CN103862163A - 一种铝/铝合金复合板材的制造方法 - Google Patents

一种铝/铝合金复合板材的制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种铝/铝合金复合板材的制造方法，该方法为：将两个原始铝合金板坯宽度方向的平面相对、平行的放置在底板上，两铝合金板坯形成电渣熔合所需的间隙；在间隙的两头设有挡板，将两板坯之间的间隙围成封闭的空间；根据板坯长度与间隙宽度的比值确定自耗电极的数量和尺寸，自耗电极的材料可根据实际需要选择；自耗电极固定在夹持装置上，夹持装置通过导电装置与外电路连接；自耗电极与底板间通过熔渣及导电装置和外部交流/直流电路形成回路，自耗电极在渣阻热的作用下不断熔化，两板坯之间的间隙被填充，获得一铝/铝合金的复合板。本发明所述方法用于制造铝及铝合金的复合板，也可用于厚度大于250毫米的铝合金厚板。

Description

一种铝/铝合金复合板材的制造方法
技术领域
本发明涉及铝/铝合金坯料的生产技术领域，具体地，涉及一种铝/铝合金复合板材的制造方法。
背景技术
复合材料是材料领域重要的发展和研究方向之一。复合材料具有比单一材料更好的综合性能，受到国防、民用、研究等领域的普遍关注。
金属复合板材是一种新型的结构复合材料，该类复合材料可以将两种或多种具有不同性能的板材复合为一体。复合板材具有单种金属不可比拟的优点：1）减少价格较高板材的用量，降低成本；2）综合性能较好，良好的高温性能、耐磨性能、断裂韧性、抗疲劳性。复合板材优异的性能受到广泛的关注，已应用于到飞机、船舶、建筑装饰、石油化工等行业。
复合板材的制造方法主要有：1）轧制复合法；2）铸造复合法；3）爆炸复合法；4）挤压法；5）焊接法。轧制复合法应用最为广泛，也被认为是一种最有效的复合板材的制造方法，但该方法也有一些难以克服的缺点：1）铝极容易氧化，生成界面脆性相。2）对于尺寸较大件，因轧制前需要预热，所以必须要有保温措施，所以通常情况下生产的复合板的尺寸受到限制。3）工艺过程的稳定较差，不易控制。4）由于受到设备的限制，不能用于制造厚度大于250毫米的复合铝板。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提一种铝/铝合金复合板材的制造方法，所生产的复合铝合金板具有较好的界面结合强度，同时该方法也能克服轧制法自身的不足。
为实现以上目的，本发明提供一种铝/铝合金复合板材的制造方法，该方法采用电渣重熔的原理将两铝/铝合金板坯熔合为复合板，具体实施步骤为：
将需要连接的两块原始板坯平行的放置于底板上，原始板坯的上方设置冒口，原始板坯之间留有一间隙，间隙的两头设置有挡板围住，自耗电极伸入到该间隙中并在通电后与熔渣（渣池）、底板及外部电路形成闭合回路；
熔渣放置在自耗电极正下方的底板位置，自耗电极在渣阻热的作用下熔化，熔化的金属将两原始板坯间的间隙填充，使两原始板坯熔合为一体得到铝/铝合金的复合板材。
优选地，所述原始板坯可以为铸造板坯或经塑性变形板坯或其它形式的板坯，两块原始板坯的材料可相同也可不同；两块原始板坯的平行放置时，采取与宽度方向垂直的平面相对的方式并排放置，并留有适当间隙；形成间隙的原始板坯表面需经过抛丸或砂轮研磨处理，且使用前预热到200～300℃。
优选地，所述冒口用石墨块或铜块或耐火材料放置于原始板坯的上端，冒口的高度尺寸大于渣池的深度。从有利于补缩的角度来说，冒口选择石墨块最好，因石墨块被加热后自身轻微的燃烧起到保温的作用。冒口的材料和尺寸的选择应根据实际需求而定。
优选地，所述挡板可以采用石墨板或铜板，也可为上层石墨板下层铜板的复合布置。必要时也可在复合挡板外层铜板中间加工加热或冷却用的流道。具体采用哪种形式，取决于实际的铝合金的原材料及实际对厚板性能的要求。
优选地，所述底板上设有盛放渣料的弧形凹槽，该弧形凹槽可以起到盛放渣料，降低块板坯连接处应力的作用。底板可选用水冷铜板，或石墨板，也可选用上层为石墨板、下层为铜板的复合布置，但与熔合部位接触的底板必须设置适当的弧形凹槽。弧形凹槽上涂有高温脱模剂，方便后续取件。
