程方杰，齊書梅，趙 歡，何培龍

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鋁蜂窩板的自反應(yīng)釬焊工藝與性能

程方杰1, 2，齊書梅2，趙 歡2，何培龍2

(1. 天津大學(xué)天津市現(xiàn)代連接技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300072；2. 天津大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，天津300072)

在不添加釬料的情況下，使用添加4%ZnCl2和4%SnCl2(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的中溫CsF-AlF3自反應(yīng)釬劑，對成型法制備的鋁蜂窩芯及面板進(jìn)行自反應(yīng)釬焊連接。通過調(diào)整釬焊溫度、保溫時(shí)間等參數(shù)，確定鋁蜂窩板的自反應(yīng)釬焊工藝。使用光學(xué)顯微鏡和掃描電子顯微鏡及能譜儀對釬焊接頭進(jìn)行組織觀察和成分與缺陷分析，測試釬焊接頭在不同試驗(yàn)溫度下的拉剪強(qiáng)度以及蜂窩板的平壓強(qiáng)度。結(jié)果表明：釬焊溫度為570 ℃、保溫時(shí)間30 min時(shí)，可制備出整體的鋁蜂窩板，且釬焊接頭連接良好，未出現(xiàn)溶蝕缺陷；蜂窩芯接頭的拉剪強(qiáng)度為46~52 MPa，在25~150 ℃范圍內(nèi)，拉剪強(qiáng)度無明顯下降，自反應(yīng)釬焊制備的鋁蜂窩板平壓強(qiáng)度可達(dá)1.75 MPa。

自反應(yīng)釬焊；鋁蜂窩；拉剪強(qiáng)度；平壓強(qiáng)度

鋁蜂窩板因其密度小、剛性大、穩(wěn)定性好，隔音隔熱性能好，被廣泛地應(yīng)用在航空航天、交通運(yùn)輸、建筑裝飾、軍事防衛(wèi)等領(lǐng)域[1?3]。目前，膠接法制備的鋁蜂窩板在高溫、潮濕等惡劣條件下易發(fā)生膠層開裂，該種鋁蜂窩板的應(yīng)用也因此常受制于膠粘劑[4?7]。釬焊可以實(shí)現(xiàn)接頭的冶金連接，且具有可一次裝配、釬焊時(shí)間短等工藝優(yōu)點(diǎn)，是制備蜂窩板較理想的方法[8?9]。目前，提出釬焊蜂窩板主要是在高于600 ℃進(jìn)行真空釬焊或氮?dú)鈿夥諣t中釬焊[10?11]，這兩種方法釬焊溫度都過高，超出了大部分可熱處理強(qiáng)化鋁合金的過燒溫度，限制了鋁蜂窩板的選材，影響其強(qiáng)度的進(jìn)一步提高；另一方面，這兩種釬焊方法設(shè)備投資多、釬焊周期長、產(chǎn)品成本高難以被廣泛推廣應(yīng)用。此外，對于芯材厚度小于0.5 mm的鋁蜂窩結(jié)構(gòu)，釬焊存在釬料溶蝕母材以及釬料預(yù)置困難等缺點(diǎn)[12]。自反應(yīng)釬焊[13]過程不使用釬料合金，由自反應(yīng)釬劑中的活化元素釬焊時(shí)與母材反應(yīng)生成金屬層來實(shí)現(xiàn)冶金連接，這無疑為鋁蜂窩板的制備提供了全新的思路。

中溫自反應(yīng)釬焊制備鋁蜂窩板在降低釬焊操作溫度的同時(shí)，可提高鋁蜂窩板的接頭性能。本文作者研究釬焊參數(shù)對鋁蜂窩板成型的影響，并對焊后鋁蜂窩板的接頭組織和性能進(jìn)行了分析與測試。

1 實(shí)驗(yàn)

