鋁合金板料電磁翻邊全流程工藝研究

謝冰鑫 黃 亮 黃 攀 李建軍 蘇紅亮

1. 華中科技大學材料科學與工程學院，武漢，430074

2. 華中科技大學材料成形與模具技術(shù)國家重點實驗室，武漢，430074

0 引言

高性能輕質(zhì)鋁合金材料具有低密度、高比強度以及優(yōu)良的導電導熱性、焊接性和抗腐蝕性等優(yōu)點，是航空航天裝備實現(xiàn)輕量化的首選材料，廣泛應用于飛機蒙皮、翼肋和航天運載火箭的推進劑貯箱等[1-3]。以航天運載火箭的推進劑貯箱為例，為方便貯箱與管路之間的連接，需要在經(jīng)整體成形后的箱體底部進一步成形出局部翻邊孔，然而傳統(tǒng)凹凸模成形存在設(shè)備結(jié)構(gòu)復雜、工藝流程繁瑣、柔性化程度低等問題，隨著構(gòu)件尺寸的增加，對設(shè)備噸位和裝配過程也提出了更高的要求，且鋁合金材料在室溫下成形性能較差，塑性流動困難且難以調(diào)控，易出現(xiàn)失穩(wěn)起皺、過度減薄甚至開裂和回彈量大等缺陷，嚴重影響構(gòu)件成形精度和成形質(zhì)量[4-5]，以上成形成性問題制約了鋁合金材料在復雜結(jié)構(gòu)中的應用。

電磁成形(electromagnetic forming, EMF)是一種新興的高能率成形技術(shù)，基于電磁感應原理和楞次定律，其利用瞬時電磁力使金屬材料發(fā)生高速塑性變形，應變率達103～104s-1，具有單模成形、成形柔性高，顯著提高材料成形極限并減小回彈、抑制起皺等優(yōu)點，可以有效實現(xiàn)難變形材料的精密塑性成形，為解決難變形材料在傳統(tǒng)成形方式中所面臨的問題提供了一個全新的思路[6-10]。國內(nèi)外學者對電磁翻邊工藝進行了變形機制、成形工藝和數(shù)值模擬等方面的研究[11-16]，并通過實驗得到了成形質(zhì)量優(yōu)良、貼膜效果佳的高精度翻邊成形件，為電磁成形技術(shù)的應用提供了重要參考。

航空航天用鋁合金構(gòu)件在使用過程中要承受巨大壓力，同時在地面運輸、空中飛行時要承受沖擊、振動等隨機載荷[17]，要求火箭貯箱結(jié)構(gòu)具有更高的強度和較好的塑性來滿足實際服役條件。熱處理是鋁合金材料主要強化手段之一，2219鋁合金的熱處理工藝主要為固溶淬火和時效，國內(nèi)外學者的研究主要聚焦于熱處理溫度和時間等參數(shù)對材料微觀組織演變及力學性能的影響規(guī)律，通過優(yōu)化工藝參數(shù)獲得了可觀的熱處理強化制度，但材料強度塑性沖突依然明顯[18-20]。還需要重點關(guān)注的一點是，構(gòu)件淬火后由于內(nèi)部溫度場分布不均和組織演變引起的體積和應力不均，使得構(gòu)件極易產(chǎn)生變形，嚴重影響了構(gòu)件的尺寸精度，因此，熱處理在改善構(gòu)件性能的同時不可避免地降低了成形精度[21]。目前將熱處理與構(gòu)件電磁成形相結(jié)合的復合工藝研究報道較少，構(gòu)件成形成性的全流程研究有待探索。

針對以上問題，本文提出一種電磁成形復合熱處理強化的全流程工藝，通過規(guī)程控制提出3條可行的全流程工藝路線，綜合考量熱處理和電磁成形之間的相互作用及其對成形質(zhì)量的影響后，確定最優(yōu)的全流程路線；通過全流程工藝實驗獲得成形件，驗證全流程工藝下翻邊件的成形成性優(yōu)異性，從而實現(xiàn)鋁合金材料成形成性的一體化調(diào)控，為電磁成形復合熱處理工藝在航天領(lǐng)域的應用提供參考與依據(jù)。

1 材料及方法

1.1 實驗材料

實驗所用材料為退火態(tài)(即O態(tài))2219鋁合金，具有良好的高低溫力學性能、抗應力腐蝕性能、機械加工性能、斷裂韌性及可焊性等，廣泛應用于航空航天領(lǐng)域，其化學成分和相關(guān)力學參數(shù)分別見表1、表2，實驗板料幾何尺寸如圖1所示，厚度為3 mm。

