（材料学专业论文）钎焊铝蜂窝板的研制与力学性能研究.pdf

昆明理工大学硕上学位论文摘要 摘要 胶粘铝蜂窝板由于重量轻、强度高、刚性大、稳定性好、隔热隔声，在飞机、 列车、船舶、建筑等领域中具有广泛的使用前景。然而，其强度、使用寿命以及 允许的工作环境在很大程度上受胶粘剂的性能所影响。因此需要以一种新的制造 方法来彻底改变其现有缺点，而钎焊法是取代胶粘法最理想的方法，通过钎焊方 法形成的接头能形成冶金结合，其力学性能远高于胶粘材料。 本文在钎料复合轧制技术的基础上，对钎焊铝蜂窝板的制造方法及力学性能 进行研究，研究工作及结果主要包括： ( 1 ) 对蜂窝芯的成形方法和钎焊铝蜂窝板的钎焊技术进行研究，研究发现， 蜂窝芯采用辊压+ 冲压成形方案较合理，钎焊铝蜂窝板的钎焊温度在6 0 5 6 2 1 为宜。 ( 2 ) 运用薄板理论，综合考虑铝蜂窝的初始缺陷及大挠度特性，建立钎焊 铝蜂窝板的平压强度理论模型，分析铝蜂窝原材料钎焊后的力学性能对平压强度 及平压变形过程的影响。结果发现，壁板的压应力超过原材料钎焊后的屈服强度 6 3 后，蜂窝板才开始发生破坏。 ( 3 ) 分析蜂窝结构在纵横方向上的差异性和面板原材料钎焊后的力学性能 对钎焊铝蜂窝板纵向和横向侧压变形过程及破坏形式的影响。结果发现，纵向侧 压面板的极限强度与原材料钎焊后的拉伸强度相当，而横向侧压面板的极限强度 比纵向约低1 2 ；纵向侧压最后发生面板皱曲失稳，而横向侧压发生剪切皱折失 稳。 ( 4 ) 采用白行设计的剪切试验装置对钎焊铝蜂窝板的剪切性能进行测试， 分析原材料钎焊后的剪切屈服强度对钎焊铝蜂窝板剪切强度和剪切变形过程的 影响。结果发现，纵向剪切强度为1 m p a ，横向剪切强度为0 6 6 m p a 。 文章对钎焊铝蜂窝板进一步的研发工作及应用前景进行了初步讨论。 关键词：铝蜂窝，钎焊，力学性能，变形机理。 昆明理工大学硕十学位论文 英文摘要 a b s t r a c t b e c a u s eo fl i g h tw e i g h t ，h i g hs t r e n g t h ，h i g hs t i f f n e s s ，g o o ds t a b i l i t y , h e a ti n s u l a t i o na n d s o u n di n s u l a t i o n ，t h eg l u e da l u m i n u mh o n e y c o m b p a n e l ( g a h p ) h a sh u g ep r o s p e c t i v eo fw i d e u s ei na i r c r a f t ，t r a i n ，s h i p p i n g ，c o n s t r u c t i o ne t c h o w e v e r , i t ss t r e n g t h ，l i f ea n da l l o w a b l e o p e r a t i n gc o n d i t i o nw e r er e s t r i c t e db yt h ep r o p e r t i e so fa d h e s i v e s s oan e wm a n u f a c t u r e t e c h n i q u ei sn e e d e dt od e v e l o pt oc h a n g et h ed i s a d v a n t a g eo fg a h pd r a s t i c a l l y , b r a z i n gi st h e o p t i c a lt e c h n i q u e ，b e c a u s e t h e b r a z i n gj u n c t i o n i s m e t a l l u r g i c a lc o m b i n a t i o n ，a n d i t s m e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa r eb e t t e rt h a na d h e s i v e s b a s e do nt h em e t a l l i z e da l u m i n u ma l l o yr o l l i n gt e c h n i q u e ，t h i sp a p e rs t u d i e so nt h e m a n u f a c t u r i n gt e c h n i q u e sa n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s o f b r a z e da l u m i n u mh o n e y c o m b p a n e l ( b a h p ) ( 1 ) s t u d yo nt h ef o r m i n gt e c h n i q u e so fa l u m i n u mh o n e y c o m ba n db r a z i n gt e c h