CN109967589A - 一种钛合金板材局部激光加热气压成形装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种钛合金板材局部激光加热气压成形装置及方法，其中，该装置包括下模具、气孔、钛合金板材、上模具、检测器和激光发生器；其中，钛合金板材设置于下模具的上部；上模具设置于钛合金板材的上部；下模具开设有气孔；激光发生器发射光束，照射于钛合金板材的表面，检测器检测钛合金板材的表面的温度，当检测器检测到钛合金板材的表面的温度达到设定温度时，从气孔通氩气，钛合金板材的表面开始凸起变形，当检测器检测到钛合金板材的表面凸起到设定高度h时，气孔停止通氩气。本发明结构简单，能耗低，可实现钛合金快速成形，并可以控制变形顺序，改善胀形工艺局部“越胀越薄”问题，提高气压胀形壁厚均匀性。

Description

一种钛合金板材局部激光加热气压成形装置及方法
技术领域
本发明属于钣金加工领域，涉及一种钛合金板材局部激光加热气压成形装置及方法，适用于快速成形、低成本以及壁厚均匀性要求较高的钛合金钣金结构件。
背景技术
钛合金因具有强度高、耐蚀性好、耐热性高等优点而被广泛用于航空航天领域。但由于钛合金屈强比大，延伸率较低，易回弹，通常需要专用热成形设备进行高温成形，成形成本高，限制了钛合金应用。胀形是利用模具使毛坯厚度减薄和表面积增大，以获取零件几何形状的冲压加工方法。现有的胀形通常会使板材局部越来越薄直至破裂。因此，钛合金钣金结构件在高温胀形过程，局部减薄破裂是常见缺陷，通常很难避免。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种钛合金板材局部激光加热气压成形装置及方法，与常规高温胀形相比本发明结构简单，能耗低，可实现钛合金快速成形，并可以控制变形顺序，改善胀形工艺局部“越胀越薄”问题，提高气压胀形壁厚均匀性。
本发明目的通过以下技术方案予以实现：根据本发明的一个方面，提供了一种钛合金板材局部激光加热气压成形装置，包括：下模具、气孔、钛合金板材、上模具、检测器和激光发生器；其中，所述钛合金板材设置于所述下模具的上部；所述上模具设置于所述钛合金板材的上部；所述下模具开设有气孔；所述激光发生器发射光束，照射于所述钛合金板材的表面，所述检测器检测所述钛合金板材的表面的温度，当所述检测器检测到所述钛合金板材的表面的温度达到设定温度时，从气孔通氩气，所述钛合金板材的表面开始凸起变形，当所述检测器检测到所述钛合金板材的表面凸起到设定高度h时，气孔停止通氩气。
上述钛合金板材局部激光加热气压成形装置中，所述钛合金板材的厚度为t mm，其中，0.5≤t≤3。
上述钛合金板材局部激光加热气压成形装置中，所述气孔的直径为5～10mm。
根据本发明的另一方面，还提供了一种钛合金板材局部激光加热气压成形装置方法，使用本发明的一方面所述的钛合金板材局部激光加热气压成形装置实现该方法，该方法包括如下步骤：步骤一：将钛合金板材放置于下模具和上模具之间夹紧；步骤二：控制激光发生器发射光束，照射于需要凸起钛合金板材表面，检测器检测钛合金板材表面温度；步骤三：当检测器检测到钛合金板材表面温度达到设定温度时，从气孔通氩气，钛合金板材表面开始凸起变形；步骤四：当检测器检测到钛合金板材凸起到设定高度h时，气孔停止通氩气，并将下模具和钛合金板材之间氩气从气孔中排出。
上述钛合金板材局部激光加热气压成形方法中，在步骤一中，将钛合金板材放置于下模具和上模具之间夹紧，夹紧力为5～20MPa。
