一种不锈钢镁合金复合板的爆炸焊接加工方法与流程

本发明属于复合板制备技术领域，具体是不锈钢与镁合金的复合。

背景技术：

镁合金固有的塑性变形能力低、表面缺口敏感性强、耐蚀性差等不足，使得镁合金相对于众多金属材料的应用是相当受限的。

目前改善镁合金表面腐蚀性的方法有电镀、化学镀、热喷涂等方法来为镁合金添加金属涂层，提高镁合金基体的腐蚀性。上述操作复杂，且涂层薄，涂层跟镁基体结合强度低，对镁合金基体的力学性能没有改善。

不锈钢是能够抵抗酸、碱、盐及其溶液与其它一些腐蚀介质腐蚀的一种高合金钢，是工业生产中应用最广泛的金属之一。不锈钢除优秀的耐蚀性外，还具有优良的机械强度、耐高温氧化性、韧性及焊接性。鉴于不锈钢具有塑性高、抗腐蚀的特征，如果将镁合金与不锈钢结合制成复合材板，不仅可以提高镁合金材料的表面耐蚀性能，还可以提高镁合金基体的综合力学性能，满足材料的服役要求。这是拓宽镁合金材料应用的有效途径，具有重要的实用意义。

由铁镁二元相图知，铁元素与镁元素冶金上难溶合，并且镁合金和不锈钢熔点相差很大，两种材料在本质上的差异，为两种材料的连接制造了难度。爆炸焊接适用于同种或者异种金属复合板的生产，但韧性差的材料在实施爆炸焊接时容易产生脆裂。

中国专利“镁-钢复合板及其制备方法” (公开号CN103551383)，公开了用轧制的方法制镁钢复合板，该方法需要添加中间层才能实现镁钢的结合，给复合板的制造增加了成本，爆炸焊接不需要添加中间层，可以直接成型。

技术实现要素：

本发明的目的是针对背景技术的状况，通过焊前对镁合金材料的韧化处理，利用特定的爆炸焊接工艺，使塑性差的镁合金板材，与冶金上难溶，熔点相差大的不锈钢实现连接，制成不锈钢镁合金复合板可提高镁合金基体表面耐蚀性和综合力学性能，本发明有助于扩大镁合金板的使用范围。

本发明技术方案：一种不锈钢镁合金复合板的爆炸焊接方法，其特征在于：使用不锈钢为复层，镁合金为基层，使用膨化硝铵混合炸药做为爆炸能源。

所述膨化硝铵混合炸药配比为硝酸铵85%、柴油3%、木屑8.5%、工业用盐3.5%，膨化硝铵混合炸药的密度0.85g/cm³，爆炸速度2500~2700m/s。

一种不锈钢镁合金复合板的爆炸焊接方法，其特征在于：爆炸焊接包括以下步骤：

（1）选择镁合金板和不锈钢板作为爆炸焊接的母材；并对镁合金板进行退火韧化；

（2）对镁合金板和不锈钢板待结合界面进行打磨；

（3）在镁合金板下面垫橡胶缓冲层，在镁合金板上布置间隙柱，间隙柱的高度=（1.5~2.5）×不锈钢板厚度，间隙柱之间的间距为100mm，在间隙柱上面放置不锈钢板，不锈钢板上面涂黄油，黄油上面不等厚铺设一层炸药，起爆端炸药厚度大于爆炸结尾端炸药厚度炸，药层从起爆端到爆炸结束端平滑过渡；

（4）将雷管插入炸药层，插入炸药层的雷管长度大于起爆端炸药厚度的二分之一，并在雷管周围5~10mm半径范围内添加2~5mg黑索金；

（5）雷管引线大于40米，利用电磁控制装置引爆雷管，爆炸焊接完成。

所述间隙柱为一块长度是20mm，宽度是（1.5~2.5）×不锈钢板厚度，厚度是0.5mm的长方形不锈钢薄片，在长方形不锈钢薄片的长度方向弯曲若干折，弯曲角为100~120度；

