专利名称：使铝合金结构成型的方法
技术领域：
本发明涉及使由铝合金作成的结构成型的方法，尤其是使由天然硬质的AlMg合金、天然硬质的AlMgSc合金和/或可时效硬化的AlMgLi合金作成的结构成型的方法。
在航空及航天技术中需要具有高强度及刚度的复杂结构，它们从重量及空气动力学的观点必需具有最佳的设计。这种结构或者说成型部件例如包括机翼外表面，用于航天飞机的覆盖及油箱部件，具有结构加强部件如桁条及框架的飞机机身面。这些由铝合金作的成型部件的轮廓精确及符合图纸的制造通常是困难的及需要单个部件的多个成型步骤及相应的中间退火处理。
将焊接整体结构技术应用在飞机制造中的前提是使用了可良好焊接的、耐腐蚀的材料如AlMgSc合金及AlMgLi合金。这些合金由于其特性范围仅具有很有限的延展性。由此使用传统方法达到所需最终轮廓的造型是部分上不可能的，因为没有足够的形状改变能力。
现有技术中通常将合金AA2024的板材作的外表区域在固溶退火状态中借助拉形来成型。当既可在冷也可在热状态中进行的延拉时，公知地，使待成型结构在一个或多个步骤或阶段中成型(参见DE195 04 649 C1)。在此，使待成型结构首先在纵向上及然后在模件上被拉伸，该模件具有所需的最终轮廓。
该方法的缺点是，在成型过程上材料中形成了内部应力，所述内部应力当叠加了工作负荷时可导致结构的故障。此外成型到具有球形曲面即沿各个空间方向弯曲的结构有困难及需要相应设计的机器与形状稳定的工具。另外，待成型结构通过夹爪的夹持通常使外边缘上受伤，由此该区域必需譬如通过轮廓铣削来去除。这不仅导致材料损失而且需要另外的加工步骤，它又引起不必要的费用及与此相关的时间花费。
在室温下成型时在AlMg合金上观察到不连续的变形及特征表面现象的形成，该现象也被称为“Lueder sche Linien”并可对材料特性产生干扰影响。
此外已证实，AlMg合金族具有在L方向(轧制方向)r值最小的平面各向异性。这意味着，在拉形时材料流大部分由板厚度产生，因此导致待成型结构过早的局部变薄及提前出现故障。另外由伸长引起的板厚度减小将导致仅当具有均匀延展度时才能得到符合图纸的最终厚度，及由此对于具有大延展度差别的部件很难得以实现。
除拉形外还公知使用时效硬化方法来进行成型，该方法例如在一个压热锅或炉中在压力及温度作用下进行，其中同时发生时效硬化效应。该所谓的“时效成型”方法对于可时效硬化的2xxx，6xxx，7xxx及8xxx系列的Al合金可以使用。其中首先在压力或力作用下使待成型结构产生弹性变形。待成型结构被紧靠在一个模件上，该模件具有比成品部件小的曲率半径，以便考虑到所谓“回弹”效应。因此待成型结构首先超过所需最终形状地被变形。通过接着加热到该合金的特定时效硬化温度在部分应力张弛下发生形状改变，如D.M.Hambrick的文章“在压热锅中延展的时效成型技术”中所描述的，SAE技术论文集No.850885，-通用航空飞机会议及展览，Wichita，Kansas，1985年4月16-19日。这导致部件在冷却时一定程度的回弹量后才达到最终形状。因此成型的结构在冷却及卸荷后具有比加热前大的曲率半径。这尤其在模件的制造上存在问题，因为必需以高精确度预计“回弹”效应，以便这样设计模件，即使得成品部件达到所需最终形状。这就需要很费事的“回弹”效应仿真计算，例如在文献EP0517982A1及EP0527570B1中所描述的。
除当前使用的可时效硬化合金(例如AA2024，AA6013，AA6056)外，对于将来新一代的飞机开发了新的天然硬质的、即非可时效硬化的合金，它与已有合金不同出于冶金的原因不能固溶退火，因为这将导致不可逆的强度损失。因此该新材料使用传统方法成型是有问题的。由此对于制造双重弯曲或球形的表面区域需要替换的方法。
因此本发明的任务是，提出一种方法，它能以简单的方式即尽可能少的方法步骤使根据本发明合金的复杂结构无值得一提的回弹效应地被成型。在此情况下应同时使由加工余量引起的材料损失尽可能小。