上述钛合金板材局部激光加热气压成形方法中，在步骤二中，激光发生器发射光束，光束功率100～1000W，光束直径1～10mm，光束扫描速度10～100mm/s。
上述钛合金板材局部激光加热气压成形方法中，在步骤三中，当检测器检测到钛合金板材表面温度达到设定温度为800～950℃。
上述钛合金板材局部激光加热气压成形方法中，在步骤四中，检测器检测到钛合金板材凸起到设定高度h与钛合金板材的厚度t、钛合金板材在设定温度时的屈服强度σ和氩气最小压力p之间关系为：h＝2×t×σ/p。
上述钛合金板材局部激光加热气压成形方法中，还包括：步骤五：将激光发生器移动到另一个需要凸起的钛合金板材表面处，重复步骤二、步骤三和步骤四，直至完成所有需要凸起的钛合金板材表面。
上述钛合金板材局部激光加热气压成形方法中，将激光发生器移动到另一个需要凸起的钛合金板材表面处，移动距离s与钛合金板材凸起到设定高度h之间关系为s≥2×h。
本发明与现有技术相比具有如下有益效果：
1)本发明与常规高温胀形相比本发明结构简单，能耗低，可实现钛合金快速成形；
2)本发明可以控制变形顺序，改善胀形工艺局部“越胀越薄”问题，提高气压胀形壁厚均匀性；
3)本发明成形的钛合金钣金结构件过程中，对钛合金板材局部加热，并且钛合金板材暴露在高温环境下时间短，钛合金钣金结构件性能损失大大减少；
4)本发明采用激光发生器加热钛合金板材表面，采用氩气气压加载成形，激光发生器光束能量损失小，同时氩气可对成形钛合金板材背面进行保护，防止钛合金板材背面被氧化；
5)本发明采用检测器检测钛合金板材凸起高度，可准确控制钛合金板材凸起高度，提升钛合金钣金结构件精度。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
图1为钛合金板材局部激光加热气压成形装置结构示意图；
图2为钛合金板材局部激光加热气压成形第一个凸起示意图；
图3为钛合金板材局部激光加热气压成形第二个凸起示意图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
图1为钛合金板材局部激光加热气压成形装置结构示意图。如图1所示，该钛合金板材局部激光加热气压成形装置包括下模具1、气孔2、钛合金板材3、上模具4、检测器5和激光发生器6，如图1所示。
钛合金板材3设置于下模具1的上部；上模具4设置于钛合金板材3的上部；下模具1开设有气孔2。
激光发生器6发射光束，照射于钛合金板材3的表面，检测器5检测钛合金板材3的表面的温度，当检测器5检测到钛合金板材3的表面的温度达到设定温度时，从气孔2通氩气，钛合金板材3的表面开始凸起变形，当检测器5检测到钛合金板材3的表面凸起到设定高度h时，气孔2停止通氩气。
钛合金板材3的厚度为t mm，0.5≤t≤3。气孔2直径为5～10mm。检测器5具备测温功能和测高功能。
本实施例还提供了一种通过钛合金板材局部激光加热气压成形装置实现的钛合金板材局部激光加热气压成形方法，该方法包括如下步骤：将钛合金板材3放置于下模具1和上模具4之间夹紧；控制激光发生器6发射光束，照射于需要凸起钛合金板材3表面，检测器5检测钛合金板材3表面温度；当检测器5检测到钛合金板材3表面温度达到设定温度时，从气孔2通氩气，钛合金板材3表面开始凸起变形，如图2所示；当检测器5检测到钛合金板材3凸起到设定高度h时，气孔2停止通氩气，并将下模具1和钛合金板材3之间氩气从气孔2中排出；将激光发生器6移动到另一个需要凸起的钛合金板材3表面处，重复步骤二、步骤三和步骤四中动作，直至完成所有需要凸起的钛合金板材3表面，如图3所示。
