CN101264538A

CN101264538A - 泡沫铝板的焊接成型方法

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Publication number: CN101264538A
Application number: CNA2008100188119A
Authority: CN
Inventors: 何德坪; 王辉; 何思渊
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Southeast University
Priority date: 2008-01-25
Filing date: 2008-01-25
Publication date: 2008-09-17
Anticipated expiration: 2028-01-25
Also published as: CN100491040C

Abstract

本发明属于泡沫铝焊接领域，公开了一种采用焊接成型工艺制备泡沫铝板的方法，步骤为：将洗净烘干的方形泡沫铝板在一侧开出凸V形坡口，相对的在另一侧对应位置开出与其锲合的凹v形坡口，对待焊区进行处理，将处理好的泡沫铝板垂直放置于焊接装置中，一块泡沫铝板的凸v形坡口与另一块泡沫铝板的凹v形坡口相对，将低熔点铝基合金钎料放置在下方泡沫铝板的凹V型坡口的凹面内，距离3～5mm处为另一待焊接的泡沫铝板的凸v形坡口，加热至470～485℃时，压下上方的泡沫铝板，使两块泡沫铝板的V型坡口相互紧密接触后冷却冷却至室温，最后将溢出坡口的钎料清除，得到焊接结构件；重复步骤将若干焊接结构件拼焊出设定尺寸的泡沫铝板。

Description

泡沫铝板的焊接成型方法

技术领域

本发明涉及铝板焊接领域，特别涉及一种大尺寸泡沫铝板的拼焊成型方法。

背景技术

泡沫铝是一种含有大量均匀闭合孔隙的新型铝基金属材料，由于其独特的物理结构而具备许多优异性能，具有轻质(ρ＜1)，高比强度和比刚度，同时又具备隔声、隔热、阻燃、阻尼、冲击能量吸收和电磁屏蔽等多种特性，实现了结构材料的轻质多功能化，因而具有广泛的应用前景。特别在航天航空等高技术领域，高孔隙率泡沫铝作为超轻材料已成为国际材料研究的前沿热点。目前国内外采用粉末冶金法制备较大尺寸泡沫铝板外存在以下主要缺陷：一是制备效率低；二是需要专门模具，生产成本高；三是高孔隙率制备困难。而熔体连续发泡法制备孔隙率和孔结构一致的大尺寸泡沫铝非常困难，成品率极低。而采用熔化焊和压力焊时，会破坏泡沫铝合金的本体，性能降低。

发明内容

针对现有技术存在大尺寸泡沫铝制备效率低、工艺复杂、成本高的缺点，本发明公开了一种制备效率高、工艺简单、成本低的泡沫铝板的焊接成型方法，步骤为：

第一步：将洗净烘干的长方体形或正方体形泡沫铝板在一侧开出凸V形坡口，相对的在另一侧对应的开出与其锲合的凹v形坡口，对开出的凸v形坡口和凹v形坡口的待焊区进行除锈去油处理后烘干；泡沫铝板可以加工成统一长边和宽边，厚度为10～200mm的正方体或长方体；

第二步：将ZnCl₂和水按体积比1∶1～4配制的溶液，均匀涂抹在两个泡沫铝的相对的凸V型坡口和凹v形坡口的待接触端面；

第三步：将两块步骤二处理好的泡沫铝板垂直放置于焊接装置中，一块泡沫铝板的凸v形坡口与另一块泡沫铝板的凹v形坡口相对，将钎料放置在下方泡沫铝板的凹V型坡口的凹面内，钎料可以是棒状的或者是片层状的，距离3～5mm处为另一待焊接的泡沫铝板的凸v形坡口，加热至470～485℃时，压下上方的泡沫铝板，使两块泡沫铝板的V型坡口相互紧密接触后冷却，其中钎料为低熔点铝基合金；

