铝合金板料电磁翻边全流程工艺研究

谢冰鑫 黄 亮 黄 攀 李建军 苏红亮

1. 华中科技大学材料科学与工程学院，武汉，430074

2. 华中科技大学材料成形与模具技术国家重点实验室，武汉，430074

0 引言

高性能轻质铝合金材料具有低密度、高比强度以及优良的导电导热性、焊接性和抗腐蚀性等优点，是航空航天装备实现轻量化的首选材料，广泛应用于飞机蒙皮、翼肋和航天运载火箭的推进剂贮箱等[1-3]。以航天运载火箭的推进剂贮箱为例，为方便贮箱与管路之间的连接，需要在经整体成形后的箱体底部进一步成形出局部翻边孔，然而传统凹凸模成形存在设备结构复杂、工艺流程繁琐、柔性化程度低等问题，随着构件尺寸的增加，对设备吨位和装配过程也提出了更高的要求，且铝合金材料在室温下成形性能较差，塑性流动困难且难以调控，易出现失稳起皱、过度减薄甚至开裂和回弹量大等缺陷，严重影响构件成形精度和成形质量[4-5]，以上成形成性问题制约了铝合金材料在复杂结构中的应用。

电磁成形(electromagnetic forming, EMF)是一种新兴的高能率成形技术，基于电磁感应原理和楞次定律，其利用瞬时电磁力使金属材料发生高速塑性变形，应变率达103～104s-1，具有单模成形、成形柔性高，显著提高材料成形极限并减小回弹、抑制起皱等优点，可以有效实现难变形材料的精密塑性成形，为解决难变形材料在传统成形方式中所面临的问题提供了一个全新的思路[6-10]。国内外学者对电磁翻边工艺进行了变形机制、成形工艺和数值模拟等方面的研究[11-16]，并通过实验得到了成形质量优良、贴膜效果佳的高精度翻边成形件，为电磁成形技术的应用提供了重要参考。

航空航天用铝合金构件在使用过程中要承受巨大压力，同时在地面运输、空中飞行时要承受冲击、振动等随机载荷[17]，要求火箭贮箱结构具有更高的强度和较好的塑性来满足实际服役条件。热处理是铝合金材料主要强化手段之一，2219铝合金的热处理工艺主要为固溶淬火和时效，国内外学者的研究主要聚焦于热处理温度和时间等参数对材料微观组织演变及力学性能的影响规律，通过优化工艺参数获得了可观的热处理强化制度，但材料强度塑性冲突依然明显[18-20]。还需要重点关注的一点是，构件淬火后由于内部温度场分布不均和组织演变引起的体积和应力不均，使得构件极易产生变形，严重影响了构件的尺寸精度，因此，热处理在改善构件性能的同时不可避免地降低了成形精度[21]。目前将热处理与构件电磁成形相结合的复合工艺研究报道较少，构件成形成性的全流程研究有待探索。

针对以上问题，本文提出一种电磁成形复合热处理强化的全流程工艺，通过规程控制提出3条可行的全流程工艺路线，综合考量热处理和电磁成形之间的相互作用及其对成形质量的影响后，确定最优的全流程路线；通过全流程工艺实验获得成形件，验证全流程工艺下翻边件的成形成性优异性，从而实现铝合金材料成形成性的一体化调控，为电磁成形复合热处理工艺在航天领域的应用提供参考与依据。

1 材料及方法

1.1 实验材料

实验所用材料为退火态(即O态)2219铝合金，具有良好的高低温力学性能、抗应力腐蚀性能、机械加工性能、断裂韧性及可焊性等，广泛应用于航空航天领域，其化学成分和相关力学参数分别见表1、表2，实验板料几何尺寸如图1所示，厚度为3 mm。

表1 2219铝合金化学成分组成(质量分数)

表2 2219-O铝合金材料参数

图1 电磁翻边实验板料几何尺寸

1.2 设备与工装

本研究所用电磁成形机设备型号为HMF-30/213-150，最大放电能量192 kJ，放电电压0～30 kV，电容器组由多个模块组合而成，总电容426 μF，成形时可根据实际需求设定相应电容。热处理所用设备是型号为KBF11Q的气氛箱式炉，最多可设置40段程序进行温度调节，炉内温度差为±3 ℃，温度显示误差为±1 ℃。

电磁翻边几何模型如图2所示，其翻边成形后需获得直壁翻边特征，翻边直径需控制在(80±0.5)mm范围内，在获得满足要求的直壁翻边特征前提下，翻边成形件的直壁高度不低于4.5 mm，边缘减薄率不高于30%。图3所示为电磁翻边实验所用工装，主要包括成形线圈、线圈固定座、板料、凹模、压边圈、模座、导柱、紧固螺栓等。

