CN109500485A - 一种金属泡沫铝夹芯材料、加工方法及加工装置 - Google Patents

一种金属泡沫铝夹芯材料、加工方法及加工装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种金属泡沫铝夹芯材料、加工方法及加工装置。所述的金属泡沫铝夹芯材料的加工方法，其特征在于，所述的金属泡沫铝夹芯材料通过泡沫铝板材与面板材料叠加而成，在所述金属泡沫铝夹芯材料的面板材料与泡沫铝材料的界面处进行搅拌摩擦加工；所述的搅拌摩擦加工的参数为：旋转速度为300～1180rpm，前进速度为30～120mm/min，压下量为0.2～0.3mm，道次偏移量为4～8mm。本方法不仅具有工艺简单、可控性强及成品率高的特点，可实现流水作业、规模化生产；还可通过本方法获得成本低廉，效率高，可控性好，抗弯、抗冲击性能好，吸声、隔声性能优异的泡沫铝夹芯材料，对指导工业化生产泡沫铝夹芯材料具有重要的参考价值。

Description

一种金属泡沫铝夹芯材料、加工方法及加工装置
技术领域
本发明属于结构复合材料制备技术领域，具体涉及一种金属泡沫铝夹芯材料、加工方法及加工装置。
背景技术
泡沫铝夹芯材料具有密度低、比刚度高、能量吸收好、阻尼特性优良、绝热、隔音性能佳等优点，被广泛应用于航空、航天、船舶、交通运输等领域。如飞机的机身、机翼以及尾翼，船的船板，公共汽车车身、有轨电车车身。
目前，泡沫铝夹芯材料制备方法主要有胶粘、钎焊和前驱体发泡法。但采用上述方法制备泡沫铝夹芯材料均存在诸多问题。比如，胶粘法制备的泡沫铝夹芯材料无法在高温条件下(>200℃)服役；在钎焊法制备泡沫铝夹芯材料过程中，会引入钎料，容易导致泡沫铝夹芯层和面板与钎料之间发生不良的界面反应，生成脆性金属间化合物；前驱体发泡法不仅工艺复杂，而且制备的泡沫铝夹芯材料尺寸较小。因此，针对传统方法制备的泡沫铝夹芯材料，无法在高温下服役，或引入其它材料，发生不良的界面反应，造成性能严重下降等问题，急需开发一种制备泡沫铝夹芯材料及新方法，以获得界面结合好、无不良界面反应，同时具有较高抗弯、抗冲击和优良的吸声、隔声性能的泡沫铝夹芯材料。
发明内容
为了克服上述技术存在的缺陷和不足，本发明的目的是提供一种金属泡沫铝夹芯材料、加工方法及加工装置，以解决传统泡沫铝夹芯材料制备方法的瓶颈问题，获得成本低廉，效率高，可控性好，抗弯、抗冲击性能好，吸声、隔声性能优异的泡沫铝夹芯材料。
为了实现上述目的，本发明的技术方案为：
一种金属泡沫铝夹芯材料的加工方法，所述的金属泡沫铝夹芯材料以泡沫铝为芯材，金属板材为面板材料的三明治结构，在所述金属泡沫铝夹芯材料的面板材料与芯材的界面处进行搅拌摩擦加工；
所述的搅拌摩擦加工的参数为：旋转速度为300～1180rpm，前进速度为30～120mm/min，压下量为0.2～0.3mm，道次偏移量为4～8mm。
可选的，所述的泡沫铝板材为闭孔泡沫铝板材；
所述的闭孔泡沫铝板材宽为100～2000mm，长为100～3000mm，厚为2～50mm。
可选的，所述的面板材料包括铝、镁、钢、钛或铜；
所述的金属面板材料宽为100～2000mm，长为100～3000mm，厚为1～8mm。
可选的，所述的搅拌摩擦加工路线为蛇形或漩涡形。
可选的，在搅拌摩擦加工过程中，两条相邻平行的加工轴线之间的距离为加工装置搅拌针的直径。
可选的，所述的面板材料和芯材在加工前均用砂纸对其表面进行打磨。
可选的，具体包括：选用6061铝合金板材、Q235钢板、AZ31镁合金板和TA1钛合金板为面板材料，孔隙率为65％～75％，孔隙平均直径为2～5mm的泡沫铝板材；然后在面板材料与泡沫铝材料的界面处进行搅拌摩擦加工；搅拌摩擦加工参数为：旋转速度为750rpm，前进速度为35mm/min，压下量为0.2mm，道次偏移量为6mm；旋转速度为300rpm，前进速度为30mm/min，压下量为0.2mm，道次偏移量为5mm；旋转速度为1180rpm，前进速度为60mm/min，压下量为0.3mm，道次偏移量为5mm；旋转速度为650rpm，前进速度为120mm/min，压下量为0.3mm，道次偏移量为4mm。
