CN116021102B

CN116021102B - 一种大厚度高强铝合金蜂窝板及其制备方法

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Publication number: CN116021102B
Application number: CN202211604249.4A
Authority: CN
Inventors: 沈元勋; 李云月; 钟素娟; 秦建; 黄俊兰; 董博文; 孙华为; 王博; 浦娟; 王朋旭; 陈素明; 裴夤崟
Original assignee: Jiangsu University of Science and Technology; Zhengzhou Research Institute of Mechanical Engineering Co Ltd; Ningbo Academy of Intelligent Machine Tool Co Ltd of China Academy of Machinery
Current assignee: Jiangsu University of Science and Technology; Zhengzhou Research Institute of Mechanical Engineering Co Ltd; Ningbo Academy of Intelligent Machine Tool Co Ltd of China Academy of Machinery
Priority date: 2022-12-13
Filing date: 2022-12-13
Publication date: 2023-10-17
Anticipated expiration: 2042-12-13
Also published as: CN116021102A

Abstract

本发明属于铝合金蜂窝板技术领域，具体涉及一种大厚度高强铝合金蜂窝板及其制备方法。本发明的大厚度高强铝合金蜂窝板的制备方法，包括以下步骤：将铝合金箔带加工成半正六边形波纹条，另将Al‑Si非晶钎料加工成预设尺寸的片状钎料；通过点焊将半正六边形波纹条的待焊面与片状钎料焊接在一起，形成蜂窝芯；将铝合金上下面板装配到蜂窝芯相对的两侧面，然后对装配后的待焊面进行钎焊，即得。本发明提供的大厚度高强铝合金蜂窝板制备方法，将非晶钎料置入到蜂窝芯夹层中，再将上下面板与蜂窝板进行装配钎焊，实现了蜂窝芯‑蜂窝芯、蜂窝芯‑面板之间的冶金结合，从而能够有效提高蜂窝板的综合强度，提升其使用寿命。

Description

一种大厚度高强铝合金蜂窝板及其制备方法

技术领域

本发明属于铝合金蜂窝板技术领域，具体涉及一种大厚度高强铝合金蜂窝板及其制备方法。

背景技术

铝制蜂窝板由于具有重量轻、强度高、刚性大、耐冲击、稳定性好以及较好的隔热、降噪、阻燃等特点，目前在航空航天、船舶、高速列车、轨道交通等领域得到广泛应用。

钎焊和胶接是铝合金蜂窝板两种比较常用的连接方法，其中利用胶接制造的铝合金蜂窝板，在阴湿的环境中常常出现胶粘剂老化破裂、蜂窝板失效现象，该种方法制造的铝合金蜂窝板的成型质量在较大程度上受到胶粘剂的制约。

目前钎焊方法制备蜂窝板主要是将复合面板和蜂窝芯通过真空钎焊或气保护钎焊制备而成。该种方法在制备蜂窝板时，对于蜂窝芯高度1～10mm的蜂窝板，复合板上所带钎料在钎焊过程中可通过毛细作用铺展到蜂窝芯夹层处，形成冶金连接，从而形成较好的连接强度。然而，对于蜂窝芯在10mm以上的蜂窝板，由于现有钎料无法铺展过长，导致蜂窝芯夹层中间部位无冶金结合，致使蜂窝板综合强度较低，进而影响蜂窝板的使用寿命。

发明内容

为解决上述问题，本发明的第一目的在于提供一种大厚度高强铝合金蜂窝板的制备方法，其能够实现蜂窝芯-蜂窝芯，蜂窝芯-铝合金面板的冶金结合，提高铝合金蜂窝板的强度和使用寿命，适于大厚度铝合金蜂窝板的制备应用。

