釬焊鋁蜂窩板在裝備制造領(lǐng)域中的應(yīng)用

譚淑芹 徐世興 陳亞斌

摘? 要：早在20世紀(jì)40年代，國外就在研究粘接鋁蜂窩復(fù)合材料，并成功在飛機(jī)上應(yīng)用。中國從20世紀(jì)60年代才開始研究和應(yīng)用。因此需要以一種新的制造方法來徹底改變其現(xiàn)有缺點(diǎn)，而釬焊法是取代膠粘法最理想的一種工藝方法，通過釬焊方法形成的接頭是冶金結(jié)合，其力學(xué)性能遠(yuǎn)高于膠粘材料。釬焊鋁蜂窩板是一種新型的輕金屬結(jié)構(gòu)復(fù)合材料，因其密度低，剛度高，性能穩(wěn)定，耐溫性強(qiáng)，加工性優(yōu)良等優(yōu)點(diǎn)得到了廣泛應(yīng)用，本文介紹了釬焊鋁蜂窩板的特點(diǎn)和應(yīng)用現(xiàn)狀。

關(guān)鍵詞：釬焊鋁蜂窩;復(fù)合材料;新型金屬結(jié)構(gòu)

中圖分類號：TB331? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

早在20世紀(jì)40年代，國外就在研究粘接鋁蜂窩復(fù)合材料，并成功在飛機(jī)上應(yīng)用。中國從20世紀(jì)60年代才開始研究和應(yīng)用。膠粘鋁蜂窩板因其重量輕、強(qiáng)度高、剛性大、穩(wěn)定性好、隔熱隔聲，在飛機(jī)、列車、船舶和建筑等領(lǐng)域中具有廣泛的使用前景。然而，其強(qiáng)度、使用壽命以及允許的工作環(huán)境在很大程度上受膠粘劑的性能所影響[1]。因此需要以一種新的制造方法來徹底改變其現(xiàn)有缺點(diǎn)，而釬焊法是取代膠粘法最理想的一種工藝方法，通過釬焊方法形成的接頭是冶金結(jié)合，其力學(xué)性能遠(yuǎn)高于膠粘材料。

1 釬焊鋁蜂窩原理

釬焊鋁蜂窩板是將鋁面板和鋁蜂窩芯通過釬焊工藝組合在一起的鋁蜂窩夾層結(jié)構(gòu)材料。該材料是將鋁蜂窩芯和鋁面板組合后置于釬焊爐中，在600℃左右的溫度場中一次性釬焊焊接而成。鋁蜂窩芯與鋁蜂窩芯之間，鋁蜂窩芯與面板之間的所有節(jié)點(diǎn)均為金屬連接，中間不添加任何諸如膠粘劑等非金屬材料。其中的鋁蜂窩芯是以一定厚度和寬度的鋁帶，經(jīng)波紋法成型，排列在一起呈正六邊形的焊接鋁蜂窩。

釬焊鋁蜂窩板在釬焊爐中的加熱溫度高于焊料熔融溫度而低于母材熔融溫度，即焊料熔融而母材不熔，過程中熔化的焊料在毛細(xì)吸引作用下浸潤填充在兩母材之間，并與母材相互溶解、擴(kuò)散、冷卻凝固后將兩母材焊接為一體[2]。這使釬焊鋁蜂窩板的性能大大改變，形成一種獨(dú)立的新型輕金屬結(jié)構(gòu)復(fù)合材料。

2 釬焊鋁蜂窩的特點(diǎn)

2.1 質(zhì)量輕

釬焊鋁蜂窩板因鋁蜂窩芯是由一定寬度和厚度的鋁帶經(jīng)過波紋法成型的正六邊形多孔結(jié)構(gòu)組成，實(shí)體截面積小，因此釬焊鋁蜂窩板的密度遠(yuǎn)小于材料本身的密度。（釬焊鋁蜂窩板厚度22 mm，鋁面板分別是1.0 mm、1.2 mm，鋁蜂窩芯的厚度是19.8 mm其面密度是8.7 kg/m2）。

