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Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Aluminiumverbundplatte,
die zwei parallele Tafeln und/oder Bleche, die an einem Futterblech
zwischen den parallelen Tafeln und/oder Blechen befestigt sind, aufweist,
und auf die Benutzung der Aluminiumverbundplatte in Strukturmaterialen,
wie z. B. in Konstruktionen aus großen Schweißstrukturen.
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In
der vorliegenden Erfindung wird davon ausgegangen, dass das Blechmaterial
ein gewalztes Produkt ist, das eine Dicke von nicht mehr als 6,0
mm hat.
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Stand der Technik
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Derzeit
werden große
Schweißstrukturen,
wie der Boden oder die Frachtdecks eines Schiffes (z. B. eines Katamarans),
durch Zusammenschweißen
einer großen
Anzahl von stranggepressten Abschnitten von Legierungen der AA6000-Reihe
des Aluminium Association Standards, wie der AA6082-Legierung, hergestellt.
Eine typische Konstruktion entsteht durch Schmelzschweißen einer
großen
Anzahl von Hohlabschnitten und/oder einfachen Abschnitten. Typischerweise
werden Hohlabschnitte der AA6082-Legierung verwendet, da es diese
Legierung den Konstrukteuren erlaubt, wesentliche Gewichtseinsparungen
zu erreichen. Dies wird hauptsächlich
deswegen erreicht, weil die AA6082-Legierung die festeste der im
Handel erhältlich
Legierungen der AA6000-Reihe
ist. Aufgrund der Einschränkungen
bezüglich
der Strangpressbarkeit von AA6082-Legierungen ist die Minimum-Wanddicke
für hohle
Abschnitte auf den Bereich von 2,5 bis 4,0 mm beschränkt, abhängig von
der Konstruktion des stranggepressten Abschnitts. Die Einschränkung der
minimalen Wanddicke schränkt
ihrerseits die Gewichtsersparnis, die durch eine Verbesserung der
Konstruktion erreicht werden kann, ein.
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Alternativ
können
große
Konstruktionen, wie Fracht- oder Passagierdecks eines Schiffs, durch
Zusammenfügen
von vorgefertigten Aluminiumprodukten hergestellt werden, die durch
Zusammenfügen
und/oder Schweißen
einer Anzahl von walzprofilierten Wellblechen hergestellt werden.
Die Umsetzung dieses Ansatzes hängt
von der Verfügbarkeit
von hochfesten Aluminiumlegierungwellblechprodukten ab. Benötigt werden
Aluminiumlegierungbleche, die nicht nur leicht durch Walzen profiliert
werden können,
sondern die auch eine höhere
Festigkeit haben. Verfügbare
Standard-Aluminiumlegierungen zum Walzprofilieren, wie z. B. die AA3004-Legierung,
entwickeln nicht genügend
Festigkeit, um eine wesentliche Gewichtsreduzierung zu erzielen.
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Innerhalb
des Umfangs der vorliegenden Erfindung wird unter Walzprofilieren,
das auch als Konturwalzprofilieren oder Kaltwalzprofilieren bekannt
ist, ein kontinuierlicher Prozess verstanden, um ein Metall aus einem
Blech- oder Bahnvorrat oder aufgewickeltes Material in die gewünschten
Formen mit im Wesentlichen einheitlicher Dicke zu formen, indem
das Material durch eine Reihe von Walzstationen mit Konturwalzen
transportiert wird, siehe Metals Handbook, 9. Auflage, Band 14,
ASM International, 1988, Seiten 624–635.
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Es
werden nun einige in der bekannten Literatur offenbarten Strukturen
aufgeführt.
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US 5,821,506 offenbart ein
Teil mit einer komplexen, aerodynamisch glatten Oberfläche, das
aus einem induktiven, superplastischen Teil hergestellt wurde, das
frei von Diffusionskontakten ist, das wenigstens vier Bleche hat
und das eine Primärabmessung
hat, aufweisend (a) einen inneren Kern, der zwei Flächen hat, die
von wenigstens zwei induktiven, superplastisch geformten Kernblechen
definiert werden, die aus superplastischen Legierungen aus Titan
oder Aluminium hergestellt wurden, und (b) äußere Blechflächen aus
superplastischen Legierungen aus Titan oder Aluminium, die an die
beiden Flächen
des Kerns mit einem Bronzelegierungsdraht gelötet werden, jeweils ein äußeres Blech
auf eine Kernblechfläche.
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US 5,534,354 offenbart ein
Verfahren zum Bereitstellen einer superplastischen aerodynamischen
Fläche
mit Sandwich-Struktur.
