阅读说明：本技术 一种内嵌式纬向增强型金属蜂窝结构及其制作方法 (Embedded latitudinal reinforced metal honeycomb structure and manufacturing method thereof ) 是由 闵小兵 于 2020-05-25 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种内嵌式纬向增强型金属蜂窝结构及其制作方法,包括蜂窝芯,所述蜂窝芯具有多根相互平行设置的梯形条,所述梯形条具有至少2个依次首尾相连的单元段,所述单元段由依次一体连接的第一底板、第一腰板、第二底板和第二腰板组成,所述第一腰板和第二腰板对称地分布于第二底板的两端；相邻梯形条的第一底板和第二底板固定连接,形成具有多个单元格的蜂窝芯；还包括内嵌板,所述内嵌板沿纬向延伸且与梯形条的宽度方向垂直,所述内嵌板嵌入在沿纬向依次排布的单元格内,所述沿纬向依次排布的单元格所对应的底板与内嵌板固定连接。本发明的蜂窝结构各向强度高。(The invention relates to an embedded weft-wise enhanced metal honeycomb structure and a manufacturing method thereof, wherein the embedded weft-wise enhanced metal honeycomb structure comprises a honeycomb core, wherein the honeycomb core is provided with a plurality of trapezoidal strips which are arranged in parallel, each trapezoidal strip is provided with at least 2 unit sections which are sequentially connected end to end, each unit section consists of a first bottom plate, a first waist plate, a second bottom plate and a second waist plate which are sequentially and integrally connected, and the first waist plates and the second waist plates are symmetrically distributed at two ends of the second bottom plate; the first bottom plate and the second bottom plate of the adjacent trapezoid strips are fixedly connected to form a honeycomb core with a plurality of unit cells; still include interior panel, interior panel extends and is perpendicular with the width direction of trapezoidal strip along the latitudinal direction, interior panel embedding is in the cell of arranging in proper order along the latitudinal direction, bottom plate and interior panel fixed connection that the cell that arranges in proper order along the latitudinal direction corresponds. The honeycomb structure of the invention has high strength in each direction.)

一种内嵌式纬向增强型金属蜂窝结构及其制作方法

技术领域

本发明涉及一种内嵌式纬向增强型金属蜂窝结构及其制作方法，属于复合板材/型材领域。

背景技术

蜂窝构造是自然进化的结果，其实际意义是用最少的材料获得最坚固的结构，这个特征契合了工程领域对轻量化材料的需求。当今，以蜂窝板为主要发展方向的人造蜂窝结构获得了长足的发展。这种结构除了轻质、高强以外，还具有吸能、减震、隔音、隔热等诸多优异性能。

中国专利说明书CN102774042A公开了一种蜂窝加强板及其制作方法，其蜂窝芯材的制作方法如下：先根据蜂窝芯材的高度将金属板材切割成相应的宽度；再将切割成相应宽度的金属板材压制成底面与两腰等长、底角为120°的一个个等腰梯形，获得梯形条；然后，将每两根压制成底面与两腰等长、底角为120°的等腰梯形的金属板材的底面焊接在一起，最终形成所要的蜂窝芯材。如此获得的蜂窝芯材是一种各向异性材料，其经向（沿梯形条延伸方向）的剪切强度和抗弯强度显著优于纬向。工程上，在复杂受力场合和高速运动的物体中，这种各向异性材料的使用将带来安全隐患并导致应用受限。

另外，上述蜂窝芯材的蜂窝孔本身抵御变形的能力较弱，在遭遇局部较强冲击应力时，蜂窝壁容易发生塑性变形，导致扭曲、撕裂、破坏等问题出现。

金属蜂窝板的制造，目前主要以胶接方法生产为主。胶接方法的便利性，施工的可连续性使得这种类型金属蜂窝板生产成本很低。然而，在一些场合，比如需要耐高温、防火、防水等，胶接蜂窝板的应用是受限的，此外，通常情况下，胶接的强度显著低于焊接，那么，在冲击、弯曲、剪切等复杂应力场合，胶接蜂窝板的应用同样受到限制。