表1 2219鋁合金化學成分組成(質(zhì)量分數(shù))

表2 2219-O鋁合金材料參數(shù)

圖1 電磁翻邊實驗板料幾何尺寸

1.2 設(shè)備與工裝

本研究所用電磁成形機設(shè)備型號為HMF-30/213-150，最大放電能量192 kJ，放電電壓0～30 kV，電容器組由多個模塊組合而成，總電容426 μF，成形時可根據(jù)實際需求設(shè)定相應電容。熱處理所用設(shè)備是型號為KBF11Q的氣氛箱式爐，最多可設(shè)置40段程序進行溫度調(diào)節(jié)，爐內(nèi)溫度差為±3 ℃，溫度顯示誤差為±1 ℃。

電磁翻邊幾何模型如圖2所示，其翻邊成形后需獲得直壁翻邊特征，翻邊直徑需控制在(80±0.5)mm范圍內(nèi)，在獲得滿足要求的直壁翻邊特征前提下，翻邊成形件的直壁高度不低于4.5 mm，邊緣減薄率不高于30%。圖3所示為電磁翻邊實驗所用工裝，主要包括成形線圈、線圈固定座、板料、凹模、壓邊圈、模座、導柱、緊固螺栓等。

1.3 熱處理工藝與參數(shù)

(a) UG三維造型

圖3 電磁翻邊實驗工裝

2219鋁合金是一種典型的可熱處理強化鋁合金，該材料的出廠狀態(tài)一般為退火態(tài)，其強度和硬度都不高，無法滿足實際工業(yè)需求，因此，需進行熱處理工藝以提高其強度。本研究采用的熱處理工藝路線如圖4所示，固溶535 ℃/40 min，水淬轉(zhuǎn)移時間不超過10 s；人工時效175 ℃/6 h，隨后空冷。為了保證固溶和時效溫度的準確性，升溫階段采用先20 ℃/min后1 ℃/min的兩段式加熱方式，防止爐內(nèi)溫度接近目標溫度時因升溫過快而超過目標溫度,熱處理工藝均通過氣氛箱式爐設(shè)置3段程序?qū)崿F(xiàn)。

圖4 熱處理工藝路線

2 全流程工藝路線

針對電磁成形翻邊工藝，將其與熱處理工藝結(jié)合，通過規(guī)程控制確定最優(yōu)的全流程工藝路線，從而得到成形質(zhì)量高、力學性能優(yōu)良的成形件，可為電磁翻邊工藝的實際工業(yè)應用提供參考與依據(jù)。鋁合金的熱處理工藝中，時效處理一般安排在固溶淬火之后，由此可制定表3所示的3條全流程工藝路線，再對3條全流程工藝路線進行評估，以確定最優(yōu)路線。

表3 全流程工藝路線設(shè)計

各熱處理狀態(tài)下材料的屈服強度和抗拉強度等參數(shù)見表4，可以看出，退火態(tài)的屈服強度和抗拉強度最低，依次經(jīng)過固溶淬火和人工時效處理之后，屈服強度和抗拉強度均大幅提升，屈服強度分別提高了109%和218%，材料強度的提高也意味著電磁成形的難度隨之增加。熱處理工藝對材料性能另一方面的影響是電導率的變化，退火態(tài)的2219鋁合金電導率最高，為2.61×107S/m，經(jīng)固溶淬火和人工時效后，電導率均下降了38%。需要關(guān)注的是，電磁成形工藝過程中，在同等放電能量下，電導率越高的材料，內(nèi)部感應電流密度越高，其所受的電磁力就越大，成形更容易。由以上分析可知，經(jīng)過固溶淬火和人工時效兩種熱處理工藝后，板料的強度顯著提升，同時電導率下降，使電磁成形的難度有所增加。

