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Vollständig verkleidete Struktur aus Aluminium mit einer in einer Rille eines Blockes befindlichen Verkleidung - Dokument DE60006567T2
 
PatentDe  


Dokumentenidentifikation DE60006567T2 16.09.2004
EP-Veröffentlichungsnummer 0001221366
Titel Vollständig verkleidete Struktur aus Aluminium mit einer in einer Rille eines Blockes befindlichen Verkleidung
Anmelder Alcoa Inc., Pittsburgh, Pa., US
Erfinder Schelin, Eric Victor, Riverdale, US;
Oswald, Lynn E., Riverdale, US;
Reynolds, Brian C., Riverdale, US;
Augenstein, Cherlyn J., Riverdale, US
Vertreter derzeit kein Vertreter bestellt
DE-Aktenzeichen 60006567
Vertragsstaaten AT, DE, FR, GB, NL
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 29.12.2000
EP-Aktenzeichen 001287382
EP-Offenlegungsdatum 10.07.2002
EP date of grant 12.11.2003
Veröffentlichungstag im Patentblatt 16.09.2004
IPC-Hauptklasse B32B 15/01
IPC-Nebenklasse B23K 20/00   

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung richtet sich auf Aluminiumlegierungen, die plattiert sind, oder richtet sich auf jedes beliebige andere Aluminiumerzeugnis, das zum Schutz mit Aluminium oder Aluminiumlegierung bedeckt ist ("Alclad"), worin eine Einlagenbemantelung in einen mit Auskehlung versehenen Block eingelegt ist und anschließend mit der Kernlegierung walzplattiert wird, um eine einstückige Struktur zu erzeugen.

Ein Problem auf dem Gebiet der Raumfahrtlegierungen ist die Korrosionsbeständigkeit oder deren Fehlen bei bestimmten Raumfahrtlegierungen, die zum Bau von Rumpfstrukturen moderner, kommerzieller Verkehrsflugzeuge verwendet werden. In der Praxis der Vergangenheit wurde dieses Korrosionsproblem dadurch gelöst, dass die Raumfahrtlegierung mit einer Legierung plattiert oder bedeckt wurde, die nicht über die Festigkeits- oder Zähigkeitseigenschaften einer Raumfahrtlegierung verfügte, anstelle dessen jedoch eine entscheidende Verbesserung der Korrosionsbeständigkeit und der Bewitterungsauswirkungen vermittelt.

In der gegenwärtigen Praxis des "Alcladdings" wird ein Block aus legiertem Aluminium mit einem Aluminium höherer Reinheit, beispielsweise entsprechend der Bezeichnung nach der Zulassung der Aluminum Association eine Aluminiumlegierung der 1xxx-Reihen oder einfach reines Aluminium. Diejenigen, die zu einem Verständnis der vorliegenden Erfindung gelangen, werden erkennen, dass die Erfindung auch auf dem Gebiet des Hartlötens von Blechen angewendet werden kann, wo in der Regel 3xxx- und 4xxx-Legierungen sandwichartig angeordnet werden. Um eine Raumfahrtlegierung, wie beispielsweise 2xxx- oder 7xxx- oder seewasserbeständige Legierung, wie beispielsweise die Reihe der 3xxx-, 5xxx- und/oder die 6xxx-Legierungen zu bemanteln, muss das Aluminium mit höherer Reinheit in irgendeiner Weise mit der Kernlegierung verbunden werden. Dieses wird heute im typischen Fall durch Warmwalzen ausgeführt. Das Warmwalzen oder Umformen der Aluminiumlegierung und des Alclads miteinander zwingen das Metall und die Legierung wirksam, sich zu einer einzigen Sandwich-Struktur zu verbinden. Wenn Druck und Wärme der Warmwalzen die Legierung und das Metall zusammendrücken, schülpt sich an den Rändern der Sandwich-Struktur überschüssige Metallplattierung ab. Man nimmt an, dass dieses Schülpen dem Alclad-Warmwalzprozess innewohnt und auf eine Differenz der Umformfestigkeit zwischen dem härteren und zäheren Block der Kernlegierung und dem Alclad-Einlagematerial zurückzuführen ist. Nichtsdestoweniger muss die Schülpung vor dem Beendigen des Warmwalzens der Sandwich-Struktur entfernt werden. Ein Unterlassen des Entfernens der Schülpung würde dazu führen, dass das Produkt für den Verbraucher unakzeptabel ist. Die Schülpung entfernen zu müssen, hat sich sowohl wirtschaftlich als auch hinsichtlich des Arbeitsschutzes als Belastung erwiesen. Die Notwendigkeit zur Entfernung der Schülpung führt dazu, dass ein Arbeiter den Bereich der Warmwalze betreten muss, auf die Anlage der Warmwalze klettern muss und die Schülpungen abheben und entfernen muss. Dass dieses ein bedeutsamer Vorgang sein kann, spiegelt sich in den Bedingungen an der Warmwalze wieder. Die Temperaturen der Schülpungen und des Alclad-Sandwiches in dieser Umgebung können im Bereich von 232,2° bis 454,4°C (450° bis 850°F) liegen und das Gewicht der Schülpungen im Bereich von 0,45 bis zu 90,72 kg (1 pound bis zu 200 pound).

