爆炸焊接制備鋁-鈦復(fù)合板工藝研究

李 軍,蔣曉博,任江毅,趙 亮

(中國船舶集團(tuán)有限公司第七二五研究所,河南 洛陽 471023)

鋁-鈦復(fù)合材料在航空航天、船舶、橋梁、化工、餐具和特殊釬料等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景,市場需求旺盛,經(jīng)濟(jì)效益顯著[1-3];鋁-鈦復(fù)合板作為新興的結(jié)構(gòu)材料,能充分發(fā)揮兩種材料的優(yōu)勢,兼具輕質(zhì)高強(qiáng)、耐磨和高耐蝕等優(yōu)點(diǎn),可以應(yīng)對更復(fù)雜、更惡劣的工作環(huán)境,同時(shí)鋁-鈦復(fù)合板的成本遠(yuǎn)低于鈦合金。由于鋁和鈦的化學(xué)成分和物理力學(xué)性能相差較大,使用一般的焊接方法很難將鋁鈦兩種材料結(jié)合牢固[4-5],使用爆炸焊接法具有工藝簡單和成本低的優(yōu)點(diǎn),可實(shí)現(xiàn)規(guī)模化批量生產(chǎn),是獲得鋁-鈦復(fù)合板的主要方法之一。

爆炸復(fù)合法常規(guī)生產(chǎn)鋁-鈦復(fù)合板的工藝較繁瑣,首先是鈦板與鋼板爆炸焊接獲得鈦-鋼復(fù)合板,然后再把鋁板與其爆炸焊接而獲得鋁-鈦-鋼復(fù)合板,最后通過機(jī)械加工的方法把鋼板加工去除,從而獲得鋁-鈦復(fù)合板,這種工藝存在效率低、生產(chǎn)成本高等問題。依托艦船用鈦-鋁復(fù)合板的需求,本文介紹了一種鋁-鈦復(fù)合板爆炸焊接新工藝,實(shí)現(xiàn)厚鋁板和薄鈦板的直接爆炸焊接,提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。

1 試驗(yàn)材料和方法

使用的TA2鈦板和1060鋁板厚度分別為5和10 mm,鈦板和鋁板的化學(xué)成分分別見表1和表2,力學(xué)性能見表3。鈦板和鋁板的化學(xué)成分分別滿足標(biāo)準(zhǔn)GB/T 3620.1和GB/T 3190,力學(xué)性能分別滿足標(biāo)準(zhǔn)GB/T 3621和GB/T 3880。

表1 TA2鈦板的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) (%)

表2 1060鋁板的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) (%)

表3 鈦板和鋁板的力學(xué)性能

用膨化硝銨混合炸藥,密度為790 kg/m3,理論爆炸速度為2 400 m/s。復(fù)合板測試時(shí),按標(biāo)準(zhǔn)GB/T 7734進(jìn)行超聲波探傷,按標(biāo)準(zhǔn)GB/T 6396進(jìn)行界面剪切試驗(yàn)和界面抗拉試驗(yàn),按LWSB8102標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行側(cè)彎曲試驗(yàn),按JB/T 4730標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行復(fù)合板結(jié)合界面著色探傷;使用KG3試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行剪切和拉脫測試,使用INSTRON5587拉伸試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行性能測試,使用CTS-22B脈沖反射式超聲波探傷儀進(jìn)行復(fù)合板的探傷。

2 結(jié)果與分析

2.1 焊接試板測試

由于鋁板厚度(10 mm)與鈦板厚度(5 mm)差異較小,兩種板材采用直接爆炸焊接的新工藝時(shí),無論是把鋁板還是鈦板作為基板,其基復(fù)比R均小于3,不在爆炸理論要求基復(fù)比大于3的良好爆炸焊接范圍,并且鈦板的抗爆炸載荷沖擊性能差,易撕裂,有效利用率低;而把鋁板作為基板時(shí)由于硬度低,容易使鋁板背面與地基砂土磕傷嚴(yán)重,造成產(chǎn)品缺陷。

爆炸焊接試驗(yàn)測試用的鈦板和鋁板尺寸規(guī)格均為5 mm×300 mm×500 mm,策劃設(shè)計(jì)了常用的4種爆炸焊接方案(見表4),對每種方案的可行性進(jìn)行分析評估。

表4 爆炸焊接方案的分析評估

根據(jù)前期實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)評估對比這幾種方案,前兩種方案效果較差,第3種方案預(yù)期效果良好,第4種方案涉及鈦板與鋼板粘結(jié),不易操作且工藝復(fù)雜,鈦板與鋼板之間無緩沖層,易引起鈦板撕裂,因此決定采用第3種方案進(jìn)行試驗(yàn)。

在炸藥的品種、狀態(tài)和金屬材料等確定之后,爆炸焊接需要確認(rèn)的工藝參數(shù)主要是單位面積裝藥量和間隙距離等,炸藥的用量和基復(fù)板間距的計(jì)算如下[6-7]:

me=K(δpρp)1/2

(1)

h=0.2(δe+δp)

