CZ20033157A3

CZ20033157A3 - Metal blocks suitable for machining applications

Info

Publication number: CZ20033157A3
Application number: CZ20033157A
Authority: CZ
Inventors: Frédéric Catteau; David Godard
Original assignee: Pechiney Rhenalu
Priority date: 2001-04-24
Filing date: 2002-04-24
Publication date: 2004-03-17
Also published as: CA2442769A1; US20030003281A1; SK14122003A3; HUP0303318A2; EP1381506A1; KR20030090782A; RU2003133981A; FR2823767B1; PT1381506E; DE60203608D1; US6777106B2; IL157844A0; JP2004532143A; ES2236516T3; EP1381506B1; PL366915A1; RU2281861C2; BR0208671A; DE60203608T2; FR2823767A1

Description

KOVOVÉ BLOKY VHODNÉ K OBRÁBĚNÍ

Oblast techniky

Předložený vynález se týká kovových bloků vhodných k obrábění, určených pro použití například při výrobě velkorozměrových nástrojů nebo forem, nebo konstrukčních součástí velkokapacitních letadel.

Dosavadní stav techniky

Kovovými bloky používanými pro výrobu velkorozměrových součástí obráběním jsou obvykle tlusté válcované plechy nebo kované bloky. Při zpracovávání takových tlustých polotovarů, a zejména tlustých plechů ze slitin hliníku, bylo zjištěno, že statické mechanické vlastnosti ve středové oblasti takových plechů jsou obvykle nižší než tytéž vlastnosti ve středové oblasti tenčích plechů nebo pásů. Přesněji řečeno, mez pevnosti v tahu (R_m) , mez kluzu (Rpo,2) (definovaná jako napětí, při kterém se tyč trvale prodlužuje o 0,2 %) a prodloužení při přetržení (A) mají při daném výrobním postupu tendenci klesat (často až na nevyhovující úrovně) se zvyšující se tloušťkou plechu nebo pásu. Jako příklad lze uvést Evropskou technickou normu EN 485-2 z listopadu 1994, která specifikuje pro válcované plechy ze slitiny hliníku EN AW-6061 v metalurgickém stavu T651, následující minimální hodnoty: R_m min = 290 MPa pro plechy o tloušťce 12,5 mm až 100 mm, a R_ra min = 265 MPa pro plechy o tloušťce 150 mm až 175 mm. Co se týče prodloužení při přetržení (tažnosr), je

86644 (86644a) • · · · uvedený pokles dokonce ještě podstatnější: garantovaná minimální hodnota pro plechy o tloušťce 12,5 mm až 40 mm je 8 %, a pro plechy o tloušťce 150 mm až 175 mm 4 %. Kromě toho by podle technické normy EP 485-1 podélná osa zkušebního vzorku měla být v případě plechů o tloušťce větší než 40 mm umístěná ve vzdálenosti od jednoho z válcovaných povrchů rovné čtvrtině tloušťky, a v případě plechů o tloušťce menší než 40 mm ve vzdálenosti rovné polovině tloušťky.

Uvedený pokles statických mechanických vlastností je ještě podstatnější nebo výraznější při analyzování těchto vlastností na různých úrovních pod válcovaným povrchem. Například u plechů o tloušťce 200 mm bylo ze zkušebních vzorků odebraných ve vzdálenosti 25 mm, 50 mm a 100 mm od povrchu zjištěno, že se mechanické vlastnosti adekvátně zhoršují. Tento jev je osobám obeznámeným se stavem techniky dostatečně známý a je důsledkem řady příčin. Hodnoty R_m a Rpo,2 se mohou zvyšovat v důsledku mechanického zpevňování plechu během procesu válcování, tento postup je však omezen konstrukcí válcovací stolice pro válcování za tepla. Pro získání plechu s konečnou tloušťkou 100 mm válcováním, které zahrnuje redukci tloušťky na polovinu, musí válcování obvykle vycházet z ingotu o tloušťce alespoň 200 mm. Pro získání, stejným způsobem válcování, plechu s konečnou tloušťkou 400 mm, se musí vycházet z ingotu o tloušťce alespoň 800 mm. V současné době však žádná válcovací stolice pro válcování takových ingotů nebo tlustých plechů není k dispozici. Ingoty nebo tlusté plechy je dále možné mechanicky zpevňovat kováním, pro tento účel jsou nezbytné vysoce výkonné kovací lisy, které jsou k dispozici pouze na několika speciálních pracovištích, a tyto postupy jsou tudíž velmi nákladné.

86644 (86644a) • 9 · · · · · · · · · · · · · · ·· ···»·» ·· ··

V případě tlustých plechů z kalitelných slitin ovlivňuje statické mechanické vlastnosti rychlost ochlazování při kalení. Lokální rychlost ochlazování pro daný objem plechu je určená tepelnou vodivostí materiálu a závisí tudíž na tloušťce plechu, nebo, přesněji řečeno, na vzdálenosti konkrétního dílčího objemu materiálu od povrchu nacházejícího se ve styku s kalicím médiem.

V případě zakalených plechů způsobuje proces kalení vznik vnitřních pnutí, která mohou v případě zpracovávání obráběním způsobovat jejich vnitřní napětí jsou tudíž znatelnou nežádoucí deformaci. Tato a měla by být minimalizována, například zpracováváním zakaleného plechu tažením. Nicméně, protahovací stroje, které jsou ve většině továren k dispozici, nejsou často schopné zpracovávat plechy o tloušťkách větších než 100 až 200 mm, a ve většině případů je omezen i jejich výkon. Odpovídající profil vnitřních pnutí u takových plechů je možné docílit také jejich stlačováním v kovacím lisu. V tomto případě může být zpracovávaná tloušťka plechu sice větší, ale omezujícím faktorem se stává maximální stlačovací tlak, který je kovací lis schopný poskytovat.