用焊接替代胶接是解决上述问题的基本思路，但焊接工艺复杂，需要在高温下操作，对温度予以精准控制，需要高温下的定位、支撑和夹持，有些工艺还需要保护气氛甚至真空条件，因此，目前焊接金属蜂窝板都不能够连续生产，且造价高昂，制约了焊接蜂窝板的市场应用。现有的焊接蜂窝板，蜂窝芯置于两块金属板的中间，形成所谓的三明治结构。蜂窝芯与金属板的连接一般采用钎焊方法。钎焊作为一种金属的连接方法在工艺上要求很高，对于大型板材的大面积钎焊，需要有专门的钎焊炉，还必须是真空或者是特殊的保护气氛。在板材的钎焊中，通常的检验标准是：焊合面积占焊接面积的95%以上为优，80%以上是基本合格。而在蜂窝芯与金属板的钎焊中，两者的接触面积小于10%（一般是3～8%），也就是说即使接触面积的100%能够焊合（蜂窝板的钎焊难度远大于常规板件），金属板与蜂窝芯的焊合面积也小于10%，因而蜂窝芯和金属板之间的连接强度难以达到极高的程度，只有通常板材钎焊强度的10%或以下。这种状况极大地影响了蜂窝板的性能，因此，用钎焊方法生产金属蜂窝板是一种不得已而为之的办法。而且为了检验这种钎焊蜂窝板的性能，还专门提出了一个金属板与蜂窝芯之间结合的“抗剥离强度”指标。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的之一在于提供一种各向结构强度趋同的内嵌式纬向增强型金属蜂窝结构；本发明的目的之二在于提供一种内嵌式纬向增强型金属蜂窝结构的制作方法。

本发明针对上述难点，开发出了一种内嵌式纬向增强型金属蜂窝结构，该蜂窝结构主要仅由两种部件组成，部件之间可以用无增重焊接工艺进行连接，特别是通过对这两种部件连接部位的细节设计，能够较好地解决焊接工艺中面临的高温下的定位、支撑和夹紧等问题。此外，可以摈弃以往必须采用的（真空/气氛）炉内钎焊工艺，为焊接金属蜂窝板的连续、自动化生产创造了条件，从而能够有效地降低生产成本，拓展应用范围。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：

一种内嵌式纬向增强型金属蜂窝结构，包括蜂窝芯，所述蜂窝芯具有多根相互平行设置的梯形条，各梯形条沿经向延伸，所述梯形条具有至少2个依次首尾相连的单元段，所述单元段由依次一体连接的第一底板、第一腰板、第二底板和第二腰板组成，所述第一腰板和第二腰板对称地分布于第二底板的两端；相邻梯形条的第一底板和第二底板固定连接，形成具有多个单元格的蜂窝芯；还包括至少2块内嵌板，所述内嵌板沿纬向延伸且与梯形条的宽度方向垂直；一块内嵌板嵌入在一列沿纬向依次排布的单元格内，所述内嵌板跨接多根梯形条，所述沿纬向依次排布的单元格所对应的底板与内嵌板固定连接，在蜂窝芯上内嵌板的安装侧，所述底板与内嵌板固定连接的端面和腰板的端面之间的距离不小于内嵌板的厚度。

本发明中，经向和纬向相互垂直。一个单元格由1根梯形条的第一底板及其两侧的腰板和另一根梯形条的第二底板及其两侧的腰板围成，底板、腰板本身及其所围成空间均视作单元格的一部分。

如此，相邻梯形条的第一底板和第二底板堆叠并固定连接，形成蜂窝芯，内嵌板嵌入在蜂窝芯内并将各梯形条从纬向连接，赋予蜂窝结构在纬向更强的抗压和抗弯能力，从而获得各向结构强度均较高的金属蜂窝结构。

进一步地，所述沿纬向依次排布的单元格所对应的底板与内嵌板焊接或胶接，可选的，通过电阻焊焊接，可选的，点焊4-6个点。

进一步地，所述沿纬向依次排布的单元格所对应的底板具有折弯部，所述折弯部与底板垂直，且朝所在单元格内侧延伸，形成供与内嵌板固定连接的端面。如此，折弯部的上方形成供容纳内嵌板的空间，折弯部可对内嵌板起到支撑作用，并提供更大固定连接区域，如焊接区域，以使得内嵌板与梯形条之间形成更为稳固的连接。

