一种航空用7系铝合包覆薄板的焊合方法
阅读说明：本技术 一种航空用7系铝合包覆薄板的焊合方法 (Welding method of 7-series aluminum alloy clad thin plate for aviation ) 是由 顾华锋 于芳 晁代义 李红萍 徐志远 吕学科 郝建鹏 黄同瑊 孙有政 张华� 于 2021-08-19 设计创作，主要内容包括：一种航空用7系铝合包覆薄板的焊合方法,包括如下步骤：步骤一：将包覆材与铸锭贴合后,包覆材四周距离铸锭边部20-30mm,长度方向每隔1000-1500mm采用螺栓紧固的方式进行固定焊合,焊合用材料为7075-F态铝合金；步骤二：步骤一所得复合铸锭加热热轧；步骤三：将热轧7.0-8.0厚度板材经过3道冷轧至1.6-3.25mm。本发明采用点焊焊合的方式,在转运过程中必须进行钢带打包以免出现脱落风险,但是该方案在铸锭均热过程中,由于温度较高,钢带容易在表面留下痕迹,也由于在剪钢带过程中导致复合铸锭温度降低,两种因素都有可能导致在后续轧制过程引起轧辊黏铝,进而形成轧制黑线问题,导致表面质量不合格,降低产品的成品率。(A welding method of 7 series aluminum alloy clad thin plates for aviation comprises the following steps: the method comprises the following steps: after the coating material is attached to the ingot, the periphery of the coating material is 20-30mm away from the edge of the ingot, the coating material is fixedly welded in a bolt fastening mode every 1000-1500mm in the length direction, and the welding material is 7075-F state aluminum alloy; step two: heating and hot rolling the composite ingot; step three: the hot rolled plate with the thickness of 7.0-8.0 is cold rolled to 1.6-3.25mm by 3 times. According to the invention, a spot welding and welding mode is adopted, steel strips are required to be packed in a transfer process so as to avoid falling off risks, but in the ingot casting soaking process, due to the fact that the temperature is high, the steel strips are easy to leave traces on the surfaces, and due to the fact that the temperature of the composite ingot casting is reduced in the steel strip shearing process, the two factors can cause the aluminum adhesion of the rollers in the subsequent rolling process, the problem of rolling black lines is further formed, the surface quality is unqualified, and the yield of products is reduced.)
技术领域
本发明属于航空铝合金包覆薄板领域，具体地说是一种航空用7系铝合包覆薄板的焊合方法。
