專利名稱：包括至少兩個彼此不同或具有不同冶金學(xué)狀態(tài)的鋁合金部件的焊接結(jié)構(gòu)構(gòu)件及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及焊接的鋁合金構(gòu)件，更具體地涉及包括兩個或更多個不同合金和/或韌度的部件的焊接結(jié)構(gòu)構(gòu)件。這些結(jié)構(gòu)構(gòu)件可以用于例如航空器構(gòu)造中。
背景技術(shù)：
眾所周知，當(dāng)制造用于航空構(gòu)造的半成品和結(jié)構(gòu)元件時，通常不能同時彼此獨(dú)立地優(yōu)化某些所需性能。這有時是一方面關(guān)于術(shù)語“靜態(tài)力學(xué)性能”總括下的性能(尤其是極限抗拉強(qiáng)度UTS和屈服應(yīng)力YS)，另一方面關(guān)于術(shù)語“損傷容限”總括下的性能(尤其是韌度和抗疲勞裂紋擴(kuò)展性)的情況。對于結(jié)構(gòu)元件的每一種預(yù)期應(yīng)用，需要尋求在靜態(tài)力學(xué)性能和損傷容限性能之間的適當(dāng)平衡。這在本說明書中指“性能平衡”。在性能平衡中根據(jù)需要可包括其他諸如抗腐蝕性之類的性能，并且在某些情況下，甚至有必要來限定在一組稱之為靜態(tài)力學(xué)性能或者損傷容限之內(nèi)的兩種或更多種性能之間的平衡，例如趨向于矛盾的屈服強(qiáng)度和拉伸度。對于某些部件或者結(jié)構(gòu)構(gòu)件尤其需要使性能平衡最優(yōu)化，對于它們?nèi)绻谝粋€幾何端進(jìn)行了靜態(tài)力學(xué)性能的優(yōu)化并且在另一個幾何端進(jìn)行了損傷容限的優(yōu)化，則可以獲得最好的效果。一般地，對頂部表層覆蓋物進(jìn)行靜態(tài)力學(xué)性能優(yōu)化，而對底部表層覆蓋物進(jìn)行損傷容限優(yōu)化。在過去的幾年里，已經(jīng)開發(fā)了新的合金用于頂部和底部表層鑲板(panel)，并且所述鑲板之間的性能差異越來越明顯。在連接頂部表層鑲板到底部表層鑲板的翼梁中，對上部進(jìn)行靜態(tài)力學(xué)性能優(yōu)化并對底部進(jìn)行損傷容限優(yōu)化是非常有意義的。但是，作為未焊接的整體結(jié)構(gòu)，翼梁由具有一種韌度的一種合金制成，必須做出選擇，目前一般選擇T76或T74韌度中的7040來利用這一合金所提供的屈服應(yīng)力和韌度之間的最佳折衷。例如，為了分別優(yōu)化翼梁的上部和下部，已經(jīng)提出用兩種不同的材料來制造翼梁?？梢灾圃煲环N機(jī)械固定結(jié)構(gòu)，但是成本高昂。提出了使用焊接連接該結(jié)構(gòu)。圖2示出了用于翼梁的這樣一種裝置。
在焊接技術(shù)中，可以分為兩種主要類別。在熔焊工藝?yán)珉娮椟c(diǎn)焊、閃光對接焊、激光焊、電弧焊、電子束焊等工藝中，在液相中，在要焊接元件的熔點(diǎn)之上產(chǎn)生焊縫。在摩擦焊接中，其中要焊接部件的相對運(yùn)動產(chǎn)生用于連接或者在摩擦攪動焊接中的熱量，其中一非自耗的旋轉(zhuǎn)摩擦焊接頭繞在兩個部件之間的接縫運(yùn)動來產(chǎn)生用于連接的熱量，在固相的熔點(diǎn)之下產(chǎn)生焊縫。
無論使用何種焊接技術(shù)，均會產(chǎn)生熱量，并且通過降低在焊縫和鄰近焊縫的區(qū)域(在此稱為熱影響區(qū))的強(qiáng)度，焊接對于所述不同材料的性能通常都具有損害。但是，熔焊技術(shù)的表現(xiàn)的確不同，并且不能通過所述熔焊技術(shù)進(jìn)行可靠焊接的許多合金，例如大多數(shù)2XXX和7XXX鋁合金系列，可以通過摩擦焊接或者摩擦攪動焊接來連接。
文獻(xiàn)WO 98/58759(British Aerospace)公開了一種通過摩擦攪動焊接來連接兩個部件以構(gòu)造機(jī)身部件的方法?？梢允褂盟龇椒ǐ@得諸如翼片表層鑲板、翼梁和翼肋等結(jié)構(gòu)化機(jī)身部件。該文獻(xiàn)描述了包括例如摩擦對焊到2000系列的7000系列鋁合金的混合鋁合金板坯。但是，在這一專利申請中沒有提供如何解決與可回火硬化鋁合金的摩擦攪動焊接有關(guān)的冶金學(xué)難題的提示。特別是，沒有談及熱影響區(qū)的低強(qiáng)度和低抗腐蝕性。
文獻(xiàn)US 6168067(McDonnell Douglas Corporation)中指出了一種在摩擦攪動焊接中減少材料性能下降的方法。具體而言，在溶液熱處理和淬火之后以及進(jìn)行回火之前進(jìn)行摩擦攪動焊接操作。鋁-鋅合金作為對于本發(fā)明有用的二元或三元合金的例子沒有提到。該專利也沒有提到連接不同的合金或者連接同一合金制成的不同韌度的構(gòu)件的可能性。在連接之前進(jìn)行的熱機(jī)處理對于要連接的兩個部件是相同的。該專利沒有提到在通過摩擦攪動焊接連接元件之前的回火，在摩擦攪動焊接操作過程中，結(jié)構(gòu)構(gòu)件處于不平衡的狀態(tài)。
文獻(xiàn)EP 0 995 511(Alcoa)中描述了在組合變形之前如何連接分層的材料。該用于連接材料的方法目的在于保持組合變形時的位置，該方法的目的與本發(fā)明的目的不同。
