譚淑芹 徐世興 陳亞斌

摘? 要：早在20世紀(jì)40年代，國(guó)外就在研究粘接鋁蜂窩復(fù)合材料，并成功在飛機(jī)上應(yīng)用。中國(guó)從20世紀(jì)60年代才開(kāi)始研究和應(yīng)用。因此需要以一種新的制造方法來(lái)徹底改變其現(xiàn)有缺點(diǎn)，而釬焊法是取代膠粘法最理想的一種工藝方法，通過(guò)釬焊方法形成的接頭是冶金結(jié)合，其力學(xué)性能遠(yuǎn)高于膠粘材料。釬焊鋁蜂窩板是一種新型的輕金屬結(jié)構(gòu)復(fù)合材料，因其密度低，剛度高，性能穩(wěn)定，耐溫性強(qiáng)，加工性優(yōu)良等優(yōu)點(diǎn)得到了廣泛應(yīng)用，本文介紹了釬焊鋁蜂窩板的特點(diǎn)和應(yīng)用現(xiàn)狀。

關(guān)鍵詞：釬焊鋁蜂窩;復(fù)合材料;新型金屬結(jié)構(gòu)

中圖分類號(hào)：TB331? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

早在20世紀(jì)40年代，國(guó)外就在研究粘接鋁蜂窩復(fù)合材料，并成功在飛機(jī)上應(yīng)用。中國(guó)從20世紀(jì)60年代才開(kāi)始研究和應(yīng)用。膠粘鋁蜂窩板因其重量輕、強(qiáng)度高、剛性大、穩(wěn)定性好、隔熱隔聲，在飛機(jī)、列車、船舶和建筑等領(lǐng)域中具有廣泛的使用前景。然而，其強(qiáng)度、使用壽命以及允許的工作環(huán)境在很大程度上受膠粘劑的性能所影響[1]。因此需要以一種新的制造方法來(lái)徹底改變其現(xiàn)有缺點(diǎn)，而釬焊法是取代膠粘法最理想的一種工藝方法，通過(guò)釬焊方法形成的接頭是冶金結(jié)合，其力學(xué)性能遠(yuǎn)高于膠粘材料。

1 釬焊鋁蜂窩原理

釬焊鋁蜂窩板是將鋁面板和鋁蜂窩芯通過(guò)釬焊工藝組合在一起的鋁蜂窩夾層結(jié)構(gòu)材料。該材料是將鋁蜂窩芯和鋁面板組合后置于釬焊爐中，在600℃左右的溫度場(chǎng)中一次性釬焊焊接而成。鋁蜂窩芯與鋁蜂窩芯之間，鋁蜂窩芯與面板之間的所有節(jié)點(diǎn)均為金屬連接，中間不添加任何諸如膠粘劑等非金屬材料。其中的鋁蜂窩芯是以一定厚度和寬度的鋁帶，經(jīng)波紋法成型，排列在一起呈正六邊形的焊接鋁蜂窩。

釬焊鋁蜂窩板在釬焊爐中的加熱溫度高于焊料熔融溫度而低于母材熔融溫度，即焊料熔融而母材不熔，過(guò)程中熔化的焊料在毛細(xì)吸引作用下浸潤(rùn)填充在兩母材之間，并與母材相互溶解、擴(kuò)散、冷卻凝固后將兩母材焊接為一體[2]。這使釬焊鋁蜂窩板的性能大大改變，形成一種獨(dú)立的新型輕金屬結(jié)構(gòu)復(fù)合材料。

2 釬焊鋁蜂窩的特點(diǎn)

2.1 質(zhì)量輕

釬焊鋁蜂窩板因鋁蜂窩芯是由一定寬度和厚度的鋁帶經(jīng)過(guò)波紋法成型的正六邊形多孔結(jié)構(gòu)組成，實(shí)體截面積小，因此釬焊鋁蜂窩板的密度遠(yuǎn)小于材料本身的密度。（釬焊鋁蜂窩板厚度22 mm，鋁面板分別是1.0 mm、1.2 mm，鋁蜂窩芯的厚度是19.8 mm其面密度是8.7 kg/m2）。

2.2 節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度高

釬焊鋁蜂窩板中的節(jié)點(diǎn)都是通過(guò)釬焊焊接的方式連接在一起的，釬焊過(guò)程中母材不熔化，避免了熔焊過(guò)程中的晶粒長(zhǎng)大、溶蝕等，按照GB/T1457—2005夾層結(jié)構(gòu)滾筒剝離強(qiáng)度試驗(yàn)方法，進(jìn)行試驗(yàn)釬焊蜂窩板的滾筒剝離強(qiáng)度一般大于200N·mm/mm，且蜂窩芯是呈撕裂狀態(tài)[3]。而同規(guī)格膠粘鋁蜂窩板的滾筒剝離強(qiáng)度一般80N·mm/mm，鋁面板與蜂窩芯在膠粘層剝離，其剝離強(qiáng)度取決于膠粘劑強(qiáng)度。

