專利名稱：泡沫鋁板的焊接成型方法
技術領域：
本發明涉及鋁板焊接領域，特別涉及一種大尺寸泡沫鋁板的拼焊成型方法。
技術背景泡沫鋁是一種含有大量均勻閉合孔隙的新型鋁基金屬材料，由于其獨特的物 理結構而具備許多優異性能，具有輕質(p <1),高比強度和比剛度，同時又具 備隔聲、隔熱、阻燃、阻尼、沖擊能量吸收和電磁屏蔽等多種特性，實現了結構 材料的輕質多功能化，因而具有廣泛的應用前景。特別在航天航空等高技術領域， 高孔隙率泡沫鋁作為超輕材料已成為國際材料研究的前沿熱點。目前國內外采用粉末冶金法制備較大尺寸泡沫鋁板外存在以下主要缺陷 一是制備效率低；二是需要專門模具，生產成本高；三是高孔隙率制備困難。而熔體連續發泡法制備孔 隙率和孔結構一致的大尺寸泡沫鋁非常困難，成品率極^f氐。而采用熔化焊和壓力焊時，會破壞泡沫鋁合金的本體，性能降低。 發明內容針對現有技術存在大尺寸泡沫鋁制備效率低、工藝復雜、成本高的缺點，本 發明公開了一種制備效率高、工藝簡單、成本低的泡沫鋁板的焊接成型方法，步 驟為第一步將洗凈烘干的長方體形或正方體形泡沫鋁板在一側開出凸V形i皮 口，相對的在另一側對應的開出與其鍥合的凹v形坡口，對開出的凸v形坡口和 凹v形坡口的待焊區進行除銹去油處理后烘千；泡沫鋁板可以加工成統一長邊和 寬邊，厚度為10 - 200腿的正方體或長方體；第二步將ZnCl2和7jc按體積比1: 1-4配制的溶液，均勻涂才未在兩個泡沫 鋁的相對的凸V型坡口和凹v形坡口的待接觸端面；第三步將兩塊步驟二處理好的泡沫鋁板垂直放置于焊接裝置中， 一塊泡沫 鋁板的凸v形坡口與另一塊泡沫鋁板的凹v形坡口相對，將釬料放置在下方泡沫 鋁板的凹V型坡口的凹面內，釬料可以是棒狀的或者是片層狀的，距離3~5mm處為另一待焊接的泡沫鋁板的凸v形坡口，加熱至470 - 485。C時，壓下上方的 泡沫鋁板，使兩塊泡沫鋁板的'V型坡口相互緊密接觸后冷卻，其中釬料為低熔點 鋁基合金；第四步冷卻至室溫后將焊接好的泡沫鋁板取出，將溢出坡口的釬料清除， 洗凈坡口殘余結晶物，得到焊接結構件；第五步重復步驟一到四將若干焊接結構件拼焊出i殳定尺寸的泡沫鋁板。所述的泡沫鋁板的焊接成型方法中步驟一 中泡沫鋁板可以先在清水中加入 2~5%體積比洗潔精，然后用凈水沖洗干凈后烘干，再對泡沫鋁板的除銹去油處 理是先將待焊泡沫鋁板的坡口部分本體放置在55 ~ 65。C的5 ~ 8%NaOH溶液中浸 漬，取出用洗凈后放入濃度為30~40%朋03溶液中清洗，然后凈水洗凈，晾干后 再用丙酮清洗，最后烘干備用。所述的泡沫鋁板的焊接成型方法，其中釬料配方為，按質量百分數Si: 3.5 %~4%、 Mn: 2.5%、 Zn: 20 40%、 Cu: 20%、余量為Al。所述的泡沫鋁板釬焊連接方法中，在同一個結構件中的兩塊泡沫鋁板的孔隙 率和孔徑可以不同。焊接的時候可以采用石英管加熱。本發明的有益效果為1. 