一種變形鋁合金結構件成型方法與流程

2023-07-19 04:15:01 2

本發明涉及一種成型方法，具體涉及一種變形鋁合金結構件成型方法，屬於變形鋁合金成型領域技術領域。

背景技術：

鋁合金密度低，但比強度高，塑性好，在一定溫度、速度條件下，施加各種形式外力，可加工成各種型材，具有優良的導電性、導熱性和抗蝕性，工業上廣泛使用，使用量僅次於鋼。變形鋁合金結構件在航空、航天、軍工、汽車、機械製造、船舶及電氣、化學工業等領域已大量應用。目前，變形鋁合金結構件主要採用板材焊接、棒材或厚板鍛造或（和）機械加工等方法。

通過板材焊接得到的鋁合金結構件存在焊縫質量難以控制、受焊縫熱影響強度低40~70%、成品率低及變形難控制等問題；通過棒材或厚板鍛造或（和）機械加工製成的結構件存在原材料利用率低於15%、加工周期長。兩種結構件成型方法製得的結構件都存在內部組織不均勻，晶粒沿著加工方向變形等問題，導致結構件組織和強度各向異性，嚴重影響鋁合金結構件的整體性能，使安定性下降。因此，有必要急需開發一種新的變形鋁合金結構件成型方法。電弧熔絲增材製造是基於離散堆積的成形原理，將構件分解到點、線、面，然後由電弧將金屬絲材熔化，按既定的成形路徑堆積成形每一薄層，層層堆積最終形成三維實體零件的先進位造技術，具有廣泛的應用前景。

技術實現要素：

為克服上述現有技術的缺陷，本發明提供一種變形鋁合金結構件成型方法，該技術方案克服現有變形鋁合金成型技術存在的缺陷，提高變形鋁合金結構件的強度，使結構件內部組織均勻，晶粒細小，無氣孔和夾雜，並提高原材料利用率和成品率。

為了實現上述目的，本發明的技術方案如下：一種變形鋁合金結構件成型方法，其特徵在於，所述成型方法包括以下步驟：1）變形鋁合金絲材製備；2）結構件分層；3）結構件成型。通過本方法製造的結構件，具有原材料利用率高、成品率高、加工餘量小、組織均勻、晶粒細小、力學性能優異且各向均勻、無氣孔及夾雜缺陷等優點，該發明可以滿足「三航」、軍工及高端鋁製品領域對變形鋁合金結構件的要求，縮短了加工周期，降低了生產成本，提高了變形鋁合金結構件的安定性。

作為本發明的一種改進，所述步驟1）中變形鋁合金絲材製備具體如下：11）鍛造，將直徑為Φ8~12mm的變形鋁合金盤條進行3道快速鍛造，各道次的線徑為Φ6.0~8.0mm、、Φ4.8~6.0mm及Φ2.0~2.4mm，各道次的減徑率為40~75%；

12）退火，在以上鍛造道次間及鍛造結束要分別進行退火處理，以釋放加工應力，退火溫度以能夠使鋁合金盤條充分軟化，又不發生再結晶晶粒長大為宜；其中退火的溫度為350℃—400℃，退火時間為1.5—2.5小時；

13）連拉，將鍛造成型的直徑為φ2.4mm~2.0mm的變形鋁合金絲材用拉絲機進行連拉，各拉絲模具間的變形量一致，最後將絲材穿過1個高聚晶定徑模進行定徑處理，得到直徑為φ1.26-1.30mm的鋁合金絲材，有選為φ1.27mm。

14）刮削，將定徑後的變形鋁合金絲材依次穿過一個定位模、兩個刮削模具、一個壓光模具，進行表面處理，得到直徑為φ1.18mm的變形鋁合金絲材；

15）超聲波清洗，將表面處理後的變形鋁合金絲材進行單絲超聲波清洗；超聲波清洗的溫度為40-90℃，時間為5-20秒；

16）表面光亮化鈍化，將清洗後的變形鋁合金絲材依次通過光亮化溶液和鈍化溶液，進行表面光亮化、鈍化處理，並通過烘乾處理，在絲材表現形成一層均勻的緻密氧化層，防止不均勻氧化，以提高變形鋁合金絲材表面的光潔度，確保使用時送絲穩定；其中鈍化後的溫度為40-60℃，時間為10-20秒；烘乾溫度為80-100℃，時間為2-3秒；