进一步地，在蜂窝芯上内嵌板的安装侧，所述沿纬向依次排布的单元格所对应的底板与内嵌板固定连接的端面和腰板的端面之间的距离等于内嵌板的厚度，如此，内嵌板与蜂窝芯的顶面平齐且嵌入在蜂窝芯内。

进一步地，所述内嵌板与所述沿纬向依次排布的单元格间隙配合，如此，内嵌板较为匹配地嵌入在相应单元格内，可有效抵御单元格的微小变形，进一步提高蜂窝结构的结构强度，达到相互掣肘和增强的目的。

申请人仔细研究发现，现有的蜂窝结构失效时，宏观上，主要体现在蜂窝板的扭曲变形和破损，以及在外力作用下盖板的起翘和撕裂；微观上，主要是蜂窝壁的塑性变形并因此导致的撕裂、破坏。本发明将内嵌板设计成上述与单元格间隙配合的形式，使得内嵌板在强化纬向受力能力的同时，使得单个单元格抗形变能力提升，从而提升蜂窝结构的各向整体强度。

可选地，所述内嵌板包括多个格子部，所述格子部与单元格间隙配合，相邻格子部之间通过颈部一体连接，所述颈部与底板固定连接，所述颈部的纬向尺寸不小于梯形条厚度的2倍。如此，一方面格子部可帮助单元格抵御变形，另一方面，格子部和颈部的交替设置，也可方便定位和组装，方便自动化、智能化生产。

优选地，梯形条与梯形条之间的连接，采用电阻焊或超声波焊；梯形条与内嵌板之间的连接，采用激光焊、电子束焊和电阻焊中的一种或几种。

优选地，格子部与其所在单元格的腰板焊合，如通过激光焊焊合，如此，可更有效阻止蜂窝结构受力时在纬向的位移，进一步增强纬向强度。

可选的，间隙宽度为0.03-0.5mm。

进一步地，所述沿纬向依次排布的单元格所对应的腰板上设有与内嵌板抵接的凸台。凸台可对内嵌板起到定位和支撑作用，同时，凸台与内嵌板接触位置可作为焊接位点，方便进行更为稳固的固定连接。

进一步地，内嵌板的数量为多块，沿经向依次设置，相邻内嵌板之间相隔N列单元格，其中，N为自然数。

进一步地，每一组沿纬向依次排布的单元格内，均设有内嵌板。

优选地，每一列沿纬向依次排布的单元格内，均设有2块内嵌板，所述2块内嵌板相对地分布单元格的两端。

针对每一组沿纬向依次排布的单元格内，均设有内嵌板的方案，本发明的蜂窝结构可直接应用于工程上，无需用到钎焊工艺，因而，即便本发明的梯形条、内嵌板采用难以钎焊的5系铝合金、6系铝合金、7系铝合金等均是可行的。

进一步地，腰板与底板之间的夹角在90-180°之间，优选为120°。

可选的，底板、腰板的长度独立地为0.5-40mm。

可选的，梯形条、内嵌板的厚度独立地为0.5-4mm。

现有的焊接蜂窝板，蜂窝芯置于两块金属板的中间，形成所谓的三明治结构，蜂窝芯与金属板的连接采用钎焊方法，这是唯一的焊接方式，没有例外。钎焊作为一种金属的连接方法在工艺上要求很高，对于大型板材的大面积钎焊，需要有专门的钎焊炉，还必须是真空或者是特殊的保护气氛。在板材的钎焊中，通常的检验标准是：焊合面积占焊接面积的95%以上为优，80%以上是基本合格。而在蜂窝芯与金属板的钎焊中，两者的接触面积小于10%（一般是3～8%），也就是说即使接触面积的100%能够焊合（蜂窝板的钎焊难度远大于常规板件），金属板与蜂窝芯的焊合面积也小于10%，因而蜂窝芯和金属板之间的连接强度难以达到理想的程度。这种状况极大地影响了蜂窝板的性能，因此，用钎焊方法生产金属蜂窝板是一种不得已而为之的办法。而且为了检验这种钎焊蜂窝板的性能，还专门提出了一个金属板与蜂窝芯之间结合的“抗剥离强度”指标。本发明中，内嵌板的蜂窝芯既可以直接作为蜂窝板使用，某些情况下也可以通过钎焊方式在其工作面再覆盖一层金属板，这时的蜂窝芯与金属板之间的接触面积理论上可以达到更高，甚至100%，这将显著提高蜂窝板的“抗剥离强度”值。

