CN112008228A - 一种铝蜂窝板及其焊接方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及结构材料技术领域，具体而言，涉及一种铝蜂窝板及其焊接方法。本发明的一种铝蜂窝板的焊接方法，包括以下步骤：分别将两块铝蜂窝板待连接处的铝蜂窝芯去除，形成空腔结构；再沿着所述空腔结构进行对接以形成容置腔，所述容置腔中设置有铝排，所述铝排抵住所述两块铝蜂窝板的铝合金面板；沿所述铝蜂窝板的铝合金面板的接缝，采用搅拌摩擦焊进行焊接。本发明的焊接方法能一次完成较长焊缝，焊接效率高；操作过程方便实现自动化，设备简单，能耗低；连接过程无需添加焊丝或辅助连接其他材料，不需要保护气体，连接成本低；连接过程安全、无污染、无烟尘、无辐射。

Description

一种铝蜂窝板及其焊接方法
技术领域
本发明涉及结构材料技术领域，具体而言，涉及一种铝蜂窝板及其焊接方法。
背景技术
铝蜂窝板由蜂窝芯和两侧的铝合金面板构成，具有密度小、刚性大、稳定性和隔音隔热性能好等优点，被广泛应用在航空航天、交通运输、建筑装饰、军事防卫等领域。目前铝蜂窝板主要有胶接法和钎焊法两种制备方法，而胶接法制备的铝蜂窝板在高温、潮湿等恶劣条件下易发生胶层开裂或老化，该类铝蜂窝板的应用也因此受制于胶粘剂。钎焊可以实现铝合金面板和铝蜂窝芯的冶金连接，且具有可一次装配、钎焊时间短等工艺优点，是制备铝蜂窝板较理想的方法。
目前钎焊法制备铝蜂窝板主要是在高于600℃进行真空钎焊或气保护炉中钎焊，铝蜂窝板受炉体尺寸所限，交通运输和建筑装饰行业用大面积铝蜂窝板往往由多块铝蜂窝板拼接而成。常用的拼接方法主要有TIG焊、MIG焊、铆接等，接头处残余应力较大且不美观，严重影响铝蜂窝板的结构承载能力，且容易造成安全隐患。
有鉴于此，特提出本发明。
发明内容
本发明的第一目的在于提供一种铝蜂窝板的焊接方法，能一次完成较长焊缝，焊接效率高，操作过程方便实现自动化，设备简单，能耗低。
本发明的第二目的在于提供一种所述的铝蜂窝板的焊接方法得到的铝蜂窝板，焊接接头美观，热影响区显微组织变化小，残余应力比较低，铝蜂窝板的面板不易变形。
为了实现本发明的上述目的，特采用以下技术方案：
一种铝蜂窝板的焊接方法，包括以下步骤：
分别将两块铝蜂窝板待连接处的铝蜂窝芯去除，形成空腔结构；再沿着所述空腔结构进行对接以形成容置腔，所述容置腔中设置有铝排，所述铝排抵住所述两块铝蜂窝板的铝合金面板；沿所述铝蜂窝板的铝合金面板的接缝，采用搅拌摩擦焊进行焊接。
优选地，所述搅拌摩擦焊的搅拌头顶端直径为3～6mm，轴肩直径为16～25mm，搅拌针长度为2～6mm。
优选地，所述搅拌摩擦焊的搅拌头顶端直径为4～5mm，轴肩直径为18～20mm，搅拌针长度为3～5mm。
优选地，所述搅拌摩擦焊的搅拌头转速为800～1800r/min，焊接速度为600～1200mm/min，焊接压力为8000～15000N。
优选地，所述搅拌摩擦焊的搅拌头转速为1000～1500r/min，焊接速度为800～1000mm/min，焊接压力为10000～12000N。
优选地，所述两块铝蜂窝板采用气动夹具进行固定。
优选地，所述两块铝蜂窝板待连接处的铝蜂窝芯去除后形成对称的空腔结构；
优选地，所述空腔结构为矩形空腔结构；
优选地，所述矩形空腔结构的长度为所述铝蜂窝板待连接部位的长度，高度为所述铝蜂窝芯的高度，宽度为10～100mm。
优选地，所述铝排的材质包括1050、1060、1070、1100、3003、6061和6063中的至少一种。
优选地，所述铝蜂窝板的面板的材质包括6061铝合金和/或6063铝合金；
优选地，所述铝蜂窝芯的材质包括1060铝合金和/或1100铝合金。
采用如上所述的铝蜂窝板的制备方法得到的铝蜂窝板。
与现有技术相比，本发明的有益效果为；
(1)本发明的焊接方法能一次完成较长焊缝，焊接效率高；操作过程方便实现自动化，设备简单，能耗低；连接过程无需添加焊丝或辅助连接其他材料，不需要保护气体，连接成本低；连接过程安全、无污染、无烟尘、无辐射。