表4 不同熱處理工藝下2219鋁合金材料參數(shù)對比

為進一步探究電磁翻邊工藝對不同熱處理狀態(tài)下板料成形性能的影響，在充電電容213 μF、放電電壓10 kV條件下，分別對3種熱處理態(tài)的板料進行電磁翻邊實驗，得到圖5所示的成形件。從外觀上可以看出，板料都產(chǎn)生了明顯的塑性變形，且各成形件翻邊特征區(qū)域表面質(zhì)量良好，均無裂紋產(chǎn)生。進一步對成形件翻邊直徑進行測量，得到圖6所示的翻邊直徑對比。可以發(fā)現(xiàn)退火態(tài)、固溶淬火態(tài)以及時效態(tài)的翻邊直徑依次減小，平均直徑分別為79.66 mm、78.04 mm、76.78 mm，后兩種熱處理態(tài)板料在10 kV放電電壓下均未形成滿足要求的直壁翻邊特征，與前文分析結(jié)論一致，即經(jīng)熱處理后板料成形難度有所增加。由此可知，在同等放電能量下，退火態(tài)2219鋁合金板料最易成形，固溶淬火態(tài)次之，時效態(tài)成形難度最高，即全流程工藝路線1最易實現(xiàn)。

圖5 不同熱處理狀態(tài)電磁翻邊成形件

圖6 不同熱處理狀態(tài)電磁翻邊直徑

僅將電磁翻邊工藝對不同熱處理狀態(tài)下板料的成形性能影響作為參考依據(jù)顯然不夠，因為熱處理工藝中極易出現(xiàn)淬火畸變等現(xiàn)象，其是否會對電磁翻邊后的成形件精度造成影響仍有待研究。電磁翻邊成形后的翻邊孔需與其他管路相連，其形狀尺寸精度要求較高，因此，不能忽略淬火對工件的尺寸精度影響，應該綜合考量工件在不同工藝路線下的成形性能和成形精度。

為研究固溶淬火對翻邊件精度的影響，基于圖5中退火態(tài)板料電磁翻邊后的成形件，按照全流程工藝路線1進行下一步固溶淬火處理，沿其周向進行劃分，測量電磁翻邊后和固溶淬火后成形件各個角度方向上的翻邊直徑，結(jié)果如圖7所示。由圖7可知，在電磁翻邊后，成形件圓周各角度方向上的直徑大于79.5 mm，滿足成形要求，并且數(shù)值波動較小，保證了良好的均勻度；經(jīng)后續(xù)固溶淬火后，成形件圓周各角度上的直徑均發(fā)生了不同程度的變化，甚至在90°和150°方向上，直徑減小至79.5 mm以下，無法滿足尺寸精度要求。綜上，雖然全流程工藝路線1的成形難易程度最低，但是后續(xù)的固溶淬火對翻邊特征區(qū)域的尺寸精度造成了嚴重的不利影響，故此工藝路線無法滿足航空航天結(jié)構(gòu)件的高精度要求。

圖7 淬火對翻邊特征區(qū)域尺寸精度的影響

為保證成形件的形狀和尺寸精度，電磁翻邊工藝需安排在固溶淬火工藝之后，即對應全流程工藝路線2和路線3。相較于路線3，路線2將電磁翻邊工藝安排在固溶淬火工藝之后，由上文可知其成形難度更低，能量需求也更低，且后續(xù)的時效處理采用空冷，避免了淬火急冷過程中的構(gòu)件畸變問題，其精度可得到有效保證。綜上，路線2是一種更為高效節(jié)能的選擇，即本文優(yōu)選出的電磁翻邊全流程工藝路線為：退火—固溶淬火—電磁翻邊—人工時效。

3 工藝實現(xiàn)及結(jié)果討論

3.1 尺寸精度

根據(jù)本文優(yōu)選的退火—固溶淬火—電磁翻邊—人工時效全流程工藝路線開展實驗，將2219-O鋁合金板料進行固溶淬火處理，隨后進行電磁翻邊實驗，得到圖8所示的不同放電電壓下的成形件，由圖8知，在10～12 kV放電電壓下，板料均產(chǎn)生了較大的塑性變形，成形件翻邊特征區(qū)域表面質(zhì)量良好，無裂紋產(chǎn)生。

圖8 不同放電電壓下固溶淬火態(tài)板料電磁翻邊成形件

各成形件的翻邊直徑如圖9所示，固溶淬火后板料強度上升，電導率下降，使電磁翻邊難度有所增加，故當放電電壓為10 kV時，翻邊直徑距離目標值還有較大差距，未形成直壁翻邊特征。隨著放電電壓的增加，電磁力增大，翻邊直徑增大，直到放電電壓增加至12 kV時，成形件貼膜良好，翻邊直徑達到79.68 mm。進一步測量其直壁高度為4.68 mm，邊緣厚度為2.5 mm，減薄率為16.7%，所有尺寸均滿足成形精度要求，此時的放電能量為退火態(tài)板料電磁翻邊所需能量的1.44倍。