Lokální pokles statických mechanických vlastností v závislosti na tloušťce je obvykle nežádoucí. Důvodem je skutečnost, že při výrobě součástí z tlustých plechů obráběním, jsou to právě lokální mechanické vlastnosti v oblasti nového povrchu vytvořeného obráběním, které determinují vlastnosti obrobených součástí. Například, při výrobě vstřikovací formy pro lisování plastových součástí obráběním tlustého ocelového plechu nebo bloku ze slitiny hliníku musí vzít konstruktér fcrmy v úvahu, v protiklaau

86644 (86644a) • · · ♦ · · · ··· ·· ··· ··· · · k celkovým mechanickým vlastnostem bloku, gradient statických mechanických vlastností v závislosti na tloušťce kovového bloku. Vzhledem k tomu, že se blok bude zpracovávat tvářením a obráběním, to znamená, že se statické mechanické vlastnosti pod vnějším povrchem stávají podstatné a jakýkoliv pokles těchto vlastností v určitých hloubkách pod povrchem se musí při konstrukci součásti brát v úvahu.

Další nevýhoda stávajících produktů souvisí s vlastním postupem obrábění. Například, při obrábění tlustých plechů ze slitin hliníku na velkou hloubku bylo zjištěno, že obrobitelnost kovu se s vnikáním do objemu plechu snižuje, protože se, ve srovnání s oblastí v blízkosti vnějšího povrchu plechu, se zvyšující se hloubkou vniknutí zvyšuje měkkost kovu. Také drsnost obrobených povrchů a chemické nebo elektrolytické zpracování na velikost zrna jsou horší jakosti v případě povrchů obrobených ve větších hloubkách než v případě povrchů získaných v oblastech přilehlých k výchozímu vnějšímu povrchu tlustého plechu. K tomu dochází proto, že tvorba precipitátu ve středové oblasti tlustých hliníkových plechů se nemusí nutně shodovat s tvorbou precipitátu v oblastech blízkých povrchu.

Až doposud byl pro překonání těchto nevýhod odborníky obeznámenými se stavem techniky preferován metalurgický přístup orientovaný buď na chemické složení použité slitiny, nebo na její výrobní postup. To se týká zejména slitin hliníku. Například podle patentu US 6 077 363 (který se začleňuje do odkazů) se vnitřní pnutí v plechu ze slitiny AiCuMg minimalizuje volbou optimalizovaného chemického složení, zejména co se týče obsahu manganu, železa a křemíku, a volbou výrobního postupu zahrnujícího několik kroků tepelně-mecnaníckého zpracování.

86644 (86644a)

V patentu US 5 277 719 (Aluminium Company of America) (který se začleňuje do odkazů) se popisuje způsob výroby tlustého nízkoporézního plechu ze slitiny hliníku třídy 7xxx, spočívající v použití jako prvního předkovacího kroku s redukcí alespoň 30 %, který předchází následujícímu válcování za tepla. V patentové přihlášce EP 723 033 Al (Hoogovens Aluminium Walzprodukte) (která se začleňuje do odkazů) se popisuje způsob výroby tlustého plechu ze slitiny hliníku, spočívající v provádění jednoho nebo několika kovacích kroků, následujících po předchozím kroku válcování za tepla. Cílem těchto způsobů je zvýšit především únavovou pevnost. Nicméně, způsob popsaný v EP 723 033 kromě toho v případě plechů o tloušťce větší než 8 palců (asi 205 mm) přináší mírnou redukci poklesu meze pevnosti v tahu.

V patentové přihlášce EP 989 195 (Alusuisse Technology & Management AG) (která se začleňuje do odkazů) se popisuje způsob snižování zbytkových vnitřních pnutí u plechů ze slitiny AlCuMg, který je zaměřený na docílení homogenní precipitace velmi jemných fází Al₃Zr přes celou tloušťku plechu. Takové plechy je možné získat válcováním válcovaného ingotu za tepla, nebo zhotovením přímo z litých polotovarů, bez použití válcování.

Jednotlivé prostředky používané ve stávajícím stavu techniky způsobují omezení v rámci: (i) volby slitin, (ii) metalurgických podmínek, a (iii) výrobního postupu plechu a tloušťky. Kromě toho nejsou tyto prostředky ani příliš uspokojivé. Například, neexistuje žádný přijatelný způsob výroby tlustého hliníkového plechu, zejména plechu o tloušťce větší než 200 mm, vytvořeného ze zpracováním za tepla zušlechtitelných slitin, u kterého při postupování od

36644 (86644a) • 9 povrchu plechu do poloviny jeho tloušťky nedochází k podstatnému poklesu lokálních hodnot R_m, Rpo,2 a A. Dostupnost takového materiálu by usnadnila výrobu v řadě oblastí průmyslu. Pokud by bylo možné takový materiál vyrábět, měl by být k dispozici ve větších tloušťkách než plechy podle stávajícího stavu techniky tak, aby bylo možné vyrábět součásti větších rozměrových velikostí, například formy nebo nástroje, a současně by měla být zlepšena jemnost a velikost zrna v celém rozsahu jeho tloušťky.

Podstata vynálezu

Cílem předloženého vynálezu je proto poskytnout tlustý kovový produkt (tj. blok o tloušťce větší než 25 mm, například o tloušťce větší než 200 mm, větší než 400 mm nebo dokonce větší než 600 mm), s vyhovujícími mechanickými vlastnostmi v rozsahu celé jeho tloušťky a s relativně nízkou úrovní vnitřních pnutí.