第四步：冷却至室温后将焊接好的泡沫铝板取出，将溢出坡口的钎料清除，洗净坡口残余结晶物，得到焊接结构件；

第五步：重复步骤一到四将若干焊接结构件拼焊出设定尺寸的泡沫铝板。

所述的泡沫铝板的焊接成型方法中步骤一中泡沫铝板可以先在清水中加入2～5％体积比洗洁精，然后用净水冲洗干净后烘干，再对泡沫铝板的除锈去油处理是先将待焊泡沫铝板的坡口部分本体放置在55～65℃的5～8％NaOH溶液中浸渍，取出用洗净后放入浓度为30～40％HNO₃溶液中清洗，然后净水洗净，晾干后再用丙酮清洗，最后烘干备用。

所述的泡沫铝板的焊接成型方法，其中钎料配方为，按质量百分数：Si：3.5％～4％、Mn：2.5％、Zn：20～40％、Cu：20％、余量为Al。

所述的泡沫铝板钎焊连接方法中，在同一个结构件中的两块泡沫铝板的孔隙率和孔径可以不同。焊接的时候可以采用石英管加热。

本发明的有益效果为：

1.本发明的方法由于焊接处已经先在碱、酸和丙酮等介质中经过了预处理，采用氯化锌作为助焊剂去除泡沫铝胞壁表面的氧化膜层并保护焊接区在高温下不再继续氧化，去除了泡沫铝板表面的致密氧化膜和油污。以锌、铜、锰和硅为合金元素的低熔点铝基钎料，与泡沫铝本体熔点温度差较大，同时具有较好的力学性能和耐蚀性能。通过稳定可控热源和形成的封闭空间，可以控制焊接接头区域形成适当的钎料熔化条件，随后利用450℃～475℃钎剂的熔化铺展，破坏并清除了泡沫铝表面的氧化膜，改善了随后熔化的钎料在泡沫铝表面的润湿性质，使钎料在两个泡沫铝界面之间凝固，从而实现了泡沫铝之间的冶金接合。

2.本发明由于在泡沫铝板之间钎缝处的钎料选择的是棒状或片层状的，在受热条件下完全熔化，在凹V形坡口形成钎料池，随着凸V形坡口的下移而被挤入坡口接触面的胞壁中，从而增大了坡口间的结合界面，由于压力很小，因此泡沫铝的孔结构不会被破坏。

3.本发明钎焊最高温度为485℃，因此钎缝可以耐受较高温度。与常规粘接和低温钎焊连接相比，具有耐高温的优势。

4.本发明由于实现了泡沫铝之间的冶金接合，钎缝化学性质与泡沫铝本体极为相近，钎缝不大于0.5mm，表面在高温作用下仍可以形成致密氧化膜，因此具有耐腐蚀，耐油浸的特点。

5.本发明是金属间的接合，与粘接相比，不存在紫外线等空间射线条件下的老化问题，连接可靠。

6.本发明实现的连接接头可直接应用于工作环境。

7.本发明在钎接过程中加热时间短，因此焊接效率高。

8.重复本发明步骤，可以不使用任何模具，制备长宽分别大于1～3m、厚度为200mm以下的大尺寸的泡沫铝板。

9.本发明的工艺简单、成本低，容易实现自动化、制备效率高，用此方法可以将不同孔隙率或者相同孔隙率不同孔径、孔结构的泡沫铝板之间的焊接起来，从而可以制备出具有不同孔隙率，梯度孔隙率或不同孔径，梯度孔径特点的泡沫铝板。

附图说明

图1为泡沫铝板焊接端示意图，其中1为钎料。

图2为不同孔隙率的泡沫铝板焊接后的样品图片。

图3是焊接好的泡沫铝板焊接接头处进行三点弯曲试验后的断口宏观形貌。

具体实施方式

以下通过实施例进一步说明本发明。

实施例1：

第一步：采用线切割将泡沫铝板加工成规则的统一尺寸的正方体或者长方体。在清水中加入2～5％体积比的洗洁精对加工完成的泡沫铝板进行清洗，然后用净水冲洗干净后烘干。使用电动带锯将泡沫铝板开出V形坡口，要求相对两边一边为凸V形，一边为凹V形。对泡沫铝板坡口待焊区进行除锈去油处理，基本过程是先将待焊泡沫铝坡口部分本体放置在55～65℃的5～8％NaOH溶液中浸渍7min，取出用热水完全冲洗后放入浓度约为30～40％HNO₃溶液中和约1.5min，然后净水洗净，晾干后再采用丙酮清洗，最后放入130℃烘箱中烘干备用。其中NaOH溶液的浓度可以是是5％、6％、8％，温度可以是55℃、60℃、65℃，HNO₃溶液的浓度可以为30％、33％、40％。