按照GB/T 7734-2015复合板超声波检验的要求对不锈钢镁合金复合板进行探伤，不锈钢镁合金复合板结合率99.8%；根据GB/T6369-2008，测试不锈钢镁合金复合板界面拉剪强度，界面的拉剪强度为120~138Mpa；对拉剪断裂界面进行面扫描分析，两断裂面的组成元素全部为镁，说明拉剪断裂发生在镁合金位置，证明了爆炸焊接使镁合金和不锈钢两种材料产生了牢固的结合；利用扫面电镜SEM观察结合界面，结合区域呈现出微波形状，利用EDS在界面附近做线扫面分析，镁元素和铁元素发生扩散。

本发明相对于现有的技术有如下优点：

（1）应用爆炸焊接生产镁钢复合板相对于轧制加工而言，优势在于，基复板面积，厚度不受限制，爆炸焊接制成的复合板的板面尺寸，厚度可根据需要配置两种母材的组合比例。不受设备限制，制造成本低，不添加中间层，操作简便。

（2）爆炸前对镁合金板材进行退火韧化处理，防止爆炸过程镁合金脆裂。

（3）利用橡胶气垫缓冲，防止地面反冲力造成塑性差的镁合金板开裂。

（4）利用本爆炸焊接技术，实现了冶金上难溶，熔点相差很大的不锈钢和镁合金高效连接。

（5）不锈钢复在镁合金上，可有效改善镁合金表面易被腐蚀的特点，同时合成的复合板强度高于镁合金基体。

（6）利用从起爆端到爆炸结尾处不等厚布药的焊接工艺，减小了爆炸焊接后复合板边界未焊合的区域面积。

（7）显微组织观察界面处无气孔，裂纹等缺陷，界面拉剪强度120~138Mpa。

附图说明

图1是不锈钢/镁合金复合板爆炸焊接装置示意图；

图中：1、土质地基，2、橡胶底座，3、镁合金板，4、间隙柱，5、不锈钢板，6黄油层，7药框，8硝铵炸药，9电雷管。

图2是爆炸焊接不锈钢/镁合金复合板界面微观形貌；

图3是界面附近元素线扫描图；

图4是本发明中间隙柱的弯曲边的形状图。

具体实施方式一

（1）选择AZ31B镁合金板和2205不锈钢板作为爆炸焊接的母材；并对AZ31B镁合金板进行退火韧化，退火温度300℃，保温时间120min；

AZ31B镁合金板：1000mmX600mmX3mm；

2205不锈钢板：1050 mmX650mmX2mm；

（2）采用机械打磨的方法，去除AZ31B镁合金板和2205不锈钢板待结合界面的氧化层及杂质：即采用安装砂轮片、钢丝刷的角磨机将不锈钢和镁合金待结合界面初打磨，然后用600目的砂纸打打磨，使待结合面粗糙度Ra不超过2μm，然后用干抹布擦干净待结合面。

（3）将处理好的AZ31B镁合金板和2205不锈钢板进行爆炸焊接：即爆炸焊接在土质地面上进行，周边30米半径内无其他物体，在土地上放置5mm厚度的橡胶缓冲层(2000 mmX1600mmX5mm)，橡胶缓冲层与地面固定，缓冲层用来减少爆炸发生后，地面对复合板向上的冲击力；将基层AZ31B镁合金板放置在橡胶缓冲层上，在镁合金板上布置镁质间隙柱，间隙柱之间的间距为100mm，间隙柱高度为5mm，将2205不锈钢板放置在间隙柱上，与AZ31B镁合金板平行；在不锈钢上层涂抹黄油，厚度为2mm，并在2205不锈钢板四周边缘都涂抹黄油，将牛皮纸药框与黄油粘结，贴在2205不锈钢板四周边缘；将膨化硝铵混合炸药以不等厚度铺在2205不锈钢板上侧的黄油上，从起爆端到爆炸结束端铺设炸药厚度逐渐递减，起爆侧炸药厚度为27mm，爆炸结尾端炸药厚度15mm；炸药层从起爆端到爆炸结束端平滑过渡；用边缘引爆法，将雷管插在起爆炸药边缘，雷管插入起爆炸药深度为15mm，并在雷管周围5~10mm半径范围内添加2~5mg黑索金，雷管引线大于40米；在远处，利用电磁控制装置引爆雷管，爆炸焊接完成；