背景技术
7系系铝合金包覆薄板材料以其优异的抗腐蚀性能、具有高强度、低比重等优点被用作航空飞机蒙皮板材料。作为航空飞机主要蒙皮材料主要来自国外进口。目前该包覆薄板材料的研制还存在一些技术难点，比如其包覆性不均匀、包覆焊合方式不优化容易导致焊点开焊进而引起包覆脱落的风险等问题迟迟得不到解决。目前国内还没有成熟的技术来制备相关包覆薄板材料。南山铝业借助国家新材料应用示范平台(航空材料)相关生产线建设项目，加大对民机用铝合金薄板材料的研制，攻克了国外技术封锁，为国产大飞机用航空铝合金蒙皮板国产化奠定基础。
飞机用蒙皮薄板是长期暴露于环境中，对于材料的抗腐蚀性能及强度要求很高，7075铝合金属于Al-Zn-Mg-Cu系，是高强铝合金，包铝薄板给予合金更高的抗腐蚀能力，足以满足飞机高安全性，长寿命的设计使用要求。7075铝合金包覆薄板在研制过程中存在铸锭焊合不牢靠、表面质量差、包覆厚度均匀性难以控制等问题，使得其综合性能达不到技术设计要求，无法满足大飞机蒙皮材料的国产化替代。
7075铝合金属于Al-Zn-Mg-Cu系，是可热处理强化铝合金，具有高强度、低比重以及高疲劳性能等优点，作为结构件及蒙皮板材应用在航空飞机上，但是该合金的耐腐蚀性能较差，因此需要进行表面包覆一层抗腐蚀性能高的纯铝板，如此，即保留了7075铝合金的强度、又增加了其耐腐蚀性能，因此作为蒙皮板材料，备受世界航空工业的青睐。
由于该技术在国内并未有相关的专利申请，借鉴国外经验及自身摸索，采用点焊的方式进行焊合。但是，在转运过程中必须进行钢带打包以免出现脱落风险，但是该方案在铸锭均热过程中，由于温度较高，钢带容易在表面留下痕迹，也由于在剪钢带过程中导致复合铸锭温度降低，两种因素都有可能导致在后续轧制过程引起轧辊黏铝，进而形成轧制黑线问题，导致表面质量不合格，降低产品的成品率。
发明内容
本发明提供一种航空用7系铝合包覆薄板的焊合方法，用以解决现有技术中的缺陷。
本发明通过以下技术方案予以实现：
一种航空用7系铝合包覆薄板的焊合方法，包括如下步骤：
步骤一：将包覆材与铸锭贴合后，包覆材四周距离铸锭边部20-30mm，长度方向每隔1000-1500mm采用螺栓紧固的方式进行固定焊合，焊合用材料为7075-F态铝合金；
步骤二：步骤一所得复合铸锭加热至450-470℃，保温2-5h后，设置热粗轧20-25道次，前两道次焊合轧制，压下量控制1-3mm，轧制速度0.35-0.5m/s，后面道次采用常规轧制模式，提供充足润滑，乳液喷淋量上部喷淋喷口开合度为20％-40％，下部喷淋喷头开合度为50％-80％。每道次压下量控制≤30mm，轧制速度控制≤2.0m/s，轧制间隙使用刷辊清理辊面，终轧温度控制300-330℃，热轧成品厚度为7.0-8.0mm；
步骤三：将热轧7.0-8.0厚度板材经过3道冷轧至1.6-3.25mm。
如上所述的一种航空用7系铝合包覆薄板的焊合方法，所述的步骤一中铸锭合金组成为：Si含量低于0.08％，Fe含量低于0.15％，Zn含量5.6％-5.9％，Cu含量1.3％-1.6％，Mg含量2.4％-2.7％，Mn含量低于0.1％，Cr含量0.18％-0.21％，Ti含量低于0.1％，其他杂质元素，单个不超过0.05％，总和不超过0.15％，余量为铝。
如上所述的一种航空用7系铝合包覆薄板的焊合方法，所述的步骤一中铸锭的制备方法为：将原料置于熔炼中，加入重熔铝锭及相同合金的废料，在740℃下熔炼，开始熔化后加入覆盖剂，当铝合金原料60-70％熔化后，开启电磁搅拌，全部溶化后进行成分调整，加入中间合金或添加剂来调整成分，然后扒渣、取样检测化学成分，成分合适后转移熔体到保温炉中暂时存储，将铸锭放入均质炉中进行均匀化热处理，采用双级均质工艺460-465℃/6-10h+473-476℃/20-30h，出炉推入冷却式快速冷却。
如上所述的一种航空用7系铝合包覆薄板的焊合方法，所述的步骤一中包覆材选用抗腐蚀性能更高的低合金化7系铝板，包覆板厚度为13-15mm，对于成品厚度1.6-3.25的包铝薄板，最小包覆率为2％，名义包覆率设为3％，包铝薄板所使用包覆板厚度T的厚度为13-15mm，包覆板宽度＝芯锭有效轧制面宽度-(25±15mm)*2，包覆板长度＝芯锭长度-(200±10mm)*2。