n i q u e so f b a h p r e s u l t sf i n dt h a tr o l f i n g + i m p a c te x t r u s i o ni ss u c c e s s f u l ，a n dt h eb r a z i n gt e m p e r a t u r e s h o u l db ei nt h er a n g eo f6 0 5 3 2a n d6 2 1 c ( 2 ) a p p l y i n gt h i n - p l a t et h e o r y , c o n s i d e r i n g t h eo r i g i n a ld e f e c ta n dl a r g ed e f l e c t i o n p r o p e r t yo fc e l lw a l l s ，s e tu pt h et h e o r e t i c a lm o d e lo ff l a t w i s ec o m p r e s s i v es t r e n g t ho fb a h p , a n a l y z et h ee f f e c to ft h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so ft h er s wa l u m i n u ma l l o yh o n e y c o m ba f t e r b r a z i n go nt h ef l a t w i s ec o m p r e s s i v es t r e n g t ha n dt h ed e f o r m a t i o np r o c e s s r e s u l t sf i n dt h a t b a h p s b e g i nt od e s t r o yw h e nt h ec o m p r e s s i v es t r e s sv a l u e so fc e l lw a l l se x c e e d6 3 o fy i e l d s t r e s so ft h er a wa l u m i n u ma l l o y ( 3 ) a n a l y z e t h ee f f e c to ft h el o n g i t u d i n a la n dt r a n s v e r s es t r u c t u r ed i f f e r e n c eo f h o n e y c o m bo nt h el o n g i t u d i n a la n dt r a n s v e r s ed e f o r m a t i o np r o c e s sa n dd e s t r o yt y p eo f b a h p r e s u l t sf i n dt h a tt h el o n g i t u d i n a lu l t i m a t es t r e n g t ho ff a c e p l a t ei sb a s i c a l l ye q u a lo ft h et e n s i l e s t r e n g t ho fo r i g i n a la l u m i n u ma h o y , a n dt h et r a n s v e r s eu l t i m a t es t r e n g t ho ff a c e p l a t ei sl o w e r 1 2 t h a nt h el o n g i t u d i n a lu l t i m a t es u e n g t ho ff a c e p l a t e a tl a s t ，f a c ew r i n k l i n gd e s t r u c t i o n o c c u r sa sl o n g i t u d i n a le d g e w i s ec o m p r e s s i o na n ds h e a r c r i m p i n gd e s t r u c t i o no c c u r sa s t r a n s v e r s ee d g e w i s ec o m p r e s s i o n ( 4 ) t e s tt h es h e a rs t r e n g t ho fb a h p sb yu s i n gt h es h e a rt e s ts e t u pd e s i g n e db ya u t h o r , a n a l y z et h ee f f e c to fs h e a ry i e l ds t r e s so fr a wa l u m i n u ma l l o yo nt h es h e a rs t r e r l g t ha n d d e f o r m a t i o np r o c e s so fb a h p s r e