（4）将爆炸合成的2205/AZ31B复合板进行退火热处理，然后在矫平机上校平；退火在电阻加热箱内进行，退火温度为200℃，保温时间60min；热处理温度以10℃每秒的速度升温至200℃，保温结束后，复合板随炉冷却；

（5）用剪板机剪掉复合板四周边缘未焊合区域（约35mm），清理不锈钢上表面侧残留的黄油，得到2205/AZ31B复合板。

（6）按照GB/T 7734-2015复合板超声波检验的要求对复合板进行探伤，探伤结果表明复合板结合率99.8%；根据GB/T6369-2008，测试复合板界面拉剪强度，界面的拉剪强度为130.0Mpa，对拉剪断裂界面进行面扫描分析，两断裂面的组成元素全部为镁，说明拉剪断裂发生在镁合金位置，而不是在接头位置，证明了爆炸焊接产生使镁合金和不锈钢两种材料产生了牢固的结合；利用扫面电镜SEM观察结合界面，结合区域呈现出微波形状，界面结合完好，无气孔、裂纹等缺陷。利用EDS在界面附近做线扫面分析，镁元素和铁元素发生扩散，说明两种材料通过扩散反应实现了冶金结合。

具体实施方式二

（1）选择AZ31B镁合金板和316L不锈钢板作为爆炸焊接的母材；并对AZ31B镁合金板进行退火韧化，退火温度300℃，保温时间120min；

AZ31B镁合金板：950mmX550mmX8mm；

316L不锈钢板：1000 mmX600mmX2mm；

（2）采用机械打磨的方法，去除AZ31B镁合金板和316L不锈钢板待结合界面的氧化层及杂质：即采用安装砂轮片、钢丝刷的角磨机将不锈钢和镁合金待结合界面初打磨，然后用600目的砂纸打打磨，使待结合面粗糙度Ra不超过2μm，然后用干抹布擦干净待结合面。

（3）将处理好的AZ31B镁合金板和316L不锈钢板进行爆炸焊接：即爆炸焊接在土质地面上进行，周边30米半径内无其他物体，在土地上放置5mm厚度的橡胶缓冲层(2000 mmX1600mmX5mm)，橡胶缓冲层与地面固定；将基层AZ31B镁合金板放置在橡胶缓冲层上，在镁合金板上布置镁质的间隙柱，间隙柱之间的间距为100mm，间隙柱高度为5mm，将316L不锈钢板放置在间隙柱上，与AZ31B镁合金板平行；在不锈钢上层涂抹黄油，厚度为2mm，并在316L不锈钢板四周边缘都涂抹黄油，将牛皮纸药框与黄油粘结，贴在316L不锈钢板四周边缘；将膨化硝铵混合炸药以不等厚度铺在316L不锈钢板上侧的黄油上，从起爆端到爆炸结束端铺设炸药厚度逐渐递减，起爆侧炸药厚度为27mm，爆炸结尾端炸药厚度15mm；炸药层从起爆端到爆炸结束端平滑过渡；采用边缘引爆法，将雷管插在起爆炸药边缘，雷管插入起爆炸药深度为15mm，并在雷管周围5~10mm半径范围内添加2~5mg黑索金，雷管引线大于40米；在远处，利用电磁控制装置引爆雷管，爆炸焊接完成；

（4）将爆炸合成的316L /AZ31B复合板进行退火热处理，然后在矫平机上校平；退火在电阻加热箱内进行，退火温度为200℃，保温时间60min；热处理温度以10℃每秒的速度升温至200℃，保温结束后，复合板随炉冷却；

（5）用剪板机剪掉复合板四周未焊合区域，清理不锈钢上表面侧残留的黄油，得到316L /AZ31B复合板。

（6）按照GB/T 7734-2015复合板超声波检验的要求对复合板进行探伤，探伤结果表明复合板结合率99.8%；根据GB/T6369-2008，测试复合板界面拉剪强度，界面的拉剪强度为120.0Mpa，对拉剪断裂界面进行面扫描分析，两断裂面的组成元素全部为镁，说明拉剪断裂发生在镁合金位置，而不是在接头位置，证明了爆炸焊接产生使镁合金和不锈钢两种材料产生了牢固的结合；利用扫面电镜SEM观察结合界面，结合区域呈现出微波形状，界面结合完好，无气孔、裂纹等缺陷。利用EDS在界面附近做线扫面分析，镁元素和铁元素发生扩散，说明两种材料通过扩散反应实现了冶金结合。