V souladu s těmito a dalšími cíly předloženého vynálezu se poskytuje kovový blok vhodný pro použití k obrábění. Tento kovový blok zahrnuje alespoň dva na sobě navrstvené plechy, z nichž každý vykazuje tloušťku alespoň 12,5 mm a má výchozí mez kluzu v určeném směru, měřenou v jedné čtvrtině tloušťky. Uvedené plechy mohou být stejné nebo navzájem odlišné a jsou typicky zvolené ze skupiny sestávající ze slitin stejné třídy (například slitin hliníku třídy 5xxx, atd.). Mez kluzu kovového bloku, měřená na zkušebním vzorku odebraném z místa bloku, které nezahrnuje zónu spojení plechů, je alespoň 75 % meze kluzu plechu s nejnižší výchozí mezí kluzu ve stejném určeném směru.

86644 (86644a) • · • · · · fefe ·· · • · · fe · · · ··· · · fe · · · · fe · · · · · · • fe ··· ··· ·· ··

V souladu s dalším cílem předloženého vynálezu se poskytuje kovový blok vhodný pro použití k obrábění, kterýžto kovový blok zahrnuje alespoň dva na sobě navrstvené plechy, z nichž každý vykazuje tloušťku alespoň 12,5 mm a má výchozí mez kluzu v určeném směru, měřenou v jedné čtvrtině tloušťky. Uvedené plechy mohou být stejné nebo navzájem odlišné, a jsou zvolené ze skupiny slitin stejné třídy s tím, že mez kluzu v určeném směru je v libovolném bodě bloku alespoň 75 % meze kluzu plechu s nejnižší výchozí mezí kluzu v určeném směru.

V souladu s ještě dalším cílem předloženého vynálezu se poskytuje kovový blok vhodný pro použití k obrábění, kterýžto kovový blok zahrnuje alespoň dva na sobě navrstvené plechy, z nichž každý vykazuje tloušťku alespoň 12,5 mm, a které mohou být stejné nebo navzájem odlišné, kteréžto plechy jsou zvolené ze skupiny sestávající ze slitin stejné třídy s tím, že mez kluzu kovového bloku v určeném směru se v libovolném bodě nemění v rozsahu větším než plus/mínus 15 % její průměrné hodnoty.

V souladu s ještě dalším cílem předloženého vynálezu se poskytuje způsob výroby kovových bloků, který zahrnuje navrstvení alespoň dvou plechů v podstatě stejné délky a stejné šířky na sebe, s konstantním rozestupem mezi nimi za vytvoření sestavy; zajištění rozhraní kolem bočních stran sestavy; pokrytí horní strany nejvýše uspořádaného plechu výbušninou v celém rozsahu horního povrchu; a provedení exploze výbušniny za vytvoření spojení mezi dvěma nebo více plechy.

Další cíle, charakteristické znaky a výhody předloženého vynálezu budou uvedeny v následujícím popisu

86644 (86644a) jeho konkrétních provedení a stanou se zřejmými buď z tohoto popisu, nebo mohou být zjištěny praktickým provedením vynálezu. Tyto cíle, charakteristické znaky a výhody předloženého vynálezu je možné docílit a realizovat na základě skutečností uvedených v připojených patentových nárocích.

Příklady provedení vynálezu

Kovové bloky podle předloženého vynálezu je možné zhotovovat z plechů z různých kovů a slitin používaných pro výrobu velkorozměrových součástí obráběním, zejména ocelí, slitin mědi a slitin hliníku. Je výhodné použít kalitelné nebo vytvrditelné slitiny, které v zakaleném nebo vytvrzeném stavu poskytují vysokou mechanickou pevnost. Vzhledem k tomu se vytvrzené slitiny hliníku třídy 2xxx, 6xxx a 7xxx s výhodou používají ve stavu T3 (po zakalení), po stárnutí, nebo ve stavu T6 (po zakalení a popouštění). Třídy slitin hliníku a chemické složení tvářených slitin hliníku jsou definované v rejstříku Aluminium Association a v technické normě EN 573, jejich označení v popuštěném stavu jsou uvedená v technické normě EN 515, kteréžto dokumenty jsou osobám obeznámeným se stavem techniky známé a začleňují se do cdvclávek v jejich úplnosti.

Bez ohledu na způsob spojování by použité plechy měly být tak ploché nebo rovinné, jak je to jen možné, a rovněž by měly vykazovat relativně nízkou úroveň zbytkových vnitřních pnutí, kteréžto výchozí podmínky je možné docílit libovolným, ze stavu techniky známým postupem, například tažením plechů mezi čelistmi protahovacího stroje, nebo jejich stlačováním v kovacím lisu. Jakost povrchu těchto '16 86644 (86644a)

plechů se může, pokud je to z jakéhokoliv důvodu žádoucí a jak bude objasněno dále, upravovat podle způsobu spojování. Tloušťka každého z na sobě navrstvených plechů by ve většině případů měla být alespoň 12,5 mm. Tloušťka jednotlivých plechů může být buď stejná nebo se může různit. Je výhodné, jestliže celková tloušťka na sobě navrstvených plechů je alespoň 25 mm, a nejlépe alespoň 40 mm.

