发明领域

本发明涉及包括被固定在一块位于其间的肋板上的两块平行板和 /或薄板的复合铝板以及将复合铝板用在结构材料如由大型焊接构件 构成的建筑结构中。

对本发明的目的来说，薄板材应该被理解为是厚度不超过6.0毫 米的轧制产品。

现有技术说明

目前，大型焊接结构如船舶如双体船的甲板或船货舱板是通过焊 接大量的标准AA6000系列合金如AA6082合金的挤压型材而形成的。 典型的结构牵涉到熔焊大量空心型材和/或简单型材。一般采用AA6082 合金空心型材，因为这种合金允许设计者获得明显的减重。这主要是 由于AA6082合金是商业通用标准AA6000系列合金中最坚固的。由于 AA6082合金可挤压性能的局限性，空心型材的最小壁厚实际上根据挤 压型材的形状而被限制为2.5-4.0毫米。对最小壁厚的实际限制又限 制了可以通过改善设计而获得的减重。

或者，大型工程结构如船只的船货舱板或客舱舱板可以通过连接 通过连接和/或焊接大量轧制波纹板而制成的预制铝产品而建成。这种 方法的实现依赖于可以获得高强度波纹铝合金型材产品。这需要不仅 容易轧制成型而且具有较高强度的铝合金板。可买到的且用于轧制成 型的标准铝合金原材料如AA3004合金没有产生高到足以获得明显减 轻重量的强度。

在本发明的范围内，也被称为外形轧制加工或冷轧加工的轧制成 型被理解为是一种通过使原材料经过一系列配备有异型辊的轧制工站 而把金属薄板、带或卷材加工成具有基本上一致厚度的理想形状的连 续工艺，参见《金属手册》第9版，第14卷，ASM International， 1988，P624-635。

以下将提到一些在现有技术文献中找到的建筑结构的披露内容。

US5,812,506披露了一种复杂的且在气动学上是光滑的外表面部 件，它是由一个电感的、超塑性形成的且没有扩散结合结构的部件构 成的，它具有至少四块薄板并具有一个基本尺寸，其中包括(a)一个 具有两个由至少两个电感的、超塑性形成的芯板构成的面的内芯，所 述芯板由超塑性钛合金或铝合金构成；(b)由超塑性钛合金或铝合金 构成的外面板，它们通过青铜合金带被硬钎焊到内芯的两个面上，每 个面板在内芯的一侧上。

US5534354披露了一种生产超塑形夹层结构机翼的方法。

EP-A-0432308披露了一种多层金属结构，它具有绝热性能并且是 由显示出超塑性的合金制成的，所述合金能够接受超塑性加工。这些 结构尤其适用于超音速和高超音速飞机。

发明概述

本发明的一个目的是提供一种复合铝板，它包括综合具有比标准 AA3004合金高20％的强度和在这样的高强度下的良好轧制加工性能和 良好焊接性能的波纹铝肋板。本发明的另一个目的是提供一种具有良 好耐蚀性能的复合铝板。本发明的再一个目的是提供一种加工简单、 可靠的复合铝板。

根据本发明的一个方面，提供了一种复合铝板，它包括两块被固 定在一块在其之间的波纹铝肋板的波峰和波谷上的平行板和/或薄板， 其中波纹铝肋板是由一种具有这样的成分的铝合金轧制板材制成的 (按重量百分比)：Mg 1.5-6.0；Mn 0.3-1.4；Zn 0.4-5.0；Fe不超 过0.5；Si不超过0.5；Zr不超过0.30；和可能有的至少以下一种 元素，Cr 0.05-0.30，Ti 0.01-0.20，V 0.05-0.25，Ag 0.05-0.40； Cu不超过0.40；其余杂质成分分别不超过0.05，杂质成分总量不超 过0.15；余量为Al；它在H条件下或在O条件下具有0.4-0.9的PS/UTS 比并具有良好的轧制加工性能。

