爆炸焊接制備鋁-鈦復合板工藝研究

李 軍,蔣曉博,任江毅,趙 亮

(中國船舶集團有限公司第七二五研究所,河南 洛陽 471023)

鋁-鈦復合材料在航空航天、船舶、橋梁、化工、餐具和特殊釬料等領域有著廣闊的應用前景,市場需求旺盛,經濟效益顯著[1-3];鋁-鈦復合板作為新興的結構材料,能充分發揮兩種材料的優勢,兼具輕質高強、耐磨和高耐蝕等優點,可以應對更復雜、更惡劣的工作環境,同時鋁-鈦復合板的成本遠低于鈦合金。由于鋁和鈦的化學成分和物理力學性能相差較大,使用一般的焊接方法很難將鋁鈦兩種材料結合牢固[4-5],使用爆炸焊接法具有工藝簡單和成本低的優點,可實現規?；可a,是獲得鋁-鈦復合板的主要方法之一。

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

1 試驗材料和方法

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

表1 TA2鈦板的化學成分(質量分數) (%)

表2 1060鋁板的化學成分(質量分數) (%)

表3 鈦板和鋁板的力學性能

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。復合板測試時,按標準GB/T 7734進行超聲波探傷,按標準GB/T 6396進行界面剪切試驗和界面抗拉試驗,按LWSB8102標準進行側彎曲試驗,按JB/T 4730標準進行復合板結合界面著色探傷;使用KG3試驗機進行剪切和拉脫測試,使用INSTRON5587拉伸試驗機進行性能測試,使用CTS-22B脈沖反射式超聲波探傷儀進行復合板的探傷。

2 結果與分析

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,無論是把鋁板還是鈦板作為基板,其基復比R均小于3,不在爆炸理論要求基復比大于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由于硬度低,容易使鋁板背面與地基砂土磕傷嚴重,造成產品缺陷。

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

表4 爆炸焊接方案的分析評估

根據前期實踐經驗評估對比這幾種方案,前兩種方案效果較差,第3種方案預期效果良好,第4種方案涉及鈦板與鋼板粘結,不易操作且工藝復雜,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種方案進行試驗。

在炸藥的品種、狀態和金屬材料等確定之后,爆炸焊接需要確認的工藝參數主要是單位面積裝藥量和間隙距離等,炸藥的用量和基復板間距的計算如下[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為基復板間隙距離;ρp和δp分別為復板密度和厚度;δe為炸藥厚度;K為與試驗材料有關的系數。

當爆速增大、爆炸間隙大時,復合板結合區的微觀缺陷會增加[8]。根據基復板材料及厚度,計算單位面積裝藥量(1～4 g/cm2)和間隙距離(約6 mm)。

爆炸焊接時,為了保證板形和保護鈦板底面不被碰傷,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合后層板的表面缺陷,同時在墊板上面鋪墊20 mm細紗和一層纖維板作為緩沖保護層。按照炸藥的裝藥量從少到多設計了6種爆炸焊接工藝,制備的復合板超聲波探傷結果見表5。

表5 爆炸焊接試板超聲波探傷結果

超聲波探傷表明6塊復合板在有效區內的結合率均達到100%,周邊未復合區范圍為18～40 mm,隨著裝藥量的增加,3#、5#和6#試板出現末端撕裂,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

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

圖2 鋁-鈦復合板結合強度與裝藥量的關系

a) 剪切后試樣

表6 鋁-鈦復合界面結合強度

沿爆轟方向,在距試板邊緣50 mm處鋸開,對6塊試板結合界面進行著色探傷,除6號試板末端150 mm有分散細小缺陷外,其他5塊試板的界面結合情況良好,沒有發現異常缺陷。

