CN106335247A - 一种用于载气钎焊的铝蜂窝结构板及制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于载气钎焊的铝蜂窝结构板及制作方法。铝蜂窝结构板包括上铝合金板、铝蜂窝和下铝合金板，上铝合金板与下铝合金板均包括芯材、位于芯材两侧的中间层和位于一侧所述中间层外的皮材，芯材为6系铝硅镁合金，中间层为3系铝锰合金，皮材为4系铝硅合金。铝蜂窝结构板的制作方法包括将上铝合金板、铝蜂窝和下铝合金板采用保护性气氛钎焊焊接为所述铝蜂窝结构板。本发明的用于载气钎焊的铝蜂窝结构板及制作方法，使得铝蜂窝结构板保持质轻、隔音、隔热、减震、吸能、电磁屏蔽等优异性能，更具有高的强度和刚度，且含Mg的合金板可通过载气钎焊的方式焊接成型，制作效率高，避免了传统的黏胶老化开裂、遇火灾释放有毒气体等问题。
Description
技术领域
本发明主要涉及一种蜂窝结构板，尤其涉及一种用于载气钎焊的铝蜂窝结构板及制作方法。
背景技术
蜂窝板具备质轻、隔音、隔热、减震、吸能、电磁屏蔽等优异性能，广泛应用在高铁、船舶领域、绿色建筑等领域。
以铝蜂窝板为例，铝蜂窝结构板是由上下两层金属板，中间为铝蜂窝芯，通过胶粘、焊接等方式搭接成型。与传统的瓦楞结构相比，铝蜂窝结构板密度小、抗压、抗弯强度大，板材承受的侧、垂向压力以及剪切力不受方向的限制，受力均匀；该结构具有质轻、隔音、隔热、减震、吸能、电磁屏蔽等优异性能，同时也具有了更高的强度和刚度。
但是，目前国内外常见的铝蜂窝制造基本采用胶粘结构，其强度(刚度)、使用寿命以及允许的应用环境受胶粘剂性能的制约，耐温性差、黏胶老化开裂、遇火灾释放有毒气体等，难以在高铁、船舶领域、绿色建筑等一些高端设备上开展应用。
随着节能环保需求日益增加以及胶铝蜂窝板老化问题的逐渐凸显，市场迫切需求无胶蜂窝板。采用钎焊工艺组装的铝蜂窝板可以实现全金属的冶金结合，其力学性能不仅高于同规格的胶粘结构，同时完全克服了胶粘铝蜂窝板耐高温差、黏胶老化等缺陷。其特点为夹芯与面板为焊接结构，各连接部位为冶金结合，主要钎焊工艺为载气钎焊。但是对于含Mg的高强度铝蜂窝板，实际的载气钎焊过程受到了限制。
铝合金的钎焊方法主要有保护性气氛钎焊(CAB)和真空钎焊(VB)。一般情况下，高Mg合金采用真空钎焊(VB)；低Mg及不含Mg的合金采用保护性气氛钎焊(CAB)。真空钎焊的钎焊质量要优于载气钎焊，但保护性气氛钎焊的效率要远高于真空钎焊。对于高Mg含量的合金，Mg受热从芯材中蒸发出来，与合金表面的氧化铝发生反应，置换出氧，达到破除氧化膜的作用，故适合真空钎焊的铝合金有Mg含量较高的Al-Si合金(如4004、4104)。对于保护性气氛钎焊(CAB)，其钎焊过程中需要使用钎剂(氟化物)破除氧化膜，但是钎剂中的氟会和基体材料中的镁(Mg)反应生成MgF2、KMgF3、K2MgF4等化合物，这会导致钎剂熔点升高、失去活性。故适合CAB钎焊的铝合金有工业纯铝和Mg含量低的Al-Mn合金(如AA3003、AA3102、AA3005等)。
随着高铁和轨道交通、汽车、船舶及航空航天等领域轻量化的需求日趋强烈，热交换器领域要求开发出更轻更薄的可钎焊板材。由于钎焊板材厚度减薄，这就要求在相同载荷或受力条件下材料具有更高的强度，以防止材料在后续钎焊过程中发生变形而失效。Mg元素在Al中的最大溶解度可达18wt％，通常在铝中添加Mg以产生固溶或与其它元素形成第二相颗粒来提高钎焊板材的强度。但对于保护性气氛钎焊(CAB)的合金芯材，Mg与钎剂(如KAlF4)会发生反应，影响钎焊效果。基于Mg元素对合金强度的有利影响及CAB钎焊的优势，采用CAB钎焊高Mg的合金成为当前研究的新方向。
