多工艺合金包覆的制作方法

本发明要求在2019年2月27日之前提交的题为“Multi-Process Alloy Clad”的美国临时申请序列号62/811,512的优先权，其全部内容通过引用并入本文。

背景技术

材料的创新继续使工程解决方案更轻便、更强大、更便宜、更耐用。其中，可以优化单一材料以具有理想地适合于给定应用的一些性质，在材料性能之间通常存在折衷。不是尝试优化单一材料并忍受折衷，而是金属的冶金接合提供了产生由多种金属制成的单一材料和组合有利材料性能的优点。

冶金接合是两种金属之间的原子接合。实现接合的方法从表面制备开始，其中除去金属上的氧化物。然后可以通过热量、压力和动量产生接合。有几种产生冶金接合的方法，每种都具有自己的优点和劣势。

爆炸接合可以通过在两个或更多个分离的冷金属板材上的爆炸材料的爆轰来产生冶金接合。板材的动量和所致碰撞具有连接材料的足够能量。在单一的爆轰中可以快速连接大量材料，其缺点是缺乏对爆炸方法的精确控制。结果是，大量材料可以廉价地连接，但需要精确度的材料组合也许是不可能的。爆炸接合对于连接硬质材料如钢到不锈钢表现良好，但在连接合金铝和薄或软材料时可变得困难。

扩散接合是使用仅热量和压力产生冶金接合的方法。两种或更多种金属被去除其氧化物，并置于真空外壳内接触以阻止新氧化物形成。热量和压力缓慢地允许发生扩散，从而产生冶金接合。虽然扩散接合在连接变量和几何形状上提供精确的控制，但它是缓慢，昂贵的并且具有尺寸的实际限制。

辊压接合是产生冶金接合的另一方法。两种或更多种金属被机械地去除其氧化物，然后它们在两个辊之间被厚度压下。该压下导致氧化物层破裂，原始材料接触，以及形成的冶金接合。根据材料和材料组合，可以辊压热、温或冷的各材料。辊压接合在过程控制、过程灵活性和成本之间提供了良好的平衡。

本发明是一种双金属包覆过渡体及其制造方法。本发明利用辊压和爆炸接合的益处。更详细地作为示例性应用，本发明可以优化地用于产生高温耐受性和强大的包覆焊接过渡体，用于铝熔炼厂工业。

附图说明

下面将参考以下附图描述本发明的优选实施方案：

图1是根据本发明的焊接阳极组件的前透视图。

图2是根据本发明的包覆过渡体的前透视图，其在图1的焊接阳极组件中以用态示出。

图3是用于产生图2中所示的包覆过渡体的爆炸接合板材的前透视图。

图4是由图3的板材制成的爆炸接合棒条的前透视图。

图5是图4的爆炸接合棒条的横截面视图。

图6是向图5的爆炸接合棒条添加包覆层的辊压接合工艺的侧视图。

图7是示出用于产生图2的包覆过渡体的工艺和方法的流程图。

具体实施方式

在本发明使用的许多组件和方法是在本发明的领域中广泛已知且使用的，并且它们的确切性质或类型对于本领域技术人员理解本发明是不必要的；因此，将不会详细论述它们。例如，传统的焊接在金属制造和铝熔炼的领域中是公知的，并且对于在无过度实验的情况下理解和实践本发明而言不需要详细解释。

铝生产是周知和成熟的技术。从地球开采铝土矿并精制成氧化铝。然后，通过熔炼过程将氧化铝变成铝。从氧化铝除去氧以产生纯铝。纯铝可与其他元素混合以产生合金铝，或可不混合。取决于铝的最终组成，它被指定为识别系列，例如1100、4032、6061或7075。每个系列具有已知的物理、电和热性能，并且可以通过辊压成板材或挤压而形成所需的形状。一些合金仅以挤压件而不是板材可用。