一种金属泡沫铝夹芯材料，所述的金属泡沫铝夹芯材料采用本发明所述的金属泡沫铝夹芯材料的加工方法制得，具体包括：泡沫铝板材的两面与面板材料接触，均采用搅拌摩擦加工制得泡沫铝夹芯材料。
一种金属泡沫铝夹芯材料的加工装置，所述的加工装置实现本发明所述的金属泡沫铝夹芯材料的加工方法，包括依次连接的轴肩和搅拌针，所述的轴肩和搅拌针均为圆柱型，所述的轴肩直径为10～20mm，所述的搅拌针直径为4～8mm，长度为1～8mm。
可选的，所述的轴肩为马氏体不锈钢轴肩、中碳钢轴肩、高碳钢轴肩、工具钢轴肩或高温合金轴肩，所述的搅拌针为马氏体不锈钢搅拌针、中碳钢搅拌针、高碳钢搅拌针、工具钢搅拌针或高温合金搅拌针。
本发明的优点：
1、本发明充分克服了传统制作泡沫铝夹芯材料方法的缺点，使用搅拌摩擦加工方法使面板材料与芯部泡沫铝材料结合良好，抑制了面板材料与泡沫铝材料之间金属间化合物的产生，使夹芯材料的强度得以保证，而且避免了因材料工作温度的变化而导致的失效，同时也可以生产较大尺寸规格的泡沫铝板。
2、本发明利用搅拌摩擦加工过程中的摩擦加热、塑化、挤压、搅拌作用，将面板材料和泡沫铝板紧密结合，从而得到泡沫铝夹芯材料。这种制备泡沫铝的方法不仅工艺简单、可控性强和成品率高，而且可实现流水作业，规模化生产，对指导工业化生产泡沫铝夹芯材料具有重要的参考价值。
附图说明
图1是一种金属泡沫铝夹芯材料、加工方法、加工装置及其应用的工艺流程图；
图2是一种金属泡沫铝夹芯材料、加工方法、加工装置及其应用的加工装置结构示意图；
图3是实施例1中一种金属泡沫铝夹芯材料的加工方法制备的金属铝泡沫铝夹芯材料的抗弯强度的对比图；
图4是实施例1中一种金属泡沫铝夹芯材料的加工方法制备的金属铝泡沫铝夹芯材料的吸声系数(a)和隔声指数(b)随频率的变化规律图；
图5是实施例2中一种金属泡沫铝夹芯材料的加工方法制备的金属钢泡沫铝夹芯材料的抗弯强度的对比图；
图6是实施例2中一种金属泡沫铝夹芯材料的加工方法制备的金属钢泡沫铝夹芯材料的吸声系数(a)和隔声指数(b)随频率的变化规律图；
图7是实施例3中一种金属泡沫铝夹芯材料的加工方法制备的金属镁泡沫铝夹芯材料的抗弯强度的对比图；
图8是实施例4中一种金属泡沫铝夹芯材料的加工方法制备的金属镁泡沫铝夹芯材料的抗弯强度的对比图。
具体实施方式
本发明的金属泡沫铝夹芯材料为：以泡沫铝为芯材，金属板材为面板材料形成的三明治结构，对金属泡沫铝夹芯材料的面板材料与芯材的界面处进行搅拌摩擦加工；此处的界面处通常为金属板与泡沫铝贴合的部位，最好是两者贴合后向两种材料层延伸的一定距离的部位，比如，在进行搅拌摩擦焊加工过程中，搅拌针是从金属板面进行加工，搅拌针同时接触金属板和部分厚度的泡沫铝，利用搅拌摩擦加工过程中的摩擦加热、塑化、挤压、搅拌作用，将面板材料和泡沫铝板紧密结合，从而得到泡沫铝夹芯材料；搅拌摩擦加工的参数为：旋转速度为300～1180rpm，前进速度为30～120mm/min，压下量为0.2～0.3mm，道次偏移量为4～8mm。
本发明在制备金属泡沫铝夹芯材料时的原料选择及预处理、加工装置的原料选择和加工参数设置具体为：
原料选择及预处理：金属泡沫铝夹芯材料的面板材料，为可进行搅拌摩擦加工的材料，如常见的铝、镁、钢、钛、铜等，尺寸为(100～2000)×(100～3000)×(1～8)mm(宽×长×厚)；金属泡沫铝夹芯材料的芯材为闭孔泡沫铝板材，尺寸为(100～2000)×(100～3000)×(2～50)mm(宽×长×厚)，孔隙率为65％～75％，孔隙平均直径为2～5mm；加工前利用砂纸对铝板进行表面打磨，使表面的粗糙度Ra≤10μm，并用丙酮清洗打磨后的表面，除去铝板表面的油污、氧化物和杂质并烘干。
