CN106680200A - 检测复合材料界面结合强度的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种检测复合材料界面结合强度的方法，包括：准备两块待测的复合材料、以及一块待钎焊铝板和一块填充料；将两块复合材料、一块待钎焊铝板和一块填充料排列成三层结构：待钎焊铝板和填充料并列置于两块复合材料的中间，待钎焊铝板部分伸出两块复合材料；两块复合材料以薄金属层相对的方式设置；钎焊，得到钎焊件；牵拉所述钎焊件，直到所述钎焊件被拉断，记录测得力的值，计算得到薄金属层和基材界面结合强度；其中，位于待钎焊铝板和填充料之间的复合材料的薄金属层被去除。本发明采用双面钎焊制得试样进行检测，使得作用在薄金属层上的两个力能够作用在一个平面内，被拉剪后的试样的钢基和铝合金层不会产生弯折角，被测值更准确。
Description
技术领域
本发明涉及一种检测复合材料界面结合强度的方法，特别是用于测量超薄复合层与其他基材界面结合强度的方法。
背景技术
目前，钎焊式热交换器用铝钢复合材料，是由铝、钢双金属复合而成的复合材料，其成品厚度为1.5mm～1.6mm之间，包覆铝层厚度在0.075mm～0.1mm之间，铝、钢界面结合强度是评价铝钢复合材料的关键性能指标，但是由于包覆铝层厚度非常薄，采用常规的拉剪、撕裂、压剪等评价界面结合强度的方法，铝层会发生断裂，难以评价。
现有技术中常用胶水粘接和单面钎焊的方式，来定量检测(即精准检测)铝钢复合材料界面结合强度。但是胶水粘接的方法受胶水粘接强度的影响很大，目前胶粘强度基本在35MPa以下，难以准确检测铝钢复合材料界面结合强度，且试验周期较长，一般胶水凝固、固定需要24小时以上。
单面钎焊是目前较为常见的检测方法，从试样的制备到检测结束，一般在4～6小时之间，具有试验周期短的优点。图3是单层钎焊示意图；图3中，复合材料10(包括铝合金层2和钢基体1)与待钎焊铝板20经钎焊后形成试样，放在拉伸试验机上拉剪。然而，复合材料10与待钎焊铝板20都会在拉剪过程中变形，于断裂处形成弯折角，试样拉剪后最终为图4所示状态。在单面钎焊的拉剪过程中，薄金属层在结合界面处受到沿结合界面的剪切力和垂直结合界面的剥离力，界面结合强度由剪切力和剥离力共同组成，剪切力和剥离力的大小、方向与弯折角有关，而弯折角与复合材料厚度、钎焊层厚度和复合材料界面结合强度有关，因此，在众多影响因素中，分析结合界面所受的剪切力的计算复杂，影响因素多结果不准确，不同厚度材料间很难进行对比分析，难以满足实验精确测量对比研究的要求。
发明内容
为克服上述现有技术存在的缺陷，本发明公开一种检测复合材料界面结合强度的方法，可以准确的测量出薄金属层，特别是薄层铝或铝合金附着在基材上的结合强度。
本发明是通过下面的技术方案来实现的：
一种检测复合材料界面结合强度的方法，所述复合材料包括复合的薄金属层和基材，所述检测方法包括：
准备两块所述待测的复合材料、以及一块待钎焊铝板和一块填充料；
将两块复合材料、一块待钎焊铝板和一块填充料排列成三层结构，其中，所述待钎焊铝板和所述填充料并列置于两块所述复合材料的中间，所述待钎焊铝板部分伸出所述两块复合材料；两块所述复合材料以薄金属层相对的方式设置；
将按上述位置关系搭接好的三层结构钎焊，得到钎焊件；
牵拉所述钎焊件，直到所述钎焊件被拉断，记录测得力的值，计算得到薄金属层和基材界面结合强度；
其中，可在牵拉之前，去除位于待钎焊铝板和填充料之间的复合材料的薄金属层。
按照公式P＝F/S，计算得到薄金属层和基材界面结合强度；其中，
P为所述复合材料界面的结合强度；
F为测得力；
S为所述待钎焊铝板与两复合材料的薄金属层的接触面积之和。
所述待钎焊铝板和所述填充料在钎焊后厚度相同，这使得钎焊后的钎焊件在牵拉的过程中，三层结构受力稳定，不会发生由于受力点不同而产生分力影响检测结果。