可选地，本发明中，梯形条与梯形条之间、梯形条与内嵌板之间可采用多种焊接工艺进行连接和焊合，形成各组件之间的冶金结合。可选地，各组件之间的连接可采用多种无增重焊接工艺，如：电阻焊、激光焊、电子束焊和超声波焊等，这些无焊料焊剂的焊接工艺工序简单易控，且焊接中无增重，有利于保证蜂窝结构的轻量化。

可选地，梯形条由铝合金、不锈钢、钛合金中的一种制成。

可选地，内嵌板由铝合金、不锈钢、钛合金中的一种制成。

如上所述的内嵌式纬向增强型金属蜂窝结构的制作方法，包括如下步骤：

（1）提供与目标梯形条等宽、等厚度的板材，辊压成型，获得梯形条原坯；

（2）根据内嵌板所在位置，在梯形条上加工出容纳内嵌板的豁口，获得梯形条；

（3）将每两根所述梯形条的第一底板和第二底板叠合并焊接，获得蜂窝芯；

（4）将内嵌板安装到所述蜂窝芯内，焊接，获得内嵌式纬向增强型金属蜂窝结构。

进一步地，步骤（2）中，还包括在与所述底板连接的腰板上加工凸台的步骤，优选地，采用冲压工艺，加工凸台，所形成的凸起还可对梯形条起到“加强筋”的作用，进一步提升金属蜂窝结构的强度；此外，冲压形成的凸台部位可能使得梯形条的两个表面贯通，在蜂窝芯中使得相邻单元格之间连通，可方便单元格之间空气的对流。

可选地，步骤（4）中，将内嵌板和梯形条的底板通过点焊焊接，然后，通过激光焊将内嵌板与腰板相接的部位焊接。

可选的，步骤（4）之后，还包括对蜂窝结构进行退火的步骤，以消除焊接应力，进一步提升蜂窝结构的力学性能。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

（1）本发明通过梯形条和内嵌板的经纬组合，形成纵横交织、环环相扣的结构，最终所得金属蜂窝结构的各向结构强度更强。

（2）构建金属蜂窝结构的原材料均为常见金属条、板材，可直接从相应卷材获得，因此，本发明的方案适合金属蜂窝结构的规模化、连续化生产，所得产品可适应更多的工程场合，扩大了应用范围。

（3）本发明中，梯形条、内嵌板的编织形式简单巧妙，且均可采用冲压方式制造，为金属蜂窝结构的自动化连续生产创造了条件，有利于简化工艺，降低制造成本。

（4）同一规格金属蜂窝结构的生产，可以只用一、二种尺寸的板料，有助于优化生产工艺，减少冲压模具品种数量，减轻了原材料库存，降低了生产成本。

（5）每一组沿纬向依次排布的单元格内，均设有内嵌板时，本发明的金属蜂窝结构应用于工程上时，其表面可以直接涂装油漆、粘贴装饰板、铺设地板和地毯等；也可进一步在蜂窝结构的上、下两个面上分别通过钎焊等方法覆盖金属板，由于极大地增大了金属板与蜂窝结构的接触面积，最终所得蜂窝板在抗侧向剪切应力的能力得到进一步提高，金属板能更好地抵御起翘和撕裂。

（6）本发明的金属蜂窝结构具有轻质、高强、防火、耐腐蚀、低成本和长寿命等特点。在安全标准日益提升的今天，可广泛用于铁路、航空、交通、海运及建筑等行业，作为箱板、地板、隔板和门板等使用。