(2)本发明得到的铝蜂窝板的焊接接头美观，热影响区显微组织变化小，残余应力比较低，铝蜂窝板的面板不易变形。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明铝蜂窝板连接前装配结构示意图；
图2为本发明连接后的铝蜂窝板结构示意图。
附图标记：
1-铝排、2-铝合金面板、3-铝蜂窝芯、4-搅拌摩擦焊缝。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明的实施方案进行详细描述，但是本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规产品。
一种铝蜂窝板的焊接方法，包括以下步骤：
分别将两块铝蜂窝板待连接处的铝蜂窝芯去除，形成空腔结构；再沿着所述空腔结构进行对接以形成容置腔，所述容置腔中设置有铝排，所述铝排抵住所述两块铝蜂窝板的铝合金面板；沿所述铝蜂窝板的铝合金面板的接缝，采用搅拌摩擦焊进行焊接。
目前钎焊法制备铝蜂窝板主要是在高于600℃进行真空钎焊或气保护炉中钎焊，铝蜂窝板受炉体尺寸所限，交通运输和建筑装饰行业用大面积铝蜂窝板往往由多块铝蜂窝板拼接而成。常用的拼接方法主要有TIG焊、MIG焊、铆接等，接头处残余应力较大且不美观，严重影响铝蜂窝板的结构承载能力，且容易造成安全隐患。
摩擦焊是利用工件端面相互运动、相互摩擦所产生的热，使端部达到热塑性状态，然后迅速顶锻，完成焊接的一种方法。摩擦焊方法在制造业中的应用已有40多年，其生产率高，质量好，但焊接的对象主要是回转形零件。为克服被焊工件几何形状的限制或提高生产率，采用如相位摩擦焊、径向摩擦焊、线性摩擦焊等，但实际应用很少。
搅拌摩擦焊的方法是利用摩擦热与塑性变形热作为焊接热源，搅拌摩擦焊焊接过程是由一个圆柱体或其他形状(如带螺纹圆柱体)的搅拌针伸入工件的接缝处，通过焊头的高速旋转，使其与焊接工件材料摩擦，从而使连接部位的材料温度升高软化，同时对材料进行搅拌摩擦来完成焊接的。
本发明通过采用搅拌摩擦焊进行焊接，能一次完成较长焊缝，焊接效率高；操作过程方便实现自动化，设备简单，能耗低；连接过程无需添加焊丝或辅助连接其他材料，不需要保护气体，连接成本低；连接过程安全、无污染、无烟尘、无辐射。
优选地，所述搅拌摩擦焊的搅拌头顶端直径为3～6mm，轴肩直径为16～25mm，搅拌针长度为2～6mm。
本发明采用特定尺寸的搅拌头，搅拌头顶端直径为3～6mm，轴肩直径为16～25mm，搅拌针长度为2～6mm，进而更有利于对铝蜂窝板进行焊接，使焊接接头美观，热影响区显微组织变化小，残余应力比较低，铝蜂窝板的面板不易变形，进一步提高焊接效率。
在一种实施方式中，所述搅拌头顶端直径为3～6mm，还可以选择3.1mm、3.2mm、3.3mm、3.4mm、3.5mm、3.6mm、3.7mm、3.8mm、3.9mm、4mm、4.1mm、4.2mm、4.3mm、4.4mm、4.5mm、4.6mm、4.7mm、4.8mm、4.9mm、5mm、5.1mm、5.2mm、5.3mm、5.4mm、5.5mm、5.6mm、5.7mm、5.8mm、5.9mm或6mm。
在一种实施方式中，所述轴肩直径为16～25mm，还可以选择16.5mm、17mm、17.5mm、18mm、18.5mm、19mm、19.5mm、20mm、20.5mm、21mm、21.5mm、22mm、22.5mm、23mm、23.5mm、24mm、24.5mm或25mm。
在一种实施方式中，所述搅拌针长度为2～6mm，还可以选择2mm、2.5mm、3mm、3.5mm、4mm、4.5mm、5mm或5.5mm。
优选地，所述搅拌摩擦焊的搅拌头的顶端直径为4～5mm，轴肩直径为18～20mm，搅拌针长度为3～5mm。
通过进一步优选搅拌头的顶端直径、轴肩直径和搅拌针长度，可更有利于铝蜂窝板的焊接。
优选地，所述搅拌摩擦焊的搅拌头转速为800～1800r/min，焊接速度为600～1200mm/min，焊接压力为8000～15000N。