Spojování tlustých plechů do společného celku se může provádět za použití jakéhokoliv ze stavu techniky známého technologického postupu, schopného zajistit docílení takové mechanické pevnosti zkompletovaného bloku, která postačuje pro jeho zamýšlené použití. V souladu s předloženým vynálezem je takové kovové bloky možné zhotovovat navrstvením na sebe alespoň dvou plechů, z nichž každý vykazuje tloušťku alespoň 12,5 mm a má výchozí mez kluzu v určeném směru, měřenou v jedné čtvrtině tloušťky, a které mohou být ze stejného nebo navzájem odlišných materiálů. Uvedené plechy jsou s výhodou zvolené ze skupiny slitin stejné třídy (tj. v případě slitin hliníku, ze slitin třídy 2xxx, třídy 7xxx, atd.), a mez kluzu bloku vytvořeného navrstvením plechů v určeném směru se v jeho libovolném bodě rovná alespoň 75 %, as výhodou alespoň 85 % nebo ještě výhodněji alespoň 90 % meze kluzu plechu, který v uvedeném určeném směru vykazoval nejnižší výchozí mez kluzu.

V upřednostňovaném provedení se způsob kompletování bloku volí tak, že se mechanická pevnost v celém bloku blíží mechanické pevnosti výchozích plechů, a to dokonce i v oblasti zóny spojení. Pojem zóna spojení se ve zde uváděných souvislostech týká těch zón zkompletovaného bloku, ve kterých se jednotlivé plechy tvořící blok nacházejí ve styku a jsou navzájem spojené.

86644 (86644a) • · · · ·· ····

Kromě toho by zóna spojení mezí jednotlivými plechy měla vykazovat přijatelnou mechanickou a tepelnou stálost, jakož i další vlastnosti, například tepelnou vodivost nebo jakost povrchu, které jsou požadované pro zamýšlenou finální aplikaci zkompletovaného bloku. Uvedené mechanické a tepelné vlastnosti, požadované pro různá konkrétní finální použití při výrobě nástrojů a forem, jsou osobám obeznámeným se stavem techniky dobře známé.

V souladu s předloženým vynálezem je možné zhotovovat tlusté kovové bloky (o tloušťce alespoň 25 mm) s mechanickými vlastnostmi, které nejsou měřitelným způsobem nepříznivě ovlivňované celkovou tloušťkou bloku. Přesněji řečeno, mez kluzu, mez pevnosti v tahu a prodloužení při přetržení, neboli takzvané statické mechanické vlastnosti vykazují v rozsahu celé tloušťky bloku, ve srovnání s bloky zhotovenými za použití technologických postupů podle stavu techniky, podstatně nižší změny.

Podle upřednostňovaného provedení je možné tlustý kovový blok získat zkompletováním alespoň dvou na sobě navrstvených plechů ze slitiny stejné třídy, z nichž každý vykazuje tloušťku alespoň 12,5 mm. Mez kluzu zkompletovaného kovového bloku v určeném směru, měřená na zkušebním vzorku odebraném z oblasti zóny spojení mezi plechy, se rovná alespoň 75 %, s výhodou alespoň 80 % a nejvýhodněji alespoň 90 % meze kluzu plechu (plechů), který ve stejném určeném směru vykazuje nejnižší výchozí mez kluzu.

Podle dalšího provedení vynálezu vykazuje zóna spojení mezi na sobě navrstvenými plechy dobrou mechanickou a tepelnou stálost. Kromě toho jsou z hlediska požadavků pro

86644 (86644a) • fc ··· · fc fcfc fcfc · · fcfc fcfc fcfc · fcfc· · · ··· • ··« · · · fc · · · • · · · fcfcfcfc • fcfc fcfc fcfcfc ··· fcfc fcfc zamýšlenou finální aplikaci zkompletovaného bloku uspokojivé i další vlastností, například tepelná vodivost spoje mezi dvěma plechy a/nebo vzhled povrchu spoje nebo pojivá. To znamená, že řada aplikací zkompletovaného bloku vyžaduje, aby spoj nebyl v žádné míře patrný. Kromě toho některé aplikace vyžadují, s ohledem na maximální teploty a doby vystavení působení vysokých teplot, jistou žáruvzdornost. Takto je možné získat blok, jehož lokální mez kluzu Rpo,₂, měřená v kratším příčném směru přes zónu spojení, se rovná alespoň 75 %, s výhodou alespoň 80 % a nejvýhodněji alespoň 90 % meze kluzu R_Po,2 plechu (plechů), který ve stejném kratším příčném směru vykazuje nejnižší výchozí mez kluzu.

Kompletování tlustých plechů je takto možné realizovat spojováním za použití libovolných, ze stavu techniky známých prostředků, například samolepicích fólií, plastových vrstev nebo tekutých lepidel. Takto je například možné použít tenkou samolepicí, za tepla polymerovatelnou fólii a její polymerací provádět (například tehdy, je-li použitou slitinou vytvrzená slitina) během popouštění plechů. Dále je možné na povrch jednoho ze dvou nebo obou plechů určených ke spojování nanést jednosložkové nebo dvousložkové tekuté lepidlo a následně toto lepidlo vytvrdit buď ponecháním zkompletovaného bloku přiměřenou dobu v klidovém stavu při teplotě místnosti, nebo ohřevem na adekvátní teplotu po určitý čas. Stejně tak je možné použít polymerovatelnou plastovou vrstvu, která se vloží mezi dva tlusté plechy a následně vhodně ohřeje za účelem jejího zpolymerování a tím vytvoření požadovaného spojení. Ve všech těchto případech je možné spojovat současně dva nebo více plechů, přičemž se lepidlo může nechat polymerovat nebo vytvrzovat, zatímco se zkompletovaná sestava ponechává v klidovém stavu za působení tlaku na vytvořené vazební spoje vyvíjeného buď vlastní

86644 (86644a) • · · · 9 9

* 9 9 9

9 9 9 9 • 9 9 9 9

9 9 9 9 9 9 hmotností plechů nebo mechanickými prostředky. Výhoda lepení spočívá v jeho nízkých nákladech, a nevýhoda v tom, že vytvořený spoj může být spíše nevyhovující. V každém případě je před vlastní aplikací lepidla často žádoucí nebo dokonce nezbytné, provést vhodné předběžné zpracování lepených povrchů (například moření chromitými solemi nebo pískování).

