CN101934301B - 一种铜铝复合板的连续复合成形方法及其复合成形装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种铜铝复合板的连续复合成形方法，该方法通过一套装置先将铝坯成形为板状结构并使其在封闭状态下产生塑性变形成为铝板基材，再与两块铜板先后轧合形成在铝板基材两面复合铜板的三层复合板结构，最后经矫直机构进一步压接与矫直成为复合板材或带材；该装置包括一对相对转动设置挤压配合的挤压辊和第一轧合辊，挤压辊与第一轧合辊之间形成第一轧合区，在挤压辊外圆周面上靠近第一轧合区的入口处设有铝材成型模，该铝材成型模靠近第一轧合区入口处设有铝材变形区；在第一轧合辊的外周面上对应第一轧合区的出口设置有导向块，导向块朝向第一轧合辊的内壁面与第一轧合辊的外周面之间等距配合构成导向通道，在靠近导向通道出口处转动设置有第二轧合辊，第二轧合辊与第一轧合辊之间设有第二轧合区。

Description

一种铜铝复合板的连续复合成形方法及其复合成形装置

技术领域

本发明涉及一种复合材料的连续挤压与压接复合成形技术，特别涉及一种铜铝复合板材的制造方法及其配套成形装置。

背景技术

金属铜具有良好的导电、导热、耐腐和抑菌性能，因而被广泛应用，但我国的铜资源比较短缺，价格较高。而我国铝资源比较丰富，铝的密度较低，价格便宜，在许多领域已成为良好的代铜材料。然而铝的导电、导热性能不如铜，焊接、灭弧、耐磨等性能也较差，因此在某些场合，如开关、散热片、过渡板等产品领域，以铝直接替代铜是困难的。目前，一种结合了铜的高稳定性和铝的低成本优点的铝铜复合材料逐渐替代了纯铜或纯铝材料，铝铜复合材料以其特殊的综合性能，已广泛地应用于电力、传热、军工、电子计算机、电器元件、航空航天领域、汽车等各个领域。

30多年来，科技人员已对铝铜复合材料的生产工艺进行了较多的研究。1966年英国学者研究出将带有惰性气体的液态铝或其合金喷射到铜金属表面，然后将金属铝与上述覆有铝的铜金属在热状态下复合，从而得到铝铜复合材料的复合工艺，但这种工艺制得的复合材料中铝与金属铜基体的结合较差，复合金属的强度较低；1981年日本学者研究出通过冷轧将镍箔覆盖在铝材上，然后将上述铝材退火，再与经退火的铜材通过冷轧，退火后得到中间夹层为镍的铝铜复合材料的复合工艺，但采用轧制与退火复合工艺，其工艺复杂，提高了产品的生产成本，且冷轧道次的压下率较高，对轧制设备的承载能力要求较高，设备笨重，造价较高；1989年我国学者研究出将铜带与铝箔一起加热至200℃，并轧制而得到覆有铝箔的铜带，再将此带与铝带热轧，得到铝铜复合材料的复合工艺，但采用冷、热轧复合工艺由于铜的氧化着色温度较低(180℃)，因此铜带的加热温度不可能很高，这就弱化了轧前加热而带来的复合效果，因而需要二次加热，工艺操作复杂，产品成本较高。

目前比较成熟的制备方法是，对铝芯外面和铜管内面进行清除氧化膜，将铝芯压入铜管内，通过拉伸或轧制使铜管与铝芯间固相结合，并形成所需外形尺寸的双金属材料。产品表面光亮无缺陷，但其工艺复杂，成本较高。

