CN102494998A - 一种测量薄膜铝钢复合板铝膜和钢基体结合强度的方法 - Google Patents
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Abstract
一种测量薄膜铝钢复合板铝膜和钢基体结合强度的方法，它涉及一种测量薄膜铝钢复合板铝膜和钢基体结合强度的方法。本发明要解决现有方法对薄膜铝钢复合板铝膜和钢基体结合强度难以直接、准确测量的问题。本发明方法为：使用锌铝钎料，在非真空条件下，外加热源和超声作用，将铝合金和薄膜铝钢复合板的铝膜进行焊接，然后用电子万能试验机进行拉剪试验。本发明的测试方法，能够直接测得薄膜铝钢复合板铝膜和钢基体的结合强度，无需进行公式换算，且本发明的方法操作简单，无需昂贵的设备。本发明的方法应用于力学性能测试领域。
Description
技术领域
本发明涉及一种测量薄膜铝钢复合板铝膜和钢基体结合强度的方法。
背景技术
薄膜铝钢复合板制备，要求铝膜与钢基体之间具有足够的界面结合强度。铝膜与钢基体之间结合强度的数值大小，是评价膜基结合质量的最重要指标，是保证薄膜铝钢复合板满足后续包括焊接在内加工、使用的前提条件。准确评价和表征铝膜与钢基体之间的界面结合强度，是建立薄膜铝钢复合板质量评价体系的最关键一环，测量铝膜钢复合板铝膜和基体结合强度，是需要解决的问题。
薄膜与基体间的结合强度测试，从评价的结果的角度可分为两大类：(1)定性的方法有偏心车削法、弯折法、杯突法、网格法、热震(循环)法、凿击法、喷砂法和超声波法等。这些方法普遍都以经验判断、相对比较为依据，试验结果一般难以给出具体的参量数值，只能定性的评价好坏；(2)定量测定结合强度的方法有划痕法、断裂力学法、压痕法、激光剥离法等。划痕法是在试样表面划过，以测得造成膜破坏最小实验力，该方法至少存在以下问题：很多非界面因素影响最小实验力、膜失效形式有多种，测得临界值与结合强度计算公式由静力学导出，存在一定不合理性，因此，使用该方法不足够严密；断裂力学法(弯曲法)有三点弯曲和四点弯曲两种，该方法制备试样比较困难，需要考虑试样的尺寸以及胶合等因素；压痕法使用压头压入膜层，测得膜层开始剥落的临界载荷，并结合根据施压后压坑周围的信息评价结合强度，该方法在膜基协调变形，不易破坏时，难以测得临界载荷，且影响非界面因素较多；激光剥离法使用激光探头扫描薄膜表面，并在基体背部探测波形，该实验属非破坏性试验，实验设备昂贵，操作过程复杂。
将薄膜和辅助材料连接在一起，对复合材料和辅助材料施加力的作用，使薄膜与基体分离，从而测得薄膜和基体结合强度，是一种可行的办法，但这种方法要求薄膜和辅助材料结合强度要大于薄膜与基体结合强度，同时，薄膜和辅助材料结合不能影响薄膜以及薄膜和基体的结合。目前，胶粘剂剪切强度大多在40MPa以下，少数超过50MPa，后者在使用时，需要严格按照配比配制，涂胶后，在多个温度下固化，每个固化温度都需要保温数个小时，且胶粘剂普遍具有不同程度的毒性，满足不了环保要求。
发明内容
本发明目的是为了解决现有方法对薄膜铝钢复合板铝膜和钢基体结合强度难以直接、准确测量，而提供一种测量薄膜铝钢复合板铝膜和钢基体结合强度的方法。
本发明的一种测量薄膜铝钢复合板铝膜和钢基体结合强度的方法是按照以下步骤进行的：一、将薄膜铝钢复合板和铝合金的待焊面进行打磨、抛光，然后清洗薄膜铝钢复合板、铝合金的待焊面和锌铝钎料待用；二、将步骤一得到的薄膜铝钢复合板和铝合金，通过锌铝钎料进行单面搭接，准备焊接；三、焊接：将步骤二搭接后的薄膜铝钢复合板、锌铝钎料、铝合金，加热至50℃～550℃，然后将超声头放置于铝合金表面，进行超声处理0.5～20s，超声施加完毕，超声头不收起，继续用超声头施加垂直于铝合金表面的压力10～50N，持续1～60min，然后停止加热，冷却至室温，即得焊接件；四、将步骤三得到的焊接件薄膜铝钢复合板未焊接部分的铝膜划破，然后另取一薄膜铝钢复合板与焊接件的薄膜铝钢复合板未焊接部分对称粘贴，并在步骤三得到的焊接件的铝合金未焊接一侧粘贴另一铝合金，得试件待用；五、将步骤四中得到的试件，在电子万能试验机上，进行拉剪试验，即可测到铝膜和钢基体结合强度；其中，步骤一中薄膜铝钢复合板由铝膜和钢基体复合而成，薄膜铝钢复合板待焊面为铝膜一侧；步骤四中对称粘贴是指另取一薄膜铝钢复合板的铝膜与焊接件薄膜铝钢复合板未焊接部分的铝膜相连接。