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EP-A-0432308
offenbart mehrschichtige Metallstrukturen, die wärmeisolierende Eigenschaften
haben und aus superplastischen Legierungen hergestellt werden und
die superplastisch geformt werden können. Die Strukturen sind insbesondere
auf die Verwendung in Überschallflugzeugen
und Hyperschallflugzeugen ausgelegt.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Es
ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Aluminiumverbundplatte
bereit zu stellen, die ein gewelltes Aluminiumfutterblech aufweist,
das eine 20% höhere
Festigkeit als die Standardlegierung AA3004 mit guter Walzproflierbarkeit
bei dieser höheren
Festigkeit und guter Schweißbarkeit
verbindet. Es ist eine andere Aufgabe der Erfindung, eine Aluminiumver bundplatte
bereit zu stellen, die eine gute Korrosionsbeständigkeit hat. Es ist eine weitere
Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Aluminiumverbundplatte
bereit zu stellen, die einfach und zuverlässig herzustellen ist.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird in einem Aspekt eine Aluminiumverbundplatte bereitgestellt, die
zwei parallele Tafeln und/der Bleche aufweist, die an die Spitzen
und Tiefpunkte eines gewellten Aluminiumfutterblechs zwischen den
parallelen Tafeln und/oder Blechen angebracht sind, wobei das Aluminiumfutterwellblech
aus einem profilgewalzten Aluminiumlegierungblech hergestellt wird,
das folgende Zusammensetzung hat (in Gew.-%):
| Mg | 1,5–6,0 |
| Mn | 0,3–1,4 |
| Zn | 0,4–5,0 |
| Fe | bis
0,5 |
| Si | bis
0,5 |
| Zr | bis
0,30 |
optional eines oder mehr von
| Cr | 0,05–0,30 |
| Ti | 0,01–0,20 |
| V | 0,05–0,25 |
| Ag | 0,05–0,40 |
| Cu | bis
0,40 |
andere bis zu jeweils 0,05, insgesamt 0,15
und in einem kaltverfestigten (H-Temper) oder
einem weichgeglühten
(O-Temper) Zustand ein Verhältnis
von PS/UTS im Bereich von 0,4 bis 0,9 und eine gute Walzformbarkeit
hat.
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PS
und UTS stehen für
0,2%ige Prüffestigkeit
(Proof Strength, PS) und maximale Zugfestigkeit (Ulitmate Tensile
Strength, UTS). Der oben erwähnte
H-Zustand ist typischerweise ein Hxy-Zustand oder Modifikationen davon, wobei
sich x im Bereich von 1 bis 3 und y im Bereich von 1 bis 6 oder
Modifikationen davon befindet.
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Durch
die Erfindung wird eine überraschend
gute Kombination aus einer über
20% oder noch höheren Festigkeit
als die Standard AA3004-Legierung im weichgeglühten und kaltverfestigten Zustand,
einer guten Formbarkeit bei dieser hohen Festigkeit und einer guten
Schweißbarkeit
erzielt. Diese Kombination im Futterwellblech wird durch den Zusammensetzungsbereich
und die geeignete Kornstruktur erreicht. In Kombination stellen
sie eine gute Biegbarkeit bereit sowie einen Kaltverfestigungsindex "n" im Bereich von 0,10 bis 0,40 bei einer
20%igen Festigkeitsverbesserung gegenüber der AA3004-Legierung bei
vergleichbaren Tempern und Dicken und eine gute Walzformbarkeit,
die eine Biegbarkeit von einer Dicke im Hx6-Zustand hat, wobei x
im Bereich von 1 bis 3 ist, oder im weichgeglühten Zustand. Die Verwendung
des Wellblechs mit der verbesserten Festigkeit, das aus einem profilgewalzten
Aluminium wie oben beschrieben hergestellt wurde, ermöglicht die Konstruktion
und den Bau von Verbundplattenstrukturen, die leichter sind, als
die bekannten Strukturen, insbesondere als solche die auf stranggepressten
Aluminiumlegierungen basieren. Profilgewalzte Aluminiumblechprodukte
der definierten Zusammensetzung haben ebenfalls eine gute Korrosionsbeständigkeit.
Dadurch können
die Verbundplatten in aggressiven Umgebungen, wie Marineumgebungen
eingesetzt werden, z. B. für Schiffs-
oder Küsten-Konstruktionen.
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Die
Walzformbarkeit von Legierungsblechen der AA5000-Reihe kann durch
die Biegbarkeit ermittelt werden. Die Biegbarkeit eines Materials
kann mit dem Test ASTM E-290 ermittelt werden. Während dieses Tests wird Blechmaterial
um 180° über eine
Dor nenstange gebogen, die gleiche die Dicke wie das Blechmaterial
selbst hat (oben als Biegbarkeit einer Dicke bezeichnet). Die konvexe
Fläche
der Biegung wird visuell auf Risse geprüft. Ein oder mehr Risse, die
größer als
1 mm sind, zeigen eine "Fehl"-Biegbarkeit an, was dazu führt, dass
das Material beim Walzformen aussortiert wird. Die Biegbarkeit wird
als "gut" bezeichnet, wenn
auf der konvexen Fläche
der Biegung keine Risse, die größer als
1 mm sind, sichtbar sind.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
des gewellten Aluminiumfutterblechs ist das Verhältnis PS/UTS im Bereich von
0,4 bis 0,8 und vorzugsweise im Bereich vom 0,4 bis 0,7, um die
Walzformkeit zu verbessern.
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In
einer Ausführungsform
ist die Dicke des gewellten Aluminiumfutterblechs im Bereich bis
zu 3,0 mm und vorzugsweise im Bereich von 0,2 bis 1,00 mm.
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Das
Aluminiumwellblech kann zusätzlich
als Strukturblech oder als Reliefblech bereit gestellt werden.
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Die
Gründe
für die
Begrenzung der Legierungselemente im gewellten Aluminiumfutterblech
zur Verwendung in einer erfindungsgemäßen Aluminiumverbundplatte
werden im Nachfolgenden beschrieben. Alle Prozentangaben sind Gew.-%.
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Mg
ist das primäre
Festigkeit verleihende Element in der Legierung. Mg-Anteile unter
1,5% verleihen nicht die nötige
Festigkeit; wenn dieser Zusatz 6,0% übersteigt, kommt es zu starker
Rissbildung während
des Vergießens
und Warmwalzen des Produkts. Der bevorzugte Mg-Anteil ist zwischen
3,0 und 5,6% als Kompromiss zwischen Verarbeitbarkeit und Festigkeit.
