CN101987394A - 一种多层复合铝/钢过渡接头的制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多层复合铝/钢过渡接头的制造方法，包括有多层复合金属层，多层复合金属层依次包括有合金铝层、钛层、铜镍合金层和钢层，或者在合金铝层、钛层之间增加铝层；各层之间采用爆炸焊接方式连接；各层厚度从0.5mm-20mm不等，总厚度从10mm-60mm不等，其外形形状是条形、块状、板状、环形、圆形或矩形形状。本发明采用多层复合金属作为铝/钢过渡连接结构材料，通过爆炸式焊接方式连接，有效地改进和提高了铝/钢过渡连接材料的综合性能。

Description

一种多层复合铝/钢过渡接头的制造方法

技术领域

本发明涉及一种应用于大中型船舶、航空和航天器的铝/钢过渡连接结构领域，具体涉及铝/钢结构过渡连接领域、一种多层复合铝/钢过渡连接材料的制造工艺及方法。

背景技术

对于铝/钢过渡连接的需求，存在于各个行业领域中，如：电解、石油、化工、电力、航空、航天及造船等行业领域。

传统的更早期船舶建造行业中，民船及小型船舶建造中的铝/钢过渡连接，主要是通过铆钉铆接、螺栓压接紧固方式进行。

为了“减轻重量，降低重心，改善稳定性，提高航速”，80年代左右舰船上层建筑，逐渐开始大量使用铝合金材料建造，传统的铆钉铆接、螺栓压接铝/钢过渡联接方法不能很好满足此类新型船舶建造的要求。

随后，国外普遍出现了早期使用爆炸焊接方式制造的铝/钢过渡接头。爆炸焊接方式制造的铝/钢过渡接头，按照其材料种类组合即可分为：铝/钢组合、铝/铝/钢组合、铝/钛/钢组合，按照组合层次数量又可分为：两层与三层复合的铝/钢过渡接头。使用这种过渡接头通过现场焊接方法(铝与铝焊接、钢与钢焊接)，更好的实现了铝/钢之间的过渡连接。使用这种连接方式所带来的优点是提高了铝/钢联接处的“水密性、耐蚀性”提高了“结构强度”，降低了“施工时间及施工难度”，使用爆炸焊接方式制造的铝/钢过渡接头，解决民船及小型船舶建造中铝/钢过渡联接问题，其优越性是显而易见的。

就像很多新材料一样均经历了从诞生到提高，再到改进的发展过程，同样，爆炸焊接方式制造的铝/钢过渡接头，从早期的铝/钢组合、铝/铝/钢组合、铝/钛/钢组合，随着使用环境、使用要求的不断改变与变化，对其综合性能的要求也随之不断变化与提高。

早期铝/钢、铝/铝/钢、铝/钛/钢组合的，爆炸焊接方式制造的铝/钢过渡接头，就其性能而言，通过多年的使用、制造、研发经验进行综合分析，其性能及其使用性存在着安全隐患、以及耐焊接温度低、疲劳性能差等诸多问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，针对于此问题本发明对过渡接头的材料选型进行了进一步的优化，对于爆炸焊接工艺技术方案及其实现爆炸焊接的主要参数，爆能、爆速、爆压等进行了重新设定，参数设定的重要方向是在实现爆炸焊接结合的同时，尽可能杜绝和减少结合界面的“晶间化合物”形成是解决问题的关键；

提供一种多层复合铝/钢过渡连接材料，来改进和提高铝/钢过渡连接结构的综合性能。

为解决上述问题，本发明的技术方案为：

一种多层复合铝/钢过渡接头的制造方法，包括有多层复合金属层一般为3、4、5层不同或相同金属层组成；所述多层复合金属层依次包括有合金铝层、钛层、铜镍合金层和钢层，或者在合金铝层、钛层之间增加铝层；所述各层之间采用爆炸焊接方式连接；确定爆炸焊接时使用的炸药为2号岩石硝铵炸药，引爆方式采用雷管或导爆索端部宽边引爆；爆炸复合的焊接参数：

所述的多层复合铝/钢过渡接头的制造方法，其特征在于：所述的各层厚度从0.5mm-20mm不等，总厚度从10mm-60mm不等，所述的多层复合铝/钢过渡接头最上层为合金铝层、最下层为钢层；

所述的多层复合铝/钢过渡接头的制造方法，其特征在于：与钢层复合的金属层一般是铜镍合金层或钽、铌、镍层；所述的各层金属组合顺序为铝合金/铝/钛/铜镍合金/钢或铝合金/钛/铜镍合金/钢。