本申请限定搅拌头转速为800～1800r/min，焊接速度为600～1200mm/min，焊接压力为8000～15000N，通过各个条件的相互配合，进而更有利于对铝蜂窝板进行焊接，使焊接接头美观，热影响区显微组织变化小，残余应力比较低，铝蜂窝板的面板不易变形，进一步提高焊接效率。
在一种实施方式中，所述搅拌摩擦焊的搅拌头转速为800～1800r/min，还可以选择800r/min、850r/min、900r/min、950r/min、1000r/min、1050r/min、1100r/min、1150r/min、1200r/min、1250r/min、1300r/min、1350r/min、1400r/min、1450r/min、1500r/min、1550r/min、1600r/min、1650r/min、1700r/min、1750r/min或1800r/min。
在一种实施方式中，所述焊接速度为600～1200mm/min，还可以选择650700mm/min、750mm/min、800mm/min、850mm/min、900mm/min、950mm/min、1000mm/min、1050mm/min、1100mm/min、1150mm/min或1200mm/min。
在一种实施方式中，所述焊接压力为8000～15000N，还可以选择8000N、8500N、9000N、9500N、10000N、10500N、11000N、12000N、13000N、14000N或15000N。
优选地，所述搅拌摩擦焊的搅拌头转速为1000～1500r/min，焊接速度为800～1000mm/min，焊接压力为10000～12000N。
优选地，所述两块铝蜂窝板采用气动夹具进行固定。
优选地，所述两块铝蜂窝板待连接处的铝蜂窝芯去除后形成对称的空腔结构。
本发明优选所述两块铝蜂窝板待连接处的铝蜂窝芯去除后形成对称的空腔结构，焊后受力更加均匀，铝蜂窝板的性能更加优异。
优选地，所述空腔结构为矩形空腔结构。
优选地，所述矩形空腔结构的长度为所述铝蜂窝板待连接部位的长度，高度为所述铝蜂窝芯的高度，宽度为10～100mm。
在一种实施方式中，所述矩形空腔结构的宽度为10～100mm，还可以选择10mm、20mm、30mm、40mm、50mm、60mm、70mm、80mm、90mm或100mm。
优选地，所述铝排的材质包括1050、1060、1070、1100、3003、6061和6063中的至少一种。
铝排采用99.97％高纯度铝棒为原料，采用先进的挤压、校平、锯切等生产工艺加工而成，确保了铝排导电率大于等于国家的标准要求。本发明采用的铝排具有优良的接口特征，强度高，可使用性好，抗腐蚀性强。
本发明的铝排对接后的容置腔腔结构紧密配合。
优选地，所述铝蜂窝板的面板的材质包括6061铝合金和/或6063铝合金；
优选地，所述铝蜂窝板的材质包括1060铝合金和/或1100铝合金。
6061铝合金是经热处理预拉伸工艺生产的高品质铝合金产品，其具有加工性能极佳，优良的焊接特点，良好的抗腐蚀性，韧性高，加工后不变形，材料致密无缺陷及易于抛光，上色膜容易，氧化效果极佳等特点。
采用如上所述的铝蜂窝板的制备方法得到的铝蜂窝板。
本发明得到的铝蜂窝板的焊接接头美观，热影响区显微组织变化小，残余应力比较低，铝蜂窝板的面板不易变形。
下面将结合具体的实施例和对比例对本发明作进一步的解释说明。
实施例1
一种铝蜂窝板的焊接方法，包括以下步骤：
铝合金面板2采用6061铝合金，尺寸为800mm*800mm*2mm，铝蜂窝芯3用瓦楞板选择尺寸为800mm*100mm*0.5mm的1060铝板制作而成；采用铣刀将两块钎焊铝蜂窝板待连接处的铝蜂窝芯去除，形成尺寸为50mm*100mm*800mm对称的矩形空腔结构；采用尺寸为100mm*100mm*800mm的铝排1插入对称的矩形空腔结构并形成紧密配合；采用气动夹具将两块钎焊铝蜂窝板压紧固定，以两块铝蜂窝板面板接缝处为中心线，对其进行搅拌摩擦焊搅拌摩擦焊搅拌头顶端直径为3.0mm，轴肩直径为16mm，搅拌针长度为2.0mm，搅拌头转速为1000r/min，焊接速度为600mm/min，焊接压力为10000N；上层面板焊接完成后翻面，以同样的方式对下侧面板进行搅拌摩擦焊连接，焊接完成后，即完成该钎焊铝蜂窝板连接，得到搅拌摩擦焊缝4。