PS、UTS分别代表0.2％弹限强度和极限抗拉强度。所述的H条件 一般是Hxy条件或其变形，其中x是1-3，y是1-6或者其变形。

在本发明中，出奇好地综合获得了至少比软化和低应变硬化回火 的标准AA3004高20％的强度、在这样的高强度下的良好加工性能以及 良好焊接性能。这种在波纹肋板中的综合效果是由于成分窗和适当的 晶体结构而获得的。它们综合地提供了良好的可弯性能，在可比较的 回火度和尺寸下，加工硬化指数n在比AA3004高20％的高强度下等于 0.10-0.40，在Hx6回火度条件下，其中x等于1-3，或者在软化回火 条件下，获得了有一次厚度弯曲性能的良好轧制加工性能。尤其是对 那些基于挤压铝合金的结构来说，采用强度提高的且由上述铝轧制板 材制成的波纹板允许设计和建造出比传统结构更轻的复合板结构。具 有特定成分的铝轧制板材也被发现具有良好的耐蚀性能。当被用到船 只或海上建筑物时，这允许复合板被用在腐蚀性环境如海洋环境中。

AA5000系列合金板材的轧制加工性能可以通过其可弯性能来评 估。可以根据ASTM E-290来检验材料可弯性能。在这种实验中，板材 将被在一个其厚度等于板材的芯杆上弯曲180度，这在上面被称为一 次厚度弯曲性能。用肉眼看弯曲部的凸表面是否有裂纹。如果有至少 一个大于1毫米的裂纹，则标为无效弯曲性能，结果，板材不被用于 轧制加工。当在弯曲部的凸表面上没有看到大于1毫米的裂纹时，弯 曲性能被表示为良好。

在一个优选实施例中，所述波纹铝肋板具有0.4-0.8的PS/UTS比 并最好为0.4-0.7，以便提高轧制加工性。

在一个实施例中，波纹铝肋板的厚度不超过3.0毫米并且最好厚 0.2-1.0毫米。

还可以作为纹板或压印板来提供波纹铝板。

限制在用于本发明的复合铝板的波纹铝肋板中的合金元素的原因 是这样的，其中所有成分的百分比是重量百分比。

镁是合金中的主要强化元素，低于1.5％的镁含量不能产生所需的 强度，当镁添加量超过6.0％时，在产品的铸造热轧中出现了严重开裂。 出于可加工性和强度的折中考虑，优选的镁含量为3.0-5.6％。

锰是一种主要合金元素。在焊接和非焊接条件下，锰与镁一起保 证了合金产品具有强度。锰含量过低不能给合金产品的焊接接头提供 足够的强度。超过1.4％的锰使热轧变得很困难。锰的优选上限为0.9％， 这代表了强度和可加工性能的折中方案。Fe/Mn的比最好为0.3-1.0。

锌是一种重要的合金元素，因为当它的含量不超过1.2％且最好不 超过0.9％时，它在合金产品中改善了耐蚀性能。另外，当锌含量为 3.0-5.0％时，锌和镁一起起到了时效硬化强化元素的作用。在后者的 情况下，锌/镁比最好保持在1.1-5并最好为4-5的范围内。当锌含量 超过5.0％时，尤其在工业规模的条件下，铸造和后续的热轧变得更困 难了。如果低于0.4％，则锌的效果不明显，因而，需要0.4％的下限并 且最好是0.5％的下限。

合金产品中的铁可以在铸造中形成Al-Fe-Mn型初生化合物并由此 因作为合金元素的锰而限制了有利效果。大于0.5％的铁含量造成粗糙 初生颗粒的形成，这降低了合金产品的变形性能。优选的铁含量为 0.15-0.30％并最好为0.20-0.30％。

硅也和铁一起形成了粗糙的AlFeSi相型颗粒并且这可能影响了合 金产品的变形性能。另外，硅限制了镁的有益效果。为了避免变形性 能不可接受地损失，硅含量必须保持在0.5％以下。优选的硅含量为 0.07-0.20％并最好为0.10-0.20％。

Zr是一种获得强度提高的重要合金元素。另外，Zr对于提高在焊 接本发明的合金产品时的耐裂性能很重要。超过0.3％的Zr导致了粗 糙针状初生颗粒，它们降低了合金产品的可加工性能并且好降低了所 获产品的弯曲性能。作为强度与变形性能的这种方案，Zr含量优选为 0.05-0.25％。