17）分盤和包裝，將經過光亮化和鈍化後的變形鋁合金絲材按照6~7kg/盤進行分盤，並進行真空包裝，備用。

作為本發明的一種改進，所述步驟2）中結構件分層具體如下：

21）利用計算機軟體（Solidworks、Pro-E、CAD、UG等）將三維數模分解到點、線、面；

22）根據分解後的數模及結構件型式，進行溫度場和應力場模擬，平行度小於等於5mm以內的變形來確定成型路徑及優化成型工藝參數；

23）將成型路徑及優化的工藝參數轉化成機器語言，並傳輸至機器人及焊接電源。

作為本發明的一種改進，所述步驟3）結構件成型具體如下，在純氬氣（99.9999%）或者氬氣（70~90%）-氦氣（30~10%）混合氣或氬氣-氫氣（0.1~0.3%）混合氣等氣氛的保護下，焊接電源採用優化的工藝參數將步驟1）製得的變形鋁合金絲材連續熔化，機器人按步驟2）確定的成型路徑帶動焊槍，配合連續送絲裝置，逐層堆積形成變形鋁合金構件。

作為本發明的一種改進，所述步驟3）中，在每堆積一層或多層時，在堆積的上表面及兩側面進行切削、納米化及拋光等處理；該技術方案可以保證上述成型方法製備的結構件的表面質量及尺寸要求。

作為本發明的一種改進，所述步驟3）中，每堆積一層或多層時，在堆積的上表面及兩側面進行軋制及鍛造等處理；該技術方案提高結構件的力學性能及消除內部微氣孔等缺陷。

作為本發明的一種改進，所述步驟3）中，在每堆積一層或多層時，進行局部或整體加熱及冷卻處理。該技術方案可以防止製備的結構件內部晶粒長大及局部應力過大。

相對於現有技術，本發明的優點如下：1）本發明可使變形鋁合金的快速成型，並實現邊成型邊加工，成品結構件可以經過少量加工後或不經加工直接裝機應用；2）電弧熔絲增材製造直接製成變形鋁合金結構件，合金強度提高了15%，屈強比提高了5%，延伸率提高了150%，為鋁合金結構件減薄、減輕提供了可能，成品率大於90%，加工餘量小於0.08mm，原材料利用率達95%以上，成型效率高，4）與傳統鑄造比，電弧熔絲增材製造製成的變形鋁合金結構件的內部組織均勻、無氣孔、夾雜和疏鬆等鑄造缺陷，極大提高了結構件的安全性，該方法適用於各類鋁合金材料。

附圖說明

圖1為2219電弧熔絲增材製造結金相組織圖；

圖2為牆型結構行走路徑確定示意圖。

具體實施方式

為了加深對本發明的理解和認識，下面結合附圖和具體實施方式對本發明做出詳細的說明和介紹。

實施例1：一種變形鋁合金結構件成型方法，所述成型方法包括以下步驟：1）變形鋁合金絲材製備；2）結構件分層；3）結構件成型，通過本方法製造的結構件，具有原材料利用率高、成品率高、加工餘量小、組織均勻、晶粒細小、力學性能優異且各向均勻、無氣孔及夾雜缺陷等優點，該發明可以滿足「三航」、軍工及高端鋁製品領域對變形鋁合金結構件的要求，縮短了加工周期，降低了生產成本，提高了變形鋁合金結構件的安定性；

所述步驟1）中變形鋁合金絲材製備具體如下：11）鍛造，將直徑為Φ8~12mm的變形鋁合金盤條進行3道快速鍛造，各道次的線徑為Φ6.0~8.0mm、、Φ4.8~6.0mm及Φ2.0~2.4mm，各道次的減徑率為40~75%；

12）退火，在以上鍛造道次間及鍛造結束要分別進行退火處理，以釋放加工應力，退火溫度以能夠使鋁合金盤條充分軟化，又不發生再結晶晶粒長大為宜；其中退火的溫度為350℃—400℃，退火時間為1.5—2.5小時；

13）連拉，將鍛造成型的直徑為φ2.4mm~2.0mm的變形鋁合金絲材用拉絲機進行連拉，各拉絲模具間的變形量一致，最後將絲材穿過1個高聚晶定徑模進行定徑處理，得到直徑為φ1.27mm的鋁合金絲材；

14）刮削，將定徑後的變形鋁合金絲材依次穿過一個定位模、兩個刮削模具、一個壓光模具，進行表面處理，得到直徑為φ1.18mm的變形鋁合金絲材；

15）超聲波清洗，將表面處理後的變形鋁合金絲材進行單絲超聲波清洗；超聲波清洗的溫度為40-90℃，時間為5-20秒；

16）表面光亮化鈍化，將清洗後的變形鋁合金絲材依次通過光亮化溶液和鈍化溶液，進行表面光亮化、鈍化處理，並通過烘乾處理，在絲材表現形成一層均勻的緻密氧化層，防止不均勻氧化，以提高變形鋁合金絲材表面的光潔度，確保使用時送絲穩定；其中鈍化後的溫度為40-60℃，時間為10-20秒；烘乾溫度為80-100℃，時間為2-3秒；

