泡沫铝填充管底吹反挤复合工艺物理模拟实验研究

季 策，王 巍，黄华贵，彭春彦

(1.燕山大学 国家冷轧板带装备及工艺工程技术研究中心，河北 秦皇岛 066004；2.燕山大学 机械工程学院，河北 秦皇岛 066004)

0 引言

泡沫铝基体中分布着大量的微细孔洞，具备吸声、隔热、阻燃、减震、阻尼、吸收冲击能、电磁屏蔽等多种优异功能[1-4]，是一种新型的轻质功能材料，在轻质结构、包装、绝缘、减震和噪音阻尼等领域具有广阔的应用前景[5-8]。然而，泡沫铝自身强度不高，在实际应用中力学性能较差且难以连接，严重限制了工业化应用进程。因此，泡沫铝填充材料应运而生，通过特殊复合工艺使泡沫铝与覆层金属结合，实现在保证力学性能的同时充分发挥其轻质、多功能的特点[9-12]。

国内外学者针对泡沫铝填充材料的成形工艺开展了大量研究工作，目前主要有黏结剂法、热喷涂法、粉末冶金法、焊接法等。黏结剂法最为常见，但属于物理结合，耐高温和耐腐蚀性能较差，产品使用环境具有一定限制[13]；热喷涂法是利用气体喷射将液态金属沉积到泡沫铝表面，但生产效率较低[14]；粉末冶金法包括压制复合和轧制复合两种，前者主要用于截面形状复杂构件，而后者主要用于夹芯板生产，生产效率较高，但边部易出现开裂[15]；焊接法是通过钎焊、激光焊、扩散焊等工艺使泡沫铝与覆层金属连接，有利于大尺寸构件的制备[16-17]。目前，在获得良好结合效果的同时，高效率、短流程的制备工艺成为当前行业的研究热点[18]。

本课题基于传统吹气发泡法，结合连铸工艺中间包底吹氩技术与挤压工艺中汇流模具设计理念，提出一种底吹反挤复合工艺以实现泡沫铝填充管的近终成形，为验证该工艺可行性，依据相似性原理，自主搭建了成形容腔的等比例物理模拟实验平台，利用CCD相机对气泡群的分布进行了图像采集，分析了气体流量、液体黏度和汇流模具等因素对气泡群分布情况的影响规律。

1 底吹反挤复合工艺原理

泡沫铝填充管底吹反挤复合工艺原理如图1所示，主要分为3个步骤：

1) 铝液增黏：在铝液中加入SiC颗粒或者Mg/Ca等粉末，对其进行搅拌，以使颗粒或粉末在铝液中分散均匀，制备发泡实验所需的预制浆料。

2) 发泡成形：成形装置分为浇注容腔和成形容腔，如图1所示，在坩埚的成形容腔内，气体以一定流量和压力通过底部透气砖注入预制浆料，分散的气泡上浮后被收集进入汇流模具，到达液面后与牵引提升装置的底板接触并不断汇聚凝固成泡沫铝；浇注容腔内预制浆料在液位控制器作用下，液面高度始终比成形容腔内高出H，浇注容腔和成形容腔的液位差对汇流模具外侧和成形容腔内侧间的预制浆料形成向上的反挤压力P，促使预制浆料(无气泡)进入冷却结晶器，凝固形成外包覆层，并与芯部泡沫铝在持续高温作用下形成冶金结合。

3) 连续成形：牵引提升装置不断拉坯，实现泡沫铝填充管的连续复合成形。

图1 泡沫铝填充管底吹反挤复合工艺示意图
Fig.1 Schematic diagram of bottom blowing anti-extrusion process of aluminum foam-filled tube

2 物理模拟实验

2.1 实验平台

基于相似性原理，按照设备尺寸搭建了成形容腔的等比例物理模拟实验平台，结构及原理如图2所示，主要包括发泡装置和图像采集装置两部分。发泡装置的成形容腔物理模型采用透明亚克力管以便于观察内部气泡运动情况，底部吹气装置采用气孔分布均匀的透气砖，其与气瓶间通过流量计、流量调节阀、单向阀连接，以实现流量调整和防止管内液体回流；图像采集装置主要由CCD相机、NI采集设备以及LabVIEW图像采集软件构成，可以采集气泡在透气砖表面形成、脱离、上升的动态过程。

图2 物理模拟实验装置
Fig.2 Physical simulation experimental research equipment

2.2 实验方案

结合实际生产，在设备参数一定的条件下，选取的工艺变量包含气体流量、液体黏度两个，并且为验证汇流模具对气泡的汇聚效果以及对成形容腔内的流场影响，在两个工艺变量基础上分别开展了有内置汇流模具和无内置汇流模具两种工况。

实验材料中气体采用压缩空气，液体采用甘油水溶液，其中压缩空气气体流量设定为50 L/h、100 L/h、150 L/h、200 L/h、250 L/h五种工况，甘油水溶液配比根据实际发泡实验中增黏后的铝液黏度确定[19]，具体配比方案及对应的液体黏度如表1所示[20]。