作为晶粒细化剂，Ti在钢锭和在使用本发明的合金产品形成的焊 接接头凝固时是很重要的。但是，Ti与Zr一起可能形成不理想的粗 糙初生相。为了避免这种现象，存在Zr时的Ti含量应该保持在0.2％ 以下并最好保持在0.10％以下，最佳的Ti含量为0.01-0.10％。

Cr是用于进一步提高合金产品的耐蚀性能的可能有的合金元素， 但是，Cr限制了Mn、Zr的可溶性。因此，为了避免形成粗糙初生相， Cr含量必须保持低于0.3％。最佳的Cr含量不超过0.15％。

V是可能有的合金元素并且可被用于代替或补充Cr。优选的含量 为0.05-0.25％。V的更好的范围不超过0.15％。

超过0.4％的Cu含量引起不可接受的合金产品的点腐蚀性能。优选 的Cu含量不超过0.25％并最好不超过0.1％。

银是可能有的合金元素，它可以进一步改善抗应力腐蚀性能。如 果添加银，则含量应该限制到0.4％并且合金产品中的最低含量最好至 少为0.05％。

余量为铝和不可避免的杂质。一般，各杂质元素最多为0.05％，总 杂质量最高为0.15％。

本发明复合铝板的一个很成功的实施例是其特征包括以下成分 (重量百分比)的波纹铝板：Mg 5.0-6.0，优选5.0-5.6；Mn 0.6-1.2； Zn 0.4-1.5，优选为0.4-0.9，最优选0.5-0.9；Zr 0.05-0.25；Cr不 超过0.30；Ti不超过0.2；Fe不超过0.5，优选0.2-0.3；Si，不超 过0.5，优选0.1-0.2；Cu不超过0.40，最好不超过0.1；Ag不超过 0.4；余量为Al和不可避免的杂质。

通过该实施例提供了这样一种复合铝板，其中在可对比的尺寸和 回火度情况下，当根据ASTM E-290评估弯曲性能时，获得了比标准 AA3004高至少20％的强度以及在这样的高强度下的良好变形性能以及 良好焊接性能和良好耐蚀性能。尤其是在尺寸不超过3.0毫米且优选 地为0.2-1.0毫米的情况下，铝合金产品具有很好的变形性能。另外， 我们发现，波纹板材在轧制加工后比传统的AA5xxx系列铝合金如 AA5083、AA5456更好地保持其形状即反弹性。另外，这个成功的实施 例允许更高的激光焊接速度，一般为3-10米/分并最好为4-6米/分， 以便制造出包括至少一块由上述铝板材构成的波纹板的复合板。在传 统的高锰铝镁合金如AA5083、AA5456中，根据过去的经验，上述波纹 肋板是没有希望获得良好的焊接性能且尤其是激光焊接性能。

在更优选的实施例中，在尺寸不超过3毫米的情况下，O回火条件 下的波纹铝板具有至少为110MPa的0.2％弹限强度并优选地具有至少 115MPa并最好为120MPa。对于尺寸不超过3毫米的情况来说，O回火 条件下的铝合金制品具有至少为270MPa的最小最终抗拉强度(UTS) 并最好为280MPa的并最佳地为300MPa，优选为310MPa。

在本发明的另一个复合铝板的实施例中，可以在至少轧制板材的 一个侧面上给波纹铝板涂覆一个包层，它具有以下特征：

(i)它是由比所述轧制板材更纯的铝合金构成的；

(ii)所述包覆层由铝协会AA1000系列构成；

(iii)所述包覆层由铝协会AA6000系列构成；

(iv)所述包覆层由铝协会AA4000系列构成。

在这个实施例中，在把板材轧制成波纹型材前将包覆层涂到波纹 板上。本发明的波纹铝板具有很高的耐蚀性能。但是，在某些极端腐 蚀环境中，涂覆进一步提高合金产品的耐蚀性能的包覆层可能是有效 的。这样的包覆产品采用了由上述铝合金复合产品构成的芯和一个在 特殊腐蚀条件下保护芯的高纯度包覆层。包覆层包括基本未合金化铝 或含有不超过总量的0.1％或1％的其它元素的铝合金。在此标为1xxx 型系列的铝合金包括所有铝协会(AA)合金，其中包括1000型次级品， 1100型、1200型、1300型。此外，我们发现，一般含有超过1％的合 金添加剂的AA6000系列铝合金(包括次级品)能用作包覆层。我们还 发现，一般含有超过0.8％的合金元素锌的AA7000系列铝合金(包括 次级品)能够用作包覆层，例如AA7072。其它铝合金也能用作包覆层， 只要它们尤其是给芯合金产品提供足够高的整体耐蚀性能就行。