本發明的方法由于焊接處已經先在堿、酸和丙酮等介質中經過了預處理， 采用氯化鋅作為助焊劑去除泡沫鋁胞壁表面的氧化膜層并保護焊接區在高溫下 不再繼續氧化，去除了泡沫鋁板表面的致密氧化膜和油污。以鋅、銅、錳和硅為 合金元素的低熔點鋁基釬料，與泡沫鋁本體熔點溫度差較大，同時具有較好的力 學性能和耐蝕性能。通過穩定可控熱源和形成的封閉空間，可以控制焊接接頭區 域形成適當的釬料熔化條件，隨后利用450TC 475。C釬劑的熔化鋪展，破壞并 清除了泡沫鋁表面的氧化膜，改善了隨后熔化的釬料在泡沫鋁表面的潤濕性質， 使釬料在兩個泡沫鋁界面之間凝固，從而實現了泡沫鋁之間的冶金接合。2. 本發明由于在泡沫鋁板之間釬縫處的釬料選擇的是棒狀或片層狀的，在 受熱條件下完全熔化，在凹V形坡口形成釬料池，隨著凸V形坡口的下移而被」才齊 入坡口接觸面的胞壁中，從而增大了坡口間的結合界面，由于壓力^艮小，因此泡 沫鋁的孔結構不會被破壞。3. 本發明釬焊最高溫度為485°C，因此釬縫可以耐受較高溫度。與常規粘 接和低溫釬焊連接相比，具有耐高溫的優勢。4. 本發明由于實現了泡沫鋁之間的冶金接合，釬縫化學性質與泡沫鋁本體 極為相近，釬縫不大于O. 5mm，表面在高溫作用下仍可以形成致密氧化膜，因此 具有耐腐蝕，耐油浸的特點。5. 本發明是金屬間的接合，與粘接相比，不存在紫外線等空間射線條件下 的老化問題，連接可靠。6. 本發明實現的連接接頭可直接應用于工作環境。7. 本發明在釬接過程中加熱時間短，因此焊接效率高。8. 重復本發明步驟，可以不使用任何模具，制備長寬分別大于l~3m、厚 度為200mm以下的大尺寸的泡沫鋁板。9. 本發明的工藝簡單、成本低，容易實現自動化、制備效率高，用此方法 可以將不同孔隙率或者相同孔隙率不同孔徑、孔結構的泡沫鋁板之間的焊接起 來，從而可以制備出具有不同孔隙率，梯度孔隙率或不同孔徑，梯度孔徑特點的 泡沫鋁板。
圖1為泡沫鋁板焊接端示意圖，其中1為釬料。 圖2為不同孔隙率的泡沫鋁板焊接后的樣品圖片。圖3是焊接好的泡沫鋁板焊接接頭處進行三點彎曲試驗后的斷口宏觀形貌。
具體實施方式
以下通過實施例進一步說明本發明 實施例1:第一步采用線切割將泡沫鋁板加工成規則的統一尺寸的正方體或者長方 體。在清水中加入2~5°/ 體積比的洗潔精對加工完成的泡沫鋁板進行清洗，然后 用凈沖洗干凈后烘干。使用電動帶鋸將泡沫鋁板開出V形坡口，要求相對兩邊 一邊為凸V形， 一邊為凹V形。對泡沫鋁板坡口待焊區進行除銹去油處理，基本 過程是先將待焊泡沫鋁坡口部分本體放置在55 ~ 65'C的5 ~ 8%Na0H溶液中浸漬 7min，取出用熱水完全沖洗后i文入濃度約為30 ~ 40%服03溶液中和約1. 5min,然 后凈水洗凈，晾干后再采用丙酮清洗，最后^L入13(TC烘箱中烘干備用。其中NaOH 溶液的濃度可以是是5%、 6%、 8%，溫度可以是55。C、 60°C、 65°C, H冊3溶液的濃度可以為30%、 33%、 40%。第二步將化學純ZnCl2粉末加水形成1: 1-4體積比的水溶液，均勻涂抹 在兩個泡沫鋁V型待接觸端面。