附图说明

图1是本发明的一种梯形条的结构示意图。

图2是图1的局部放大图。

图3是本发明的一种蜂窝芯的立体视图之一。

图4是图3的局部放大图。

图5是本发明的一种蜂窝芯的立体视图之二。

图6是图5的局部放大图。

图7是本发明的一种金属蜂窝结构的***图。

图8是本发明的一种金属蜂窝结构的立体视图。

图9是图8的局部放大图。

图10是本发明的一种金属蜂窝结构的立体视图（局部揭露状态）。

图11是本发明的一种金属蜂窝结构的正视图。

图12是本发明的几种内嵌板的构型图。

图13是本发明的梯形条原坯的加工过程示意图。

图14是本发明的梯形条原坯进一步加工成梯形条的过程示意图。

图15是图12中一种内嵌板的局部放大图。

具体实施方式

以下说明描述了本发明的可选实施方式以教导本领域普通技术人员如何实施和再现本明。为了教导本发明技术方案，已简化或省略了一些常规方面。本领域普通技术人员应该理解源自这些实施方式的变型或替换将落在本发明的保护范围内。本领域普通技术人员应该理解下述特征能够以各种方式组合以形成本发明的多个变型。由此，本发明并不局限于下述可选实施方式，而仅由权利要求和它们的等同物限定。为叙述方便，下文中如出现“上”、“下”、“左”、“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用。

实施例1

参见图1至图11，一种内嵌式纬向增强型金属蜂窝结构，包括蜂窝芯A，所述蜂窝芯A具有多根相互平行设置的梯形条1，各梯形条1沿经向延伸，所述梯形条1具有多个依次首尾相连的单元段B，所述单元段B由依次一体连接的第一底板101、第一腰板102、第二底板103和第二腰板104组成，所述第一腰板102和第二腰板104对称地分布于第二底板103的两端；相邻梯形条1的第一底板101和第二底板103固定连接，形成具有多个单元格的蜂窝芯A；还包括至少2块内嵌板2，所述内嵌板2沿纬向延伸且与梯形条的宽度方向垂直，所述内嵌板2嵌入在沿纬向依次排布的单元格C内，所述沿纬向依次排布的单元格C所对应的底板与内嵌板2固定连接，在内嵌板2安装侧，所述底板与内嵌板2固定连接的端面和腰板的端面之间的距离等于内嵌板2的厚度。

相邻梯形条1的第一底板101和第二底板103通过点焊连接，所述第一底板101和第二底板103之间具有5个第一焊点3，其中，4个第一焊点3呈矩形排布，1个第一焊点3位于所述4个第一焊点的中心位置，如此，可形成更为牢固的结构。

所述沿纬向依次排布的单元格C所对应的底板与内嵌板2点焊连接。所述沿纬向依次排布的单元格C所对应的底板具有折弯部106，所述折弯部6与底板垂直，且朝所在单元格内侧延伸，形成供与内嵌板2固定连接的端面。如此，可在纬向方向，相邻的2块底板的端部形成具有2个折弯部宽度的“平台”，在为内嵌板提供支撑的同时，可方便底板与内嵌板2之间的焊接，例如，对于堆叠的第一板体和第二板体，内嵌板2通过2个第二焊点4与第一板体连接，同时可通过2个第二焊点与第二板体连接。

在内嵌板2安装侧，所述沿纬向依次排布的单元格C所对应的底板与内嵌板2固定连接的端面和腰板的端面之间的距离等于内嵌板2的厚度。

所述内嵌板2与所述沿纬向依次排布的单元格C间隙配合。参见图15，所述内嵌板2包括多个格子部201，所述格子部201与单元格C间隙配合，相邻格子部201之间通过颈部202一体连接，所述颈部202与底板固定连接。

所述沿纬向依次排布的单元格C所对应的腰板上设有与内嵌板抵接的凸台105。凸台105呈直角三棱柱状，其直角面沿垂直于腰板方向延伸，形成支撑内嵌板的平台。一般的，一块所述腰板上设有两类凸台105，其中一类凸台105向腰板的一侧凸起，另一类凸台105向腰板的另一侧凸起，以满足不同单元格内，对内嵌板的支撑需要。

内嵌板2的数量为多块，沿经向依次设置，每一列沿纬向依次排布的单元格C内，均设有2块内嵌板2，所述2块内嵌板2相对地分布单元格C的两端，如此，所得金属蜂窝结构可直接使用。可选的，内嵌板2也可间隔地设置，并在蜂窝结构的顶面和底面分别复合上盖板和下盖板。