加工装置的原料选择：加工装置的材质主要是马氏体不锈钢、中碳钢、高碳钢、工具钢、高温合金，加工装置包括依次连接的轴肩和搅拌针，所述的轴肩和搅拌针均为圆柱型，轴肩直径为10～20mm，圆柱型搅拌针直径为4～8mm，长度为1～8mm。
加工装置加工参数设置：搅拌摩擦加工的旋转速度为300～1180rpm，前进速度为30～120mm/min，压下量为0.2～0.3mm，道次偏移量为4～8mm。
结合图1的工艺流程图和图2的加工装置设置，本发明的具体方案如下：
将清洗后的面板材料置于泡沫铝板之上，使面板材料和泡沫铝板完全重合，并用夹具夹装于工作台上；在面板材料表面进行多道次全覆盖呈现“蛇形或漩涡形”搅拌摩擦加工，使两条相邻平行的加工轴线之间的距离为加工装置搅拌针直径；将加工后的面板材料与泡沫铝板整体翻面，使泡沫铝板一面朝上；在整体翻面的面板材料与泡沫铝板上再放置一块相同规格的面板材料，再次进行多道次全覆盖呈现“蛇形或漩涡形”搅拌摩擦加工，即制得泡沫铝夹芯材料结构。
以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
实施例1：
该实施例是以6061铝合金为面板材料，以闭孔泡沫铝为芯材制备泡沫铝夹芯材料的过程。具体步骤如下：
原料选择及预处理：取两块150mm×140mm×3mm的6061铝合金板材与150mm×140mm×5mm，孔隙率为72％，孔隙平均直径为3mm的泡沫铝板材；用砂纸对铝板进行表面打磨，使表面的粗糙度Ra≤10μm，并用丙酮清洗打磨后的表面，除去铝板表面的油污、氧化物和杂质并烘干。
加工装置的原料选择：加工装置材质为钨系高速钢(W18Cr4V)，轴肩直径为18mm，圆柱型搅拌针直径为6mm，长度为3mm；
加工参数设置：搅拌摩擦加工的旋转速度为750rpm，前进速度为35mm/min，压下量为0.2mm，道次偏移量为6mm。
具体方案：
将清洗后的6061铝合金板置于泡沫铝板之上，使6061铝合金和泡沫铝板完全重合，并用夹具夹装于工作台上；在6061铝合金板表面进行多道次全覆盖呈现“蛇形”搅拌摩擦加工，使两条相邻平行的加工轴线之间的距离为加工装置搅拌针直径；将加工后的6061铝合金板与泡沫铝板整体翻面，使泡沫铝板一面朝上；在整体翻面的6061铝合金板与泡沫铝板上再放置一块相同规格的6061铝合金板，再次进行多道次全覆盖“蛇形”搅拌摩擦加工，即制得泡沫铝夹芯材料结构。
实施例1成功实现了以6061铝合金为面板材料和以闭孔泡沫铝为芯材制备泡沫铝夹芯材料的制备过程。如图3所示，制得的泡沫铝夹芯材料的弯曲载荷为691N，介于6061铝面板(925N)和泡沫铝(62N)两者之间。如图4所示，泡沫铝夹芯材料的平均吸声系数(a)和隔声指数(b)分别为0.357、65.82dB，分别高于6061铝合金面板(0.223、61.19dB)和泡沫铝板(0.251、50.70dB)对应的指标。表明该方法制得的泡沫铝夹芯材料具有良好的吸声和隔声性能，完全满足工程应用的要求。
实施例2：
该实例是以常见的Q235钢板为面板材料，以闭孔泡沫铝为芯材制备泡沫铝夹芯材料的过程。具体步骤如下：
原料选择及预处理：取两块150mm×140mm×3mm的Q235钢板与150mm×140mm×5mm，孔隙率为72％，孔隙平均直径为3mm的泡沫铝板材；用砂纸对钢板进行表面打磨，使表面的粗糙度Ra≤10μm，并用丙酮清洗打磨后的表面，除去钢板表面的油污、氧化物和杂质并烘干。
加工装置的原料选择：加工装置材质为XF20T钨钢，轴肩直径为15mm，圆柱型搅拌针直径为5mm，长度为3mm；
