專(zhuān)利名稱(chēng)：使鋁合金結(jié)構(gòu)成型的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及使由鋁合金作成的結(jié)構(gòu)成型的方法，尤其是使由天然硬質(zhì)的AlMg合金、天然硬質(zhì)的AlMgSc合金和/或可時(shí)效硬化的AlMgLi合金作成的結(jié)構(gòu)成型的方法。
在航空及航天技術(shù)中需要具有高強(qiáng)度及剛度的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，它們從重量及空氣動(dòng)力學(xué)的觀點(diǎn)必需具有最佳的設(shè)計(jì)。這種結(jié)構(gòu)或者說(shuō)成型部件例如包括機(jī)翼外表面，用于航天飛機(jī)的覆蓋及油箱部件，具有結(jié)構(gòu)加強(qiáng)部件如桁條及框架的飛機(jī)機(jī)身面。這些由鋁合金作的成型部件的輪廓精確及符合圖紙的制造通常是困難的及需要單個(gè)部件的多個(gè)成型步驟及相應(yīng)的中間退火處理。
將焊接整體結(jié)構(gòu)技術(shù)應(yīng)用在飛機(jī)制造中的前提是使用了可良好焊接的、耐腐蝕的材料如AlMgSc合金及AlMgLi合金。這些合金由于其特性范圍僅具有很有限的延展性。由此使用傳統(tǒng)方法達(dá)到所需最終輪廓的造型是部分上不可能的，因?yàn)闆](méi)有足夠的形狀改變能力。
現(xiàn)有技術(shù)中通常將合金AA2024的板材作的外表區(qū)域在固溶退火狀態(tài)中借助拉形來(lái)成型。當(dāng)既可在冷也可在熱狀態(tài)中進(jìn)行的延拉時(shí)，公知地，使待成型結(jié)構(gòu)在一個(gè)或多個(gè)步驟或階段中成型(參見(jiàn)DE195 04 649 C1)。在此，使待成型結(jié)構(gòu)首先在縱向上及然后在模件上被拉伸，該模件具有所需的最終輪廓。
該方法的缺點(diǎn)是，在成型過(guò)程上材料中形成了內(nèi)部應(yīng)力，所述內(nèi)部應(yīng)力當(dāng)疊加了工作負(fù)荷時(shí)可導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的故障。此外成型到具有球形曲面即沿各個(gè)空間方向彎曲的結(jié)構(gòu)有困難及需要相應(yīng)設(shè)計(jì)的機(jī)器與形狀穩(wěn)定的工具。另外，待成型結(jié)構(gòu)通過(guò)夾爪的夾持通常使外邊緣上受傷，由此該區(qū)域必需譬如通過(guò)輪廓銑削來(lái)去除。這不僅導(dǎo)致材料損失而且需要另外的加工步驟，它又引起不必要的費(fèi)用及與此相關(guān)的時(shí)間花費(fèi)。
在室溫下成型時(shí)在AlMg合金上觀察到不連續(xù)的變形及特征表面現(xiàn)象的形成，該現(xiàn)象也被稱(chēng)為“Lueder sche Linien”并可對(duì)材料特性產(chǎn)生干擾影響。
此外已證實(shí)，AlMg合金族具有在L方向(軋制方向)r值最小的平面各向異性。這意味著，在拉形時(shí)材料流大部分由板厚度產(chǎn)生，因此導(dǎo)致待成型結(jié)構(gòu)過(guò)早的局部變薄及提前出現(xiàn)故障。另外由伸長(zhǎng)引起的板厚度減小將導(dǎo)致僅當(dāng)具有均勻延展度時(shí)才能得到符合圖紙的最終厚度，及由此對(duì)于具有大延展度差別的部件很難得以實(shí)現(xiàn)。