第二步：将化学纯ZnCl₂粉末加水形成1∶1～4体积比的水溶液，均匀涂抹在两个泡沫铝V型待接触端面。ZnCl₂和水的体积比可以是1∶1、1∶3、1∶4。

第三步：如图1，将钎料放置在凹V型坡口的凹面，两侧采用电石英加热管加热，并通过热电偶控温，加热区域使用石棉进行保温。钎料包括Al、Si、Zn、Cu和Mn，其质量百分数为：Si：3.5％～4％、Mn：2.5％、Zn：20％～40％、Cu：20％及余量Al，其中Si的含量可以是3.5％、3.8％、4％，Zn的含量可以是：20％、30％、40％，两端泡沫铝相距约3～5mm可以是3mm、4mm或者5mm。

第四步：首先对待焊接处加热，当温度升至470～485℃时，轻轻压下上面的泡沫铝，使两个V型坡口相互紧密接触后停止加热待冷却至室温后，将溢出坡口的钎料去除。在清水中洗净坡口残余结晶物。温度可以是470℃、479℃、485℃。

第五步：重复以上步骤将若干焊接结构单元体拼焊出大尺寸泡沫铝板。

实施例2：

第一步：采用线切割将泡沫铝板加工成边长为150mm，厚度为20mm的正方体。在清水中加入2％体积比的洗洁精对加工完成的正方形泡沫铝板进行清洗，然后用净水冲洗干净后烘干。使用电动带锯将泡沫铝板开出V形坡口，要求相对两边一边为凸V形，一边为凹V形。对泡沫铝板坡口待焊区进行除锈去油处理，基本过程是先将待焊泡沫铝坡口部分本体放置在60℃左右的5％NaOH溶液中浸渍7min，取出用热水完全冲洗后放入浓度约为30％HNO₃溶液中和约1.5min，然后净水洗净，晾干后再采用丙酮清洗，最后放入130℃烘箱中烘干备用。

第二步：将化学纯ZnCl₂粉末加水形成1∶1体积比的水溶液，均匀涂抹在两个泡沫铝V型待接触端面。

第三步：如图1，将钎料放置在凹V型坡口的凹面，由图1可以看出可以形成一个钎料池，两侧采用电石英加热管加热，并通过热电偶控温，加热区域使用石棉进行保温。钎料包括Al、Si、Zn、Cu和Mn，其质量百分数为：Si：3.5％、Mn：2.5％、Zn：38％、Cu：12％及余量Al，两端泡沫铝相距约3mm。

第四步：首先对石棉封闭区的电石英加热管通电，通过热电偶可测得区内温度，当温度升至470～485℃时，轻轻压下上面的泡沫铝，使两个V型坡口相互紧密接触后关断电石英管电源使整个加热区冷却下来。冷却至室温后将泡沫铝取出，将溢出坡口的钎料去除。在清水中洗净坡口残余结晶物。

第五步：重复以上步骤将若干焊接结构件单元体拼焊出大尺寸泡沫铝板。

实施例3：

第一步：采用线切割将孔径不同的两块泡沫铝板分别加工成边长为180mm，厚度为30mm的正方体。在清水中加入3.5％体积比的洗洁精对加工完成的正方形泡沫铝板进行清洗，然后用净水冲洗干净后烘干。使用电动带锯将泡沫铝板开出V形坡口，要求相对两边一边为凸V形，一边为凹V形。对泡沫铝板坡口待焊区进行除锈去油处理，基本过程是先将待焊泡沫铝坡口部分本体放置在60℃左右的6％NaOH溶液中浸渍7min，取出用热水完全冲洗后放入浓度约为35％HNO₃溶液中和约1.5min，然后净水洗净，晾干后再采用丙酮清洗，最后放入130℃烘箱中烘干备用。