更为具体地，所述待钎焊铝板和所述填充料采用同种材质，均为三层结构，外层材质为4343、4045、4047、4104或4004铝合金；内层为3003、1050、1060、6A02或6063铝合金。也就是说，在钎焊时，外层材质4343、4045、4047、4104或4004铝合金作为焊料将内层材质3003、1050、1060、6A02或6063铝合金和两侧薄金属层钎焊在一起。
在所述“待钎焊铝板和所述填充料并列置于两块所述复合材料的中间，所述待钎焊铝板部分伸出所述两块复合材料；两块所述复合材料以薄金属层相对的方式设置”的步骤前，还包括的步骤有：将需要钎焊的面进行除油、清洗、烘干处理，也就是将两块复合材料的薄金属层、待钎焊铝板和填充料的双面-4343面，进行除油、清洗、烘干处理。
所述钎焊步骤具体为：将搭接好的三层结构置入钎焊炉中，氩气保护，钎焊温度为590℃～610℃，钎焊时间为15min～25min，钎焊过程中在钎焊板上施加30N～50N的力，随炉冷却。
优选地，在牵拉所得钎焊件步骤前还包括：将得到的钎焊件加工成适合拉伸试验机工作的尺寸加工步骤。
两块所述复合材料与所述待钎焊铝板的搭接长度相同。长度可在1～5mm范围内选取。
在待钎焊铝板伸出两块复合材料的部分的两面，各钎焊有一块夹持料，这样，就增大了待钎焊铝板的强度，拉伸试验机牵拉用力时，夹持部位不会变形。
本发明公开的检测复合材料界面结合强度的方法，利用待钎焊铝板与铝合金层界面结合强度(冶金结合强度)高于铝钢界面结合强度(轧制复合结合强度)的特点，采用双面钎焊制得试样进行检测，使得作用在薄金属层上的拉力和结合力作用在同一平面，因此，被拉剪后的试样的钢基和铝合金层不会产生弯折角，被测结果与复合材料的厚度、待钎焊铝板的厚度等因素都没有关系，干扰因素少于单面钎焊检测方法，最终拉伸试验机所测得的力完全是作用在剪切面上的剪切力，被测值更准确，且结果直接可读，计算方便。
附图说明
图1为本发明双面钎焊拉剪示意图；
图2是本发明实施例复合材料断裂后示意图；
图3是单层钎焊示意图；
图4是单层钎焊方法检测后试样状态示意图。
附图标记说明如下：
10—复合材料
1—钢基体
2—铝合金层
3、20—待钎焊铝板
4—填充料
具体实施方式
本发明公开一种检测复合材料界面结合强度的方法，特别是薄层(如厚度小于1毫米)的铝或铝合金附着在如钢等铁合金、铜或铜合金等基材上所形成界面的结合强度。
下面，结合附图，以检测薄层铝合金与钢的复合材料界面结合强度为例，说明本发明的技术方案。其中所述的薄层铝合金与钢的复合材料(简称复合材料)包括厚层的钢基体1和薄层的铝合金层2。
图1是本发明双面钎焊拉剪示意图，从中可清楚地显示出本发明所用试样的结构。如图1所示，本发明所用试样为层结构，具体包括：两块复合材料和待钎焊铝板3、填充料4。两块复合材料以铝合金层2相对的方式位于试样的外层，待钎焊铝板3、填充料4位于两块复合材料中间；待钎焊铝板3和填充料4并排排列，待钎焊铝板部分伸出两块复合材料，并且待钎焊铝板和填充料之间的铝合金层被去除，待钎焊铝板和填充料的厚度在钎焊后需一致，最好为同一种材质同批次的产品，材质可为如4343/3003/4343铝合金复合材料；待钎焊铝板和填充料与复合材料经钎焊结合。
本发明对上述试样进行拉剪，即经拉伸后断开。本发明可精确测得试样中复合材料中铝合金层和钢基复合界面的剪切力，继而容易计算出界面的结合强度，具体的检测方法是先要制备上述试样，在对试样进行拉剪。制备上述试样的步骤包括：
一、备料：准备两块复合材料，两块4343/3003/4343材料；
二、表面处理：将复合材料的铝合金层面、4343/3003/4343材料的两个面等需要钎焊的面，进行酸碱洗除油、清洗、烘干；
三、按序搭接：将步骤二得到的复合材料和4343/3003/4343材料按照复合材料-4343/3003/4343材料-复合材料的方式搭接在一起；其中，两块复合材料的铝合金层相对；