本发明有益效果如下：
1、本发明铝合金和铝膜结合强度大于铝膜和钢基体结合强度，能够直接测得薄膜铝钢复合板铝膜和钢基体的结合强度，无需进行公式换算，且本发明的方法操作简单，无需昂贵的设备；
2、钎焊温度区间内，铝膜与铝膜或铝膜与钢基体没有变化，不会影响铝膜和钢基体的结合；
3、本发明中的铝膜，锌铝钎料层很薄，没有与铝合金和铝膜发生反应；铝膜与铝膜或铝膜与钢基体界面结构得以完整保留，在钎焊过程，不会影响铝膜和钢基体的结合；
4、与使用胶粘剂相比，本发明不需要耗费大量时间固化、无毒害作用，本发明的方法在薄膜铝钢复合板生产用途中是有效可行的。
5、本发明在非真空条件下，施加超声作用，使用锌铝钎料，将铝合金和薄膜铝钢复合板的铝膜进行焊接，本发明钎焊温度低，在50～550℃即可完成钎焊过程。
附图说明
图1是具体实施方式十六薄膜铝钢复合板与铝合金焊接示意图；其中，1为薄膜铝钢复合板；2为5系铝合金；3为Zn-5Al钎料箔；4为薄膜铝钢复合板的钢基体；5为薄膜铝钢复合板的铝膜；6为超声头；7为超声头振动方向；8为加热；
图2是具体实施方式十六拉剪测试示意图；1为薄膜铝钢复合板；2为5系铝合金；3为Zn-5Al钎料箔；4为薄膜铝钢复合板的铝膜；9为拉剪试验作用力方向；
图3是具体实施方式十六薄膜铝钢板铝层和钢基体焊缝微观组织结构金相图片或光学显微镜图片；
图4是具体实施方式十六薄膜铝钢复合板铝层和钢基体断裂后微观组织结构金相图片或光学显微镜图片；
图5是具体实施方式十六焊接前薄膜铝钢复合板界面形貌金相图片或光学显微镜图片；
图6是具体实施方式十六薄膜铝钢复合板界面形貌金相图片或光学显微镜图片。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式的一种测量薄膜铝钢复合板铝膜和钢基体结合强度的方法是按照以下步骤进行的：一、将薄膜铝钢复合板和铝合金的待焊面进行打磨、抛光，然后清洗薄膜铝钢复合板、铝合金的待焊面和锌铝钎料待用；二、将步骤一得到的薄膜铝钢复合板和铝合金，通过锌铝钎料进行单面搭接，准备焊接；三、焊接：将步骤二搭接后的薄膜铝钢复合板、锌铝钎料、铝合金，加热至50℃～550℃，然后将超声头放置于铝合金表面，进行超声处理0.5～20s，超声施加完毕，超声头不收起，继续用超声头施加垂直于铝合金表面的压力10～50N，持续1～60min，然后停止加热，冷却至室温，即得焊接件；四、将步骤三得到的焊接件薄膜铝钢复合板未焊接部分的铝膜划破，然后另取一薄膜铝钢复合板与焊接件的薄膜铝钢复合板未焊接部分对称粘贴，并在步骤三得到的焊接件的铝合金未焊接一侧粘贴另一铝合金，得试件待用；五、将步骤四中得到的试件，在电子万能试验机上，进行拉剪试验，即可测到铝膜和钢基体结合强度；其中，步骤一中薄膜铝钢复合板由铝膜和钢基体复合而成，薄膜铝钢复合板待焊面为铝膜一侧；步骤四中对称粘贴是指另取一薄膜铝钢复合板的铝膜与焊接件薄膜铝钢复合板未焊接部分的铝膜相连接。
本实施方式步骤四所述的铝膜划破是为了避免铝膜抗拉强度的影响。
本实施方式步骤四所述的在焊接件上粘贴薄膜铝钢复合板和铝合金是为了在步骤五测试时施加的作用力中心线与焊接界面的中心线保持在一条直线上。
本实施方式的优点是：
1、本实施方式铝合金和铝膜结合强度大于铝膜和钢基体结合强度，能够直接测得薄膜铝钢复合板铝膜和钢基体的结合强度，无需进行公式换算；
2、钎焊温度区间内，铝膜与铝膜或铝膜与钢基体没有变化，不会影响铝膜和钢基体的结合；
3、本实施方式中的铝膜，锌铝钎料层很薄，没有与铝合金和铝膜发生反应；铝膜与铝膜或铝膜与钢基体界面结构得以完整保留，在钎焊过程，不会影响铝膜和钢基体的结合；
4、与使用胶粘剂相比，本发明不需要耗费大量时间固化、无毒害作用，本实施方式的方法在薄膜铝钢复合板生产用途中是有效可行的。