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Mn
ist ein wesentliches Legierungselement. In Kombination mit Mg verleiht
Mn dem Legierungsprodukt sowohl im geschweißten als auch im ungeschweißten Zustand
Festigkeit. Ein Mn-Anteil unter 0,3% verleiht den Schweißverbindungen
des Legierungsprodukts nicht genügend
Festigkeit. Über
1,4% wird das Warmwalzen extrem schwierig. Der bevorzugte Maximalanteil
für Mn
ist 0,9%, was ein Kompromiss zwischen Verarbeitbarkeit und Festigkeit
ist. Am meisten wird bevorzugt, dass das Verhältnis Fe/Mn im Bereich von
0,3 bis 1,0 ist.
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Zn
ist ein wichtiges Legierungselement, da es die Korrosionsbeständigkeit
im Legierungsprodukt verbessert, wenn es im Bereich bis zu 1,2%
und vorzugsweise bis 0,9% vorhanden ist. Zink dient weiterhin als Festigungselement
durch Altershärtung
in Kombination mit Mg, wenn Zn im Bereich von 3,0 bis 5,0% vorhanden
ist. In letzterem Fall wird bevorzugt, ein Zn/Mg-Verhältnis
im Bereich von 1,1 bis 5 zu halten und vorzugsweise im Bereich von
4 bis 5. Wenn der Zn-Gehalt über
5% ist, werden das Vergießen
und anschließende Warmwalzen
schwieriger, insbesondere im industriellen Maßstab. Unter 0,4% ist der Effekt
von Zn nicht wesentlich, so dass folglich ein Minimum von 0,4% gefordert
wird, vorzugsweise von 0,5%.
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Fe
kann in Legierungsprodukten während
des Vergießens
primäre
Verbindungen des Al-Fe-Mn-Typs bilden und so den vorteilhaften Effekt
von Mn als Legierungselement einschränken. Ein Fe-Gehalt über 0,5% verursacht
die Bildung von groben Primärpartikeln,
die die Formbarkeit des Legierungsprodukts mindern. Der bevorzugte
Bereich von Fe ist 0,15 bis 0,30%, mehr bevorzugt wird es im Bereich
von 0,20 bis 0,30%.
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Si
verbindet sich ebenfalls mit Fe, um grobe AlFeSi-Phasenpartikel
zu bilden, die die Formbarkeit des Legierungsprodukts beeinflussen
können.
Außerdem
schränkt
Si den vorteilhaften Effekt von Mg ein. Um einen inakzeptablen Formbarkeitverlust
zu vermeiden, muss der Si-Gehalt unter 0,5% gehalten werden. Der
bevorzugte Bereich für
Si ist 0,07 bis 0,20 und mehr bevorzugt wird ein Bereich von 0,10
bis 0,20.
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Zr
ist ein wichtiges Legierungselement, um eine Festigkeitsverbesserung
zu erreichen. Weiterhin ist Zr wichtig, um die Beständigkeit
gegen Rissbildung während
des Schweißens
der erfindungsgemäßen Legierungsprodukts
zu verbessern. Ein Zr-Gehalt über
0,3% führt
zu groben nadelförmigen
Primärpartikeln,
die die Verarbeitbarkeit des Legierungsprodukts herabsetzen und
weiterhin die Biegbarkeit des erhaltenen Produkts vermindern. Als
Kompromiss zwischen Festigkeit und Formbarkeit wird ein bevorzugter
Bereich von 0,05% bis 0,25% gefordert.
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Ti
ist ein wichtiger Kornfeiner bei der Aushärtung sowohl der Gußblöcke als
auch der Schweißverbindungen
des erfindungsgemäßen Legierungsprodukts.
Ti kann jedoch in Kombination mit Zr unerwünschte Primärpartikel bilden. Um dies zu
vermeiden, sollte der Ti-Gehalt beim Vorhandensein von Zr unter
0,2% gehalten werden und vorzugsweise unter 0,10%. Der am meisten
bevorzugte Bereich für
Ti ist 0,01 bis 0,10%.
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Cr
ist ein optionales Legierungselement zur weiteren Verbesserung der
Korrosionsbeständigkeit
des Legierungsprodukts. Cr schränkt
jedoch die Löslichkeit
von Mn und Zr ein. Um die Bildung von groben Primärphasen
zu vermeiden, muss der Cr-Gehalt unter 0,3% gehalten werden. Ein
bevorzugter Bereich für
Cr ist bis zu 0,15%.
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V
ist ein optionales Legierungselement und kann als Ersatz oder zusätzlich zu
Cr verwendet werden. Der bevorzugte Bereich für V ist von 0,05 bis 0,25%.
Ein bevorzugterer Maximalbereich für V ist bis zu 0,15%.
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Ein
Cu-Anteil von über
0,4% führt
zu einer inakzeptablen Verschlechterung der Beständigkeit gegen Lochfraßkorrosion
des Legierungsprodukts. Der bevorzugte Maximalanteil von Cu ist
bis zu 0,25%, mehr bevorzugt wird 0,1%.
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Silber
ist ein optionales Legierungselement, das die Spannungskorrosionbeständigkeit
des Legierungsprodukts weiter verbessern kann. Wenn es zugegeben
wird, sollte es auf 0,4% begrenzt werden und der Minimalanteil im
Legierungsprodukt ist vorzugsweise wenigstens 0,05%.