Další způsob spojování, který je pro kompletování bloků možné použít, představuje deformační zpracování dvou nebo více na sobě navrstvených tlustých plechů, například zpracování válcováním nebo kováním. Jedná se o tentýž typ metalurgického spojování, který se dociluje při ze stavu techniky známém postupu plátování plechů. Tento postup je s výhodou možné použít pro spojování tlustých plechů nebo pásů ze slitin hliníku, například ze slitin hliníku třídy 5xxx, aniž by bylo nutné provádět jakékoliv tepelné zpracování. Postup je však méně vhodný ve spojení s vytvrzenými slitinami vyžadujícími obvykle předehřev, který by potenciálně mohl způsobovat nežádoucí změnu metalurgického stavu plechů. Použití tohoto postupu může být dále omezeno kapacitou válcovacích stolic nebo kovacích lisů z hlediska schopnosti zpracovávat velmi tlusté plechy, nebo z hlediska maximálního tlaku, který jsou použité válcovací stolíce nebo kovací lisy schopné poskytovat.

Dále je možné kovové plechy do bloků spojovat svařováním, zejména svařováním elektronovým paprskem, což je postup, který nikterak podstatně nezhoršuje mechanické vlastnosti plechů. Nicméně, svařování elektronovým paprskem nemusí být dostatečně vhodné pro plechy velkých rozměrových velikostí.

Další výhodný způsob spojování, který se s výhodou

8S644 (86644a) • · · 0 • 009 0 0 0 0 0 · · • · 0 0 000· • 00 00 000 000 00 09 používá ve spojení s předloženým vynálezem, představuje svařování výbuchem. Svařování výbuchem je známé řadu let a většinou se používá pro plátování tenkých kovových pásů na tlusté plechy z odlišného kovu, zejména z důvodu vytvoření vrstvy z ušlechtilého kovu na tlustém plechu z běžné uhlíkové konstrukční oceli. Uvedená technologie je popsaná například v patentech FR 1381594, FR 1397963 a FR 1458506 (Asahi Kasei) (které se začleňují do odkazů v jejich úplnosti) . Většina z početných příkladů popsaných v těchto patentech se týká plátování tenkého kovového pásu na ocelový plech, přičemž v některých z těchto příkladů se popisuje sestava dvou tenkých kovových pásů o tloušťce řádově 1 mm, zhotovených ze stejného kovu (nerezavějící ocel nebo hliník). Stejně tak v patentu US 3 024 526 (Atlantic Richfield Corporation) [dále patent '526] (jehož obsah se začleňuje do odkazů) se popisuje svařování dvou hliníkových pásů o tloušťce 0,062 palce (tj . cca 1,6 mm) výbuchem. Ve způsobu podle patentu '526 se však nikde neuvádí použití svařování výbuchem pro vytváření bloků velkých tlouštěk zhotovených ze dvou nebo více tlustých plechů ze stejného materiálu, zejména ze slitin hliníku.

Podle předloženého vynálezu zahrnuje kovový blok alespoň dva na sobě navrstvené plechy, z nichž každý vykazuje tloušťku alespoň 12,5 mm, s výhodou alespoň 25 mm a nejvýhodněji alespoň 40 mm. Tyto bloky však mohou v případě, kdy jednotlivé plechy mají velké tloušťky, vykazovat gradient statických mechanických vlastností, který je funkcí vzdálenosti od válcovaného povrchu.

V upřednostňovaném provedení vynálezu jsou plechy určené ke spojování ze stejného základního kovu, respektive, na základě pojetí, podle kterého může být za ekvivalent

86644 (86644a) • · « · · · • · · • ··· · · · · Φ * · • · · · · · · · ··· ·· ··· ··· ·· ·· daného základního kovu považovaná kovová slitina, z kovových slitin stejné třídy. Výrazem základní kov se ve zde uváděných souvislostech míní například hliník, ocel, měď, mosaz a podobně. Výrazy slitina a třída slitiny zase, v souladu se shora zmiňovanými, technickou normou EN 573 a rejstříkem Aluminium Association, definují slitiny hliníku.

Podle těchto dokumentů jsou slitiny hliníku rozčleněné do tříd podle určujících legovacích prvků: třída lxxx (minimálně 99.00 hliníku), třída 2xxx (Al-Cu), třída 3xxx (Al-Mn), třída 4xxx (Al-Si), třída 5xxx (Al-Mg), třída 6xxx (Al-Mg-Si), třída 7xxx (Al-Zn), třída 8xxx (další legovací prvky). Předložený vynález je obzvláště zaměřený na ty základní kovy, slitiny a třídy slitin, které není možné v důsledku technických omezení nebo z ekonomických důvodů vyrábět ve velkých tloušťkách, nebo které ve formě tlustých plechů vykazují v rozsahu tloušťky výrazné kolísání statických mechanických vlastností. To se obzvláště týká zpracováním za tepla zušlechtitelných slitin hliníku tříd 2xxx, 6xxx, a 7xxx.

Podle specifického provedení vynálezu jsou, z důvodu docílení homogenních vlastností, tlusté plechy (o tloušťce alespoň 12,5 mm) určené ke spojování ze stejné slitiny a vykazují stejný metalurgický stav, tj . jsou vyrobené za použití v podstatě stejného výrobního postupu.