针对传统的铝结构板(如瓦楞结构)隔音、隔热、减震、吸能、电磁屏蔽等性能较差、传统的铝蜂窝胶粘结构存在连接强度低、耐温性差、黏胶老化开裂、遇火灾释放有毒气体等缺点，以及传统的以3003等合金为芯材的合金板，钎焊后合金强度较低，不能提高铝蜂窝板的强度等问题，考虑向合金中添加Mg元素以显著提高合金强度。
但是高Mg合金钎焊过程中，Mg易与钎剂反应而恶化钎焊效果，对母材或钎料中的镁含量应控制在0.3％以下，因此高Mg合金不适用于载气钎焊，而真空钎焊的生产效率又极低。这极大限制了含Mg铝合金的使用。
因此，为了使得含Mg合金板材可通过载气钎焊与其他零部件连接，从而提高钎焊效率，保证焊接形成的铝蜂窝结构板具有高的连接强度、好的耐温性，避免胶粘结构黏胶老化开裂、遇火灾释放有毒气体等问题，有待开发一种新的铝蜂窝结构板。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种用于载气钎焊的铝蜂窝结构板及制作方法，使得铝蜂窝结构板抗压、抗弯强度大，同时保持质轻、隔音、隔热、减震、吸能、电磁屏蔽等优异性能，更具有高的强度和刚度，且可通过载气钎焊形成，制作效率高，并避免了黏胶老化开裂、遇火灾释放有毒气体等问题。
本发明的铝蜂窝结构板，包括上铝合金板、铝蜂窝和下铝合金板，其特征在于，所述上铝合金板与下铝合金板均包括芯材、位于芯材两侧的中间层和位于一侧所述中间层外的皮材，所述芯材为6系铝硅镁合金，所述中间层为3系铝锰合金，所述皮材为4系铝硅合金。
上述的铝蜂窝结构板，所述铝蜂窝由支撑强化层与位于所述支撑强化层两侧的包覆层复合形成的板材制成。
上述的铝蜂窝结构板，所述铝蜂窝的支撑强化层为3系铝合金，所述包覆层为4系铝合金。
上述的铝蜂窝结构板，所述芯材为6A02铝合金，所述中间层为3003铝合金，所述皮材为4045铝合金。
上述的铝蜂窝结构板，所述铝蜂窝结构板通过保护性气氛钎焊焊接而成。
上述的铝蜂窝结构板，所述上铝合金板与所述下铝合金板的厚度均为0.8-1.5mm。
本发明提供上述铝蜂窝结构板的制作方法，所述方法包括：将上铝合金板、铝蜂窝和下铝合金板采用保护性气氛钎焊焊接为所述铝蜂窝结构板。
上述的方法，所述上铝合金板与所述下铝合金板的制作方法均包括：将所述芯材、位于所述芯材两侧的中间层、皮材层叠后经过热轧、冷轧和退火，复合得到所述上铝合金板与所述下铝合金板。
上述的方法，所述铝蜂窝的板材制作方法包括：将所述支撑强化层、位于所述支撑强化层两侧的包覆层层叠后经过热轧、冷轧和退火，复合得到所述板材。
本发明的技术方案，使得铝蜂窝结构板抗压、抗弯强度大，同时保持质轻、隔音、隔热、减震、吸能、电磁屏蔽等优异性能，更具有高的强度和刚度，且可通过载气钎焊形成，制作效率高，并避免了黏胶老化开裂、遇火灾释放有毒气体等问题。
附图说明
图1是本发明铝蜂窝结构板的上铝合金板与铝蜂窝及下铝合金板分开的结构示意图；
图2是本发明上铝合金板或下铝合金板的复合结构示意图；
图3是本发明铝蜂窝的复合结构示意图；
图4是本发明铝蜂窝钎焊的流程结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式进行更加详细的说明，以便能够更好地理解本发明的方案以及其各个方面的优点。然而，以下描述的具体实施方式和实施例仅是说明的目的，而不是对本发明的限制。
本发明的一种用于载气钎焊的(CAB)的高强度铝蜂窝结构板如图1所示。铝蜂窝结构板包括上铝合金板1、铝蜂窝2和下铝合金板3，铝蜂窝2与上铝合金板1及下铝合金板3均通过钎焊工艺实现冶金结合。
上铝合金板1与所述下铝合金板3的厚度均为0.8-1.5mm。
上铝合金板1或下铝合金板3的复合结构如图2所示。包括芯材12、位于芯材12两侧的中间层13、11和位于一侧所述中间层13外的皮材14，所述芯材12为6系铝硅镁合金，所述中间层13、11为3系铝锰合金，所述皮材14为4系铝硅合金。
基于各系材料在本发明中体现的作用类似，因而本发明的实施例仅取代表材料为例进行说明。
