爆炸焊鋁－鋁－鋼復(fù)合板界面連接特性研究

中圖分類號(hào)：U671 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Interface Connection Characteristics ofExplosive Welded Aluminum-Aluminum-Steel Composite Plate

DAIQiguo，SUNGuozhi， XUHaibo（Jiangxi JiangxinShipbuildingCo.，Ltd.，Jiujiang3325o0，China）

Abstract： Explosive welding technology was used to prepare a composite plate consisting ofa 5 083 aluminum alloy cover plate，B steel substrate， and a 1 0 6 0 pure aluminum intermediate layer. The microscopic structure and composition of the composite plate interface were studied through instrumental analysis.The experimental results indicatethatintheexplosive weld jointregion，intermetaliccompoundssignificantly increasedtheoverallhardness of the interface， with the maximum hardness observed at the metal compound at the aluminum-steel bonding interface.This aluminum-steel composite plate successfully combines the corrosion resistance and lightweight advantages of aluminum alloy with the high hardness and wear resistance benefits of steel.

Key words： explosive welding; aluminum-aluminum-steel composite plate； microscopic observation; EDS; hardness

1 引言

在經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展的今天，傳統(tǒng)單一材料已難滿足現(xiàn)代工業(yè)對(duì)材料性能的多元化需求，因此，為滿足單一材料同時(shí)擁有多種性能，研究出一種通過焊接的方式使兩種或者多種金屬結(jié)合，即爆炸焊。例如，鋁與鋼可以通過爆炸焊形成復(fù)合板材，這種板材既保留了貴金屬的化學(xué)特性，又兼具了便宜金屬優(yōu)良的物理特性。這不僅可以減少未來船廠對(duì)貴金屬的購買成本，還能使材料滿足實(shí)際使用要求[1]。

2 試驗(yàn)材料及試驗(yàn)方法

2.1試驗(yàn)材料

本實(shí)驗(yàn)材料為鋁-鋁－鋼爆炸焊復(fù)合板，采用

1060鋁合金作為中間層，上層為5083鋁合金，下層為CCSB鋼。

1）復(fù)合板成分

本文所選用的復(fù)合板成分如表1～表3所示，

2）復(fù)合板各材料機(jī)械性能

所選材料機(jī)械性能如表4所示。

2.2鋁-鋼復(fù)合板制備方法

爆炸焊是通過炸藥爆炸產(chǎn)生能量，使覆板與基板在瞬時(shí)的冶金過程中達(dá)到原子間結(jié)合的一種焊接技術(shù)[2]。通過爆炸焊連接具有焊縫免維護(hù)、焊縫工藝簡單、焊接強(qiáng)度高和不易松脫等特點(diǎn)。但鋁－鋼爆炸復(fù)合板在制備過程中選取的焊接參數(shù)對(duì)結(jié)合界面的質(zhì)量影響較大4。當(dāng)焊接參數(shù)較小時(shí)，會(huì)造成鋁鋼難以復(fù)合；當(dāng)焊接參數(shù)較大時(shí)，會(huì)造成鋁側(cè)金屬熔化過渡，從而生成脆性金屬間化合物，導(dǎo)致結(jié)合界面質(zhì)量下降。選擇合適的參數(shù)對(duì)爆炸焊制備復(fù)合板極為重要。

2.3爆炸焊結(jié)合界面

爆炸焊制備復(fù)合板的過程比較特殊，融合了壓力焊、熔化焊和擴(kuò)散焊的特點(diǎn)，由于爆炸焊的瞬時(shí)性，發(fā)生的反應(yīng)也復(fù)雜多變，因此涉及到多種學(xué)科理論。目前有關(guān)爆炸焊界面形態(tài)被普遍接受的有：波形結(jié)合、線性結(jié)合以及連續(xù)熔化層結(jié)合，其中較為理想的結(jié)合方式為類似于正弦波的波形結(jié)合。

2.4試驗(yàn)方法

試驗(yàn)所使用的方法有：金相觀察、掃描電鏡觀察和硬度測試。

1）金相觀察

本次金相試驗(yàn)所選用的試樣規(guī)格為 3 3 m m× 2 0 m m × 2 0 m m ，如圖1所示。

2）掃描電鏡觀察

本試驗(yàn)采用的儀器為帶有EDS能譜儀的TESCAVEGA型掃描電子顯微鏡。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1金相顯微分析

