製備焊接前的鋰-鋁合金產品的方法

2023-05-23 12:07:16

專利名稱：製備焊接前的鋰-鋁合金產品的方法
技術領域：
本發明總體而言涉及鋁-鋰合金，更具體地，涉及用於航空工業的產品及其焊接。
背景技術：
鋁-鋰合金(Al-Li)因其具有低密度而長期以來被公認為是減輕結構元件重量的 有效手段。它們已被系統地考慮用於最現代的航空結構中。另外，使用焊接來代替常規的 鉚接技術也是目前航空工程領域中的一個趨勢。因此，毫無疑問的是，為了用於航空工程， Al-Li合金必須優選能夠簡單地進行熔焊。美國專利5，032，359記載了一類可焊接Al-Li合金，即鋁-銅-鋰-鎂-銀合金。 這些合金也已知具有商品名「WELDALITE 」，其特別突出的特點為可焊接性。然而，由該首 篇專利及其後的文獻可知，這類合金在焊接過程中易於形成孔隙。該問題背後的機理了解 不多，其似乎是Al-Li合金所特有的。由ASM手冊「Aluminum」，1991，第402-403頁可知，解決該問題的一個方案可為，在 即將焊接之前先進行預處理，通常是進行約250 μ m的表面蝕刻。這樣焊接後就觀測不到孔 隙。然而，該做法存在若干缺點其在焊接前需要相當長的表面處理期，這使製造工藝複雜 化，並可能導致未配備表面處理生產線的工廠需要過分昂貴的投入。該處理經證明難以均一地實施，特別是對於形狀複雜的擠壓型材而言。另外，就薄 件而言，難以精確進行約250 μ m，特別是約l_2mm的化學蝕刻兩個面上的蝕刻可佔到最終 厚度的約25-50%，這會引起有關厚度公差的技術問題，在設定部件尺寸時必須加以考慮。 最後，該處理會造成金屬損失，這在經濟上是極為不利的，特別是對於低厚度的薄件而言更 是如此。文件 Ellis M B D" Fu si on welding of aluminum-lithium alloys'felding and Metal Manufacture, IPC LTD. HAYffARDS HEATH,GB, vol 64，n。2，1996年 2 月 1 日，第 44/56、 58,60頁也述及，為了對鋁-鋰合金進行焊接而不產生孔隙，每個面必須去除0. 2mm。文件 Ryazantsev V I "Preparation of the surface of aluminum alloys for arc welding'felding International,Taylor & Francis Abingdon,GB,vol 16,n°9,2002 年1月1日，第744-749頁記載了製備由鋁合金、特別是鋁-鋰合金構成的產品的多種方法， 包括脫脂步驟、化學蝕刻步驟和在真空爐中進行固溶熱處理的步驟。美國專利6，881，491記載了一種保護可以進行塗布的鋁表面，從而避免在熱處理 過程中起泡的方法。該方法並非旨在進行鋁鋰合金焊接前的表面準備。同樣地，專利申請EP-A-O 882 809提出了含有少量氟的處理，以防止氧化，但並 未揭示其在焊接前或對於鋁-鋰合金的應用。因此，需要一種製備用於焊接的鋁鋰合金部件的方法，該方法可以避免焊接處孔 隙的形成，同時克服有關表面蝕刻的所有缺點。

發明內容
本發明的主題是一種製備待熔焊的鋁鋰合金產品的方法，包括以下連續步驟(i)獲得一種含有至少0. 8重量％鋰的熱鍛(Corroy6 a chaud)鋁合金產品；(ii)任選地對所獲得的產品進行冷鍛(corroyer a fro id)；(iii)清洗所獲得的產品的至少一個待焊接表面；(iv)在所獲得的產品的至少一個清洗的表面覆蓋一層塗層，所述塗層的特徵在 於，乾燥後其量範圍為0. l-5mg/cm2，優選0. 5-^ig/cm2，且氟濃度為至少10重量％ ；(ν)在大於約450°C的溫度進行固溶熱處理，然後將所獲得的產品淬火。本發明的另一個主題是一種介於含至少1.4重量％鋰的第一鋁合金構件和至少 一種第二金屬合金構件之間的熔焊組件，所述第一構件為一種厚度小於5mm、優選小於2mm 的平扎或擠壓產品，所述第一構件通過本發明的方法製備，所述熔焊組件的特徵在於，焊接 處基本無孔隙。本發明的又一主題為一種包括本發明焊接組件的機身面板。