In der Druckschrift US-A-2 941 282 wird eine einstückige Struktur aus Aluminiumlegierung offenbart, die einen rechteckig bemessenen Kern aufweist, der über einen geringeren Reflexionsgrad als die Einlage verfügt, wobei der Kern über ein einziges oder eine Mehrzahl von ausgekehlten Betten verfügt, die sich über einen Teil einer Außenseite des Blockes erstrecken, worin die Betten durchgehende Ränder am Umfang des Kerns entlang der Seiten aufweisen und eine Einbettungstiefe nach der Innenseite der Außenseite des Blockes, die sich im Wesentlichen zwischen den Rändern erstreckt, wobei die Einbettungstiefe in die Außenseite beispielsweise 3,175 mm (0,125 inch) beträgt, die eine verbindungsfähig bemessene Einlage aufnahmefähig annimmt und hält, worin die Einlage mit dem Kern in Verbindung steht und ausgewählt ist aus einer reinen Aluminiumlegierung, d.h. aus Legierungen der Reihen 1xxx der Aluminum Association. Um den Kern und die Einlage miteinander zu verbinden, wird ein Walzvorgang oder ein Ummantelungspressen ausgeführt.

Das Umformen einer Legierung kann ein Warmwalzen, Kaltwalzen, eine Glühbehandlung, ein Lösungsglühen, eine Alterungsbehandlung, Schmieden und ein Strangpressen bedeuten. Im Allgemeinen bedeutet ein Umformen einer Legierung die Zufuhr von Energie zu der Legierung aus einer bestimmten Quelle eines Prozesses.

Dementsprechend macht die hierin beschriebene Praxis eine Verbesserung dahingehend geltend. Die Verbesserung dieser Praxis ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung. Hierbei hat die Einfachheit des Gedankens diesen Alcladding-Prozess in den Bereich der angemessenen Ausführbarkeit gebracht. Indem das gedrückte Alclad als das Metall mit dem kleinsten Widerstand und damit als das Metall, das schülpt, ersetzt wird, wird das Alclad-Material der vorliegenden Erfindung in dem Warmwalzprozess dadurch geschützt, dass es in eine ausgekehlte Kernlegierung eingelegt wird und danach warmgewalzt und/oder weiter umgeformt wird.

Die vorliegende Erfindung richtet sich auf eine einstückige Aluminiumlegierungsstruktur mit einem rechteckig bemessenen Kern, der ausgewählt ist aus der Gruppe, bestehend aus festen und zähen Aluminiumlegierungsblöcken, wobei der Kern ein einzelnes oder eine Mehrzahl von ausgekehlten Betten aufweist, die sich im Wesentlichen entlang der Länge und der Breite einer Außenseite dieses Blockes entweder auf einer Seite oder auf beiden Seiten der Außenseiten des Blockes erstrecken, worin die Betten durchgehende Ränder am Umfang des Kerns entlang der Seiten aufweisen und eine Einbettungstiefe nach der Innenseite der Außenseite des Blockes, die sich im Wesentlichen zwischen den durchgehenden Rändern erstreckt, wobei die Einbettungstiefe zwischen 6,35 mm bis 50,8 mm (0,250 Inch bis 2,00 Inch) beträgt, die eine verbindungsfähig bemessene Einlage aufnahmefähig annimmt und hält, worin die Einlage mit dem Kern in Verbindung steht, um ein Sandwich zu erzeugen, und wobei die Einlage ausgewählt ist aus der Gruppe, bestehend aus korrosionsbeständigem Aluminium oder einer Aluminiumlegierung, worin das Sandwich zu einer einstückigen Struktur umgeformt wird. Die Erfindung schließt Mittel zum Auskehlen eines Legierungsblockes ein, um den Kern zu erzeugen und damit ein Bett zur aufnahmefähigen Annahme eines Einlagematerials zu schaffen.