本次金相試驗(yàn)按是否垂直于爆炸焊的方向及不同的結(jié)合界面進(jìn)行分析，具體分為三個(gè)部分：平行于爆炸焊方向的鋁-鋁結(jié)合界面、垂直于爆炸焊方向上的鋁－鋁結(jié)合界面以及垂直于爆炸焊方向上鋁－鋼結(jié)合界面]。

1）鋁－鋁結(jié)合界面分析

對(duì)平行于爆炸焊方向和垂直于爆炸焊方向上的鋁－鋁結(jié)合界面進(jìn)行分析，并對(duì)比兩個(gè)方向上結(jié)合界面的波形差異。

（1）平行于爆炸焊方向鋁－鋁結(jié)合界面分析

圖2a）中鋁-鋁界面呈現(xiàn)呈正弦波狀，波長約1 . 2 5 m m ，波高 0 . 6 0 m m 。 5 0 8 3 鋁合金側(cè)的波峰處有勾人 1 0 6 0 鋁合金側(cè)的“半島”組織。在圖2b）中在接近結(jié)合處有部分區(qū)域出現(xiàn)了裂紋，這對(duì)材料的使用影響小。在圖2c）和d）圖中，靠近結(jié)合界面的區(qū)域內(nèi)，有黑色團(tuán)狀物出現(xiàn)，這可能是空洞或者熔融物，因爆炸焊過程中會(huì)產(chǎn)生高溫，使結(jié)合處的金屬產(chǎn)生熔化，在冷卻過程中形成“黑團(tuán)”，對(duì)復(fù)合板的質(zhì)量有所影響，適當(dāng)?shù)貙?duì)爆炸焊參數(shù)進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化，可減少“黑團(tuán)”在復(fù)合板中形成。

5083鋁合金和1060鋁合金在沿爆炸焊方向上的界面結(jié)合狀態(tài)良好，依據(jù)為在結(jié)合區(qū)域內(nèi)呈現(xiàn)出有規(guī)律的正弦波結(jié)構(gòu)。

（2）垂直于爆炸焊方向鋁－鋁結(jié)合界面分析

圖3a）上層為1060鋁合金，下層為5083鋁合金。該結(jié)合界面沒有明顯規(guī)律的波形結(jié)構(gòu)，而是呈現(xiàn)出微波形。該部分未形成爆炸焊方向上規(guī)律波形的原因是爆炸焊在該方向產(chǎn)生的向下沖擊力遠(yuǎn)大于水平方向的沖擊力，從而造成該界面呈現(xiàn)出直接結(jié)合，并在部分水平分力作用下，產(chǎn)生了細(xì)微的波形結(jié)構(gòu)。如圖3b）所示，可觀察到大量的1060鋁合金滲入到5083鋁合金中，并且在該區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)了細(xì)小的裂紋。

2）鋁－鋼結(jié)合界面分析

對(duì)垂直于爆炸焊方向上鋁-鋼結(jié)合界面進(jìn)行分析：在圖4a）中，靠近結(jié)合區(qū)域的鋼出現(xiàn)晶粒拉長現(xiàn)象，并鋁側(cè)形成金屬間化合物將部分被拉長晶粒包裹的區(qū)域，因爆炸焊中的高溫使鋁先熔化，部分鋼擴(kuò)散到鋁側(cè)，在溫度降低后，鋁和鋼形成的金屬間化合物將這部分鋼包裹；圖4b），在鋁-鋼結(jié)合部位中有部分白色區(qū)域，初步斷定為腐蝕不完全，導(dǎo)致其觀察為白色并無法觀察到組織，有少量鋁組織被金屬間化合物包裹，存在幾條細(xì)小裂紋；圖4c）中上層為CCSB鋼，下層為1060鋁合金，呈現(xiàn)連續(xù)的熔化層結(jié)合，該方向未受爆炸焊沖擊波影響，但受到所產(chǎn)生的大量熱量和向下的沖擊力；圖4d）中形成漩渦區(qū)，漩渦和鋼側(cè)的晶粒均出現(xiàn)拉長現(xiàn)象，由于爆炸焊產(chǎn)生的高溫和沖擊力導(dǎo)致晶粒細(xì)化，該區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)大量的金屬間化合物將漩渦包圍；圖4e），顯示結(jié)合部分靠近鋼側(cè)存在許多細(xì)小的裂紋，裂紋附近有許多黑色物體存在，初步斷定為金屬間化合物。

3.2掃描電鏡分析

對(duì)爆炸焊方向上鋁－鋁結(jié)合界面、爆炸焊方向上鋁-鋼結(jié)合界面的二次電子圖進(jìn)行了分析。對(duì)鋁－鋼結(jié)合界面進(jìn)行了EDS掃描和結(jié)合界面過渡層中生成的鋁鐵化合物進(jìn)行分析。