本實(shí)驗(yàn)選取厚度在0.15 mm左右的1060鋁帶(寬15 mm)制備鋁蜂窩芯a、b、c、d。鋁蜂窩板的上下面板選用尺寸為2 mm的1060鋁合金板和1.5 mm的 4043/3003/4043復(fù)合釬焊板e(cuò)、f、g、h，其中包覆層厚度占釬焊板厚的10%左右。釬焊前需要對成型法制備的半正六邊形(邊長為6 mm)鋁蜂窩條和面板表面進(jìn)行堿洗和酸洗，以去除鋁箔表面油污和氧化膜，之后用酒精清洗干凈，自然晾干備用。將清洗后的半正六邊形鋁蜂窩條放入夾具中裝配成相互貼合緊密的蜂窩狀結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 裝配后的鋁蜂窩芯

自反應(yīng)釬劑使用添加4%ZnCl2和 4%SnCl2(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的中溫?zé)o腐蝕CsF-AlF3共晶熔鹽釬劑。采用HMX1100-30A型箱式氣氛爐進(jìn)行爐中自反應(yīng)釬焊，箱式氣氛爐提前加熱至釬焊溫度，為保證爐中溫度均勻，待溫度穩(wěn)定后將噴涂釬劑的鋁蜂窩結(jié)構(gòu)放入爐中釬焊保溫，當(dāng)溫度降至400 ℃左右取出于空氣中自然冷卻。為了研究保溫時(shí)間和釬焊溫度等參數(shù)對蜂窩結(jié)構(gòu)成型的影響，設(shè)計(jì)如表1所列的實(shí)驗(yàn)方案。制備焊后蜂窩板各連接處的截面金相試樣，利用金相顯微鏡觀察接頭顯微組織；采用日立S-4800型冷場發(fā)射掃描電子顯微鏡及EDAX公司的Genesis XM2型能譜儀對接頭組織形貌、成分及缺陷進(jìn)行分析。使用Instron Model 5848 Micro Tester測試系統(tǒng)，配合軟件Instron Fast Track 2 Software進(jìn)行鋁蜂窩結(jié)構(gòu)釬焊接頭在高溫條件下的拉剪實(shí)驗(yàn)。參照GB/T1453—2005，測試自反應(yīng)釬焊制備的鋁蜂窩板的平壓強(qiáng)度，試驗(yàn)機(jī)加載速度為0.5 mm/min。

表1 自反應(yīng)釬焊參數(shù)優(yōu)化方案

2 結(jié)果與討論

2.1 保溫時(shí)間及釬焊溫度對蜂窩板成型的影響

本實(shí)驗(yàn)采用爐中釬焊，由于不采用氣氛保護(hù)，為了防止釬焊爐升溫時(shí)間段內(nèi)對試樣表面產(chǎn)生過度氧化，選擇當(dāng)爐溫升到釬焊溫度時(shí)，再把裝配好的試樣快速放入釬焊爐內(nèi)。因此，保溫時(shí)間的選擇對釬焊結(jié)果有較大的影響。保溫時(shí)間太短，工件因達(dá)不到反應(yīng)溫度而不能成功實(shí)現(xiàn)接頭連接；保溫時(shí)間過長，工件氧化嚴(yán)重也會(huì)造成能源的浪費(fèi)。此外，釬焊溫度是影響釬焊效果的另一個(gè)重要因素。自反應(yīng)釬焊溫度一方面決定了釬焊過程中熔化的釬劑與母材的作用溫度；另一方面，釬焊溫度也會(huì)對釬焊后鋁蜂窩結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能產(chǎn)生影響。保溫時(shí)間相同的情況下，釬焊溫度越高，1060鋁箔的高溫軟化現(xiàn)象就會(huì)越嚴(yán)重。

為了優(yōu)化工藝參數(shù)，按照設(shè)計(jì)的方案進(jìn)行自反應(yīng)釬焊，第I組釬焊結(jié)果見表2和圖2。當(dāng)保溫時(shí)間為15 min時(shí)，550 ℃時(shí)蜂窩芯a的釬著率較低；隨著釬焊溫度的升高，蜂窩芯b、c、d連接部位的釬著率也逐漸提高，釬焊溫度在570 ℃以上時(shí)，釬著率可達(dá)90%以上；但當(dāng)釬焊溫度過高(580 ℃)時(shí)，1060鋁箔會(huì)出現(xiàn)明顯的軟化變形而降低材料性能，因此，保溫時(shí)間為15 min時(shí)，制備蜂窩芯最優(yōu)的自反應(yīng)釬焊溫度為570 ℃。