2.2 節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度高

釬焊鋁蜂窩板中的節(jié)點(diǎn)都是通過釬焊焊接的方式連接在一起的，釬焊過程中母材不熔化，避免了熔焊過程中的晶粒長大、溶蝕等，按照GB/T1457—2005夾層結(jié)構(gòu)滾筒剝離強(qiáng)度試驗(yàn)方法，進(jìn)行試驗(yàn)釬焊蜂窩板的滾筒剝離強(qiáng)度一般大于200N·mm/mm，且蜂窩芯是呈撕裂狀態(tài)[3]。而同規(guī)格膠粘鋁蜂窩板的滾筒剝離強(qiáng)度一般80N·mm/mm，鋁面板與蜂窩芯在膠粘層剝離，其剝離強(qiáng)度取決于膠粘劑強(qiáng)度。

2.3 抗壓強(qiáng)度高

釬焊蜂窩板中鋁蜂窩芯可選用較厚的鋁帶，增大焊接面積，又因釬焊節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度高，正六邊形鋁蜂窩芯結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性強(qiáng)，即使過載壓縮變形仍可保持一定的承載力而不會出現(xiàn)壓潰現(xiàn)象，根據(jù)GB/T1453—2005夾層結(jié)構(gòu)或芯子 平壓性能試驗(yàn)方法，進(jìn)行試驗(yàn)平壓強(qiáng)度5.4 MPa[4]，而同規(guī)格膠粘鋁蜂窩板的平壓強(qiáng)度4.2 MPa。

2.4 抗拉強(qiáng)度高

釬焊蜂窩板中鋁蜂窩芯可選用較厚的鋁帶，增大焊接面積，又因釬焊節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度高，正六邊形鋁蜂窩芯結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性強(qiáng)，根據(jù)GB/T1452—2005夾層結(jié)構(gòu)或芯子 平拉性能試驗(yàn)方法，進(jìn)行試驗(yàn)抗拉強(qiáng)度6 MPa，釬焊鋁蜂窩板從鋁蜂窩芯處被拉裂，而同規(guī)格膠粘鋁蜂窩板的平壓強(qiáng)度2.6 MPa，膠粘鋁蜂窩板的鋁面板與鋁蜂窩芯從膠粘劑層拉裂。

2.5 優(yōu)良的抗沖擊性

釬焊鋁蜂窩板在受到外力沖擊時，因釬焊鋁蜂窩板是3層夾心結(jié)構(gòu)，其中的鋁蜂窩芯的強(qiáng)度小于面板的強(qiáng)度，且鋁蜂窩芯是有一定高度的六邊形多孔結(jié)構(gòu)，在釬焊鋁蜂窩板單面受到?jīng)_擊時，中間層的鋁蜂窩芯起到分解吸收沖擊能量的作用。而實(shí)體的材料受外力沖擊沒有緩沖動作，直接傳遞沖擊能量。2015年3月份，在動車組設(shè)備艙底蓋板研制時，（設(shè)備艙底蓋板的主要作用是為保護(hù)安裝在車底的設(shè)備以防車體運(yùn)行過程中被帶起的路基上的石子、砂礫擊穿而對設(shè)備造成破壞），采用釬焊鋁蜂窩板、鋁型材、碳纖維3種材質(zhì)的工件進(jìn)行500 g水泥球，以350 km/h的速度90°角沖擊試驗(yàn)，其中鋁型材和碳纖維材質(zhì)的樣件被水泥球擊穿，只有釬焊鋁蜂窩材質(zhì)的工件沒有被擊穿，試驗(yàn)證明釬焊鋁蜂窩板的性能最好，完全達(dá)到設(shè)計(jì)要求[6]。

2.6 耐溫性強(qiáng)