ZnCl2和水的體積比可以是l: 1、 1: 3、 1: 4。第三步如圖1，將釬料放置在凹V型坡口的凹面，兩側采用電石英加熱管 加熱，并通過熱電偶控溫，加熱區域使用石棉進行保溫。釬料包括A1、 Si、 Zn、 Cu和Mn，其質量百分數為Si: 3. 5 % ~ 4 % 、 Mn: 2. 5 % 、 Zn: 20 % ~ 40 % 、 Cu: 2t)o/。及余量Al，其中Si的含量可以是3. 5%、 3.8%、 4%， Zn的含量可以是 20 % 、 30 % 、 40 % ,兩端泡沫鋁相距約3 ~ 5咖可以是3mm、 4mm或者5ram。第四步首先對待焊接處加熱，當溫度升至470 - 485。C時，輕輕壓下上面 的泡沫鋁，使兩個V型坡口相互緊密接觸后停止加熱待冷卻至室溫后，將溢出坡 口的釬料去除。在清水中洗凈坡口殘余結晶物。溫度可以是470。C、 479。C、 485 。C。第五步重復以上步驟將若干焊接結構單元體拼焊出大尺寸泡沫鋁板。 實施例2:第一步采用線切割將泡沫鋁板加工成邊長為150mm,厚度為20ram的正方 體。在清水中加入2。/。體積比的洗潔精對加工完成的正方形泡沫鋁板進行清洗， 然后用凈水沖洗干凈后烘干。使用電動帶鋸將泡沫鋁板開出V形坡口 ，要求相對 兩邊一邊為凸V形， 一邊為凹V形。對泡沫鋁板坡口待焊區進行除銹去油處理， 基本過程是先將待焊泡沫鋁坡口部分本體放置在6(TC左右的5%NaOH溶液中浸漬 7min，取出用熱水完全沖洗后放入濃度約為30°/。朋03溶液中和約1. 5min,然后凈 水洗凈，晾干后再采用丙酮清洗，最后;Jt7v 130'C烘箱中烘干備用。第二步將化學純ZnCl2粉末加水形成1: 1體積比的水溶液，均勻涂抹在 兩個泡沫鋁V型待接觸端面。 '第三步如圖1,將釬料放置在凹V型坡口的凹面，由圖l可以看出可以形 成一個4f料池，兩側采用電石英加熱管加熱，并通過熱電偶控溫，加熱區域z使用 石棉進行保溫。釬料包括A1、 Si、 Zn、 Cu和Mn,其質量百分數為Si: 3.5%、 Mn: 2. 5%、. Zn: 38%、 Cu: 12。/。及余量A1，兩端泡沫鋁相距約3mm。第四步首先對石棉封閉區的電石英加熱管通電，通過熱電偶可測得區內溫 度，當溫度升至470 485。C時，輕輕壓下上面的泡沫鋁，使兩個V型坡口相互 緊密接觸后關斷電石英管電源使整個加熱區冷卻下來。冷卻至室溫后將泡沫鋁取出，將溢出坡口的釬料去除。在清水中洗凈坡口殘余結晶物。第五步重復以上步驟將若干焊接結構件單元體拼焊出大尺寸泡沫鋁板。實施例3:第一步采用線切割將孔徑不同的兩塊泡沫鋁板分別加工成邊長為180mm, 厚度為30咖的正方體。在清水中加入3. 5%體積比的洗潔精對加工完成的正方形 泡沫鋁板進行清洗，然后用凈水沖洗干凈后烘干。使用電動帶鋸將泡沫鋁板開出 V形坡口，要求相對兩邊一邊為凸V形， 一邊為凹V形。