发明内容

本发明的目的是：提供一种通过连续挤压焊接组合工艺制备铝铜复合材料的连续复合成形方法。

该连续复合成形方法的技术方案是：一种铜铝复合板的连续复合成形方法，该方法通过一套装置先将铝坯成形为板状结构并使其在封闭状态下产生塑性变形成为铝板基材，再与两块铜板先后轧合形成在铝板基材两面复合铜板的三层复合板结构，最后经矫直机构进一步压接与矫直成为复合板材或带材；所述的装置包括一对相对转动设置挤压配合的挤压辊和第一轧合辊，挤压辊与第一轧合辊之间形成第一轧合区，在挤压辊外圆周面上靠近第一轧合区的入口处设有铝材成型模，该铝材成型模上设有与所述挤压辊外圆周面相对间隔设置的内凹柱面，在该内凹柱面靠近第一轧合区入口处具有一段与挤压辊的外周面之间的间距沿送料方向逐渐缩小的弯弧段，该弯弧段与挤压辊外圆周面之间构成使铝材产生塑性变形的变形区；在第一轧合辊的外周面上对应第一轧合区的出口设置有与第一轧合辊外圆周面相对间隔设置的导向块，导向块朝向第一轧合辊的内壁面与第一轧合辊的外周面之间等距配合构成导向通道，在靠近导向通道出口处转动设置有第二轧合辊，第二轧合辊与第一轧合辊之间设有第二轧合区。

本发明的另一个目的是：提供一种通过连续挤压焊接组合工艺制备铝铜复合材料的连续复合成形装置，以解决现有技术中生产铜铝复合板工艺复杂、成本较高的问题。

为实现上述目的，本发明的铜铝复合板的连续复合成形装置所采用的技术方案是：一种连续复合成形装置，包括一对相对转动设置挤压配合的挤压辊和第一轧合辊，挤压辊与第一轧合辊之间形成第一轧合区，在挤压辊外圆周面上靠近第一轧合区的入口处设有铝材成型模，该铝材成型模上设有与所述挤压辊外圆周面相对间隔设置的内凹柱面，在该内凹柱面靠近第一轧合区入口处具有一段与挤压辊的外周面之间的间距沿送料方向逐渐缩小的弯弧段，该弯弧段与挤压辊外圆周面之间构成使铝材产生塑性变形的变形区；在第一轧合辊的外周面上对应第一轧合区的出口设置有与第一轧合辊外圆周面相对间隔设置的导向块，导向块朝向第一轧合辊的内壁面与第一轧合辊的外周面之间等距配合构成导向通道，在靠近导向通道出口处转动设置有第二轧合辊，第二轧合辊与第一轧合辊之间设有第二轧合区。

在所述铝材成型模的内凹柱面上远离第一轧合区的入口处还设有一段与所述挤压辊外圆周面等距配合的圆弧段，该圆弧段与挤压辊外圆周面之间构成初步咬合区，初步咬合区与变形区该组成铝板基材成形模腔。

在所述第二轧合区的出口处设置还有矫直装置，该矫直装置包括两相对间隔设置的夹板，其中一个夹板靠近第一轧合辊的外周面，另一夹板靠近第二轧合辊的外周面，两夹板之间形成供复合板通过的压接矫直腔，所述的压接矫直腔沿所述第一轧合辊与第二轧合辊之间的中心连线的垂线方向延伸。

在所述挤压辊轴向的两端分别径向环设有挡沿，所述铝材成型模沿挤压辊轴向的两端及第一轧合辊的两端分别与挤压辊两端的挡沿间隙配合。

在所述复合成形装置与第一轧合辊之间设置有第一靴块，复合成形装置与第一靴块紧密贴合，第一靴块朝向第一轧合辊的端面为与第一轧合辊的外圆周面等距配合的弧面，在第一靴块与第一轧合辊之间构成沿第一轧合辊外圆周面周向延伸、用于铜板输入的第一导向槽。

在所述第一轧合辊靠近第一导向槽的入口处设置有与第一轧合辊夹持配合用于夹送第一铜板的第一导轮，在第一铜板的送料方向上靠近第一导轮并列设置有用于清除第一铜板轧合表面杂质及氧化物的第一清理辊。

在所述挤压辊的外圆周面上靠近铝材成型模转动设置有同轴向的压实辊，该压实辊与挤压辊挤压配合，压实辊的两端分别与所述挡沿间隙配合。

在所述导向块与第二轧合辊之间设置有第二靴块，第二靴块朝向第二轧合辊的端面为与第二轧合辊外圆周面等距配合的弧面，在第二靴块与第二轧合辊之间构成沿第二轧合辊外圆周面周向延伸的第二导向槽。

在靠近所述第二导向槽的入口处设置有与第二轧合辊夹持配合用于夹送第二铜板的第二导轮，在第二铜板的送料方向上并列设置有用于清除第二铜板轧合表面杂质及氧化物的第二清理辊。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：

