CN102172792B - 一种高速列车地板和厢体结构材料的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明一种高速列车地板和厢体结构材料的制备方法，以超轻泡沫铝或泡沫铝合金作为芯层和不同厚度的铝板作为上下面板复合的夹芯板。通过泡沫铝芯层和面板在钎料熔体中机械强迫铺展、熔合和振动辅助凝固过程，既去除了附着表面氧化膜，同时又确保在焊接过程中不再被氧化，最终形成泡沫铝芯层与上下面板的大面积焊接复合的高速列车地板和厢体结构材料。与采用胶接方法相比,具有高刚度、长寿命、隔噪、吸能、减振阻尼、阻燃、耐腐蚀和电磁屏蔽的优点，同时可以实现再焊接、表面喷涂和刮擦等冷热加工和完全回收，可取代铝蜂窝夹芯结构板、纸蜂窝夹芯结构板、聚胺酯等有机泡沫塑料夹芯板和金属包覆木质板等多种复合板材类型的列车地板和厢体结构材料。
Description
技术领域
本发明涉及一种高速列车地板和厢体结构材料，尤其涉及到以超轻多孔金属为夹芯的复合板的制备方法。
背景技术
泡沫铝是一种含有大量无序均匀分布气孔的铝基金属材料，由于其独特的物理结构而具备许多优异性能，具有轻质（比重ρ＜1），高比强度和比刚度的结构特性，同时又具备隔声、隔热、阻燃、阻尼减振、冲击能量吸收和电磁屏蔽等多种功能，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。特别在轨道交通领域，泡沫铝夹芯结构作为超轻材料已成为国内外材料研究的热点之一。
泡沫铝或泡沫铝合金由于孔隙率很高，在熔化焊过程中无法形成熔池，也不能承受压力焊的拘束作用力，因而熔化焊和压力焊方法很难实现泡沫铝或泡沫铝合金与铝实体面板的大面积复合连接。同时，泡沫铝或泡沫铝的胞壁表面被致密氧化膜包裹，在钎剂作用下很难去除，粗糙表面和大比表面积也使钎料熔体很难铺展流布，因而传统的钎焊方法存在接头服役温度低，焊接接头连接强度低，面板与芯层焊接界面耐腐蚀性能差等问题。目前用于高速列车地板和厢体结构的泡沫铝夹芯板主要采用胶接方法制备。
高速列车由于快捷、高效、节能、舒适和安全，在日、韩、欧洲等国家和地区以及中国得到竞相发展。高速列车多采用动力分散的牵引模式（动力装置分散安装在每节车厢），追求舒适安全，加之速度快，动力噪声、轮噪和空噪大，对高速列车地板和厢体结构的吸能能力和吸能效率等安全性能，刚度、强度和密度等结构性能和隔噪、阻燃等功能性以及握钉力等装配性能提出了更高要求。
以低密度材料为芯层，实体板材为上下面板的夹芯板材料是目前高速列车常见的地板和厢体结构材料，所使用的主要采用铝蜂窝夹芯结构材料和点阵栅格夹芯结构材料，铝蜂窝夹芯结构材料是以铝蜂窝为芯材与铝合金上下面板胶接而成，点陈栅格夹芯结构则与由栅格或压型板为芯与面板采用胶接或焊接等方法连接而成，以上两种类型的夹芯结构材料存在着较多的技术缺陷，主要有以下几个方面：1）各向异性的物理特点，蜂窝夹芯结构和点阵栅格夹芯结构在垂直于地板方向的隔噪性能远低于水平方向；在服役过程中，在受到垂直于地板方向作用力作用时表现出较好的刚度和强度，但在受到与板材水平方向一致的剪切作用力时，芯体容易发生失稳，导致夹芯板因惯性矩减小而发生变形；2）传统的铝蜂窝夹芯结构和纸蜂窝夹芯结构、聚胺酯等有机泡沫塑料夹芯和金属包覆木质材料以及点阵栅格夹芯的吸能能力和吸能效率均比较低，一旦发生交通事故，高速列车动能无法得到有效吸收而得到缓冲，破坏程度相对严重；3）铝蜂窝夹芯和点阵栅格夹芯由于握钉力差，前者作为高速列车地板和厢体结构材料时需要在结构内部衬布实体铝型材并在车厢地板横梁预埋相应连接件，显著增大了整体地板结构质量，降低了地板功能性；4）传统夹芯结构材料芯层和面板之间的有机胶黏剂因受热、紫外射线辐照、大气氧化等作用而老化和脆化，在一定服