根据本发明该任务这样地解决由根据本发明合金作成的待成型部件在外力下被弹性地成形及达到其所需最终形状；及接着使弹性成形的部件加热到高于合金应力张弛及蠕变成型所需温度的一个温度，以使得部件尽可能在保持其最终形状的情况下被成型。
以此方式达到部件无值得一提的回弹量地在热作用下被成型及在此几乎保持通过弹性成形压制的最终形状。该部件在成型及接着的冷却后原则上具有与热处理前相同的曲率。这具有其优点，即用于弹性成形所使用的模件或保持装置可以足够的精度具有与部件的理论形状相同的形状及由此不需要预计“回弹”效应的复杂仿真计算。
根据第一实施形式，在热处理前部件已达到其所需最终形状的弹性成形可这样实现在将待成型的部件放置在一个保持装置中后，将外部力作用到部件上，由此在弹性成形的情况下使部件紧贴在保持装置的轮廓上。其中外力可通过机械压力或冲压装置传递，它在向着保持装置的方向上压部件。替换地，该弹性成形可通过一个外部压力实现，它例如由一个抽真空的腔来产生。
根据本发明的另一实施形式，合乎目的地，将外部力这样地作用到放置在保持装置中的部件上，以使得部件在向着保持装置的方向上弹性地弯曲，由此在部件与保持装置之间形成一个空腔。然后通过一个密封材料使该空腔密封及接着使该空腔抽真空。通过形成的真空在弹性成形的情况下使部件完全紧贴在保持装置的轮廓上及取得所需最终形状。然后在高于合金应力张弛及蠕变成型所需温度的温度上通过热作用使部件实现成型。
其优点不仅在于保持装置的轮廓相应于待成型部件的所需最终形状，而且在于这样的事实，即通过外力作用的成形完全是弹性性质的。这意味着，当无任何外力作用在部件上时部件将又返回到原始形状。因此可毫无问题地进行校正或重新放置。由外力作用引起的部件弹性成形由此可在任何时刻被重复。
合乎目的地，还在于部件以从20℃/s至10℃/h的加热速度被加热到高于合金应力张弛及蠕变成型所需温度的一个最大温度上及接着使部件以200℃/s至10℃/h的速率被冷却。最好该最大温度处于200℃与450℃之间及典型地恒定保持0至72h的时间间隔。
对此有利的是，在所述的区域中加热或冷却速率及最大温度可以适配所使用的合金或所需的物理特性。此外在实施了该方法后还可再进行新的成型，这对于公知技术是不可能的或仅能有条件地实现。
根据本发明方法的另一优点在于，无论是简单弯曲还是球形结构可在一个工作步骤中成型。为此保持装置具有的曲面延伸在不同的空间方向上及相应于待成型部件的最终成品轮廓。此外除2维外，已固定了桁条及框架的复杂的3维结构也可用简单的方式方法成型。同时，由在先焊接过程的热应力引起的变形可通过本发明的成型方法得以补偿。
以下将借助附图来详细地描述本发明。附图为
图1用于说明一个待成型的部件放入一个保持装置中的概要视图；图2用于说明在待成型的部件上作用外力的概要视图；图3根据本发明的成型步骤的概要视图；及图4部件成型所需的热处理的T(t)曲线图。
图1表示用于说明一个待成型的部件1放入一个保持装置2中的概要视图。待成型的部件1可以是一个由轧制硬化、天然硬质的材料作成的二维板。也可以在板上通过摩擦搅动焊接、激光焊接或其它适当的方法设置了加固件(未示出)，由此使待变形的结构具有一个三维构型。在此情况下该板将被这样放置到保持装置2中，即加强结构背向保持装置2。通常可将任意的、复杂的三维结构放置在保持装置中以便成型，它尤其由一个天然硬质的、即不可时效硬化的铝合金组成。所述不可时效硬化的铝合金可为AlMg合金或尤其是AlMgSc合金。但也可使用可时效硬化的AlMgLi合金。
待成型部件1将放置到其中的保持装置2具有一个形状或轮廓2a，该轮廓相应于待成型部件1的所需最终形状。以下将部件1的最终形状用标号1a指示。保持装置2的弯曲部分既可延伸在图1所示的平面中也可延伸在与其垂直的平面中，由此该部件在一个工作步骤中可变形成具有球状或双曲率的最终形状。
