CN101947689B - 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，该方法通过一套复合成形装置先将铝坯挤压成板状并使其产生塑性变形成为铝板基材，再与铜板结合轧合形成铜铝复合结构，最后经压接与矫直，成为复合板材或带材，该复合成形装置包括转动设置的挤压辊及沿送料方向围绕挤压辊设置的铝板基材成型模和轧合辊，铝板基材成型模上具有与挤压辊外圆周面相对间隔设置的内凹柱面，该内凹柱面与挤压辊的轴向一致，内凹柱面在送料方向上具有一段与挤压辊外圆周面之间间距逐渐缩小的弯弧段，该弯弧段与挤压辊外圆周面之间构成驱使铝材产生塑性变形的变形区，轧合辊装配在变形区的出口处与挤压辊外圆周面之间形成轧合区。

Description

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：提供一种铜铝复合板的采用连续挤压焊接组合工艺的复合成形方法。

为实现上述目的，本发明的复合成形方法所采用的技术方案是：一种铜铝复合板的连续复合成形方法，该方法通过一套复合成形装置先将铝坯挤压成板状并使其产生塑性变形成为铝板基材，再与铜板结合轧合形成铜铝复合结构，最后经压接与矫直，成为复合板材或带材，所述的复合成形装置包括转动设置的挤压辊及沿送料方向围绕挤压辊设置的铝板基材成型模和轧合辊，铝板基材成型模上具有与挤压辊外圆周面相对间隔设置的内凹柱面，该内凹柱面与挤压辊的轴向一致，内凹柱面在送料方向上具有一段与挤压辊外圆周面之间间距逐渐缩小的弯弧段，该弯弧段与挤压辊外圆周面之间构成驱使铝材产生塑性变形的变形区，轧合辊装配在变形区的出口处与挤压辊外圆周面之间形成轧合区；所述铝板基材与铜板之间轧合所需要的温度是由铝材与所述辊体之间摩擦产生的热量及其由塑性变形生成的热量提供的。

本发明的另一个目的是：提供一种可以通过连续挤压焊接组合工艺制备铝铜复合材料的复合成形装置，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，本发明的复合成形装置所采用的技术方案是：一种复合成形装置，所述装置包括转动设置的挤压辊及沿送料方向围绕挤压辊设置的铝板基材成型模和轧合辊，铝板基材成型模上具有与挤压辊外圆周面相对间隔设置的内凹柱面，该内凹柱面与挤压辊的轴向一致，内凹柱面在送料方向上具有一段与挤压辊外圆周面之间间距逐渐缩小的弯弧段，该弯弧段与挤压辊外圆周面之间构成驱使铝材产生塑性变形的变形区，轧合辊装配在变形区的出口处与挤压辊外圆周面之间形成轧合区。

在所述铝板基材成型模上的内凹柱面上还具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，该初步咬合区在送料方向上位于变形区的前部，初步咬合区与变形区组成铝板基材成形模腔。

在所述轧合区的出口处设置有矫直模具，该矫直模具包括两相对间隔设置的夹板，其中一个夹板靠近挤压辊的外周面，另一夹板靠近轧合辊的外周面，两夹板之间形成供复合板通过的压接矫直腔，所述的矫直腔沿所述挤压辊与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，所述铝板基材成型模沿挤压辊轴向的两端分别与挤压辊两端的挡沿间隙配合。

在挤压辊的外圆周面上靠近模腔的入口处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。

所述的轧合辊的两端分别与所述挡沿间隙配合。

在所述铝板基材成型模靠近轧合辊的端部还设置有一靴块，该靴块朝向轧合辊的端面设有沿轧合辊外周面周向延伸的弧面，靴块的弧面与轧合辊外周面之间留设有供铝板基材通过的间隙形成供铜板通过进入轧合区的导向槽。

在所述轧合辊靠近所述导向槽入口处转动设置有导轮，导轮与轧合辊之间挤压配合。

在所述导向槽的进口处还设置有用于清理铜板表面杂质及氧化层的清理辊。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：

①、本发明采用连续复合成形装置，可以不间断连续生产以铝板与铜板为基材的复合材料板材或带材，生产效率大为提高；

②、本发明采用铝坯通过模腔产生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、本发明采用铝坯在塑形变形过程中自身产生的热量为铝坯与铜板的预热和轧合提供温度，无需另外连接加热系统，降低了设备的能耗，从而进一步的降低了生产成本；

