成形型面数模导入数控机床，对硬质橡胶块进行加工，获得模具。
26.优选的，s4中，约束层为流水，能量吸收层为黑漆。
27.优选的，s5中，工作参数包括电流大小、占空比、脉冲频率、激光波长、扫描速率、光斑直径、光斑搭接率、激光功率、冲击路径、激光能量和冲击次数。
28.优选的，s6中，将构件置于真空袋与成形模具型面之间形成的密闭空间内的操作为：在成形模具周边粘贴一圈高温胶，并用真空袋铺放在构件上，真空袋周边通过高温胶与成形模具边缘紧密粘合，构件处于真空袋与成形模具型面之间形成的密闭空间内。
29.优选的，s7中，蠕变时效过程具体为：先对热压罐内进行加压，达到设定压力后开始升温，升温至设定温度后，保压保温直至完成整个蠕变时效过程。
30.本发明的有益效果是：
31.(1)激光冲击成形是利用激光冲击吸收层，诱导冲击波作用于构件使其发生塑性变形，同时引入残余压应力，达到表面强化效果，属于冷加工范畴，不会对材料产生热影响。
32.(2)激光冲击具有超高能量密度，采用高脉冲能量可以在几十纳秒内产生高达gpa级别的冲击波压力，使构件局部完成塑性变形，其应变率可达106～107s-1
，是常规加工成形方式的百倍甚至更高，可实现全塑性弯曲，冲击后的型面不存在回弹，原理上为精确预成形提供了可行性基础。
33.(3)本发明使用激光冲击工艺并非直接用于将构件直接成形至目标型面，而是针对单一使用蠕变时效成形工艺面对加筋薄壁构件无法实现局部协同变形导致无法满足成形精度的问题使用激光冲击对难成形的局部区域进行预成形处理，为后续蠕变时效成形工艺提前进行一定的变形补偿、提供一个较好的型面基础。
34.(4)通过针对筋条布局以及预成形型面曲率的情况提前进行路径设计和随路径变化的参数设置，能够根据厚度和结构变化施加不同的冲击力，使不同方向和部位的变形达到协同，实现对冲击变形过程的精准控制。
35.(5)基于构件材料蠕变数据构建本构模型，然后通过仿真得到需预成形区域和该区域的欠弯量分布，联合三维软件得到欠弯的曲面，即预成形型面，整个过程均基于严格的材料蠕变测试数据，保证了结果的严谨、可靠和真实，为精确预成形提供了数据和理论支撑。
36.(6)激光冲击使用的模具为硬质橡胶材料，从而避免了激光冲击时薄壁构件与常用金属成形模具碰撞后出现的反向塑性变形，在成形条件上为精确预成形提供了基础。
37.(7)相对于滚弯成形，激光冲击能够提供更高密度的位错，为后续蠕变时效提供更
多的位错滑移量，进而提升蠕变量，减小蠕变后的回弹现象。
38.(8)激光冲击预成形的区域是蠕变难成形的区域，也是蠕变过程中受力最大的区域，易产生微裂纹等缺陷，而激光冲击后的构件表面质量较佳，且表面组织会变得细密，使表面具有更加出色的延展性和抗疲劳性能，因此，激光冲击预成形的型面在后续蠕变时效的过程中能够有效地抑制裂纹的产生及发展，避免出现构件成形后因存在裂纹而报废的风险。
39.(9)针对滚弯变形方向单一易产生织构，使得预成形区域各向异性明显的弊端，激光冲击通过在待预成形区域规划合理的冲击路径及冲击次数，明显使使该区域的晶粒细化，抑制了成形过程中晶粒的择优取向，能够有效减弱各向异性。
附图说明
40.图1为本发明中构件板料激光冲击预成形示意图。
41.图2为本发明针对加筋构件激光冲击路径的规划示意图。
42.图3为本发明激光冲击路径对构件板料冲击区域微观组织的影响示意图。
43.图4为本发明激光冲击次数对冲击区域微观组织的影响示意图。
44.图5为本发明激光冲击预成形-蠕变时效工艺后构件。