5、本实施方式是在非真空条件下，施加超声作用，使用锌铝钎料，将铝合金和薄膜铝钢复合板的铝膜进行焊接，本实施方式钎焊温度低，在50～550℃即可完成钎焊过程。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是步骤一中的锌铝钎料为厚度为0.1～10mm。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一至二不同的是步骤二中所述的单面搭接，搭接面长度为2mm～10mm。其它与具体实施方式一至二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是步骤三中的加热采用电加热。其它与具体实施方式一至三之一相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是步骤三所述加热至50～550℃。其它与具体实施方式一至四之一相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是步骤三所述的超声处理是在频率为20～100kHz，振幅为1～10μm的条件下进行的。其它与具体实施方式一至五之一相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是步骤三所述超声处理是在1标准大气压的条件下进行的。其它与具体实施方式一至六之一相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是步骤三所述的超声波处理5～10s。其它与具体实施方式一至七之一相同。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八之一不同的是步骤三所述的施加垂直于待焊面的压力20～40N。其它与具体实施方式一至八之一相同。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一至九之一不同的是步骤四所述的铝膜划破是指将薄膜铝钢复合板未进行焊接部分的铝膜划破，深度为70～80μm，使得后续测试时施加的作用力中心线与焊接界面的中心线保持在一条直线上。其它与具体实施方式一至九之一相同。
具体实施方式十一：本实施方式与具体实施方式一至十之一不同的是步骤一所述的锌铝钎料为Zn含量90％～98％，余量为铝。其它与具体实施方式一至十之一相同。
具体实施方式十二：本实施方式与具体实施方式一至十一之一不同的是步骤一所述的铝合金为5系铝合金。其它与具体实施方式一至十一之一相同。
具体实施方式十三：本实施方式与具体实施方式一至十二之一不同的是步骤一所述的打磨180～600目水砂纸进行打磨。其它与具体实施方式一至十二之一相同。
具体实施方式十四：本实施方式与具体实施方式一至十三之一不同的是步骤一所述的清洗是指采用丙酮或无水乙醇进行的。其它与具体实施方式一至十三之一至相同。
具体实施方式十五：本实施方式与具体实施方式一至十四之一不同的是步骤一所述的抛光是指采用抛光机进行抛光。其它与具体实施方式一至十四之一至相同。
具体实施方式十六：本实施方式的一种测量薄膜铝钢复合板铝膜和钢基体结合强度的方法是按照以下步骤进行的：一、首先将薄膜铝钢复合板铝膜，5系铝合金两侧用600目水砂纸打磨，在宇舟牌MP-1A金相试样磨抛机上用抛光布进行抛光，用丙酮清洗至表面光滑，取1mm厚的Zn-5Al钎料箔用丙酮清洗至表面光滑；二、将步骤一得到的薄膜铝钢复合板、Zn-5Al钎料箔、5系铝合金，按图1所示的方式进行搭接，将薄膜铝钢复合板1的铝膜4与5系铝合金2通过Zn-5Al钎料箔3搭接到一起，使薄膜铝钢复合板与铝合金间隙为300μm，搭接面长度为8mm；三、焊接：将步骤二搭接后的薄膜铝钢复合板、Zn-5Al钎料箔、5系铝合金，采用电阻加热至550℃，然后在步骤二安装后的铝合金表面在频率为80kHz、振幅为8μm的条件下，超声处理10s，超声施加完毕，超声头6不收起，继续施加垂直于铝合金表面的压力30N，持续时间40min，然后冷却至25℃，即得焊接件；四、将步骤三得到的焊接件的薄膜铝钢复合板未焊接的铝膜用刀沿着步骤五施加力的方向，划开一条深度为80μm，长度为所粘贴的另一薄膜铝钢复合板的长度，按图2所示，用双面胶将另一薄膜铝钢复合板1和5系铝合金2粘贴到步骤三得到的焊接件上，即得试件；五、将按步骤五中得到的试件，在电子万能试验机上，进行拉剪试验，即可测到铝膜和钢基体结合强度；其中，步骤四所述的另一薄膜铝钢复合板1粘贴到步骤三得到的焊接件上是指将另一薄膜铝钢复合板1的铝膜4与焊接件薄膜铝钢复合板未焊接的铝膜4一侧进行粘贴。