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、本发明的复合成形装置的结构简单，操作方便，不仅可以用于纯铝、铝合金与纯铜、铜合金的复合板材成形，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

本发明的复合成形装置的具体实施例如图1所示（图中箭头方向为挤压辊转动方向），其包括挤压辊2及围绕在挤压辊2的外围沿送料方向顺序设置的压实辊1、铝板基材成型模3、靴块4及轧合辊8，挤压辊2的外周面上周向的设有挤压槽g，压实辊1与挤压辊2的挤压槽g配合组成轧制机构，在压实辊1与挤压辊2之间形成用于轧制铝坯12的轧制区a，铝板基材成型模3上具有与挤压辊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，该内凹柱面与挤压辊2的外圆周面之间构成一个模腔，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外圆周面之间间距逐渐缩小的弯弧段组成，圆弧段靠近模腔的入口并与挤压辊2外圆周面之间构成初步咬合区b，弯弧段靠近模腔的出口并与挤压辊2外圆周面之间构成驱使铝材产生塑性变形的变形区c。在挤压辊2轴向的两端分别径向环设有挡沿使得挤压辊2的外圆周面上周向的形成一个挤压槽g，铝板基材成型模3沿挤压辊2轴向的两端分别与对应的挡沿间隙配合，使铝板基材成型模3与挤压辊2之间的初步咬合区b与变形区c共同构成的模腔在轴向的两端封闭、在送料方向上两端开口呈带状结构。轧合辊8设置在模腔的出口处，在轧合辊8与挤压辊2之间形成轧合区e，在铝板基材成型模3与轧合辊8之间设置有一靴块4，靴块4与铝板基材成型模3之间紧密接触，该靴块4朝向轧合辊8的端面设有沿轧合辊外周面周向延伸的弧面，靴块的弧面与轧合辊外周面之间留设有供铝板基材通过的间隙形成供铜板通过进入轧合区的导向槽。

在靴块4与轧合辊8之间留有间隙形成供铜板7进入轧合区e的导向槽，在导向槽的进口处设置有与轧合辊8配合的铜板导轮5，在铜板导轮5远离导向槽的一侧并列设置有用于清理铜板7表面杂质及氧化层的清理辊6。在轧合区e的出口处设置有矫直机构，该矫直机构包括两相对间隔设置的夹板9、10，两夹板9、10沿挤压辊2及轧合辊8的公切线方向延伸，其中，夹板9的一端与轧合辊8的外周面间隙配合，夹板10的一端与挤压辊2的外周面间隙配合，两夹板9、10之间形成压接矫直区f。

本发明的方法如图1所示，将截面是圆形或矩形的棒状铝坯12送入由压实辊1与挤压辊2之间的轧制区a，在压实辊1与挤压辊2的轧合作用下，铝坯12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，使其在挤压辊2的带动下进入模腔的初步咬合区b，同时，由压实辊1和挤压辊2与铝坯12之间产生的摩擦及铝坯12受挤压变形产生的热量使铝坯自身具有了一定的温度，实现对铝坯的预热；初步成形的板状铝材的厚度与初步咬合区b中铝板基材成型模3的圆弧段和挤压辊2的外圆周面之间的间距相当，使板状铝材与挤压辊2之间进一步的咬合获得足够的驱动力，由于模腔中的初步咬合区b具有一定的长度，使得板状铝材在初步咬合区b中从挤压辊2上获得足够的驱动能量进入到变形区c中，板状铝材在变形区c中通过铝板基材成型模3的弯弧段和挤压辊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的出口输出进入轧合区e中，同时，板状铝材在塑性变形时产生的热量进一步的加热铝板基材使其得到足够进行扩散焊接的温度，轧合辊8与铜板导轮5配合将已被清理辊6清除了表面杂质的铜板7送入导向槽中，由板状铝材塑性变形产生的热量通过铝板基材成型模3及靴块4传递给铜板7，对铜板7实现预热。铜板7经导向槽进入到轧合区e中与铝板基材合并被轧合辊8轧合压接一起，在轧合压接过程中，铝板基材与铜板7接触面之间的原子相互扩散而形成联接，从而实现扩散焊接初步成形为铜铝复合板材结构，初步结合的铜铝复合板材被挤压辊2和轧合辊8共同夹送到由两夹板9、10组成的矫直机构中，两夹板9、10之间形成的矫直腔f对初步结合的铜铝复合板材进一步的抱合压接并矫直，使铜板7与铝板基材之间充分的实现扩散焊接，进一步加强铜板与铝板之间的连接，使之最终成为高结合强度、高质量的铜铝复合板材或带材11。