45.图6为滚弯预成形-蠕变时效工艺后构件。
46.图中：1-激光冲击设备；2-构件板料；3-水管；4-预成形模具；5-黑漆层；6-预成形模具型面。
具体实施方式
47.下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。所描述的实施例仅起到解释性作用，不应对本发明起到限制性作用。
48.一种激光冲击实现高精度预成形的辅助蠕变时效成形方法，包括以下步骤：
49.s1：用大尺寸铝合金加筋薄壁构件材料制成的试样进行蠕变时效基础实验，得到构件材料在不同应力和温度下蠕变量随时间的变化数据，选择合适温度下的蠕变数据利用数学软件拟合并建立基于蠕变实验数据的本构模型，通过有限元软件建立构件尺度的蠕变时效过程仿真模型，添加实际成形制造过程的模具型面和热压罐工作工艺参数(压强1-2mpa、温度160-180℃以及时间1-10h)作为边界条件，获得成形后的型面仿真结果。通过与产品要求的目标型面进行对比，得到仅依靠蠕变时效成形工艺要精确成形至目标型面需要进行预成形的区域(需预成形区域)以及需要弥补的欠弯量。
50.其中，构件不限于平板，构件加筋形式可以多变，同时构件曲率也不限于单曲。构件厚度为3-5mm。
51.其中，数学软件，例如matlab，mathematica，maple等。有限元软件，例如ansys、marc、comsol等。
52.s2：针对s1步骤得到的需预成形区域及其欠弯量分布数据，提取该区域的欠弯量分布数据，导入三维软件对其进行处理，得到由欠弯量形成的曲面(预成形型面)。其中，三
维软件，例如proe、solidworks、ug等。
53.s3：根据s2步骤得到的预成形型面，将其区域边界尺寸再向外扩大10cm，根据扩后的尺寸加工一块较厚度超过预成形型面纵深2cm以上的硬质橡胶块，将s2步骤得到的预成形型面数模导入数控机床，对硬质橡胶块进行加工获得一个内凹面为预成形型面的预成形模具。
54.s4：根据s1步骤得到的需预成形区域，在大尺寸铝合金加筋薄壁构件板料上标记相应区域，将构件板料置于s3步骤得到的预成形模具上，使构件待预成形区域与预成形模具型面对应，再在构件待预成形区域上铺设约束层(流水)和能量吸收层(黑漆)。
55.s5：根据构件加筋情况以及预成形型面曲率变化情况对激光冲击装置进行参数设置，包括电流大小、占空比、脉冲频率、激光波长、扫描速率、光斑直径、光斑搭接率、激光功率、冲击路径、激光能量和冲击次数，之后对构件待预成形区域进行激光冲击，实现精确预成形。
56.根据构件加筋情况以及预成形型面曲率变化情况提前进行路径设计和随路径变化的参数设置，能够根据厚度和结构变化的施加不同的冲击力。区别于滚弯成形，激光冲击可以针对加筋部位通过提高冲击次数、加大冲击能量以及改变光斑直径等使其获得与未加筋区域匹配的变形量，在技术上保证了精确预成形的可行性。
57.s6：将s5步骤得到的构件用透气毡完全包裹，并用高温胶带使透气毡固定在构件上。随后放置于成形模具上，调整好构件在成形模具上的位置，在成形模具周边粘贴一圈高温胶，并使用真空袋铺放在构件上，真空袋周边通过高温胶与成形模具周边紧密粘合，使构件处于真空袋和成形模具型面之间形成的密闭空间内，将真空嘴放入真空袋内同时使用高温胶对其周围进行密封。