加工参数设置：搅拌摩擦加工的旋转速度为300rpm，前进速度为30mm/min，压下量为0.2mm，道次偏移量为5mm；
具体方案：
将清洗后的Q235钢板置于泡沫铝板之上，使Q235钢板和泡沫铝板完全重合，并用夹具夹装于工作台上；在Q235钢板表面进行多道次全覆盖呈现“蛇形”搅拌摩擦加工，使两条相邻平行的加工轴线之间的距离为加工装置搅拌针直径；将加工后的Q235钢板与泡沫铝板整体翻面，使泡沫铝板一面朝上；在整体翻面的Q235钢板与泡沫铝板上再放置一块相同规格的Q235钢板，再次进行多道次全覆盖“蛇形”搅拌摩擦加工，即制得泡沫铝夹芯材料结构。
实施例2成功实现了以Q235钢板为面板材料和以闭孔泡沫铝为芯材制备泡沫铝夹芯材料的制备过程。如图5所示，制得的泡沫铝夹芯材料的弯曲载荷为1326N，介于Q235钢板(1473N)和泡沫铝板(62N)的弯曲载荷之间。如图6所示，泡沫铝夹芯材料的平均吸声系数(a)和隔声指数(b)分别为0.399、68.95dB，分别高于Q235钢板板(0.223、62.85dB)和泡沫铝板(0.228、61.19dB)对应的指标。表明该方法制得的泡沫铝夹芯材料具有良好的吸声和隔声性能，完全满足工程应用的要求。
实施例3：
该实施例是以AZ31镁合金板为面板材料，以闭孔泡沫铝为芯材制备泡沫铝夹芯材料的过程。具体步骤如下：
原料选择及预处理：取两块150mm×140mm×4mm的AZ31镁合金与150mm×140mm×6mm，孔隙率为75％，孔隙平均直径为5mm的泡沫铝板材；用砂纸对镁合金板进行表面打磨，使表面的粗糙度Ra≤10μm，并用丙酮清洗打磨后的表面，除去镁合金板表面的油污、氧化物和杂质并烘干。
加工装置的原料选择：加工装置材质为钨系高速钢(W18Cr4V)，轴肩直径为16mm，圆柱型搅拌针直径为5mm，长度为4mm；
加工参数设置：搅拌摩擦加工的旋转速度为1180rpm，前进速度为60mm/min，压下量为0.3mm，道次偏移量为5mm；
具体方案：
将清洗后的AZ31镁合金板置于泡沫铝板之上，使AZ31镁合金板和泡沫铝板完全重合，并用夹具夹装于工作台上；在AZ31镁合金板表面进行多道次全覆盖呈现“漩涡形”搅拌摩擦加工，使两条相邻平行的加工轴线之间的距离为加工装置搅拌针直径；将加工后的AZ31镁合金板与泡沫铝板整体翻面，使泡沫铝板一面朝上；在整体翻面的AZ31镁合金板与泡沫铝板上再放置一块相同规格的AZ31镁合金板，再次进行多道次全覆盖“漩涡形”搅拌摩擦加工，即制得泡沫铝夹芯材料结构。
实施例3成功实现了以AZ31镁合金板为面板材料和以闭孔泡沫铝为芯材制备泡沫铝夹芯材料的制备过程。如图7所示，制得的泡沫铝夹芯材料的弯曲载荷为793N，介于AZ31镁合金板(829N)和泡沫铝板(62N)两者之间。表明该方法制得的泡沫铝夹芯材料具有良好的弯曲强度，完全满足工程应用的要求。
实施例4：
该实施例是以TA1钛为面板材料，以闭孔泡沫铝为芯材制备泡沫铝夹芯材料的过程。具体步骤如下：
原料选择及预处理：取两块150mm×140mm×2mm的TA1钛与150mm×140mm×6mm，孔隙率为65％，孔隙平均直径为3mm的泡沫铝板材；用砂纸对钛合金表面进行表面打磨，使表面的粗糙度Ra≤10μm，并用丙酮清洗打磨后的表面，除去钛合金板表面的油污、氧化物和杂质并烘干。
加工装置的原料选择：加工装置材质为XF20T钨钢，轴肩直径为10mm，圆柱型搅拌针直径为4mm，长度为2mm；
加工参数设置：搅拌摩擦加工的旋转速度为650rpm，前进速度为120mm/min，压下量为0.3mm，道次偏移量为4mm；
具体方案：