1）鋁－鋁結(jié)合界面分析

圖5顯示鋁－鋁結(jié)合界面波形，呈正弦分布且具有周期波峰及波谷清晰可見。該結(jié)合界面形成了規(guī)律的波形說明對(duì)鋁－鋁結(jié)合界面在這次制備過程中產(chǎn)生的碰撞速度和形成的碰撞角度是適當(dāng)?shù)?。圖6為圖5中波谷處放大背散射圖，顯示兩側(cè)鋁基體因成分不同而亮度也不同，存在許多亮度較低的成分，這與兩側(cè)基體內(nèi)的元素含量相關(guān)。觀察到有元素聚集，并呈現(xiàn)出類似漩渦的現(xiàn)象。

鋁－鋁結(jié)合界面結(jié)合良好，未形成類似鋁－鋼結(jié)合界面中產(chǎn)生的金屬間化合物。根據(jù)理論爆炸焊界面形態(tài)中，結(jié)合質(zhì)量良具有周期性的正弦波形，因此在爆炸焊方向上鋁－鋁結(jié)合界面的結(jié)合質(zhì)量良好。

2）鋁－鋼結(jié)合界面分析

為了解爆炸焊鋁－鋼結(jié)合界面的微觀特征，并對(duì)爆炸焊方向上的結(jié)合界面進(jìn)行了EDS分析。

爆炸焊方向上鋁－鋼結(jié)合界面分析的二次電子圖（見圖7）顯示，部分區(qū)域?yàn)殇X基體和鋼基體直接結(jié)合，部分區(qū)域?yàn)榛衔镞^渡結(jié)合。這種現(xiàn)象的原因：直接結(jié)合區(qū)，碰撞速度較低，并沒有形成射流；隨著爆炸焊的進(jìn)行射流逐漸形成并不斷增加，在基板所受的剪切應(yīng)力和爆炸焊產(chǎn)生的高壓下，開始發(fā)生塑性變形，隨著碰撞點(diǎn)向前推進(jìn)，碰撞速度逐漸升高，并在高溫的作用下，逐漸形成化合物過渡結(jié)合區(qū)。在圖7b）由金屬間化合物包圍鋼的現(xiàn)象，由于部分鋼基體在爆炸過程中被分裂開，并游離在液態(tài)鋁中，在焊接過程結(jié)束時(shí)，外側(cè)鋼組織與鋁發(fā)生反應(yīng)生成鋁-鐵化合物將內(nèi)部未反應(yīng)的鋼組織包裹，從而形成這一現(xiàn)象。

圖8為鋁－鋼結(jié)合界面的線掃描結(jié)果，該熔化層寬度約為 1 6 5 μ m ，結(jié)合界面的成分復(fù)雜，并存在基體的熔化顆粒。通過EDS分析，界面處因高溫高壓下發(fā)生了較為嚴(yán)重的塑性變形，從而形成鋁鐵金屬間化合物，結(jié)合鋁鐵二元相圖，如圖9所示。隨著鋁含量的升高，依次形成 、FeAl、 、 和 。線掃描，在過渡層與兩側(cè)基體交界處元素含量急劇變化，過渡層中表現(xiàn)出相互擴(kuò)散的趨勢。對(duì)比線掃描區(qū)域發(fā)現(xiàn)，有一塊被化合物包裹的鋼組織，其寬約為 3 0 μ m . ，該部分組織元素與鋼基體的元素組成一致。

圖10顯示了爆炸焊形成的“全島”組織，表5為EDS點(diǎn)掃描分析結(jié)果。該區(qū)域存在許多貫穿化合物層的裂紋。位置1和位置2分別位于該區(qū)域中心位置的白色區(qū)域和包裹白色區(qū)域的基體中。位置1的鋁鐵原子比約為1.38：1，位置2的原子比值約為2.09：1，接近 的原子比值，推斷該區(qū)域要析出相為 和 。在該生成的鋁－鐵化合物屬于脆性化合物，在焊后冷卻過程中，內(nèi)應(yīng)力的作用下易產(chǎn)生裂紋，導(dǎo)致開裂，這解釋了圖 1 0 b ）中觀察到的裂紋產(chǎn)生原因。

