一种铝合金‑纯铝‑钢复合板的爆炸焊接方法与流程

本发明属于复合板制备技术领域，特别涉及铝合金-钢复合板的爆炸焊接成型方法。

背景技术：

普通碳素钢价格低廉，用途广泛，但其密度大、比强度低、不耐腐蚀。铝合金密度小、质轻、塑性韧性高、导热导电性良好且耐腐蚀。二者复合之后密度减小、耐腐蚀性增强、比强度提高，在很大程度上弥补了钢密度大、不耐腐蚀等缺陷。且经过爆炸焊接导致其强度等力学性能有所提高，因而铝-钢复合板在冶金、电力、船舶、地铁等行业得到了广泛应用。

现行铝-钢爆炸焊接工艺，采用钢板为基层（基板）、铝板为复层（复板），由于铝合金大多含有一定量的Mg、Zn低熔点元素，铝-钢复合板的爆炸焊接过程中容易产生气化和界面熔化反应层，形成大波状的结合界面，会产生许多微裂纹，大大削弱了界面的结合强度，存在铝-钢易分层、复层铝板严重减薄，结合面贴合性能差及边缘脱焊等问题。

铝合金直接与碳钢进行爆炸焊接存在一定困难，加入中间层（中间板）是有效提高铝-钢复合板性能的方法。6系铝合金作为目前应用最广泛的合金，然而在现有的在铝-钢爆炸焊接中加入中间层的研究中，尚未检索到以6系铝合金为复板加入中间层进行爆炸焊接的试验研究。本发明以6系铝合金为复板，纯铝作为中间板、碳钢为基板进行爆炸焊接复合板的制备。

技术实现要素：

本发明目的是提供一种铝合金-纯铝-钢复合板的爆炸焊接方法，有效地解决铝-钢复合板易分层、边界不结合、脱焊、结合面性能差的问题。

本发明的技术方案为：碳素钢板作为基板，纯铝作为中间板，6系铝合金作为复板；基板先放置在表面平整、土粒结构疏松的砂土上面，然后将中间板放置在基板上，再将复板放于中间板之上；在复板上布置炸药，用电雷管引爆炸药，一次爆炸成型制成复合板，包括以下步骤：

①、样品预处理：采用机械磨床、金刚石喷砂机或砂纸分别对基板、中间板和复板进行打磨，去除表面的氧化膜，直至表面平整呈现银白色的金属光泽，最后将打磨后的基板、中间板和复板分别在丙酮中超声清洗15min，蒸馏水冲洗，吹干；

②、样品摆放：将基板置于表面平整、土粒结构疏松的砂土之上，然后将中间板放置于基板上，再将复板放置于中间板上；板与板之间用间隔片来设置间隔，基板和中间板的间隔为2～5mm，中间板和复板的间隔为2～6mm；

③、炸药布置：先在复板上表面均匀涂一层机油缓冲保护层，然后将均匀铺放炸药的纸质炸药框放置于机油缓冲保护层上面，在纸质炸药框的一端角落处插入电雷管，安全引爆炸药，瞬间爆炸成型为复合板；

④、退火热处理：将爆炸成型后的复合板放入箱式电阻炉中进行退火热处理。

所述步骤②中的间隔片为折成直角的小铝片或小铜片。

所述中间板的长边比基板的长边多4～14cm，中间板的宽边比基板的宽边多4～14cm，中间板和复板的长宽尺寸相同；基板、中间板和复板的一端对齐。

所述纸质炸药框内的长边比复板的长边多4～14cm，纸质炸药框内的宽边比复板的宽边多4～14cm；纸质炸药框内放置电雷管的一端与基板、中间板和复板的对齐端相齐平。

所述炸药类型为膏状乳化炸药，其组成为膏状2号岩石硝铵乳化炸药和机油，组成的重量百分比为2号岩石硝铵乳化炸药占99～99.7%，机油占0.3～1%，二者重量百分比的加和值为100%；纸质炸药框内的炸药厚度为20～40mm。