如上所述的一种航空用7系铝合包覆薄板的焊合方法，所述的步骤一中包覆材在使用前进行单面刷磨，需保证刷磨质量，刷磨层均匀无遗漏，刷磨面严禁有灰尘、油污、铝屑等异物存在，目的去除表面氧化层。
如上所述的一种航空用7系铝合包覆薄板的焊合方法，所述的步骤一中铝锭在焊接前使用用毛巾蘸丁酮或丙酮清洗剂擦拭铸锭表面，再用干净干毛巾擦拭铸锭表面，空气吹扫除去表面残留的丁酮或丙酮，保证擦拭后用白纸擦拭表面不发黑，避免层间夹渣的形成。
本发明的优点是：
1、本发明采用点焊焊合的方式，在转运过程中必须进行钢带打包以免出现脱落风险，但是该方案在铸锭均热过程中，由于温度较高，钢带容易在表面留下痕迹，也由于在剪钢带过程中导致复合铸锭温度降低，两种因素都有可能导致在后续轧制过程引起轧辊黏铝，进而形成轧制黑线问题，导致表面质量不合格，降低产品的成品率。
2、本发明采用铆接的方式紧固芯锭与基板，使其之间的贴合性以及紧固性更加牢固，避免了在热处理过程中打包钢带导致的不利应用，同时，解决了从均热后到进入热轧工序的快速连续性，避免了温降的问题，有效的控制后续轧制过程中的组织及性能，能够获得更高表面质量及高性能的薄板，进而获得一种高性能航空用包覆复合焊合的生产制备方法。
3、本发明包覆工艺设计：根据包覆层厚度要求，通过对原始扁锭厚度、轧制工艺参数等，以最终包覆层厚度高于要求50％余量作为标准，设计包覆层厚度。本发明通过大尺寸铸锭均匀化工艺的研究，确定了最佳均匀化工艺，使得经均匀化后结晶相得含量低于2.0％以下；采用铸锭复合紧固的方式，紧固用材料、精准的紧固间距合理控制，避免紧固材质、紧固间距过短或者过长导致紧固效果不良，采用热轧冷轧工艺配合来制备一种高质量表面、包覆层均匀性更优的航空用7系铝合金包覆蒙皮薄板的生产方法。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明的技术协议书。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1：
1、化学成分控制：本发明采用的铸锭尺寸(400-620mm(厚)×1200-2200mm(宽)×2000-8000mm(长)扁锭为半连续铸造方式生产，控制合金成分范围为：Si含量低于0.08％，Fe含量低于0.15％，Zn含量5.6％-5.9％，Cu含量1.3％-1.6％，Mg含量2.4％-2.7％，Mn含量低于0.1％，Cr含量0.18％-0.21％，Ti含量低于0.1％，其他杂质元素，单个不超过0.05％，总和不超过0.15％。
2、扁锭合金的制备方法：按照铝合金薄板成分及质量百分比准备原材料。将原料置于熔炼中，加入重熔铝锭及相同合金的废料，在740℃下熔炼，开始熔化后加入覆盖剂，当铝合金原料60-70％熔化后，开启电磁搅拌，全部溶化后进行成分调整，加入中间合金或添加剂来调整成分，然后扒渣、取样检测化学成分，成分合适后转移熔体到保温炉。采用炉侧混合气体精炼30-50min，当熔体温度达到710-740℃时，静置40min后经在线(SNIF除气、添加细化剂(Al5Ti1B点入量1.5-2.0kg/t)、CCF双级过滤)，浇铸成铝合金铸锭。过程控制含氢量小于0.12mL/100g.Al，Na含量2ppm以内，Ca含量3ppm以内。渣尺寸20μm以上去除率95％以上。保证熔体中氢、渣含量满足航空铝合金要求。
3、均匀化工艺：将铸锭放入均质炉中进行均匀化热处理，采用双级均质工艺460-465℃/6-10h+473-476℃/20-30h，出炉推入冷却式快速冷却。铸锭铸造完成后，通过优化均匀化工艺获得残余第二相体积分数小于2.0％的优质均热铸锭。
4、包覆设计：包覆铝板采用抗腐蚀性能更高的低合金化7系铝板，包覆板厚度为13-15mm。对于成品厚度1.6-3.25的包铝薄板，最小包覆率为2％，名义包覆率设为3％，包铝薄板所使用包覆板厚度T的厚度为13-15mm，包覆板宽度＝芯锭有效轧制面宽度-(25±15mm)*2，包覆板长度＝芯锭长度-(200±10mm)*2。
5、复合焊合前准备：将包覆材在使用前进行单面刷磨，以保证刷磨质量，刷磨层均匀无遗漏，刷磨面严禁有灰尘、油污、铝屑等异物存在，目的去除表面氧化层。采用蘸丁酮或丙酮清洗剂擦拭铸锭表面，再用干净干毛巾擦拭铸锭表面，空气吹扫除去表面残留的丁酮或丙酮，保证擦拭后用白纸擦拭表面光亮，避免层间夹渣的形成，从而避免包覆板在后续使用过程中出现“穿包”的风险。