熔炼过程主要是通过碳焙烧过程完成的，其中将炭块放入氧化铝浴以电学地引起氧化铝中的氧与碳块中的碳结合以产生二氧化碳。

在图1中示出了根据本发明的碳阳极组件10。阳极组件10用于传导熔炼工艺的正电荷经过氧化铝并进入阴极母线(未示出)。阳极组件10包括阳极棒条12，其与母线系统(未示出)电连接。典型地，阳极棒条12由4032铝或提供优化的强度和电性能的铝合金制成。阳极棒条12必须能支持碳块16的重量和抵抗阳极组件10移动时的反作用力。在显著温度下进行熔炼过程，其对于削弱或熔融阳极棒条12足够大。为承受热量，由耐温度材料如钢或铜制成轭部(yoke)14，并且在对于阳极棒条12而言热量不可接受的区域中支撑碳块16。因为铝和钢之间传统焊接是不可能的，所以在轭部14和阳极棒条12之间插入焊接过渡体。将现有技术的焊接过渡体冶金结合到异种金属，通过辊压接合或爆炸接合形成。现有技术的焊接过渡体是由低碳钢和高纯铝如1100或1050制成的。高纯铝是非常导电的，并且可易于通过爆炸和辊压接合而接合。将现有技术的焊接过渡体的铝侧焊接到阳极棒条12，并将现有技术的焊接过渡体的钢侧焊接到轭部14，由此将阳极棒条12连接到轭部14。

在图1中和图2中单独示出了焊接到阳极组件10的新颖包覆过渡体30，并在图2中单独示出。包覆过渡体30包含基础层32、中间层34和包覆层36。基础层32优选是钢，而优选1008或A36的合金。或者，基础层32可以由铜制成。优选地，基础层32高度是0.275至1.5英寸，但是本发明不应该被解释为限于任何特定的厚度。冶金接合到基础层32的是中间层34。冶金接合到中间层34的是由铝合金(而不是现有技术所用的纯铝)制成包覆层36。中间层34用来抵抗铁扩散到铝中，在高温下引起冶金接合的破坏。通过Kirkendall效应完成冶金接合的破坏，这在冶金接合异种金属的领域中是公知的。根据本发明的优选实施方案中，中间层34是厚度为1毫米的钛，尽管可使用其他厚度。此外，可将其他材料代替钛用作中间层34，包括但不限于镍和钽。

现有技术的辊压接合的焊接过渡体使用了铬作为中间层。没有铬中间层，可在低于500摄氏度的温度下发生Kirkendall效应。铬阻止异种金属之间的扩散，并允许现有技术的辊压接合的焊接过渡体承受高于500℃。现代冶炼厂可能不会在正常使用过程中在阳极棒条12和轭部14之间的点处产生400C的温度，但较高的温度耐受性对阳极组件10提供了保护。铬非常适合于辊压接合现有技术的焊接过渡体，因为它可以在辊压包覆铝层之前电沉积到钢上。将纯铝层辊压接合到具有铬的钢上。由于辊压棒条的能力，可从板材或挤压的铝制造辊压接合的铝。由于铝的温度限制，当辊压在一起时，钛作为与铝和钢的中间层是不可行的。由于需要的高温和阻碍接合的氧化物的形成，将钢辊压接合到钛是极具挑战性的。辊压接合相对于爆炸接合的一个优点是，合金铝可易于直接接合到钢。

或者，现有技术的爆炸接合的焊接过渡体使用了钛作为中间层。钛提供大于550℃的温度耐受性。将钛和铝爆炸接合到钢，其使得在较低温度(与辊压接合相比)下成为可能。由于板材的尺寸优化地适合于爆炸过程的经济性，因此铬因镀铬罐的潜在尺寸要求而不太适合爆炸接合。还由于爆炸接合板材的尺寸，通常很多英尺宽乘很多英尺长，爆炸接合的铝必须以板材而不是挤压件的形式可用。此外，爆炸接合对于直接将合金铝接合到钢或钛不可行。如果合金铝在爆炸接合工艺中接合，则在纯包覆铝和基础金属之间接合高度可接合的低强度纯铝层。所得过渡体的强度仅与限制包覆组件的总体强度的纯铝层同样强。纯铝接合层是爆炸接合的包覆过渡体中最薄弱的联系。