铝蜂窝板连接前装配结构意图如图1所示；
连接后的铝蜂窝板结构示意图如图2所示。
实施例2
一种铝蜂窝板的焊接方法，包括以下步骤：
铝合金面板2采用6063铝合金，尺寸为800mm*800mm*2mm，铝蜂窝芯3用瓦楞板选择尺寸为800mm*100mm*0.5mm的1060铝板制作而成。采用铣刀将两块钎焊铝蜂窝板待连接处的铝蜂窝芯去除，形成尺寸为50mm*100mm*800mm对称的矩形空腔结构；采用尺寸为100mm*100mm*800mm的铝排1插入对称的矩形空腔结构并形成紧密配合；采用气动夹具将两块钎焊铝蜂窝板压紧固定，以两块铝蜂窝板面板接缝处为中心线，对其进行搅拌摩擦焊搅拌摩擦焊搅拌头顶端直径为3.0mm，轴肩直径为16mm，搅拌针长度为2.0mm，搅拌头转速为1200r/min，焊接速度为800mm/min，焊接压力为12000N；上层面板焊接完成后，翻面，以同样的方式对下侧面板进行搅拌摩擦焊连接，焊接完成后，即完成该钎焊铝蜂窝板连接，得到搅拌摩擦焊缝4；
铝蜂窝板连接前装配结构意图如图1所示；
连接后的铝蜂窝板结构示意图如图2所示。
实施例3
一种铝蜂窝板的焊接方法，包括以下步骤：
铝合金面板2采用6061铝合金，尺寸为800mm*800mm*2mm，铝蜂窝芯3用瓦楞板选择尺寸为800mm*100mm*0.5mm的1100铝板制作而成。采用铣刀将两块钎焊铝蜂窝板待连接处的铝蜂窝芯去除，形成尺寸为50mm*100mm*800mm对称的矩形空腔结构；采用尺寸为100mm*100mm*800mm的铝排1插入对称的矩形空腔结构并形成紧密配合；采用气动夹具将两块钎焊铝蜂窝板压紧固定，以两块铝蜂窝板面板接缝处为中心线，对其进行搅拌摩擦焊搅拌摩擦焊搅拌头顶端直径为3.0mm，轴肩直径为16mm，搅拌针长度为2.0mm，搅拌头转速为1200r/min，焊接速度为1000mm/min，焊接压力为10000N；上层面板焊接完成后，翻面，以同样的方式对下侧面板进行搅拌摩擦焊连接，焊接完成后，即完成该钎焊铝蜂窝板连接，得到搅拌摩擦焊缝4。
铝蜂窝板连接前装配结构意图如图1所示；
连接后的铝蜂窝板结构示意图如图2所示。
实施例4
一种铝蜂窝板的焊接方法，包括以下步骤：
铝合金面板2采用6063铝合金，尺寸为800mm*800mm*2mm，铝蜂窝芯3用瓦楞板选择尺寸为800mm*100mm*0.5mm的1100铝板制作而成。采用铣刀将两块钎焊铝蜂窝板待连接处的铝蜂窝芯去除，形成尺寸为50mm*100mm*800mm对称的矩形空腔结构；采用尺寸为100mm*100mm*800mm的铝排1插入对称的矩形空腔结构并形成紧密配合；采用气动夹具将两块钎焊铝蜂窝板压紧固定，以两块铝蜂窝板面板接缝处为中心线，对其进行搅拌摩擦焊搅拌摩擦焊搅拌头顶端直径为4.0mm，轴肩直径为20mm，搅拌针长度为3.0mm，搅拌头转速为900r/min，焊接速度为1200mm/min，焊接压力为10000N；上层面板焊接完成后，翻面，以同样的方式对下侧面板进行搅拌摩擦焊连接，焊接完成后，即完成该钎焊铝蜂窝板连接，得到搅拌摩擦焊缝4。
铝蜂窝板连接前装配结构意图如图1所示；
连接后的铝蜂窝板结构示意图如图2所示。
实施例5
一种铝蜂窝板的焊接方法，包括以下步骤：
铝合金面板2采用6061铝合金，尺寸为800mm*800mm*2mm，铝蜂窝芯3用瓦楞板选择尺寸为800mm*100mm*0.5mm的1100铝板制作而成。采用铣刀将两块钎焊铝蜂窝板待连接处的铝蜂窝芯去除，形成尺寸为50mm*100mm*800mm对称的矩形空腔结构；采用尺寸为100mm*100mm*800mm的铝排1插入对称的矩形空腔结构并形成紧密配合；采用气动夹具将两块钎焊铝蜂窝板压紧固定，以两块铝蜂窝板面板接缝处为中心线，对其进行搅拌摩擦焊搅拌摩擦焊搅拌头顶端直径为4.0mm，轴肩直径为20mm，搅拌针长度为3.0mm，搅拌头转速为1500r/min，焊接速度为1000mm/min，焊接压力为12000N；上层面板焊接完成后，翻面，以同样的方式对下侧面板进行搅拌摩擦焊连接，焊接完成后，即完成该钎焊铝蜂窝板连接，得到搅拌摩擦焊缝4。