Spojované plechy mohou být buď stejné nebo různé tloušťky, a dva nebo více takových plechů se může spojovat v jedné nebo v několika operacích. Spojování svařováním výbuchem se může provádět jakýmkoliv pro uvedený účel vhodným postupem, například postupem, který je popsaný ve shora zmiňovaných francouzských patentech a v patentu US '526. Přijatelný a výhodný postup svařování výbuchem

1S 86644 (86644a) podle předloženého vynálezu zahrnuje: (i) úpravu povrchu plechů kartáčováním nebo broušením, a jeho pečlivé očištění v nezbytném rozsahu; (ii) navrstvení plechů v podstatě stejné rozměrové velikosti (tj . stejné délky a stejné šířky) na sebe, s konstantním rozestupem mezi nimi, zajištěným prostřednictvím mezi nimi opatřené vložky (vkládané vrstvy); (iii) uzavření spáry (nebo spár) mezi plechy, například za použití lepicí pásky; (iv) umístění výbušniny, například střelného prachu, na horní povrch nejvýše uspořádaného plechu; a nakonec (v) provedení exploze této výbušniny za účelem docílení svaření plechů v celém rozsahu jejich povrchů.

V upřednostňovaném provedení, založeném na použití svařování výbuchem, jsou použité plechy s prodloužením při přetržení (A) v podélném směru větším než 13 %, as výhodou větším než 15 %, as vrubovou houževnatostí podle Charpyho alespoň 30 Joulů.

Způsob podle předloženého vynálezu umožňuje vyrábět bloky, jejichž celková tloušťka není omezena kapacitou a výkonností zařízení používaných pro výrobu plechů (válcovací stolice nebo kovací lisy). Tloušťka bloků je s výhodou alespoň 200 mm, výhodněji alespoň 400 mm, a nejvýhodněji alespoň 600 mm. Díky takovým blokům je možné pohodlně vyrábět obráběné součásti se značně velkými rozměry, například součásti z vytvrzených slitin hliníku se zakalenou strukturou, které se používají jako konstrukční součásti velkokapacitních letadel, nebo nástroje a vstřikovací formy pro lisování plastů z oceli a/nebo z mědi a ze slitin hliníku.

Výroba těchto obráběných součástí může zahrnovat jeden

86644 (86644a) • ·

0 0 0 0 0

000 · • 0 0 0·· 0·· · · · 0« 00 nebo několik technologických postupů, například soustružení, frézování, vrtání, vyvrtávání, řezání vnitřních závitů, elektrojiskrové obrábění, vyhlazování povrchu, leštění a podobně, které se ve stavu techniky běžně používají. V určitých případech je kromě toho možné na alespoň část takto vytvořených povrchů ukládat vrstvu tvrdého kovu (slinutého karbidu) za použití libovolného, ze stavu techniky známého postupu, například postupu popsaného v patentové přihlášce EP 997 253 Al (Werkzeugbau Leiss Gmb) (která se začleňuje do odkazů), nebo ji za použití ze stavu techniky známého postupu, například fyzikálním povlékáním srážením par nanášeného materiálu, opatřovat keramickou vrstvou. Přihlašovatelem bylo zjištěno, že takový kovový povlak je obzvláště prospěšný u bloků kompletovaných spojováním lepením v případech, kdy hloubka obrábění zasahuje oblast lepených spojů. Takto může být, pokud je to z jakéhokoliv důvodu žádoucí, nanášena vrstva hliníku nebo jiného kovu.

Pro výrobu bloků z vytvrzené slitiny hliníku byl přihlašovatelem nalezen způsob výroby, který poskytuje obzvláště dobré výsledky. Podle tohoto způsobu jsou použité tlusté plechy ve stavu s odstraněným vnitřním pnutím, například ve stavu T351 (definovaném technickou normou EN 515), a spojují se svařováním výbuchem. Poté se kovový blok velké tloušťky podrobuje zpracovávání popouštěním. Při použití tlustých plechů (o tloušťce alespoň 12,5 mm) zpracovaných na odstranění vnitřního pnutí je možné docílit bloky s velmi nízkou úrovní vnitřních pnutí, které jsou obzvláště vhodné ke zpracovávání obráběním. Navíc bylo zjištěno, že plechy ve stavu T351 vykazují tažnost lepší než další srovnatelné plechy nebo pásy, a toto zlepšení tažnosti minimalizuje nebo dokonce až eliminuje nahodilé porušení

66644 (66644a)

0·· 00 400 00· ·· ·· během jejich spojování nebo manipulace s nimi.

Bloky z vytvrzených slitin hliníku velké tloušťky podle předloženého vynálezu je možné použít pro výrobu (obráběním) vstřikovacích forem pro lisování plastových nebo pryžových součástí. Tyto bloky je rovněž tak možné použít pro výrobu (zejména obráběním) konstrukčních součástí letadel, zejména velkokapacitních letadel. Pro posledně zmiňovanou aplikaci jsou obzvláště vhodné slitiny hliníku AA7040 nebo AA7075.

Příklady

Příklad 1 (stav techniky)

Tlusté plechy ze slitiny hliníku AA7449 ve stavu T651 byly vyrobeny za použití osobám obeznámeným se stavem techniky známých technologických postupů. Tloušťka těchto plechů se pohybovala v rozmezí 50 mm až 150 mm. Mez kluzu Rp0,2 se měřila v jedné čtvrtině tloušťky ve směru TL. Zjištěné výsledky jsou shrnuté v Tabulce 1. Z uvedených výsledků může být seznatelný velmi výrazný pokles meze kluzu se zvětšující se tloušťkou plechu.