部件1起初以其未变形的状态被放置到保持装置2中。在此，在部件1与保持装置2之间留有一个空腔3。接着在该未变形的部件1上从上面、即从部件1背离保持装置2的一侧上施加一个力F。该力F例如可通过在图1中仅概要表示的凸模或加压装置4传递到部件1上。也可使用其它适合的装置来施加该外力。例如在保持装置及部件所在的抽成真空的室内施加外压力P。还可以将力F及压力P相组合。
由于外部力F和/或P的作用，部件1被这样地弹性成形，即它向着保持装置2的方向弯曲。如从图2中可看到的，其中弹性成形的部件1的曲率半径大于保持装置2的曲率半径，以致在部件1及保持装置2之间还存在一个空腔3。但该空腔3的容积与图1中所示初始状态相比小了一些。由外力作用产生的部件1的弹性成形将导致部件1与保持装置2之间接触面加大，及由此在使用密封材料5的情况下空腔3可被气密地封闭。这里密封材料5典型为一种耐温度的、改良的硅材料，它被设置在部件1的边缘区域上。
在密封后使部件1及保持装置2之间的空腔3抽真空。为此，在保持装置2中设有透孔6。通过该透孔使空腔3连接在一个真空泵(未示出)上。通过抽真空在空腔中形成了真空p，由此将部件1进一步地向着保持装置2的方向拉，直到部件1完全地贴靠在保持装置2的轮廓2a上为止，如图3中所示。可以看到，在图3的视图上已去除凸模或加压装置。此外该装置可设置在一个封闭的壳体7中，例如一个炉、压热锅或类似装置中。
在这方面还应注意到，当一个或多个外部力F和/或P足够使部件完全压到保持装置2的轮廓2a上的情况下，可不进行空腔的抽真空。这例如是，薄金属板或很小弯曲的结构被成型时。
在图3中所示状态中，部件1开始处于弹性成形的状态，以致当再无任何外力作用于部件上时，该变形是可逆的及该过程可重新进行。这就是说，当无任何外力作用于待成型部件上时，该部件又回到它的未变形的原始状态。因此可以在任何时候毫无问题地校正。
当部件通过上述步骤由弹性成形形成其最终形状1a后，该部件1将在封闭的壳体7内在维持真空的情况下被热处理。通过加热使部件1在于弹性成形期间在材料中产生的应力发生应力张弛(Relaxation)的情况下被成型。在通过热作用的应力张弛结束后可停止真空及接着开始冷却阶段。在此情况下该部件几乎保持由保持装置的轮廓预给定的最终形状1a，而不会出现显著的回弹量。
在此，根据图4所示的概要T(t)曲线来进行热处理。在真空状态，即部件1完全接触在保持装置2的轮廓2a上时，部件1被加热到最高温度T1，它高于合金应力张弛及蠕变成型所需的温度，它典型地大于或等于200℃。在此，该部件在第一时间间隔Δt1中以20℃/s与10℃/h之间的加热速度被加热到所需目标温度T1。这里，加热速率也可不同于图4所示的连续变化的曲线，在时间间隔Δt1中分级地或以其它合适方式变化。最高温度T1典型地在200℃与450℃之间，它将在时刻t1上达到。该温度接着在时间间隔Δt2中被保持恒定，其中Δt2通常在0与72h之间。在该时间间隔Δt2中实现了部件的主要应力张弛。在该时间间隔后，即在时刻t2上可断开真空及接着典型以200℃/s至10℃/h的速率开始一个冷却阶段。如图4概要表示地，该冷却可连续地进行，或也可分级地进行。在此，冷却可通过常规的空气冷却或以其它合适方式进行。
重要的是，在冷却处理期间部件几乎保持它由保持装置2的轮廓2a预给定的最终形状1a。不会出现其形状显著地回弹到大于保持装置的曲率半径。因此，可以以足够精度以所需最终形状的尺寸来制造保持装置。不需要进行回弹效应的复杂仿真计算，例如对于传统可时效硬化的通过“时效成型”(“age forming”)方法成型的合金就是该情况。
如开始部分所述，作为待成型的部件不仅涉及由上述铝合金作成的二维金属板，而且也涉及三维的形状，所述形状可被成型为所希望的双重弯曲或球状构型。因此不必要在焊接工序前进行弯曲部件的高成本制造。而这在迄今必需的，因为板及桁条在接近最终轮廓状态中通过譬如激光焊接进行连接。