6、焊合工艺：将包覆材与铸锭贴合后，四周距离边部20-30mm，长度方向每隔1000-1500mm采用螺栓紧固的方式进行固定焊合，焊合用材料为7075-F态铝合金，既保证了其固定强度，又有较高的延展性。
7、热轧工艺：将复合铸锭放至预加热炉加热至450-470℃，保温2-5h后，进行热粗轧。设置热粗轧20-25道次，前两道次焊合轧制，压下量控制1-3mm，轧制速度0.35-0.5m/s。后面道次采用常规轧制模式，提供充足润滑，乳液喷淋量为上20％-40％，50％-80％。每道次压下量控制≤30mm，轧制速度控制≤2.0m/s，轧制间隙使用刷辊清理辊面，终轧温度控制300-330℃，热轧成品厚度为7.0-8.0mm。轧制后，表面无明显黑条，氧化等级B级以上，且表面未出现鼓包现象。
8、冷轧工艺：针对1.6-3.25mm厚薄板，将热轧7.0-8.0厚度板材经过3道冷轧至1.6-3.25mm。
所得产品表面质量良好，未有划伤、擦伤、黑条等缺陷产生，同时较好的解决了包覆层厚度不均匀的难题。
实施例2
1、化学成分控制：本发明采用的铸锭尺寸(400-620mm(厚)×1200-2200mm(宽)×2000-8000mm(长)扁锭为半连续铸造方式生产，控制合金成分范围为：Si含量低于0.08％，Fe含量低于0.15％，Zn含量5.6％-5.9％，Cu含量1.3％-1.6％，Mg含量2.4％-2.7％，Mn含量低于0.1％，Cr含量0.18％-0.21％，Ti含量低于0.1％，其他杂质元素，单个不超过0.05％，总和不超过0.15％。
2、扁锭合金的制备方法：按照铝合金薄板成分及质量百分比准备原材料。将原料置于熔炼中，加入重熔铝锭及相同合金的废料，在740℃下熔炼，开始熔化后加入覆盖剂，当铝合金原料60-70％熔化后，开启电磁搅拌，全部溶化后进行成分调整，加入中间合金或添加剂来调整成分，然后扒渣、取样检测化学成分，成分合适后转移熔体到保温炉。采用炉侧混合气体精炼30-50min，当熔体温度达到710-740℃时，静置40min后经在线(SNIF除气、添加细化剂(Al5Ti1B点入量1.5-2.0kg/t)、CCF双级过滤)，浇铸成铝合金铸锭。过程控制含氢量小于0.12mL/100g.Al，Na含量2ppm以内，Ca含量3ppm以内。渣尺寸20μm以上去除率95％以上。保证熔体中氢、渣含量满足航空铝合金要求。
3、均匀化工艺：将铸锭放入均质炉中进行均匀化热处理，采用双级均质工艺460-465℃/6-10h+473-476℃/20-30h，出炉推入冷却式快速冷却。铸锭铸造完成后，通过优化均匀化工艺获得残余第二相体积分数小于2.0％的优质均热铸锭。
4、包覆设计：包覆铝板采用抗腐蚀性能更高的低合金化7系铝板，包覆板厚度为13-15mm。对于成品厚度1.6-3.25的包铝薄板，最小包覆率为2％，名义包覆率设为3％，包铝薄板所使用包覆板厚度T的厚度为13-15mm，包覆板宽度＝芯锭有效轧制面宽度-(25±15mm)*2，包覆板长度＝芯锭长度-(200±10mm)*2。
5、复合焊合前准备：将包覆材在使用前进行单面刷磨，以保证刷磨质量，刷磨层均匀无遗漏，刷磨面严禁有灰尘、油污、铝屑等异物存在，目的去除表面氧化层。采用蘸丁酮或丙酮清洗剂擦拭铸锭表面，再用干净干毛巾擦拭铸锭表面，空气吹扫除去表面残留的丁酮或丙酮，保证擦拭后用白纸擦拭表面光亮，避免层间夹渣的形成，从而避免包覆板在后续使用过程中出现“穿包”的风险。
6、焊合工艺：将包覆材与铸锭贴合后，四周距离边部20-30mm，长度方向每隔1000-1500mm采用螺栓紧固的方式进行固定焊合，焊合用材料为1050、7075-T态铝合金。
7、热轧工艺：将复合铸锭放至预加热炉加热至450-470℃，保温2-5h后，进行热粗轧。设置热粗轧20-25道次，前两道次焊合轧制，压下量控制1-3mm，轧制速度0.35-0.5m/s。后面道次采用常规轧制模式，提供充足润滑，乳液喷淋量为上20％-40％，50％-80％。每道次压下量控制≤30mm，轧制速度控制≤2.0m/s，轧制间隙使用刷辊清理辊面，终轧温度控制300-330℃，热轧成品厚度为7.0-8.0mm。