文獻(xiàn)US 2004/0056075(Universal Alloys)描述了一種用于提高在熱影響區(qū)和焊接區(qū)內(nèi)強(qiáng)度性能的方法。對所要焊接的可沉淀硬化的鋁合金構(gòu)件進(jìn)行如下處理第一回火步驟、焊接步驟和第二回火步驟。所要連接的構(gòu)件由相同的鋁合金制成，并且在焊接之前經(jīng)受了同樣的第一回火處理。該專利申請并沒有說明關(guān)于連接不同合金的構(gòu)件或連接由不同韌度的相同合金制成的構(gòu)件的具體問題。
在文獻(xiàn)US 6802444(NASA)中，提出了一種用于改進(jìn)摩擦攪動焊接組合材料的熱處理的方案。首先將鋁-鋅合金放置在溶液中，再用空氣將它冷卻到室溫，接著通過摩擦攪動焊接組合該合金，而后第二次將它放置在溶液中，然后淬火并且最后回火。
在文獻(xiàn)JP 2000-237882(Sky Aluminium)中，使用摩擦攪動焊接來連接諸如Al-Mg合金、Al-Zn-Mg合金、Al-Zn-Mg-Cu合金、Al-Cu合金、Al-Li合金、Al-Mg-Si合金、Al-Si合金等超塑性鋁合金，并且獲得了有限的晶粒尺寸，優(yōu)選＜＝30微米。對超塑性鋁合金進(jìn)行特別的熱處理。
顯然需要一種方法能夠提供對于以下問題(下文中稱為“該問題”)的解決方案能夠焊接兩個或更多個顯示出不同性能平衡的鋁合金部件，而不明顯地?fù)p害所述鋁合金部件性能，例如在焊縫內(nèi)、在熱影響區(qū)或在沒有被焊接影響到的區(qū)域內(nèi)的靜態(tài)力學(xué)性能和/或損傷容限和/或抗腐蝕性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個目的在于，獲得包括至少兩個顯示出不同性能平衡的鋁合金部件的結(jié)構(gòu)構(gòu)件。所述鋁合金部件通過焊接連接。為了避免損害所述鋁合金部件性能，在焊接之前對該至少兩個部件中的一個進(jìn)行預(yù)回火，并且對該結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)行焊接后回火，所述焊接后回火賦予所述至少兩個部件中的每一個以最終韌度。為了獲得具有不同性能平衡的至少兩個部件，所述至少兩個部件中的一個或者選自與所述至少兩個部件中的另一個不同的鋁合金，和/或選自與所述至少兩個部件中的另一個部件不同的初始韌度。
本發(fā)明的另一個目的在于，提供一種制造包括焊接至少兩個顯示出不同性能平衡的鋁合金部件的結(jié)構(gòu)構(gòu)件的方法。


圖1顯示了一種典型的機(jī)翼設(shè)計。1上表層翼板(panneau)，2前翼梁，3下表層翼板，4槽端(extrémitéde réservoir)，5板式翼肋，6后翼梁，7桁架翼肋，8板式翼肋，9外翼端翼肋，10鍛件翼肋。
圖2顯示了穿過本發(fā)明的翼梁的橫截面圖。11上部件，12下部件，13焊縫。
圖3顯示了拉伸試驗(yàn)后在穿過由摩擦攪動焊接獲得的焊接區(qū)的橫截面中的裂縫的位置。14a具有最低屈服應(yīng)力的材料，14b具有最高屈服應(yīng)力的材料，15塑性變形區(qū)，16熱機(jī)影響區(qū)，17裂縫，18熱影響區(qū)，19焊核(nugget)。
圖4顯示了摩擦攪動焊接過程的表示。13焊縫，20受拉側(cè)，21受壓側(cè)，22旋轉(zhuǎn)方向，23，焊接方向，24摩擦焊接頭。
圖5在試驗(yàn)中焊接的薄板。13焊縫，23焊接方向，25a第一種材料，25b第二種材料。
圖6拉伸試件。13焊縫，18熱影響區(qū)，25a第一種材料，25b第二種材料。
圖7、8和9示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案制造結(jié)構(gòu)構(gòu)件的步驟的流程圖。
具體實(shí)施例方式
a)定義除非另有說明，所有與合金的化學(xué)成分有關(guān)的表示都以基于合金總重量的質(zhì)量百分比來表示。合金標(biāo)號遵循本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的鋁業(yè)協(xié)會(The Aluminium Association)的規(guī)定。在歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN 515中定義了冶金的韌度。例如，在歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN573-3及鋁業(yè)協(xié)會的出版物(publication)中定義了標(biāo)準(zhǔn)鋁合金的化學(xué)成分。這些規(guī)定、標(biāo)準(zhǔn)和出版物是本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的。除非另有說明，通過根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)EN 10002-1的拉伸試驗(yàn)確定靜態(tài)力學(xué)性能，也就是金屬板或板材的極限抗拉強(qiáng)度(UTS，也標(biāo)為Rm)、抗拉屈服強(qiáng)度(YS，也標(biāo)為TYS或Rp0.2)、在斷裂延伸A和最大應(yīng)力下的延伸Ag。在標(biāo)準(zhǔn)EN485-1中定義了試件的位置和方向。除非另有說明，采用在歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN 12258-1中給出的定義。