所述爆炸成型后的复合板退火热处理工艺参数为：电阻炉中的温度升至280～350℃，保温1～2h后随炉冷却至室温。

所述退火热处理后的复合板在平整机上进行平整校直，去除复合板的飞边并用砂纸打磨。

本发明的实质性特点和显著进步是：

1.爆炸焊接所制备的铝合金-纯铝-钢复合板结合良好，通过加入纯铝中间板，有效解决铝-钢界面易分层的问题，提高钢的耐蚀性及比强度。

2.爆炸焊接方法成型速度快、可控性好且成本低廉，能够使性能相差极大的不同金属经济可靠的结合成一体，并且爆炸焊不受能源的限制。

3.复板和基板之间的厚度比及复合板总厚度、总面积等尺寸规格灵活性很大，焊接过程安全可靠， 可用于工业大面积制备。

附图说明

图1为铝合金-纯铝-钢复合板的爆炸焊接装置示意图。

图1中：1.砂土地面，2.碳素钢基板，3.纯铝中间板，4.6系铝合金复板，5.间隔片，6.机油缓冲保护层，7.乳化炸药，8.纸质炸药框，9.电雷管。

图2为本发明实施例1的铝合金-纯铝-钢复合板的截面形貌。

图3为本发明实施例2的铝合金-纯铝-钢复合板的截面形貌。

图2和图3中：A.6系铝合金，B.纯铝，C.碳素钢 。

图4为本发明实施例1的铝合金-纯铝-钢复合板截面形貌的能谱分析。

图5为本发明实施例2的铝合金-纯铝-钢复合板截面形貌的能谱分析。

图6为本发明实施例1和实施例2的铝合金-纯铝-钢复合板盐雾腐蚀116h的增重曲线。

图7为本发明实施例1的铝合金-纯铝-钢复合板盐雾腐蚀116h的表面形貌。

图8为本发明实施例2的铝合金-纯铝-钢复合板盐雾腐蚀116h的表面形貌。

具体实施方式

下面结合具体实施例及附图对本发明作进一步描述，但不限制本发明的保护范围和应用范围。

一、铝合金-纯铝-钢复合板的爆炸焊接方法

图1为铝合金-纯铝-钢复合板的爆炸焊接装置示意图。首先将碳素钢基板2放置在表面平整、土粒结构疏松的砂土地面1上方，然后将纯铝中间板3放置在碳素钢基板2上，再将6系铝合金复板4放纯铝于中间板3之上；碳素钢基板2与纯铝中间板3、纯铝中间板3与6系铝合金复板4之间放置有间隔片5；在6系铝合金复板4表面均匀涂一层机油缓冲保护层6后，将纸质炸药框8放在机油缓冲保护层7上面，纸质炸药框8内的均匀布满了乳化炸药7，将电雷管9插入到乳化炸药7，安全引爆炸药，一次爆炸成型制成铝合金-纯铝-钢复合板。

实施例1

铝合金-纯铝-钢复合板的爆炸焊接方法，包括以下步骤：

1.样品选用：碳素钢基板尺寸为130mm×115mm×12mm，6系铝合金复板尺寸为150mm×125mm×5mm ，纯铝中间板尺寸为150mm×125mm×1mm；

2.样品预处理；采用机械磨床、金刚石喷砂机或砂纸分别对碳素钢材基板、6系铝合金复板和纯铝中间板进行打磨，去除表面的氧化膜，直至表面平整呈现银白色的金属光泽，最后将打磨后的样品在丙酮中超声清洗15min，蒸馏水冲洗，吹干；

3.样品摆放：将基板置于表面平整、土粒结构疏松的砂土之上，然后将中间板放置于基板上，再将复板放置于中间板上；板与板之间用间隔片来设置间隔，间隔片是折成直角的小铝片或小铜片，基板和中间板的间隔为2～5mm，中间板和复板的间隔为2～6mm；中间板的长边比基板的长边多4～14cm，中间板的宽边比基板的宽边多4～14cm，中间板和复板的长宽尺寸相同；基板、中间板和复板的一端对齐；

