钎焊铝蜂窝板在装备制造领域中的应用
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摘 要：早在20世纪40年代，国外就在研究粘接铝蜂窝复合材料，并成功在飞机上应用。中国从20世纪60年代才开始研究和应用。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一种工艺方法，通过钎焊方法形成的接头是冶金结合，其力学性能远高于胶粘材料。钎焊铝蜂窝板是一种新型的轻金属结构复合材料，因其密度低，刚度高，性能稳定，耐温性强，加工性优良等优点得到了广泛应用，本文介绍了钎焊铝蜂窝板的特点和应用现状。
关键词：钎焊铝蜂窝;复合材料;新型金属结构
中图分类号：TB331 文献标志码：A
0 引言
早在20世纪40年代，国外就在研究粘接铝蜂窝复合材料，并成功在飞机上应用。中国从20世纪60年代才开始研究和应用。胶粘铝蜂窝板因其重量轻、强度高、刚性大、稳定性好、隔热隔声，在飞机、列车、船舶和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[1]。因此需要以一種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一种工艺方法，通过钎焊方法形成的接头是冶金结合，其力学性能远高于胶粘材料。
1 钎焊铝蜂窝原理
钎焊铝蜂窝板是将铝面板和铝蜂窝芯通过钎焊工艺组合在一起的铝蜂窝夹层结构材料。该材料是将铝蜂窝芯和铝面板组合后置于钎焊炉中，在600℃左右的温度场中一次性钎焊焊接而成。铝蜂窝芯与铝蜂窝芯之间，铝蜂窝芯与面板之间的所有节点均为金属连接，中间不添加任何诸如胶粘剂等非金属材料。其中的铝蜂窝芯是以一定厚度和宽度的铝带，经波纹法成型，排列在一起呈正六边形的焊接铝蜂窝。
钎焊铝蜂窝板在钎焊炉中的加热温度高于焊料熔融温度而低于母材熔融温度，即焊料熔融而母材不熔，过程中熔化的焊料在毛细吸引作用下浸润填充在两母材之间，并与母材相互溶解、扩散、冷却凝固后将两母材焊接为一体[2]。这使钎焊铝蜂窝板的性能大大改变，形成一种独立的新型轻金属结构复合材料。
2 钎焊铝蜂窝的特点
2.1 质量轻
钎焊铝蜂窝板因铝蜂窝芯是由一定宽度和厚度的铝带经过波纹法成型的正六边形多孔结构组成，实体截面积小，因此钎焊铝蜂窝板的密度远小于材料本身的密度。（钎焊铝蜂窝板厚度22 mm，铝面板分别是1.0 mm、1.2 mm，铝蜂窝芯的厚度是19.8 mm其面密度是8.7 kg/m2）。
2.2 节点强度高
钎焊铝蜂窝板中的节点都是通过钎焊焊接的方式连接在一起的，钎焊过程中母材不熔化，避免了熔焊过程中的晶粒长大、溶蚀等，按照GB/T1457—2005夹层结构滚筒剥离强度试验方法，进行试验钎焊蜂窝板的滚筒剥离强度一般大于200N·mm/mm，且蜂窝芯是呈撕裂状态[3]。而同规格胶粘铝蜂窝板的滚筒剥离强度一般80N·mm/mm，铝面板与蜂窝芯在胶粘层剥离，其剥离强度取决于胶粘剂强度。
2.3 抗压强度高
钎焊蜂窝板中铝蜂窝芯可选用较厚的铝带，增大焊接面积，又因钎焊节点强度高，正六边形铝蜂窝芯结构的稳定性强，即使过载压缩变形仍可保持一定的承载力而不会出现压溃现象，根据GB/T1453—2005夹层结构或芯子 平压性能试验方法，进行试验平压强度5.4 MPa[4]，而同规格胶粘铝蜂窝板的平压强度4.2 MPa。
2.4 抗拉强度高
钎焊蜂窝板中铝蜂窝芯可选用较厚的铝带，增大焊接面积，又因钎焊节点强度高，正六边形铝蜂窝芯结构的稳定性强，根据GB/T1452—2005夹层结构或芯子 平拉性能试验方法，进行试验抗拉强度6 MPa，钎焊铝蜂窝板从铝蜂窝芯处被拉裂，而同规格胶粘铝蜂窝板的平压强度2.6 MPa，胶粘铝蜂窝板的铝面板与铝蜂窝芯从胶粘剂层拉裂。