s u l t sf i n dt h a tt h el o n g i t u d i n a ls h e a rs t r e n g t hi s1 m p aa n d t h et r a n s v e r s es h e a rs t r e n g t hi so 6 6 m p a t h i sp a p e ra l s op r i m a r i l yd i s c u s st h ef a r t h e rd e v e l o p m e n ta n da p p l i e dp r o s p e c t i v e so f b a h e k e yw o r d ：a l u m i n u mh o n e y c o m b ，b r a z i n g , m e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ，d e f o r m a t i o nm e c h a n i s m “ 昆明理工大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下( 或 我个人) 进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内 容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成 果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在论文中作了明 确的说明并表示了谢意。本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：彦3 - 调 日期印孵7 月f 日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解昆明理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅，学校可以公布 论文的全部或部分内容，可以采用影印或其他复制手段保留论文。 ( 保密论文在解密后应遵守) 啊 刷醛轹朋拶 论文作者签名：喜击、旧o o 日期：j 哪年7 r 月f 日 昆明理工人学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究背景及意义 蜂窝板由于重量轻、强度高、刚性大、稳定性好、隔热隔声等一系列优点， 现已在飞机、列车、船舶、建筑等领域中广泛使用。然而，目前国内外常见的蜂 窝板均是胶粘蜂窝板，其强度、使用寿命以及允许的工作环境在很大程度上受胶 粘剂的性能所影响。在湿度过大、振动过激、温度过高或过低的工作环境下面板 容易脱胶，导致平拉强度和剥离强度降低。例如：由于高空湿度大，用于飞机上 的蜂窝板中的积水结冰引起膨胀而脱粘【1 l 或由于表层温度高而引起脱粘【2 j ；由于 高空辐照强和温度低，用于航天领域的蜂窝夹层结构的有机胶粘剂易发生分子断 链和冷脆，平直拉伸强度下降约5 0 1 3 4 】。 “轻量化、高性能、安全和环保节能”是交通运输工具发展的必然趋势，进而 对蜂窝板提出了更新更高的要求。仅通过胶粘剂性能的改进和提高来取得蜂窝板 在性能上的飞跃是很有局限的。对于应用范围和数量不断增加的铝蜂窝板，需要 以一种新的制造方法来彻底改变其现有缺点。而钎焊法是取代胶粘法最理想的方 法，因为通过钎焊方法形成的接头能形成冶金结合，其力学性能高于胶粘材料。 本文通过研究钎焊铝蜂窝板的制备方法及力学性能，可为钎焊铝蜂窝板和其 他钎焊金属蜂窝板的研制与开发提供科学依据；为蜂窝板提供新材料、新工艺技 术。 1 2 蜂窝板研究现状 1 2 1 蜂窝板结构及特点 蜂窝板是由两层薄而强的面板材料，中间夹一层厚而极轻的蜂窝芯复合而 成，又名蜂窝夹层结构、蜂窝夹芯板。蜂窝板的形状和所用材料如表i - 1 所示。 表1 - 1 蜂窝板的形状和材料 蜂窝芯形状正六边形、菱形、矩形、正弦煞线形等 蜂窝芯材料 玻璃钢蜂窝、n o m c x 蜂窝、铝蜂窝、纸蜂窝等 蜂窝板 面板材料 玻璃钢、f r p 薄板、塑料、铝板、钢板、木材等 胶粘剂环氧树脂、聚酰胺、硅酮树脂、聚硫橡胶等 蜂窝夹层结构具有许多常规材料所不具备的特性，其综合性能十分突出，主 昆明理工大学硕士学位论文 第一章绪论 要表现在以下方面： 】，重量轻：由于蜂窝是一种多孔的不连续材料，实体部分的截面积很小， 因此蜂窝的密度也很小，远远小于胶合板的6 0 0 k g m 3 。 2 强度高：从力学的角度来看，工字梁结构是种很合理的结构，对蜂窝 扳来说，实际上是大量的工字梁结构的集合，其中的蜂窝芯相当于工字梁的腹板， 蜂窝板的面板相当于工字梁的翼板。因此，蜂窝板具有很高的抗压强度。 3 刚性大、稳定性好：由于夹芯的高度比面板高出几倍，而且面板有夹芯 支持，蜂窝板的刚度随之成三次方增大。因此，蜂窝板剪切强度大，稳定性好。 同等重量的蜂窝夹层板其刚性是铝合金的5 倍，钢板的1 0 倍。改变蜂窝板的厚 度可达到设计刚度的要求1 6 j 。 4 隔热性能好：蜂窝芯与面板复合以后，在蜂窝板内形成了无数个密闭的 六角柱形空间。