在本說明書中，機(jī)械結(jié)構(gòu)中的“結(jié)構(gòu)構(gòu)件”指其失效可能危及所述結(jié)構(gòu)或其使用者或乘客或其他人的安全的任何機(jī)械元件。對航空器而言，這些結(jié)構(gòu)構(gòu)件具體包括組成機(jī)身的構(gòu)件(例如機(jī)身外殼、桁條、艙壁、環(huán)形框架)、機(jī)翼零件(例如機(jī)翼外殼、桁條、翼肋、翼梁)、尾翼(例如水平和豎直穩(wěn)定器)以及地楞橫梁、座椅軌道、門等。圖1中顯示了典型的機(jī)翼結(jié)構(gòu)。
在本說明書的范圍內(nèi)，“整體結(jié)構(gòu)”指航空器構(gòu)件的結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)被設(shè)計為在最大可能范圍上實(shí)現(xiàn)材料的連續(xù)性，以減少機(jī)械裝配點(diǎn)的數(shù)目。可以通過深加工，或者通過利用諸如通過擠壓、鍛造或者鑄造獲得的成型部件，或者通過焊接由可焊接合金制成的結(jié)構(gòu)構(gòu)件來制造整體結(jié)構(gòu)?！皺C(jī)械固定結(jié)構(gòu)”指這樣的結(jié)構(gòu)在該結(jié)構(gòu)中根據(jù)結(jié)構(gòu)構(gòu)件(例如機(jī)身構(gòu)件或機(jī)翼構(gòu)件)的目標(biāo)，通常通過鉚接將薄的或厚的板材固定到加強(qiáng)肋和/或框架(可通過對擠壓或者軋制產(chǎn)品進(jìn)行加工獲得)上。
根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)ATSM G34通過EXCO式試驗(yàn)來確定剝落腐蝕。
b)發(fā)明詳述根據(jù)本發(fā)明，上述問題通過以下步驟解決將所要結(jié)合部件中的一個部件預(yù)回火到預(yù)期韌度，用所要連接的其他部件焊接所述部件并對包括所述部件的結(jié)構(gòu)構(gòu)件回火以獲得每一個部件的優(yōu)化的最終韌度。通過進(jìn)行單獨(dú)的預(yù)回火和定制焊接后回火，能夠最小化或者甚至避免在焊接所影響區(qū)域內(nèi)的靜態(tài)力學(xué)性能和/或損傷容限和/或抗腐蝕性的損失，并且在未受焊接影響的區(qū)域內(nèi)獲得了最佳的韌度。
根據(jù)本發(fā)明，適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)構(gòu)件包括至少兩個顯示出不同性能平衡的鋁合金部件，所述至少兩個部件被焊接并且其中所述部件中的一個是(i)選自與所述至少兩個部件中的另一個部件不同的鋁合金和/或(ii)選自與所述至少兩個部件中的另一個部件不同的初始韌度的部件，并且其中所述至少兩個部件中的至少一個在被焊接之前進(jìn)行了預(yù)回火，以及其中所述結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)行了焊接后回火，所述焊接后回火賦予所述至少兩個部件中的每一個以最終的韌度。
在本發(fā)明的一個實(shí)施方案中，所述至少兩個部件是相鄰的。相鄰是指，該至少兩個部件具有互相對接的邊緣或側(cè)面。例如，相鄰的組合包括并接、對接、搭接、頂端相互連接(au sommet l’un de l’outre)、T型連接、邊連接、角連接等。
在本發(fā)明的另一個實(shí)施方案中，在所述至少兩個部件之間的所述不同性能平衡通過以下方式中的至少一種獲得(i)所述部件的化學(xué)成分，(ii)所述部件的初始韌度，和/或(iii)所述焊接后回火。
最終韌度是指，在焊接后回火之后獲得的韌度，例如它是預(yù)回火和焊接后回火的結(jié)果。在本發(fā)明范圍內(nèi)的韌度包括但不限于對于本發(fā)明特別重要的T韌度(熱處理的用來產(chǎn)生除F、O或H以外的韌度)和甚至更精確的放置在溶液中然后回火的T6韌度、放置在溶液中并過高溫回火/穩(wěn)定的T7韌度，具體是T73、T7351、T74、T7451、T76、T7651、T77、T7751、T79和T7951韌度，或者放置在溶液中、冷卻、然后回火的T8和T851韌度。
焊接后回火指的是，所述焊接的結(jié)構(gòu)構(gòu)件的人工實(shí)效的熱處理。為了獲得所述至少兩個部件的預(yù)期最終韌度，將設(shè)計焊接后回火。該焊接后回火可以包括在不同溫度下的若干步驟。在一個有利的實(shí)施方案中，當(dāng)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的部件由2xxx合金制成時，該焊接后回火的最高溫度包括在150℃到200℃之間，并且優(yōu)選在170℃到180℃之間。在另一個有利的實(shí)施方案中，當(dāng)結(jié)構(gòu)構(gòu)件只包括7XXX合金時，該焊接后回火的最高溫度可包括在110℃到180℃之間，并且優(yōu)選在140℃到160℃之間。這種焊接后回火允許在焊接前還未進(jìn)行處理的合金比在焊接前已經(jīng)進(jìn)行了預(yù)回火的合金具有更好的壓縮應(yīng)力，以及更好的剛度和耐腐蝕性，該進(jìn)行了預(yù)回火的合金是過度時效的。