①、本发明通过连续挤压可以不间断实现铝板与铜板的复合生产，生产效率大为提高。

②、本发明将铜材通过轧制和塑性变形形成合格的铝板基材，简化了生产工艺，降低了生产成本，进一步的提高了生产效率。

③、本发明采用铝坯轧制及变形过程中自身产生的热量为铝坯及铜板实现预热和轧合温度，无需另外连接加热系统，降低了设备的能耗，从而降低了生产成本。

④、本发明采用将铝板基材与铜板通过轧合机构压接在一起，通过铝板基材轧制过程中产生的热量实现铝板基材与铜板的扩散焊接，其结合强度高，外观质量好。

⑤、本发明的挤压成形装置的结构简单，操作方便，其不仅可以用于纯铝、铝合金与纯铜、铜合金的复合板材成形，其也可以用于其它金属材料如镍、不锈钢与铜、铝及其合金等材料的复合板的成形。

附图说明

图1为本发明的连续复合成形装置具体实施例的结构示意图。

具体实施方式

本发明的连续复合成形装置的具体实施例如图1所示（图中箭头方向为辊子的转动方向），其包括一对挤压配合的挤压辊2和第一轧合辊8，挤压辊2轴向的两端径向的环设有挡沿使挤压辊2的外周面上周向的形成挤压槽19，在挤压辊2的挤压槽19中对应设置有压实辊1，压实辊1与挤压辊2之间构成轧制区30，压实辊1与挤压辊2配合将经由轧制区30的铝坯料18初步轧制成板状结构。在挤压辊2与第一轧合辊8之间设有第一轧合区38，在靠近第一轧合区38的入口处设置有与挤压辊2外圆周面配合的铝材成型模3，该铝材成型模3朝向挤压辊2的内壁面上设有与挤压辊2外圆周面相对间隔设置的内凹柱面，该内凹柱面与挤压辊2的轴向一致，该内凹柱面沿挤压辊2轴向的两端与挤压辊2两端的挡沿间隙配合使铝材成型模3与挤压辊2之间构成一个模腔33，该内凹柱面在送料方向上由一段与挤压辊2外圆周面之间等距间隙配合的圆弧段和一段与挤压辊2外圆周面之间间距沿送料方向逐渐缩小的弯弧段组成，圆弧段靠近模腔33的入口并与挤压辊2外圆周面之间构成初步咬合区31，弯弧段靠近模腔33的出口并与挤压辊2外圆周面之间构成驱使铝材产生塑性变形的变形区32，初步咬合区31与变形区32共同构成模腔33，模腔33在轴向的两端封闭、在送料方向上两端开口呈带状结构。在铝材成型模3与第一轧合辊8之间还设置有第一靴块4，第一靴块4与铝材成型模3紧贴设置，该第一靴块4朝向轧合导辊8的端面设有沿轧合导辊8外周面周向延伸的内凹弧面，第一靴块4的内凹弧面与轧合导辊8外周面之间留设有供铝板基材通过的间隙形成供第一铜板7通过进入第一轧合区38的第一导向槽34。在靠近第一导向槽34的入口处设置有与第一轧合辊8对应夹持配合、用于夹送第一铜板7的第一导轮5，在第一铜板7经过的路径上还设置有用于清除第一铜板7表面杂质和氧化物的第一清理辊6。

在第一轧合辊8上对应安装有相互挤压配合的第二轧合辊13，第二轧合辊13与第一轧合辊8之间设有第二轧合区39。在第一轧合区38的出口处设置有一导向块17，导向块17朝向第一轧合辊8的内壁面沿第一轧合辊8的外圆周面周向延伸形成弧面，该导向块17的弧面与第一轧合辊8的外圆周面相对间隔设置，其间留有间隙构成与第一轧合区38连通的导向通道35。在导向块17与第二轧合辊13之间设置有第二靴块9，第二靴块9朝向第二轧合辊13的内壁面沿第二轧合辊13的外周面周向延伸并与第二轧合辊13的外圆周面相对间隔设置，在第二靴块9与第二轧合辊13之间设有沿第二轧合辊13外圆周面延伸、用于对第二铜板14进入到第二轧合区39进行导向的第二导向槽36，在靠近第二导向槽36的入口处设置有与第二轧合辊13夹持配合、用于夹动第二铜板14的第二导辊16，在第二铜板14经过的路径上设置有用于清除第二铜板14表面杂质和氧化物的第二清理辊15。