这种结构，使热量无法以对流和辐射的形式进行，只能通过蜂窝 芯壁和面板及密闭空间的热传导进行。因此蜂窝板的隔热性能比较显著。 5 隔声效果比较好：由于面、底板之间的空气层被蜂窝分隔成众多封闭孔， 声波的传播受到极大的限制，所以蜂窝孔具有很好的吸音性。实验表明，蜂窝夹 层结构的声疲劳强度较一般扳材结构高9 0 0 0 多倍；厚度超过2 英寸的蜂窝夹层结 构吸音效率高达9 5 ，可以大大降低噪声污染i _ ”。 1 2 2 蜂窝板研究进展概况 早在二次世界大战前期，随着战争的深入，各参战国家的科学家都在寻找重 量轻、强度高、刚度大、稳定性好的材料，以适应当时迅速发展的飞机制造工业。 1 9 4 0 年，英国的希尔( h i l l ) 教授，用巴隆木单片做蜂窝格子，用校花木单片做 面板，形成蜂窝夹层结构，首先用在英国“飞翼”型飞机上，并获得成功。接着美 国又把木单片的蜂窝芯粘接在铝蒙皮上形成“铝木蜂窝夹层结构”。到二次世界 大战快结束时，一种全部由金属制作( 主要是铝镁合金) 的金属蜂窝已经问世并 用在飞机的结构件上。到上个世纪五十年代，由于塑料纤维工艺技术的发展，出 现了玻璃钢蜂窝结构【钔。1 9 7 2 年美国杜邦公司研究开发了芳纶纸蜂窝，即n o m e x 蜂窝，并大量投入运用，2 0 年后杜邦公司通过改变芳纶分子结构和改善浸胶方法， 又开发了k o r e x 蜂窝。近年来，俄罗斯研制了热膨胀系数近于零的蜂窝和1 2 0 0 1 5 0 0 x 2 仍不燃烧的蜂窝【9 l 。日本的山l ：l 进吾等【1 0 l 在1 9 9 0 年代初研制了钎焊铝蜂窝 板。 2 昆明理工大学顾士学位论文 第一章绪论 我国从六十年代开始研制飞机用的玻璃钢蜂窝板，并取得了较大的进步。随 后研制了n o m e x 蜂窝、铝蜂窝，并成功应用在飞机的结构件上。北京航空航天大 学和航天材料及工艺研究所在蜂窝芯成型及铝、纸蜂窝板整板制造工艺方面有多 项研究成果。此外，西安市阎良西航自动化研究所于1 9 9 2 年在国内率先研制成功 建筑蜂窝板制造设备1 5j 。2 0 0 2 年，方大集团在国际上首创复合热熔胶膜粘接技术， 利用平面连续热复合工艺研制成功高性能热塑性胶粘剂连续复合的铝蜂窝板【“l 。 1 2 3 蜂窝板制造方法概况 传统胶粘蜂窝板的蜂窝芯的制造方法有成型法和拉伸法( 或称展开法) 。成型法 是先将材料辊轧或冲压成波纹状，然后将波纹状材料叠合胶接而成。拉伸法是先在材 料上涂胶条，然后将材料叠合胶接起来，最后再将叠合胶接起来的材料拉伸成蜂窝【5 、 1 2 1 3 】。郝喜海等在文献 1 4 中介绍了另外一种拉伸法的制芯工艺八角轮缠绕式制 芯工艺。成型法的特点是蜂窝芯尺寸精度高，强度高，但效率低，一般用于航空航天 领域；而拉伸法则相反，主要用于对尺寸及强度要求不高的建筑领域。 气￥雹蹈a 民骖驴 气骖琶纸z 雹崩尸 气骖琶纸劢琶缈匕冷 气谚雹纸冠疹q 少 气涉琶纸雹历尹 ( a ) 图1 - 1 钎焊铝蜂窝板的制造过程 1 4 】 f i g 1 1t h em a n u f a c t u r i n gp r o c e s so fb a i - i p 1 4 l 3 昆明理工人学硕士学位论文第一章绪论 山口进吾在文献【1 0 】中介绍了钎焊铝蜂窝板( b a h p ) 的制造过程。即将裁切成 一定宽度的板条按半正六角形的形状进行波纹加工，以形成蜂窝。再用上、下面 板将蜂窝芯夹紧，用夹具固定后，置于钎焊炉内钎焊成一体，如图1 - 1 所示。 文n 1 5 1 介绍了两种钎焊蜂窝夹层结构的夹具，如图1 2 和图1 - 3 所示e 图 1 2 采用的是差压法，用薄合金钢制成抽空容器，钎焊时通过通入气体使抽空容 删必 气体业 气体峨 层状墙构 图1 - 2 差压法夹具【1 5 1 f i g 1 2d i f f e r e n t i a lp r e s s u r ec l a m p 1 5 l 嚣嚣 小扎 图1 3 加压法波纹管夹具i ”j h g 1 3p l u s p r e s s u r ec l a m pb yc o r r u g a t e dp i p e 【1 5 j 器膨胀以产生压力。图1 3 采用的是外部加压法，将薄金属波纹管放发装配件和 掰0 性垫板结构之间，钎焊时通过波纹管的膨胀以产生压力。 1 2 4 蜂窝板的应用概况 国外在上个世纪六十年代开始将蜂窝板应用于建筑、车船、家具等领域，国 内直到1 9 9 0 年左右才开始转向民用，目前，蜂窝板主要用在以下五个方面： n ) 飞机 用蜂窝板制造的机翼、水平机翼以及民机的座舱、货舱地板、舱门隔板等有 效地减轻了飞机结构重量，提高了活动件操纵的敏感性【9 1 。如：俄罗斯将n o m e x 蜂窝作芯材组成的夹层结构件用作安1 2 4 运输机的货舱、图2 0 4 的发动机短舱和 垂尾【1 6 】。我国的直九机采用由n o m e x 蜂窝组成的夹层结构件也达2 8 0 多个，单机 n o m e x 蜂窝用量2 6 0 m 2 ，占整机覆盖面积的8 0 左右【1 7 1 。 