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Der
Rest sind Aluminium und unvermeidbare Verunreinigungen.
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Typischerweise
ist jedes Verunreinigungselement maximal mit 0,05% vorhanden und
der Gesamtanteil der Verunreinigungen ist maximal 0,15%.
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In
einer sehr erfolgreichen Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Aluminiumverbundplatte
ist das Aluminiumfutterwellblech weiterhin durch folgende Zusammensetzung
(in Gew.-%) gekennzeichnet:
| Mg | 5,0–6,0 vorzugsweise
5,0–5,6 |
| Mn | 0,6–1,2 |
| Zn | 0,4–1,5, vorzugsweise
0,4–0,9,
bevorzugter 0,5–0,9 |
| Zr | 0,05–0,25 |
| Cr | bis
0,3 |
| Ti | bis
0,2 |
| Fe | bis
0,5 vorzugsweise 0,2–0,3 |
| Si | bis
0,5, vorzugsweise 0,1–0,2 |
| Cu | bis
0,4, vorzugsweise bis 0,1 |
| Ag | bis
0,4 |
| Rest
Al und unvermeidbare Verunreinigungen | |
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Mit
dieser Ausführungsform
wird erreicht, dass eine Aluminiumverbundplatte bereit gestellt
wird, die ein gewelltes Aluminiumfutterblech aufweist, das bei vergleichbaren
Dicken und Temper eine um 20% höhere Festigkeit
als die Standardlegierung AA3004 mit guter Walzbarkeit, ermittelt
gemäß ASTM E-290,
bei dieser höheren
Festigkeit und guter Schweißbarkeit
und einer guten Korrosionsbeständigkeit
verbindet. Das Aluminiumlegierungsprodukt hat eine sehr gute Formbarkeit,
v. a. bei Dicken im Bereich von bis zu 3,0 mm und vorzugsweise bei
Dicken im Bereich von 0,2 bis 1,0 mm. Es wurde weiterhin herausgefunden,
dass dieses Wellblechmaterial seine Form nach den Walzformen viel
besser behält,
d. h. weniger Zurückfedern
aufweist als bekannte Aluminiumlegierungen der AA5xxx-Reihe wie
AA5083 und AA5456. Diese erfolgreiche Ausführungsform ermöglicht außerdem Hochgeschwindigkeits-Laserschweißen, typischerweise
im Bereich von 3 bis 10 m/min und vorzugsweise im Bereich von 4
bis 6 m/min zur Herstellung von Verbundplatten, die wenigstens ein Wellblech
aus einem Aluminiumblechprodukt wie oben beschrieben, enthalten.
Die gute Schweißbarkeit,
insbesondere die gute Laserschweißbarkeit des obigen gewellten
Futterblechs war nach Erfahrungen im Stand der Technik mit konventionellen
Al-Mg-Legierungen mit hohem Magnesiumanteil, wie AA5083 und AA5456, unerwartet.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
hat das Wellblech im weichgeglühten
Zustand (O-Temper) mindestens eine 0,2%ige Prüffestigkeit (PS) von 110 MPa
oder mehr bei Dicken bis zu 3 mm und vorzugsweise 115 MPa und am
meisten bevorzugt 120 MPa oder mehr. Für Dicken bis 3 mm hat das Aluminiumlegierungsprodukt
im weichgeglühten
Zustand mindestens eine maximale Zugfe stigkeit (UTS) von 270 MPa
oder mehr, vorzugsweise 280 MPa oder mehr, bevorzugter 300 MPa oder
mehr und am meisten bevorzugt 310 MPa oder mehr.
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In
einer weiteren Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Aluminiumverbundplatte
kann das Aluminiumwellblech mit einer Plattierung auf wenigstens
eine Seite der Oberfläche
des Wellblechs versehen sein, wie folgt:
- (i)
sie ist aus einer Aluminiumlegierung mit größerer Reinheit als das Wellblech;
- (ii) die Plattierung ist aus der AA1000-Reihe der Aluminium
Association;
- (iii) die Plattierung ist aus der AA6000-Reihe der Aluminium
Association;
- (iv) die Plattierung ist aus der AA7000-Reihe der Aluminium
Association.
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In
dieser Ausführungsform
wird die Plattierung auf das Wellblech vor dem Walzprofilieren des
Blechprodukts in ein Wellenprofil angebracht. Das erfindungsgemäße Aluminiumblech
hat eine sehr gute Korrosionsbeständigkeit. In manchen extrem
aggressiven Umgebungen kann es jedoch nützlich sein, eine Plattierung anzubringen,
die die Korrosionsbeständigkeit
des Legierungsprodukts weiter erhöht. Solche plattierten Produkte
verwenden einen Kern aus der oben beschriebenen Aluminiumlegierungszusammensetzung
und eine Plattierung mit höherer
Reinheit, die insbesondere einen Korrosionsschutz für den Kern
bildet. Die Plattierung beinhaltet im Wesentlichen unlegiertes Aluminium
oder Aluminiumlegierungen, die nicht mehr als 0,1 bis 1% von allen
anderen Elemente enthalten. Aluminiumlegierungen, die hier als 1xxx-Typ
bezeichnet werden, umfassen alle Legierungen der Aluminium Association
(AA) der Unterklassen des 1000-Typs, des 1100-Typs, 1200-Typs und
des 1300-Typs. Man hat außerdem
herausgefunden, dass Aluminiumlegierungen der AA6000-Reihe einschließlich der
Unterklassen, die normalerweise mehr als 1% Legierungselemente haben, als
Plattierung dienen können.