Tabulka 1

e (mm)	50	75	100	150
Rpo,2 (MPa)	584	575	564	508

36644 (86644a)

• · · ·

Příklad 2 (vynález)

Byly použity dva plechy ze slitiny hliníku AA7075 se stejnou rozměrovou velikostí (tj. stejnou délkou a šířkou) a s jednotlivými tloušťkami 25 mm a 70 mm. Složení slitiny (v % hmotnostních) bylo následující: Si = 0,08, Fe = 0,15, Cu = 1,56, Mn = 0,03, Mg = 2,30, Cr = 0,19, Zn = 5,92, Ti = 0,03.

spojeny svařováním NobelClad Europe

Plechy byly podrobeny homogenizování při teplotě 465 °C, poté zakalení do studené vody, přirozenému stárnutí a tažení na trvalou deformaci 1,5 %, což odpovídá stavu T351. Poté byly plechy sestaveny a výbuchem na montážním pracovišti v Rivesaltes (Francie). Svařováním výbuchem spojený blok byl za účelem jeho uvedení do stavu T651 podrobený popouštění po dobu 48 hodin při teplotě 120 °C. Následné přezkoumání zóny spojení v nahrubo vyleštěném stavu nevykázalo žádné viditelně patrné rozhraní. Po moření chromitými solemi bylo rozhraní mezi výchozími plechy patrné a vykazovalo na obou stranách svarového spoje zónu 0,3 mm širokou, zahrnující šikmé skluzové čáry orientované ve směru šíření rázové vlny, které prokazují podstatné mechanické zpevnění.

Zkušební vzorky pro zkoušku tahem válcového tvaru byly odebrány z oblasti v jedné čtvrtině tloušťky plechu o tloušťce 70 mm a ze zóny rozhraní mezi dvěma plechy, a zjišťovaly se následující statické mechanické vlastnosti: mez pevností v tahu (R_m) (MPa) , mez kluzu (R_po,2) (MPa) a prodloužení při přetržení (A) (%) ve směrech L, TL a TC.

Zjištěné výsledky jsou uvedené v Tabulce 2:

86644 (86644a) • · · · · ·

Tabulka 2 β · » · » · « · · ·

Zkušební vzorek	Směr	Rpo,2 (MPa)	R_m (MPa)	A (%)
Plech	L	464	528	13,3
Rozhraní	L	501	553	11, 6
Plech	TL	450	548	10,3
Rozhraní	TL	495	555	CO \|
Plech	TC	456	532	5, 5
Rozhraní	TC	478	540	4,5

Z uvedených výsledků je patrné, že v zóně spojení jsou mez pevnosti v tahu a mez kluzu, ve srovnání s hodnotami výchozích plechů a bez ohledu na směr měření, zvýšené, zatímco prodloužení při přetržení je mírně snížené.

Kromě toho byla na vyhlazených, na R = 0,1 zaoblených zkušebních vzorcích ve směru TC, s koeficientem koncentrace napětí K_t- 1, v souladu s technickou normou ASTM E466, odebraných jeden z plechu o tloušťce 70 mm a druhý ze zóny spojení mezi dvěma plechy, měřena cyklická únavová životnost za působení napětí 200 MPa, při četnosti 50 Hz. Počet cyklů do porušení byl, v uvedeném pořadí, 206375 a 321271, což prokazuje zlepšení únavové pevnosti v zóně spojení.

Příklad 3

Bloky byly vyrobeny slepením dvou plechů ze slitiny hliníku AA7449, přičemž spojované povrchy byly předběžně zpracované buď pískováním nebo mořením chromitými solemi.

86644 (86644a) • · 0 · · ·

Pro lepení bylo použito tekuté epoxidové lepidlo (označené AV 119) nebo epoxidová fólie (s označením AF 163-2L.03). Zkouška tahem přes zónu spojení byla provedena na zkušebních vzorcích o rozměrech 200 mm x 29 mm x 17 mm (povrch spoje 493 mm²) . Zjištěné výsledky jsou uvedené v Tabulce 3. Z uvedených výsledků může být patrné, že větší vazební sílu poskytuje moření chromitými solemi.

Tabulka 3

Lepidlo	Pevnost spoje (moření)	Pevnost spoje (pískování)
AV 119	75,8 ±5,7 MPa (AR)	43,9 ± 10,5 MPa (AR)
AF 163-2L.03	46,0 ± 0,5 MPa (CR)	41,2 ± 2,3 MPa (CR)
	AR: porušení přilnavosti
	CR: porušení soudržnosti

Osoby obeznámené se stavem techniky budou z uvedených skutečností schopné snadno odvodit další charakteristické znaky, výhody a modifikace. Předložený vynález není tudíž, v jeho širších aspektech, omezený pouze na zde popsané a znázorněné konkrétní detaily a prezentované prostředky. Proto je možné, aniž by došlo k odchýlení se z podstaty nebo nárokovaného rozsahu, definovaného v připojených patentových nárocích a jejich ekvivalentech, vytvořit jeho různé další modifikace.

Prioritní dokument, francouzská přihláška vynálezu

FR 0105500, podaná 24. dubna 2001 a s ní korespondující

86644 (86644a) • · · americká přihláška vynálezu, podaná 24.dubna 2002, se začleňují do odkazů v jejich úplnosti.

Co do rozsahu ochrany a výkladu výše uvedeného a následujících nároku je třeba uvést, že zde uváděné jednotné číslo muže znamenat také množné číslo.

Všechny dokumenty, na které se odkazuje, se začleňují v jejich úplnosti.

Zastupuje:

Dr. Miloš Všetečka v.r.