釬焊鋁蜂窩板是純鋁合金材料，產(chǎn) 品成型工藝溫度高達(dá)600℃。所以材料的耐溫性取決于鋁合金材料的耐溫性。按照EN1363—1：2012耐火測試通用要求做耐火試驗(yàn)，在50 mm厚的釬焊鋁蜂窩板單側(cè)升溫600℃，并保持20 min后，外表面的溫度為360℃，釬焊鋁蜂窩加熱側(cè)表面發(fā)生輕微變形，變形量為2 mm;外觀無可見破壞，耐溫性能優(yōu)越如圖1所示。而同規(guī)格的膠粘鋁蜂窩板的耐溫性取決膠粘劑的耐溫性，一般不超過200℃。

2.7 隔音性好

釬焊鋁蜂窩板的隔音效果根據(jù)GB/T19889.3—2005空氣隔聲，一般大于26 dB，通過改變內(nèi)部結(jié)構(gòu)也可達(dá)33 dB，而同規(guī)格的粘接鋁蜂窩板的隔音效果在24 dB～26 dB。

2.8 良好的工藝性

釬焊鋁蜂窩板是一種純金屬材料，經(jīng)釬焊焊接成一體的新型金屬結(jié)構(gòu)性材料，節(jié)點(diǎn)的強(qiáng)度高于鋁蜂窩芯材料的強(qiáng)度，可以二維、三維成型、二次焊接、加工等。

2.9 環(huán)?？苫厥?/p>

釬焊鋁蜂窩板是一種純金屬材料，無任何非金屬添加劑，無毒無有害物質(zhì)環(huán)保綠色材料。

3 釬焊鋁蜂窩板的應(yīng)用

3.1 釬焊鋁蜂窩板在動車中的應(yīng)用

現(xiàn)在國家的對節(jié)能減排及環(huán)保的要求越來越高，以鋁合為主的輕量化材料的研究也越來越深入，應(yīng)用也是越來越廣泛，而釬焊鋁蜂窩板憑借著上述特點(diǎn)發(fā)展迅速，并在動車及高鐵的廂壁、頂板、門、地板、間壁等推廣應(yīng)用[7，9]，利用釬焊蜂窩板的面密度小，平壓強(qiáng)度高，環(huán)保，以及可二維三維成型及可焊接性等特點(diǎn)，對動車司機(jī)室進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)，達(dá)到減排降耗的目的[5]。

釬焊鋁蜂窩板的司機(jī)室與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)司機(jī)室對比分析見表1。

3.2 釬焊鋁蜂窩板在軍工中的應(yīng)用

利用釬焊鋁蜂窩板密度小、強(qiáng)度高，可二維、三維模壓成型的特點(diǎn)，且安裝和維護(hù)簡單方便，同時符合現(xiàn)在發(fā)展提出的節(jié)能減排的要求，為某種車型的保險杠，進(jìn)行重新設(shè)計(jì)和制作，在保證原保險杠性能、外觀質(zhì)量不變的前提下，用釬焊蜂窩板設(shè)計(jì)制作新型保險杠，經(jīng)設(shè)計(jì)計(jì)算符合使用性能，并且產(chǎn)品的重量比原碳鋼結(jié)構(gòu)的保險杠減重50%以上，完全符合現(xiàn)在的節(jié)能減排的理念，同時材料還是綠色環(huán)保，完全可回收利用的。再者利用釬焊蜂窩板的平壓強(qiáng)度高、耐腐性好等特性，制成質(zhì)量輕，方便搬運(yùn)的墊木，便于設(shè)備在野外搭建簡易平臺。同時因?yàn)榫哂匈|(zhì)量輕、平壓強(qiáng)度高的性能，將釬焊蜂窩板制成模塊化的道面板，實(shí)現(xiàn)機(jī)場跑道應(yīng)急快速鋪設(shè)的目的，滿足飛機(jī)起降的要求，提高保障能力，適應(yīng)現(xiàn)代戰(zhàn)爭的需要。

4 結(jié)語

釬焊鋁蜂窩是一種新型純金屬復(fù)合材料，作為一種新型功能材料，因其密度小，質(zhì)量輕，剛度高，綠色環(huán)保等特點(diǎn)[8]，在軌道交通、國防科技、航空航天、船舶、醫(yī)藥衛(wèi)生等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。

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