铝蜂窝板连接前装配结构意图如图1所示；
连接后的铝蜂窝板结构示意图如图2所示。
对比例1
一种铝蜂窝板的焊接方法，除所述搅拌摩擦焊的搅拌头顶端直径为7mm，轴肩直径为30mm，搅拌针长度为7mm，其他条件同实施例5。
对比例2
一种铝蜂窝板的焊接方法，除所述搅拌摩擦焊的搅拌头转速为2000r/min，焊接速度为500mm/min，焊接压力为7500N，其他条件同实施例5。
实验例
对实施例和对比例中得到的铝蜂窝板进行焊接接头拉伸强度测试，铝蜂窝板面板焊接拉伸强度参照GB/T 2651-2008焊接接头拉伸试验方法，测试结果如下表1所示。
表1焊接接头拉伸强度测试结果
Figure BDA0002654182580000111
Figure BDA0002654182580000121
本发明的焊接方法能一次完成较长焊缝，焊接效率高；操作过程方便实现自动化，设备简单，能耗低；连接过程无需添加焊丝或辅助连接其他材料，不需要保护气体，连接成本低；连接过程安全、无污染、无烟尘、无辐射。本发明得到的铝蜂窝板的焊接接头美观，热影响区显微组织变化小，残余应力比较低，铝蜂窝板的面板不易变形。本发明实施例1～5中的特定方法得到的铝蜂窝板的焊接接头的拉伸强度较高，优于对比例1和对比例2，即搅拌摩擦焊的相关条件参数在本发明给出范围内，焊接接头具有更加优异的拉伸强度。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，但本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种铝蜂窝板的焊接方法，其特征在于，包括以下步骤：
分别将两块铝蜂窝板待连接处的铝蜂窝芯去除，形成空腔结构；再沿着所述空腔结构进行对接以形成容置腔，所述容置腔中设置有铝排，所述铝排抵住所述两块铝蜂窝板的铝合金面板；沿所述铝蜂窝板的铝合金面板的接缝，采用搅拌摩擦焊进行焊接。
2.根据权利要求1所述的铝蜂窝板的焊接方法，其特征在于，所述搅拌摩擦焊的搅拌头顶端直径为3～6mm，轴肩直径为16～25mm，搅拌针长度为2～6mm。
3.根据权利要求2所述的铝蜂窝板的焊接方法，其特征在于，所述搅拌摩擦焊的搅拌头顶端直径为4～5mm，轴肩直径为18～20mm，搅拌针长度为3～5mm。
4.根据权利要求1所述的铝蜂窝板的焊接方法，其特征在于，所述搅拌摩擦焊的搅拌头转速为800～1800r/min，焊接速度为600～1200mm/min，焊接压力为8000～15000N。
5.根据权利要求4所述的铝蜂窝板的焊接方法，其特征在于，所述搅拌摩擦焊的搅拌头转速为1000～1500r/min，焊接速度为800～1000mm/min，焊接压力为10000～12000N。
6.根据权利要求1所述的铝蜂窝板的焊接方法，其特征在于，所述两块铝蜂窝板采用气动夹具进行固定。
7.根据权利要求1所述的铝蜂窝板的焊接方法，其特征在于，所述两块铝蜂窝板待连接处的铝蜂窝芯去除后形成对称的空腔结构；
优选地，所述空腔结构为矩形空腔结构；
优选地，所述矩形空腔结构的长度为所述铝蜂窝板待连接部位的长度，高度为所述铝蜂窝芯的高度，宽度为10～100mm。
8.根据权利要求1所述的铝蜂窝板的焊接方法，其特征在于，所述铝排的材质包括1050、1060、1070、1100、3003、6061和6063中的至少一种。
9.根据权利要求1所述的铝蜂窝板的焊接方法，其特征在于，所述铝蜂窝板的面板的材质包括6061铝合金和/或6063铝合金；
优选地，所述铝蜂窝芯的材质包括1060铝合金和/或1100铝合金。
10.采用权利要求1～9中任一项所述的铝蜂窝板的焊接方法得到的铝蜂窝板。
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