具体实施方式三

（1）选择AZ31B镁合金板和304不锈钢板作为爆炸焊接的母材；并对AZ31B镁合金板进行退火韧化，退火温度300℃，保温时间120min；

AZ31B镁合金板： 750mmX700mmX8mm；

304不锈钢板：800 mmX750mmX3mm；

（2）采用机械打磨的方法，去除AZ31B镁合金板和304不锈钢板待结合界面的氧化层及杂质：即采用安装砂轮片、钢丝刷的角磨机将不锈钢和镁合金待结合界面初打磨，然后用600目的砂纸打打磨，使待结合面粗糙度Ra不超过2μm，然后用干抹布擦干净待结合面。

（3）将处理好的AZ31B镁合金板和304不锈钢板进行爆炸焊接：即爆炸焊接在土质地面上进行，周边30米半径内无其他物体，在土地上放置5mm厚度的橡胶缓冲层(2000 mmX1600mmX5mm)，橡胶缓冲层与地面固定；将基层AZ31B镁合金板放置在橡胶缓冲层上，在镁合金板上布置镁质间隙柱，间隙柱之间的间距为100mm，间隙柱高度为5mm，将304不锈钢板放置在间隙柱上，与AZ31B镁合金板平行；在不锈钢上层涂抹黄油，厚度为2mm，并在304不锈钢板四周边缘涂抹黄油，将牛皮纸药框与黄油粘结，贴在304不锈钢板四周边缘；将膨化硝铵混合炸药以不等厚度铺在304不锈钢板上侧的黄油上，从起爆端到爆炸结束端铺设炸药厚度逐渐递减，起爆侧炸药厚度为30mm，爆炸结尾端炸药厚度20mm；炸药层从起爆端到爆炸结束端平滑过渡；采用边缘引爆法，将雷管插在起爆炸药边缘，雷管插入起爆炸药深度为20mm，并在雷管周围5~10mm半径范围内添加2~5mg黑索金，雷管引线大于40米；在远处，利用电磁控制装置引爆雷管，爆炸焊接完成；

（4）将爆炸合成的304/AZ31B复合板进行退火热处理，然后在矫平机上校平；退火在电阻加热箱内进行，退火温度为200℃，保温时间60min；热处理温度以10℃每秒的速度升温至200℃，保温结束后，复合板随炉冷却；

（5）用剪板机剪掉复合板四周未焊合区域，清理不锈钢上表面侧残留的黄油，得到304/AZ31B复合板。

（6）按照GB/T 7734-2015复合板超声波检验的要求对复合板进行探伤，探伤结果表明复合板结合率99.8%；根据GB/T6369-2008，测试复合板界面拉剪强度，界面的拉剪强度为138.0Mpa，对拉剪断裂界面进行面扫描分析，两断裂面的组成元素全部为镁，说明拉剪断裂发生在镁合金位置，而不是在接头位置，证明了爆炸焊接产生使镁合金和不锈钢两种材料产生了牢固的结合；利用扫面电镜SEM观察结合界面，结合区域呈现出微波形状，界面结合完好，无气孔、裂纹等缺陷。利用EDS在界面附近做线扫面分析，镁元素和铁元素发生扩散，说明两种材料通过扩散反应实现了冶金结合。

说明: 本发明所述的99.8%界面结合率是去掉边缘未结合区域后的结合率。

本发明所述间隙柱为一块长度是20mm，宽度=薄不锈钢片间隙柱的高度是（1.5~2.5）×不锈钢板厚度，厚度是0.5mm的长方形薄片，在长方形板的长度方向弯曲若干折，弯曲成图4所示的弯曲边，弯曲角为100~120度；弯曲边与结合面接触。

说明: 本发明所述的99.8%界面结合率是去掉边缘未结合区域后的结合率。