除拉形外還公知使用時(shí)效硬化方法來(lái)進(jìn)行成型，該方法例如在一個(gè)壓熱鍋或爐中在壓力及溫度作用下進(jìn)行，其中同時(shí)發(fā)生時(shí)效硬化效應(yīng)。該所謂的“時(shí)效成型”方法對(duì)于可時(shí)效硬化的2xxx，6xxx，7xxx及8xxx系列的Al合金可以使用。其中首先在壓力或力作用下使待成型結(jié)構(gòu)產(chǎn)生彈性變形。待成型結(jié)構(gòu)被緊靠在一個(gè)模件上，該模件具有比成品部件小的曲率半徑，以便考慮到所謂“回彈”效應(yīng)。因此待成型結(jié)構(gòu)首先超過(guò)所需最終形狀地被變形。通過(guò)接著加熱到該合金的特定時(shí)效硬化溫度在部分應(yīng)力張弛下發(fā)生形狀改變，如D.M.Hambrick的文章“在壓熱鍋中延展的時(shí)效成型技術(shù)”中所描述的，SAE技術(shù)論文集No.850885，-通用航空飛機(jī)會(huì)議及展覽，Wichita，Kansas，1985年4月16-19日。這導(dǎo)致部件在冷卻時(shí)一定程度的回彈量后才達(dá)到最終形狀。因此成型的結(jié)構(gòu)在冷卻及卸荷后具有比加熱前大的曲率半徑。這尤其在模件的制造上存在問(wèn)題，因?yàn)楸匦枰愿呔_度預(yù)計(jì)“回彈”效應(yīng)，以便這樣設(shè)計(jì)模件，即使得成品部件達(dá)到所需最終形狀。這就需要很費(fèi)事的“回彈”效應(yīng)仿真計(jì)算，例如在文獻(xiàn)EP0517982A1及EP0527570B1中所描述的。
除當(dāng)前使用的可時(shí)效硬化合金(例如AA2024，AA6013，AA6056)外，對(duì)于將來(lái)新一代的飛機(jī)開(kāi)發(fā)了新的天然硬質(zhì)的、即非可時(shí)效硬化的合金，它與已有合金不同出于冶金的原因不能固溶退火，因?yàn)檫@將導(dǎo)致不可逆的強(qiáng)度損失。因此該新材料使用傳統(tǒng)方法成型是有問(wèn)題的。由此對(duì)于制造雙重彎曲或球形的表面區(qū)域需要替換的方法。
因此本發(fā)明的任務(wù)是，提出一種方法，它能以簡(jiǎn)單的方式即盡可能少的方法步驟使根據(jù)本發(fā)明合金的復(fù)雜結(jié)構(gòu)無(wú)值得一提的回彈效應(yīng)地被成型。在此情況下應(yīng)同時(shí)使由加工余量引起的材料損失盡可能小。
根據(jù)本發(fā)明該任務(wù)這樣地解決由根據(jù)本發(fā)明合金作成的待成型部件在外力下被彈性地成形及達(dá)到其所需最終形狀；及接著使彈性成形的部件加熱到高于合金應(yīng)力張弛及蠕變成型所需溫度的一個(gè)溫度，以使得部件盡可能在保持其最終形狀的情況下被成型。
以此方式達(dá)到部件無(wú)值得一提的回彈量地在熱作用下被成型及在此幾乎保持通過(guò)彈性成形壓制的最終形狀。該部件在成型及接著的冷卻后原則上具有與熱處理前相同的曲率。這具有其優(yōu)點(diǎn)，即用于彈性成形所使用的模件或保持裝置可以足夠的精度具有與部件的理論形狀相同的形狀及由此不需要預(yù)計(jì)“回彈”效應(yīng)的復(fù)雜仿真計(jì)算。
根據(jù)第一實(shí)施形式，在熱處理前部件已達(dá)到其所需最終形狀的彈性成形可這樣實(shí)現(xiàn)在將待成型的部件放置在一個(gè)保持裝置中后，將外部力作用到部件上，由此在彈性成形的情況下使部件緊貼在保持裝置的輪廓上。其中外力可通過(guò)機(jī)械壓力或沖壓裝置傳遞，它在向著保持裝置的方向上壓部件。替換地，該彈性成形可通過(guò)一個(gè)外部壓力實(shí)現(xiàn)，它例如由一個(gè)抽真空的腔來(lái)產(chǎn)生。
