一种铝合金带筋壁板的制造方法与流程

1.本发明涉及复合制造技术领域，尤其涉及一种铝合金带筋壁板的制造方法。


背景技术：

2.铝合金带筋壁板是飞行器重要结构部件，所用铝合金材料逐渐向高强度、低密度方向发展，出现了2024、7055等高强度铝合金以及2a97、2195等高强度、低密度铝锂合金。目前工业生产主要采用机械加工、铆接、激光焊等方式进行铝合金带筋壁板制造，实验室开发了基于静轴肩搅拌摩擦焊的填丝搅拌摩擦焊技术，以上几种生产制造方法在使用中各有优势和局限。
3.机加整体壁板通过在厚板上逐层逐区减材加工的方式成形立筋，优势在于整体壁板无组织突变、综合性能优异，短板在于材料利用率低、加工时间长、加工成本高。传统铆接在航空航天装备中久经考验。铆接接头连接强度高、抗疲劳、易于更换，但铆钉使用数量多、结构增重明显。
4.专利cn 110293315 a提出一种大型飞机筋壁板t型接头双侧激光焊方法。相较于铆接制造，双侧激光同步焊接能够极大的减轻工件重量，提高生产效率。该技术在钛合金带筋壁板焊接中优势明显。但高强铝合金由于导热性好、线膨胀系数大、表面易氧化形成高熔点、大密度的氧化铝薄膜，所以熔焊接头中不可避免的会出现气孔、夹渣、未熔合等熔化/凝固缺陷。铝锂合金熔焊时还易出现元素烧蚀等问题。
5.专利cn 109202271 a提出一种静轴肩填丝搅拌摩擦焊装置及角焊缝增材制造方法。通过在装置主轴上集成焊接系统和填丝系统，实现角焊缝同步送料与焊接，解决筋板/蒙皮过渡区缺料及应力集中问题。静轴肩搅拌摩擦焊属于固相焊接，温度低于材料熔点，有效避免元素偏析、烧蚀等问题。但由于铝合金丝材直径较细，在轴肩侧向力及主轴切向力作用下易出现送丝困难和断丝现象，难以实现大尺寸带筋壁板连续稳定制造。