在第二轧合区39的出口处还设有由两相对间隔设置的夹板10、12围成的压接矫直腔37，该压接矫直腔37沿第一轧合辊8和第二轧合辊13中心连线的垂线方向延伸，其中，夹板10的一端与第一轧合辊8的外周面间隙配合，夹板12的一端与第二轧合辊13的外周面间隙配合。

下面结合上述的挤压成形装置对本发明的复合成形方法进行描述：如图1所示，首先将截面是圆形或矩形的铝坯料18送入由压实辊1与挤压辊2之间的轧制区30中，在压实辊1与挤压辊2的挤压作用下，铝坯18产生一定量的变形初步形成板状材料，并能够与挤压辊2间产生一定的咬合力，挤压辊2带动铝坯料进入模腔33的初步咬合区31中；同时，由压实辊1和挤压辊2与铝坯18之间产生的摩擦热及铝坯18受挤压变形产生的热量使铝坯18自身具有了一定的温度，实现对铝坯18的预热。初步咬合区31的厚度与初步成形的板状铝材厚度相当，使得进入到初步咬合区31中的板状铝材与挤压辊2之间具有足够的咬合力，由于初步咬合区31具有一定的长度，使得初步成形的板状铝材在初步咬合区31中从挤压辊2上可获得足够的驱动能量进入到变形区32中，板状铝材在铝材成型模3的内壁面和挤压辊2外周面的挤压配合下产生塑性变形，形成一定厚度的铝板基材从模腔33的出口输出进入第一轧合区38中。同时，第一铜板7先由第一清理辊7清除待轧合表面的杂质和氧化物后被第一导轮5和第一轧合辊8夹持经由第一导向槽34送入到第一轧合区38中与铝板基材复合，铝板基材与第一铜板7在第一轧合区38中被第一轧合辊8和挤压辊2配合轧制，铝板基材在经过变形区32中塑性变形时产生的热量被带到第一轧合区38中与第一铜板7通过扩散焊接形成双面复合板结构；该双面复合板由挤压辊2和第一轧合辊8配合向后夹送，通过由导向块17和第一轧合辊8之间构成的导向通道35，使双面复合板脱离挤压辊2的表面而贴附于第一轧合辊8的外周面上，在导向通道35中，导向通道35的厚度与双面复合板的厚度相当，使得该双面复合板与第一轧合辊8之间产生咬合由第一轧合辊8带动送入到第二轧合区39中。同时，第二铜板14被第二清理辊15清除了表面杂质和氧化物后由第二导辊16与第二轧合辊13配合夹持经由第二导向槽36送入第二轧合区39中，第二铜板14经由第二导向槽36进入第二轧合区39后贴敷于铝板基材的另一面上，第二轧合辊13与第一轧合辊8挤压配合将第二铜板14与双层复合板轧制结合，使该第二铜板14通过扩散焊接与双面复合板连接形成两层铜板夹一层铝板的三层复合板结构，该三层复合板结构被第一轧合辊8和第二轧合辊13夹持送入压接矫直腔37中被两夹板10、12进一步夹持，使两层铜板与中间的铝板充分的结合，加强三层复合板之间的连接强度。