根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施形式，合乎目的地，將外部力這樣地作用到放置在保持裝置中的部件上，以使得部件在向著保持裝置的方向上彈性地彎曲，由此在部件與保持裝置之間形成一個(gè)空腔。然后通過(guò)一個(gè)密封材料使該空腔密封及接著使該空腔抽真空。通過(guò)形成的真空在彈性成形的情況下使部件完全緊貼在保持裝置的輪廓上及取得所需最終形狀。然后在高于合金應(yīng)力張弛及蠕變成型所需溫度的溫度上通過(guò)熱作用使部件實(shí)現(xiàn)成型。
其優(yōu)點(diǎn)不僅在于保持裝置的輪廓相應(yīng)于待成型部件的所需最終形狀，而且在于這樣的事實(shí)，即通過(guò)外力作用的成形完全是彈性性質(zhì)的。這意味著，當(dāng)無(wú)任何外力作用在部件上時(shí)部件將又返回到原始形狀。因此可毫無(wú)問(wèn)題地進(jìn)行校正或重新放置。由外力作用引起的部件彈性成形由此可在任何時(shí)刻被重復(fù)。
合乎目的地，還在于部件以從20℃/s至10℃/h的加熱速度被加熱到高于合金應(yīng)力張弛及蠕變成型所需溫度的一個(gè)最大溫度上及接著使部件以200℃/s至10℃/h的速率被冷卻。最好該最大溫度處于200℃與450℃之間及典型地恒定保持0至72h的時(shí)間間隔。
對(duì)此有利的是，在所述的區(qū)域中加熱或冷卻速率及最大溫度可以適配所使用的合金或所需的物理特性。此外在實(shí)施了該方法后還可再進(jìn)行新的成型，這對(duì)于公知技術(shù)是不可能的或僅能有條件地實(shí)現(xiàn)。
根據(jù)本發(fā)明方法的另一優(yōu)點(diǎn)在于，無(wú)論是簡(jiǎn)單彎曲還是球形結(jié)構(gòu)可在一個(gè)工作步驟中成型。為此保持裝置具有的曲面延伸在不同的空間方向上及相應(yīng)于待成型部件的最終成品輪廓。此外除2維外，已固定了桁條及框架的復(fù)雜的3維結(jié)構(gòu)也可用簡(jiǎn)單的方式方法成型。同時(shí)，由在先焊接過(guò)程的熱應(yīng)力引起的變形可通過(guò)本發(fā)明的成型方法得以補(bǔ)償。
以下將借助附圖來(lái)詳細(xì)地描述本發(fā)明。附圖為

圖1用于說(shuō)明一個(gè)待成型的部件放入一個(gè)保持裝置中的概要視圖；圖2用于說(shuō)明在待成型的部件上作用外力的概要視圖；圖3根據(jù)本發(fā)明的成型步驟的概要視圖；及圖4部件成型所需的熱處理的T(t)曲線圖。
圖1表示用于說(shuō)明一個(gè)待成型的部件1放入一個(gè)保持裝置2中的概要視圖。待成型的部件1可以是一個(gè)由軋制硬化、天然硬質(zhì)的材料作成的二維板。也可以在板上通過(guò)摩擦攪動(dòng)焊接、激光焊接或其它適當(dāng)?shù)姆椒ㄔO(shè)置了加固件(未示出)，由此使待變形的結(jié)構(gòu)具有一個(gè)三維構(gòu)型。在此情況下該板將被這樣放置到保持裝置2中，即加強(qiáng)結(jié)構(gòu)背向保持裝置2。通?？蓪⑷我獾摹?fù)雜的三維結(jié)構(gòu)放置在保持裝置中以便成型，它尤其由一個(gè)天然硬質(zhì)的、即不可時(shí)效硬化的鋁合金組成。所述不可時(shí)效硬化的鋁合金可為AlMg合金或尤其是AlMgSc合金。但也可使用可時(shí)效硬化的AlMgLi合金。