优选地，所述底板采用石墨板、铜板的复合布置，且石墨板位于上层，即形成封闭空间的内表面，下层为铜板，铜板中有起循环加热或冷却作用的流道，该流道通循环水或油或其它高温液体，起到冷却或加热作用。
优选地，所述自耗电极的材料根据实际要求选取，可与两原始板坯相同，也可不同，即：可与两原始板坯其中之一的材料成分一致，当两板坯材料相同时可选择不同于两原始板坯成分的第二种，当两板坯材料不同时可选择不同于两原始板坯成分的第三种材料。
优选地，所述自耗电极的尺寸和数量根据原始板坯长度与间隙宽度的比值选取，该比值小于2.5时选用单电极，该比值大于7时采用三电极。具体的：自耗电极的尺寸根据电渣重熔工艺对填充比的要求选择；自耗电极的数量根据实际被连接板坯的尺寸选择，当原始坯料长度与两原始坯料的间距之比小于2.5倍时，采用单自耗电极，采用直流/交流电形成回路；当原始坯料的长度与两原始坯料间距之比大于7倍时，用三个自耗电极沿宽度方向并列布置，三根自耗电极与三相交流电的三相相连，形成三相四线回路；当原始坯料长度与两原始坯料的间距之比在2.5～7倍之间时，也可采用三根自耗电极并排布置，外部与三相交流电形成回路。
优选地，所述闭合回路是单电极可与交流/直流形成回路，三电极与交流电路形成三相四线回路。
优选地，整个方法过程中，所述自耗电极通过电极加持装置在自动控制系统的控制下不断下移，金属熔池及渣池不断上移，最终移到冒口位置完成一次熔合过程，两块铝板被熔合为一块复合铝板。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
本发明提供一种铝合金复合板的生产方法——电渣熔合法，是利用电渣重熔原理，采用自耗电极熔化工艺将金属板材熔合为一体。该工艺在整个熔合过程中有熔渣的保护，避免了轧制法金属易氧化不足。由于整个过程在较高温度下进行，所以界面结合异常的牢固。两块板材复合时，界面金属进行了熔化再凝固的过程，界面处的成分过渡较自然，几乎不存在界面应力的问题。界面处的凝固组织可根据实际需要控制，通过改变凝固条件可获得不同的凝固组织。
与铸锭轧制法相比厚板内部的偏析缺陷几乎不存在，更为重要的是该方法制造的复合铝合金板材界面结合牢固。使用该方法不仅能用于两种不同板材的复合，也可用于同种材料的复合，制造厚度较大的板坯，比如可用来生产铝合金厚板，尤其是厚度在250毫米以上的铝合金厚板。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明实施例1、2的示意图；
图2为本发明实施例3的示意图；
图3为本发明底板结构示意图；
图4为本发明图1或图2的剖面示意图。
图中：1为自耗电极，2为冒口，3为原始板坯，4为两端挡板，5为夹持装置，6为填充间隙，7为底板，8为弧形凹槽，9为熔池。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
实施例1
本实施例欲生产厚度为700毫米、宽度为2000毫米、长度为2500㎜的复合铝板，所得铝板的一半为3003铝合金成分，另一半为6065铝合金成分。本实施例选用的原始板坯3为一块3003铝合金板材和一块6065铝合金板材，两块原始坯料3的尺寸均为：250㎜厚、2000㎜宽、2500㎜长。自耗电极1是用6065板材按预定尺寸机加工而成。
本实施例中装置的布置示意图如图1、4所示，将两块原始板坯3放置于底板7上，原始板坯3的宽度方向与自耗电极1的轴向平行，原始板坯3之间留有200毫米的间距（即填充间隙6）。原始板坯3的上方设有冒口2。原始板坯3之间间隙6的两头用挡板4封住，这样原始板坯3、冒口2、挡板4形成一封闭的空间。自耗电极1用夹持装置5固定，将自耗电极1自动移动到接近地板上引弧剂附近，设备通电引弧，并均匀加入渣剂，装置开始正常工作。装置正常工作时，自耗电极1在渣阻热的作用下不断熔化，同时液态金属在两原始板坯3间凝固。自耗电极1在自动控制系统的控制下不断移动，金属熔池9不断向上移动，最终完成两原始板坯3的熔合，得到一厚度为750毫米、宽度为2000毫米、长度为2500㎜的复合铝板。
本实施实例中，所述自耗电极1的厚度为160㎜，自耗电极1与两原始板坯3间的间隙为20㎜。自耗电极1的宽度为300㎜。三个自耗电极1的间距为400㎜，并列布置，三个自耗电极1通过导电装置分别与三相电的三相连接，三个电极与底板7通过交流电路形成三相四线回路。