本发明的原理：本发明采用扩散焊的方式，将待焊接的铜板和铝板紧密贴合，在一定温度和压力下保持一段时间，使接触面之间的原子相互扩散而形成联接。扩散焊过程中影响焊接质量的主要因素是温度、压力、扩散时间和表面清洁度。焊接温度越高，原子扩散越快，而对金属材料特别是铝及其合金等，加热时会产生表面氧化从而影响焊接质量，故此，现有技术是在真空或保护气体条件下进行，采用加热设备对铝板和铜板加热到扩散焊所需温度，但这增加了成本和工艺的复杂程度，在很多情况下难以实现。而本发明中，经初步轧制成板状结构的铝材的厚度与模腔的初步咬合区31相当、并在变形区32中挤压变形，同时，铝材成型模3的两端与挤压辊2两端的挡沿间隙配合，使得板状铝材在进入模腔后是处于封闭状态下成形为所需的板材而不会产生表面氧化；同时，压实辊1与挤压辊2在对铝坯进行初步轧制时与铝坯之间产生摩擦热，该摩擦热可以对铝坯和初步轧制成板状结构的铝材进行预热；板状铝材在经过模腔33中的变形区32时，板状铝材的两个表面分别与铝材成型模3的内壁面和挤压辊2的外周面摩擦产生高热，而且板状铝材产生塑性变形时也会发出热量，从而为铝板与铜板之间的扩散焊提供了足够的热量而无需再另外安装加热装置，这些热量通过挤压辊2、铝材成型模3、导向块17及靴块的热传导对各铜板实现了预热。

本发明采用连续挤压-扩散焊组合工艺实现复合板的成形，以压实辊和挤压辊的旋转摩擦作为动力，实现铝板的塑性成形与加热，再通过轧合后的适度保压实现铝板与铜板的联接，扩散焊接的压力较小，材料可不产生宏观塑性变形，产品具有较高的外观质量。其与现有技术相比，具有以下实质性技术特点和显著技术进步：

①、可以实现铜铝复合板材的连续复合成形，生产效率高；

②、本工艺采用连续挤压成形铝材，并利用摩擦热与变形能使坯料加热，而对铜板的加热是通过高温铝板基材及铝材成型模、靴块和轧合导辊的导热功能实现的，不需要安装加热装置对其进行预热，从而简化了工艺、降低了能耗并减少了材料的表面氧化；

③、铝坯在连续挤压变形时，表层面积增大，新生面大量增加，而结合面在封闭状态下不会被污染，低温铜板在进入轧合区被加热时也可以有效地与空气隔离，从而有效地保证了铜板与铝板结合面的清洁，保证了焊接质量；

④、采用辊压将铝坯直接压制成板状，省去了现有技术中铝板的制作过程，使工序进一步的简化，特别适合用易氧化材料制作复合板的中间板；

⑤、铝板的成形是围绕挤压辊的表面完成，不存在直角变形区，其成形力明显减小。

本发明不局限于上述实施例，在实际应用中，压实辊可以单独的分离出去，与另一个辊配合组成轧制机构将铝坯轧制成板状结构；该挤压成形装置的挤压辊与第一轧合辊之间的距离及第一轧合辊与第二轧合辊之间的距离均可以调整，以适合不同厚度板材的要求；通过调整铝材成型模、第一靴块位置，可以改变铝材的变形程度及铝板的厚度；调整导向块、第二靴块位置，可以适应两层复合板的厚度；调整两夹板之间组成的压接矫直腔的厚度可以保证复合板的焊合质量。另外，改变挤压辊的挤压槽宽度及相应的压实辊、轧合辊、铝材成型模、导向块、各靴块及压接矫直腔的宽度，可以生产不同宽度的复合板；沿轴向增加挤压辊的长度，在挤压辊的轴向上并列分段设计多组由相应的压实辊、铝材成型模、靴块、轧合导辊及夹板构成的成形装置，可以同时生产多块复合板材或带材，进一步提高生产效率。以上各种方案都是本领域技术人员很容易想到的，都在本发明的保护范围之内。

本发明提出的复合成形方法及装置，其不仅可以用于纯铝、铝合金与纯铜、铜合金的复合板材成形，其也可以用于其它金属材料如镍、不锈钢等材料的复合板的成形。

Claims (8)

1.一种铜铝复合板的连续复合成形方法，其特征在于，该方法通过一套装置先将铝坯成形为板状结构并使其在封闭状态下产生塑性变形成为铝板基材，再与两块铜板先后轧合形成在铝板基材两面复合铜板的三层复合板结构，最后经矫直机构进一步压接与矫直成为复合板材或带材；所述的装置包括一对相对转动设置挤压配合的挤压辊和第一轧合辊，挤压辊与第一轧合辊之间形成第一轧合区，在挤压辊外圆周面上靠近第一轧合区的入口处设有铝材成型模，该铝材成型模上设有与所述挤压辊外圆周面相对间隔设置的内凹柱面，在该内凹柱面靠近第一轧合区入口处具有一段与挤压辊的外周面之间的间距沿送料方向逐渐缩小的弯弧段，该弯弧段与挤压辊外圆周面之间构成使铝板基材产生塑性变形的变形区；在第一轧合辊的外周面上对应第一轧合区的出口设置有与第一轧合辊外圆周面相对间隔设置的导向块，导向块朝向第一轧合辊的内壁面与第一轧合辊的外周面之间等距配合构成导向通道，在靠近导向通道出口处转动设置有第二轧合辊，第二轧合辊与第一轧合辊之间设有第二轧合区。