對泡沫鋁板坡口待焊區 進行,去油處理，基本過程是先將待焊泡沫鋁坡口部分本體放置在6(TC左右 的6%Na0H溶液中浸漬7min，取出用熱水完全沖洗后i文入濃度約為35%朋03溶液中和約i. 5fflin，然后凈水洗凈，晾干后再釆用丙酮清洗，最后放入:n(rc烘箱中烘干備用。第二步將化學純ZnCl2粉末加水形成1: 2體積比的水溶液，均勻涂抹在 兩個泡沫鋁V型待接觸端面。第三步如圖1，將釬料放置在凹V型坡口的凹面，兩側采用電石英加熱管 加熱，并通過熱電偶控溫，加熱區域使用石棉進行保溫。釬料包括A1、 Si、 Zn、 Cu和Mn，其質量百分數為Si: 3.8%、 Mn: 2.5%、 Zn: 48%、 Cu: 12%及余 量A1，兩端泡沫鋁相if巨約3mm。第四步首先對石棉封閉區的電石英加熱管通電，通過熱電偶可測得區內溫 度，當溫度升至470 485'C時，輕輕壓下上面的泡沫鋁，使兩個V型坡口相互 緊密接觸后關斷電石英管電源使整個加熱區冷卻下來。冷卻至室溫后將泡沫鋁取 出，將溢出坡口的釬料去除。在清水中洗凈坡口殘余結晶物。第五步重復以上步驟將若干焊接結構件單元體拼坪出大尺寸泡沫鋁板。實施例4:第 一步采用線切割將孔隙率為7 5 %和孔隙率為8 5 %的兩塊泡沫鋁板分別 加工成邊長為200mm,厚度為50mm的正方體。在清水中加入5%體積比的洗潔精 對加工完成的正方形泡沫鋁板進行清洗，然后用凈水沖洗干凈后烘干。使用電動 帶鋸將泡沫鋁板開出V形坡口，要求相對兩邊一邊為凸V形， 一邊為凹V形。對 泡沫鋁板坡口待焊區進行除銹去油處理，基本過程是先將待焊泡沫鋁坡口部分本 體放置在60。C左右的8WaOH溶液中浸漬7min，取出用熱水完全沖洗后放入濃度約為40。/。HN0,溶液中和約1. 5min，然后凈水洗凈，晾干后再采用丙酮清洗，最后 放入13(TC烘箱中烘千備用。第二步將化學純ZnCl2粉末加水形成1: 4體積比的水溶液，均勻涂4未在 兩個泡沫鋁V型待接觸端面。第三步如圖1，將釬料放置在凹V型坡口的凹面，兩側采用電石英加熱管 加熱，并通過熱電偶控溫，加熱區域使用石棉進行保溫。釬料包括A1、 Si、 Zn、 Cu和Mn，其質量百分數為Si: 4%、 Mn: 2.5%、 Zn: 42%、 Cu: 16%及余量 Al，兩端泡沫鋁相5巨約3-5mm。第四步首先對石棉封閉區的電石英加熱管通電，通過熱電偶可測得區內溫 度，當溫度升至485。C時，輕輕壓下上面的泡沫鋁，使兩個V型坡口相互緊密接 觸后關斷電石英管電源使整個加熱區冷卻下來。冷卻至室溫后將泡沫鋁取出，將 溢出坡口的釬料去除。在清水中洗凈坡口殘余結晶物。第五步重復以上步驟將若干焊接單元體拼焊出大尺寸泡沫鋁板。實施例5:第一步采甩線切割將泡沫鋁板加工成長為280mm、寬為140mm、厚度為50mm 的長方體。在清水中加入5%體積比的洗潔精對加工完成的正方形泡沫鋁板進行 清洗，然后用凈水沖洗干凈后烘干。使用電動帶鋸將泡沫鋁板開出V形坡口，要 求相對兩邊一邊為凸V形， 一邊為凹V形。