役年限后需要更换；在受热作用时，蜂窝夹芯和泡沫塑料夹芯等地板无法耐受较高温度，在高温下有机胶黏剂和夹芯自身甚至会燃烧并释放出有毒气体，地板内部衬布的实体铝型材在更高温度时会发生剧烈氧化，这些都对列车安全构成隐患，增大回收成本，不能实现完全回收；5）铝蜂窝夹芯、纸蜂窝夹芯、泡沫塑料夹芯和金属包覆木质材料等地板的面板与芯材之间物理绝缘，不耐水浸和油浸，耐化学腐蚀性能较差；6）点阵栅格夹芯结构材料制作成本较高，特别是采用芯层与面板采用焊接方法连接时，需要配用大型昂贵的加热和保温设备；7）蜂窝夹芯结构材料不能与车体结构实现冶金连接，影响车体结构的密封性，点阵栅格夹芯结构中的夹芯具有通透性，面板一旦破坏，也会影响整体结构的密封性；8）压型板夹芯结构材料比重大，阻尼减振效果不明显。
发明内容
为了解决上述问题，本发明目的提供一种轻质、吸能能力和吸能效率高、抗侵彻性能好、可燃、隔噪性能高、服役寿命长、密封性能好、耐腐蚀、可热加工和完全回收的高速列车地板和厢体结构材料制备方法。
本发明的技术方案：一种高速列车地板和厢体结构材料的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：
第1步：选取孔隙率为45～95%、屈服强度在1～30MPa的芯层材料切割成厚度为15mm～25mm的板材，清洗干燥，备用；
第2步：在熔池槽的A区内加入钎料，启动加热器将钎料加热至450～480℃，使钎料熔化铺展并填充熔池槽A区，钎料熔体在池槽中的高度不超过芯层材料的厚度；
第3步：将步骤1中处理过的所述芯层材料放入钎料熔体中，推动所述芯层材料在钎料熔体内做往复运动，使所述芯层材料的底部与熔池槽A区内的底部紧密接触并发生机械摩擦；
第4步：取上层面板切割至与所述芯层材料大小相同的尺寸后，清洗干燥，平置于熔池槽的B区底部，通过加热器将上层面板加热至450～480℃，打开活动板，此时钎料熔体会自主流动至熔池槽的B区，待钎料熔体将上层面板完全浸没后立刻刮去上层面板表面的钎料熔体，随即将所述芯层材料平移并叠放在上层面板上后关闭活动板；
第5步：将所述芯层材料与上层面板叠放固定后取出熔池槽，以上层面板在下，芯层材料在上的方式放置在振动台上，然后叠放一块隔振板，同时施加0.5～5MPa的压力，使上层铝面板与芯层材料保持紧密贴合，启动振动台，调谐振动频率至100Hz，振幅为10～15μm，持续振动，待芯层材料与上层面板的温度降至420℃后停止振动，继续空冷至室温即实现芯层材料与上层面板的大面积连接复合体；
第6步：将上述步骤得到的复合体翻转，放入钎料熔体中，推动所述芯层材料与上层面板形成的复合体在钎料熔体内做往复运动，使所述复合体的芯层材料的底部与熔池槽的A区内的底部紧密接触并发生机械摩擦；
第7步：取下层面板切割至与所述复合体大小相同的尺寸后，清洗干燥，平置于熔池槽的B区底部，通过加热器将取下层面板加热至450～480℃，打开活动板，此时钎料熔体会自主流动至熔池槽的B区，待钎料熔体将下层面板完全浸没后立刻刮去下层面板表面的钎料熔体，随即将所述复合体平移并叠放在下层面板上后关闭活动板；
第8步：将所述复合体与下层面板叠放固定后取出熔池槽，以下层面板在下，所述复合体在上的方式放置在振动台上，然后叠放一块隔振板，同时施加0.5～5MPa的压力，使上层铝面板与芯层材料保持紧密贴合，启动振动台，调谐振动频率至100Hz，振幅为10～15μm，持续振动待所述复合体与下层面板温度降至420℃后停止振动，继续空冷至室温即实现所述复合体与下层面板的大面积复合连接的夹芯板，然后切割去边得到高速列车地板和厢体结构材料。
进一步，所述熔池槽的A区底面为粗糙面，熔池槽的B区底面为光洁表面，面板在放置在B区时，面板底部与B区底面密切贴合，钎料熔体不进入至面板与B区底面之间。