本实施例中，所述原始板坯3形成封闭间隙的表面或被连接的表面，使用前要经抛丸或砂轮研磨处理，以去除表面的氧化物或油污。原始板坯3使用前预热至250℃，以利于界面结合。
本实施例中，所述底板7为石墨板，石墨板的表面加工成图3所示的用于盛放渣料的弧形凹槽8，使用时在凹槽表面涂一层高温脱模剂。
本实施例中，所述挡板4为铜板与石墨板复合装置，挡板4内侧为表面光滑且致密度较高的石墨板，外侧为铜板，铜板中的流道内通200℃的循环热油，用于防止两种不同材料界面处产生过大的应力。
本实施例中，形成密闭空间的缝隙处均采用高温粘结剂封好，防止在电渣熔合过程中金属、熔渣的流出。
实施例2
本实施例欲生产厚度为750毫米、宽度为2000毫米、长度为2500㎜的铝板。选用的两块原始板坯3分别为6065铝合金板材和8021铝合金板材，原始板坯3的尺寸均为：250㎜厚、2000㎜宽、2500㎜长。自耗电极1是用6065板材按预定尺寸机加工而成。
本实施例中装置的布置示意图如图1、4所示。将两块原始板坯3放置于底板7上，原始板坯3的宽度方向与自耗电极1的轴向平行，原始板坯3之间留有200毫米的间距。原始板坯3的上方设有冒口2。原始板坯3间隙的两头用挡板4封住，这样原始板坯3、冒口2、挡板4形成一封闭的空间。自耗电极1用夹持装置5固定，将自耗电极1自动移动到接近底板7上引弧剂附近，设备通电引弧，并均匀加入渣剂，装置开始正常工作。装置正常工作时，自耗电极1在渣阻热的作用下不断熔化，同时液态金属在两原始板坯3间凝固。自耗电极1在自动控制系统的控制下不断移动，金属熔池9不断向上移动，最终完成两原始板坯4熔合，得到一厚度为750毫米、宽度为2000毫米、长度为2500㎜的复合铝板。
本实施例中，所述自耗电极1的厚度为160㎜，自耗电极1与两原始板坯3间的间隙为20㎜。自耗电极1的宽度为300㎜。三个自耗电极1的间距为400㎜，并列布置，三个自耗电极1通过导电装置分别与三相电的三相连接，三个自耗电极1与底板7通过交流电路形成三相四线回路。
本实施例中，所述原始板坯3形成封闭间隙的表面或被连接的表面，使用前要经抛丸或砂轮研磨处理，以去除表面的氧化物或油污。原始板坯3使用前预热至250℃，以利于界面结合。
本实施例中，所述底板7为石墨板，石墨板的表面加工成图3所示的用于盛放渣料的弧形凹槽8，使用时在凹槽表面涂一层高温脱模剂。
本实施例中，所述挡板4为石墨板与铜板的复合装置，挡板4内侧为表面光滑且致密度较高的石墨板，外侧为铜板，在铜板的流道中通60～80℃的循环水。通循环水的目的是为了获得较细的凝固组织。
本实施例中，所述形成密闭空间的缝隙处均采用高温粘结剂封好，防止在电渣熔合过程中金属、熔渣的流出。
实施例3
本实施例欲生产厚度为550毫米、宽度为1500毫米、长度为1000㎜的铝板。选用的原始板坯3为3003铝合金板材，原始板坯3尺寸为：200㎜厚、1500㎜宽、1000㎜长。自耗电极1是用3003板材按预定尺寸机加工而成。
本实施例中装置的布置示意图如图2、4所示。将两块原始板坯3放置于底板7上，原始板坯3的宽度方向与自耗电极1的轴向平行，原始板坯3之间留有150毫米的间距。原始板坯3的上方设有冒口2。原始板坯3间隙的两头用挡板4封住，这样原始板坯3、冒口2、挡板4形成一封闭的空间。自耗电极1用夹持装置5固定，将自耗电极1自动移动到接近底板7上的引弧剂附近，设备通电引弧，并均匀加入渣剂，装置开始正常工作。装置正常工作时，自耗电极1在渣阻热的作用下不断熔化，同时液态金属在两原始板坯3间凝固。自耗电极1在自动控制系统的控制下不断移动，金属熔池9不断向上移动，最终完成两原始板坯4的熔合，得到一厚度为550毫米、宽度为1500毫米、长度为1000㎜的铝板。
本实施例中，所述自耗电极1的厚度为110㎜，自耗电极1与两原始板坯3间的间隙为20㎜；自耗电极1的宽度为200㎜。
本实施例中，所述原始板坯3形成封闭间隙的表面或被连接的表面，使用前要经抛丸或砂轮研磨处理，以去除表面的氧化物或油污。原始板坯3使用前预热至200℃，以利于界面结合。