4 昆明理工大学硕上学位论文 第一章绪论 ( 2 ) 火车车体 蜂窝扳可用来制造高速列车特别是轻轨、地铁车辆内饰板如控制面板、舱壁、 天花板垫板、行李架、厕所单元、盥洗室、地板、四角门和隔离舱门以及外部构 件如车顶、前端、护板、整个车体等。 最高速度达3 0 0 k m h 的世界上最高速车辆一一5 0 0 系“希望号”，其侧面及底架 部采用了钎焊铝蜂窝板，其结果，获得了质量轻、耐高压、高两0 性的车体结构， 降低了车辆在高速运行中车箱内外的噪声1 8 。1 9 1 。 国内长春客车厂于1 9 9 0 年在2 5 a 型客车上采用了铝蜂窝复合板结构1 2 们。据了 解，深圳的第一辆地铁机车车辆天花板、地板及车厢两侧的隔板采用了从德国引 进的热塑性胶粘剂连续复合的蜂窝铝板。我国正在开发的具有自主知识产权的地 铁列车的车顶也将采用铝蜂窝板。 ( 3 ) 船舶 蜂窝夹层结构的结构件和非结构件分别比传统材料( 如金属、木材、f r p ) 制造的对应构件轻5 0 和7 5 。可用来制作快速渡轮的船壳和舱壁及赛艇的轻质 桅杆。如美国海军采用了由n o m e x 蜂窝与铝或f r p 面板构成的蜂窝板作舱壁以减 少船重，改善船的灵活性和稳定性。国内也开始将铝蜂窝板和纸蜂窝板用在船舶 上【引。 f 4 、汽车 蜂窝夹层结构在汽车上已经有了较多应用，大部分是用于车身外蒙皮、车身 结构、车架结构、保险杠、座椅、车门等处。 如用p p 蜂窝结构和玻纤增强热塑性面板材料复合而成的蜂窝板设计轿车的 行李后搁板、承重地板等，可以产生非常大的损伤容限。用环氧系粘结剂将纸蜂 窝芯与上下两层防锈钢板复合形成蜂窝板用作汽车地板和车顶衬里，具有较好的 吸声性能【2 1 1 。日本许多概念车的底板采用了铝蜂窝板，以减轻车重和增加车体刚 性【22 。 ( 5 ) 建筑及其它 蜂窝夹层结构在建筑领域有较多应用，如制作大型商场、地铁站、会议室的 天花板，宾馆、银行的屏风、隔断以及高层建筑的外墙装饰板等。既美观，又可 以大大减轻地震导致的人员伤亡和财产损失。 国内铝蜂窝板和纸蜂窝板也逐渐开始应用于建筑领域。如上海飞翼幕墙有限 5 昆明理工大学硕士学位论文 第一章绪论 公司生产的环氧树脂胶接式飞冀铝蜂窝幕墙板已用于东方明珠电视塔和上海儿 童博物馆球幕电影厅f 2 3 1 。由国内某集团生产的热塑性胶粘剂连续复合的蜂窝铝板 已应用于香港地铁站台装修和候车亭、广告牌等。 此外，蜂窝板还用于制造桥梁、包装箱、垃圾箱等l6 1 。 1 3 铝合金钎焊研究现状 美国焊接学会给钎焊所下的定义是：“钎焊是把材料加热到适当的温度，同 时应用钎料而使材料产生结合的一组焊接方法；所用钎料的液相线高于4 5 0 。c ， 但低于基体金属的固相线温度。钎料依靠毛细吸引作用流布于接头的紧密配合面 之间”【1 引。 1 3 1 基体金属和钎料的选择 表卜2 常用可钎焊铝合金的成分和熔化温度范围【1 5 】 铝业可钎性公称成分大约的熔化温度 牌号 评级 c us im n m g z nc r范围( ) e caa i 9 9 4 5 6 4 6 6 5 7 1 1 0 0aa 1 9 9 6 4 3 - 6 5 7 3 0 0 3a1 26 4 3 - 6 5 4 3 0 0 4b1 21 0 6 2 9 6 5 1 3 0 0 5a0 3 o 61 2o 40 2 5o 1 6 3 8 - 6 5 7 5 0 0 5b 0 86 3 2 6 5 4 5 0 5 0b1 25 8 8 - 6 4 9 5 0 5 2 c 2 55 9 3 6 4 9 6 1 5 1c1 o0 60 2 5 6 4 3 - 6 4 9 6 9 5 1a0 2 5o 3 5o 6 56 1 5 - 6 5 4 6 0 5 3ao 。7 1 35 9 6 6 5 1 6 0 6 1ao 2 5o 61 0o 2 5 5 9 3 - 6 5 1 6 0 6 3a 0 4o 76 1 5 - 6 5 1 7 0 0 5 b0 1o 3 50 4 51 44 50 1 36 0 7 6 4 6 7 0 7 2a1 0 6 0 7 _ 6 4 6 6 昆叫理工太学硕士学位论= 盘= 第一章绪论 公司生产的环氧树脂胶接式飞冀铝蜂窝幕墙板己用于东方明珠电视塔和上海儿 童博物馆球幕电影厅1 2 ”。由国内某集团生产的热塑性胶粘剂连续复合的蜂窝铝板 已应用于香港地铁站台装修和候车亭、广告牌等。 此外，蜂窝板还用丁制造桥梁、包装箱、垃圾箱等”1 。 1 3 铝合金钎焊研究现状 美国焊接学会给钎焊所下的定义是：“钎焊是把材料加热到适当的温度，同 时应用钎料而使材料产生结合的一组焊接方法；所用钎料的液相线高于4 5 0 ， 但低于基体金属的固相线温度。钎料依靠毛细吸引作用流布于接头的紧密配合面 之间” t 5 1 。 