圖1 根據焊接接點的孔隙情況的質量分級圖2 用於測試的型材
具體實施例方式除非另有說明，有關合金化學組成的所有表達均以合金的總重量為基準，以重量 百分數表示。合金牌號符合鋁業協會(The Aluminium Association)的規定，為本領域技 術人員所已知。冶金狀態的定義如歐洲標準EN 515中指明。除非另有說明，適用標準EN 12258-1中的定義。擠壓產品的厚度根據標準EN2066定義。乾燥塗層意指該塗層整個厚度上均為乾燥時達到的狀態，如標準ISO 9117-90中 定義，其不同於表面乾燥而其中大部分尚未穩固的塗層。本發明的方法為一種製備待熔焊的鋁鋰合金產品的方法。熔焊意指在鋁-鋰合金 熔點以上以液相進行焊接的方法，例如點焊、閃光焊、雷射焊、電弧焊、電子束焊。在本發明 的範圍內，鋁-鋰合金意指含有至少0. 8重量％鋰的合金。本發明方法特別有利於含至少 1. 4重量％鋰的合金。有利地，將本發明方法應用於選自以下的合金產品合金2090、2091、 2196、2097、2197、2297、2397、2099、2199、8090、8091、8093。在一個優選的實施方案中，將本 發明方法應用於合金2196產品。在所述第一個步驟中，獲得一種熱鍛鋁鋰合金產品。熱鍛意指使例如通過半連續 鑄造形成的鑄塊變形的操作。鋁鋰合金的熱鍛通常在大於350°C或400°C的初始鍛接溫度 下進行。熱鍛操作通常為軋制、擠壓和鍛造。在本發明的一個優選實施方案中，熱鍛操作為 熱擠壓。在第二個任選的步驟中，可接著對熱鍛產品進行冷鍛，以獲得較薄產品。冷鍛操作 為例如冷軋、冷拉和/或錘鍛。之後可清洗該熱鍛且任選地冷鍛的產品的至少一個待焊接表面。清洗的目的是除 去熱鍛步驟的主要殘留物。這些殘留物主要為熱鍛油和顆粒氧化物和/或金屬顆粒。清洗可通過適於除去這些殘留物的任意方式進行。清洗不是表面蝕刻，因此清洗期間除去的 金屬厚度小於20 μ m/側，優選小於10 μ m/側。化學清洗通常使用以下物質進行有機溶 劑，例如醇、酮或烷烴，或鹼性脫脂劑，例如含有蘇打、鉀鹼或碳酸鈉的脫脂劑，或酸脫脂劑， 例如含有鉻酸、硫酸或磷酸的脫脂劑。幾種類型的清洗操作可組合使用。然而，發明人注意 到，多種清洗操作的組合，例如鹼洗和酸洗的組合，不會產生任何技術優勢，而且還會徒使 方法複雜化。因此，優選地，清洗僅使用一種類型的操作進行使用有機溶劑清洗，或通過鹼 性脫脂清洗，或通過酸脫脂清洗。在本發明的一個優選實施方案中，通過使用PH大於9的 水溶液處理進行清洗。清洗之後可進行表面衝洗，例如使用軟化水進行。接著在所清洗的表面上塗覆一個塗層，所述塗層的特徵在於，乾燥後其量範圍為 0. l-5mg/cm2，優選0. 5-^ig/cm2，且氟濃度為至少10重量％，優選至少25重量％。所述塗層可以以溶液形式沉積，通常通過浸漬或噴霧進行，或以粉末形式沉積，通 常通過靜電噴粉進行。在溶液沉積的情況下，溶劑之後通過任意合適的方式蒸除，以獲得幹 燥塗層。在粉末形式沉積的情況下，可直接獲得乾燥塗層。可使用多種氟化物以達到乾燥 塗層中所需的氟濃度。有利地，所述氟為金屬氟鹽或氟化物的形式。在本發明的範圍內，可 使用的鹽的實例列於表1中。可有利地使用Nocolok 商標的熔劑。大多數為含有鋁和鉀 的氟化物的通式為KxAlyFz的產品，其可含有多種添加劑。表1.氟化物實例