如在現(xiàn)有技術(shù)的描述中所確定的，不能同時彼此獨(dú)立地優(yōu)化結(jié)構(gòu)元件的某些所需性能。這對于諸如“靜態(tài)力學(xué)性能”或“機(jī)械強(qiáng)度”(尤其是極限抗拉強(qiáng)度UTS和屈服應(yīng)力YS)和“損傷容限”(尤其是韌度和抗裂縫擴(kuò)展性)尤其確切。
在本發(fā)明的另一個實(shí)施方案中，選擇至少一個部件以使得該部件的化學(xué)成分和/或最終韌度賦予所述結(jié)構(gòu)構(gòu)件強(qiáng)度性能，并且選擇至少另一鄰近部件以使得該鄰近部件的化學(xué)成分和/或最終韌度向所述結(jié)構(gòu)構(gòu)件提供損傷容限。
就化學(xué)成分而言，所述至少兩個鋁合金部件可以選自相同或不同系列的鋁合金，例如2XXX合金或7XXX合金。能夠用于本發(fā)明的2XXX合金包括但不限于2014、2022、2023、2024、2026、2027、2050、2056、2098、2099、2139、2196、2224、2324和2524。2XXX合金制成的部件通常呈現(xiàn)良好的損傷容限性能并且例如用于諸如機(jī)翼下表層的要求最佳拉伸性能的部件中。可以用于本發(fā)明的7XXX合金制成的部件包括但不限于7010、7040、7050、7150、7250、7055、7056、7068、7049、7140、7149、7249、7349、7449、7075、7175和7475。由7XXX合金制成的部件在達(dá)到最大韌度上呈現(xiàn)高機(jī)械強(qiáng)度，并且也用于諸如機(jī)翼上表面的要求最佳壓縮質(zhì)量的部件中。在不同的韌度下，由7XXX合金制成的部件也能夠呈現(xiàn)良好的損傷容限性能。在本發(fā)明的一個優(yōu)選實(shí)施方案中，所述7XXX合金部件在焊接之前已經(jīng)進(jìn)行了預(yù)回火。在本發(fā)明的另一實(shí)施方案中，2XXX合金制成的所述部件在焊接之前已經(jīng)進(jìn)行了預(yù)回火。
但是，難以同時優(yōu)化的性能不只是機(jī)械強(qiáng)度和損傷容限，對于機(jī)械強(qiáng)度和抗應(yīng)力和/或剝落腐蝕性也是如此。在本發(fā)明的另一個實(shí)施方案中，選擇至少一個部件使得該部件的化學(xué)成分和/或最終韌度賦予所述結(jié)構(gòu)構(gòu)件機(jī)械強(qiáng)度，并且選擇至少另一鄰近部件使得該鄰近部件的化學(xué)成分和/或最終韌度提供抗應(yīng)力和/或剝落腐蝕性。
本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的是，抗應(yīng)力和/或剝落腐蝕性常常與冶金韌度相關(guān)。更確切地，在標(biāo)準(zhǔn)EN515中描述如下，抗應(yīng)力腐蝕性和抗剝落腐蝕性以T79(和T7951)、T76(和T7651)、T74(和T7451)、T73(和T7351)的順序改善，T79(和T7951)呈現(xiàn)最差的抗腐蝕性而T73(和T7351)呈現(xiàn)最好的抗腐蝕性。
本發(fā)明的另一目的在于，提供一種制造包括至少兩個部件的結(jié)構(gòu)構(gòu)件的方法，所述至少兩個部件可以具有不同的最終韌度，以獲得結(jié)構(gòu)構(gòu)件的每一個部件的抗腐蝕性能和機(jī)械強(qiáng)度性能的最佳折衷。
在諸如點(diǎn)焊、閃光對接焊、激光焊、電弧焊、電子束焊、摩擦焊和摩擦攪動焊等已知的焊接技術(shù)中，在本發(fā)明最有利的實(shí)施方案中使用摩擦攪動焊接。
摩擦攪動焊接起源于20世紀(jì)90年代早期的聯(lián)合國中的TWI(焊接學(xué)會)，并且已用于組合鋁合金中。它的原理是通過借助于攪動所要組合的兩種材料的旋轉(zhuǎn)摩擦焊接頭施加強(qiáng)剪切力到金屬上來實(shí)現(xiàn)焊接而無需熔化金屬。首先，通過使用旋轉(zhuǎn)摩擦焊接頭的割肩施加摩擦到金屬表面來加熱金屬降低了屈服應(yīng)力，其次將摩擦焊接頭逐漸向前移動而進(jìn)行焊接。該摩擦焊接頭的割肩也容納金屬并且保持壓力以防止金屬噴射出焊接區(qū)。
已知的是，摩擦攪動焊接法能夠避免熱裂問題，這尤其意味著現(xiàn)在能夠焊接以前通過熔融無法焊接的合金，例如，通常在飛機(jī)制造中使用的包含鎂的2XXX合金或包含銅的7XXX合金。
已知的是，在摩擦攪動焊接區(qū)域內(nèi)側(cè)和附近的金相組織具有非常典型的明顯不同于用熔融焊接獲得的相。如圖3所示，除了遠(yuǎn)離焊縫、完全不受影響的區(qū)域之外，可以區(qū)分出三個不同區(qū)域19-受塑性變形影響最大的區(qū)域被稱為“焊核”。在焊接期間，在此區(qū)域中的溫度可以達(dá)到560℃。焊核的寬度通常稍微大于摩擦焊接頭的直徑。
16-在焊核的每一個側(cè)面上的第二區(qū)域是熱機(jī)影響區(qū)，其在更小的程度上變形并且根據(jù)合金其可能表現(xiàn)出結(jié)晶的跡象。
15-在焊核上的第三區(qū)域被稱為“塑性變形區(qū)”并由摩擦焊接頭割肩的旋轉(zhuǎn)效應(yīng)形成。
18-熱影響區(qū)圍繞上述嚴(yán)重變形區(qū)域并且經(jīng)受與增加的溫度相關(guān)的冶金上的變換。