表2 第I組釬焊實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖2 自反應(yīng)釬焊鋁蜂窩芯a實(shí)物圖

第Ⅱ組釬焊試驗(yàn)時(shí)，對蜂窩芯和1060鋁合金面板進(jìn)行如圖3(a)所示的整體裝配，釬焊溫度為570 ℃，考慮到加上面板以及不銹鋼板夾具對鋁蜂窩板的影響，保溫時(shí)間分別設(shè)為15 min和30 min。釬焊后的鋁蜂窩板e(cuò)和f的蜂窩芯壁板間接頭連接良好，但面板與壁板間只有部分位置連接上，鋁蜂窩板的整體連接失敗。第III組釬焊試驗(yàn)面板選用1.5 mm厚的復(fù)合釬焊板，釬焊參數(shù)同上(第Ⅱ組)，保溫時(shí)間為30 min的鋁蜂窩板h的釬焊效果要優(yōu)于15 min的鋁蜂窩板g，制備的整體鋁蜂窩板h如圖3(b)所示。

圖3 中溫自反應(yīng)釬焊鋁蜂窩板裝配圖及實(shí)物圖

自反應(yīng)釬焊是由反應(yīng)生成的金屬層連接兩側(cè)母材，對接頭的間隙要求較高，鋁蜂窩板裝配時(shí)芯子與1060面板的平整度很難保證是未能成功實(shí)現(xiàn)整體連接的主要原因；當(dāng)選擇復(fù)合釬焊板做面板，釬焊溫度為570 ℃，保溫30 min時(shí)，釬焊板表面熔化的釬料會(huì)使液態(tài)金屬增加，可減小裝配精度對整體鋁蜂窩板釬焊成型的影響。

2.2 接頭組織分析

為了分析所制備的鋁蜂窩板的釬焊效果，對鋁蜂窩板h不同的連接部位進(jìn)行組織觀察。圖4(a)所示為蜂窩芯中六邊形蜂窩一角的橫截面金相組織圖，中間發(fā)亮區(qū)即為釬縫，可以看出接頭連接良好，釬劑中的活性物質(zhì)保證了自反應(yīng)釬焊時(shí)形成足夠多的液態(tài)金屬實(shí)現(xiàn)連接。由圖4(b)可以看出，兩壁板連接處圓角過渡平滑且無溶蝕產(chǎn)生，此處為釬焊時(shí)釬劑放置位置，避免此處出現(xiàn)溶蝕對實(shí)現(xiàn)鋁蜂窩結(jié)構(gòu)的釬焊連接十分重要。對于鋁蜂窩板h中蜂窩芯壁板與面板的連接情況，分別截取單層壁板和雙層壁板與面板的T型接頭的縱截面試樣，金相組織如圖4(c)和(d)所示。由圖4(c)可以看出，在570 ℃的釬焊溫度下單層壁板與面板間連接良好，形成了釬角。圖4(d)中雙層壁板與面板間也形成了飽滿的釬角，兩壁板間連接也十分致密。

圖4 蜂窩板中釬焊接頭不同位置的截面金相組織

焊后的鋁蜂窩板h中的接頭界面SEM像如圖5所示，組織能譜分析見表3。其中圖5(a)蜂窩芯釬焊接頭界面上只有少量釬劑夾渣缺陷，其它位置連接致密，白色組織主要是Sn，呈不連續(xù)狀分布，離Sn較近處為溶入了少量Zn的Al基體。在自反應(yīng)釬焊時(shí)，釬劑中的Zn2+和Sn2+與母材中的Al原子發(fā)生置換反應(yīng)生成液態(tài)金屬Zn和Sn[14]，與Al互溶度較大的Zn與兩側(cè)母材Al基體相互擴(kuò)散溶解，而與Al互溶度較小的Sn則在冷卻凝固過程中留在了晶界處。由于蜂窩芯雙層壁板間的連接面積較大，部分釬劑殘?jiān)推扑榈难趸ず茈y排出，易形成夾渣缺陷。釬焊間隙是影響夾渣形成的另一個(gè)重要因素，裝配時(shí)蜂窩壁板間不宜過緊，預(yù)留一定的釬焊間隙利于夾渣的排除，從而可減少夾渣缺陷的形成。