技术实现要素：

6.本发明主要针对以上问题，提出了一种铝合金带筋壁板的制造方法，其目的是用于实现铝合金带筋壁板高质、高效、低成本生产制造。
7.为实现上述目的，本发明提供了一种铝合金带筋壁板的制造方法，是对配置成t字形的蒙皮和筋板进行焊接而成的铝合金带筋壁板制造方法，包括：
8.板材组装工序，将所述筋板呈t字形组装在所述蒙皮上；
9.填充工序，以合金粉末为填充材料，采用冷喷涂将合金粉末往复喷涂在所述筋板与所述蒙皮组装后的角接区；
10.焊接工序，在完成填充工序后，使用单机头搅拌摩擦焊在所述筋板与所述蒙皮的两侧喷涂区依次焊接，或使用双机头搅拌摩擦焊从两侧的喷涂区同时完成焊接。
11.进一步地，在板材组装工序之前，还包括：预处理工序，在所述筋板、所述蒙皮的待喷涂区使用辅助工具进行拉毛处理。
12.进一步地，在板材组装工序中，将所述筋板呈t字形组装在所述蒙皮上的步骤包括：将所述筋板呈t字形垂直装卡在所述蒙皮的拉毛区中部，并对所述筋板施加三向刚性支撑。
13.进一步地，在填充工序之后，还包括：修形工序，对所述合金粉末往复喷涂后的喷涂区进行修形处理，使所述喷涂区的横截面形状保持一致。
14.进一步地，在焊接工序之后，还包括：改性工序，在焊接完成后，使用冷喷装置在焊缝区表面喷涂纯铝或铝合金层。
15.进一步地，填充工序中，将合金粉末往复喷涂在角接区的横截面应不小于所述单机头搅拌摩擦焊或双机头搅拌摩擦焊的静轴肩与所述蒙皮、所述筋板形成空腔体积。
16.进一步地，在焊接工序中，需使所述单机头搅拌摩擦焊或双机头搅拌摩擦焊的搅拌针轮廓超过所述筋板厚度中心线。
17.进一步地，所述合金粉末为掺杂有氧化铝颗粒、石墨烯、碳纳米管中的一种或多种不同牌号的复合铝粉。
18.进一步地，所述合金粉末的粒度为20～100μm；送粉速率为50g/min，送粉距离30mm。
19.进一步地，所述单机头搅拌摩擦焊或双机头搅拌摩擦焊的搅拌针旋转速度300～800rpm，焊接速度100～300mm/min。
20.本发明的上述技术方案具有如下优点：通过冷喷涂方式在直角过渡区沉积粉末，实现材料连续稳定无间隙填充，通过静轴肩搅拌摩擦焊使沉积层发生剧烈塑性变形，达到组织致密化，实现筋板与蒙皮之间高质量连接，有效避免熔焊带来的气孔、元素烧蚀、元素偏聚等问题，同时降低装配间隙要求。
附图说明
21.图1为本发明披露的一种铝合金带筋壁板的制造方法流程图；
22.图2为本发明披露的一种预处理工序流程的结构示意图。
23.图3为本发明披露的一种板材组装工序流程的结构示意图。
24.图4为本发明披露的一种填充工序流程的结构示意图。
25.图5为本发明披露的一种使用单侧单机头搅拌摩擦焊在焊接工序流程中的结构示图。
26.图6为本发明披露的一种使用双机头搅拌摩擦焊从两侧同时完成焊接的结构示意图。
27.图7为本发明披露的一种单机头搅拌摩擦焊中的搅拌针在不同角度下的焊接状态结构示意图。
28.图8为本发明披露的一种曲面带第一种结构下的筋壁板结构示意图。
29.图9为本发明披露的一种曲面带第二种结构下的筋壁板结构示意图。
30.图10为本发明披露的一种t型带筋壁板轴肩自适应优化平面蒙皮的结构示意图。
31.图11为本发明披露的一种t型带筋壁板轴肩自适应优化曲面蒙皮的结构示意图。
32.图中：1、蒙皮；2、筋板；3、拉毛区；4、喷枪；5、沉积层；6、单机头搅拌摩擦焊；7、双机头搅拌摩擦焊；8、t型纵筋；9、ⅰ型环筋；6a、搅拌针；6b、静轴肩。
具体实施方式
33.下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
34.本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“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发明和简化描述，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发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
35.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
36.在本发明一方面中，提供一种铝合金带筋壁板的制造方法。而由此制备方法所制备出的铝合金带筋壁板具备强韧性高的物化特性，以及具有制造成本低、制造工艺灵活性高、材料利用率高的加工特性。
37.于本发明的方法中，通过喷涂与蒙皮筋板成分不同的异种材料还可实现局部改性，进一步提升接头综合性能，也为未来航空航天铝镁钪合金等熔焊性能差的高强铝合金带筋壁板生产制造奠定工艺基础和技术支撑。又，通过本发明的方法，可满足大型曲面带筋壁板填料需求，其冷喷涂材料利用率高、喷涂效率高、自适应性强。而由于通过本发明的方法制造的铝合金带筋壁板可有效规避元素烧蚀的问题，对于常规熔化增材制造可以制备出2xxx、7xxx、铝锂合金等高强铝合金。此外，该技术还可以在船舶、汽车等领域的铝合金带筋壁板结构制造中得到推广应用，实现铝合金筋板结构的高效率、高质量、低成本制造。