圖4描述了摩擦攪動焊接操作。受拉側(cè)20是由于摩擦焊接頭旋轉(zhuǎn)的摩擦焊接頭表面局部方向和焊接方向23相同的一側(cè)。受壓側(cè)21是由于摩擦焊接頭旋轉(zhuǎn)的摩擦焊接頭表面局部方向和焊接方向23相反方向的一側(cè)。摩擦焊接頭旋轉(zhuǎn)速度是摩擦焊接頭在旋轉(zhuǎn)方向22上的速度。焊接速度是摩擦焊接頭沿著焊接方向23移動的速度。在本發(fā)明中發(fā)現(xiàn)，該兩側(cè)不是相等的，特別是將不同的合金焊接到一起時，并且在抗剝落腐蝕性方面受拉側(cè)表現(xiàn)效果最差。當(dāng)2XXX合金部件連接到7XXX合金部件上時，如果2XXX合金部件放置在受拉側(cè)，在靜態(tài)力學(xué)性能方面會獲得最好的效果。當(dāng)7XXX合金部件連接到另一具有不同靜態(tài)力學(xué)性能的7XXX合金部件上時，如果具有最高的極限抗拉強(qiáng)度的7XXX合金部件放置在受拉側(cè)時會獲得最好的效果。
在圖7中，顯示了可以用于本發(fā)明的步驟序列。在此實(shí)施方案中，將預(yù)回火過的第一部件和第二部件(可能預(yù)回火)焊接到一起以形成結(jié)構(gòu)構(gòu)件的坯件。該坯件然后被加工成其最終形狀。在圖8所描述的本發(fā)明另一個實(shí)施方案中，在淬火和可選的拉伸之后并在用于預(yù)回火的至少一個部件的預(yù)回火之前進(jìn)行第一粗加工步驟。在圖9描述的本發(fā)明又一實(shí)施方案中，在用于預(yù)回火的至少一個部件的預(yù)回火之后和焊接之前進(jìn)行第一粗加工步驟。
在本發(fā)明有利的實(shí)施方案中，所述結(jié)構(gòu)構(gòu)件使用在航空器構(gòu)造中，并且包括例如機(jī)身構(gòu)件(例如機(jī)身外殼)、桁條、艙壁、環(huán)形框架、機(jī)翼零件(例如機(jī)翼外殼、桁條、翼肋、翼梁)、尾翼(例如水平和豎直穩(wěn)定器等)、地楞橫梁、座椅軌道、門等構(gòu)件。來自本發(fā)明的方法的翼肋和翼梁的結(jié)構(gòu)構(gòu)件是特別有利的。在本發(fā)明的一個優(yōu)選實(shí)施方案中，翼肋或者翼梁包括至少上部件和下部件，其中所述上部件包括7449 T79或7449 T7951，并且所述下部件包括7040 T76或7040T7651。
實(shí)施例實(shí)施例1在此實(shí)施例中，實(shí)現(xiàn)了一種包括兩個具有不同韌度的相同合金制成的部件的結(jié)構(gòu)構(gòu)件。鑄造了由鋁合金7449和7040制成的板，在表1中給出了在此鑄件中獲得的成分。

表1化學(xué)成分(重量百分比)7040的板在475℃是均質(zhì)的，熱軋到100mm的厚度，放置在480℃溶液中，淬火并拉伸3％。此處理產(chǎn)生了W51韌度。然后切割合成的板材到預(yù)期的尺寸，并且某些獲得的部件接受6h 120℃+16h 155℃的預(yù)回火處理以產(chǎn)生T7651韌度。然后在W51部件和T7651部件上進(jìn)行第一加工步驟，以獲得準(zhǔn)備用于焊接的16mm的樣板。
7449的板在473℃是均質(zhì)的，熱軋到18mm的厚度，放置在473℃溶液中，淬火并拉伸3％。此處理產(chǎn)生了W51韌度。然后切割合成的板材到預(yù)期的尺寸，并且某些獲得的部件接受24h 120℃+17h 150℃的預(yù)回火處理以產(chǎn)生T7951韌度。然后在W51部件和T7951部件上進(jìn)行第一加工步驟，以獲得準(zhǔn)備用于焊接的16mm的樣板。這些合金的典型屈服應(yīng)力是，對于7449 T7951為600MPa，而對于7040 T7651為500MPa。
使用摩擦攪動焊接作為焊接方法。在試驗(yàn)中改變與此焊接技術(shù)相關(guān)的兩個參數(shù)與摩擦焊接頭的旋轉(zhuǎn)相關(guān)的該部件相對位置(受拉側(cè)和受壓側(cè))和焊接速度。在ESAB SuperStir設(shè)備上執(zhí)行焊接。根據(jù)“外觀良好的焊縫”設(shè)置焊接參數(shù)，換言之，沒有根部和表面缺陷并且具有良好表面光潔度的焊縫被認(rèn)為是良好的。盡管在高溫下的流體應(yīng)力不均衡，仍成功地焊接了表2中所描述的所有結(jié)合。
從初步研究所進(jìn)行的試驗(yàn)中選擇焊接參數(shù)。所有的結(jié)合在230rpm(每分鐘轉(zhuǎn)數(shù))下進(jìn)行并且試驗(yàn)了兩種焊接速度80和100mm/min。由于沒有觀察到焊接的可視缺陷，只描述了“100mm/min”焊接的特征。作出此選擇的考慮在于，較高速度的焊接對于經(jīng)過最小化熱能輸入的力學(xué)性能和生產(chǎn)率都是有益的。

表2組件說明和焊接后回火條件如表2中所述，在力學(xué)試驗(yàn)之前在每一種組合(combinaison)上應(yīng)用焊接后回火。如圖5和6中所示，對所有的焊縫在中等厚度并且垂直于焊縫的試件上進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。
對于具有良好再現(xiàn)性的每一種情況都試驗(yàn)了至少三個試件。所獲得的強(qiáng)度等級接近于所有測試的制品在350MPa到385MPa之間。該結(jié)果顯示在表3中。