氟化物分子量 (g)相對密度 (H2O=I)熔點(°C)或 分解點(d)NaBF4109.792.47d384K2SiF6220.272.665dKBF4125.92.498d350NH4HF257.041.5125.6A1F383.982.882129權利要求
1.製備待熔焊的鋁鋰合金產品的方法，包括以下連續步驟(i)獲得一種含有至少0. 8重量％鋰的熱鍛鋁合金產品；( )任選地對所獲得的產品進行冷鍛；(iii)清洗所獲得的產品的至少一個待焊接表面；(iv)在所獲得的產品的至少一個清洗的表面覆蓋一層塗層，所述塗層的特徵在於，幹 燥後其量範圍為0. l-5mg/cm2，優選0. 5-^ig/cm2，且氟濃度為至少10重量％ ；(ν)在大於約450°C的溫度下進行固溶熱處理，然後將所獲得的產品淬火。
2.權利要求1的方法，其中所述鋁合金包括至少1.4重量％的鋰。
3.權利要求2的方法，其中所述鋁合金選自合金2090、2091、2196、2097、2197、2297、 2397、2099、2199、8090、8091、8093。
4.權利要求1-3之一的方法，其中所述熱鍛且任選地冷鍛的產品為一種厚度小於5mm、 優選小於2mm的平軋產品或擠壓產品。
5.權利要求1-4之一的方法，其中步驟(iii)的清洗通過使用一種pH大於9的水溶液 處理而進行。
6.權利要求1-5之一的方法，其中步驟(iii)和(iv)在所述產品的大部分表面上或優 選整個表面上進行。
7.權利要求1-6之一的方法，其中所述塗層包括一種粘合劑，所述粘合劑乾燥後的濃 度範圍為5重量％ -50重量％。
8.權利要求1-7之一的方法，其中所述塗層包括乾燥後以重量百分數計75%-95% 的NaBF4、0-15重量％的羧甲基纖維素和0-15%的矽烷。
9.權利要求1-6之一的方法，其中所述塗層包括乾燥後以重量百分數計50%-100% 的KxAlyi7Z^-S重量％的CsxAlyi7Z和0_50%的粘合劑。
10.權利要求9的方法，其中所述粘合劑為一種烷基矽氧烷樹脂。
11.權利要求9或10的方法，其中所述塗層通過靜電噴粉沉積。
12.—種介於含至少1.4重量％鋰的第一鋁合金構件與至少一種第二金屬合金構件之 間的熔焊組件，所述第一構件為一種厚度小於5mm、優選小於2mm的平軋產品或擠壓產品， 所述第一構件通過權利要求1-11之一的方法製備，所述熔焊組件的特徵在於，焊接處基本 無孔隙。
13.權利要求12的熔焊組件，其中所述第一構件的厚度公差為正負0.20mm，優選正負 0. 15mm，更優選正負0. 10mm。
14.權利要求12或13的熔焊組件，包括至少一個含有至少0.8重量％鋰的第二鋁合金 構件。
15.權利要求12或13的熔焊組件，其中所述第一構件為一種型材，所述第二構件為一 種片材或一種型材。
16.機身面板，包括權利要求14的熔焊組件。
全文摘要
本發明涉及一種製備鋰-鋁合金產品以將其熔焊的方法，包括以下連續步驟(i)提供一種由含至少0.8重量％鋰的鋁合金製成的熱鍛產品；(ii)任選地，對所獲得的產品進行冷鍛；(iii)清洗所獲得的產品的至少一個待焊接表面；(iv)在所獲得的產品的至少一個清洗的表面覆蓋一層塗層，所述塗層的特徵在於乾燥後其量為0.1-5mg/cm2，優選0.5-4mg/cm2，且氟濃度為至少10重量％；以及(v)在大於約450℃的溫度下進行固溶操作，然後將所獲得的產品回火。本發明方法可用於防止焊接處孔隙的形成，而不必進行基本的表面除垢。
文檔編號B23K35/28GK102083584SQ200980126228
公開日2011年6月1日 申請日期2009年7月3日 優先權日2008年7月7日
發明者C·巴特勒米, F·埃貝爾, G·晡熱, S·詹姆布 申請人:愛爾康何納呂公司