Der Kern weist Legierungen der Reihe 2xxx oder 7xxx auf, wie sie mit den Eintragungen der Aluminum Association anerkannt sind. Die Reihe 2xxx ist die am meisten bevorzugte Kernlegierung und speziell die Legierungen der Reihen 2024 und 2524.

Anschließend an der Entfernung einer Lage der Kernlegierung von dem Block, die so das Bett erzeugt, wird das ausgekehlte Material durch ein korrosionsbeständigeres Aluminium oder eine Aluminiumlegierung ersetzt. Bei diesen Legierungen handelt es sich um Legierungen der Reihen 1xxx und 7xxx und am meisten bevorzugt um Legierungen der Reihen 1230, 1145 und 7072, deren Funktion darin besteht, den festeren und zäheren, was für die Fachwelt bekannte Begriffe sind, Kernlegierungsblock gegenüber den Außenbedingungen zu schützen, wie sie oftmals von Verkehrsflugzeugen und/oder Booten angetroffen werden. Der Kern des Blockes wird mit einem durchgehend aufgeworfenen, äußeren Rand von Kernmaterial belassen, um zu gewährleisten, dass das Alclad-Material sicher im Kernbett verbleibt. Obgleich lediglich die eine Seite des Kernmaterials mit Alclad ausgelegt ist, wird gelegentlich das Auslegen beider Seiten bevorzugt. Das Einlage- und Kern-Sandwich, die miteinander in Verbindung stehen, wird vorgeheizt und anschließend warmgewalzt, um eine Bramme oder einstückige Struktur zu erzeugen. Das Kernmaterial vermittelt dem Fertigprodukt die erforderliche Festigkeit, während die Einlage die Korrosionsbeständigkeit gewährt. Dieser Prozess mit zusätzlicher Auskehlung erzeugt eine einstückige Alclad-Struktur, bei der es sich entweder um eine Bramme oder ein Blech handeln kann, die einem Alclad-Produkt gleichwertig sind, das mit einem Prozess bekannter Ausführung erzeugt wird mit dem zusätzlichen Vorteil, dass Arbeiter nicht mehr länger überschüssiges Einlagematerial abschälen müssen und mit dem Vorteil einer geringeren Gefährdung bei der Arbeit.

Der ausgekehlte Bereich des Blockes kann entweder durch einen Gießformprozess für den nach Modell ausgeführten Block erzeugt werden oder kann durch spanabhebende Formgebung des Kernmaterials aus dem Block entfernt werden, wie das mit Hilfe der Praxis des gegenwärtigen Standes erfolgt. Das Alclad-Material muss selbstverständlich für die ausgekehlte Fläche geeignet bemessen sein, so dass weitgehend kein Ausfüllen des ausgekehlten Bereichs erforderlich ist, das Alclad-Diskontinuitäten erzeugt. In einer bevorzugten Praxis der vorliegenden Erfindung werden Schweißeinlagen durch Heftschweißen auf dem Kernblock befestigt, um eine Verbindung zu gewährleisten, und die Einlagen während des Transports des Blockes von einer Stelle zur anderen innerhalb des Werkes an dem Block gebunden, um zu verhindern, dass die Einlagen von dem Block herabfallen.

Ein zusätzlicher Nutzen dieser Methode der Anwendung von Alclad besteht darin, dass höhere Wiedergewinnungsraten erhalten werden. Wiedergewinnung bedeutet, dass die Ausbeute an dem Alclad-Material, das den Weg zu dem Abnehmer findet, erhöht ist. So wie das Schülpen in dem Prozess bekannter Ausführung ausgeführt wurde, würden sich oftmals unbeabsichtigt verloren gegangene und unkontrollierbare Schülpstücke in gewalzter Form in Diskontinuitäten in dem plattierten Material wiederfinden, was für den Abnehmer unakzeptabel wäre. Durch Verringerung der Menge der erzeugten Schülpung wird die Ausbeute aufgrund weniger unbeabsichtigter Einschlüsse dieser verlorengegangenen Stücke in dem Endprodukt erhöhen.

Wie für den Fachmann ersichtlich ist, ist der ausgekehlte und mit durchgehend aufgeworfenem Rand versehene, rechteckig bemessene Block mit 2 Seiten versehen. Um das Alclad sowohl auf die obere als auch auf die untere Seite des Blockes der Kernlegierung aufzubringen, muss die Auskehlung auf beiden Seiten des Blockes vorgenommen werden. In einer seiner bevorzugten Ausführungsformen ist der Kern damit ein echtes Sandwich mit Alclad-Material, das mit dem Kern sowohl auf der oberen als auch auf der unteren Seite des Blockes in Verbindung steht. Gelegentlich braucht lediglich eine einzige Seite mit Alclad ausgestattet zu werden und speziell für die Verwendung in einigen Rumpf-, Seewasser- oder Hartlöt-Anwendungen.