表3結(jié)合處的力學(xué)性能值得注意的是，斷裂主要但并非系統(tǒng)地在合金具有最低屈服應(yīng)力的側(cè)產(chǎn)生(參見圖3)。因而，7040-T7451在7040-T7651之前屈服，而7449-T7651通常在7449-T7951之前屈服。組合7449-T7651/7449-T7951(受拉/收縮)與相反的組合7449-T7951/7449-T7651(受拉/收縮)情況相同。
為了評估剝落腐蝕性，在48h內(nèi)將每一種合金組合浸入用去離子水和NaCl(234g/l)、KNO3(50g/l)和HNO3(6,3ml/l)制備的溶液中，并且恒定地保持在25℃±3℃。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)ASTM G34進(jìn)行測定，N代表未腐蝕、P代表點(diǎn)蝕、PF代表點(diǎn)蝕剝落、EA代表淺層剝落、EB代表中度剝落、EC代表重度剝落、以及ED代表剝落非常嚴(yán)重。表4給出了在清洗之前EXCO試驗(yàn)的評估值(cotations)。
應(yīng)該注意到，在清洗之后顯露了在熱影響區(qū)和基底金屬之間的中間區(qū)。這些結(jié)果顯示了該焊核和基底金屬在EXCO實(shí)驗(yàn)中具有良好的性能，在各種情況下評估值均為PF。至于熱影響區(qū)，除了在B情況下的7449-T7651(ED)，一般都能獲得EB。
在合金7449的情況下，似乎是合金的位置(受拉/收縮)對于腐蝕結(jié)果具有影響，當(dāng)具有最低過度時效(7449-T7951)和如此一來的最高力學(xué)性能(UTS，YS)的鋁合金部件放置在受拉側(cè)時，獲得了最好的結(jié)果。


表4 EXCO試驗(yàn)結(jié)果實(shí)施例2在此實(shí)施例中，實(shí)現(xiàn)了包括兩個由兩種不同合金構(gòu)成的部件的結(jié)構(gòu)構(gòu)件。鑄造了由鋁合金7449、7040和2022制成的板并且在表5中給出了在這些鑄件中獲得的成分。

表5化學(xué)成分(重量百分比)如實(shí)施例1中所述，將7040和7449合金的板進(jìn)行轉(zhuǎn)換。將2022合金的板在475℃進(jìn)行預(yù)加熱，熱軋到40mm的厚度，放置在530℃的溶液中，淬火并拉伸3％。這一處理產(chǎn)生了T351韌度。然后切割所得到板材到預(yù)期尺寸，并且對所得到部件進(jìn)行產(chǎn)生T851韌度的16h 173℃的預(yù)回火處理。接著進(jìn)行第一加工步驟以獲得準(zhǔn)備用于焊接的16mm厚的樣板。在焊接之前所使用的回火目的在于，使所述樣板一旦經(jīng)過焊接后回火焊接和熱處理就獲得合金的最佳性能。在表6中給出了用于試驗(yàn)的回火組合。
焊接條件與實(shí)施例1中的相同。再一次，在焊縫表面也沒有觀察到可視缺陷，只描述“100mm/min”的焊縫特性。


表6組件說明和焊接后熱處理?xiàng)l件如圖5和6中所示，盡管觀察到了一些缺陷，仍對所有的焊縫在中等厚度并且垂直于焊縫的試件上進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。在表7中提供了焊接結(jié)合處的力學(xué)性能。

表7結(jié)合處的力學(xué)性能取決于受拉側(cè)合金的結(jié)合2022/7040的結(jié)果中出現(xiàn)了不對稱。實(shí)際上，如果2022合金放置在受壓側(cè)，則其拉伸性能明顯低于2022合金放置在受拉側(cè)的拉伸性能。進(jìn)行如實(shí)施例1中所述的EXCO試驗(yàn)。在表8中提供了該結(jié)果。

表8剝離腐蝕試驗(yàn)結(jié)果這些結(jié)果顯示出，在EXCO試驗(yàn)中焊核具有良好的性能，在各種情況下評估值都為P或PF。也觀察到了基底金屬的良好性能，除了在E和F情況下7040-T7651與2022合金結(jié)合之外，評估值都是PF。就熱影響區(qū)而言，除了在情況D下的7040-T7651(PE/EA)和在情況E和F下的2022(P)之外，一般都獲得EB或者EB/EC的評估值。
當(dāng)然，本發(fā)明不限于以上描述和示出的實(shí)施例，由此，不脫離本發(fā)明主旨和精神的改體和變形都在本發(fā)明的范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種結(jié)構(gòu)構(gòu)件，其包括至少兩個顯示出不同性能平衡的鋁合金部件，所述至少兩個部件被焊接并且其中所述部件中的一個是(i)選自與所述至少兩個部件中的另一個部件不同的鋁合金和/或(ii)選自與所述至少兩個部件中的另一個部件不同的初始韌度，并且其中所述至少兩個部件中的至少一個在焊接之前進(jìn)行了預(yù)回火，以及，其中所述結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)行了焊接后回火，所述焊接后回火賦予所述至少兩個部件中的每一個以最終韌度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，其特征在于，所述至少兩個部件是相鄰的。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，其特征在于，所述至少兩個部件之間的所述不同性能平衡通過以下方式中的至少一種實(shí)現(xiàn)(i)所述部件的化學(xué)成分，(ii)所述部件的初始韌度，和/或(iii)焊接后回火。