58.s7：将s6步骤准备好的成形模具送入热压罐设备，通过真空管连接真空嘴对真空袋抽真空，迫使构件在真空压力下向成形模具型面贴合，随后设定好热压罐工艺参数后启动热压罐先对罐体内进行加压，达到设定压力后开始升温，升温至设定温度后，保压保温直至完成整个蠕变时效过程。其中，预成形模具表示激光冲击所需要的模具，成形模具表示最终目标型面所需要的模具。
59.s8：完成整个蠕变时效过程后，热压罐开始卸载、降温，然后打开罐门，拉出成形模具，将真空袋、透气毡以及真空嘴拆掉，构件慢慢回弹，回弹后的构件型面即最终的目标型面。
60.实施例：
61.构件采用厚度为8mm的2xxx系铝合金冷轧而后车铣减薄的加筋板(十字加筋板)，具体尺寸为1500mm*800mm，筋条高5mm，筋条宽5mm，其余部分厚3mm。模具外尺寸为2000mm*1500mm*500mm，底座材料为q235，型面材料为45#钢，表面粗糙度为ra 1.6，最高工作压力2.0mpa，最高工作温度250℃。热压罐内部有效空间直径为φ2500mm*5000mm。蠕变时效成形温度为180℃，蠕变时效时长为8h，热压罐加压至1.8mpa，升温速率为3～5℃/min，温度波动不超过5℃，加载速率为0.3bar/min。激光冲击的相关参数为：电流大小1000-5000a，占空比50％，脉冲频率1000-1500hz，激光波长1080nm，扫描速率3-5m/s，光斑直径为3-5mm，光斑搭接率为50％，激光功率3-6kw，通过仿真得到构件需冲击变形范围约为200*300mm。图1为构件板料激光冲击预成形示意图，包括激光冲击设备1、构件板料2、水管3、预成形模具4、黑漆
层5、预成形模具型面6。冲击路径见图2，是在目前常用的“十字”加筋形式基础上，再规划冲击路径实现该加筋构件的成形精度要求。激光能量为3-15j。约束层为厚度为3mm的流水，吸收层是厚度为2mm的黑漆层。根据加筋情况设置的激光冲击路径对构件板料冲击区域产生了不同的影响，加筋区结构致密，非加筋区则疏松，见图3。激光冲击区域晶粒细化，且冲击次数越多，细化程度越大，见图4。使用激光冲击进行精确预成形后，构件再次进行蠕变时效后的型面精度得到明显改善，使用激光冲击-蠕变工艺后得到的构件与使用滚弯-蠕变工艺(中心区域存在筋条扭曲和薄壁起皱)得到的构件对比见图5、6。
62.本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本技术权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明申请的保护范围也应当包含这些改动和变型在内。

技术特征：
1.一种激光冲击实现高精度预成形的辅助蠕变时效成形方法，包括以下步骤：s1：获得大尺寸铝合金加筋薄壁构件材料在不同应力和温度下蠕变量随时间的变化数据，选择一定温度下的蠕变数据建立本构模型，结合有限元软件建立构件尺度的蠕变时效过程仿真模型，得到需预成形区域及其欠弯量分布数据；s2：根据s1步骤得到的需预成形区域及其欠弯量分布数据，获得预成形型面；s3：根据s2步骤得到的预成形型面，选择硬质橡胶材料对其加工，得到具有预成形型面的预成形模具；s4：根据s1步骤得到的需预成形区域，在大尺寸铝合金加筋薄壁构件板料上标记相应区域，将构件板料置于s3步骤得到的预成形模具上，使构件待预成形区域与预成形模具型面对应，再在构件待预成形区域上铺设约束层和能量吸收层；s5：根据构件板料加筋情况及预成形型面的曲率变化情况对激光冲击装置进行参数设置，对构件待预成形区域进行激光冲击，完成预成形；s6：将透气毡包裹固定在s5步骤得到的构件上，随后将构件置于真空袋与成形模具型面之间形成的密闭空间内；s7：对密闭空间抽真空，之后将成形模具送入热压罐设备进行蠕变时效过程，完成后构件慢慢回弹，获得最终的目标型面。