38.下面，参照附图对本发明的铝合金带筋壁板的制造方法进行详细说明。
39.图1中，标号1是构成t字形部件的蒙皮，该蒙皮1为平板状或曲面状。在该蒙皮1的上表面侧组装后述的筋板2。
40.标号2是与蒙皮1一起构成t字形铝合金带筋壁板的筋板，该筋板2使用例如带包铝层的2a12-t4铝合金等形成为平板状。并且，筋板2以与蒙皮1基本上正交的状态在该蒙皮1的上表面侧组装成t字形；本方法是对配置成t字形的蒙皮1和筋板2进行焊接而成的铝合金带筋壁板。
41.具体制造方法包括四个步骤：
42.1)预处理工序：将筋板2、蒙皮1待喷涂区使用拉毛机、砂纸等工具进行拉毛处理，目的是提高冷喷涂时粉末沉积率，避免铝板表面包铝层进入焊缝影响接头性能。
43.2)板材组装工序：将筋板2垂直装卡在蒙皮的拉毛区3中部，并施加三向刚性支撑，即如图3所示箭头所指方向，目的是防止喷涂时筋板2发生位移或震动导致无法喷涂或粉末沉积率低。
44.3)填充工序：如图4所示，使用喷枪4在角接区多道多次往复喷涂合金粉末，在角接区形成沉积层5，喷涂区横截面应不小于静轴肩6b与蒙皮1、筋板2形成空腔体积。冷喷涂可有效解决角接接头过渡区缺料问题，消除蒙皮1、筋板2之间装配间隙。
45.所述合金粉末用于进一步增强焊缝区域综合性能，在其中一个实施例的冷喷涂中，使用掺杂氧化铝颗粒、石墨烯、碳纳米管等材料的不同牌号复合铝粉进行喷涂，但不限于此。
46.4)修形工序:冷喷涂结束后为避免不规则沉积层5焊接过程中受前进抗力不同影响发生断裂，可通过修形使横截面形状保持一致。
47.5)焊接工序：如图5、图6所示，使用单机头搅拌摩擦焊6在接头两侧(即两侧的沉积层5)依次完成筋板2和蒙皮1焊接，或使用双机头搅拌摩擦焊7从两侧同时完成焊接。
48.其中，单侧焊接时需保证单机头搅拌摩擦焊6的搅拌针6a轮廓超过筋板2厚度中心线l，如图7所示，其中(a)为搅拌针6a轮廓未超过筋板2厚度中心线l的情形，(b)为搅拌针轮廓超过筋板2厚度中心线l的情形。
49.6)改性工序：焊接完成后，可使用冷喷装置在焊缝区表面喷涂纯铝或铝合金层，实现焊缝表面改性，提升接头耐腐蚀、耐磨等性能。
50.于上述实施例制备铝合金带筋壁板的方法中，针对不同铝合金静轴肩角焊，可将上述方案进一步优化：焊接时，除了采用2000rpm以下转速焊接，还可优化静轴肩结构，将转速大幅提升至10000rpm以上，有望大幅降低主轴扭矩、焊接轴向力和能量消耗；另外，如图8、图9所示，针对t型纵筋8和ⅰ型环筋9两种结构曲面带筋壁板焊接，其中,可通过如图10和图11所示的静轴肩的适应性优化改进实现平面焊接和曲面焊接。
51.于上述实施例制备铝合金带筋壁板的方法中,冷喷涂加角焊缝静轴肩搅拌摩擦复合焊接制造技术融合冷喷涂及静轴肩搅拌摩擦角焊的优势，可实现航空器高强铝合金带筋壁板结构的高效率、低成本制造，且制造工艺灵活性高，材料利用率高，接头强韧性高，在航空器带筋壁板等结构上具有良好的应用前景。对于常规熔化增材制造难以制备的2xxx、7xxx、铝锂合金等高强铝合金，该技术可有效规避元素烧蚀的问题，提升接头综合性能。基于设计优化，还可以实现复杂曲面带筋壁板生产制造，解决常规制造工艺难以制造或制造成本过高的问题。此外，该技术还可以在船舶、汽车等领域的铝合金带筋壁板结构制造中得到推广应用，实现铝合金筋板结构的高效率、高质量、低成本制造。
52.为进一步揭示本发明的性质，以下实施例对本发明作了详细说明。要明了的是，除了在所附上的权利要求书中特指的这些限定条件外，本发明不受这些实施例中所陈述的特定条件或细节的限制。
53.试验所用板材为带包铝层的2a12-t4铝合金。其中，蒙皮1尺寸300
×
300
×
2mm，筋板2尺寸300
×
20
×
2mm。首先，使用拉毛机将蒙皮1中部300
×
20mm区域拉毛，将筋板2焊接区两侧300
×
10mm区域拉毛。然后使用专用工装对蒙皮1和筋板2施加三向刚性支撑。采用粒度为20～100μm左右的2a12铝合金粉末对待焊区进行冷喷涂处理，送粉速率为50g/min，送粉距离30mm。经过多道次往复喷涂，在板材角焊区形成横截面为3
×
3mm以上的沉积层5。沉积结束后将工件旋转180
°
完成另一侧沉积。最后，使用角焊缝静轴肩搅拌摩擦焊机头完成焊接。焊接时，搅拌摩擦焊机头驱动搅拌针6a旋转，轴肩6b对板材及沉积区施加顶锻力。搅拌针6a旋转速度300～800rpm，焊接速度100～300mm/min。轴肩6b在板材表面沿预设轨迹移动，多余粉末颗粒被轴肩6b前端刮除，多余塑性材料经轴肩6b后端排料孔排出。一侧完成焊机后旋转工件开始另一侧焊接，最终实现带筋壁板焊接制造。
54.以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人
员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。