此外通过激光焊接引起的部件的扭曲或板的不平度或波度(也称Zeppelin效应)-例如借助激光焊接方法在固定桁条时在板中产生的-可在图3中概要表示的成型处理期间几乎全被补偿。因此根据本发明的方法还具有一个优点，即它几乎完全补偿了这种不平度，而不需要复杂的后处理方法或矫正过程。
此外，根据本发明的方法仅有很少的材料损失，因为不必切掉纵向边的边缘区域，在传统的成型方法中在所述纵向边上被导入了拉伸力。
权利要求
1.使由铝合金、尤其是使由天然硬质的AlMg合金、天然硬质的AlMgSc合金和/或可时效硬化的AlMgLi合金作成的结构成型的方法，其特征在于使一个待成型的部件(1)在外部力(F，P，p)作用下弹性成形到一个预给定的轮廓(2a)；及使得被弹性成形的部件(1)加热到高于合金应力张弛及蠕变成型所需温度的一个温度(T1)，以使得部件(1)在保持所述轮廓(2a)的情况下被成型。
2.根据权利要求1的方法，其特征在于所述弹性成形包括以下步骤将一个待成型的部件(1)放置在一个保持装置(2)中，该保持装置具有与待成型的部件(1)的所需最终形状(1a)相应的轮廓(2a)，将外部力(F，P，p)作用到部件(1)上，由此通过弹性成形使部件(1)紧贴到保持装置(2)的轮廓(2a)上。
3.根据权利要求1的方法，其特征在于弹性成形包括以下步骤将待成型的部件(1)放置在一个保持装置(2)中，该保持装置具有与待成型的部件(1)的所需最终形状(1a)相应的轮廓(2a)，将外部力(F，P)作用到部件(1)上，由此使部件(1)在向着保持装置(2)的方向上弹性地弯曲；借助一个密封材料(5)使形成在部件(1)与保持装置(2)之间的空腔(3)密封；及将空腔(3)抽真空，由此使部件(1)紧贴在保持装置(2)的轮廓(2a)上及取得所需最终形状(1a)。
4.根据权利要求1的方法，其特征在于部件(1)以从20℃/s至10℃/h的加热速度被加热到温度(T1)；在0与72h之间的时间间隔上保持该温度(T1)；及接着使部件(1)以200℃/s至10℃/h的速率冷却。
5.根据权利要求1的方法，其特征在于温度(T1)处于200℃与450℃之间。
6.根据权利要求1的方法，其特征在于放置在保持装置(2)中的部件(1)被成型为具有单一弯曲轮廓、双重弯曲轮廓或球形轮廓的部件。
7.根据权利要求1的方法，其特征在于将复杂的2维或3维结构放置到保持装置(2)中，以便成型。
8.根据权利要求1的方法，其特征在于待成型的部件(1)由天然硬质的AlMg合金组成。
9.根据权利要求1的方法，其特征在于待成型的部件(1)由天然硬质的AlMgSc合金组成。
10.根据权利要求1的方法，其特征在于待成型的部件(1)由可时效硬化的AlMgLi合金组成。
11.根据权利要求1的方法，其特征在于待成型的部件(1)由根据权利要求8-10中的材料的组合构成。
全文摘要
本发明涉及一种使由铝合金、尤其是使由天然硬质的AlMg合金、天然硬质的AlMgSc合金和/或可时效硬化的AlMgLi合金作成的复杂结构成型的方法。本发明的任务是，提出一种上述类型的方法，借助它以简单方式、即以尽可能少的处理步骤使根据本发明的合金组成的复杂结构这样地成型，即它们无显著回弹量地几乎保持其最终形状。在此，可使材料的损失尽可能地少。该任务根据本发明通过以下步骤实现使一个待成型的部件(1)在外部力(F，P，p)作用下弹性成形为一个预给定轮廓(2a)；及使弹性成形的部件(1)加热到高于合金应力张弛及蠕变成型所需温度的温度T1，以使得部件(1)在保持轮廓(2a)的情况下被成型。
文档编号B21D26/02GK1455711SQ01815534
公开日2003年11月12日 申请日期2001年8月25日 优先权日2000年9月26日
发明者斯特凡尼·延布, 克努特·尤尔, 布兰卡·兰乔夫斯基 申请人:Eads德国有限公司