在本发明复合铝板的一个很有利的实施例中，波纹铝肋板可以涂 有一个由AA4000系列合金如AA4047构成的包覆层。在该实施例中， 包覆层原本没有提供更高的耐蚀性能，尽管它可能对此有贡献，但它 允许波纹铝板被焊接或硬钎焊到其它薄板、板材或挤压产品上而形成 了预制产品。在波纹铝板包覆有AA4000系列合金时，无需在焊接时提 供填料丝(这在其它情况下是需要的)。另外，保持了铝板的结构整 体性，因为，更多的锌可以存在与合金产品中，而且没有影响热作用 区的耐蚀性能。包覆层厚度应该足以防止波纹铝板的粘性损失并且足 以保护波纹板不受热作用区的影响。在硬钎焊的情况下，可以在可熔 化AA4000系列合金的温度区内将这样的包覆波纹板与另一个薄板、板 或挤压型材硬钎焊成一体。可以控制气氛或不控制气氛地进行硬钎焊.

包覆层通常比芯薄许多，每个包覆层占总复合板结构厚度的15％ 或20％或可能占25％。包覆层一般约占总复合板厚度的5-12％。

波纹铝肋板可以通过机械固定件或粘接被固定在平行板或薄板 上。在一个优选实施例中，波纹铝肋板通过沿波峰或波谷延伸的焊缝 被焊到平行板或薄板上。这允许快速、经济且可靠地生产出复合板。 可以通过使用任何一种标准焊接技术MIG、TIG、搅拌焊接、摩擦搅拌 焊等或其组合方式来获得焊缝。在另一个优选实施例中，通过激光焊 接技术获得焊缝。另外，至少一块板或薄板在其它表面上没有可见焊 缝，但是有内焊缝，在这里，每条焊缝经过波峰或波谷并伸入板材或 薄板中，但是没有完全穿透材料。这在一个表面上给复合铝板形成了 焊缝并在另一面上形成了光滑表面。

在一个替换实施例中，波纹铝肋板通过硬钎焊被固定在一块平行 板或薄板上。在该实施例中，波纹铝肋板是由涂有由AA4000系列合金 构成的包覆层的上述本发明铝合金产品构成的。

在一个优选实施例中，在嵌板之间的波纹铝肋板具有平波峰和平 波谷。

最常见地但不是限定性地，复合铝板的厚度是这样的，即外板和/ 或薄板之间的间距等于10-300毫米范围内最好为10-200毫米。在典 型实施例中，如此间隔开的表面板和/或薄板最好不超过25毫米厚， 波纹铝肋板的厚度不超过6毫米并最好不超过3毫米，最佳的厚度范 围是0.2-1.0毫米。通过使用这样薄的且用在上述复合铝板中的本发 明铝合金产品，可以在结构方面明显减轻重量，同时保持至少与现有 技术已知的相同的强度和/或刚性。

人们将发现，两块平行板和/或薄板部的厚度等于或大于波纹铝肋 板的金属厚度通常是令人满意的。

平行板或薄板最好由铝合金制成，在波纹铝肋板被焊接到一块板 或薄板上的情况下，所述板或薄板最好由可焊铝合金构成。在一个更 优选的实施例中，板和/或薄板处于与通过上述铝轧制产品获得的波纹 铝肋板相同的成分窗内。

按照本发明的另一个方面，提供了一种焊接板结构，它包括本发 明的复合铝板和/或本发明的波纹板材。这样的焊接板结构还包括两个 铝型材，一般成U、T或H形，它们是通过挤压或弯曲板或薄板而形成 的，在这里，复合铝板在这两个型材之间被矫直。所述板加工起来很 简单、可靠并且可以很实用地在工厂或车间内进行矫直。由于板成封 闭结构，所以它们容易运输并且运输过程中防止了包括波纹板在内的 内结构的损伤。

