薄芯铝蜂窝板的气体保护钎焊工艺及其性能研究

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蜂窝板是一种起源于天然蜂巢的仿生复合材料,在各种材质的蜂窝板中,铝合金蜂窝板由于其具有较高的比强度、比刚度、稳定性、防火性、隔音隔热等一系列优点,广泛应用于乘用车的吸能盒、轨道客车的舱壁和地板、船舶的内装和隔仓、建筑的吊顶和幕墙乃至航空航天领域飞行器的机翼和卫星整流罩等。随着对蜂窝板性能要求的日益提高,胶接工艺制造的铝蜂窝板由其胶黏剂带来的性能不足愈发凸显,使用焊接牢固的冶金结合代替胶接是一个可行的技术方案。蜂窝板出于轻量化的需要,在满足性能要求的前提下,必然会尽可能的使用更大的蜂窝格子,更小的蜂窝壁厚。然而过薄的蜂窝壁在焊接过程中易发生溶蚀等缺陷,因此有着相对较窄的工艺窗口。真空钎焊技术可以较好的解决上述问题,但是真空钎焊技术生产成本高且受到炉膛尺寸的制约,难以生产壁板、浆叶等大型蜂窝结构件。发展生产成本更低,尺寸限制更小的铝蜂窝板气体保护钎焊技术具有非常重要的现实意义。本文使用气体保护钎焊技术,对蜂窝芯厚度为0.1 mm的薄芯铝蜂窝板钎焊工艺和性能进行了研究,希望找到一种薄芯铝蜂窝板气体保护钎焊工艺,取代成本高昂的真空钎焊工艺。研究工作及结果主要包括:(1)研究了钎剂的铺展润湿规律,结果表明与钎剂活性配合最好的钎焊温度在610℃左右。分析了不同工艺参数下基体和接头的组织与性能的变化规律。讨论了工艺参数对面板中析出相、钎料残余层、显微硬度和晶粒度的影响。用圆弧逼近法对钎焊接头进行了评价,发现即使在同一工艺参数下,蜂窝壁不同位置的接头形式也存在差异现象,并提出了解释该现象的温度差异假设。根据接头内壁板是否存在连续性将钎焊接头分为了两类,并分别对两类接头形态随工艺参数的变化趋势做出了总结。使用不同工艺参数分别制备了60 mm长的单壁板型和双壁板型平直长焊缝,讨论了钎焊温度和保温时间对两种接头力学性能的影响。综合考虑各方面因素,对于薄芯铝蜂窝板的气体保护钎焊的工艺窗口进行了研究,最终确定了适合本试验所用规格的铝蜂窝板钎焊工艺参数为炉温600℃,保温时间15 min;(2)对比研究了使用优化的工艺参数制备的钎焊铝蜂窝板与相同规格的胶接铝蜂窝板的各项力学性能,并分析了产生差异的原因。结果表明相同蜂窝规格下,钎焊铝蜂窝板的平拉、平压、剪切和滚筒剥离性能均优于胶接蜂窝板。但由于经历了钎焊工艺的热循环,钎焊铝蜂窝板的拉伸/压缩弹性模量和剪切弹性模量均低于同规格的胶接蜂窝板。为使用钎焊铝蜂窝板替代胶接蜂窝板的使用场景提供了选择性参考;(3)铝蜂窝板具有复杂的内部结构,在钎焊过程中也具有较复杂的温度和应力分布。利用Abaqus软件对薄芯铝蜂窝板钎焊过程中的温度场和应力场进行了分析,取得了与试验结果相吻合的计算结果,验证了钎焊过程中单壁板和双壁板位置的接头处存在温度差异的假设,为优化铝蜂窝板的钎焊工艺和装夹方法提供了参考。
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