2.根据权利要求1所述的一种激光冲击实现高精度预成形的辅助蠕变时效成形方法，其特征在于：构件厚度为3-5mm。3.根据权利要求1所述的一种激光冲击实现高精度预成形的辅助蠕变时效成形方法，其特征在于：s1中，大尺寸铝合金加筋薄壁构件材料在不同应力和温度下蠕变量随时间的变化数据是通过采用大尺寸铝合金加筋薄壁构件材料制成的试样进行蠕变时效基础实验获得。4.根据权利要求1所述的一种激光冲击实现高精度预成形的辅助蠕变时效成形方法，其特征在于：s1中，通过有限元软件建立构件尺度的蠕变时效过程仿真模型的方法为：添加实际成形制造过程的模具型面和热压罐工作参数作为边界条件，工作参数包括压强、温度、时间，获得成形后的型面仿真结果。5.根据权利要求1所述的一种激光冲击实现高精度预成形的辅助蠕变时效成形方法，其特征在于：s2中，预成形型面获得方法为：将所述需预成形区域的欠弯量分布数据，导入三维软件进行处理，得到由欠弯量形成的曲面，即预成形型面。6.根据权利要求1所述的一种激光冲击实现高精度预成形的辅助蠕变时效成形方法，其特征在于：s3中，预成形模具的制作方法为：将预成形型面的区域边界尺寸向外扩大10cm，根据扩后的尺寸加工一块厚度超过预成形型面纵深2cm以上的硬质橡胶块，将预成形型面数模导入数控机床，对硬质橡胶块进行加工，获得模具。7.根据权利要求1所述的一种激光冲击实现高精度预成形的辅助蠕变时效成形方法，其特征在于：s4中，约束层为流水，能量吸收层为黑漆。8.根据权利要求1所述的一种激光冲击实现高精度预成形的辅助蠕变时效成形方法，其特征在于：s5中，工作参数包括电流大小、占空比、脉冲频率、激光波长、扫描速率、光斑直径、光斑搭接率、激光功率、冲击路径、激光能量和冲击次数。9.根据权利要求1所述的一种激光冲击实现高精度预成形的辅助蠕变时效成形方法，
其特征在于：s6中，将构件置于真空袋与成形模具型面之间形成的密闭空间内的操作为：在成形模具周边粘贴一圈高温胶，并用真空袋铺放在构件上，真空袋周边通过高温胶与成形模具边缘紧密粘合，构件处于真空袋与成形模具型面之间形成的密闭空间内。10.根据权利要求1所述的一种激光冲击实现高精度预成形的辅助蠕变时效成形方法，其特征在于：s7中，蠕变时效过程具体为：先对热压罐内进行加压，达到设定压力后开始升温，升温至设定温度后，保压保温直至完成整个蠕变时效过程。

技术总结
本发明公开了一种激光冲击实现高精度预成形的辅助蠕变时效成形方法，包括仿真获得需预成形区域及其欠弯量分布数据，得到预成形型面，再制作预成形模具；将大尺寸铝合金加筋薄壁构件板料置于预成形模具上进行激光冲击；将透气毡包裹固定在冲击完成的构件上，后将构件置于真空袋与成形模具型面之间形成的密闭空间内；对密闭空间抽真空，之后将成形模具送入热压罐进行蠕变时效过程，完成后构件回弹，获得目标型面。本发明通过使用激光对构件局部区域进行冲击，引入位错的同时实现精确预成形，为构件后续实现蠕变时效高精度成形提供良好的型面基础，适用于高精度复杂曲率且带有加筋结构的大尺寸铝合金薄壁零件成形。结构的大尺寸铝合金薄壁零件成形。结构的大尺寸铝合金薄壁零件成形。


技术研发人员：彭文飞 陈非 蒋镇孺 李贺 张瀚 林龙飞 邵熠羽
受保护的技术使用者：宁波大学
技术研发日：2023.03.16
技术公布日：2023/7/7