2.5 优良的抗冲击性
钎焊铝蜂窝板在受到外力冲击时，因钎焊铝蜂窝板是3层夹心结构，其中的铝蜂窝芯的强度小于面板的强度，且铝蜂窝芯是有一定高度的六边形多孔结构，在钎焊铝蜂窝板单面受到冲击时，中间层的铝蜂窝芯起到分解吸收冲击能量的作用。而实体的材料受外力冲击没有缓冲动作，直接传递冲击能量。2015年3月份，在动车组设备舱底盖板研制时，（设备舱底盖板的主要作用是为保护安装在车底的设备以防车体运行过程中被带起的路基上的石子、砂砾击穿而对设备造成破坏），采用钎焊铝蜂窝板、铝型材、碳纤维3种材质的工件进行500 g水泥球，以350 km/h的速度90°角冲击试验，其中铝型材和碳纤维材质的样件被水泥球击穿，只有钎焊铝蜂窝材质的工件没有被击穿，试验证明钎焊铝蜂窝板的性能最好，完全达到设计要求[6]。
2.6 耐温性强
钎焊铝蜂窝板是纯铝合金材料，产 品成型工艺温度高达600℃。所以材料的耐温性取决于铝合金材料的耐温性。按照EN1363—1：2012耐火测试通用要求做耐火试验，在50 mm厚的钎焊铝蜂窝板单侧升温600℃，并保持20 min后，外表面的温度为360℃，钎焊铝蜂窝加热侧表面发生轻微变形，变形量为2 mm;外观无可见破坏，耐温性能优越如图1所示。而同规格的胶粘铝蜂窝板的耐温性取决胶粘剂的耐温性，一般不超过200℃。
2.7 隔音性好
钎焊铝蜂窝板的隔音效果根据GB/T19889.3—2005空气隔声，一般大于26 dB，通过改变内部结构也可达33 dB，而同规格的粘接铝蜂窝板的隔音效果在24 dB～26 dB。
2.8 良好的工艺性
钎焊铝蜂窝板是一种纯金属材料，经钎焊焊接成一体的新型金属结构性材料，节点的强度高于铝蜂窝芯材料的强度，可以二维、三维成型、二次焊接、加工等。
2.9 环保可回收 钎焊铝蜂窝板是一种纯金属材料，无任何非金属添加剂，无毒无有害物质环保绿色材料。
3 釬焊铝蜂窝板的应用
3.1 钎焊铝蜂窝板在动车中的应用
现在国家的对节能减排及环保的要求越来越高，以铝合为主的轻量化材料的研究也越来越深入，应用也是越来越广泛，而钎焊铝蜂窝板凭借着上述特点发展迅速，并在动车及高铁的厢壁、顶板、门、地板、间壁等推广应用[7，9]，利用钎焊蜂窝板的面密度小，平压强度高，环保，以及可二维三维成型及可焊接性等特点，对动车司机室进行轻量化设计，达到减排降耗的目的[5]。
钎焊铝蜂窝板的司机室与传统结构司机室对比分析见表1。
3.2 钎焊铝蜂窝板在军工中的应用
利用钎焊铝蜂窝板密度小、强度高，可二维、三维模压成型的特点，且安装和维护简单方便，同时符合现在发展提出的节能减排的要求，为某种车型的保险杠，进行重新设计和制作，在保证原保险杠性能、外观质量不变的前提下，用钎焊蜂窝板设计制作新型保险杠，经设计计算符合使用性能，并且产品的重量比原碳钢结构的保险杠减重50%以上，完全符合现在的节能减排的理念，同时材料还是绿色环保，完全可回收利用的。再者利用钎焊蜂窝板的平压强度高、耐腐性好等特性，制成质量轻，方便搬运的垫木，便于设备在野外搭建简易平台。同时因为具有质量轻、平压强度高的性能，将钎焊蜂窝板制成模块化的道面板，实现机场跑道应急快速铺设的目的，满足飞机起降的要求，提高保障能力，适应现代战争的需要。
4 结语
钎焊铝蜂窝是一种新型纯金属复合材料，作为一种新型功能材料，因其密度小，质量轻，刚度高，绿色环保等特点[8]，在轨道交通、国防科技、航空航天、船舶、医药卫生等领域具有广泛的应用前景。
参考文献
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