进一步，所述芯层材料为闭孔泡沫纯铝或防锈泡沫铝合金，所述上层面板和下层面板为工业铝板或铝合金板。
在上述制备过程中，首先泡沫铝待焊区面在与池槽底面的机械摩擦作用导致泡沫铝待焊区面的部分氧化膜被破坏，此时由于这一过程完全在熔体中进行，因此包括氧化膜被破坏的泡沫铝待焊区在内泡沫铝全部底面始终被熔体包裹，避免了高温过程中与空气接触所发生的氧化作用，然后在熔体中露出的泡沫铝胞壁骨架中的铝直接与熔体接触并在高温条件下与钎料熔体成分发生相互溶解和扩散作用，进一步了降低了泡沫铝胞壁母材熔点而使附着的氧化膜层下的铝骨架部分熔化，导致附着的氧化膜层在持续的机械摩擦作用下完全破碎分解而去除；此外，铝面板表面在与钎料熔体接触过程中也实现了相互熔合，随后将泡沫铝待焊区与面板相互叠合后，伴随振动作用，两者界面处的钎料熔体和残留的氧化物夹杂进一步扩散溶解，最终得到连接可靠的泡沫铝与铝面板的熔接复合界面。
本发明所述的芯层材料采用的闭孔泡沫纯铝或防锈泡沫铝合金，孔隙率可高达95％，屈服强度在1～30MPa，所述的面板为工业纯铝板或铝合金板。所述的芯层材料泡沫铝或泡沫铝合金与上下面板均采用上述焊接方法实现大面积冶金复合。
本发明所述的夹芯板尺寸可以根据实际需要设计，闭孔泡沫铝或泡沫铝合金可完全取代聚胺酯等有机物泡沫、蜂窝结构、海绵等芯层材料，也可以取代金属阵栅格夹芯结构材料，同时满足吸能、减振、隔噪、阻燃和加工装配性能的需要。
材料特性：
泡沫铝芯层材料是以铝或铝合金为基体，包含大量孔隙的一种超轻型多孔金属，分通孔和闭孔两大类，结构(孔径、孔型、孔隙率、基体合金)可调，通过焊接实现与上下面板的熔合连接，具有多样化的性能可满足不同需求。具有轻质、高比强度、高阻尼及高能量吸收等突出优点。闭孔泡沫纯铝或防锈泡沫铝合金孔隙率可以在45-95%大范围变化。当孔隙率为63%时，密度为1g/cm3；孔隙率为90%时，密度为0.27g/cm3。泡沫铝的抗压强度随孔隙率变化而变化。孔隙率越低，密度越大，抗压强度越高。泡沫纯铝孔隙率为63-90%时，其屈服强度为25-2.5MPa；防锈泡沫铝合金孔隙率为45-90%时，其屈服强度为60-1.5MPa。孔隙率为90%的泡沫纯铝的抗压强度约为2.5MPa，压缩应变为70%时，每立方米的吸能约为3.2MJ。泡沫金属内部大量无序分布的孔隙使得该材料具有各向同性的物理性质。
采用闭孔泡沫纯铝或防锈泡沫铝合金为芯材与铝合金面板焊接而成的泡沫铝夹芯复合板增大了实体金属的惯性矩，因而在保持轻质的特点的同时增大了材料刚度，是一种结构功能一体化的新型复合结构材料。
本发明的有益效果：
1.轻质。本发明所述及的高速列车地板和厢体结构材料，总体比重根据泡沫铝的孔隙率变化和上下面板厚度不同，选择厚度为15mm，孔隙率88%泡沫铝作为芯材，上下面板分别为2mm和1mm时，比重不大于0.8，质量不高于衬布实体铝型材和联接预埋件的铝蜂窝夹芯板的传统高速列车地板和厢体结构，远低于金属包覆实木结构。
2.刚度高。本发明所述及的高速列车地板和厢体结构材料，具有很高的刚度，选择厚度为15m，孔隙率88%泡沫铝作为芯材，上下面板分别为2mm和1mm，宽40mm，在三点弯曲条件下，跨矩200mm时，最大载荷不低于1800N，是相同质量钢板最大载荷的近6倍。
3.提高高速列车的安全性和可靠性。泡沫铝或泡沫铝合金在单轴压缩时，应力应变曲线具有长而稳定的屈服平台，其能量吸收能力和能量吸收效率均高于铝蜂窝、纸蜂窝、泡沫塑料和实木等。采用本发明的夹芯复合板用于高速列车地板和厢体结构材料，高速列车在高速行驶中如果遇到碰撞等危险，车厢体和地板等可以通过芯体材料大量孔隙变形稳定快速吸收动能，改善车体的动力响应状态，缓解破坏程度。