四、钎焊：将步骤三搭接好的复合材料-4343/3003/4343材料-复合材料置入钎焊炉中，氩气保护，钎焊温度590℃～610℃，钎焊时间为15min～25min，钎焊过程中在钎焊板上施加30N～50N的力，随炉冷却，得到钎焊件；
五、加工：将步骤四中得到的钎焊件加工成尺寸适合拉伸试验机工作的试样。
将步骤五得到的试样放在拉伸试验机上进行拉剪，测得剪切力，由公式：
P＝F/S
其中，P为复合材料界面的结合强度；
F为测得的力；
S为待钎焊铝板与两铝合金层的接触面积之和。
经计算得到铝合金层和钢基间的界面结合强度。
需要注意的是，在进行拉剪步骤前，需要将复合材料的位于待钎焊铝板和填充料之间的薄金属层去除。本发明不限定去除薄金属层的手法和去除步骤发生的时间先后，只要在进行拉剪步骤前去除即可。
本发明利用待钎焊铝板与铝合金层界面结合强度(冶金结合强度)高于铝钢界面结合强度(轧制复合结合强度)的特点，采用双面钎焊制得试样进行检测，使得作用在薄金属层上的拉力和结合力作用在同一平面，如图1所示，这样被拉剪后的试样的钢基和铝合金层不会产生弯折角，得到如图2所示状态，被测结果与复合材料的厚度、待钎焊铝板的厚度等因素没有关系，干扰因素少于单面钎焊检测方法，最终拉伸试验机所测得的力完全是作用在剪切面上的剪切力，被测值更准确；且结果直接可读，计算方便。
需要说明的是，上述方法中涉及的参数还可做如下变化：
作为待钎焊铝板和填充料的4343/3003/4343铝合金复合材料厚度可为1mm～5mm。
优选地，待钎焊铝板和铝合金层的搭接长度相等，可在1mm～5mm范围内选取。
钎焊温度可为590℃～610℃。
钎焊时间可为15min～25min。
钎焊过程中可在钎焊板上施加30N～50N的力。
上述多个参数的取值可交叉组合形成多个新的制备试样的方法。
根据本发明的构思，发明人又公开了如下的具体实施例：
一种检测钎焊式铝钢复合材料界面结合强度的方法，包括如下步骤：
一、准备两块超薄复合层铝钢复合材料，钢层厚度1.5mm，包覆铝层厚度0.085mm，两块三层4343/3003/4343铝合金复合材料，厚度2mm，皮材4343层厚度0.15mm；
二、将铝钢复合材料铝层、4343/3003/4343铝合金复合材料的4343层，酸碱洗除油、清洗、烘干；
三、将两块超薄复合层铝钢复合材料包覆铝层去除一定宽度形成包覆铝层断带，露出钢层；
四、将步骤三得到的超薄复合层铝钢复合材料和步骤二得到的4343/3003/4343铝合金复合材料按照铝钢复合材料-4343/3003/4343铝合金复合材料-铝钢复合材料的方式搭接在一起，其中与4343/3003/4343铝合金复合材料接触面均为铝钢复合材料的铝合金层，并且两块4343/3003/4343铝合金复合材料的端头对正于包覆铝层断带的边缘；
其中一块4343/3003/4343铝合金复合材料(作用相当于填充料)与铝钢复合材料完全搭接，另一块4343/3003/4343铝合金复合材料(作用相当于待钎焊铝板)与两块铝钢复合材料的搭接长度相等，取1mm；
五、焊接：将步骤四搭接好的铝钢复合材料-4343/3003/4343铝合金复合材料-铝钢复合材料置入钎焊炉中，氩气保护，钎焊温度605℃，钎焊时间为15min，钎焊过程中在钎焊板上施加35N的力，随炉冷却；
六、将步骤五中得到的试样加工成拉剪试样，试样宽为10mm，在拉伸试验机上进行拉剪试验，记录测得的力值，即可由上述公式计算得到铝合金层和基体钢层间的界面结合强度。
下表是应用上述检测方法得到的对各种材质的宽为10mm的复合材料试样的界面结合强度的检测值：