6塊復合板的試樣經過側彎后結合界面完好,沒有產生分層、裂紋等缺陷,側彎試樣外觀形貌如圖4所示。

圖4 側彎試樣外觀形貌

2.2 大板爆炸焊接實施

依據小板測試結果,當裝藥量為2.5 g/cm2、基復板間隙距離為6 mm時,鋁-鈦復合板具有良好的復合質量和結合強度,但爆炸后鈦板起爆末端被撕裂,為了保證板形和保護鈦板,除在鈦板下鋪墊鋼板、細紗及纖維板外,進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)。大板復合時基板為鈦板、復板為鋁板(規格為1 000 mm×2 000 mm),共5塊,采用圖5所示的方式進行安裝。

圖5 鋁-鈦復合板爆炸焊接安裝示意圖

圖6所示為爆炸焊接后的鋁-鈦復合板,超聲波探傷顯示5塊復合板在有效區內的結合率均達到100%,周邊未復合區范圍為18～40 mm,在起爆末端均未出現撕裂。復合板界面性能測試結果見表7,界面剪切強度平均值為93.8 MPa,拉脫強度平均值為104.8 MPa。

圖6 爆炸焊接后的鋁-鈦復合板

表7 鋁-鈦復合板界面性能測試結果

沿爆轟方向,在距試板邊緣50 mm處鋸開,對5塊復合板結合界面進行著色探傷,結合界面完好,沒有發現異常缺陷;復合板試樣側彎后界面結合完好,無分層、裂紋和縮孔等缺陷。

2.3 分析與討論

相關技術人員用爆炸焊接工藝制備鋁鋼復合板時,采用薄鈦板作為中間過渡層制備了鋁/鈦/鋼復合板,力學性能比鋁鋼復合板有所升高[11]。在項目的前期研究中,原有生產鋁-鈦復合板的工藝是先把鈦板和鋼板爆炸焊接獲得鈦-鋼復合板,接著進行熱處理以消除焊接應力,再經過校平、拋磨,之后進行鋁與鈦-鋼復合板的爆炸焊接,最后把鋼板用機械加工的方法去除,得到鋁-鈦復合板。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-鈦復合板產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,需要把結合面波紋底部的鋼材通過機械加工方法去除,由于復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,不少鈦板有撕裂現象,廢品率高,爆炸焊接后周邊鈦板容易產生嚴重撕裂,經常在結合界面及其周圍形成微裂紋;隨后進行鋁與鈦-鋼復合板爆炸焊接時,微裂紋擴展到鈦板內部形成裂紋,導致產品廢品率高。該工藝工序多、工期長、成本高、效率低,產品質量不太可靠。

表8 原工藝制備的鋁-鈦復合板界面剪切強度

采用爆炸焊接新工藝實現了鋁與鈦直接焊接成形,在生產中得到了成功應用,實現了厚鋁板、薄鈦板的直接爆炸焊接,節約了生產成本,縮短了生產工期,工藝改進后,邊界效應減小到40 mm以內。原生產工藝的復合板界面剪切強度為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合板的界面結合強度略有增加。

經核算,工藝改進后,降低了生產成本,縮短了生產工期,提高了生產效率。采用新工藝批量制備了60塊1060鋁-TA2復合板,成品性能和結合質量合格率≥96.7%,成本降低了30.5%,生產工期節約了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-鈦復合板產品已成功應用于某艦艇,產品質量穩定可靠、美觀,獲得了用戶好評。

另外,該方法可以推廣應用到薄復板、厚基板的不銹鋼復合板、鋁-銅復合板的爆炸焊接應用中。

3 結語

通過上述研究可以得出如下結論。

1)炸藥量、分布方式和墊板緩沖層等參數對爆炸焊接制備的1060鋁-TA2鈦復合板質量有明顯影響,優化工藝后實現了10 mm的1060鋁板與5 mm的TA2鈦板的直接爆炸焊接,獲得的鋁-鈦復合板具有良好的結合質量。

2)直接爆炸復合法實現了鋁-鈦復合板的批量制備,產品質量良好,復合板有效區結合率達到100%,界面抗剪切強度平均值為93.8 MPa(高于60 MPa),界面拉脫強度平均值為104.8 MPa(高于80 MPa)。