(2)

式中,me為單位面積裝藥量;h為基復(fù)板間隙距離;ρp和δp分別為復(fù)板密度和厚度;δe為炸藥厚度;K為與試驗(yàn)材料有關(guān)的系數(shù)。

當(dāng)爆速增大、爆炸間隙大時(shí),復(fù)合板結(jié)合區(qū)的微觀缺陷會增加[8]。根據(jù)基復(fù)板材料及厚度,計(jì)算單位面積裝藥量(1～4 g/cm2)和間隙距離(約6 mm)。

爆炸焊接時(shí),為了保證板形和保護(hù)鈦板底面不被碰傷,在鈦板底面鋪墊了約20 mm鋼板作為墊板,墊板能夠有效減少爆炸復(fù)合后層板的表面缺陷,同時(shí)在墊板上面鋪墊20 mm細(xì)紗和一層纖維板作為緩沖保護(hù)層。按照炸藥的裝藥量從少到多設(shè)計(jì)了6種爆炸焊接工藝,制備的復(fù)合板超聲波探傷結(jié)果見表5。

表5 爆炸焊接試板超聲波探傷結(jié)果

超聲波探傷表明6塊復(fù)合板在有效區(qū)內(nèi)的結(jié)合率均達(dá)到100%,周邊未復(fù)合區(qū)范圍為18～40 mm,隨著裝藥量的增加,3#、5#和6#試板出現(xiàn)末端撕裂,撕裂寬度為20～45 mm,撕裂示意圖如圖1所示。

圖1 試板末端撕裂情況示意圖

為了對比復(fù)合板界面結(jié)合強(qiáng)弱,對6塊復(fù)合板分別取樣進(jìn)行界面剪切和拉脫強(qiáng)度測試,試驗(yàn)結(jié)果見表6,界面結(jié)合強(qiáng)度與單位面積裝藥量的關(guān)系如圖2所示,剪切和拉脫試樣破壞后形貌如圖3所示。從性能測試結(jié)果可知,6塊試板的結(jié)合界面抗剪切強(qiáng)度都超過60 MPa,隨著裝藥量的增加,界面抗剪切強(qiáng)度先增加后降低,當(dāng)裝藥量為2.5 g/cm2時(shí),界面抗剪切強(qiáng)度最高;6塊試板的界面抗拉脫強(qiáng)度基本相當(dāng),均超過100 MPa,斷裂發(fā)生在鋁側(cè),說明復(fù)合板的界面結(jié)合強(qiáng)度大于鋁本身的抗拉強(qiáng)度。鈦-鋁復(fù)合板的力學(xué)性能與爆炸焊接導(dǎo)致的加工硬化程度有關(guān),也與爆炸焊接時(shí)結(jié)合界面處溫度快速上升與下降導(dǎo)致的細(xì)晶強(qiáng)化作用有關(guān)[9-10]。

圖2 鋁-鈦復(fù)合板結(jié)合強(qiáng)度與裝藥量的關(guān)系

a) 剪切后試樣

表6 鋁-鈦復(fù)合界面結(jié)合強(qiáng)度

沿爆轟方向,在距試板邊緣50 mm處鋸開,對6塊試板結(jié)合界面進(jìn)行著色探傷,除6號試板末端150 mm有分散細(xì)小缺陷外,其他5塊試板的界面結(jié)合情況良好,沒有發(fā)現(xiàn)異常缺陷。

6塊復(fù)合板的試樣經(jīng)過側(cè)彎后結(jié)合界面完好,沒有產(chǎn)生分層、裂紋等缺陷,側(cè)彎試樣外觀形貌如圖4所示。

圖4 側(cè)彎試樣外觀形貌

2.2 大板爆炸焊接實(shí)施

依據(jù)小板測試結(jié)果,當(dāng)裝藥量為2.5 g/cm2、基復(fù)板間隙距離為6 mm時(shí),鋁-鈦復(fù)合板具有良好的復(fù)合質(zhì)量和結(jié)合強(qiáng)度,但爆炸后鈦板起爆末端被撕裂,為了保證板形和保護(hù)鈦板,除在鈦板下鋪墊鋼板、細(xì)紗及纖維板外,進(jìn)一步采取起爆末端梯度布藥方式(炸藥裝藥量從2.5 g/cm2依次降低到1.73 g/cm2)。大板復(fù)合時(shí)基板為鈦板、復(fù)板為鋁板(規(guī)格為1 000 mm×2 000 mm),共5塊,采用圖5所示的方式進(jìn)行安裝。

圖5 鋁-鈦復(fù)合板爆炸焊接安裝示意圖

圖6所示為爆炸焊接后的鋁-鈦復(fù)合板,超聲波探傷顯示5塊復(fù)合板在有效區(qū)內(nèi)的結(jié)合率均達(dá)到100%,周邊未復(fù)合區(qū)范圍為18～40 mm,在起爆末端均未出現(xiàn)撕裂。復(fù)合板界面性能測試結(jié)果見表7,界面剪切強(qiáng)度平均值為93.8 MPa,拉脫強(qiáng)度平均值為104.8 MPa。