4.高速列车地板和厢体结构材料中的芯层材料是泡沫铝或泡沫铝合金，在制备过程中其表面被致密氧化铝膜包裹，研究表明，泡沫铝或泡沫铝合金在明火下不发生燃烧，不释放有害气体。
5.降低车体内噪声,提高车体舒适性。本发明所述及的高速列车地板和厢体结构材料具有阻尼减振的效果，特别是对高频振动阻尼更为有效。芯体材料具有各向同性，车体噪声在不同方向均可通过泡沫铝或泡沫铝合金孔隙胞壁的振动而耗散。
5.整体性好。本发明所述及的高速列车地板和厢体结构材料为全金属结构，所有连接均为冶金结合，各部分的导热率、电阻率和热膨胀系数等物理性能接近，结构整体性好。
6.耐腐蚀性能好，服役时间长。本发明所述及的高速列车地板和厢体结构材料上下面板为防锈铝合金板，与有机胶接地板相比，不存在易老化等问题，因而具有更长服役寿命，可以耐水、耐油浸、耐拖洗、耐磨擦。
7.加工性能好。本发明所述及的高速列车地板和厢体结构材料可以焊接再加工，可提高车厢体密封性，材料表面可以冷热喷涂、刮擦、刨铣和磨削，握钉力大，可以采用焊接方法或通过镙钉直接与车体结构联接。
8.可完全回收后循环再利用。本发明所述及的高速列车地板和厢体结构材料可实现完全回收再利用。
附图说明
图1 泡沫铝或泡沫铝合金在钎料熔体中机械摩擦作用示意图。
图2 泡沫铝或泡沫铝合金在钎料熔体中与面板叠合示意图。
图3 泡沫铝或泡沫铝合金与面板叠后振动复合示意图。
图中：
| 1.熔池槽 | 6.上层面板 |
| 2.芯层材料 | 7.下层面板 |
| 3.活动板 | 8.振动台 |
| 4.钎料熔体 | 9.隔振板 |
| 5.加热器 |
具体实施方式
以下通过具体实施例对本发明的技术方案做进一步说明。
实施例1:
选择孔隙率88%，孔隙均匀分布的闭孔泡沫铝，先根椐需求切割成厚度为15mm，长宽分别为610mm和410mm的板材，清洗干燥后放入温度为450℃的钎料熔体的熔池槽底部，按压并拖动泡沫铝板材反复运动约2分钟，在此过程中确保泡沫铝底部与熔池槽底部接触并发生机械摩擦，将钎料熔体铺展在水平放置的长宽分别为610mm和410mm，厚2mm的铝面板，然后将泡沫铝直接叠放在铝面板上，固定后从钎料熔体中取出，放置在振动台上，同时施加0.5MPa的压力，使上层铝面板与芯层材料保持紧密贴合，启动振动台，调谐振动频率至100Hz，振幅为10μm，待温度降至420℃后停止振动，将泡沫铝与面板的复合体翻转，将面板厚度改为1mm重复上述过程，最后切割成长宽分别为600mm和400mm的高速列车地板板材。
实施例2:
选择孔隙率90%，孔隙均匀分布的闭孔泡沫铝，先根椐需求切割成厚度为20mm，长宽分别为610mm和1810mm的板材，清洗干燥后放入温度为465℃的钎料熔体的熔池槽底部，按压并拖动泡沫铝板材反复运动约2分钟，在此过程中确保泡沫铝底部与熔池槽底部接触并发生机械摩擦，将钎料熔体铺展在水平放置的长宽分别为610mm和1810mm，厚2mm的铝面板，然后将泡沫铝直接叠放在铝面板上，固定后从钎料熔体中取出，放置在振动台上，同时施加2.5MPa的压力，使上层铝面板与芯层材料保持紧密贴合，启动振动台，调谐振动频率至100Hz，振幅为13μm，待温度降至420℃后停止振动，将泡沫铝与面板的复合体翻转，将面板厚度改为2mm重复上述过程，最后切割成长宽分别为600mm和1800mm的高速列车车门板。
实施例3:
选择孔隙率45%，孔隙均匀分布的闭孔泡沫铝，先根椐需求切割成厚度为20mm，长宽分别为610mm和410mm的板材，清洗干燥后放入温度为480℃的钎料熔体的熔池槽底部，按压并拖动泡沫铝板材反复运动约5分钟，在此过程中确保泡沫铝底部与熔池槽底部接触并发生机械摩擦，将钎料熔体铺展在水平放置的长宽分别为610mm和410mm，厚2mm的铝面板，然后将泡沫铝直接叠放在铝面板上，固定后从钎料熔体中取出，放置在振动台上，同时施加5MPa的压力，使上层铝面板与芯层材料保持紧密贴合，启动振动台，调谐振动频率至100Hz，振幅为15μm，待温度降至420℃后停止振动，将泡沫铝与面板的复合体翻转，将面板厚度改为1mm重复上述过程，最后切割成长宽分别为600mm和400mm的高速列车地板板材。