2.3 抗壓強(qiáng)度高

釬焊蜂窩板中鋁蜂窩芯可選用較厚的鋁帶，增大焊接面積，又因釬焊節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度高，正六邊形鋁蜂窩芯結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性強(qiáng)，即使過(guò)載壓縮變形仍可保持一定的承載力而不會(huì)出現(xiàn)壓潰現(xiàn)象，根據(jù)GB/T1453—2005夾層結(jié)構(gòu)或芯子 平壓性能試驗(yàn)方法，進(jìn)行試驗(yàn)平壓強(qiáng)度5.4 MPa[4]，而同規(guī)格膠粘鋁蜂窩板的平壓強(qiáng)度4.2 MPa。

2.4 抗拉強(qiáng)度高

釬焊蜂窩板中鋁蜂窩芯可選用較厚的鋁帶，增大焊接面積，又因釬焊節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度高，正六邊形鋁蜂窩芯結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性強(qiáng)，根據(jù)GB/T1452—2005夾層結(jié)構(gòu)或芯子 平拉性能試驗(yàn)方法，進(jìn)行試驗(yàn)抗拉強(qiáng)度6 MPa，釬焊鋁蜂窩板從鋁蜂窩芯處被拉裂，而同規(guī)格膠粘鋁蜂窩板的平壓強(qiáng)度2.6 MPa，膠粘鋁蜂窩板的鋁面板與鋁蜂窩芯從膠粘劑層拉裂。

2.5 優(yōu)良的抗沖擊性

釬焊鋁蜂窩板在受到外力沖擊時(shí)，因釬焊鋁蜂窩板是3層夾心結(jié)構(gòu)，其中的鋁蜂窩芯的強(qiáng)度小于面板的強(qiáng)度，且鋁蜂窩芯是有一定高度的六邊形多孔結(jié)構(gòu)，在釬焊鋁蜂窩板單面受到?jīng)_擊時(shí)，中間層的鋁蜂窩芯起到分解吸收沖擊能量的作用。而實(shí)體的材料受外力沖擊沒(méi)有緩沖動(dòng)作，直接傳遞沖擊能量。2015年3月份，在動(dòng)車組設(shè)備艙底蓋板研制時(shí)，（設(shè)備艙底蓋板的主要作用是為保護(hù)安裝在車底的設(shè)備以防車體運(yùn)行過(guò)程中被帶起的路基上的石子、砂礫擊穿而對(duì)設(shè)備造成破壞），采用釬焊鋁蜂窩板、鋁型材、碳纖維3種材質(zhì)的工件進(jìn)行500 g水泥球，以350 km/h的速度90°角沖擊試驗(yàn)，其中鋁型材和碳纖維材質(zhì)的樣件被水泥球擊穿，只有釬焊鋁蜂窩材質(zhì)的工件沒(méi)有被擊穿，試驗(yàn)證明釬焊鋁蜂窩板的性能最好，完全達(dá)到設(shè)計(jì)要求[6]。

2.6 耐溫性強(qiáng)

釬焊鋁蜂窩板是純鋁合金材料，產(chǎn) 品成型工藝溫度高達(dá)600℃。所以材料的耐溫性取決于鋁合金材料的耐溫性。按照EN1363—1：2012耐火測(cè)試通用要求做耐火試驗(yàn)，在50 mm厚的釬焊鋁蜂窩板單側(cè)升溫600℃，并保持20 min后，外表面的溫度為360℃，釬焊鋁蜂窩加熱側(cè)表面發(fā)生輕微變形，變形量為2 mm;外觀無(wú)可見(jiàn)破壞，耐溫性能優(yōu)越如圖1所示。而同規(guī)格的膠粘鋁蜂窩板的耐溫性取決膠粘劑的耐溫性，一般不超過(guò)200℃。

2.7 隔音性好

釬焊鋁蜂窩板的隔音效果根據(jù)GB/T19889.3—2005空氣隔聲，一般大于26 dB，通過(guò)改變內(nèi)部結(jié)構(gòu)也可達(dá)33 dB，而同規(guī)格的粘接鋁蜂窩板的隔音效果在24 dB～26 dB。

2.8 良好的工藝性

釬焊鋁蜂窩板是一種純金屬材料，經(jīng)釬焊焊接成一體的新型金屬結(jié)構(gòu)性材料，節(jié)點(diǎn)的強(qiáng)度高于鋁蜂窩芯材料的強(qiáng)度，可以二維、三維成型、二次焊接、加工等。