待成型部件1將放置到其中的保持裝置2具有一個(gè)形狀或輪廓2a，該輪廓相應(yīng)于待成型部件1的所需最終形狀。以下將部件1的最終形狀用標(biāo)號(hào)1a指示。保持裝置2的彎曲部分既可延伸在圖1所示的平面中也可延伸在與其垂直的平面中，由此該部件在一個(gè)工作步驟中可變形成具有球狀或雙曲率的最終形狀。
部件1起初以其未變形的狀態(tài)被放置到保持裝置2中。在此，在部件1與保持裝置2之間留有一個(gè)空腔3。接著在該未變形的部件1上從上面、即從部件1背離保持裝置2的一側(cè)上施加一個(gè)力F。該力F例如可通過(guò)在圖1中僅概要表示的凸?；蚣訅貉b置4傳遞到部件1上。也可使用其它適合的裝置來(lái)施加該外力。例如在保持裝置及部件所在的抽成真空的室內(nèi)施加外壓力P。還可以將力F及壓力P相組合。
由于外部力F和/或P的作用，部件1被這樣地彈性成形，即它向著保持裝置2的方向彎曲。如從圖2中可看到的，其中彈性成形的部件1的曲率半徑大于保持裝置2的曲率半徑，以致在部件1及保持裝置2之間還存在一個(gè)空腔3。但該空腔3的容積與圖1中所示初始狀態(tài)相比小了一些。由外力作用產(chǎn)生的部件1的彈性成形將導(dǎo)致部件1與保持裝置2之間接觸面加大，及由此在使用密封材料5的情況下空腔3可被氣密地封閉。這里密封材料5典型為一種耐溫度的、改良的硅材料，它被設(shè)置在部件1的邊緣區(qū)域上。
在密封后使部件1及保持裝置2之間的空腔3抽真空。為此，在保持裝置2中設(shè)有透孔6。通過(guò)該透孔使空腔3連接在一個(gè)真空泵(未示出)上。通過(guò)抽真空在空腔中形成了真空p，由此將部件1進(jìn)一步地向著保持裝置2的方向拉，直到部件1完全地貼靠在保持裝置2的輪廓2a上為止，如圖3中所示?？梢钥吹剑趫D3的視圖上已去除凸?；蚣訅貉b置。此外該裝置可設(shè)置在一個(gè)封閉的殼體7中，例如一個(gè)爐、壓熱鍋或類(lèi)似裝置中。
在這方面還應(yīng)注意到，當(dāng)一個(gè)或多個(gè)外部力F和/或P足夠使部件完全壓到保持裝置2的輪廓2a上的情況下，可不進(jìn)行空腔的抽真空。這例如是，薄金屬板或很小彎曲的結(jié)構(gòu)被成型時(shí)。
在圖3中所示狀態(tài)中，部件1開(kāi)始處于彈性成形的狀態(tài)，以致當(dāng)再無(wú)任何外力作用于部件上時(shí)，該變形是可逆的及該過(guò)程可重新進(jìn)行。這就是說(shuō)，當(dāng)無(wú)任何外力作用于待成型部件上時(shí)，該部件又回到它的未變形的原始狀態(tài)。因此可以在任何時(shí)候毫無(wú)問(wèn)題地校正。
當(dāng)部件通過(guò)上述步驟由彈性成形形成其最終形狀1a后，該部件1將在封閉的殼體7內(nèi)在維持真空的情況下被熱處理。通過(guò)加熱使部件1在于彈性成形期間在材料中產(chǎn)生的應(yīng)力發(fā)生應(yīng)力張弛(Relaxation)的情況下被成型。在通過(guò)熱作用的應(yīng)力張弛結(jié)束后可停止真空及接著開(kāi)始冷卻階段。在此情況下該部件幾乎保持由保持裝置的輪廓預(yù)給定的最終形狀1a，而不會(huì)出現(xiàn)顯著的回彈量。