芯材12的材料取为6A02，其成分为：Si 0.5-1.2；Fe 0.5max；Cu 0.2-0.6Mn 0.1-0.35；Mg 0.45-0.9；Zn 0.2max；Ti 0.15max；其余为Al。其作为铝蜂窝板主要的强化层，芯材12在热加工、热处理和后续钎焊过程中，会形成Mg2Si、α-AlMnSi等细小第二相，产生明显的析出强化作用，从而较大程度地提高铝合金复合板材钎焊后的强度。芯材12两侧采用中间层3003材料层包覆，3003中间层13、11的存在可避免Mg在钎焊过程中蒸发出来影响钎焊，使得含Mg合金板材可用载气钎焊与其他零部件连接。皮材14为4045合金，皮材14熔化后与铝蜂窝2结构实现冶金结合。本发明的上铝合金板1或下铝合金板3成分如表1所示，合金的实测成分均在标准范围之内。
表1合金板成分
所述铝蜂窝的支撑强化层为3系铝合金，所述包覆层为4系铝合金。
铝蜂窝2的结构板如图3所示。其中，本实施例的芯材取为3003Mod(在3003合金基础上改进的合金)，主要合金成分为：1.1-1.6Mn、0.6-1.0Si、0.4-0.8Cu、0.3-0.7Fe、0.05-0.2Ti，其作为铝蜂窝结构的支撑强化层22。3003Mod两侧包覆4343合金包覆层21、23，其主要作用为使铝蜂窝2的合金板能搭接钎焊成蜂窝结构。铝蜂窝2由合金板材制成蜂窝结构时也是通过钎焊完成，即把各层合金板成型为一定的蜂窝边形状，再把各层具有蜂窝形状的合金板材通过搭接面20钎焊为一体，钎焊流程示意图如图4所示。
与传统的铝结构板(如瓦楞结构)相比，铝蜂窝结构板密度小、抗压、抗弯强度大，板材承受的侧、垂向压力以及剪切力不受方向的限制，受力均匀；该结构具有质轻、隔音、隔热、减震、吸能、电磁屏蔽等优异性能，同时也具有了更高的强度和刚度。
铝蜂窝板采用钎焊的工艺组装可以实现全金属的冶金结合，其力学性能不仅高于同规格的胶粘结构，还可以克服胶粘铝蜂窝板耐高温差、黏胶老化等缺陷。
采用可热处理强化的6系合金如6A02合金作为热交换器用铝合金复合板材，使其作为主要的强化层，在热加工、热处理和后续钎焊过程中，会形成Mg2Si、α-AlMnSi等细小第二相，产生明显的析出强化作用，从而较大程度地提高了铝合金复合板材焊接后的强度，与合金自身焊前屈服强度相比，焊后屈服强度可提高20～50MPa左右。蜂窝板芯材6A02被2层3系合金如3003合金中间层包覆，中间层的存在可避免6A02中的Mg在钎焊过程中蒸发出来影响钎焊，使得含Mg合金板材可通过载气钎焊与其他零部件连接，从而大大提高了钎焊效率。
实施例1
本发明的一种用于载气钎焊的高强度铝蜂窝结构板如图1所示，铝蜂窝结构板包括上铝合金板1、铝蜂窝2和下铝合金板3，铝蜂窝2与上铝合金板1及下铝合金板3均通过钎焊工艺实现冶金结合。本实施例上铝合金板1厚度为1.5mm、下铝合金板3厚度为0.8mm，铝蜂窝2的板材厚度为0.18mm，蜂窝结构板总高22mm。本实施例的上铝合金板1及下铝合金板3的具体生产工艺流程如表2所示，铝蜂窝2的具体生产工艺流程如表3所示，不同结构板的性能测试如表4所示。
表2上铝合金板1及下铝合金板3生产工艺流程
表3蜂窝翅片生产工艺流程
表4不同结构板性能分析(100x100mm2)
| 序号 | 性能 | 胶粘瓦楞板 | 胶粘蜂窝板 | 焊接蜂窝板 |
| 1 | 蜂窝数量 | -- | 280.9 | 280.9 |
| 2 | 单位面积重量Kg/m2 | 30.1 | 14.2 | 12.7 |
| 3 | 抗拉强度MPa | 3.0 | 3.5 | 8.0 |
| 4 | 抗压强度MPa | 4.1 | 4.7 | 7.2 |
| 5 | 剥离强度N.m/m | 35 | 50 | 200 |
| 6 | 使用寿命/年 | 6-10 | 6-10 | 30 |