表1 室温甘油水溶液黏度Tab.1 Viscosity of glycerol aqueous solution atroom temperature

2.3 实验步骤

1) 配置所需黏度的甘油水溶液，搅拌均匀，将其倒入成形容腔物理模拟装置内静置；

2) 打开图像采集系统，调整CCD相机位置、亮度、焦距，以获得清晰图像，设置存储路径；

3) 打开气瓶，调节流量调节阀使气体流量至设定值，采集气泡运动图像；

4) 实验结束后，停止图像采集，关闭气瓶，打开单向阀，将甘油水溶液从底部放出；

5) 然后重复步骤1)～4)，进行其它工况实验。

3 实验结果及分析

3.1 无汇流模具时气泡群分布

无汇流模具时不同液体黏度和气体流量下成形容腔内部气泡群分布如图3～5所示，吹气流量和液体黏度对气泡群影响如下：

1) 吹气流量影响：从图3～5中可以看出，气体流量为50 L/h时，成形容腔内气泡数量较少，湍流强度较低，气泡在脱离透气砖之后近似自由上升，如图3 (a)、图4 (a)和图5 (a)所示；当气体流量增加到100 L/h时，气泡数量增多，湍流强度增强，气泡群会出现轻微的周期脉动，即摆动现象，如图3 (b)、图4 (b)和图5 (b)所示；当气体流量继续增加时，气泡数量显著增多，湍流强度继续增大，因此CCD相机采集的平面图像中出现明显的堆叠现象，并且气泡群的周期脉动增强，如图3(c)～(e)、图4(c)～(e)和图5(c)～(e)所示。

2) 液体黏度影响：当液体黏度为2.095 mPa·s时，气体流量较小时气泡群直径差异较为显著，存在直径较大的气泡，如图3(a)和(b)所示，即使气体流量增大，气泡群直径差异也明显存在，如图3(c)至(e)所示；当液体粘度达到6.051 mPa·s 和10.96 mPa·s 时，气泡群直径差异显著减小，气泡直径均匀性得到显著改善，效果在气体流量较小时更为显著，如图4(a)和图5(a)所示。

此外，从图中可以看出，虽然在气体流量为50 L/h和100 L/h时，成形容腔内侧管壁附近气泡很少，但整体分布均匀性较差；而当气体流量为150 L/h至250 L/h时，成形容腔内侧管壁附近存在大量的气泡，且尺寸不均，并且气泡群的周期脉动显著。综上可知，在无汇流模具时无法同时实现泡沫铝填充管的连续成形和覆层壁厚精确调整。

图3 2.095 mPa·s 甘油水溶液无汇流模具时不同气体流量时的气泡群分布
Fig.3 Bubble group distribution at different gas flow rates in a glycerol aqueous solution at 2.095 mPa·s without a confluence mould

图4 6.051 mPa·s 甘油水溶液无汇流模具时不同气体流量时的气泡群分布
Fig. 4 Bubble group distribution at different gas flow rates in a glycerol aqueous solution at 6.051 mPa·s without a confluence mould

图5 10.96 mPa·s 的甘油水溶液无汇流模具时不同气体流量时的气泡群分布
Fig. 5 Bubble group distribution at different gas flow rates in a glycerol aqueous solution at 10.96 mPa·s without a confluence mould

3.2 有汇流模具时气泡群分布

有汇流模具时不同液体黏度和气体流量下成形容腔内部气泡群分布如图6、图7和图8所示，吹气流量和液体黏度对气泡群影响与上述分析基本一致，在气体流量和液体黏度均较低时，气泡直径差异较为显著，如图6(a)所示。此外，与无汇流模具时对应工况下气泡群分布进行对比可以看出，有汇流模具时各工况下气泡群分布均匀性整体均好于无汇流模具时，成形容腔内侧管壁与汇流模具间均无明显气泡存在，并且即使在较高气体流量时，气泡群分散均匀性和周期脉动现象同样得到显著改善，如图6(e)、图7(e)和图8(e)所示。

图6 2.095 mPa·s 甘油水溶液有汇流模具不同气体流量时的气泡群分布
Fig. 6 Bubble group distribution at different gas flow rates in a glycerol aqueous solution at 2.095 mPa·s with a confluence mould

图7 6.051 mPa·s 甘油水溶液有汇流模具不同气体流量时的气泡群分布
Fig.7 Bubble group distribution at different gas flow rates in a glycerol aqueous solution at 6.051 mPa·s with a confluence mould

图8 10.96 mPa·s 甘油水溶液有汇流模具不同气体流量时的气泡群分布
Fig.8 Bubble group distribution at different gas flow rates in a glycerol aqueous solution at 10.96 mPa·s with a confluence mould

因此，汇流模具可以实现气泡的汇聚，并且通过调整成形容腔内侧管壁与汇流模具间距离可以实现泡沫铝填充管的壁厚精确控制，进而证明了泡沫铝填充管底吹反挤复合工艺的可行性。

4 结论

本文提出了一种泡沫铝填充管底吹反挤复合工艺，并根据相似性原理，开展了成形容腔的等比例物理模拟实验研究，验证了工艺的可行性，得到结论如下：

1) 吹气流量较小时，湍流强度较低，气泡在脱离透气砖之后近似自由上升，但气泡群分布均匀性较差，无法实现泡沫铝填充管的连续成形；吹气流量较大时，湍流强度较高，气泡数量显著增多，但在无汇流模具时会出现显著的周期脉动。

2) 液体黏度较低时，气泡群分布不均，直径差异较为显著；当黏度较大时气泡直径差异显著减小，气泡群分布均匀性得到显著改善。

3) 有汇流模具时，各工况下成形容腔内侧管壁与汇流模具间无明显气泡存在，并且气泡群分布情况均好于无汇流模具时，可显著改善气体流量较大时气泡群的周期脉动现象，验证了底吹反挤复合工艺的可行性。