将清洗后的TA1钛板置于泡沫铝板之上，使TA1钛板和泡沫铝板完全重合，并用夹具夹装于工作台上；在TA1钛板表面进行多道次全覆盖呈现“蛇形”搅拌摩擦加工，使两条相邻平行的加工轴线之间的距离为加工装置搅拌针直径；将加工后的TA1钛板与泡沫铝板整体翻面，使泡沫铝板一面朝上；在整体翻面的TA1钛板与泡沫铝板上再放置一块相同规格的TA1钛板，再次进行多道次全覆盖“蛇形”搅拌摩擦加工，即制得泡沫铝夹芯材料结构。
实施例4成功实现了以TA1钛板为面板材料和以闭孔泡沫铝为芯材制备泡沫铝夹芯材料的制备过程。如图8所示，制得的泡沫铝夹芯材料的弯曲载荷为1327N，介于TA1钛板(1532N)和泡沫铝板(62N)的弯曲载荷之间。表明该方法制得的泡沫铝夹芯材料具有良好的弯曲强度，完全满足工程应用的要求。
上述实施例，只是本发明的较佳实施例，并非用来限制本发明的实施范围，故凡以本发明权利要求所述内容所做的等同变化，均应包括在本发明权利要求范围之内。

Claims (10)

1.一种金属泡沫铝夹芯材料的加工方法，其特征在于，所述的金属泡沫铝夹芯材料以泡沫铝为芯材，金属板材为面板材料的三明治结构，在所述金属泡沫铝夹芯材料的面板材料与芯材的界面处进行搅拌摩擦加工；
所述的搅拌摩擦加工的参数为：旋转速度为300～1180rpm，前进速度为30～120mm/min，压下量为0.2～0.3mm，道次偏移量为4～8mm。
2.如权利要求1所述的金属泡沫铝夹芯材料的加工方法，其特征在于，所述的泡沫铝板材为闭孔泡沫铝板材；
所述的闭孔泡沫铝板材宽为100～2000mm，长为100～3000mm，厚为2～50mm。
3.如权利要求1所述的金属泡沫铝夹芯材料的加工方法，其特征在于，所述的面板材料包括铝、镁、钢、钛或铜；
所述的金属面板材料宽为100～2000mm，长为100～3000mm，厚为1～8mm。
4.如权利要求1所述的金属泡沫铝夹芯材料的加工方法，其特征在于，所述的搅拌摩擦加工路线为蛇形或漩涡形。
5.如权利要求4所述的金属泡沫铝夹芯材料的加工方法，其特征在于，在搅拌摩擦加工过程中，两条相邻平行的加工轴线之间的距离为加工装置搅拌针的直径。
6.如权利要求1所述的金属泡沫铝夹芯材料的加工方法，其特征在于，所述的面板材料和芯材在加工前均用砂纸对其表面进行打磨。
7.如权利要求1所述的金属泡沫铝夹芯材料的加工方法，其特征在于，具体包括：选用6061铝合金板材、Q235钢板、AZ31镁合金板和TA1钛合金板为面板材料，孔隙率为65％～75％，孔隙平均直径为2～5mm的泡沫铝板材；然后在面板材料与泡沫铝材料的界面处进行搅拌摩擦加工；搅拌摩擦加工参数为：旋转速度为750rpm，前进速度为35mm/min，压下量为0.2mm，道次偏移量为6mm；旋转速度为300rpm，前进速度为30mm/min，压下量为0.2mm，道次偏移量为5mm；旋转速度为1180rpm，前进速度为60mm/min，压下量为0.3mm，道次偏移量为5mm；旋转速度为650rpm，前进速度为120mm/min，压下量为0.3mm，道次偏移量为4mm。
8.一种金属泡沫铝夹芯材料，其特征在于，所述的金属泡沫铝夹芯材料采用权利要求1～7所述的金属泡沫铝夹芯材料的加工方法制得，具体包括：泡沫铝板材的两面与面板材料接触，均采用搅拌摩擦加工制得泡沫铝夹芯材料。
9.一种金属泡沫铝夹芯材料的加工装置，其特征在于，所述的加工装置实现权利要求1～7所述的金属泡沫铝夹芯材料的加工方法，包括依次连接的轴肩和搅拌针，所述的轴肩和搅拌针均为圆柱型，所述的轴肩直径为10～20mm，所述的搅拌针直径为4～8mm，长度为1～8mm。
10.如权利要求9所述的金属泡沫铝夹芯材料的加工装置，其特征在于，所述的轴肩为马氏体不锈钢轴肩、中碳钢轴肩、高碳钢轴肩、工具钢轴肩或高温合金轴肩，所述的搅拌针为马氏体不锈钢搅拌针、中碳钢搅拌针、高碳钢搅拌针、工具钢搅拌针或高温合金搅拌针。
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