第二步：将化学纯ZnCl₂粉末加水形成1∶2体积比的水溶液，均匀涂抹在两个泡沫铝V型待接触端面。

第三步：如图1，将钎料放置在凹V型坡口的凹面，两侧采用电石英加热管加热，并通过热电偶控温，加热区域使用石棉进行保温。钎料包括Al、Si、Zn、Cu和Mn，其质量百分数为：Si：3.8％、Mn：2.5％、Zn：48％、Cu：12％及余量Al，两端泡沫铝相距约3mm。

实施例4：

第一步：采用线切割将孔隙率为75％和孔隙率为85％的两块泡沫铝板分别加工成边长为200mm，厚度为50mm的正方体。在清水中加入5％体积比的洗洁精对加工完成的正方形泡沫铝板进行清洗，然后用净水冲洗干净后烘干。使用电动带锯将泡沫铝板开出V形坡口，要求相对两边一边为凸V形，一边为凹V形。对泡沫铝板坡口待焊区进行除锈去油处理，基本过程是先将待焊泡沫铝坡口部分本体放置在60℃左右的8％NaOH溶液中浸渍7min，取出用热水完全冲洗后放入浓度约为40％HNO₃溶液中和约1.5min，然后净水洗净，晾干后再采用丙酮清洗，最后放入130℃烘箱中烘干备用。

第二步：将化学纯ZnCl₂粉末加水形成1∶4体积比的水溶液，均匀涂抹在两个泡沫铝V型待接触端面。

第三步：如图1，将钎料放置在凹V型坡口的凹面，两侧采用电石英加热管加热，并通过热电偶控温，加热区域使用石棉进行保温。钎料包括Al、Si、Zn、Cu和Mn，其质量百分数为：Si：4％、Mn：2.5％、Zn：42％、Cu：16％及余量Al，两端泡沫铝相距约3～5mm。

第四步：首先对石棉封闭区的电石英加热管通电，通过热电偶可测得区内温度，当温度升至485℃时，轻轻压下上面的泡沫铝，使两个V型坡口相互紧密接触后关断电石英管电源使整个加热区冷却下来。冷却至室温后将泡沫铝取出，将溢出坡口的钎料去除。在清水中洗净坡口残余结晶物。

第五步：重复以上步骤将若干焊接单元体拼焊出大尺寸泡沫铝板。

实施例5：

第一步：采用线切割将泡沫铝板加工成长为280mm、宽为140mm、厚度为50mm的长方体。在清水中加入5％体积比的洗洁精对加工完成的正方形泡沫铝板进行清洗，然后用净水冲洗干净后烘干。使用电动带锯将泡沫铝板开出V形坡口，要求相对两边一边为凸V形，一边为凹V形。对泡沫铝板坡口待焊区进行除锈去油处理，基本过程是先将待焊泡沫铝坡口部分本体放置在60℃左右的8％NaOH溶液中浸渍7min，取出用热水完全冲洗后放入浓度约为40％HNO₃溶液中和约1.5min，然后净水洗净，晾干后再采用丙酮清洗，最后放入130℃烘箱中烘干备用。

第三步：如图1，将钎料放置在凹V型坡口的凹面，两侧采用电石英加热管加热，并通过热电偶控温，加热区域使用石棉进行保温。钎料包括Al、Si、Zn、Cu和Mn，其质量百分数为：Si：4％、Mn：2.5％、Zn：48％、Cu：12％及余量Al，两端泡沫铝相距约3～5mm。

第五步：重复以上步骤将4块泡沫铝板焊接成1块1120×280×50mm的长条形泡沫铝板，然后将7块长条形泡沫铝板为单元重复以上步骤相互焊接可以制备出1120×1960×50mm泡沫铝板。