對泡沫鋁板坡口待焊區進行除銹去油 處理，基本過程是先將待焊泡沫鋁坡口部分本體放置在60。C左右的8，aOH溶液 中浸漬7min，取出用熱水完全沖洗后放入濃度約為40%邢03溶液中和約1. 5min, 然后凈水洗凈，晾干后再采用丙酮清洗，最后放入130。C烘箱中烘干備用。第二步將化學純ZnCl2粉末加水形成1: 4體積比的水溶液，均勻涂抹在 兩個泡沫鋁V型待接觸端面。第三步如圖1，將4f料放置在凹V型坡口的凹面，兩側采用電石英加熱管 加熱，并通過熱電偶控溫，加熱區域使用石棉進行保溫。釬料包括A1、 Si、 Zn、 Cu和Mn,其質量百分數為Si: 4%、 Mn: 2.5%、 Zn: 48%、 Cu: 12%及余量 A1,兩端泡沫鋁相距約3 ~ 5mm。第四步首先對石棉封閉區的電石英加熱管通電，通過熱電偶可測得區內溫 度，當溫度升至485。C時，輕輕壓下上面的泡沫鋁，使兩個V型坡口相互緊密接 觸后關斷電石英管電源使整個加熱區冷卻下來。冷卻至室溫后將泡沫鋁取出，將溢出坡口的釬料去除。在清水中洗凈坡口殘余結晶物。第五步重復以上步驟將4塊泡沫鋁板焊接成1塊1120 x 280 x 50mm的長條 形泡沫鋁板，然后將7塊長條形泡沫鋁板為單元重復以上步驟相互焊接可以制備 出1120 x i960 x 50mm泡沫鋁j反。實施例6:第一步采用電動帶鋸直接將泡沫鋁板加工成邊長為300mm,厚度為100mm 的小正方體板，將泡沫鋁板開出V形坡口，要求相對兩邊一邊為凸V形， 一邊為 凹V形。在清水中加入5%體積比的洗潔精對加工完成的正方形泡沫鋁板進行清 洗，然后用凈水沖洗干凈后烘千。對泡沫鋁小板坡口待焊區進行除銹去油處理， 基本過程是先將待焊泡沫鋁坡口部分本體放置在6(TC左右的8%NaOH溶液中浸漬 7min,取出用熱水完全沖洗后放入濃度約為40%朋03溶液中和約1. 5min，然后凈 水洗凈，晾干后再采用丙酮清洗，最后放入13(TC烘箱中烘千備用。第二步將化學純ZnCl2粉末加水形成1: 4體積比的水溶液，均勻涂^^未在 兩個泡沫鋁V型待接觸端面。第三步如圖1,將釬料放置在凹V型坡口的凹面，兩側采用電石英加熱管 加熱，并通過熱電偶控溫，加熱區域使用石棉進行保溫。釬料包括A1、 Si、 Zn、 Cu和Mn,其質量百分數為Si: 4%、 Mn: 2.5%、 Zn: 39%、 Cu: 17%及余量 Al ，兩端泡沫鋁相距約3 ~ 5ram。第四步首先對石棉封閉區的電石英加熱管通電，通過熱電偶可測得區內溫 度，當溫度升至475。C時，輕輕壓下上面的泡沫鋁，使兩個V型坡口相、互緊密接 觸后關斷電石英管電源使整個加熱區冷卻下來。冷卻至室溫后將泡沫鋁取出，將 溢出坡口的釬料去除。在清水中洗凈坡口殘余結晶物。第五步重復以上步驟將4塊泡沫鋁板焊接成1塊1200 x 300 x lOOmm的長 條形泡沫鋁板，然后將7塊長條形泡沫鋁板為單元重復以上步驟相互焊接可以制 備出1200 x 2100 x IOO咖泡沫鋁板。實施例7由圖2可以看出采用本發明可以實現不同孔隙率和孔結構的泡沫鋁板的冶金 結合，由圖3可以看出釆用本發明的方法焊接后的泡沫鋁板的焊接接頭機械性能 很好，在三點彎曲條件下，焊縫在最大彎矩作用處未發生斷裂，斷口位于焊接接頭 附近的母材處。