8、冷轧工艺：针对1.6-3.25mm厚薄板，将热轧7.0-8.0厚度板材经过3道冷轧至1.6-3.25mm。
经过轧制后发现采用1050纯铝作为紧固材料轧制后在紧固位置出现较长的压制痕迹，主要是由于其太软变形相比于包覆材剧烈；采用7075-T6态铝合金作为紧固材料，在接触区域出现裂纹，主要由于其相比包覆材硬，轧制出现变形不协调，进而产生裂纹。
实施例3
1、化学成分控制：本发明采用的铸锭尺寸(400-620mm(厚)×1200-2200mm(宽)×2000-8000mm(长)扁锭为半连续铸造方式生产，控制合金成分范围为：Si含量低于0.08％，Fe含量低于0.15％，Zn含量5.6％-5.9％，Cu含量1.3％-1.6％，Mg含量2.4％-2.7％，Mn含量低于0.1％，Cr含量0.18％-0.21％，Ti含量低于0.1％，其他杂质元素，单个不超过0.05％，总和不超过0.15％。
2、扁锭合金的制备方法：按照铝合金薄板成分及质量百分比准备原材料。将原料置于熔炼中，加入重熔铝锭及相同合金的废料，在740℃下熔炼，开始熔化后加入覆盖剂，当铝合金原料60-70％熔化后，开启电磁搅拌，全部溶化后进行成分调整，加入中间合金或添加剂来调整成分，然后扒渣、取样检测化学成分，成分合适后转移熔体到保温炉。采用炉侧混合气体精炼30-50min，当熔体温度达到710-740℃时，静置40min后经在线(SNIF除气、添加细化剂(Al5Ti1B点入量1.5-2.0kg/t)、CCF双级过滤)，浇铸成铝合金铸锭。过程控制含氢量小于0.12mL/100g.Al，Na含量2ppm以内，Ca含量3ppm以内。渣尺寸20μm以上去除率95％以上。保证熔体中氢、渣含量满足航空铝合金要求。
3、均匀化工艺：将铸锭放入均质炉中进行均匀化热处理，采用双级均质工艺460-465℃/6-10h+473-476℃/20-30h，出炉推入冷却式快速冷却。铸锭铸造完成后，通过优化均匀化工艺获得残余第二相体积分数小于2.0％的优质均热铸锭。
4、包覆设计：包覆铝板采用抗腐蚀性能更高的低合金化7系铝板，包覆板厚度为13-15mm。对于成品厚度1.6-3.25的包铝薄板，最小包覆率为2％，名义包覆率设为3％，包铝薄板所使用包覆板厚度T的厚度为13-15mm，包覆板宽度＝芯锭有效轧制面宽度-(25±15mm)*2，包覆板长度＝芯锭长度-(200±10mm)*2。
5、复合焊合前准备：将包覆材在使用前进行单面刷磨，以保证刷磨质量，刷磨层均匀无遗漏，刷磨面严禁有灰尘、油污、铝屑等异物存在，目的去除表面氧化层。采用蘸丁酮或丙酮清洗剂擦拭铸锭表面，再用干净干毛巾擦拭铸锭表面，空气吹扫除去表面残留的丁酮或丙酮，保证擦拭后用白纸擦拭表面光亮，避免层间夹渣的形成，从而避免包覆板在后续使用过程中出现“穿包”的风险。
6、焊合工艺：将包覆材与铸锭贴合后，四周距离边部20-30mm，长度方向每隔2000mm或500mm采用螺栓紧固的方式进行固定焊合，焊合用材料为7075-O态铝合金。
7、热轧工艺：将复合铸锭放至预加热炉加热至450-470℃，保温2-5h后，进行热粗轧。设置热粗轧20-25道次，前两道次焊合轧制，压下量控制1-3mm，轧制速度0.35-0.5m/s。后面道次采用常规轧制模式，提供充足润滑，乳液喷淋量为上20％-40％，50％-80％。每道次压下量控制≤30mm，轧制速度控制≤2.0m/s，轧制间隙使用刷辊清理辊面，终轧温度控制300-330℃，热轧成品厚度为7.0-8.0mm。
8、冷轧工艺：针对1.6-3.25mm厚薄板，将热轧7.0-8.0厚度板材经过3道冷轧至1.6-3.25mm。
采用2000mm紧固间距，在吊装过程中容易出现“穿包”，主要是因为其紧固间距较大，没有起到良好的紧固作用；采用500mm左右紧固，轧制后的表面容易出褶皱情况，主要是由于其间距较小，包覆板与基板四周完全紧固，轧制过程中复合板芯部向外部延展困难，易导出现变形不协调，产生褶皱现象。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
- 上一篇：一种医用注射器针头装配设备
- 下一篇：酸洗机组防止跑尾机构