Zusätzlich
wurde herausgefunden, dass Aluminiumlegierungen der AA7000-Reihe
einschließlich
der Unterklassen, die typischerweise mehr als 0,8% Zink als Legierungselement enthalten,
als Plattierung dienen können,
wie z. B. AA7072. Andere Aluminiumlegierungen können als Plattierung nützlich sein,
solange sie insbesondere einen ausreichenden umfassenden Korrosionsschutz
für das Kernlegierungsprodukt
bereit stellen.
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In
einer sehr vorteilhaften Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Aluminiumverbundplatte
kann das gewellte Aluminiumfutterblech mit einer Plattierungschicht
aus einer Legierung der AA4000-Reihe versehen sein, wie z. B. AA4047.
In dieser Ausführungsform
ist die Plattierungschicht oder sind die Plattierungsschichten nicht
in erster Linie für
einen besseren Korrosionsschutz bereit gestellt, obwohl sie auch
dazu einen Betrag leisten können,
sondern ermöglichen
es dem Aluminiumwellblech, dass es an ein anderes Blech, Platte oder
stranggepresstes Produkt zu vorgefertigten Produkten gelötet oder
geschweißt
werden kann. Wenn das Aluminiumwellblech eine Plattierung mit einer
Legierung der AA4000-Reihe hat, ist es in Fällen, in denen es sonst nötig wäre, nicht
nötig während des
Schweißens
einen Schweißdraht
bereit zu stellen. Weiterhin bleibt die strukturelle Integrität des Aluminiumblechs
erhalten, als Folge können
höhere
Zn-Anteile im Legierungsprodukt vorhanden sein, ohne dass die Korrosionsbeständigkeit
im Bereich, der Wärme
ausgesetzt wird, beeinflusst wird. Die Dicke der Plattierungsschicht
sollte ausreichend sein, um einen Haftverlust des Aluminiumwellblechs
zu vermeiden und um das Aluminiumwellblech vor der Wärmezone
zu schützen.
Beim Löten
ist es mög lich,
das plattierte Wellblech mit einem anderen Blech, Platte oder stranggepressten
Produkt in ein Stück zu
verlöten,
bei einer Temperatur bei der Legierungen der AA4000-Reihe geschmolzen
werden können.
Das Löten
kann mit oder ohne geregelter Atmosphäre ausgeführt werden.
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Die
Plattierungsschicht oder -schichten sind normalerweise viel dünner als
der Kern, sie machen jeweils 1 bis 15 oder 20 oder möglicherweise
25% der Gesamtdicke aus. Eine Plattierungsschicht macht typischerweise
ungefähr
5 ist 12% der Gesamtdicke der Zusammensetzung aus.
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Das
Aluminiumfutterwellblech kann an eine parallele Tafel oder ein paralleles
Blech mit mechanischen Befestigungselementen oder durch Haften angebracht
werden. In einer bevorzugten Ausführungsform wird das Aluminiumfutterwellblech
an eine parallele Tafel oder ein paralleles Blech durch Schweißlinien
angebracht, die sich entlang der Spitzen und Tiefpunkte erstrecken.
Das ermöglicht
eine schnelle, wirtschaftliche und zuverlässige Produktion von Verbundplatten.
Die Schweißlinien
können
durch Verwendung eines Standardschweißverfahrens oder durch Kombination
von Standardschweißverfahren
wie MIG-Schweißen,
TIG-Schweißen,
Bewegungsschweißen,
Bewegungs-Reibungs-Schweißen etc.
hergestellt werden. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
werden die Schweißlinien
durch Laserschweißverfahren
erzielt. Weiterhin hat wenigstens eine der Tafeln oder Bleche auf
der anderen Oberfläche
keine sichtbaren Schweißlinien,
sondern eine interne Schweißlinienstruktur,
bei der jede Linie die durch einen Tiefpunkt oder durch eine Spitze
geht in das Material der Tafel oder des Blechs geht, ohne jedoch
das Material ganz zu durchdringen. Dies ergibt eine Aluminiumverbundplatte
mit Schweißlinien
auf der einen Seite und einer glatten Oberfläche auf der anderen Seite.
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In
einer alternativen Ausführungsform
wird das gewellte Aluminiumfutterblech an eine andere Platte oder
ein Blech durch Löten
angebracht. In dieser Ausführungsform
wird das Aluminiumfutterblech aus der erfindungsgemäßen Aluminiumlegierungsprodukt
mit einer Plattierung aus einer Legierung der AA-4000-Reihe, wie oben beschrieben,
hergestellt.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
hat das gewellte Aluminiumfutterblech zwischen den Tafeln flache
Spitzen und Tiefstellen.
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Typischerweise
aber nicht einschränkend
ist die Aluminiumverbundplatte von einer solchen Dicke, dass der
Abstand zwischen den externen Tafeln und/oder Blechen zwischen 10
und 300 mm und bevorzugter zwischen 10 und 200 mm liegt. Die Oberflächentafel
oder das Oberflächenblech
sind in einem solchen Fall in dieser typischen Ausführungsform
bis zu 25 mm dick und das gewellte Aluminiumfutterblech ist bis
zu 6 mm dick, vorzugsweise bis 3 mm und liegt am meisten bevorzugt
im Bereich von 0,2 bis 1,0 mm Dicke. Durch die Verwendung des Aluminiumlegierungsprodukt
der Erfindung bei diesen relativ dünnen Dicken und angewendet
in einer Aluminiumverbundplatte wie oben beschrieben, wird eine
wesentliche Gewichtsreduktion in Konstruktionen erreicht, während wenigstens
die gleiche Festigkeit und/oder Steifigkeit wie im Stand der Technik erhalten
bleibt.