上述复合铝板的类型例如可以被单独用于舱壁或者其部件。但是， 至少两个符合板本身被连接起来并形成平行复合结构，从而例如构成 包括分段在内的船舱或其它大规模金属结构如卡车底板、有轨车辆底 板、桥梁且尤其是船只。

根据本发明的另一个方面，提供了将上述复合铝板用于焊接结构 的用途，例如非限定性地用于海上造船船坞和海上建筑物。另外，符 合铝板可以被用于民用铁路领域等中，在种类，需要最好具有良好耐 蚀性能的更轻型的结构。

另外，本发明涉及把具有上述且如权利要求书所述化学成分的轧 制铝材用作本发明的复合铝板中的波纹肋板和/或平行板或薄板。

实施例

现在，参见附图并通过几个非限定实施例和例子来说明本发明， 其中：

图1A-图1C表示波纹板几个实施例的横截面图；

图2A-图2C表示复合铝板的几个实施例的横截面图；

图3A、3B以横截面图表示与I形梁相连的复合铝板；

图4表示与与I形梁相连的复合铝板的透视图；

图5示意地表示本发明板材的装配步骤；

图6表示本发明板材与船壳、船舱壁或相互连接的横截面图。

如在垂直于其伸长方向的横截面图内所示地，图1示意地表示轧 制加工的波纹铝板的典型形状。波纹铝板可以被用作在本发明复合铝 板中的肋板。图1A、1B表示平波峰和平波谷，图1B具有燕尾形。图 1C示出了一个替换实施例，其中波纹铝板具有弧形的波峰和波谷。所 示尺寸a、b、c、d一般为10-300毫米。

如在垂直于其伸长方向的横截面图内所示地，图2A、2B示意地表 示本发明的复合铝板，其中波纹铝肋板设置在两块平行薄板和/或板之 间。如在垂直于其伸长方向的横截面图内所示地，图2C的实施例示意 地表示一块复合铝板，其中波纹铝肋板包括两块分别具有平波峰和平 波谷的波纹板并且一块板的波峰与另一块波纹板的平波谷相连。图 2A-2C的箭头表示用于相互固定各段的焊缝的位置。

如在垂直于其伸长方向的横截面图内所示地，图3A、3B示意地表 示本发明的复合铝板，它通过将复合铝板的至少一块平行板或薄板固 定在I形梁上而被固定在I形梁或型材上。

图4示意地表示复合铝板的透视图，所述复合铝板在其伸长方向 上彼此连接。为此采用了以下步骤：首先，形成一个与波纹形状的外 轮廓配合的型材，第二，敞开顶摆板以便露出波纹形状，第三，将一 个连接波纹型材安放到板材上以便使连接波纹型材等间隔分布在两个 夹层板之间地进行连接，随后在那些在图中标为xxxx的点上进行连 接。由此一来，上述步骤沿宽度方向将将本发明的任何两个夹层板牢 固连接起来。或者，可以这样生产夹层板，即两块顶板中的一块可以 短于另一块以允许轻松地沿宽度方向进行连接。

图5示意地表示本发明的板材是如何进行装配的。一块板材由两 个U、H或T形铝型材构成，它们可以通过挤压或者弯曲薄板或板而形 成，最好通过在选定部位进行焊接，所述型材如此被连接起来，即本 发明的第一铝板与构成所述板材的底部的各型材的一条腿相连，见图 5中的步骤1。随后，预制波纹薄板与该板材的底部相连，见图5中的 步骤2。在第三步骤中，一块顶板最好是通过焊接被连接到波纹板和 各型材的另一腿上。型材的厚度一般为3毫米。这样一来，提供了很 简单有效的板材制造方式。本发明的板材例如容易在车间或工厂内矫 直并且可以连接而形成横梁或者在按照很实际的方式通过焊接与如船 壳壁相连，如图6所示。另外，板材是封闭并且容易搬运并防止了所 包围的波纹板在运输过程中受损。