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，其特征在于，選擇至少一個部件以使得該部件的化學(xué)成分和/或最終韌度賦予所述結(jié)構(gòu)構(gòu)件強(qiáng)度性能，并且選擇至少另一鄰近部件以使得該鄰近部件的化學(xué)成分和/或最終韌度向所述結(jié)構(gòu)構(gòu)件提供損傷容限。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一項(xiàng)的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，其特征在于，選擇至少一個部件以使得該部件的化學(xué)成分和/或最終韌度賦予所述結(jié)構(gòu)構(gòu)件強(qiáng)度性能，并且選擇至少另一鄰近部件以使得該鄰近部件的化學(xué)成分和/或最終韌度提供抗應(yīng)力和/或剝落腐蝕性。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5中任一項(xiàng)的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，其特征在于，通過摩擦攪動焊接來焊接所述部件。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至6中任一項(xiàng)的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，其特征在于，所述至少兩個部件的至少兩個包括7XXX合金部件。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至7中任一項(xiàng)的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，其特征在于，所述至少兩個部件中的至少一個包括2XXX合金部件并且所述至少兩個部件的另一個包括7XXX合金部件。
9.根據(jù)權(quán)利要求7至8中任一項(xiàng)的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，其特征在于，所述7XXX合金選自由7040、7349和7449組成的組。
10.根據(jù)權(quán)利要求7至9中任一項(xiàng)的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，其特征在于，所述7XXX合金部件被預(yù)回火。
11.根據(jù)權(quán)利要求8至10中任一項(xiàng)的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，其特征在于，所述2XXX合金部件被預(yù)回火。
12.根據(jù)權(quán)利要求8至11中任一項(xiàng)的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，其特征在于，所述2XXX合金部件被置于受拉側(cè)。
13.根據(jù)權(quán)利要求7至11中任一項(xiàng)的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，其特征在于，具有最高極限抗拉強(qiáng)度的7XXX合金部件被置于受拉側(cè)。
14.根據(jù)權(quán)利要求1至13中任一項(xiàng)的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，其特征在于，焊接后回火的最高溫度包括在150℃至200℃之間。
15.根據(jù)權(quán)利要求1至13中任一項(xiàng)的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，其特征在于，焊接后回火的最高溫度包括在110℃至180℃之間。
16.根據(jù)權(quán)利要求1至15中任一項(xiàng)的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，其特征在于，焊接后回火的最高溫度包括在170℃至180℃之間。
17.根據(jù)權(quán)利要求1至13中任一項(xiàng)或15的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，其特征在于，焊接后回火的最高溫度包括在140℃至160℃之間。
18.根據(jù)權(quán)利要求1至17中任一項(xiàng)的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，其特征在于，所述結(jié)構(gòu)構(gòu)件包括適用于航空器構(gòu)造中的翼梁或翼肋。
19.根據(jù)權(quán)利要求1至18中任一項(xiàng)的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，其特征在于，所述結(jié)構(gòu)構(gòu)件包括至少上部件和下部件，其中所述上部件包括最終韌度中的7449T79或7449T7951，而所述下部件包括最終韌度中的7040T76或7040T7651。