与常规高温胀形相比，本实施例的结构简单，能耗低，可实现钛合金快速成形；可以控制变形顺序，改善胀形工艺局部“越胀越薄”问题，提高气压胀形壁厚均匀性；成形的钛合金钣金结构件过程中，对钛合金板材局部加热，并且钛合金板材暴露在高温环境下时间短，钛合金钣金结构件性能损失大大减少；采用激光发生器加热钛合金板材表面，采用氩气气压加载成形，激光发生器光束能量损失小，同时氩气可对成形钛合金板材背面进行保护，防止钛合金板材背面被氧化；采用检测器检测钛合金板材凸起高度，可准确控制钛合金板材凸起高度，提升钛合金钣金结构件精度。
以某钛合金钣金结构件胀形作为优选方案，零件材料为TA15钛合金板材，钛合金板材厚度为2mm。
具体的优选方案按如下工艺步骤进行：
钛合金板材局部激光加热气压成形装置及方法，它包括下模具1、气孔2、钛合金板材3、上模具4、检测器5、激光发生器6。钛合金板材3的厚度为2mm，符合0.5≤t≤3；气孔2直径为5mm；检测器5具备测温功能和测高功能。
钛合金板材局部激光加热气压成形的具体步骤如下：
步骤一：将钛合金板材3放置于下模具1和上模具4之间夹紧，夹紧力为10MPa。
步骤二：控制激光发生器6发射光束，照射于需要凸起钛合金板材3表面，检测器5检测钛合金板材3表面温度；激光发生器6发射光束，光束功率300W，光束直径6mm，光束扫描速度30mm/s。
步骤三：当检测器5检测到钛合金板材3表面温度达到设定温度时，从气孔2通氩气，钛合金板材3表面开始凸起变形；设定温度为900℃。
步骤四：当检测器5检测到钛合金板材3凸起到设定高度h时，气孔2停止通氩气，并将下模具1和钛合金板材3之间氩气从气孔2中排出；检测器5检测到钛合金板材3凸起到设定高度h与钛合金板材3的厚度t、钛合金板材3在设定温度时的屈服强度σ和氩气最小压力p之间关系：h＝2×t×σ/p，h单位mm，t单位mm，σ单位MPa，p单位MPa。取p＝2，t＝2，σ＝10MPa，h＝2×t×σ/p＝2×2×10/2＝20mm。
步骤五：将激光发生器6移动到另一个需要凸起的钛合金板材3表面处，重复不步骤二、步骤三和步骤四中动作，直至完成所有需要凸起的钛合金板材3表面。将激光发生器6移动到另一个需要凸起的钛合金板材3表面处，移动距离s与钛合金板材3凸起到设定高度h之间关系为s≥2×h＝2×20＝40，取s＝50。
采用此方法制备的钛合金钣金结构件，成本降低30％，壁厚均匀性提高±10％，加工周期缩短50％，性能提升15％，成形精度可达±0.5mm。
本发明还有一种优选方法，在步骤二中，选取光束功率500W，光束直径8mm，光束扫描速度50mm/s，加工周期可进一步缩短至60％；
本发明还有一种优选方法，在步骤三中，选取设定温度为950℃，壁厚均匀性可进一步提高至±5％。
本发明还有一种优选方法，在步骤五中，选取将激光发生器6移动到另一个需要凸起的钛合金板材3表面处，移动距离s与钛合金板材3凸起到设定高度h之间关系为s≥2×h＝2×20＝40，取s＝40，加工周期可进一步缩短至65％。
本实施例与常规高温胀形相比本发明结构简单，能耗低，可实现钛合金快速成形；本实施例可以控制变形顺序，改善胀形工艺局部“越胀越薄”问题，提高气压胀形壁厚均匀性；本实施例成形的钛合金钣金结构件过程中，对钛合金板材局部加热，并且钛合金板材暴露在高温环境下时间短，钛合金钣金结构件性能损失大大减少；本实施例采用激光发生器加热钛合金板材表面，采用氩气气压加载成形，激光发生器光束能量损失小，同时氩气可对成形钛合金板材背面进行保护，防止钛合金板材背面被氧化；本实施例采用检测器检测钛合金板材凸起高度，可准确控制钛合金板材凸起高度，提升钛合金钣金结构件精度。