1 3 1 基体金属和钎料的选择 1 3 1 基体金属和钎料的选择 表卜2 常用可钎焊铝合金的成分和熔化温度范围【” 铝业可钎性 公称成分 大约的熔化温度 牌号 评级c us im n m g z c r范围( ) e ca a 1 9 9 4 5 6 4 6 - 6 5 7 1 1 0 0a a 1 9 9 6 4 3 - 6 5 7 3 0 0 3a1 26 4 3 - 6 5 4 3 0 0 4 b1 21 06 2 9 - 6 5 1 3 0 0 5a0 3o 61 20 40 2 50 16 3 8 - 6 5 7 5 0 0 5 b0 8 6 3 2 - 6 5 4 5 0 5 0b1 25 8 8 - 6 4 9 5 0 5 2c2 55 9 3 - 6 4 9 6 1 5 1c1 00 60 2 56 4 3 - 6 4 9 6 9 5 1a0 2 5o 3 5o 6 56 1 5 6 5 4 6 0 5 3ao 71 35 9 6 6 5 1 6 0 6 1a0 2 50 61 00 2 55 9 3 - 6 5 1 6 0 6 3a 0 4o 76 1 5 - 6 5 1 7 0 0 5b0 1o 3 50 4 51 44 50 1 3 6 0 7 6 4 6 7 0 7 2a1 o 6 0 7 - 6 4 6 昆明理工大学硕士学位论文 第一章绪论 公司生产的环氧树脂胶接式飞冀铝蜂窝幕墙板已用于东方明珠电视塔和上海儿 童博物馆球幕电影厅f 2 3 1 。由国内某集团生产的热塑性胶粘剂连续复合的蜂窝铝板 已应用于香港地铁站台装修和候车亭、广告牌等。 此外，蜂窝板还用于制造桥梁、包装箱、垃圾箱等l6 1 。 1 3 铝合金钎焊研究现状 美国焊接学会给钎焊所下的定义是：“钎焊是把材料加热到适当的温度，同 时应用钎料而使材料产生结合的一组焊接方法；所用钎料的液相线高于4 5 0 。c ， 但低于基体金属的固相线温度。钎料依靠毛细吸引作用流布于接头的紧密配合面 之间”【1 引。 1 3 1 基体金属和钎料的选择 表卜2 常用可钎焊铝合金的成分和熔化温度范围【1 5 】 铝业可钎性公称成分大约的熔化温度 牌号 评级 c us im n m g z nc r范围( ) e caa i 9 9 4 5 6 4 6 6 5 7 1 1 0 0aa 1 9 9 6 4 3 - 6 5 7 3 0 0 3a1 26 4 3 - 6 5 4 3 0 0 4b1 21 0 6 2 9 6 5 1 3 0 0 5a0 3 o 61 2o 40 2 5o 1 6 3 8 - 6 5 7 5 0 0 5b 0 86 3 2 6 5 4 5 0 5 0b1 25 8 8 - 6 4 9 5 0 5 2 c 2 55 9 3 6 4 9 6 1 5 1c1 o0 60 2 5 6 4 3 - 6 4 9 6 9 5 1a0 2 5o 3 5o 6 56 1 5 - 6 5 4 6 0 5 3ao 。7 1 35 9 6 6 5 1 6 0 6 1ao 2 5o 61 0o 2 5 5 9 3 - 6 5 1 6 0 6 3a 0 4o 76 1 5 - 6 5 1 7 0 0 5 b0 1o 3 50 4 51 44 50 1 36 0 7 6 4 6 7 0 7 2a1 0 6 0 7 _ 6 4 6 6 昆明理工大学硕士学位论文 第一章绪论 钎焊铝合金时，钎焊温度都超过基体金属的退火温度。经冷加工强化的铝合 金在钎焊时会被退火，对于如3 0 0 3 等非热处理型铝合金，钎焊后接头强度下降 至相当于退火软化后的机械性能。而对于如6 9 5 1 等热处理型铝合金虽然也会被 钎焊所退火，但它们的强度既可以在钎焊后通过热处理来提高，也可以将试件从 钎焊温度淬火来提高。表1 2 为常用可钎焊铝合金的成分和熔化温度范围。 钎焊铝合金所用钎料主要是a 1 s i 系合金，即4 x x x 系列铝合金。a 1 s i 系相 图如图1 4 所示，液相点温度范围 5 7 7 6 3 0 。c 。a 1 s i 系钎料主要是指以 a 1 s i 共晶成分为基的钎料。也包括 亚共晶、过共晶以及添加元素不高于 5 ( 质量分数) 的a 1 s i 台金。这一 系列的钎料在钎焊性、强度和母材色 泽一致性、镀覆性和抗腐蚀性都极 佳。表1 - 3 和1 4 为美国焊接学会所 提供的a 1 - s i 钎料的成分数据及钎焊 温度范围。 图1 4 s i 合金相图 f i g 1 - 4t h ep h a s ed i a g r a mo f a l s is e r i e s 表1 - 3 铝一硅系钎料的公称成分f 1 5 】 t a b 1 3e l e m e n t so ff i l l e ri l l e t a i so fa 1 s is e r i e s l l 5 】 铝硅钎料 其它元素 总量 a w s 牌号 s ic uf ez n m g m c rt ia i 每一合 元素计 b a i s i 26 8 8 20 2 5o 80 2 00 1 0 余量 o 0 5 o 1 5 b a i s i 39 3 1 0 73 3 4 7o 8o 2 0o 1 50 1 5 o 1 5 余量 0 0 5 0 1 5 b a i s i 41 1 0 - 1 3 00 3 0o 8o 2 00 1 0o 1 5 余量 o 0 5 o 1 5 b a l s i 59 0 1 1 0 o 3 0o 80 1 0 0 0 5o 0 5 0 2 0余量 0 0 5o 1 5 b a l s i 66 8 - 8 2o 2 50 80 2 02 0 3 00 1 0 余量 o 0 50 1 5 b a l s i 79 0 - 1 1 0o 2 50 80 2 01 o 2 00 1 0余量o 0 50 1 5 b a i s i 8 1 1 o 1 3 o0 2 5o 80 2 01 0 - 2 0o 1 0 余量 0 0 5 o 1 5 目前，铝合金复合带材和薄板主要用于铝散热器和铝热交换器钎焊生产中。 