20.一種制造包括至少兩個顯示出不同性能平衡的鋁合金部件的結(jié)構(gòu)構(gòu)件的方法，所述至少兩個部件被焊接并且其中所述部件中的一個是(i)選自與所述至少兩個部件中的另一個部件不同的鋁合金和/或(ii)選自與所述至少兩個部件中的另一個部件不同的初始韌度，并且其中所述至少兩個部件中的至少一個在被焊接之前進(jìn)行了預(yù)回火，以及其中所述結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)行了焊接后回火，所述焊接后回火賦予所述至少兩個部件中的每一個以最終韌度。
21.根據(jù)權(quán)利要求20的方法，其特征在于，所述至少兩個部件是相鄰的。
22.根據(jù)權(quán)利要求20或21的方法，其特征在于，所述至少兩個部件之間的所述不同性能平衡通過以下方式中的至少一種實(shí)現(xiàn)(i)所述部件的化學(xué)成分，(ii)所述部件的初始韌度，和/或(iii)焊接后回火。
23.根據(jù)權(quán)利要求20至22中任一項(xiàng)的方法，其特征在于，選擇至少一個部件以使得該部件的化學(xué)成分和/或最終韌度賦予所述結(jié)構(gòu)構(gòu)件強(qiáng)度性能，并且選擇至少另一鄰近部件以使得該鄰近部件的化學(xué)成分和/或最終韌度向所述結(jié)構(gòu)構(gòu)件提供損傷容限。
24.根據(jù)權(quán)利要求20至23中任一項(xiàng)的方法，其特征在于，選擇至少一個部件以使得該部件的化學(xué)成分和/或最終韌度賦予所述結(jié)構(gòu)構(gòu)件強(qiáng)度性能，并且選擇至少另一鄰近部件以使得該鄰近部件的化學(xué)成分和/或最終韌度提供抗應(yīng)力和/或剝落腐蝕性。
25.根據(jù)權(quán)利要求20至24中任一項(xiàng)的方法，其特征在于，通過摩擦攪動焊接來焊接所述部件。
26.根據(jù)權(quán)利要求20至25中任一項(xiàng)的方法，其特征在于，所述至少兩個部件的至少兩個由7XXX合金制成。
27.根據(jù)權(quán)利要求20至26中任一項(xiàng)的方法，其特征在于，所述至少兩個部件中的至少一個由2XXX合金制成，而所述至少兩個部件中的另一個由7XXX合金制成。
28.根據(jù)權(quán)利要求26至27中任一項(xiàng)的方法，其特征在于，所述7XXX合金選自由7040、7349和7449組成的組。
29.根據(jù)權(quán)利要求26至28中任一項(xiàng)的方法，其特征在于，所述7XXX合金被預(yù)回火。
30.根據(jù)權(quán)利要求27至29中任一項(xiàng)的方法，其特征在于，所述2XXX合金部件被預(yù)回火。
31.根據(jù)權(quán)利要求27至30中任一項(xiàng)的方法，其特征在于，2XXX合金部件被置于受拉側(cè)。
32.根據(jù)權(quán)利要求26至30中任一項(xiàng)的方法，其特征在于，具有最高極限抗拉強(qiáng)度的7XXX合金部件被置于受拉側(cè)。
33.根據(jù)權(quán)利要求20至32中任一項(xiàng)的方法，其特征在于，焊接后回火的最高溫度包括在150℃至200℃之間。
34.根據(jù)權(quán)利要求20至32中任一項(xiàng)的方法，其特征在于，焊接后回火的最高溫度包括在110℃至180℃之間。
35.根據(jù)權(quán)利要求20至34中任一項(xiàng)的方法，其特征在于，焊接后回火的最高溫度包括在170℃至180℃之間。
36.根據(jù)權(quán)利要求20至32中任一項(xiàng)或34的方法，其特征在于，焊接后回火的最高溫度包括在140℃至160℃之間。
37.根據(jù)權(quán)利要求20至36中任一項(xiàng)的方法，其特征在于，所述結(jié)構(gòu)構(gòu)件包括適用于航空器構(gòu)造中的翼梁或翼肋。
38.根據(jù)權(quán)利要求20至37中任一項(xiàng)的方法，其特征在于，所述結(jié)構(gòu)構(gòu)件包括至少上部件和下部件，其中所述上部件包括最終韌度中的7449 T79或7449 T7951，而所述下部件包括最終韌度中的7040 T76或7040 T7651。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種結(jié)構(gòu)構(gòu)件，其包括至少兩個具有不同性能平衡且被焊接到一起的鋁合金部件。根據(jù)本發(fā)明，所述部件中的至少一個是(i)選自與所述至少兩個部件中的另一個部件不同的鋁合金和/或(ii)選自與所述至少兩個部件中的另一個部件不同的初始韌度。此外，兩個部件中的至少一個在焊接之前進(jìn)行了預(yù)回火，并且結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)行了焊接后回火，從而賦予所述至少兩個部件中的每一個以最終韌度。此外，所述部件優(yōu)選通過摩擦攪動焊接來焊接。本發(fā)明還涉及一種制造所述結(jié)構(gòu)構(gòu)件的方法。
文檔編號C22F1/053GK101056736SQ200580038795
公開日2007年10月17日 申請日期2005年9月12日 優(yōu)先權(quán)日2004年9月14日
發(fā)明者J-C·埃斯特羅姆, H·杰勒德 申請人:愛爾康何納呂公司