本试验使用的Zn-5Al钎料箔由5wt.％的Al和95wt.％Zn组成。
本试验测得的铝膜和钢基体结合强度为70～80MPa。
本试验步骤四将铝膜划破，由于薄膜铝钢复合板和铝合金的铝膜厚度仅为70～80μm，钢板厚度大于1.5mm，使得加载的作用力中心线几乎通过薄膜铝钢复合板和铝合金结合的界面，这样避免测量中产生的误差。
由图4所示，在拉剪强度测试时，断裂位置基本为铝膜和钢基体的界面，从而直接测得薄膜铝钢复合板铝膜和钢基体的结合强度，无需进行公式换算。
由图5和图6，加热前后铝膜和钢基体组织结构、晶粒大小没有发生变化，更没有金属间化合物生成。这说明在钎焊温度区间内，铝膜、铝膜和钢基体没有变化，不会影响铝膜和钢基体的结合。
通过图3、图4和图5的对比可知，本发明焊接前后，铝膜组织、厚度等几乎没有发生变化；相对于铝膜，锌铝钎料层很薄，没有与铝合金和铝膜发生反应；铝膜、铝膜和钢基体界面结构得以完整保留，没有受到影响。
Claims (10)
1.一种测量薄膜铝钢复合板铝膜和钢基体结合强度的方法，其特征在于测量薄膜铝钢复合板铝膜和钢基体结合强度的方法是按照以下步骤进行：一、将薄膜铝钢复合板和铝合金的待焊面进行打磨、抛光，然后清洗薄膜铝钢复合板、铝合金的待焊面和锌铝钎料待用；二、将步骤一得到的薄膜铝钢复合板和铝合金，通过锌铝钎料进行单面搭接，准备焊接；三、焊接：将步骤二搭接后的薄膜铝钢复合板、锌铝钎料、铝合金，加热至50℃～550℃，然后将超声头放置于铝合金表面，进行超声处理0.5～20s，超声施加完毕，超声头不收起，继续用超声头施加垂直于铝合金表面的压力10～50N，持续1～60min，然后停止加热，冷却至室温，即得焊接件；四、将步骤三得到的焊接件薄膜铝钢复合板未焊接部分的铝膜划破，然后另取一薄膜铝钢复合板与焊接件的薄膜铝钢复合板未焊接部分对称粘贴，并在步骤三得到的焊接件的铝合金未焊接一侧粘贴另一铝合金，得试件待用；五、将步骤四中得到的试件，在电子万能试验机上，进行拉剪试验，即可测到铝膜和钢基体结合强度；其中，步骤一中薄膜铝钢复合板由铝膜和钢基体复合而成，薄膜铝钢复合板待焊面为铝膜一侧；步骤四中对称粘贴是指另取一薄膜铝钢复合板的铝膜与焊接件薄膜铝钢复合板未焊接部分的铝膜相连接。
2.根据权利要求1所述的一种测量薄膜铝钢复合板铝膜和钢基体结合强度的方法，其特征在于步骤一中的锌铝钎料为厚度为0.1～10mm。
3.根据权利要求1所述的一种测量薄膜铝钢复合板铝膜和钢基体结合强度的方法，其特征在于步骤二中所述的单面搭接，搭接面长度为2mm～10mm。
4.根据权利要求1所述的一种测量薄膜铝钢复合板铝膜和钢基体结合强度的方法，其特征在于步骤三中的加热采用电加热。
5.根据权利要求1所述的一种测量薄膜铝钢复合板铝膜和钢基体结合强度的方法，其特征在于步骤三中加热至50～550℃。
6.根据权利要求1所述的一种测量薄膜铝钢复合板铝膜和钢基体结合强度的方法，其特征在于步骤三所述的超声处理是在频率为20～100kHz，振幅为1～10μm的条件下进行的。
7.根据权利要求1所述的一种测量薄膜铝钢复合板铝膜和钢基体结合强度的方法，其特征在于步骤三所述的超声处理是在1标准大气压的条件下进行的。
8.根据权利要求1所述的一种测量薄膜铝钢复合板铝膜和钢基体结合强度的方法，其特征在于步骤三所述的超声波处理5～10s。
9.根据权利要求1所述的一种测量薄膜铝钢复合板铝膜和钢基体结合强度的方法，其特征在于步骤三所述的施加垂直于待焊面的压力20～40N。
10.根据权利要求1所述的一种测量薄膜铝钢复合板铝膜和钢基体结合强度的方法，其特征在于步骤四所述的铝膜划破是指将步骤三焊接件的薄膜铝钢复合板未进行焊接部分的铝膜按照步骤五拉剪试验的施力方向划开一条直线开口，划破深度为70～80μm。
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