以上所述的实施例只是本发明较优选的具体实施方式，本领域的技术人员在本发明技术方案范围内进行的通常变化和替换都应包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种钛合金板材局部激光加热气压成形装置，其特征在于包括：下模具(1)、气孔(2)、钛合金板材(3)、上模具(4)、检测器(5)和激光发生器(6)；其中，
所述钛合金板材(3)设置于所述下模具(1)的上部；
所述上模具(4)设置于所述钛合金板材(3)的上部；
所述下模具(1)开设有气孔(2)；
所述激光发生器(6)发射光束，照射于所述钛合金板材(3)的表面，所述检测器(5)检测所述钛合金板材(3)的表面的温度，当所述检测器(5)检测到所述钛合金板材(3)的表面的温度达到设定温度时，从气孔(2)通氩气，所述钛合金板材(3)的表面开始凸起变形，当所述检测器(5)检测到所述钛合金板材(3)的表面凸起到设定高度h时，气孔(2)停止通氩气。
2.根据权利要求1所述的钛合金板材局部激光加热气压成形装置，其特征在于：所述钛合金板材(3)的厚度为t mm，其中，0.5≤t≤3。
3.根据权利要求1所述的钛合金板材局部激光加热气压成形装置，其特征在于：所述气孔(2)的直径为5～10mm。
4.一种钛合金板材局部激光加热气压成形装置方法，其特征在于：使用权利要求1至3任一所述的钛合金板材局部激光加热气压成形装置实现该方法，该方法包括如下步骤：
步骤一：将钛合金板材(3)放置于下模具(1)和上模具(4)之间夹紧；
步骤二：控制激光发生器(6)发射光束，照射于需要凸起钛合金板材(3)表面，检测器(5)检测钛合金板材(3)表面温度；
步骤三：当检测器(5)检测到钛合金板材(3)表面温度达到设定温度时，从气孔(2)通氩气，钛合金板材(3)表面开始凸起变形；
步骤四：当检测器(5)检测到钛合金板材(3)凸起到设定高度h时，气孔2停止通氩气，并将下模具(1)和钛合金板材(3)之间氩气从气孔(2)中排出。
5.根据权利要求4所述的钛合金板材局部激光加热气压成形方法，其特征在于：在步骤一中，将钛合金板材(3)放置于下模具(1)和上模具(4)之间夹紧，夹紧力为5～20MPa。
6.根据权利要求4所述的钛合金板材局部激光加热气压成形方法，其特征在于：在步骤二中，激光发生器(6)发射光束，光束功率100～1000W，光束直径1～10mm，光束扫描速度10～100mm/s。
7.根据权利要求4所述的钛合金板材局部激光加热气压成形方法，其特征在于：在步骤三中，当检测器(5)检测到钛合金板材(3)表面温度达到设定温度为800～950℃。
8.根据权利要求4所述的钛合金板材局部激光加热气压成形方法，其特征在于：在步骤四中，检测器(5)检测到钛合金板材(3)凸起到设定高度h与钛合金板材(3)的厚度t、钛合金板材(3)在设定温度时的屈服强度σ和氩气最小压力p之间关系为：h＝2×t×σ/p。
9.根据权利要求4所述的钛合金板材局部激光加热气压成形方法，其特征在于还包括：步骤五：将激光发生器(6)移动到另一个需要凸起的钛合金板材(3)表面处，重复步骤二、步骤三和步骤四，直至完成所有需要凸起的钛合金板材表面。
10.根据权利要求9所述的钛合金板材局部激光加热气压成形方法，其特征在于：将激光发生器(6)移动到另一个需要凸起的钛合金板材(3)表面处，移动距离s与钛合金板材(3)凸起到设定高度h之间关系为s≥2×h。
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