实施例6：

第一步：采用电动带锯直接将泡沫铝板加工成边长为300mm，厚度为100mm的小正方体板，将泡沫铝板开出V形坡口，要求相对两边一边为凸V形，一边为凹V形。在清水中加入5％体积比的洗洁精对加工完成的正方形泡沫铝板进行清洗，然后用净水冲洗干净后烘干。对泡沫铝小板坡口待焊区进行除锈去油处理，基本过程是先将待焊泡沫铝坡口部分本体放置在60℃左右的8％NaOH溶液中浸渍7min，取出用热水完全冲洗后放入浓度约为40％HNO₃溶液中和约1.5min，然后净水洗净，晾干后再采用丙酮清洗，最后放入130℃烘箱中烘干备用。

第三步：如图1，将钎料放置在凹V型坡口的凹面，两侧采用电石英加热管加热，并通过热电偶控温，加热区域使用石棉进行保温。钎料包括Al、Si、Zn、Cu和Mn，其质量百分数为：Si：4％、Mn：2.5％、Zn：39％、Cu：17％及余量Al，两端泡沫铝相距约3～5mm。

第四步：首先对石棉封闭区的电石英加热管通电，通过热电偶可测得区内温度，当温度升至475℃时，轻轻压下上面的泡沫铝，使两个V型坡口相互紧密接触后关断电石英管电源使整个加热区冷却下来。冷却至室温后将泡沫铝取出，将溢出坡口的钎料去除。在清水中洗净坡口残余结晶物。

第五步：重复以上步骤将4块泡沫铝板焊接成1块1200×300×100mm的长条形泡沫铝板，然后将7块长条形泡沫铝板为单元重复以上步骤相互焊接可以制备出1200×2100×100mm泡沫铝板。

实施例7

由图2可以看出采用本发明可以实现不同孔隙率和孔结构的泡沫铝板的冶金结合，由图3可以看出采用本发明的方法焊接后的泡沫铝板的焊接接头机械性能很好，在三点弯曲条件下，焊缝在最大弯矩作用处未发生断裂，断口位于焊接接头附近的母材处。

Claims

1.一种泡沫铝板的焊接成型方法，其特征在于步骤为：

第一步：将洗净烘干的长方体形或者正方体形泡沫铝板在一侧开出凸V形坡口，相对的在另一侧对应的开出与其锲合的凹v形坡口，对开出的凸v形坡口和凹v形坡口的待焊区进行除锈去油处理后烘干；

第三步：将两块处理好的泡沫铝板垂直放置于焊接装置中，一块泡沫铝板的凸v形坡口与另一块泡沫铝板的凹v形坡口相对，将钎料放置在下方泡沫铝板的凹V型坡口的凹面内，距离3～5mm处为另一待焊接的泡沫铝板的凸v形坡口，加热至470～485℃时，压下上方的泡沫铝板，使两块泡沫铝板的V型坡口相互紧密接触后，冷却，其中钎料为低熔点铝基合金；

2.根据权利要求1所述的泡沫铝板的焊接成型方法，其特征在于步骤一中对泡沫铝板的除锈去油处理是先将待焊泡沫铝板的坡口部分本体放置在55～65℃质量浓度5～8％NaOH溶液中浸渍，取出用洗净后放入质量浓度30～40％HNO₃溶液中清洗，然后净水洗净，晾干后再用丙酮清洗，最后烘干备用。

3.根据权利要求1所述的泡沫铝板的焊接成型方法，其特征在于钎料配方为，按质量百分数：Si：3.5％～4％、Mn：2.5％、Zn：20～40％、Cu：20％、余量为Al。

4.根据权利要求1所述的泡沫铝板的焊接成型方法，其特征在于钎料为棒状或者片层状。

5.根据权利要求1所述的泡沫铝板钎焊连接方法，其特征在于同一个结构件中所用的两块泡沫铝板的孔隙率和孔径不同。