權利要求
1.一種泡沫鋁板的焊接成型方法，其特征在于步驟為第一步將洗凈烘干的長方體形或者正方體形泡沫鋁板在一側開出凸V形坡口，相對的在另一側對應的開出與其鍥合的凹v形坡口，對開出的凸v形坡口和凹v形坡口的待焊區進行除銹去油處理后烘干；第二步將ZnCl2和水按體積比1∶1～4配制的溶液，均勻涂抹在兩個泡沫鋁的相對的凸V型坡口和凹v形坡口的待接觸端面；第三步將兩塊處理好的泡沫鋁板垂直放置于焊接裝置中，一塊泡沫鋁板的凸v形坡口與另一塊泡沫鋁板的凹v形坡口相對，將釬料放置在下方泡沫鋁板的凹V型坡口的凹面內，距離3～5mm處為另一待焊接的泡沫鋁板的凸v形坡口，加熱至470～485℃時，壓下上方的泡沫鋁板，使兩塊泡沫鋁板的V型坡口相互緊密接觸后，冷卻，其中釬料為低熔點鋁基合金；第四步冷卻至室溫后將焊接好的泡沫鋁板取出，將溢出坡口的釬料清除，洗凈坡口殘余結晶物，得到焊接結構件；第五步重復步驟一到四將若干焊接結構件拼焊出設定尺寸的泡沫鋁板。
2. 根據權利要求1所迷的泡沫鋁板的焊接成型方法，其特征在于步驟一中 對泡沫鋁板的除銹去油處理是先將待焊泡沫鋁板的坡口部分本體放置在55 ~ 65 r質量濃度5 ~ 8%NaOH溶液中浸漬，取出用洗凈后放入質量濃度30 ~ 40%冊03溶 液中清洗，然后凈水洗凈，晾干后再用丙酮清洗，最后烘干備用。
3. 根據權利要求1所述的泡沫鋁板的焊接成型方法，其特征在于釬料配方 為，按質量百分數Si: 3.5%~4%、 Mn: 2.5%、 Zn: 20 40%、 Cu: 20%、 余量為Al。
4. 根據權利要求1所述的泡沫鋁板的焊接成型方法，其特征在于釬料為棒 狀或者片層狀。
5. 根據權利要求1所述的泡沫鋁板釬焊連接方法，其特征在于同一個結構 件中所用的兩塊泡沫鋁板的孔隙率和孔徑不同。
全文摘要
本發明屬于泡沫鋁焊接領域，公開了一種采用焊接成型工藝制備泡沫鋁板的方法，步驟為將洗凈烘干的方形泡沫鋁板在一側開出凸V形坡口，相對的在另一側對應位置開出與其鍥合的凹v形坡口，對待焊區進行處理，將處理好的泡沫鋁板垂直放置于焊接裝置中，一塊泡沫鋁板的凸v形坡口與另一塊泡沫鋁板的凹v形坡口相對，將低熔點鋁基合金釬料放置在下方泡沫鋁板的凹V型坡口的凹面內，距離3～5mm處為另一待焊接的泡沫鋁板的凸v形坡口，加熱至470～485℃時，壓下上方的泡沫鋁板，使兩塊泡沫鋁板的V型坡口相互緊密接觸后冷卻冷卻至室溫，最后將溢出坡口的釬料清除，得到焊接結構件；重復步驟將若干焊接結構件拼焊出設定尺寸的泡沫鋁板。
文檔編號B23K1/20GK101264538SQ20081001881
公開日2008年9月17日 申請日期2008年1月25日 優先權日2008年1月25日
發明者何德坪, 何思淵, 輝 王 申請人:東南大學