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Es
wird im Allgemeinen bevorzugt werden, zwei parallele Tafeln und/oder
Bleche zu haben, die jeweils die gleiche Dicke wie die Metalldicke
des Aluminiumfutterwellblechs haben oder die dicker sind.
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Die
parallelen Tafeln oder Bleche werden vorzugsweise aus einer Aluminiumlegierung
hergestellt und wenn das gewellte Aluminiumfutterblech an die Tafel
oder das Blech geschweißt
wird, sind sie vorzugsweise aus einer schweißbaren Aluminiumlegierung hergestellt.
In einer bevorzugten Ausführungsform
sind die Tafeln und/oder Bleche im gleichen Zusammensetzungsbereich
wie das gewellte Aluminiumfutterblech, das aus einem profilgewalzten
Aluminiumprodukt wie oben beschreiben hergestellt wurde.
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In
einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine geschweißten Plattenkonstruktion,
die die erfindungsgemäße Aluminiumverbundplatte
und/oder das erfindungsgemäße gewellte
Aluminiumfutterblech aufweist, bereit gestellt. Eine solche geschweißte Plattenkonstruktion
besteht weiterhin aus zwei Aluminiumprofilen (typischerweise in
U-, H- oder T-Form), die durch Strangpressen oder Biegen eines Tafel-
oder Blechprodukts hergestellt wurden, wobei die Aluminiumverbundplatte
zwischen den zwei Profilen ausgerichtet wird. Die Platten sind sehr
einfach und zuverlässig
herzustellen und können
in einer Werkstatt oder Werft ausgerichtet werden. Aufgrund der
geschlossenen Struktur der Platte sind sie einfach zu transportieren
und es wird während
des Transports Schaden an der inneren Struktur mit dem Wellblech
oder den Wellblechen verhindert.
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Der
oben beschriebene Aluminiumverbundplattentyp kann alleine z. B.
für Trennwände und ähnliche Unterteilungen
verwendet werden. Es können
jedoch zwei oder mehr Verbundplatten miteinander verbunden werden,
um einen parallelen Verbund zu bilden, um z. B. ein Schiffskörperabteil
einschließlich
Unterteilungen zu definieren oder große Metallkonstruktionen, wie
z. B. LKW- oder
Eisenbahnwagonböden,
Brücken
und insbesondere Schiffe.
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Gemäß der Erfindung
wird ein anderer Aspekt bereit gestellt in der Anwendung der Aluminiumverbundplatte
wie oben beschrieben in einer Schweißkonstruktion, wie z. B. in
beim Schiffsbau oder bei Küstenkonstruktionen.
Die Aluminiumverbundplatte kann außerdem in zivilen Bereichen
und im Eisenbahnbereich u. ä.
eingesetzt werden, wo leichtere Konstruktionen, die vorzugsweise
eine gute Korrosionsbeständigkeit
haben, gewünscht
werden.
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Die
Erfindung bezieht sich weiterhin auf die Verwendung eines Aluminiumwalzmaterials,
das eine chemische Zusammensetzung hat, wie oben beschrieben und
in den Ansprüchen
beansprucht, als gewelltes Aluminiumfutterblech und/oder als paralleles
Blech oder parallele Tafel in einer erfindungsgemäßen Aluminiumverbundplatte.
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BEISPIELE
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Die
Erfindung wird nun anhand von einigen nicht einschränkenden
Ausführungsformen
und Beispielen mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es
zeigen:
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1A bis 1C Querschnitte durch einige Ausführungsformen
von Wellblech;
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2A bis 2C Querschnitte durch einige Ausführungsformen
von Aluminiumverbundplatten;
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3A und 3B im Querschnitt eine Aluminiumverbundplatte
in Verbindung mit I-förmigen
Trägern;
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4 eine perspektivische Ansicht
einer Aluminiumverbundplatte in Verbindung mit einem I-förmigen Träger;
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5 schematisch die Schritte
zum Zusammenfügen
der erfindungsgemäßen Platte;
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6 Querschnitte der erfindungsgemäßen Platten
in Verbindung miteinander oder mit der Wand oder dem Rumpf eines
Schiffes.
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1 zeigt schematisch typische
Formen von profilgewalzten Aluminiumwellblechen im Querschnitt senkrecht
zur Ausdehnungsrichtung. Das Aluminiumwellblech kann als Futterblech
in einer erfindungsgemäßen Aluminiumverbundplatte
verwendet werden. 1A und 1B zeigen flache Spitzen
und Tiefpunkte, wobei diese in 1B schwalbenschwanzförmig sind.
Eine alternative Ausführungsform
wird in 1C gezeigt,
in der das Aluminiumwellblech abgerundete Spitzen und Tiefstellen
hat. Die angegebenen Abmessungen a, b, c und d sind typischerweise
im Bereich von 10 bis 300 mm.