2.9 環(huán)?？苫厥?/p>

釬焊鋁蜂窩板是一種純金屬材料，無(wú)任何非金屬添加劑，無(wú)毒無(wú)有害物質(zhì)環(huán)保綠色材料。

3 釬焊鋁蜂窩板的應(yīng)用

3.1 釬焊鋁蜂窩板在動(dòng)車中的應(yīng)用

現(xiàn)在國(guó)家的對(duì)節(jié)能減排及環(huán)保的要求越來(lái)越高，以鋁合為主的輕量化材料的研究也越來(lái)越深入，應(yīng)用也是越來(lái)越廣泛，而釬焊鋁蜂窩板憑借著上述特點(diǎn)發(fā)展迅速，并在動(dòng)車及高鐵的廂壁、頂板、門(mén)、地板、間壁等推廣應(yīng)用[7，9]，利用釬焊蜂窩板的面密度小，平壓強(qiáng)度高，環(huán)保，以及可二維三維成型及可焊接性等特點(diǎn)，對(duì)動(dòng)車司機(jī)室進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)，達(dá)到減排降耗的目的[5]。

釬焊鋁蜂窩板的司機(jī)室與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)司機(jī)室對(duì)比分析見(jiàn)表1。

3.2 釬焊鋁蜂窩板在軍工中的應(yīng)用

利用釬焊鋁蜂窩板密度小、強(qiáng)度高，可二維、三維模壓成型的特點(diǎn)，且安裝和維護(hù)簡(jiǎn)單方便，同時(shí)符合現(xiàn)在發(fā)展提出的節(jié)能減排的要求，為某種車型的保險(xiǎn)杠，進(jìn)行重新設(shè)計(jì)和制作，在保證原保險(xiǎn)杠性能、外觀質(zhì)量不變的前提下，用釬焊蜂窩板設(shè)計(jì)制作新型保險(xiǎn)杠，經(jīng)設(shè)計(jì)計(jì)算符合使用性能，并且產(chǎn)品的重量比原碳鋼結(jié)構(gòu)的保險(xiǎn)杠減重50%以上，完全符合現(xiàn)在的節(jié)能減排的理念，同時(shí)材料還是綠色環(huán)保，完全可回收利用的。再者利用釬焊蜂窩板的平壓強(qiáng)度高、耐腐性好等特性，制成質(zhì)量輕，方便搬運(yùn)的墊木，便于設(shè)備在野外搭建簡(jiǎn)易平臺(tái)。同時(shí)因?yàn)榫哂匈|(zhì)量輕、平壓強(qiáng)度高的性能，將釬焊蜂窩板制成模塊化的道面板，實(shí)現(xiàn)機(jī)場(chǎng)跑道應(yīng)急快速鋪設(shè)的目的，滿足飛機(jī)起降的要求，提高保障能力，適應(yīng)現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)的需要。

4 結(jié)語(yǔ)

釬焊鋁蜂窩是一種新型純金屬?gòu)?fù)合材料，作為一種新型功能材料，因其密度小，質(zhì)量輕，剛度高，綠色環(huán)保等特點(diǎn)[8]，在軌道交通、國(guó)防科技、航空航天、船舶、醫(yī)藥衛(wèi)生等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)

[1]張敏，于九明.金屬夾芯復(fù)合板及其制備技術(shù)的發(fā)展[J]. 焊接技術(shù)，2003，32（6）：21-23.

[2]Dai Wei，Xue songbai，Sun Bo，et al.Study on Microstructure of 6061 Alumminum Alloy Brazed with AI-Si-Zn filler Mrtals Bearing sr and Ti[J].Rare Metal Materials and Engineering，2013，42（12）：2442-2446.

[3]郭建明，胡鵬飛，向曉龍，等.蜂窩鋁板剝離強(qiáng)度的研究[J].裝飾裝修材料，2003（8）：53-54.

[4]彭明軍，孫勇，沈黎，等.面板對(duì)釬焊蜂窩鋁板平壓性能的影響[J].材料導(dǎo)報(bào)，2006（20）：471-472.

[5]吳鴻遙.合成板、夾層板與整體板的強(qiáng)度計(jì)算原理[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1989.

[6]張廣平，戴干策. 復(fù)合材料蜂窩夾芯板及其應(yīng)用[J]. 纖維復(fù)合材料，2000（2）：25-27.

[7]劉金龍.鋁蜂窩復(fù)合材料客車地板性能研究與應(yīng)用[D].廣州：華南理工大學(xué)，2012.

[8]官兆合，梁國(guó)正，盧婷利.高性能機(jī)載雷達(dá)罩用Nomex蜂窩的研制[J].工程塑料應(yīng)用，2003（6）：36-38.

[9]于戰(zhàn)果，鄭炳良. 軍用廂式車夾層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究[J]. 專用汽車，2002（1）：3-5.