本发明的第二目的在于提供一种大厚度高强铝合金蜂窝板，其结合强度高，能够满足大厚度蜂窝板的使用需求。

为了实现上述目的，本发明的大厚度高强铝合金蜂窝板的制备方法，采用的技术方案是：

一种大厚度高强铝合金蜂窝板的制备方法，包括以下步骤：

(1)将铝合金箔带加工成半正六边形波纹条，另将Al-Si非晶钎料加工成预设尺寸的片状钎料；

(2)将片状钎料置于两个半正六边形波纹条的待焊面中间，通过点焊将各个半正六边形波纹条的待焊面与片状钎料焊接在一起，形成蜂窝芯；

(3)将铝合金上下面板装配到蜂窝芯相对的两侧面，然后对装配后的待焊面进行钎焊，即得所述大厚度高强铝合金蜂窝板。

步骤(1)中，半正六边形波纹条的加工方式可以采用现有技术中常规的加工方式，如辊压或冲压。

作为进一步优选的方案，所述铝合金箔带为3003铝合金、6061铝合金、6063铝合金中的一种。

优选地，所述Al-Si非晶钎料为Al-Si-Ge-Mg-Be-RE非晶钎料。进一步优选地，按质量百分比计，Al-Si非晶钎料的组成为：10～12％的Si，13～15％的Ge，5～6％的Mg，3～4％的Be，2～3％的RE，Al余量。进一步优选地，所述RE为Ce、Y的一种或两种。

进一步地，所述Al-Si-Ge-Mg-Be-RE非晶钎料制备方法，包括以下步骤：

S1：按照百分比称取Al、Si、Ge、Mg、Be、RE，清洗、烘干待用；

S2：将步骤S1清洗后的混合物置入真空电弧熔炼炉中熔炼成熔体；

S3：将熔炼的熔体置入真空快淬甩带系统制备成0.05～0.1mm厚的箔带钎料。

本发明采用上述Al-Si非晶钎料，该钎料具有低的熔点，良好的非晶化成形能力，稀土元素的加入进一步提高了钎料的强韧性，在作为钎料焊接波纹条待焊面后，在降低钎料温度、提高钎料在铝合金上的铺展性、提高钎焊接头强度方面均有显著的改善效果。

步骤(2)中，片状钎料与半正六边形波纹条的待焊面的尺寸相匹配。焊接后形成蜂窝芯夹层中存在钎料的蜂窝芯结构。

进一步地，所述片状钎料的厚度为0.05～0.1mm。

本发明的制备方法，尤其适合于大厚度铝合金蜂窝板的制备，优选地，所述蜂窝芯的高度＞10mm。

进一步地，所述铝合金上下面板为复合板或铝合金单板；所述复合板包括基体和复合层，所述基体为3003铝合金，复合层为4343铝合金或4047铝合金；所述铝合金单板为3003铝合金、6061铝合金、6063铝合金中的一种。

进一步优选地，铝合金上下面板为复合板时，将铝合金上下面板直接装配到蜂窝芯两端，形成上面板/蜂窝芯/下面板结构；所述铝合金上下面板为铝合金单板时，在上面板与蜂窝芯、下面板与蜂窝芯之间加入片状钎料后装配，形成上面板/片状钎料/蜂窝芯/片状钎料/下面板结构。当采用的铝合金上下面板为复合板时，复合层起到钎料的作用，因此钎焊时无需在铝合金面板与蜂窝芯之间再次填充钎料。

优选地，所述钎焊为真空钎焊或气保护钎焊，所述钎焊的温度为580～615℃；钎焊保温的时间为20～120min。

进一步地，所述钎焊为气保护钎焊时，钎焊前在铝合金上下面板贴合蜂窝芯的一侧喷涂钎剂；所述钎剂由KF-AlF₃和K₂SiF₆组成；KF-AlF₃和K₂SiF₆的质量比为1∶0.5。

本发明提供一种大厚度高强铝合金蜂窝板，其采用如上所述的制备方法制备得到。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

本发明提出的大厚度高强铝合金蜂窝板制备方法，将非晶钎料置入到蜂窝芯夹层中，再将上下面板与蜂窝板进行装配钎焊，实现了蜂窝芯-蜂窝芯、蜂窝芯-面板之间的冶金结合，从而能够有效提高蜂窝板的综合强度，提升其使用寿命。