1.3 热处理工艺与参数

(a) UG三维造型

图3 电磁翻边实验工装

2219铝合金是一种典型的可热处理强化铝合金，该材料的出厂状态一般为退火态，其强度和硬度都不高，无法满足实际工业需求，因此，需进行热处理工艺以提高其强度。本研究采用的热处理工艺路线如图4所示，固溶535 ℃/40 min，水淬转移时间不超过10 s；人工时效175 ℃/6 h，随后空冷。为了保证固溶和时效温度的准确性，升温阶段采用先20 ℃/min后1 ℃/min的两段式加热方式，防止炉内温度接近目标温度时因升温过快而超过目标温度,热处理工艺均通过气氛箱式炉设置3段程序实现。

图4 热处理工艺路线

2 全流程工艺路线

针对电磁成形翻边工艺，将其与热处理工艺结合，通过规程控制确定最优的全流程工艺路线，从而得到成形质量高、力学性能优良的成形件，可为电磁翻边工艺的实际工业应用提供参考与依据。铝合金的热处理工艺中，时效处理一般安排在固溶淬火之后，由此可制定表3所示的3条全流程工艺路线，再对3条全流程工艺路线进行评估，以确定最优路线。

表3 全流程工艺路线设计

各热处理状态下材料的屈服强度和抗拉强度等参数见表4，可以看出，退火态的屈服强度和抗拉强度最低，依次经过固溶淬火和人工时效处理之后，屈服强度和抗拉强度均大幅提升，屈服强度分别提高了109%和218%，材料强度的提高也意味着电磁成形的难度随之增加。热处理工艺对材料性能另一方面的影响是电导率的变化，退火态的2219铝合金电导率最高，为2.61×107S/m，经固溶淬火和人工时效后，电导率均下降了38%。需要关注的是，电磁成形工艺过程中，在同等放电能量下，电导率越高的材料，内部感应电流密度越高，其所受的电磁力就越大，成形更容易。由以上分析可知，经过固溶淬火和人工时效两种热处理工艺后，板料的强度显著提升，同时电导率下降，使电磁成形的难度有所增加。

表4 不同热处理工艺下2219铝合金材料参数对比

为进一步探究电磁翻边工艺对不同热处理状态下板料成形性能的影响，在充电电容213 μF、放电电压10 kV条件下，分别对3种热处理态的板料进行电磁翻边实验，得到图5所示的成形件。从外观上可以看出，板料都产生了明显的塑性变形，且各成形件翻边特征区域表面质量良好，均无裂纹产生。进一步对成形件翻边直径进行测量，得到图6所示的翻边直径对比。可以发现退火态、固溶淬火态以及时效态的翻边直径依次减小，平均直径分别为79.66 mm、78.04 mm、76.78 mm，后两种热处理态板料在10 kV放电电压下均未形成满足要求的直壁翻边特征，与前文分析结论一致，即经热处理后板料成形难度有所增加。由此可知，在同等放电能量下，退火态2219铝合金板料最易成形，固溶淬火态次之，时效态成形难度最高，即全流程工艺路线1最易实现。

图5 不同热处理状态电磁翻边成形件

图6 不同热处理状态电磁翻边直径

仅将电磁翻边工艺对不同热处理状态下板料的成形性能影响作为参考依据显然不够，因为热处理工艺中极易出现淬火畸变等现象，其是否会对电磁翻边后的成形件精度造成影响仍有待研究。电磁翻边成形后的翻边孔需与其他管路相连，其形状尺寸精度要求较高，因此，不能忽略淬火对工件的尺寸精度影响，应该综合考量工件在不同工艺路线下的成形性能和成形精度。

为研究固溶淬火对翻边件精度的影响，基于图5中退火态板料电磁翻边后的成形件，按照全流程工艺路线1进行下一步固溶淬火处理，沿其周向进行划分，测量电磁翻边后和固溶淬火后成形件各个角度方向上的翻边直径，结果如图7所示。由图7可知，在电磁翻边后，成形件圆周各角度方向上的直径大于79.5 mm，满足成形要求，并且数值波动较小，保证了良好的均匀度；经后续固溶淬火后，成形件圆周各角度上的直径均发生了不同程度的变化，甚至在90°和150°方向上，直径减小至79.5 mm以下，无法满足尺寸精度要求。综上，虽然全流程工艺路线1的成形难易程度最低，但是后续的固溶淬火对翻边特征区域的尺寸精度造成了严重的不利影响，故此工艺路线无法满足航空航天结构件的高精度要求。

图7 淬火对翻边特征区域尺寸精度的影响

为保证成形件的形状和尺寸精度，电磁翻边工艺需安排在固溶淬火工艺之后，即对应全流程工艺路线2和路线3。相较于路线3，路线2将电磁翻边工艺安排在固溶淬火工艺之后，由上文可知其成形难度更低，能量需求也更低，且后续的时效处理采用空冷，避免了淬火急冷过程中的构件畸变问题，其精度可得到有效保证。综上，路线2是一种更为高效节能的选择，即本文优选出的电磁翻边全流程工艺路线为：退火—固溶淬火—电磁翻边—人工时效。