Die Tiefe des ausgekehlten Materials kann 6,35 bis 50,8 mm (0,250 bis 2.000 Inch) und bevorzugt 0,25 bis 1.000 Inch betragen, wobei eine Tiefe der Auskehlung am meisten bevorzugt zwischen 0,500 und 0,75 beträgt. In seiner am meisten bevorzugten Ausführungsform ist das Einlagematerial dem Kern angepasst und hat weitgehend die gleiche rechteckige Abmessung wie das ausgekehlte Bett im Bezug auf Dicke, Länge und Breite. Allerdings kann die Einlage sowohl dünner als auch dicker oder größer als auch kleiner als das ausgekehlte Bett sein. Bevorzugt hat man ein einziges massives Stück von verbindungsfähig dimensioniertem Einlagematerial. In bestimmten Anwendungen passt man bevorzugt zwei oder mehr verschiedene Einlagematerialien verbindungsfähig als eine Verbundeinlage an, um in das Kernbett eingesetzt zu werden. Beispielsweise ist es vorteilhaft, eine Legierung der Reihen 1xxx mit einer der Reihen 6xxx für ein Einlagematerial zu laminieren, um in ein Blockbett einer 2xxx-Reihe eingesetzt zu werden.

1 zeigt einen ausgekehlten Block und eine Einlage aus Alclad-Material.

2 zeigt die Praxis nach dem Stand der Technik.

1 zeigt die Erfindung in ihrer einfachsten Ausführung. Der Blockkern 1 ist zur Erzeugung einer Vertiefung oder eines Bettes 4 mit einem Rand 6 ausgekehlt, um das Alclad-Material 8 aufzunehmen. Das Alclad-Material wird in das Bett 4 eingelegt und eingepasst, so dass das Alclad-Material von der Größe her mit der Größe des Bettes zusammenpasst. Dieses Einpassen der Einlage des Alclad-Materials in das Bett des Kerns 1 schafft ein Sandwich, das anschließend warmgewalzt wird, womit das Alclad und der Blockkern zu einer unitären, einstückigen Struktur zusammengepresst werden. Es ist bemerkenswert, dass die vorliegende Erfindung eine Alclad-Struktur liefert, die weitgehend frei ist von der Erzeugung von Schülpungen des Alclads auf den Abschnitten des Blockes in Längsrichtung, da das Alclad von dem Rand 6 auf beiden Seiten des Blockes gehalten wird.

2 zeigt einen Prozess nach dem Stand der Technik mit den Seitenabschnitten, die die Schülpung 12 zeigen, die nach dem Warmwalzen entfernt werden muss. Dieses ist die Schülpung, die die Arbeiter in Folge der Umgebungsparameter des Warmwalzgerüstes in Gefahr bringt. Diese Schülpung muss mit Hilfe mechanischer Mittel entfernt werden.

Bei der Herstellung einer Alclad-Struktur wurde zuerst das Kernmaterial oder der Block auf beiden Seiten des Blockes geschält. Mit dem Schälen, wie der Begriff vermuten lässt, wird eine dünne Schicht von etwa 3,17 mm (etwa 0,125 Inch) der Legierung von dem Block abgenommen. Danach wurden beide Seiten des geschälten Blockes ausgekehlt, indem ein inneres Bett für das Einlagematerial angepasst wurde. In diesem Beispiel wurden etwa 15,8 mm (etwa 0,625 Inch) Legierung Span abhebend aus dem geschälten Block entfernt. Eine Einlage aus Aluminium hoher Reinheit mit weitgehend gleicher Dicke und Größe wie das ausgekehlte Bett in dem Block wurde in das Bett eingesetzt. Die Einlage wurde mit Punktschweißen an zwei Stellen befestigt, um sicherzustellen, dass sie sich vor oder während des Warmwalzens nicht verschiebt. Die Scheiben wurden beide auf dem Rand, Mittellinie und auf der Oberseite und Unterseite des Blockes angesetzt. Es wurden 4 Bänder verwendet, um zu helfen, die Einlage in der Auskehlung zu halten – 2 Bänder in der Mitte und jeweils eines am Ende des Blockes, während der Block zum Ofen gefahren wurde. Anschließend wurde der Block zwischen 426,6° und 648,8°C (zwischen 800° und 1.200°F) vorgeheizt. Der Block wurde sodann zu dem Warmwalzgerüst gefahren, wo das Warmwalzen zwischen 315,5° und 593,3°C (zwischen 600° und 1.100°F) ausgeführt wurde. Die Bänder wurden von dem Block vor dem Warmwalzen aufgeschnitten. Der Block und die Einlage wurden sodann einem Umkehrwarmwalzen unterzogen. Das Warmwalzen auf der Umkehrwalzanlage wurde so lange fortgesetzt, bis bei der Erzeugung einer Bramme eine durchgehende Walz-Eintrittsdicke erzielt wurde. Die Bramme wurde sodann mit der Schopfschere bearbeitet, um die Stirnseiten auf rechte Winkel zu bringen. Das Warmwalzen wurde durch die kontinuierliche Walzstraße unter Erzeugung von Feinblech fortgesetzt, das am Austritt der Walzstraße aufgespult wurde. Das aufgespulte Feinblech wurde sodann kantenbesäumt, um etwaige Kantenbeschädigungen zu entfernen, bevor das Feinblech zum Kaltwalzen geschickt wurde. Das Feinblech wurde sodann auf Enddicke kaltgewalzt. Danach kann das kaltgewalzte Feinblech bis zu der gewünschten Härtestufe vergütet und auf eine gewünschte Größe als Produkt für einen Abnehmer geschnitten werden.