| 7 | 耐温性/℃ | 200 | 200 | 577 |
从表4可看出，该种尺寸的铝蜂窝结构板的抗拉强度比传统的胶粘瓦楞板或胶粘蜂窝板提高了1倍多，抗压强度提高了百分之五十多，其它性能如剥离强度、使用寿命、耐温性等都有显著提高，而单位面积重量却减小了。
实施例2
本发明的一种用于载气钎焊的高强度铝蜂窝结构如图1所示，铝蜂窝结构板包括上铝合金板1、铝蜂窝2和下铝合金板3，铝蜂窝2与上铝合金板1及下铝合金板3均通过钎焊工艺实现冶金结合。本实施例上铝合金板1和下铝合金板3的厚度均为1.2mm，铝蜂窝2的板材厚度为0.18mm，蜂窝结构板总高22mm。本实施例的上铝合金板1及下铝合金板3具体生产工艺流程如表5所示，铝蜂窝2的具体生产工艺流程如表6所示，不同结构板性能测试如表7所示。
表5上铝合金板1及下铝合金板3生产工艺流程
表6蜂窝翅片生产工艺流程
表7不同结构板性能分析(100x100mm2)
| 序号 | 性能 | 胶粘瓦楞板 | 胶粘蜂窝板 | 焊接蜂窝板 |
| 1 | 蜂窝数量 | -- | 60.13 | 60.13 |
| 2 | 单位面积重量Kg/m2 | 20.8 | 9.8 | 8.79 |
| 3 | 抗拉强度MPa | 3.2 | 3.8 | 7.8 |
| 4 | 抗压强度MPa | 4.5 | 4.8 | 7.1 |
| 5 | 剥离强度N.m/m | 35 | 50 | 200 |
| 6 | 使用寿命/年 | 6-10 | 6-10 | 30 |
| 7 | 耐温性/℃ | 200 | 200 | 577 |
从表7可看出，该种尺寸的铝蜂窝结构板的抗拉强度比传统的胶粘瓦楞板或胶粘蜂窝板提高了1倍多，抗压强度提高了百分之五十多，其它性能如剥离强度、使用寿命、耐温性等都有显著提高，而单位面积重量却减小了。
实施例3
本发明的一种用于载气钎焊的高强度铝蜂窝结构如图1所示，铝蜂窝结构板包括上铝合金板1、铝蜂窝2和下铝合金板3，铝蜂窝2与上铝合金板1及下铝合金板3均通过钎焊工艺实现冶金结合。本实施例上铝合金板1和下铝合金板3的厚度均为1.5mm，铝蜂窝2的板材厚度为0.18mm，蜂窝结构板总高22mm。本实施例的上铝合金板1及下铝合金板3具体生产工艺流程如表8所示，铝蜂窝2的具体生产工艺流程如表9所示，不同结构板性能测试如表10所示。
表8上铝合金板1及下铝合金板3生产工艺流程
表9蜂窝翅片生产工艺流程
表10不同结构板性能分析(100x100mm2)
| 序号 | 性能 | 胶粘瓦楞板 | 胶粘蜂窝板 | 焊接蜂窝板 |
| 1 | 蜂窝数量 | -- | 15.0 | 26.7 |
| 2 | 单位面积重量Kg/m2 | 19.1 | 9.0 | 8.1 |
| 3 | 抗拉强度/MPa | 2.1 | 2.9 | 7.1 |
| 4 | 抗压强度/MPa | 2.9 | 3.1 | 6.8 |
| 5 | 剥离强度N.m/m | 35 | 50 | 200 |
| 6 | 使用寿命/年 | 6-10 | 6-10 | 30 |
| 7 | 耐温性/℃ | 200 | 200 | 577 |
从表10可看出，该种尺寸的铝蜂窝结构板的抗拉强度比传统的胶粘瓦楞板或胶粘蜂窝板提高了1倍多，抗压强度提高了1倍多，其它性能如剥离强度、使用寿命、耐温性等都有显著提高，而单位面积重量却减小了。
实施例4：
本发明的一种用于载气钎焊的高强度铝蜂窝结构如图1所示，铝蜂窝结构板包括上铝合金板1、铝蜂窝2和下铝合金板3，铝蜂窝2与上铝合金板1及下铝合金板3均通过钎焊工艺实现冶金结合。本实施例上铝合金板1厚度为1.5mm、下铝合金板3厚度为0.8mm，铝蜂窝2的板材厚度为0.18mm，蜂窝结构板总高22mm。本实施例的上铝合金板1和下铝合金板3的具体生产工艺流程如表11所示，铝蜂窝2的具体生产工艺流程如表12所示，不同结构板性能测试如表13所示。