Claims (3)
1. 一种高速列车地板和厢体结构材料的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：
第1步：选取孔隙率为45～95%、屈服强度在1～30MPa的芯层材料（2）切割成厚度为15mm～25mm的板材，清洗干燥，备用；
第2步：在熔池槽（1）的A区内加入钎料，启动加热器（5）将钎料加热至450～480℃，使钎料熔化铺展并填充熔池槽（1）A区，钎料熔体在池槽中的高度不超过芯层材料（2）的厚度；
第3步：将步骤1中处理过的所述芯层材料（2）放入钎料熔体（4）中，推动所述芯层材料（2）在钎料熔体（4）内做往复运动，使所述芯层材料（2）的底部与熔池槽（1）A区内的底部紧密接触并发生机械摩擦；
第4步：将上层面板（6）切割至与所述芯层材料大小相同的尺寸后，清洗干燥，平置于熔池槽（1）的B区底部，通过加热器（5）将上层面板（6）加热至450～480℃，打开活动板（3），此时钎料熔体会自主流动至熔池槽（1）的B区，待钎料熔体将上层面板（6）完全浸没后立刻刮去上层面板（6）表面的钎料熔体，随即将所述芯层材料（2）平移并叠放在上层面板（6）上后关闭活动板（3）；
第5步：将所述芯层材料（2）与上层面板（6）叠放固定后取出熔池槽（1），以上层面板（6）在下，芯层材料（2）在上的方式放置在振动台（8）上，然后叠放一块隔振板（9），同时施加0.5～5MPa的压力，启动振动台，调谐振动频率至100Hz，振幅为10～15μm，持续振动，待芯层材料（2）与上层面板（6）的温度降至420℃后停止振动，继续空冷至室温即实现芯层材料（2）与上层面板（6）的大面积连接复合体；
第6步：将上述步骤得到的复合体翻转，放入钎料熔体（4）中，推动所述芯层材料（2）与上层面板形成的复合体在钎料熔体（4）内做往复运动，使所述复合体的芯层材料的底部与熔池槽（1）A区内的底部紧密接触并发生机械摩擦；
第7步：将下层面板（7）切割至与所述复合体大小相同的尺寸后，清洗干燥，平置于熔池槽（1）的B区底部，通过加热器（5）将取下层面板（7）加热至450～480℃，打开活动板（3），此时钎料熔体会自主流动至熔池槽（1）的B区，待钎料熔体将下层面板（7）完全浸没后立刻刮去下层面板（7）表面的钎料熔体，随即将所述复合体平移并叠放在下层面板（7）上后关闭活动板（3）；
第8步：将所述复合体与下层面板（7）叠放固定后取出熔池槽（1），以下层面板（7）在下，所述复合体在上的方式放置在振动台（8）上，然后叠放一块隔振板（9），同时施加0.5～5MPa的压力，启动振动台（8），调谐振动频率至100Hz，振幅为10～15μm，持续振动待所述复合体与下层面板（7）温度降至420℃后停止振动，继续空冷至室温即实现所述复合体与下层面板（7）的大面积复合连接的夹芯板，然后切割去边得到高速列车地板和厢体结构材料。
2.根据权利要求1所述的高速列车地板和厢体结构材料的制备方法，其特征在于，所述熔池槽（1）A区底面为粗糙面，池槽B区底面为光洁表面，面板在放置在B区时，面板底部与B区底面密切贴合，钎料熔体不进入至面板与B区底面之间。
3.根据权利要求1所述的高速列车地板和厢体结构材料的制备方法，其特征在于，所述芯层材料（2）为闭孔泡沫纯铝或防锈泡沫铝合金；所述上层面板(6)和下层面板(7)为工业铝板或铝合金板。
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