例1

在本发明成分范围内的合金具有以下化学成分(按照重量百分 比)：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，余量为铝和不可避免的杂质，这种合 金按照工业规模被DC铸造成440×1480×4800毫米的锭。该锭在510 ℃下预热15小时，接着在约500℃下进行热轧而形成了4毫米板材。 在随后冷轧之前，进行350℃下的2小时中间退火。经过退火的热轧 品随后被冷轧为2毫米板。在350℃下，进行第二次中间退火达2小 时。随后冷轧到最终的1.0毫米尺寸并接着在与中间退火相似的条件 下进行最终退火，从而产生了软化回火产品。根据欧洲标准10002来 评估材料在LT方向上的抗拉强度。另外，通过根据ASTM E-290检验 弯曲性能地来评估材料的变形能力。在弯曲性能实验中，120×45毫 米的1.0毫米厚板材在一个其厚度等于板材即1.0毫米的芯轴上被弯 曲180度。肉眼观察弯曲样品是否在弯曲凸面上出现裂纹。实验结构 通过确定良好或废品来表示。术语“废品”是指在弯曲凸面上至少有 一条至少为1毫米的裂纹。

表1列出实验结果，其中在O回火条件下与标准AA3004材料的样 品进行比较。可以从结果中发现，本发明的铝合金产品在相同回火度 和尺寸的条件下具有比AA3004材料高20％的强度，在这种特殊情况下， 获得了至少45％的提高，而弯曲性能至少等于AA3004。

表1 材料 回火度    尺寸   (毫米) 0.2％PS   (MPa) UT   (MPa)   延伸率   (％)   弯曲性能   本发明   0     1.0   132   135   129   131   315   316   314   316   20.1   20.3   19.9   20.7   良好   良好   良好   良好   AA3004   0     1.0   65   67   69   66   157   158   155   159   14.0   14.5   14.3   14.2   良好   良好   良好   良好

例2

由标准AA3004构成的1200×250毫米的1.0毫米厚板材和由与例 1相同材料构成的且组成落在权利要求书优选范围所述的板材，它们 都处于O回火条件下并接受焊接实验。利用12kW二氧化碳激光器装置 并在6kW和5米/分的线速度条件下工作地把两个相同板材焊接在一 起。带焊道的拉伸样品是由这样的透焊板材形成的并检验其拉伸性能。

表2列出了结果。可以从这些结果中看到，在焊接后，本发明的 铝产品在相同尺寸和回火度的条件下具有至少比标准AA3004材料高 20％的拉伸性能。另外，该例子表现出可以利用激光技术并在比较高的 线速度下尺寸很薄地焊接本发明产品。我们还发现，当基材处于O回 火度条件下时，基材性能而不是所采用的焊接技术主要对焊接后的机 械性能负责。这也可以从表1、2所列的结果中发现，其中本发明的材 料在相同尺寸下具有机械性能。另外，我们发现，本发明的波纹铝板 容易接受激光焊接且尤其是二氧化碳激光器焊接，这与大多数的具有 低许多的锌含量的传统高镁5000系列合金不一样。这些传统的AlMg合金通过焊接熔池而使激光束更分散。与标准的高AlMg合金如AA5456 相比，它允许本发明的波纹铝板可以范围更广地用在激光焊接中。 表2 材料 0.2％PS(MPa) UTS(MPa) 延伸率(％) 本发明  132  136  131  315  316  314  20.1  20.3  19.9 AA3004  66  69  66  155  152  158  13.1  14.2  14.5

例3

利用与例1相同的处理程序生产出可以被用作本发明的波纹铝板 的且具有相同化学成分的板材，它的最终尺寸为1.3毫米。实施两种 不同的最终退火处理，随后根据欧洲标准在L方向和LT方向上检验拉 伸性能。所实施的这两种最终退火是(1)在250℃下均热1小时；(2) 在350℃下均热1小时。在这两种情况下，加热速度为25℃/小时并且 在最终退火后冷却到100℃下的冷却速度为10℃/小时。第一种退火导 致H回火度，第二种退火导致O回火度。表3列出了结果。可以从结 果中看到，可以在H回火度和O回火度条件下生产出用在本发明复合 铝板中的铝板，在这两种情况下，它们相对标准AA3004材料具有至少 20％的强度提高。

表3 退火 类型 尺寸 (mm)     L方向     LT方向 PS(MPa) UTS(Mpa) 延伸率(％) PS(MPa) UTS(Mpa) 延伸率(％) (1) 1.3  252  254  370  372  9.6  11.0  254  255  370  371  12.3  12.5 (2) 1.3  128  128  317  318  14.7  15.9  126  127  311  314  20.2  19.9