17）分盤和包裝，將經過光亮化和鈍化後的變形鋁合金絲材按照6~7kg/盤進行分盤，並進行真空包裝，備用。

所述步驟2）中結構件分層具體如下：

21）利用計算機軟體（Solidworks、Pro-E、CAD、UG等）將三維數模分解到點、線、面；

22）根據分解後的數模及結構件型式，進行溫度場和應力場模擬，平行度小於等於5mm以內的變形來確定成型路徑及優化成型工藝參數；

23）將成型路徑及優化的工藝參數轉化成機器語言，並傳輸至機器人及焊接電源。

所述步驟3）結構件成型具體如下，在純氬氣（99.9999%）或者氬氣（70~90%）-氦氣（30~10%）混合氣或氬氣-氫氣（0.1~0.3%）混合氣等氣氛的保護下，焊接電源採用優化的工藝參數將步驟1）製得的變形鋁合金絲材連續熔化，機器人按步驟2）確定的成型路徑帶動焊槍，配合連續送絲裝置，逐層堆積形成變形鋁合金構件。

所述步驟3）中，在每堆積一層或多層時，在堆積的上表面及兩側面進行切削、納米化及拋光等處理；該技術方案可以保證上述成型方法製備的結構件的表面質量及尺寸要求。

所述步驟3）中，每堆積一層或多層時，在堆積的上表面及兩側面進行軋制及鍛造等處理；該技術方案提高結構件的力學性能及消除內部微氣孔等缺陷。

所述步驟3）中，在每堆積一層或多層時，進行局部或整體加熱及冷卻處理。該技術方案可以防止製備的結構件內部晶粒長大及局部應力過大。

該技術方案變形鋁合金材料通過電弧熔絲增材製造直接製成結構件，合金強度提高了10%，屈強比提高了5~10%，延伸率提高了100%，為鋁合金結構件減薄、減輕提供了可能，電弧熔絲增材製造製成的變形鋁合金結構件的內部組織均勻、無氣孔、夾雜和疏鬆等鑄造缺陷，極大提高了結構件的安全性。

應用實施例1：

以2219鋁合金為例

1）2219絲材的製備：

11）．將直徑為Φ12mm的2219盤條鍛造成直徑為Φ4.8mm的絲材；

12）．對Φ4.8mm的2219絲材進行去應力退火，退火制度為400℃保溫1個小時，冷卻方式為空冷；

將直徑為Φ4.8mm的2219絲材進一步鍛造成直徑為Φ2.4mm的絲材；

對Φ2.4mm的2219絲材進行去應力退火，退火制度為400℃保溫1個小時，冷卻方式為空冷；

13）使用拉絲機進行連拉，依次通過等變形量的拉絲模具6個，最後通過一個內徑Φ1.27mm的高聚晶定徑模具，製成Φ1.27mm的2219鋁合金絲材；

14）Φ1.27mm的絲材依次通過定徑模具Φ1.25mm-刮削模具Φ1.23mm-刮削模具Φ1.21mm-壓光模具Φ1.18mm，製成Φ1.18mm的2219絲材；

15）超聲波清洗，將表面處理後的變形鋁合金絲材進行單絲超聲波清洗；超聲波清洗的溫度為40-90℃，時間為5-20秒；

16）將上述Φ1.18mm的2219絲材，依次通過清洗槽、光亮化溶液槽、鈍化溶液槽及烘乾筒，並分成7kg/盤，真空包裝後備用；

2）將長度L=500mm、高度H=500mm、厚度δ=25mm的牆型結構通過計算機進行分解，確定如下行走路徑：參見圖2，

依次進行如下操作：①-②-③-提高2mm-④-⑤-⑥-提高2mm -①-②-③-提高2mm -④-⑤-⑥-提高2mm ……；

工藝參數確定為：單層增長高度2mm、成型速度0.6~0.7m/min，送絲速度6~9m/s，電流80~120A；

3）在99.9999%氬氣保護下，氣體流量為20~25Nm3/h，機器人按照上述成型路徑，焊接電源按照上述工藝參數，進行逐層堆積；

4）每當堆積10層（即約20mm）時，對側壁表面進行切削處理，使其厚度保證δ=25±0.1mm，最終製成長度L=500±0.5mm，高度H=500±0.5mm，厚度δ=25±0.1mm的2219堆積牆體；

5）對牆體進行熱處理，熱處理制度參考形變鋁合金2219…T6制度，將熱處理後的牆體與軋制板材性能進行比較，如表1。

電弧熔絲增材製造製成結構件的金相組織如圖1示，可以看出組織均勻，晶粒細小，α-Al固溶體+θ-Al2Cu共晶析出物均勻分布。

需要說明的是上述實施例，僅僅是本發明的較佳實施例，並非用來限定本發明的保護範圍，在上述方法的基礎上所作出的等同變換均屬於本發明的保護範圍，本發明的保護範圍以權利要求書為準。