圖6 爆炸焊接后的鋁-鈦復(fù)合板

表7 鋁-鈦復(fù)合板界面性能測試結(jié)果

沿爆轟方向,在距試板邊緣50 mm處鋸開,對5塊復(fù)合板結(jié)合界面進(jìn)行著色探傷,結(jié)合界面完好,沒有發(fā)現(xiàn)異常缺陷;復(fù)合板試樣側(cè)彎后界面結(jié)合完好,無分層、裂紋和縮孔等缺陷。

2.3 分析與討論

相關(guān)技術(shù)人員用爆炸焊接工藝制備鋁鋼復(fù)合板時(shí),采用薄鈦板作為中間過渡層制備了鋁/鈦/鋼復(fù)合板,力學(xué)性能比鋁鋼復(fù)合板有所升高[11]。在項(xiàng)目的前期研究中,原有生產(chǎn)鋁-鈦復(fù)合板的工藝是先把鈦板和鋼板爆炸焊接獲得鈦-鋼復(fù)合板,接著進(jìn)行熱處理以消除焊接應(yīng)力,再經(jīng)過校平、拋磨,之后進(jìn)行鋁與鈦-鋼復(fù)合板的爆炸焊接,最后把鋼板用機(jī)械加工的方法去除,得到鋁-鈦復(fù)合板。某批次合同交貨104塊,界面剪切性能見表8,平均值為92.2 MPa,其中鈦板有裂紋造成的不合格品有6塊,爆炸前鈦板的厚度為6 mm,加工成鋁-鈦復(fù)合板產(chǎn)品后其平均厚度僅為4.3 mm。鈦與鋼爆炸焊接后形成了波紋界面,需要把結(jié)合面波紋底部的鋼材通過機(jī)械加工方法去除,由于復(fù)合板爆炸校平后還存在小量的變形,因此使鈦板厚度平均減薄了1.7 mm。另外,不少鈦板有撕裂現(xiàn)象,廢品率高,爆炸焊接后周邊鈦板容易產(chǎn)生嚴(yán)重撕裂,經(jīng)常在結(jié)合界面及其周圍形成微裂紋;隨后進(jìn)行鋁與鈦-鋼復(fù)合板爆炸焊接時(shí),微裂紋擴(kuò)展到鈦板內(nèi)部形成裂紋,導(dǎo)致產(chǎn)品廢品率高。該工藝工序多、工期長、成本高、效率低,產(chǎn)品質(zhì)量不太可靠。

表8 原工藝制備的鋁-鈦復(fù)合板界面剪切強(qiáng)度

采用爆炸焊接新工藝實(shí)現(xiàn)了鋁與鈦直接焊接成形,在生產(chǎn)中得到了成功應(yīng)用,實(shí)現(xiàn)了厚鋁板、薄鈦板的直接爆炸焊接,節(jié)約了生產(chǎn)成本,縮短了生產(chǎn)工期,工藝改進(jìn)后,邊界效應(yīng)減小到40 mm以內(nèi)。原生產(chǎn)工藝的復(fù)合板界面剪切強(qiáng)度為92.2 MPa(見表8),采用新工藝后平均值為93.8 MPa(見表7),說明采用新工藝制備的復(fù)合板的界面結(jié)合強(qiáng)度略有增加。

經(jīng)核算,工藝改進(jìn)后,降低了生產(chǎn)成本,縮短了生產(chǎn)工期,提高了生產(chǎn)效率。采用新工藝批量制備了60塊1060鋁-TA2復(fù)合板,成品性能和結(jié)合質(zhì)量合格率≥96.7%,成本降低了30.5%,生產(chǎn)工期節(jié)約了45%(由原工藝的10天減少到目前的5.5天),使用新工藝制備的鋁-鈦復(fù)合板產(chǎn)品已成功應(yīng)用于某艦艇,產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定可靠、美觀,獲得了用戶好評。

另外,該方法可以推廣應(yīng)用到薄復(fù)板、厚基板的不銹鋼復(fù)合板、鋁-銅復(fù)合板的爆炸焊接應(yīng)用中。

3 結(jié)語

通過上述研究可以得出如下結(jié)論。

1)炸藥量、分布方式和墊板緩沖層等參數(shù)對爆炸焊接制備的1060鋁-TA2鈦復(fù)合板質(zhì)量有明顯影響,優(yōu)化工藝后實(shí)現(xiàn)了10 mm的1060鋁板與5 mm的TA2鈦板的直接爆炸焊接,獲得的鋁-鈦復(fù)合板具有良好的結(jié)合質(zhì)量。

2)直接爆炸復(fù)合法實(shí)現(xiàn)了鋁-鈦復(fù)合板的批量制備,產(chǎn)品質(zhì)量良好,復(fù)合板有效區(qū)結(jié)合率達(dá)到100%,界面抗剪切強(qiáng)度平均值為93.8 MPa(高于60 MPa),界面拉脫強(qiáng)度平均值為104.8 MPa(高于80 MPa)。