Obgleich es bevorzugt ist, dass das Einlagematerial der Größe des ausgekehlten Bettes genau angepasst ist, ist dieses in der Praxis der Erfindung nicht erforderlich. Die Einlage kann dünner oder dicker als das ausgekehlte Bett sein, wobei jedoch festgestellt worden ist, dass die Verwendung einer dünneren Einlage keine optimal wünschenswerten Ergebnisse erzielt.


Anspruch[de]
  1. Einstückige Aluminiumlegierungsstruktur mit einem rechteckig bemessenen Kern (1), ausgewählt aus Legierungsblöcken der Reihe 2xxx und 7xxx der Aluminum Association, wobei der Kern (1) ein einzelnes oder eine Mehrzahl von ausgekehlten Betten (4) aufweist, die sich im Wesentlichen entlang der Länge und der Breite einer Außenseite des Blockes entweder auf einer Seite oder auf beiden Seiten der Außenseiten des Blockes erstrecken, worin die Betten (4) durchgehende Ränder (6) am Umfang des Kerns (1) entlang der Seiten aufweisen und eine Einbettungstiefe nach der Innenseite der Außenseite des Blockes, die sich im Wesentlichen zwischen den Rändern (6) erstreckt, wobei die Einbettungstiefe in die Außenseite 6,35 mm bis 50,8 mm (0,250 Inch bis 2,00 Inch) beträgt, die eine verbindungsfähig bemessene Einlage (8) aufnahmefähig annimmt und hält, worin die Einlage mit dem Kern in Verbindung steht und die Einlage ausgewählt ist aus korrosionsbeständigen Aluminiumlegierungen der Reihe 1xxx und 7xxx der Aluminum Association.
  2. Struktur nach Anspruch 1, worin der Kern (1) eine Legierung 2524 der Reihe der Aluminum Association oder eine Legierung 2024 der Reihe ist.
  3. Struktur nach Anspruch 1 oder 2, worin die Einbettungstiefe in die Außenseite 6,35 mm bis 25,4 mm (0,25 Inch bis 1,000 Inch) beträgt.
  4. Struktur nach Anspruch 1 oder 2, worin die Einbettungstiefe in die Außenseite 12,7 mm bis 19,05 mm (0,500 Inch bis 0,750 Inch) beträgt.
  5. Struktur nach einem der vorgenannten Ansprüche, worin die Einlage (8) aus der Legierung 1230 der Reihe der Aluminum Association, der Legierung 1145 der Reihe der Aluminum Association oder der Legierung 7072 der Reihe der Aluminum Association besteht.
  6. Struktur nach einem der vorgenannten Ansprüche, worin der Kern (1) mit der Einlage (8) über Schweißverbindungen in Verbindung steht.
  7. Struktur nach einem der vorgenannten Ansprüche, wobei die Struktur bearbeitet wird durch eine oder mehrere der folgenden Behandlungen: Warmwalzen, Umkehrwarmwalzen, Kaltwalzen, Lösungsglühen.
  8. Struktur nach einem der vorgenannten Ansprüche, worin die Einlage (8) im Wesentlichen die gleiche Dicke hat wie die Betttiefe.
  9. Struktur nach einem der vorgenannten Ansprüche, worin die Einlage (8) eine Verbundstruktur ist.
  10. Struktur nach einem der vorgenannten Ansprüche, worin die einstückige Struktur ein Feinblech oder ein Grobblech ist.
Es folgen 2 Blatt Zeichnungen






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