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。影响扩散焊过程和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，一般采用在真空或保护气体条件下进行，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。本发明使铝坯在封闭状态下变形，成为所需的板材，并利用塑性变形产生的热量将材料加热到所需温度而不产生表面氧化，而后与薄铜板贴合，通过挤压辊和轧合辊提供压力，使其联接。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。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，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、本工艺采用连续复合成形铝材，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板基材成型模、靴块和轧合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，在本发明中，轧制机构可以与挤压辊分离设置，采用在送料方向上单独设置两对辊组成对铝坯的轧制机构；挤压辊2与轧合辊8间的距离可调，以适合不同厚度板材的要求；通过调整铝板基材成型模3、靴块4位置，可以改变铝材的变形程度及铝基材的厚度；两夹板9、10组成的矫直腔的厚度也可以调整，以保证复合板的焊合质量。同时，改变挤压辊的挤压槽宽度及相应的压实辊、轧合辊与相应导轮、铝板基材成型模、靴块的宽度，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、铝板基材成型模、靴块、轧合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。

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，该方法通过一套复合成形装置先将铝坯挤压成板状并使其产生塑性变形成为铝板基材，再与铜板结合轧合形成铜铝复合结构，最后经压接与矫直，成为复合板材，所述的复合成形装置包括转动设置的挤压辊及沿送料方向围绕挤压辊设置的铝板基材成型模和轧合辊，铝板基材成型模上具有与挤压辊外圆周面相对间隔设置的内凹柱面，该内凹柱面与挤压辊的轴向一致，内凹柱面在送料方向上具有一段与挤压辊外圆周面之间间距逐渐缩小的弯弧段，该弯弧段与挤压辊外圆周面之间构成驱使铝材产生塑性变形的变形区，轧合辊装配在变形区的出口处与挤压辊外圆周面之间形成轧合区；所述铝板基材与铜板之间轧合所需要的温度是由铝材与所述挤压辊的辊体之间摩擦产生的热量及其由塑性变形生成的热量提供的。

2.一种复合成形装置，其特征在于，所述装置包括转动设置的挤压辊及沿送料方向围绕挤压辊设置的铝板基材成型模和轧合辊，铝板基材成型模上具有与挤压辊外圆周面相对间隔设置的内凹柱面，该内凹柱面与挤压辊的轴向一致，内凹柱面在送料方向上具有一段与挤压辊外圆周面之间间距逐渐缩小的弯弧段，该弯弧段与挤压辊外圆周面之间构成驱使铝板基材产生塑性变形的变形区，轧合辊装配在变形区的出口处与挤压辊外圆周面之间形成轧合区，在所述铝板基材成型模上的内凹柱面上还具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，该初步咬合区在送料方向上位于变形区的前部，初步咬合区与变形区组成铝板基材成形模腔，在所述轧合区的出口处设置有矫直模具，该矫直模具包括两相对间隔设置的夹板，其中一个夹板靠近挤压辊的外周面，另一夹板靠近轧合辊的外周面，两夹板之间形成供复合板通过的压接矫直腔，所述的矫直腔沿所述挤压辊与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，所述铝板基材成型模沿挤压辊轴向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所述的复合成形装置，其特征在于，在挤压辊的外圆周面上靠近模腔的入口处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。

5.根据权利要求3所述的复合成形装置，其特征在于，所述的轧合辊的两端分别与所述挡沿间隙配合。

6.根据权利要求3所述的复合成形装置，其特征在于，在所述铝板基材成型模靠近轧合辊的端部还设置有一靴块，靴块朝向轧合辊的端面设有沿轧合辊外周面周向延伸的弧面，靴块的弧面与轧合辊外周面之间留设有间隙形成供铜板通过进入轧合区的导向槽。

7.根据权利要求6所述的复合成形装置，其特征在于，在所述轧合辊靠近所述导向槽入口处转动设置有导轮，导轮与轧合辊之间挤压配合。

8.根据权利要求7所述的复合成形装置，其特征在于，在所述导向槽的进口处还设置有用于清理铜板表面杂质及氧化层的清理辊。