所述的多层复合铝/钢过渡接头的制造方法，其特征在于：所述的多层复合铝/钢过渡接头各层次之间爆炸焊接复合次序：

爆炸焊接第一层：铜镍合金和钢爆炸焊接复合；

爆炸焊接第二层：铜镍合金/钢复合板的铜镍合金面和钛爆炸焊接复合；

爆炸焊接第三层：钛/铜镍合金/钢复合板的钛面和铝爆炸焊接复合；

爆炸焊接第四层：铝/钛/铜镍合金/钢复合板的铝面和合金铝爆炸焊接复合。

众所周知、提高本发明多层复合铝/钢过渡连接材料性能的技术关键，并不是所述各个单体材料性能本身造成的，同时并非拥有其外在形式即可达到或完成，本发明所指的多层复合铝/钢过渡连接材料性能和技术指标，针对于早期铝/钢、铝/铝/钢、铝/钛/钢组合所存在的，耐焊接温度低、疲劳性能差等问题，通过大量实验及行业共识表明，造成失效及性能薄弱的环节均在铝钢、钛钢结合面上，并通过MC006-6XB金相显微镜对结合界面分析发现，造成耐焊接温度低、疲劳性能差主要问题是，爆炸焊接形成于结合界面的两种金属混合体物质，我们称之为“晶间化合物”，且此种“晶间化合物”存在有脆性倾向，并在此类过渡接头焊接使用时随焊接温度的不断增高，其性能随之下降，当达到500°界面焊接温度时，过渡接头性能几乎失效；

针对于此问题本发明对过渡接头的材料选型进行了进一步的优化，对于爆炸焊接工艺技术方案及其实现爆炸焊接的主要参数，爆能、爆速、爆压等进行了重新设定；

多层复合铝/钢过渡接头的材料选型与优化：

对于与基板钢板首先复合的复合过渡层材料，材料选型遵循焊接工艺参数要求，与基板钢板结合界面爆炸焊接后产生和形成有害的“晶间化合物”厚度、数量多少做一取舍，对于过渡层材料进行科学的优化选型，通过研究对比发现，使用钽、铌、镍或铜镍合金，首先与钢进行过渡复合，其过渡性能最为优越，但是，考虑到综合成本的问题，本方案采用了铜镍合金作为钛与钢复合的过渡层金属；

■爆能、爆速、爆压等爆炸焊接的主要参数设定：

实现金属爆炸焊接的主要条件有以下几方面：“炸药品种、单位面积药量、基板与覆板的安装间隙和安装角、基板与覆板的尺寸参数(主要有板材的厚度、基覆比)以及表面状态”等……！。

1、炸药品种

炸药是爆炸焊的能源，其种类和密度决定爆炸速度。爆速过高，会使撞击角度变小和作用力过大，容易撕裂结合部位；爆速过低，不能维持足够的爆炸角，也不能产生良好结合。

由于爆炸焊接工程中广泛使用2^#岩石炸药，为了与实际生产相结合，本项目中炸药也采用粉状铵盐炸药(2^#岩石炸药)，其密度ρ＝0.53～0.6g/cm³，爆速2200m/s～2600m/s。

2、单位面积药量

炸药的数量以覆板单位面积上布放的炸药数量或炸药厚度来计算，以Wg(g/cm²)表示。

药量的计算目前尚无理论公式，可采用如下经验公式来计算。

$W_g=K_g\sqrt{{\mathrm{\δ}}_1{\mathrm{\ρ}}_1}$

式中：

■h_o——均匀间隙值(mm)

■W_g——单位面积药量(g/cm²)

■ρ₁——覆板密度(g/cm³)

■δ₁——覆板厚度(mm)

■δ_o——药包厚度(mm)

■K_g——金属爆炸焊接经验系数

3、安装间隙和安装角

爆炸焊的能量传递、吸收、转换和分配，是通过间隙借助覆板与基板的高速冲击碰撞来完成和实现的。安装间隙和安装角是影响爆炸角的主要因素之一，在爆炸焊中，如果爆炸角过小，不论撞击速度有多大，也不会产生射流现象，反而容易引起结合面的严重熔化，接头强度低。平行法爆炸焊时采用均匀间隙值，以ho表示，一般为覆板厚度的0.5～1.0倍，一般用如下经验公司来计算：

h₀＝0.2(δ₁+δ₀)

4、表面状态

要实现金属间的冶金结合，必须有效清除金属板表面为氧化物、氮化物以及吸附气体薄膜的覆盖层，为使金属板之间达到紧密接触，以致产生原子间的结合力，奠定实现基础。

表面状态与形成物理接触面积有关，对焊接质量有非常重要的影响，焊前一定要进行表面清理以保持金属表面尽可能的清洁和具有一定的表面粗糙度。实验结果表明，粗糙的表面既难于形成波形界面，又易于熔化而形成金属间化合物的中间层。