86644 (86644a)

Claims

PATENTOVÉ NÁROKY

JUDr. Miloš Všetečka advokát

120 00 Praha 2, Hálkova 2 • · 4 4 4 • 4 4 4 4 4 • · 4 4 4 4

444 444 44 44

1. Kovový blok vhodný k obrábění, zahrnující: alespoň dva na sobě navrstvené plechy, z nichž každý vykazuje tloušťku alespoň 12,5 mm a má výchozí mez kluzu v určeném směru, měřenou v jedné čtvrtině tloušťky, a které mohou být stejné nebo navzájem odlišné, kteréžto plechy jsou zvolené ze skupiny sestávající ze slitin jedné třídy s tím, že mez kluzu v určeném směru se v libovolném bodě bloku rovná alespoň 75 % meze kluzu plechu s nejnižší výchozí mezí kluzu v uvedeném určeném směru.
2. Kovový blok vhodný k obrábění, zahrnující: alespoň dva na sobě navrstvené plechy, z nichž každý vykazuje tloušťku alespoň 12,5 mm a má výchozí mez kluzu v určeném směru, měřenou v jedné čtvrtině tloušťky, a které mohou být stejné nebo navzájem odlišné, kteréžto plechy jsou zvolené ze skupiny sestávající ze slitin jedné třídy s tím, že mez kluzu kovového bloku, měřená na zkušebním vzorku, který je odebraný z libovolného místa bloku s výjimkou zóny spojení plechů, se rovná alespoň 75 % meze kluzu plechu s nejnižší výchozí mezí kluzu v uvedeném určeném směru.

3. Kovový blok vhodný k obrábění, zahrnující: alespoň dva na sobě navrstvené plechy, z nichž každý vykazuje tloušťku alespoň 12,5 mm, a které mohou být stejné nebo navzájem odlišné, kteréžto plechy jsou zvolené ze skupiny sestávající ze slitin jedné třídy s tím, že mez kluzu v určeném směru se v libovolném daném bodě nemění v rozsahu větším než plus/mínus 15 % průměrné hodnoty.

16 66644 (86644a) • · φ φ

4. Kovový blok podle některého z nároků 1 až 3, vyznačující s e tím, že celková tloušťka bloku je alespoň 200 mm. 5. Kovový blok podle některého z nároků 1 až 3, vyznačující s e tím, že celková tloušťka bloku je alespoň 400 mm. 6. Kovový blok podle některého z nároků 1 až 3, vy značující s e tím, že celková tloušťka bloku je alespoň 600 mm. 7. Kovový blok podle některého z nároků 1 až 6, vyznačující s e tím, že tloušťka každého : z. na sebe navrstvených plechů je alespoň 25 mm, a s výhodou alespoň 40 mm. 8. Kovový blok podle některého z nároků 1 až 7, vyznačující s e tím, že plechy jsou vytvořené ze stejné nebo z různých slitin hliníku. 9. Kovový blok podle nároku 8, vy zn a č u j ící s e tím, že použitými slitinami hliníku jsou vytvrzené slitiny hliníku. 10. Kovový blok podle nároku 9, vy zn a ču j ící s e

tím, že plechy jsou ve stavu po zakalení.

11. Kovový blok podle nároku 10, vyznačující se tím, že plechy jsou ve stavu po zakalení a stárnutí.

12. Kovový blok podle některého z nároků 11 nebo 11, vyznačující se tím, že plechy jsou ve stavu po

16 36644(86644a) ···· zpracování na odstranění vnitřního pnutí tažením nebo stlačováním.

13. Kovový blok podle některého z nároků 1 až 11, vyznačující se tím, že mez kluzu v určeném směru se v libovolném bodě bloku rovná alespoň 85 % a s výhodou alespoň. 90 % meze kluzu plechu s nejnižší výchozí mezí kluzu v uvedeném určeném směru.

14. Kovový blok podle některého z nároků 1 až 13, vyznačující se tím, že plechy jsou navzájem spojené lepením.

15. Kovový blok podle některého z nároků 1 až 13, vyznačující se tím, že plechy jsou navzájem spojené sválcováním nebo skováním.

16. Kovový blok podle některého z nároků 1 až 13, vyznačující se tím, že plechy jsou navzájem spojené svařováním elektronovým paprskem.

17. Kovový blok podle některého z nároků 1 až 13, vyznačující se tím, že plechy jsou navzájem spojené svařováním výbuchem.

18. Způsob výroby kovového bloku podle nároku 17, zahrnuj ící:

navrstvení plechů v podstatě stejné délky a stejné šířky na sebe, s konstantním rozestupem mezi nimi, za vytvoření sestavy;

zajištění rozhraní kolem všech bočních stran této sestavy;

pokrytí povrchu vrchní strany horního plechu výbušninou

16 86644 (86644a) ·> 9999 •99 9 9 999 • 999· 9 9999 9 • · 9 9 9999 • 99 99 999 999 «9 99 v celém jeho rozsahu; a provedení exploze této výbušniny.

19. Způsob výroby konstrukčních součástí letadel, zahrnuj ící:

opatření bloku podle kteréhokoli z nároků 1 až 17, a obrábění tohoto bloku pro vytvoření konstrukční součásti letadla.

20. Způsob výroby vstřikovacích forem pro lisování plastů nebo pryže, zahrnující:

opatření bloku podle kteréhokoli z nároků 1 až 17, a obrábění tohoto bloku pro vytvoření vstřikovací formy.

21. Způsob výroby obráběných součástí, zahrnující: opatření bloku podle kteréhokoli z nároků 1 až 17, a obrábění tohoto bloku pro vytvoření obrobené součásti.

Zastupuje:

Dr. Miloš Všetečka v.r.

16 86644(86644a)