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2A und 2B zeigen schematisch im Querschnitt
(gesehen senkrecht zur Ausdehnungsrichtung) erfindungsgemäße Aluminiumverbundplatten,
in denen ein gewelltes Aluminiumfutterblech zwischen zwei parallelen
Blechen oder Tafeln angeordnet ist. Die Ausführungsform von 2C zeigt schematisch im Querschnitt gesehen
senkrecht zur Ausdehnungsrichtung) eine Aluminiumverbundplatte,
bei der das gewellte Aluminiumfutterblech zwei Wellbleche mit flachen
Spitzen und Tiefstellen aufweist und wobei die Spitze eines Blechs
mit der Tiefstelle des anderen Wellblechs verbunden ist. Die Pfeile
in 2A bis 2C zeigen die Stellen der
Schweißlinien,
um die verschiedenen Abschnitte miteinander zu verbinden.
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3A und 3B zeigen schematisch im Querschnitt
(gesehen senkrecht zur Ausdehnungsrichtung) eine erfindungsgemäße Aluminiumverbundplatte,
die an I-förmige
Träger
oder Profile befestigt ist durch Befestigen wenigstens einer der
parallelen Tafeln oder Bleche der erfindungsgemäßen Aluminiumverbundplatte
an den I-förmigen
Träger.
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4 zeigt schematisch eine
perspektivische Ansicht von Aluminiumverbundplatten, die miteinander in
ihrer Längsrichtung
verbunden sind. Dafür
kann folgendes Verfahren verwendet werden: zunächst wird ein Abschnitt hergestellt,
der in die Konturen der Wellenform passt, als zweites wird die obere
Tafel geöffnet,
um die Wellenform freizulegen, als drittes wird ein "Verbindungsabschnitt" auf die zu verbindenden
Platten so angeordnet, dass der "Verbindungsabschnitt" zwischen den zwei
Sandwichtafeln gleichmäßig unterteilt
ist, dann werden diese Punkte verbunden, die in der Figur mit "xxxx" bezeichnet werden.
Das obige Verfahren verbindet zwei erfindungsgemäße Sandwichplatten dann sicher
miteinander in der Breiterichtung. Alternativ können die Sandwichtafeln so
hergestellt werden, das eine der zwei oberen Tafeln kürzer ist
als die andere, um eine Verbindung in der Breiterichtung zu erleichtern.
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5 zeigt schematisch wie
eine erfindungsgemäße Platte
zusammengefügt
werden kann. Eine Platte weist zwei U-, H- oder T-förmigen Aluminiumprofilen
auf, wobei die Profile durch Strangpressen oder Biegen eines Blechs
oder einer Tafel hergestellt werden können; die Profile werden verbunden,
vorzugsweise durch Schweißen
an ausgewählten
Stellen, durch ein erstes Blech des erfindungsgemäßen Aluminiumprodukts
an einen der Arme jedes Profils, wodurch eine Unterseitenplatte
gebildet wird, s. Schritt 1 in 5.
Dann wird ein vorgeformtes Wellblech oder vorgeformte Wellbleche
mit der Unterseite der Platte verbunden, s. Schritt 2 in 5. Und in einem dritten
Schritt wird die obere Tafel oder Blech vorzugsweise durch Schweißen sowohl
mit dem Wellblech als auch mit dem anderen Arm von jedem Profil
verbunden. Die Profile haben typischer weise eine Dicke von 3 mm.
So wird ein sehr einfaches und effektives Verfahren zum Herstellen
von Platten bereitgestellt. Die erfindungsgemäßen Platten sind einfach auszurichten,
z. B. in einer Werkstatt oder einer Werft, und können verbunden werden, um einen
Querrahmen zu bilden, oder sie können
auf einfache Art und Weise durch Schweißen an eine Seite einer Wand
angebracht werden, z. B. an einen Schiffsrumpf, wie in 6 dargestellt. Weiterhin
sind die Platten geschlossen, einfach zu verarbeiten und verhindern
während
des Transports Schaden an den eingeschlossenen Wellblechen.
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Beispiel 1
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Eine
Legierung mit einer Zusammensetzung im Rahmen der Erfindung mit
folgender chemischen Zusammensetzung (in Gew.-%): 5,20% Mg, 0,84%
Mn, 0,50% Zn, 0,13% Zr, 0,013% Cu, 0,049% Cr, 0,19% Fe, 0,11% Si,
0,015% Ti, Rest Aluminium und unvermeidbare Verunreinigungen wurde
im industriellen Maßstab stranggepresst
zu Blöcken
mit Abmessungen von 440 × 1480 × 4800 mm.
Der Block wurde für
15 Stunden bei 510°C
vorerhitzt, dann warmgewalzt bei ungefähr 500°C, um Produkte mit einer Dicke
von 4 mm herzustellen. Vor einer nachfolgenden Kältereduzierung wurde ein Zwischenglühen bei
350° für eine Periode
von 2 Stunden angewendet. Das zwischengeglühte und warmgewalzte Produkt
wurde dann auf ein Blech mit 2 mm Dicke kaltgewalzt. Ein zweites
Zwischenglühen
wurde bei 350°C
für eine
Zeitdauer von 2 Stunden angewendet. Es folgte ein Kaltwalzen auf
eine Enddicke von 1 mm, danach folgte ein abschließendes Glühen unter ähnlichen
Bedingungen wie das Zwischenglühen,
um ein weichgeglühtes
Produkt herzustellen.