表3 電鏡能譜分析結(jié)果

圖5(c)所示為壁板與面板的連接接頭，由于T型接頭連接面積小，此處基本沒有缺陷產(chǎn)生。圖5(d)所示為界面的組織形貌，由表3能譜分析結(jié)果可知灰色細(xì)條針狀組織是共晶Si相，灰色塊狀組織是Mn-Fe相[15]，零星分布的白色組織是置換反應(yīng)生成的Sn，其余為Al基體。釬焊時(shí)，面板表面的Al-Si釬料在釬焊溫度下與置換生成的液態(tài)金屬Zn和Sn形成新的液相[16?17]，釬料熔化后與母材相互溶解擴(kuò)散，壁板與面板間的接觸面積增大；隨著溫度降低，釬焊接頭凝固，成功實(shí)現(xiàn)面板與壁板間的冶金結(jié)合。

圖5 釬焊接頭組織形貌及能譜分析位置

2.3 力學(xué)性能分析

鋁蜂窩板的性能不僅受材質(zhì)、工藝參數(shù)等因素的影響，而且在不同溫度條件下其性能也不一樣，尤其是膠粘蜂窩板。LEE等[18]研究溫度對膠粘型蜂窩板剪切強(qiáng)度和平壓性能的影響，其結(jié)果顯示隨著工作環(huán)境溫度的升高，蜂窩板剪切強(qiáng)度降低，最終由于膠粘部位開裂而失效。

在不同試驗(yàn)溫度下對制備的鋁蜂窩芯接頭的抗剪切強(qiáng)度進(jìn)行了測試，測試過程如圖6所示：在制備好的蜂窩芯上截取如圖中虛線所示的接頭試樣(30 mm×15 mm×0.15 mm)，將其展平后在微小力學(xué)拉伸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行測試。表4所列為在570 ℃下所焊1060鋁蜂窩芯c的接頭拉剪實(shí)驗(yàn)結(jié)果，不同試驗(yàn)溫度下接頭拉剪強(qiáng)度基本都在46~52 MPa之間波動(dòng)，沒有出現(xiàn)明顯的下降趨勢，而且試樣均斷裂在母材處，釬焊接頭連接處仍良好，所測拉剪強(qiáng)度實(shí)為母材焊后的拉伸強(qiáng)度，表明拉剪實(shí)驗(yàn)溫度對蜂窩芯連接強(qiáng)度影響不是很大。由于自反應(yīng)釬焊實(shí)現(xiàn)的是冶金連接，而拉剪實(shí)驗(yàn)最高溫度150 ℃低于可能出現(xiàn)低熔點(diǎn)液態(tài)合金的溫度，不同實(shí)驗(yàn)溫度對蜂窩芯接頭組織影響不大，因此對其拉剪強(qiáng)度影響不大，所出現(xiàn)的強(qiáng)度值的波動(dòng)可能是由于實(shí)驗(yàn)中工件夾持或焊接均勻度差異造成的。