在圖 1 1 b ）中，位置1鋁原子含量超過 9 5 % ，靠近鋁側(cè)部位，主要析出相為1060鋁，含有少量的氧原子，可能存在氧化。位置2的鋁鋼原子比約為8：1，可能析出FeAl相和鋁的固溶體。位置3所測區(qū)域在二次電子圖中顯示出黑色，主要含鋁、鐵和氧原子，少量鐵原子，可能存在鐵，鋁的氧化物共存。位置4中所測到的鋁鐵原子比約為2.33：1，推斷主要析出相為 。位置5為包圍鋼組織的局部金屬化合物組織，在該部分鋁鐵原子含量比約為4：1，主要為FeAl相和鋁的固溶體。在該過渡區(qū)域內(nèi)，所生成的化合物種類繁多，推測這將影響該結(jié)合區(qū)域的性能變化（見表6）。

對(duì)點(diǎn)掃描結(jié)果分析，確定爆炸焊制備的鋁－鋁－鋼復(fù)合板在鋁－鋼結(jié)合界面中會(huì)生成鋁-鐵化合物，不同位置的化合物不一定相同。這些金屬間化合物會(huì)嚴(yán)重影響復(fù)合板的結(jié)合強(qiáng)度，其脆性大，塑性變形的能力小，使化合物層在焊接殘余應(yīng)力的作用易被破壞，形成裂紋以及孔洞，從而造成接頭性能下降。在爆炸焊接中，應(yīng)采用小藥量，減少熔化層和脆性化合物的生成。

3.3硬度分析

通過測量爆炸焊方向上兩條硬度曲線發(fā)現(xiàn)，整個(gè)界面的硬度都有所升高，出現(xiàn)原因是在爆炸焊過程中會(huì)產(chǎn)生較大的沖擊力，使結(jié)合界面內(nèi)的金屬發(fā)生劇烈的塑性變形，在極其劇烈的塑性變形下，材料會(huì)發(fā)生高密度的位錯(cuò)和動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，這些變化必然會(huì)造成金屬界面硬度提升的現(xiàn)象。在鋁－鋼結(jié)合界面處均測量出硬度最大值，這是因?yàn)樵阡X－鋼結(jié)合界面處的金屬發(fā)生了冶金反應(yīng)，并且生成了硬度極高的脆性鋁-鐵間金屬化合物，這種金屬間化合物的顯微硬度在 之間，解釋了硬度最大值處于鋁-鐵結(jié)合界面處的原因。

3.4小結(jié)

主要對(duì)鋁－鋁－鋼爆炸復(fù)合板的結(jié)合界面進(jìn)行了金相分析，了解到不同方向上結(jié)合界面的形貌特征也不相同，在平行于爆炸焊方向上的結(jié)合界面呈現(xiàn)出一定的規(guī)律，而在垂直于爆炸焊方向上的結(jié)合界面無明顯規(guī)律，但均表現(xiàn)出鋼側(cè)晶粒在靠近結(jié)合區(qū)部分發(fā)生晶粒拉長現(xiàn)象。在本章節(jié)中通過能譜儀EDS分析介紹了在鋁－鋼結(jié)合區(qū)中主要生成的金屬間化合物。通過對(duì)爆炸焊方向上鋁－鋁結(jié)合界面的波峰、波谷列硬度進(jìn)行測試，發(fā)現(xiàn)均表現(xiàn)出在靠近結(jié)合區(qū)域的硬度有所增加的現(xiàn)象，且均在鋁－鋼結(jié)合界面處測得最大硬度值。

4結(jié)論

以鋁－鋁－鋼爆炸焊復(fù)合板的界面結(jié)合特性為目的，對(duì)復(fù)合板結(jié)合界面進(jìn)行了組織分析和硬度測試，試驗(yàn)結(jié)果表明：

1）沿爆炸焊方向，鋁－鋁結(jié)合界面呈現(xiàn)出規(guī)律的正弦波形，經(jīng)測量，波長約為 1 . 2 5 m m ；鋁-鋼結(jié)合界面呈現(xiàn)出直接結(jié)合和熔融層結(jié)合并存現(xiàn)象，并且在熔化層生成金屬間化合物；

2）通過能譜分析，發(fā)現(xiàn)鋁-鋁-鋼爆炸復(fù)合板在鋁－鋼結(jié)合界面上形成的主要金屬間化合物有 、 、 和 ，并在鋁－鋼結(jié)合界面中還存在部分金屬氧化物；

3）經(jīng)爆炸焊后，界面整體硬度得到提升；結(jié)合界面的硬度最高，兩側(cè)的硬度逐漸下降并趨近于一個(gè)穩(wěn)定值；硬度最高值在鋁－鋼結(jié)合界面附近的金屬間化合物上。

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