附图说明

图1为本发明的大厚度高强铝合金蜂窝板的制备方法中，片状钎料与半正六边形波纹条装配示意图；

图2为本发明的大厚度高强铝合金蜂窝板的制备方法中的点焊效果图；

图3为本发明的大厚度高强铝合金蜂窝板的制备方法中蜂窝芯的效果图；

图4为本发明的大厚度高强铝合金蜂窝板的制备方法中蜂窝芯与铝合金上下面板的装配示意图；

图5为本发明实施例1的大厚度高强铝合金蜂窝板的制备方法中采用的Al-Si非晶钎料的DSC曲线图；

图6为本发明实施例1的铝合金蜂窝板(图6左图)与对比例1的铝合金蜂窝板(图6右图)的微观形貌图；

其中，图中：1-半正六边形波纹条，2-片状钎料，3-铝合金上面板，4-蜂窝芯，5-铝合金下面板。

具体实施方式

以下结合具体实施方式，对本发明的技术方案作进一步描述。但是本领域技术人员应当理解，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。

以下实施例中涉及的大厚度高强铝合金蜂窝板的制备方法中，片状钎料与半正六边形波纹条的结构示意图如图1所示。图1中，两个相邻的半正六边形波纹条1的待焊面之间，设有与待焊面尺寸相同的片状钎料2。

如图2的点焊效果图所示，半正六边形波纹条与片状钎料，通过点焊焊接在一起形成初步的蜂窝芯。进一步如图3所示，多个半正六边形波纹条与片状钎料均通过点焊焊接在一起，形成一体蜂窝芯结构。

图4为实施例1的蜂窝芯与铝合金上下面板的装配示意图，将铝合金上面板3、铝合金下面板5装配到蜂窝芯4相对的两侧面。该实施例中，铝合金上下面板均是铝合金单板，因此在铝合金上面板3与蜂窝芯4、铝合金下面板5与蜂窝芯4之间加入片状钎料2后进行装配，形成上面板/片状钎料/蜂窝芯/片状钎料/下面板结构，对装配后的待焊面进行钎焊即得铝合金蜂窝板成品。

在其他的实施例中，铝合金上下面板也可采用不同材质的复合板，装配时将铝合金上下面板直接装配到蜂窝芯两端，形成上面板/蜂窝芯/下面板结构后进行钎焊。

实施例1

本实施例的大厚度高强铝合金蜂窝板的制备方法，制备的铝合金蜂窝板中，蜂窝芯高度为50mm。具体制备过程如下：

(1)将0.2mm厚、50mm高的6063铝合金箔带辊轧成边长为10mm、高度为50mm的半正六边形波纹条；将Al-Si非晶钎料裁剪成50×10mm尺寸的片状钎料，并进行超声清洗；

其中，Al-Si非晶钎料的质量百分比组成为：Al 64％，Si 10％，Ge 15％，Mg 5％，Be 3％，RE 3％，RE为Ce。Al-Si非晶钎料的制备方法为：按照百分比称取原料，在丙酮溶液中超声清洗10min中，随后酒精清洗5min，烘干待用；将烘干的原料置入真空电弧熔炼炉中熔炼成熔体；将熔体置入真空快淬甩带系统中制备成0.1mm厚的箔带钎料。

(2)将片状钎料置于两个半正六边形波纹条的待焊面中间，采用点焊机将半正六边形波纹条的待焊面与片状钎料焊接在一起，制成总尺寸为400×400×50mm的蜂窝芯，此处焊接后的蜂窝芯夹层中存在Al-Si非晶钎料；