圖6 鋁蜂窩芯接頭拉剪示意圖

表4 不同溫度下接頭的拉剪實(shí)驗(yàn)結(jié)果

對在釬焊溫度570 ℃，保溫時(shí)間為30 min條件下，自反應(yīng)釬焊制備的3個(gè)鋁蜂窩板平壓試樣(68 mm×68 mm×18 mm)進(jìn)行平壓強(qiáng)度測試，得到的載荷位移圖如圖7所示。由圖7可以看出，剛開始時(shí)，載荷和位移成線性關(guān)系，壁板發(fā)生彈性變形；隨著載荷的增加，達(dá)到最大破壞載荷時(shí)，蜂窩壁板開始發(fā)生塑性屈服，蜂窩結(jié)構(gòu)整體失穩(wěn)，承載的載荷逐漸下降，由于自反應(yīng)釬焊制備的鋁蜂窩板接頭間實(shí)現(xiàn)的是冶金結(jié)合，不會(huì)發(fā)生膠粘蜂窩壁板脫膠開裂的現(xiàn)象，因此,平壓載荷的下降速度要遠(yuǎn)小于文獻(xiàn)[18]中膠粘制備的蜂窩板，而且載荷波動(dòng)較小；最后，隨著塑性變形量的增大，由于壁板間較大的彎曲變形，面板與蜂窩芯接觸后產(chǎn)生密實(shí)化，載荷又逐漸增加。自反應(yīng)釬焊制備的鋁蜂窩板平壓強(qiáng)度為1.75 MPa，壁板壓縮強(qiáng)度可達(dá)50.02 MPa，與退火態(tài)的1060鋁合金(69 MPa)相比，強(qiáng)度沒有明顯下降。

圖7 鋁蜂窩板平壓實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3 結(jié)論

1) 利用添加了4%ZnCl2和4%SnCl2(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的CsF-AlF3自反應(yīng)釬劑, 對蜂窩芯和上下面板進(jìn)行整體裝配后，在570 ℃釬焊溫度下保溫時(shí)間30 min時(shí)，可制備出整體的鋁蜂窩板。

2) 自反應(yīng)釬焊制備的鋁蜂窩板壁板間、壁板與面板連接處, 接頭良好，未出現(xiàn)溶蝕，只有少量夾渣存在。

3) 1060鋁箔制備的鋁蜂窩芯接頭的拉剪強(qiáng)度可達(dá)46~52 MPa，在高溫測試條件下拉剪強(qiáng)度無明顯下降。鋁蜂窩板的平壓強(qiáng)度為1.75 MPa，壁板的壓縮強(qiáng)度可達(dá)50.02 MPa。

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Self-brazing process and properties of aluminum honeycomb panel

CHENG Fang-jie1, 2, QI Shu-mei2, ZHAO Huan2, HE Pei-long2

(1. Tianjin Key Laboratory of Advanced Joining Technology, Tianjin University, Tianjin 300072, China;2. School of Materials Science and Engineering, Tianjin University, Tianjin 300072, China)

Aluminum honeycombs prepared by molding method were bonded by self-brazing using the self-brazing CsF-AlF3flux added with 4% ZnCl2and 4% SnCl2(mass fraction) under condition without filler metal. The influences of the brazing temperature and brazing time on the interface microstructure and the aluminum honeycomb properties were investigated. The interface microstructure, chemical compositions and defects of the self-brazing joints were observed and analyzed by scanning electron microscopy and energy dispersive spectroscopy (EDS). The results show that, when the brazing temperature is 570 ℃ and the brazing time is 30 min, the self-brazing can realize the bonding of aluminum honeycomb panels using brazing composite sheet as face panels. The joints are soundly bonded and no corrosions appear, the tensile-shear strength of the brazing joints of honeycomb core is 46?52 MPa, which doesn’t significantly decrease when tested under high temperature conditions，and the average compression strength of the aluminum honeycomb panels is 1.75 MPa.

self-brazing; aluminum honeycomb; tensile-shear strength; compression strength

Project (51275351) supported by the National Natural Science Foundation of China; Project (13JCZDJC33500) supported by the Tianjin Municipal Natured Science Foundation, China

2015-09-16; Accepted date:2016-01-24

CHENG Fang-jie; Tel: +86-15802296723; E-mail: chfj@tju.edu.cn

1004-0609(2016)-09-1843-07

TG454

A

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51275351)；天津市自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(13JCZDJC33500)

2015-09-16；

2016-01-24

程方杰，副教授，博士；電話：15802296723；E-mail：chfj@tju.edu.cn

(編輯 李艷紅)