圖9 不同放電電壓下固溶淬火態(tài)板料電磁翻邊成形件的翻邊直徑

電磁翻邊后，將成形件進行人工時效處理，隨后對其周向翻邊直徑進行測量，得到圖10所示的最終成形件周向翻邊直徑分布，可以看出，成形件圓周各方向的直徑均大于79.5 mm，并且數(shù)值波動范圍為±0.08 mm，保持了良好的周向均勻度。結(jié)合上文的理論分析，經(jīng)過退火—固溶淬火—電磁翻邊—人工時效的全流程工藝路線，即將電磁成形安排在固溶淬火之后，通過適當提高放電電壓，有效避免了淬火帶來的畸變問題，最后的人工時效也可以保證翻邊件均勻的周向尺寸分布，其成形質(zhì)量可以得到保證。

圖10 最終成形件周向翻邊直徑分布

3.2 力學性能

硬度和抗拉強度能反映材料的彈塑性變形特征,是兩個重要的力學性能指標。研究表明，硬度與抗拉強度成正相關(guān)[22]，即材料強度越高，塑性變形抗力越大，硬度值也越高。硬度實驗由于操作簡單，測試快捷，因而被廣泛用于材料的力學性能測試。本文對電磁翻邊前后的成形件進行硬度測試，進一步研究其在不同工藝下的力學性能。使用型號為TMVS-1的數(shù)顯顯微維氏硬度計對全流程工藝路線下成形件特征區(qū)域的側(cè)截面進行硬度測試，加載力9.8 N，持續(xù)加載時間20 s。測試位置如圖11所示，沿成形件直壁區(qū)至法蘭區(qū)均勻取點，共測試20個試樣點，其中1～7為直壁區(qū)，8～17號為圓角區(qū)，18～20號為法蘭區(qū)。

圖11 成形件硬度測試位置示意圖

成形件截面特征區(qū)域的顯微硬度分布如圖12所示，可以看出，無論熱處理與否，經(jīng)電磁翻邊工藝得到的成形件，特征區(qū)域的硬度均有所提升，并且分布規(guī)律均勻一致，直壁區(qū)硬度最大，圓角區(qū)次之，法蘭區(qū)最小，接近于板料的原始硬度。硬度的分布特征是由各特征區(qū)域的變形量不一致導致的，塑性變形量越大的區(qū)域，加工硬化現(xiàn)象越顯著，硬度提升效果越明顯。

圖12 成形件特征區(qū)域的截面硬度測試結(jié)果

全流程工藝路線下的成形件較未經(jīng)熱處理強化的成形件，各特征區(qū)域硬度均大幅提升，直壁區(qū)硬度從68 HV左右提升至110 HV左右，未變形區(qū)域硬度從49 HV左右提升至95 HV左右，分別提高了62%和94%。硬度的均勻分布和大幅提升表明電磁翻邊全流程工藝可以綜合熱處理組織強化和電磁形變強化的強化效果，充分發(fā)揮材料潛力，使成形件力學性能得到大幅提升，優(yōu)選的電磁翻邊全流程工藝能更好地滿足航空航天領(lǐng)域構(gòu)件日趨嚴苛的服役環(huán)境。

4 結(jié)論

(1)淬火畸變嚴重影響了翻邊特征區(qū)域的尺寸精度，且隨著熱處理工藝的進行，板料電磁翻邊的成形難度逐步增加，因此，綜合考量尺寸精度要求和成形難易程度，本文提出的最優(yōu)電磁翻邊全流程工藝路線為：退火—固溶淬火—電磁翻邊—人工時效。

(2)根據(jù)所提出的全流程工藝路線，獲得了成形質(zhì)量高的電磁翻邊件，所有尺寸均滿足精度要求。翻邊直徑79.68 mm，直壁高度4.68 mm，邊緣最大減薄率16.7%，時效后成形件周向直徑波動±0.08 mm，具有良好的周向均勻度。

(3)全流程工藝路線較單一電磁成形下的成形件，各特征區(qū)域強度分布均勻且大幅提升，直壁區(qū)強度提升62%，未變形區(qū)域強度提升94%，這意味著電磁翻邊全流程工藝可以綜合熱處理組織強化和電磁形變強化的強化效果，充分發(fā)揮材料潛力，能更好地滿足航空航天領(lǐng)域構(gòu)件日趨嚴苛的服役環(huán)境。