2.一种连续复合成形装置，其特征在于，包括一对相对转动设置挤压配合的挤压辊和第一轧合辊，挤压辊与第一轧合辊之间形成第一轧合区，在挤压辊外圆周面上靠近第一轧合区的入口处设有铝材成型模，该铝材成型模上设有与所述挤压辊外圆周面相对间隔设置的内凹柱面，在该内凹柱面靠近第一轧合区入口处具有一段与挤压辊的外周面之间的间距沿送料方向逐渐缩小的弯弧段，该弯弧段与挤压辊外圆周面之间构成使铝材产生塑性变形的变形区，在所述铝材成型模的内凹柱面上远离第一轧合区的入口处还设有一段与所述挤压辊外圆周面等距配合的圆弧段，该圆弧段与挤压辊外圆周面之间构成初步咬合区，所述的初步咬合区与所述变形区组成铝板基材成形模腔；在第一轧合辊的外周面上对应第一轧合区的出口设置有与第一轧合辊外圆周面相对间隔设置的导向块，导向块朝向第一轧合辊的内壁面与第一轧合辊的外周面之间等距配合构成导向通道，在靠近导向通道出口处转动设置有第二轧合辊，第二轧合辊与第一轧合辊之间设有第二轧合区，在第二轧合区的出口处还设置有矫直装置，该矫直装置包括两相对间隔设置的夹板，其中一个夹板靠近第一轧合辊的外周面，另一夹板靠近第二轧合辊的外周面，两夹板之间形成供复合板通过的压接矫直腔，所述的压接矫直腔沿所述第一轧合辊与第二轧合辊之间的中心连线的垂线方向延伸。

3.根据权利要求2所述的连续复合成形装置，其特征在于，在所述挤压辊轴向的两端分别径向环设有挡沿，所述铝材成型模沿挤压辊轴向的两端及第一轧合辊的两端分别与挤压辊两端的挡沿间隙配合。

4.根据权利要求3所述的连续复合成形装置，其特征在于，在所述铝材成型模与第一轧合辊之间设置有第一靴块，铝材成型模与第一靴块紧密贴合，第一靴块朝向第一轧合辊的端面为与第一轧合辊的外圆周面等距配合的弧面，在第一靴块与第一轧合辊之间构成沿第一轧合辊外圆周面周向延伸、用于铜板输入的第一导向槽。

5.根据权利要求4所述的连续复合成形装置，其特征在于，在所述第一轧合辊靠近第一导向槽的入口处设置有与第一轧合辊夹持配合用于夹送第一铜板的第一导轮，在第一铜板的送料方向上靠近第一导轮并列设置有用于清除第一铜板轧合表面杂质及氧化物的第一清理辊。

6.根据权利要求3所述的连续复合成形装置，其特征在于，在所述挤压辊的外圆周面上靠近铝材成型模转动设置有同轴向的压实辊，该压实辊与挤压辊挤压配合，压实辊的两端分别与所述挡沿间隙配合。

7.根据权利要求2所述的连续复合成形装置，其特征在于，在所述导向块与第二轧合辊之间设置有第二靴块，第二靴块朝向第二轧合辊的端面为与第二轧合辊外圆周面等距配合的弧面，在第二靴块与第二轧合辊之间构成沿第二轧合辊外圆周面周向延伸的第二导向槽。

8.根据权利要求7所述的连续复合成形装置，其特征在于，在靠近所述第二导向槽的入口处设置有与第二轧合辊夹持配合用于夹送第二铜板的第二导轮，在第二铜板的送料方向上并列设置有用于清除第二铜板轧合表面杂质及氧化物的第二清理辊。

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