由辊压接合和爆炸接合产生新颖包覆过渡体30。爆炸接合用于将基础层32冶金接合至板材形式的中间层34。然后将包覆层36辊压接合到中间层34以形成包覆过渡体30。包覆过渡体30具有钛的热“Kirkendall”耐受性益处，以及用于包覆层36的合金铝的直接接合的强度益处。根据本发明，包覆层36由高度导电性合金6101制成，尽管可以使用其他合金，例如但不限于6063,4032,5083,3003和6061。合金6101具有接近纯铝的导电率性能，它还提供相对于纯铝增加的强度。优选地，包覆层36具有合金化元素，其包括但不限于镁、锌、铜、锰、铁和硅中的一种或多种。根据本发明的优选实施方案，包覆层36包含按重量百分比大于十分之二的镁的铝。根据本发明，合金包覆层36具有大于1000系列铝的强度。合金包覆层36可具有大于100MPa的最终拉伸强度。此外，由于由辊压接合引起的加工硬化，合金包覆层36可以增加强度。也可以在辊压后将合金包覆层36进行热处理。合金包覆层36可具有大于200MPa的所得强度。合金包覆层36可具有小于99％的铝纯度。

制造方法60用于产生新颖的包覆过渡体30并且如图7所示。基础层32和中间层34准备用于爆炸接合的步骤63。对层32和34进行砂磨或研磨以去除促进爆炸接合的氧化物层。爆炸接合的步骤63在冶金接合领域中是公知的，并且确切步骤对于本领域技术人员理解和领会本发明是不必要的。

在爆炸接合的步骤63之后，产生了爆炸板材40，其如图3所示。将基础层32接合到中间层34。使板材40变平，然后切割以产生爆炸棒条50。棒条50包含基础层32和中间层34且具有对于辊压接合优化的宽度和长度。通过切割成棒条的步骤64将板材40的宽度减小。优选地，棒条50的宽度小于10英寸，但是可以是对特定轧机优化的任何宽度。棒条50的横截面如图5所示。

然后通过辊压接合步骤66将棒条50辊压接合到包覆层36。辊压接合步骤66通过图6示出。中间层34已通过爆炸接合步骤63冶金接合到基础层32。将包覆层36放置在棒条50的顶部。优选地,将棒条50和包覆层36加热至超过600F且小于700F，尽管热包覆层36也可以辊压到在室温或比700F更热的棒条50上。两个辊子，51A和51B减小了包覆层36的厚度，这引起中间层34和包覆层36的合金材料之间的冶金接合。包覆层36的进口高度38A通常是出口高度38B的高度的两倍。优选地，出口高度38B是半英寸。

最后，制造步骤67产生了用于在阳极组件10内使用的包覆过渡体30的优化尺寸。制造步骤67可以利用锯切割、机加工、水射流切割或任何常用的切割金属方法。将包覆30的最终尺寸进行优化用于焊接到阳极组件10，并且长度和宽度通常在一英寸到小于10英寸的范围内。

包覆过渡体30的本发明比限于纯铝的现有技术的爆炸接合焊接过渡体显著更强。本发明不限于使用只以板材或片材形式可用的合金。本发明还具有比仅用辊压接合工艺可产生的温度耐受性更高的温度耐受性，这是通过利用最容易通过爆炸接合而接合的扩散抵抗中间层材料来实现的。本发明可以通过选择用于包覆层36的铝合金来优化地适用于给定的熔炼用途，其提供可接受的电阻和强度，其仅可以挤压件形式可用并直接辊压接合。

在本发明的精神和范围内，其他实施方案是可能的。虽然示出了三个层，以不同的接合工艺将每个层接合到中间层，但应当理解，可以使用任何数量的层。例如，在爆炸过程中可以接合多于两个层，通过用一次爆射爆炸它们或用新层重新爆射接合板。类似地，可以在一个辊压工艺内用多于两个材料层完成辊压接合，并且可以用多个辊压道次顺序地添加多个层。包覆30可以利用爆炸和辊压接合以具有多于三个层。

虽然本文所描述的包覆过渡体系统构成本发明的优选实施方案，但是应理解，本发明不限于这些精确形式的组件、工艺和方法，并且可以在其中进行改变，而不脱离本发明的范围和精神。