在此，根據(jù)圖4所示的概要T(t)曲線來(lái)進(jìn)行熱處理。在真空狀態(tài)，即部件1完全接觸在保持裝置2的輪廓2a上時(shí)，部件1被加熱到最高溫度T1，它高于合金應(yīng)力張弛及蠕變成型所需的溫度，它典型地大于或等于200℃。在此，該部件在第一時(shí)間間隔Δt1中以20℃/s與10℃/h之間的加熱速度被加熱到所需目標(biāo)溫度T1。這里，加熱速率也可不同于圖4所示的連續(xù)變化的曲線，在時(shí)間間隔Δt1中分級(jí)地或以其它合適方式變化。最高溫度T1典型地在200℃與450℃之間，它將在時(shí)刻t1上達(dá)到。該溫度接著在時(shí)間間隔Δt2中被保持恒定，其中Δt2通常在0與72h之間。在該時(shí)間間隔Δt2中實(shí)現(xiàn)了部件的主要應(yīng)力張弛。在該時(shí)間間隔后，即在時(shí)刻t2上可斷開(kāi)真空及接著典型以200℃/s至10℃/h的速率開(kāi)始一個(gè)冷卻階段。如圖4概要表示地，該冷卻可連續(xù)地進(jìn)行，或也可分級(jí)地進(jìn)行。在此，冷卻可通過(guò)常規(guī)的空氣冷卻或以其它合適方式進(jìn)行。
重要的是，在冷卻處理期間部件幾乎保持它由保持裝置2的輪廓2a預(yù)給定的最終形狀1a。不會(huì)出現(xiàn)其形狀顯著地回彈到大于保持裝置的曲率半徑。因此，可以以足夠精度以所需最終形狀的尺寸來(lái)制造保持裝置。不需要進(jìn)行回彈效應(yīng)的復(fù)雜仿真計(jì)算，例如對(duì)于傳統(tǒng)可時(shí)效硬化的通過(guò)“時(shí)效成型”(“age forming”)方法成型的合金就是該情況。
如開(kāi)始部分所述，作為待成型的部件不僅涉及由上述鋁合金作成的二維金屬板，而且也涉及三維的形狀，所述形狀可被成型為所希望的雙重彎曲或球狀構(gòu)型。因此不必要在焊接工序前進(jìn)行彎曲部件的高成本制造。而這在迄今必需的，因?yàn)榘寮拌鞐l在接近最終輪廓狀態(tài)中通過(guò)譬如激光焊接進(jìn)行連接。
此外通過(guò)激光焊接引起的部件的扭曲或板的不平度或波度(也稱(chēng)Zeppelin效應(yīng))-例如借助激光焊接方法在固定桁條時(shí)在板中產(chǎn)生的-可在圖3中概要表示的成型處理期間幾乎全被補(bǔ)償。因此根據(jù)本發(fā)明的方法還具有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，即它幾乎完全補(bǔ)償了這種不平度，而不需要復(fù)雜的后處理方法或矯正過(guò)程。
此外，根據(jù)本發(fā)明的方法僅有很少的材料損失，因?yàn)椴槐厍械艨v向邊的邊緣區(qū)域，在傳統(tǒng)的成型方法中在所述縱向邊上被導(dǎo)入了拉伸力。
權(quán)利要求
1.使由鋁合金、尤其是使由天然硬質(zhì)的AlMg合金、天然硬質(zhì)的AlMgSc合金和/或可時(shí)效硬化的AlMgLi合金作成的結(jié)構(gòu)成型的方法，其特征在于使一個(gè)待成型的部件(1)在外部力(F，P，p)作用下彈性成形到一個(gè)預(yù)給定的輪廓(2a)；及使得被彈性成形的部件(1)加熱到高于合金應(yīng)力張弛及蠕變成型所需溫度的一個(gè)溫度(T1)，以使得部件(1)在保持所述輪廓(2a)的情況下被成型。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征在于所述彈性成形包括以下步驟將一個(gè)待成型的部件(1)放置在一個(gè)保持裝置(2)中，該保持裝置具有與待成型的部件(1)的所需最終形狀(1a)相應(yīng)的輪廓(2a)，將外部力(F，P，p)作用到部件(1)上，由此通過(guò)彈性成形使部件(1)緊貼到保持裝置(2)的輪廓(2a)上。