需要说明的是，本发明是以铝合金层与钢基复合的复合材料为例进行说明，但本发明不限于上述材料，只要是薄金属层附着在其他基材形成的复合材料的界面结合强度，特别是因薄金属层(厚度小于1毫米)过薄，用其他方法检测易断的复合材料，都可以用能够与薄金属层钎焊的钎料，以上述方法钎焊后拉剪测得值计算得到结合界面的结合强度。适合本发明方法的金属的材质可举例为：铁的合金(不局限与钢)与铝或铝合金的复合材料、铜或铜合金与铝或铝合金的复合材料。
待钎焊铝板和填充料选取同样的材质，甚至是同厚度的同一批次产品，目的是为了使得钎焊后的待钎焊铝板和填充料的厚度一致，最后测量结果更准确。但本发明并不限定于此，只要能够满足与被测符合材料的薄金属层进行钎焊，并在钎焊后厚度一致即可。
而作为待钎焊铝板或填充料的4343/3003/4343铝合金复合材料，也可用其他具有钎焊性能的材料代替，如外层铝合金可以为与铝钎焊的4045、4047、4104或4004材料，内层铝合金可以为与铝合金钎焊的1050、1060、6A02或6063材料等。
作为另一较佳实施方式，在待钎焊铝板伸出两块复合材料的部分的两面，各钎焊有一块夹持料，这样，就方便增大了待钎焊铝板的强度，拉伸试验机牵拉用力是，夹持部位不会变形。夹持料仅用于增大夹持部分的厚度以及强度，不限定其材质，也不限定夹持料与待钎焊铝板的固定方式。但一般，为了取材、制作试样方便，将待测的复合材料作为夹持料以钎焊的方式固定在待钎焊铝板的两侧。
本发明公开的内容论及的是示例性实施例，在不脱离权利要求书界定的保护范围的情况下，可以对本申请的各个实施例进行各种改变和修改。因此，所描述的实施例旨在涵盖落在所附权利要求书的保护范围内的所有此类改变、修改和变形。
Claims (10)
1.一种检测复合材料界面结合强度的方法，其特征在于，包括：
准备两块待测的复合材料、以及一块待钎焊铝板和一块填充料；
将两块复合材料、一块待钎焊铝板和一块填充料排列成三层结构：待钎焊铝板和填充料并列置于两块复合材料中间，待钎焊铝板部分伸出两块复合材料；两块复合材料以薄金属层相对的方式设置；
将按上述位置关系搭接好的三层结构钎焊，得到钎焊件；
牵拉所述钎焊件，直到所述钎焊件被拉断，记录测得力的值，计算得到薄金属层和基材界面结合强度；
其中，在牵拉之前，位于待钎焊铝板和填充料之间的复合材料的薄金属层被去除。
2.如权利要求1所述的检测方法，其特征在于，按照公式P＝F/S，计算得到薄金属层和基材界面结合强度；其中，P为复合材料界面的结合强度；F为测得力；S为待钎焊铝板与两复合材料的薄金属层的接触面积之和。
3.如权利要求1所述的检测方法，其特征在于，待钎焊铝板和填充料在钎焊后厚度相同。
4.如权利要求3所述的检测方法，其特征在于，待钎焊铝板和填充料材质相同，为三层结构：外层材质为4343、4045、4047、4104或4004铝合金；内层为3003、1050、1060、6A02或6063铝合金。
5.如权利要求1所述的检测方法，其特征在于，在所述待钎焊铝板和填充料并列置于两块复合材料的中间，待钎焊铝板部分伸出两块复合材料；两块复合材料以薄金属层相对的方式设置的步骤前，还包括的步骤有：将需要钎焊的面，进行除油、清洗、烘干处理。
6.如权利要求1所述的检测方法，其特征在于，所述钎焊步骤具体为：将搭接好的三层结构置入钎焊炉中，氩气保护，钎焊温度为590℃～610℃，钎焊时间为15min～25min，钎焊过程中在钎焊板上施加30N～50N的力，随炉冷却。
7.如权利要求1所述的检测方法，其特征在于，在牵拉钎焊件步骤前还包括：将得到的钎焊件加工成适合拉伸试验机工作的尺寸加工步骤。
8.如权利要求1所述的检测方法，其特征在于，两块复合材料与待钎焊铝板的搭接长度相同。
9.如权利要求8所述的检测方法，其特征在于，两块复合材料与所述待钎焊铝板的搭接长度为1～5mm。
10.如权利要求1所述的检测方法，其特征在于，在待钎焊铝板伸出两块复合材料的部分的两面，各固定有一块夹持料。
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