表11上铝合金板1及下铝合金板3生产工艺流程
表12蜂窝翅片生产工艺流程
表13不同结构板性能分析(100x100mm2)
| 序号 | 性能 | 胶粘瓦楞板 | 胶粘蜂窝板 | 焊接蜂窝板 |
| 1 | 蜂窝数量 | -- | 15.0 | 15.0 |
| 2 | 单位面积重量Kg/m2 | 18 | 8.5 | 7.6 |
| 3 | 抗拉强度MPa | 2.0 | 2.5 | 6 |
| 4 | 抗压强度MPa | 3.0 | 3.0 | 5.4 |
| 5 | 剥离强度N.m/m | 35 | 50 | 200 |
| 6 | 使用寿命/年 | 6-10 | 6-10 | 30 |
| 7 | 耐温性/℃ | 200 | 200 | 577 |
从表13可看出，该种尺寸的铝蜂窝结构板的抗拉强度比传统的胶粘瓦楞板或胶粘蜂窝板提高了1倍多，抗压强度提高了百分之八十左右，其它性能如剥离强度、使用寿命、耐温性等都有显著提高，而单位面积重量却减小了。
实施例中铝蜂窝结构板采用保护气氛钎焊的工艺组装，可以实现全金属的冶金结合，克服了胶粘铝蜂窝板耐高温差、黏胶老化等缺陷，抗拉强度、耐温性及使用寿命等均有大幅度的提升。
Mg元素的加入提高了铝蜂窝板结构的强度；同时，以6A02为代表的芯材的合金板，焊后屈服强度得到了极大的提高(提高20～50MPa左右左右)。
铝蜂窝板芯材6A02两侧被3003为代表的3系合金中间层包覆，3003中间层可避免Mg在钎焊过程中蒸发出来影响钎焊。该结构使含Mg铝材可用载气钎焊，大大提高了钎焊效率。
总之，从上述实施例可看出，铝板组装结构采用蜂窝结构，除了具有质轻、隔音、隔热、减震、吸能、电磁屏蔽等优异性能，也具有了更高的强度和刚度。
最后应说明的是：显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。
Claims (9)
1.一种用于载气钎焊的铝蜂窝结构板，其包括上铝合金板、铝蜂窝和下铝合金板，其特征在于，所述上铝合金板与下铝合金板均包括芯材、位于芯材两侧的中间层和位于一侧所述中间层外的皮材，所述芯材为6系铝硅镁合金，所述中间层为3系铝锰合金，所述皮材为4系铝硅合金。
2.如权利要求1所述的铝蜂窝结构板，其特征在于，所述铝蜂窝由支撑强化层与位于所述支撑强化层两侧的包覆层复合形成的板材制成。
3.如权利要求2所述的铝蜂窝结构板，其特征在于，所述铝蜂窝的支撑强化层为3系铝合金，所述包覆层为4系铝合金。
4.如权利要求1所述的铝蜂窝结构板，其特征在于，所述芯材为6A02铝合金，所述中间层为3003铝合金，所述皮材为4045铝合金。
5.如权利要求1所述的铝蜂窝结构板，其特征在于，所述铝蜂窝结构板通过保护性气氛钎焊焊接而成。
6.如权利要求1所述的铝蜂窝结构板，其特征在于，所述上铝合金板与所述下铝合金板的厚度均为0.8-1.5mm。
7.如权利要求1至6任一项所述铝蜂窝结构板的制作方法，其特征在于，所述方法包括：将上铝合金板、铝蜂窝和下铝合金板采用保护性气氛钎焊焊接为所述铝蜂窝结构板。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述上铝合金板与所述下铝合金板的制作方法均包括：
将所述芯材、位于所述芯材两侧的中间层、皮材层叠后经过热轧、冷轧和退火，复合得到所述上铝合金板与所述下铝合金板。
9.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述铝蜂窝的板材制作方法包括：
将所述支撑强化层、位于所述支撑强化层两侧的包覆层层叠后经过热轧、冷轧和退火，复合得到所述板材。
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