3 工艺实现及结果讨论

3.1 尺寸精度

根据本文优选的退火—固溶淬火—电磁翻边—人工时效全流程工艺路线开展实验，将2219-O铝合金板料进行固溶淬火处理，随后进行电磁翻边实验，得到图8所示的不同放电电压下的成形件，由图8知，在10～12 kV放电电压下，板料均产生了较大的塑性变形，成形件翻边特征区域表面质量良好，无裂纹产生。

图8 不同放电电压下固溶淬火态板料电磁翻边成形件

各成形件的翻边直径如图9所示，固溶淬火后板料强度上升，电导率下降，使电磁翻边难度有所增加，故当放电电压为10 kV时，翻边直径距离目标值还有较大差距，未形成直壁翻边特征。随着放电电压的增加，电磁力增大，翻边直径增大，直到放电电压增加至12 kV时，成形件贴膜良好，翻边直径达到79.68 mm。进一步测量其直壁高度为4.68 mm，边缘厚度为2.5 mm，减薄率为16.7%，所有尺寸均满足成形精度要求，此时的放电能量为退火态板料电磁翻边所需能量的1.44倍。

图9 不同放电电压下固溶淬火态板料电磁翻边成形件的翻边直径

电磁翻边后，将成形件进行人工时效处理，随后对其周向翻边直径进行测量，得到图10所示的最终成形件周向翻边直径分布，可以看出，成形件圆周各方向的直径均大于79.5 mm，并且数值波动范围为±0.08 mm，保持了良好的周向均匀度。结合上文的理论分析，经过退火—固溶淬火—电磁翻边—人工时效的全流程工艺路线，即将电磁成形安排在固溶淬火之后，通过适当提高放电电压，有效避免了淬火带来的畸变问题，最后的人工时效也可以保证翻边件均匀的周向尺寸分布，其成形质量可以得到保证。

图10 最终成形件周向翻边直径分布

3.2 力学性能

硬度和抗拉强度能反映材料的弹塑性变形特征,是两个重要的力学性能指标。研究表明，硬度与抗拉强度成正相关[22]，即材料强度越高，塑性变形抗力越大，硬度值也越高。硬度实验由于操作简单，测试快捷，因而被广泛用于材料的力学性能测试。本文对电磁翻边前后的成形件进行硬度测试，进一步研究其在不同工艺下的力学性能。使用型号为TMVS-1的数显显微维氏硬度计对全流程工艺路线下成形件特征区域的侧截面进行硬度测试，加载力9.8 N，持续加载时间20 s。测试位置如图11所示，沿成形件直壁区至法兰区均匀取点，共测试20个试样点，其中1～7为直壁区，8～17号为圆角区，18～20号为法兰区。

图11 成形件硬度测试位置示意图

成形件截面特征区域的显微硬度分布如图12所示，可以看出，无论热处理与否，经电磁翻边工艺得到的成形件，特征区域的硬度均有所提升，并且分布规律均匀一致，直壁区硬度最大，圆角区次之，法兰区最小，接近于板料的原始硬度。硬度的分布特征是由各特征区域的变形量不一致导致的，塑性变形量越大的区域，加工硬化现象越显著，硬度提升效果越明显。

图12 成形件特征区域的截面硬度测试结果

全流程工艺路线下的成形件较未经热处理强化的成形件，各特征区域硬度均大幅提升，直壁区硬度从68 HV左右提升至110 HV左右，未变形区域硬度从49 HV左右提升至95 HV左右，分别提高了62%和94%。硬度的均匀分布和大幅提升表明电磁翻边全流程工艺可以综合热处理组织强化和电磁形变强化的强化效果，充分发挥材料潜力，使成形件力学性能得到大幅提升，优选的电磁翻边全流程工艺能更好地满足航空航天领域构件日趋严苛的服役环境。

4 结论

(1)淬火畸变严重影响了翻边特征区域的尺寸精度，且随着热处理工艺的进行，板料电磁翻边的成形难度逐步增加，因此，综合考量尺寸精度要求和成形难易程度，本文提出的最优电磁翻边全流程工艺路线为：退火—固溶淬火—电磁翻边—人工时效。

(2)根据所提出的全流程工艺路线，获得了成形质量高的电磁翻边件，所有尺寸均满足精度要求。翻边直径79.68 mm，直壁高度4.68 mm，边缘最大减薄率16.7%，时效后成形件周向直径波动±0.08 mm，具有良好的周向均匀度。

(3)全流程工艺路线较单一电磁成形下的成形件，各特征区域强度分布均匀且大幅提升，直壁区强度提升62%，未变形区域强度提升94%，这意味着电磁翻边全流程工艺可以综合热处理组织强化和电磁形变强化的强化效果，充分发挥材料潜力，能更好地满足航空航天领域构件日趋严苛的服役环境。