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Das
Material wurde gemäß der EURO-Norm
10,002 auf seine Zugfestigkeit in der LT-Richtung getestet. Außerdem wurde
das Material auf Formbarkeit durch Testen der Biegbarkeit gemäß ASTM E-290
geprüft. Während dieses
Biegbarkeitstests wurde Blechmaterial von 120 × 45 mm mit einer Dicke von
1 mm um 180°C um
einen Dornenstab mit der gleichen Dicke wie das Material, also 1
mm, gebogen. Die gebogenen Proben wurden visuell auf Risse in der
konvexen Fläche
der Biegung untersucht. Das Testergebnis wird mit gut oder nicht
gut angegeben. Mit dem Begriff "nicht
gut" wird angezeigt,
dass wenigstens 1 Riss von 1 mm oder mehr auf der konvexen Fläche der
Biegung war.
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Die
Ergebnisse werden in Tabelle 1 aufgeführt, wo ein Vergleich mit Beispielen
der Standardlegierung AA3004 im weichgeglühten Zustand gemacht wurde.
Aus diesen Ergebnissen ist ersichtlich, dass das erfindungsgemäße Aluminiumlegierungsprodukt
eine über
20% höhere
Festigkeit hat als das AA3004 Material im gleichen Temper und mit
der gleichen Dicke, in diesem speziellen Fall wurde eine Verbesserung
von mehr als 45% erreicht, wobei die Biegbarkeit mindestens der
der AA3004-Legierung entspricht.
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Beispiel 2
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Blechmaterial
mit Abmessungen von 1200 × 250
mm und einer Dicke von 1,0 mm der AA3004 Standardlegierung und Material
identisch dem von Beispiel 1 und innerhalb des bevorzugen Rahmens
wie in den Ansprüchen
beansprucht wurden einem Schweißtest
unterzogen, wobei beide Materialien im weichgeglühten Zustand (O-Temper) waren.
Zwei identische Bleche wurde zusammengeschweißt unter Verwendung eines 12 kW-CO2-Lasers, der bei 6 kW mit einer Geschwindigkeit
von 5 m/min betrieben wurde. Zugfestigkeitsproben mit Schweißwülsten wurden
von diesen "durchgehenden
geschweißten" Blechen genommen
und auf Zugfestigkeit getestet.
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Die
Ergebnisse sind in Tabelle 2 dargestellt. Aus den Ergebnissen ist
ersichtlich, dass das erfindungsgemäße Aluminiumprodukt nach dem
Schweißen
eine 20% höhere
Zugfestigkeit als die Standard AA3004-Legierung bei gleichen Dicken
und Tempern hat. Dieses Beispiel zeigt weiterhin, dass das erfindungsgemäße Produkt
bei sehr dünnen
Dicken geschweißt
werden kann unter Verwendungen von Laserverfahren bei relativ hohen
Schweißgeschwindigkeiten.
Es wurde weiterhin herausgefunden, dass wenn das Basismaterial weichgeglüht ist,
die Eigenschaften des Basismaterial im Wesentlichen verantwortlich
für die
mechanischen Eigenschaften nach dem Schweißen sind und nicht das angewendete
Schweißverfahren.
Das ist auch aus den Ergebnissen in den Tabellen 1 und 2 ersichtlich,
in denen die mechanischen Eigenschaften des erfindungsgemäßen Materials
im gleichen Bereich sind. Es wurde außerdem herausgefunden, dass
das erfindungsgemäße Aluminiumwellblech
einfacher mit Laserverfahren geschweißt werden kann, insbesondere
mit CO2-Lasern, im Gegensatz zu Legierungen
der 5000-Reihe mit hohem Mg-Anteil, die einen sehr viel niedrigeren
Zinkgehalt haben. Diese konventionellen hohen AlMg-Legierungen haben
mehr Streuung des Laserstrahls durch das Schweißbad. Dies ermöglicht es
dem vorliegenden Aluminiumwellblech, in einem größeren Bereich beim La serschweißen eingesetzt
zu werden als Standardlegierungen mit hohem Mg-Gehalt, wie die AA-5456-Legierung.
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Beispiel 3
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Unter
Verwendung desselben Verfahrensablaufs wie in Beispiel 1 wurde Blechmaterial,
das als erfindungsgemäßes Aluminiumwellblech
verwendet werden kann und dieselbe chemische Zusammensetzung hat, mit
einer Enddicke von 1,3 mm hergestellt. Zwei unterschiedliche Endglühverfahren
wurden angewendet, nach denen die Zugfestigkeit gemäß der EURO-Norm
10,002 getestet wurde und zwar sowohl in der L-Richtung als auch
in der LT-Richtung.
Die beiden Abschlussglühbehandlungen
waren: (1) Erwärmzeit
von einer 1 Stunde bei 250°C
und (2) Erwärmzeit
von 1 Stunde bei 305°C.
In beiden Fällen
war die Erwärmgeschwindigkeit 25°C/Stunde
und die Abkühlgeschwindigkeit
unter 100°C
nach dem Abschlussglühen
war 10°C/Stunde.
Das Erwärmen
gemäß (1) führt zu einem
kaltverfestigten Material (H-Temper) und das Erwärmen (2) zu einem warmgeglühten Material
(O-Temper). Die Ergebnisse sind in Tabelle 3 aufgeführt. Aus
diesen Ergebnissen ist ersichtlich, dass das Aluminiumblech, das
erfindungsgemäß in einem
Aluminiumverbundplatte verwendet wird, kaltverfestigt und warmgeglüht bereit
gestellt werden kann und in beiden Fällen eine Festigkeit hat, die
um mindestens 20% über
der AA3004-Standardlegierung liegt.
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