4.炸药布置：先在复板上表面均匀涂上一层机油缓冲保护层，然后将均匀铺放炸药的纸质炸药框放置于机油缓冲保护层上面，在纸质炸药框的一端角落处插入电雷管，安全引爆炸药，瞬间爆炸成型为复合板；其中，纸质炸药框内的长边比复板的长边多4～14cm，纸质炸药框内的宽边比复板的宽边多4～14cm；纸质炸药框内放置电雷管的一端与基板、中间板和复板的对齐端相齐平；炸药配方：99～99.7%膏状 2号岩石硝铵乳化炸药和0.3～1%机油，炸药厚度为36mm；

5.将爆炸后的复合板放入箱式电阻炉中进行退火热处理，将炉中的温度升温至280～350℃，保温1～2h后随炉冷却至室温；然后将复合板平整校直，去除复合板飞边并用砂纸打磨，制得性能优良的铝合金-纯铝-钢复合板。

实施例2

铝合金-纯铝-钢复合板的爆炸焊接方法，包括以下步骤：

1.样品选用：碳素钢基板尺寸为130mm×115mm×9.5mm，6系铝合金复板尺寸为150mm×125mm×5mm ，纯铝中间板尺寸为150mm×125mm×2mm；

2.样品预处理；采用机械磨床、金刚石喷砂机或砂纸分别对碳素钢材基板、6系铝合金复板和纯铝中间板进行打磨，去除表面的氧化膜，直至表面平整呈现银白色的金属光泽，最后将打磨后的样品在丙酮中超声清洗15min，蒸馏水冲洗，吹干；

3.样品摆放：将基板置于表面平整、土粒结构疏松的砂土之上，然后将中间板放置于基板上，再将复板放置于中间板上；板与板之间用间隔片来设置间隔，间隔片是折成直角的小铝片或小铜片，基板和中间板的间隔为2～5mm，中间板和复板的间隔为2～6mm；中间板的长边比基板的长边多4～14cm，中间板的宽边比基板的宽边多4～14cm，中间板和复板的长宽尺寸相同；基板、中间板和复板的一端对齐；

4.炸药布置：先在复板上表面均匀涂上一层机油缓冲保护层，然后将均匀铺放炸药的纸质炸药框放置于机油缓冲保护层上面，在纸质炸药框的一端角落处插入电雷管，安全引爆炸药，瞬间爆炸成型为复合板；其中，纸质炸药框内的长边比复板的长边多4～14cm，纸质炸药框内的宽边比复板的宽边多4～14cm；纸质炸药框内放置电雷管的一端与基板、中间板和复板的对齐端相齐平；炸药配方：99～99.7%膏状 2号岩石硝铵乳化炸药和0.3～1%机油，炸药厚度为37mm；

5.将爆炸后的复合板放入箱式电阻炉中进行退火热处理，将炉中的温度升温至280～350℃，保温1～2h后随炉冷却至室温；然后将复合板平整校直，去除复合板飞边并用砂纸打磨，制得性能优良的铝合金-纯铝-钢复合板。

二、铝合金-纯铝-钢复合板的结构表征

将实施例1和实施例2制得的铝合金-纯铝-钢复合板进行盐雾腐蚀实验，利用配有能谱仪的扫描电镜观察铝合金-纯铝-钢复合板的表面形貌和截面形貌，并进行能谱分析，测定结果详见图2至图8。

实施例1和实施例2测定的结果表明：

由图2和图3可知，纯铝与碳素钢界面结合良好，属冶金结合，并呈波形特征，波形不规则，波长短，波幅小。

由图4和图5可知，铝合金-纯铝-钢复合板的纯铝-钢界面应出现了元素扩散现象，生成Al、Fe的金属间化合物。

由图6可知，铝合金-纯铝-钢复合板在50h前腐蚀速率比较快，之后随着腐蚀时间的增加，腐蚀速率开始降低；90h后腐蚀速率又逐渐增加；实施例2制备的铝合金-纯铝-钢复合板的抗腐蚀性好于实施例1的抗腐蚀性。

由图7和图8可知，纯铝及6系铝合金的腐蚀产物大量堆积，出现裂纹，尤其结合区发生电偶腐蚀，腐蚀程度更严重，而碳素钢腐蚀程度明显较轻，表面无裂纹；表明了6系铝合金复板及纯铝中间板保护了碳素钢基板。