船用鋁鋼復(fù)合材制備工藝研究

宋　軍，張文平，華先鋒

(西安天力金屬?gòu)?fù)合材料有限公司, 西安　710201)

?

船用鋁鋼復(fù)合材制備工藝研究

宋軍，張文平，華先鋒

(西安天力金屬?gòu)?fù)合材料有限公司, 西安710201)

摘要：鋁鋼復(fù)合材可用于連接船舶主體和上層建筑，受到廣泛青睞。主要使用爆炸焊接的方法制備鋁鋼復(fù)合材，采用金相檢驗(yàn)、拉伸試驗(yàn)和剪切試驗(yàn)方法對(duì)板材進(jìn)行檢驗(yàn)。檢驗(yàn)結(jié)果表明，復(fù)合材的界面均勻，呈現(xiàn)爆炸焊接所特有的波狀界面，界面處無(wú)分層、熔化等缺陷。拉伸試驗(yàn)結(jié)果和剪切試驗(yàn)結(jié)果表明，復(fù)合材性能達(dá)到相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，滿足船用需求。

關(guān)鍵詞：船用材料；鋁鋼復(fù)合材；爆炸焊接

Citation format:SONG Jun, ZHANG Wen-ping, HUA Xian-feng.Manufacturing Process of Aluminium Steel Clad Plate for Warship[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2016(3):129-131.

高速船及公務(wù)用船舶的主船體屬鋼質(zhì)結(jié)構(gòu)，上層建筑屬鋁合金結(jié)構(gòu)，而連接兩者的方法最早采用搭接螺釘或鉚接，但這種連接保證不了密封性，造成縫隙加速了海水介質(zhì)腐蝕，在海上經(jīng)常不到一年時(shí)間就要進(jìn)行大修補(bǔ)，維修困難且費(fèi)用昂貴，鋁鋼復(fù)合材料在此時(shí)應(yīng)運(yùn)而生[1-3]。這種復(fù)合材將兩部分連接起來(lái)，不僅美化了結(jié)構(gòu)，還使建造工藝大為簡(jiǎn)化。鋁與鋼為異種不相溶材料，制備該種材料，一般采用爆炸焊接法。國(guó)外此項(xiàng)目發(fā)展比較早，目前我國(guó)國(guó)內(nèi)市場(chǎng)中，船用鋁鋼過(guò)渡接頭，基本是國(guó)外壟斷的復(fù)合板產(chǎn)品。試驗(yàn)主要研究?jī)?nèi)容是采用爆炸焊接法開(kāi)發(fā)符合船用要求的鋁鋼復(fù)合材，以求打破國(guó)外該類產(chǎn)品壟斷。

1試驗(yàn)材料與方法

1.1試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用復(fù)層為鋁合金5A06，基層為CCS-B船用鋼板，尺寸分別為5 mm×500 mm×1 000 mm和5 mm×500 mm×1 000 mm，過(guò)渡層為純鋁1060，尺寸為1 mm×500 mm×1 000 mm。3種材料的化學(xué)成分分別如表1～表3所示，5083的化學(xué)成分符合GB/T3190—1996相關(guān)指標(biāo)要求，CCS-B的化學(xué)成分完全符合CCS《材料與焊接規(guī)范》2009相關(guān)指標(biāo)要求。

表1　鋁合金板(5A06)的化學(xué)成分

表2　船用鋼板(CCS-B)的化學(xué)成分　%

表3　純鋁板(1060)的化學(xué)成分　%

1.2試驗(yàn)方法

對(duì)基層和復(fù)層實(shí)施爆炸復(fù)合，復(fù)合前的組配草圖如圖1。

圖1　爆炸復(fù)合組配草圖

爆炸復(fù)合后利用UT法檢驗(yàn)復(fù)合板結(jié)合率，驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行ASME SA578 C級(jí)。利用OLYMPUS GX51型金相顯微鏡和SS550掃描電鏡及EDX能譜儀觀察界面微觀組織。TY8000型實(shí)驗(yàn)機(jī)被用來(lái)檢測(cè)復(fù)合板的拉剪強(qiáng)度和分離強(qiáng)度試驗(yàn)。

2結(jié)果與分析

2.1無(wú)損檢驗(yàn)

圖2為鋁鋼復(fù)合材，從其中可以看出，復(fù)合板邊部完整，表面無(wú)肉眼可見(jiàn)壓痕、沖孔等缺陷。復(fù)合后，板材采用英國(guó)聲納公司MASTERSCAN 380超聲波探傷儀，并選用5PФ20單晶直探頭，主要檢驗(yàn)界面結(jié)合狀態(tài)，其檢測(cè)波形如圖3所示。從其中可以看出，一次底波波峰較高，高于門(mén)檻值，而界面波的波峰遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于門(mén)檻值，這說(shuō)明復(fù)合材界面結(jié)合良好，無(wú)分層、夾雜等缺陷。

2.2微觀組織檢驗(yàn)

圖4為金相顯微鏡下復(fù)合材剖面處微觀組織，從其中可以看出，1060與5A06之間呈現(xiàn)爆炸焊接制備法的特征波形界面，且界面處均勻，無(wú)分層、熔化塊、孔洞等焊接缺陷，這是因?yàn)?060與5A06是同基材料，相容性好，因此界面無(wú)異常相生成。而1060與CCS-B界面處的波紋比較平緩，在100倍放大倍數(shù)下，未見(jiàn)分層等缺陷。圖5為掃描電鏡下復(fù)合材的剖面微觀組織形貌。從圖5中可以看出，在高襯度條件下，兩個(gè)界面處均無(wú)分層等影響結(jié)合力的缺陷，這說(shuō)明采用爆炸焊接法可制備鋁鋼復(fù)合材料。