基体金属( 母材) 主要有a a 3 0 0 3 ( l f 2 1 ) 、a a 3 0 0 5 、a a 6 0 6 3 ( l t 3 1 ) 、a a 6 9 2 3 、 7 昆明理工大学硕士学位论文 第一章绪论 a a 6 9 5 1 、a a 7 0 7 2 等，钎料主要有a a 4 0 4 5 、a a 4 0 4 7 、a a 4 3 4 3 、a a 4 0 0 4 等。有 时为了提高接头的耐点蚀性能，还在复合板材中加入一定量的锌，以起到牺牲阳 极的作用，如a a 3 0 0 3 + z n ( w t l 5 ) 、a a 4 0 4 5 + z n ( w t l o ) 。这其中以 a a 4 0 4 5 a a 3 0 0 3 、a a 4 3 4 3 a a 3 0 0 3 单面或双面复合板材用量最大。如用作热交 换器的封头、框架和翅片( 散热片) 2 4 - 2 5 】，平行流冷凝器中的隔板、翅片f 2 “，散 热器的翅片【2 7 1 。 表1 4 铝一硅钎料的钎焊温度范围 1 5 固相线液相线钎焊温度范围 a w s 牌号从适用范围 ( )( )( ) b a l s i 24 3 4 35 7 76 1 35 9 9 6 2 ln o c o l o k 法 b a i s i 34 1 4 55 2 15 8 55 7 1 - 6 0 4n o e o l o k 法 b a l s i 44 0 4 75 7 75 8 2 5 8 2 - 6 0 4n o c o l o k 法 b a i s i 54 0 4 55 7 75 9 15 8 8 - 6 0 4 n o c o l o k 法 b a l s i 64 0 4 35 5 96 0 75 9 9 6 2 1 真空钎焊法 b a i s i 74 0 0 45 5 95 9 15 8 8 6 0 4真空钎焊法 b a l s i 一84 n 0 45 5 95 7 95 8 2 6 0 4 真空钎焊法 1 3 2 钎焊前清洗 在钎焊过程中轻油或重型润滑油所产生的油烟不仅会妨碍钎焊，而且还可能 有爆炸的危险。各种污物和过厚的氧化膜也会降低钎焊接头的结合强度。因此， 只有在钎焊前仔细除去钎料和基体金属表面上的各种污物、过厚的氧化膜和加工 带来的油污，才可能获得良好的钎缝。 清洗通常可分为两类：化学清洗和机械清洗。常用的化学清洗方法有以下九 种1 1 5 l ： 1 溶剂清洗：各种石油溶剂或经氯化的碳氢化合物。 2 蒸气脱脂：用稳定的三氯乙烯或稳定的全氯乙烯。 3 碱洗：采用工业用的硅酸盐、磷酸盐、碳酸盐、去污剂、肥皂、润湿剂的 某种混合物，有些情况还加添某种氢氧化物。 4 乳状液清洗：用某些碳氢化合物、脂肪酸、润湿剂和表面活化剂的混合物。 5 电解清洗：有阳极和阴极清洗之别。 r 昆明理工大学硕士学位论文 第一章绪论 6 酸洗：用磷酸盐型的酸洗液。 7 酸浸泡：用硫酸、硝酸和盐酸。 8 盐浴浸泡：有电解和非电解之别。 9 超声波清洗。 1 3 3 钎焊方法的选择 钎焊方法通常按热源或加热方法来划分。目前具有工业应用价值的钎焊方法 有f 2 1 ：( 1 ) 火焰钎焊，( 2 ) 炉中钎焊，( 3 ) 感应钎焊，( 4 ) 电阻钎焊，( 5 ) 浸渍 钎焊和( 6 ) 红外线钎焊。 炉中钎焊由于能保证钎焊区温度的均匀性，所以广泛用于钎焊体积大且对钎 焊温度均匀性要求较高的零件。炉中钎焊法又细分成两种钎焊方法一一气体保护 钎焊和真空钎焊，已广泛用于钎焊铝热交换器和铝散热器【2 8 3 1 1 。关于两种钎焊方 法的优缺点文献【3 2 】进行了详细比较，如表1 5 所示，图1 5 为两种钎焊升温工艺 图比较。 7 0 0 6 0 0 p 5 0 0 壶4 0 0 蔼3 0 0 2 0 0 1 0 0 毯 嗣 7 0 0 6 0 0 5 0 0 4 0 0 3 0 0 2 0 0 1 0 0 对同r a i n时每 m i n ( a ) n i 咖g c ng a sb r a z i n g嘞v a c u u mb r a z i n g 图1 - 5 氮气保护钎焊与真空钎焊升温工艺比较【3 2 l f i g 1 5t h ec o m p a r i s o no ft e m p r i s i n gp r o c e s sb e t w e e nt w o b r a z ec i r c u m s t a n c e s | 3 2 1 表1 5 两种钎焊工艺方案的对比【3 2 】 项目名称 氨气保护钎焊真空钎焊 n o c o l o k 钎剂，由喷焊剂机喷镁作为活化剂，活化剂镁是靠外 钎荆 入 界喷入 钎焊材料a 1 - s i - b i ，b e ，s b a l - s i m g 水套冷却和空气风冷空气风冷( 真空钎焊炉用干燥空 冷却方式 气回填，真空脱油机用n 2 回填) 