■所述多层复合铝/钢过渡接头爆炸焊接复合各层次之间的焊接工艺参数为：

1、确定爆炸焊接时使用的炸药为2号岩石硝铵炸药，引爆方式采用雷管或导爆索端部宽边引爆；

表1爆炸复合板的焊接参数

本发明的有益效果：

本发明采用多层复合金属作为铝/钢过渡连接结构，通过爆炸式焊接方式连接，有效地改进和提高了铝/钢过渡连接结构的综合性能。

铜镍合金与钢直接复合有效的解决了，钛/钢、铝/钢直接复合相焊，所带来的结合界面“晶间化合物脆性倾向及施焊温度下性能恶变倾向”的发生。

同时，使用铜镍合金与钢作为钛/钢过渡层，对过渡接头的韧性性能得到了较大的提高。

附图说明

图1为五层复合铝/钢过渡连接结构示意图。

图2为四层复合铝/钢过渡连接结构示意图。

图3为本发明工艺流程图。

具体实施方式

参见图1、2、3，一种多层复合铝/钢过渡接头，包括有多层复合金属层，多层复合金属层依次包括有合金铝层1、钛层3、铜镍合金层4和钢层5，或者在合金铝层1、钛层3之间增加铝层2；各层之间采用爆炸焊接方式连接，各层厚度从0.5mm-20mm不等，总厚度从10mm-60mm不等，其外形形状是条形、块状、板状、环形、圆形或矩形形状。

各层次之间爆炸焊接复合次序：

爆炸焊接第一层：铜镍合金和钢爆炸焊接复合；

爆炸焊接第二层：铜镍合金/钢复合板的铜镍合金面和钛爆炸焊接复合；

爆炸焊接第三层：钛/铜镍合金/钢复合板的钛面和铝爆炸焊接复合；

爆炸焊接第四层：铝/钛/铜镍合金/钢复合板的铝面和合金铝爆炸焊接复合；

所述各层之间采用爆炸焊接方式连接；确定爆炸焊接时使用的炸药为2号岩石硝铵炸药，引爆方式采用雷管或导爆索端部宽边引爆；爆炸复合的焊接参数：

由于在以往所研究爆炸焊接的基础上，积累了大量的经验与数据，为此项目的顺利实施与实现打下了工艺基础。在试验中，只需通过改变炸药的品种、密度，以及单位面积的用药量来检测复合后的产品质量与这些参数之间变化规律。另一内容就是当复板的初始安装角度发生了变化，基、复板间距发生了变化，对复合后产品性能指标的影响，找出其中参数与性能变化规律，即可成功制造出所需多层复合铝/钢过渡接头的母板。

Claims (4)

1.一种多层复合铝/钢过渡接头的制造方法，包括有多层复合金属层一般为3、4、5层不同或相同金属层组成；所述多层复合金属层依次包括有合金铝层、钛层、铜镍合金层和钢层，或者在合金铝层、钛层之间增加铝层；所述各层之间采用爆炸焊接方式连接；确定爆炸焊接时使用的炸药为2号岩石硝铵炸药，引爆方式采用雷管或导爆索端部宽边引爆；爆炸复合的焊接参数：

2.根据权利要求1所述的多层复合铝/钢过渡接头的制造方法，其特征在于：所述的各层厚度从0.5mm-20mm不等，总厚度从10mm-60mm不等，所述的多层复合铝/钢过渡接头最上层为合金铝层、最下层为钢层；

3.根据权利要求1所述的多层复合铝/钢过渡接头的制造方法，其特征在于：与钢层复合的金属层一般是铜镍合金层或钽、铌、镍层；所述的各层金属组合顺序为铝合金/铝/钛/铜镍合金/钢或铝合金/钛/铜镍合金/钢。

4.根据权利要求1所述的多层复合铝/钢过渡接头的制造方法，其特征在于：所述的多层复合铝/钢过渡接头各层次之间爆炸焊接复合次序：

爆炸焊接第一层：铜镍合金和钢爆炸焊接复合；

爆炸焊接第二层：铜镍合金/钢复合板的铜镍合金面和钛爆炸焊接复合；

爆炸焊接第三层：钛/铜镍合金/钢复合板的钛面和铝爆炸焊接复合；

爆炸焊接第四层：铝/钛/铜镍合金/钢复合板的铝面和合金铝爆炸焊接复合。

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