圖2　爆炸復(fù)合后板材

圖3　超聲波檢驗(yàn)波形(結(jié)合良好)

圖4　金相顯微鏡下復(fù)合材的微觀組織

圖5　SEM顯微鏡下復(fù)合材的微觀組織

2.3力學(xué)性能檢驗(yàn)

對(duì)試樣進(jìn)行拉剪試驗(yàn)和分離試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。從表4可以看出，拉剪試驗(yàn)的隨機(jī)3組試樣結(jié)果均高于驗(yàn)收值90 MPa，平均值為96 MPa，而分離強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果顯示，3組試樣的結(jié)果均高于驗(yàn)收值75 MPa，且平均值為85.3 MPa。上述檢驗(yàn)結(jié)果表明，材料的性能滿足船用鋁鋼復(fù)合板的要求。

表4　力學(xué)性能檢驗(yàn)結(jié)果

2.4應(yīng)用實(shí)例

將產(chǎn)品供給用戶，使用情況見(jiàn)圖6與圖7。圖6為鋁鋼的鋼層與船體甲板焊接后圖片，從圖6可以看出，連接后復(fù)合板與甲板結(jié)合良好，無(wú)分層等影響結(jié)合的缺陷。圖7為艙體與鋁鋼復(fù)合板的鋁層焊接后的外觀圖，從圖7可以看出，經(jīng)過(guò)兩次焊接后，鋁鋼無(wú)分層等缺陷，連接良好。

圖6　鋁鋼復(fù)合材與鋼材連接

圖7　鋁鋼復(fù)合材與鋁設(shè)備連接

3結(jié)論

1) 采用爆炸焊接法可以制備鋁鋼復(fù)合材；復(fù)合后界面均勻，無(wú)分層、夾雜等缺陷；

2) 對(duì)復(fù)合材進(jìn)行拉剪和分離試驗(yàn)，結(jié)果表明鋁鋼復(fù)合材滿足使用要求。

3) 將鋁鋼復(fù)合材供給用戶使用，使用情況良好，完全滿足需求。

參考文獻(xiàn)：

[1]鄭遠(yuǎn)某.爆炸焊接和爆炸復(fù)合材料的原理及應(yīng)用[M].長(zhǎng)沙:中南大學(xué)出版社出版，2012.

[2]C.萊茵斯，M.皮特爾斯.鈦與鈦合金[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2005.

[3]王緒明.鋼鋁過(guò)渡接頭的性能特點(diǎn)及焊接工藝[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2001.

[4]劉海昌,汪建春，劉抗強(qiáng).鋁鋼復(fù)合材料冷軋變形規(guī)律的研究[J].中國(guó)機(jī)械工程,2015(5):464-465.

[5]古朋贊,盛水平，林文賢.鋁鋼復(fù)合板與鋁合金管的管板焊接工藝[J].焊接技術(shù),2013(8)：35-37.

[6]王謙，冷雪松，楊天豪.Al-Fe金屬間化合物對(duì)復(fù)合板界面結(jié)合的影響[J].中國(guó)有色金屬學(xué)報(bào),2014(1)：279-284.

[7]吳振強(qiáng)，夏原，李光.鋁鋼等離子體電解氧化陶瓷層的微觀力學(xué)特性[J].金屬學(xué)報(bào),2010(1)：119-124.

[8]黃亞玲，秦大同，羅同云.基于ANSYS的斜齒輪接觸非線性有限元分析[J].四川兵工學(xué)報(bào),2011(4)：31-33.

[9]周朝輝,曹海橋,吉衛(wèi).應(yīng)用有限元分析軟件進(jìn)行金屬塑性成形研究[J].四川兵工學(xué)報(bào),2010(5):34-35.

[10]張洪濤,何鵬,孔慶偉.鋁鋼異種材料焊接研究現(xiàn)狀與發(fā)展[J].焊接,2013(12):7-12.

(責(zé)任編輯楊繼森)

Manufacturing Process of Aluminium Steel Clad Plate for Warship

SONG Jun, ZHANG Wen-ping, HUA Xian-feng

(Xi’an Tianli Clad Materials Co., Ltd., Xi’an 710201, China)

Abstract:Aluminum clad plate is usually used in the subject construction and superstructure of the warship. Test preparation mainly used aluminum and steel compound material to make the method of explosive welding and verify the plate with the methods of metallographic test, tensile test and shear test. The test results show that the interface of the clad plate is wavy and no defects of delaminating, melting and so on. The results of tensile strength and shearing strength also meet the requirement of the relative specification. Namely, it meet the requirement of the warship field.

Key words:warship material; aluminum clad plate; explosion weld

文章編號(hào)：1006-0707(2016)03-0129-03

中圖分類號(hào)：TG456

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

doi:10.11809/scbgxb2016.03.031

作者簡(jiǎn)介：宋軍(1977—)，男，助理工程師，主要從事爆炸焊接工藝研究。

基金項(xiàng)目：國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(2015AA03A501)

收稿日期：2015-09-08；修回日期：2015-09-22

本文引用格式：宋軍，張文平，華先鋒.船用鋁鋼復(fù)合材制備工藝研究[J].兵器裝備工程學(xué)報(bào)，2016(3):129-131.

【化學(xué)工程與材料科學(xué)】