腰板与底板之间的夹角为120°。腰板和底板的长度相等。

所述金属蜂窝结构的长度、宽度、厚度分别是12000、1200、36mm。

梯形条和内嵌板均由5系铝合金制成，具体的，5系铝合金为5052AH14，比重（r）2.8。

定义金属蜂窝结构的一个面为工作面（承力面），另一面为非工作面。梯形条的厚度为1.0mm，工作面的内嵌板厚度为1.0mm，非工作面内嵌板的厚度为0.8mm。

上述内嵌式纬向增强型金属蜂窝结构的制作工艺如下：

（1）梯形条的制作：将长、宽、厚为1800×36×1mm的5系铝合金带（即板材5）经辊压成形，制成总长1200mm，梯形边长20mm的梯形条原坯6，参见图13；可选的，可根据梯形条的尺寸、构型参数，设计辊轮7，通过2个辊轮7的啮合、辊压，将铝合金带加工成梯形条原坯6，具体辊压工艺已十分成熟，此处不再赘述。

将上述梯形条原坯冲压成形，使每一个梯形上底边的两端分别向内折弯，形成折弯部，并且其中一端形成一个宽20mm、深1mm的豁口，另一端形成一个宽20mm、深0.8mm的豁口。同时，在该梯形条原坯每条腰板上分别冲压出2个正、反向凸台，尺寸为1.5×4mm的凸台（共4个凸台），凸台平面与折弯部形成的平台平齐，获得梯形条，参见图14；可选的，根据凸台、折弯部的结构、参数，设计阴模8和阳模9，通过阴模8和阳模9的对冲，冲压出凸台和折弯部，具体冲压工艺已十分成熟，此处不再赘述。

内嵌板制作：内嵌板用5系铝合金，选宽度40mm、长12米、厚度是1.0和0.8mm的两种规格铝带，经冲压加工，成形为一条由多个正六边形（格子部201）相接并延伸的长带，六边形的内径40mm，六边形与六边形相接的颈部202的尺寸为20×2mm。注意：带宽方向的尺寸应有一定的负公差，以保证后续工序中内嵌板与蜂窝芯的匹配连接；

（2）蜂窝芯制作：将梯形条的第一底板对应第二底板整齐排列，叠合，注意，同一豁口尺寸的梯形条应置于同一端，20x1mm的豁口对应于金属蜂窝结构的工作面，20x0.8mm的豁口对应于非工作面。对于叠合后的第一底板和第二底板，在固定后用电阻焊连接，本设计中每一个接触面焊5个点。经连续点焊，成型出单元格边长为20mm，尺寸为12000×1200×36mm的蜂窝芯A；

（3）金属蜂窝结构的制作：将上述1.0mm厚的的内嵌板沿纬向覆盖并镶嵌在蜂窝芯的相应单元格中，内嵌板的颈部将卡在蜂窝芯的豁口内，同时，蜂窝芯的腰板上的凸台也将对内嵌板起到定位和支撑作用。用电阻焊将内嵌板颈部与豁口处平台焊接在一起（4～6个焊点），也可以用电阻焊将内嵌板与蜂窝芯的凸台焊接在一起（4个焊点）。之后，将内嵌板与蜂窝芯的全部接触部位用激光焊焊合，重复上述操作，完成对整个工作面的焊合。对于非工作面，可以只用激光焊将0.8mm厚内嵌板与蜂窝芯的接触部位进行焊合，也可如工作面的焊合一样进行。最终获得全焊接金属蜂窝结构。

所得金属蜂窝结构的比重约为0.345g/cm³，这个数值略小于杉木（0.376 g/cm³）比重，仅为实心铝材的1/8左右。

实施例2

重复实施例1，区别之处仅在于：本实施例的非工作面的内嵌板上设有多个孔10，所述多个孔沿内嵌板的长度方向依次分布；孔为直径为15mm的圆孔。

孔的设置一方面可起到减重效果，另一方面，可作为工艺孔，方便电阻焊专机的电极头进入单元格内，对非工作面的内嵌板与梯形条的连接平台进行点焊。

上述实施例阐明的内容应当理解为这些实施例仅用于更清楚地说明本发明，而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落入本申请所附权利要求所限定的范围。