(3)将2mm厚6063铝合金面板切成400×400mm尺寸以作为铝合金上下面板，钎料选用Al-Si非晶钎料，将上下面板，Al-Si非晶钎料，蜂窝芯进行清洗烘干；将蜂窝板按6063铝合金板/Al-Si非晶钎料/蜂窝芯/Al-Si非晶钎料/6063铝合金板顺序进行装配，并使用夹具固定，置入真空钎焊炉中进行钎焊。钎焊温度为580℃，保温时间为60min。钎焊完成后，随炉冷却出炉即得。

本实施例的大厚度高强铝合金蜂窝板，采用如上制备方法制备得到。

实施例2

其中，Al-Si非晶钎料的质量百分比组成为：Al 63％，Si 12％，Ge 13％，Mg 6％，Be 4％，RE 2％，RE为Y。Al-Si非晶钎料的制备方法为：按照百分比称取原料，在丙酮溶液中超声清洗10min中，随后酒精清洗5min，烘干待用；将烘干的原料置入真空电弧熔炼炉中熔炼成熔体；将熔体置入真空快淬甩带系统中制备成0.1mm厚的箔带钎料。

(3)将2mm厚的3003复合板切成400×400mm尺寸以作为铝合金上下面板，将上下面板，蜂窝芯进行清洗烘干；其中3003复合板，复合层材料为4343铝合金；将3003复合板带复合层一侧喷上钎剂，钎剂层厚度为1mm，钎剂组分为KF-AlF₃：K₂SiF₆＝1:0.5。再将蜂窝板按3003复合板/蜂窝芯/3003复合板顺序进行装配，并使用夹具固定，置入氮气保护钎焊炉中进行钎焊。钎焊温度为590℃，保温时间为60min。钎焊完成后，随炉冷却出炉即得。

对比例1

对比例1提供的铝合金蜂窝板，蜂窝芯采用市面所售的采用拉伸法制备的蜂窝芯，蜂窝芯尺寸同样为厚度0.2mm、边长10mm、高度50mm；总体尺寸：400×400×50mm。将2mm厚6063铝合金面板切成400×400mm尺寸以作为铝合金上下面板，钎料选用现有的4004箔带钎料，将上下面板，4004箔带钎料，蜂窝芯进行清洗烘干；将蜂窝板按6063铝合金板/4004箔带钎料/蜂窝芯/4004箔带钎料/6063铝合金板顺序进行装配，并使用夹具固定，置入真空钎焊炉中进行钎焊。钎焊温度为600℃，保温时间为60min。钎焊完成后，随炉冷却出炉即得。

对比例2

对比例2的提供的铝合金蜂窝板，组成和制备过程与实施例1基本相同，两者区别在于：本对比例采用的钎料的材质为4104钎料，钎焊温度为600℃，其他制备步骤和参数相同。

对比例3

对比例3的提供的铝合金蜂窝板，组成和制备过程与实施例1基本相同，两者区别在于：本对比例采用的钎料的材质为4047钎料，钎焊温度为615℃，其他制备步骤和参数相同。

对比例4

对比例4的提供的铝合金蜂窝板，组成和制备过程与实施例1基本相同，两者区别在于：本对比例采用的钎料的材质为4043钎料钎焊温度为620℃，其他制备步骤和参数相同。

对比例5

对比例5的提供的铝合金蜂窝板，组成和制备过程与实施例1基本相同，两者区别在于：本对比例采用的钎料的材质为4343钎料，钎焊温度为620℃，其他制备步骤和参数相同。

试验例1

本发明实施例1采用的Al-Si非晶钎料的DSC曲线图如图5所示。

由图5可知，本发明采用的Al-Si非晶钎料，具有低的熔点，有利于降低钎焊温度。同时本发明的钎料，具有良好的非晶化成形能力，更易实现蜂窝芯、铝合金面板的冶金结合。

采用扫描电镜考察本发明实施例1的铝合金蜂窝板与对比例1的铝合金蜂窝板蜂窝芯结合部位的微观形貌，结果如图6所示。

由图6可知，实施例1钎焊得到的铝合金蜂窝板，在制备蜂窝芯厚度高达50mm的铝合金蜂窝板时，蜂窝芯夹层仍然具有良好的冶金结合。而对比例1的蜂窝芯夹层之间由于未加入钎料，面板处的钎料无法有效铺展，导致铝合金蜂窝板中部分区域无冶金结合，形成较大面积的空洞。