炉内介质1 0 0 n 2真空 9 昆明理工丈学硕士学位论文第一章绪论 脱油方法 化学脱油法( 碱脱油及清洗)物理脱油法 处理炉气体炉 真空炉 炉子的保养 容易复杂( 需清除m g 积垢) 升温速度快( 混合加热)慢( 辐射加热) 不合格率 较高较低 纯净水、冷却水、压缩空气、 冷却水、压缩空气、氮气、局部 设备运行需要的 氮气、蒸汽、液化石油气( 也( 抽) 风 介质 可用电取代) 、局部( 抽) 风 由喷焊剂机、干燥炉、预热炉、由真空脱油机、铝真空钎焊炉、 钎焊炉水冷室、空冷室及传输冷却间及一套循环装载运输系 设备差别 系统形成一条较长的紧凑贯通统形成紧凑的结构，高真空主要 的电阻炉由反转泵、机械风机、支持泵、 扩散泵及高真空泵阀组成 电力安装容量4 0 0 7 5 0 k w 设备价格万美元 8 0 2 1 0 工作运输方式连续式 间歇式 对于对炉中保护气氛要求较高的小试验，文献【1 5 】中介绍了一种钎焊法一一 保护盒内钎焊，如图1 - 6 所示。其原理是在炉中放置一个口q 做保护盒的衬套，用 图卜6 钎焊保护盒【1 5 】 f i g 1 6t h eg a s - b r a z i n gb o x 【1 5 】 1 0 昆明理工大学预士学位论文第一章绪论 焊接或气密密封圈的方法仔细把保护盒密封好，隔绝外界的空气，从而使保护盒 内的气氛保持要求的低露点。保护盒盛着钎焊工件，并充以惰性气体或还原性气 体。 1 4 蜂窝板力学性能研究现状 蜂窝板的受力一般可分为面内受载和面外受载两种情形。以蜂窝的轴向为z 轴，并取坐标轴如图1 7 所示。则面内受载指载荷只产生s 。s ，与t ；，的情形， 而面外受载指载荷只产生s ：、t ；：与t 的情形。 y 图1 7 蜂窝板结构图 f i g 1 - 7t h es t r u c t u r eo fh o n e y c o m bp a n e l 1 4 1 蜂窝板的平压性能研究现状 实验发现f 3 3 1 ，各种蜂窝结构在面外受压时都会出现线弹性( 1 i n e a re l a s t i c ) 阶段，而在超过线弹性阶段之后，情况就开始复杂起来，若蜂窝结构由合成橡胶 等弹性材料制成，则其孔壁会产生弹性屈曲，在应力一应变曲线上出现一个长的、 几乎是平坦的平台。若蜂窝结构由铝合金等塑性材料制成，蜂窝壁板则产生塑性 屈曲或轴向屈服。若孔壁由蠕变材料制成，则蜂窝结构会产生蠕变。而若其由脆 性材料制成，则它会以脆性方式发生压碎和断裂。 对于由弹性材料制成的蜂窝结构，其初始弹性届曲载荷的一般求法，是把蜂 窝结构拆成互不相关的孤立的壁板，如图l - 8 所示，然后凭经验对壁板边界给以 一定的约束条件，再利用弹性矩形薄板理论，求出壁板的弹性失稳临界载荷，从 而撮终求出蜂窝结构的总体失稳载荷。 1 1 昆明理工大学硕士学位论文第一章绪论 根据弹性矩形薄板理 论，对于承受任意边界条件 沿长度方向受压的薄板，初 始弹性失稳载荷【3 4 】可表示 为 匕；器等， 其中k ，是一个与边界约束 o x l r l bd 一 - 一 只 q - - - - - - - p x ac q - - - - r y 1 图1 - 8 蜂窝壁板受力分析 f i g 1 - 8t h em e c h a n i c a la n a l y s i so fh o n e y c o m b w a l l 条件有关的因子，e 为薄板密度，t 为薄板厚度，b 为薄板宽度，为泊松比。由 于蜂窝板在使用时，受载边a b 、c d 无法夹持，所以一般假设为简支边。g i b s o n 3 3 j 认为，当侧边a b 、b d 为简支，而且a 3 b 时，k = 3 2 9 ；当此两边为夹支边时， x = 5 7 3 。由于蜂窝结构的壁板的边界条件是一种介于夹支与简支之间的一种弹 性支承，作为一个经验公式，对于等壁厚蜂窝，可取k = 4 0 ，在文献【3 5 】中，z h a n g 等人对非等壁厚( 单层壁：双层壁= 2 ：1 ) 蜂窝进行了研究，假设侧边均为夹支， 认为k + = 5 7 3 ，由此推导了蜂窝结构面外受压时的初始屈曲应力 盯z = k et 3 。(。1。-。,u。2。)。c。o。s。9。(。1。+。s。i。n。o。)b3 k = 2 8 6 5( 1 2 ) 张大军、余同希【3 6 】在处理a c 、b d 边边界约束条件时，首次把主壁板与邻接壁 板联合起来研究，引进了沿主壁板与侧边的分布角弹簧，并用柔度法计算了分布 角弹簧的弹性常数，从而得出k = 1 9 4 9 。王颖坚【3 7 】认为，邻接板对主壁板的约 束作用表现为沿主壁板边缘分布的弯矩，弯矩在数值上等于邻接板边缘扭矩的改 变量，因此认为k * = 2 3 0 2 2 4 。 对予孔壁由铝合金等塑性材料制成的蜂窝结构，g i b s o n 3 3 1 认为壁板承载应力 在达到屈服强度毋，之前将产生塑性屈曲，从而得到蜂窝结构的塑性坍塌强度 上限值： 垒，百l 三。 双厚壁蜂窝 o t y s ( 1 + s i n 0 ) c o s 0b 以 一 ( 1 - 3 ) 其中p s 为蜂窝原材料的密度，_ d 为蜂窝密度，其他符号意义同前。 m c f v a r l