本实施例中，所述底板7为石墨板，石墨板的表面加工成图3所示的用于盛放渣料的弧形凹槽8，使用时在凹槽表面涂一层高温脱模剂。
本实施例中，所述挡板4为表面光滑且致密度较高的石墨板。
本实施例中，所述形成密闭空间的缝隙处均采用高温粘结剂封好，防止在电渣熔合过程中金属、熔渣的流出。
与铸锭轧制法相比厚板内部的偏析缺陷几乎不存在，更为重要的是该方法制造的复合铝合金板材界面结合牢固。使用该方法不仅能用于两种不同板材的复合，也可用于同种材料的复合，制造厚度较大的板坯，尤其是厚度在250毫米以上的铝合金厚板。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (12)

1.一种铝/铝合金复合板材的制造方法，其特征在于，该方法采用电渣重熔的原理将两铝/铝合金板坯熔合为复合板，具体实施步骤为：
将需要连接的两块原始板坯平行的放置于底板上；原始板坯的上方设置冒口；原始板坯之间留有一间隙，间隙的两头设置有挡板围住，自耗电极伸入到间隙中并在通电后与熔渣即渣池、底板及外部电路形成闭合回路；
熔渣放置在自耗电极正下方的底板位置；自耗电极在渣阻热的作用下熔化，熔化的金属将两原始板坯间的间隙填充，使两原始板坯熔合为一体得到铝/铝合金的复合板材。
2.根据权利要求1所述的一种铝/铝合金复合板材的制造方法，其特征在于，所述原始板坯为铸造板坯或经塑性变形板坯，两块原始板坯的平行放置时，采取与宽度方向垂直的平面相对的方式并排放置，并留有一间隙，形成间隙的原始板坯表面经过抛丸或砂轮研磨处理，且使用前预热到200～300℃。
3.根据权利要求1所述的一种铝/铝合金复合板材的制造方法，其特征在于，所述冒口用石墨块或铜块或耐火材料放置于原始板坯的上端，冒口的高度尺寸大于渣池的深度。
4.根据权利要求1所述的一种铝/铝合金复合板材的制造方法，其特征在于，所述挡板采用石墨板或铜板；或者所述挡板采用上层为石墨板、下层为铜板的复合布置。
5.根据权利要求1所述的一种铝/铝合金复合板材的制造方法，其特征在于，所述底板上设有盛放渣料的弧形凹槽。
6.根据权利要求5所述的一种铝/铝合金复合板材的制造方法，其特征在于，所述弧形凹槽上涂有高温脱模剂。
7.根据权利要求1所述的一种铝/铝合金复合板材的制造方法，其特征在于，所述底板用石墨板或水冷铜板；
或者所述底板采用石墨板、铜板的复合布置，且复合布置时的石墨板位于上层即形成封闭空间的内表面，下层为铜板，铜板中有起循环加热或冷却作用的流道，该流道通循环水或油或高温液体，起到冷却或加热作用。
8.根据权利要求1所述的一种铝/铝合金复合板材的制造方法，其特征在于，所述自耗电极的材料与两原始板坯其中之一的材料成分相同，或者当两板坯材料相同时选择不同于两原始板坯成分的第二种材料，或者当两板坯材料不同时选择不同于两原始板坯成分的第三种材料。
9.根据权利要求1所述的一种铝/铝合金复合板材的制造方法，其特征在于，所述自耗电极的尺寸和数量根据原始板坯长度与间隙宽度的比值选取，该比值小于2.5时选用单电极，该比值大于7时采用三电极。
10.根据权利要求9所述的一种铝/铝合金复合板材的制造方法，其特征在于，所述自耗电极的尺寸根据电渣重熔工艺对填充比的要求选择；自耗电极的数量根据实际被连接板坯的尺寸选择，当原始坯料长度与两原始坯料的间距之比小于2.5倍时，采用单自耗电极，采用直流/交流电形成回路；当原始坯料的长度与两原始坯料间距之比大于7倍时，用三个自耗电极沿宽度方向并列布置，三根自耗电极与三相交流电的三相相连，形成三相四线回路；当原始坯料长度与两原始坯料的间距之比在2.5～7倍之间时，采用三根自耗电极并排布置，外部与三相交流电形成回路。
11.根据权利要求10所述的一种铝/铝合金复合板材的制造方法，其特征在于，所述闭合回路是单电极与交流/直流形成回路，三电极与交流电路形成三相四线回路。
12.根据权利要求1-10任一项所述的一种铝/铝合金复合板材的制造方法，其特征在于，整个方法过程中，所述自耗电极通过电极加持装置在自动控制系统的控制下不断下移，金属熔池及渣池不断上移，最终移到冒口位置完成一次熔合过程，两块铝板被熔合为一块复合铝板。
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