试验例2

对本发明实施例1～2、对比例1～5的铝合金蜂窝板的抗拉强度、抗压强度、抗弯强度、滚筒剥离强度、剪切强度进行考察。其中，抗拉强度、抗压强度、抗弯强度、滚筒剥离强度、剪切强度的试验方法分别为：GBT 1452夹层结构平拉强度试验方法，GBT 1453夹层或芯子结构平压性能测试方法，GB-T 1456-2005夹层结构弯曲性能测试方法，GBT-1457-2005夹层结构滚筒剥离强度试验方法，GB-T 1455-2005夹层或芯子结构剪切试验方法。测试结果如表1所示。

表1实施例1～2与对比例1～5的铝合金蜂窝板的力学性能对比

由表1可知，本发明实施例的铝合金蜂窝板的各项力学强度均优于对比例。说明本发明的制备方法，通过对装配方式以及钎料的综合改进，能够有效实现蜂窝芯-蜂窝芯、蜂窝芯-面板之间的冶金结合，从而提高蜂窝板的综合强度和使用寿命，适于大厚度的铝合金蜂窝板的制备应用。

Claims

1.一种大厚度高强铝合金蜂窝板的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

(3)将铝合金上下面板装配到蜂窝芯相对的两侧面，然后对装配后的待焊面进行钎焊，即得所述大厚度高强铝合金蜂窝板；

其中，按质量百分比计，所述Al-Si非晶钎料的组成为：10～12％的Si，13～15％的Ge，5～6％的Mg，3～4％的Be，2～3％的RE，Al余量；所述RE为Ce、Y的一种或两种；

所述铝合金上下面板为复合板或铝合金单板；所述铝合金上下面板为复合板时，将铝合金上下面板直接装配到蜂窝芯两端，形成上面板/蜂窝芯/下面板结构；所述铝合金上下面板为铝合金单板时，在上面板与蜂窝芯、下面板与蜂窝芯之间加入片状钎料后装配，形成上面板/片状钎料/蜂窝芯/片状钎料/下面板结构。

2.如权利要求1所述的大厚度高强铝合金蜂窝板的制备方法，其特征在于，所述铝合金箔带为3003铝合金、6061铝合金、6063铝合金中的一种。

3.如权利要求1所述的大厚度高强铝合金蜂窝板的制备方法，其特征在于，所述片状钎料的厚度为0.05～0.1mm。

4.如权利要求1～3任一项所述的大厚度高强铝合金蜂窝板的制备方法，其特征在于，所述蜂窝芯的高度＞10mm。

5.如权利要求1～3任一项所述的大厚度高强铝合金蜂窝板的制备方法，其特征在于，所述复合板包括基体和复合层，所述基体为3003铝合金，复合层为4343铝合金或4047铝合金；所述铝合金单板为3003铝合金、6061铝合金、6063铝合金中的一种。

6.如权利要求1～3任一项所述的大厚度高强铝合金蜂窝板的制备方法，其特征在于，所述钎焊为真空钎焊或气保护钎焊；所述钎焊的温度为580～615℃，钎焊保温的时间为20～120min。

7.如权利要求6所述的大厚度高强铝合金蜂窝板的制备方法，其特征在于，所述钎焊为气保护钎焊时，钎焊前在铝合金上下面板贴合蜂窝芯的一侧喷涂钎剂；所述钎剂由KF-AlF₃和K₂SiF₆组成；KF-AlF₃和K₂SiF₆的质量比为1：0.5。

8.如权利要求1～7任一项所述的大厚度高强铝合金蜂窝板的制备方法制备得到的大厚度高强铝合金蜂窝板。