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征在于彈性成形包括以下步驟將待成型的部件(1)放置在一個(gè)保持裝置(2)中，該保持裝置具有與待成型的部件(1)的所需最終形狀(1a)相應(yīng)的輪廓(2a)，將外部力(F，P)作用到部件(1)上，由此使部件(1)在向著保持裝置(2)的方向上彈性地彎曲；借助一個(gè)密封材料(5)使形成在部件(1)與保持裝置(2)之間的空腔(3)密封；及將空腔(3)抽真空，由此使部件(1)緊貼在保持裝置(2)的輪廓(2a)上及取得所需最終形狀(1a)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征在于部件(1)以從20℃/s至10℃/h的加熱速度被加熱到溫度(T1)；在0與72h之間的時(shí)間間隔上保持該溫度(T1)；及接著使部件(1)以200℃/s至10℃/h的速率冷卻。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征在于溫度(T1)處于200℃與450℃之間。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征在于放置在保持裝置(2)中的部件(1)被成型為具有單一彎曲輪廓、雙重彎曲輪廓或球形輪廓的部件。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征在于將復(fù)雜的2維或3維結(jié)構(gòu)放置到保持裝置(2)中，以便成型。
8.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征在于待成型的部件(1)由天然硬質(zhì)的AlMg合金組成。
9.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征在于待成型的部件(1)由天然硬質(zhì)的AlMgSc合金組成。
10.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征在于待成型的部件(1)由可時(shí)效硬化的AlMgLi合金組成。
11.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征在于待成型的部件(1)由根據(jù)權(quán)利要求8-10中的材料的組合構(gòu)成。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種使由鋁合金、尤其是使由天然硬質(zhì)的AlMg合金、天然硬質(zhì)的AlMgSc合金和/或可時(shí)效硬化的AlMgLi合金作成的復(fù)雜結(jié)構(gòu)成型的方法。本發(fā)明的任務(wù)是，提出一種上述類(lèi)型的方法，借助它以簡(jiǎn)單方式、即以盡可能少的處理步驟使根據(jù)本發(fā)明的合金組成的復(fù)雜結(jié)構(gòu)這樣地成型，即它們無(wú)顯著回彈量地幾乎保持其最終形狀。在此，可使材料的損失盡可能地少。該任務(wù)根據(jù)本發(fā)明通過(guò)以下步驟實(shí)現(xiàn)使一個(gè)待成型的部件(1)在外部力(F，P，p)作用下彈性成形為一個(gè)預(yù)給定輪廓(2a)；及使彈性成形的部件(1)加熱到高于合金應(yīng)力張弛及蠕變成型所需溫度的溫度T1，以使得部件(1)在保持輪廓(2a)的情況下被成型。
文檔編號(hào)B21D26/02GK1455711SQ01815534
公開(kāi)日2003年11月12日 申請(qǐng)日期2001年8月25日 優(yōu)先權(quán)日2000年9月26日
發(fā)明者斯特凡尼·延布, 克努特·尤爾, 布蘭卡·蘭喬夫斯基 申請(qǐng)人:Eads德國(guó)有限公司