CN106624330B - 一种不锈钢-铜-镁合金复合板的爆炸焊接加工方法 - Google Patents
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Abstract
一种不锈钢‑铜‑镁合金复合板的爆炸焊接加工方法，属于复合板制备技术领域，其特征在于：使用不锈钢为复层，镁合金为基层，薄铜板为过渡层，使用膨化硝铵混合炸药作为爆炸能源。本发明根据不锈钢与镁合金两种材料冶金上难溶的特点，采用铜作为过渡层进行爆炸焊接。爆炸焊接前对镁合金板进行退火处理，机械打磨不锈钢、铜板、镁合金板待结合面，将不锈钢、薄铜板、镁合金组合后，安装在土质地基上，地基上铺设橡胶层，采用膨化硝铵混合炸药，电雷管远程引爆。本发明操作简单，经济，界面结合率99.8%，界面结合强度165~183Mpa，是制备不锈钢铜镁合金层状复合板的可行方法。
Description
技术领域
本发明属于复合板制备技术领域，尤其涉不锈钢-铜-镁复合板的爆炸焊接方法。
背景技术
镁合金固有的塑性变形能力低、表面缺口敏感性强、耐蚀性差等不足，使得镁合金相对于众多金属材料的应用是相当受限的。目前改善镁合金表面腐蚀性的方法有电镀、化学镀、热喷涂等方法来为镁合金表面添加金属涂层，提高镁合金基体的腐蚀性。上述操作复杂，不适合制造大面积的镁合金板材，且涂层薄，易脱落，涂层对镁合金基体的力学性能没有改善。
不锈钢是能够抵抗酸、碱、盐及其溶液与其它一些腐蚀介质腐蚀的一种高合金钢，造价低廉，是工业生产中应用最广泛的金属之一。不锈钢除优秀的耐蚀性外，还具有优良的机械强度、耐高温氧化性及韧性。鉴于不锈钢具有塑性高、抗腐蚀的特征，如果将镁合金与不锈钢结合制成层状复合板，不仅可以提高镁合金材料表面耐蚀性能，还可以提高镁合金基体材料的综合力学性能，满足材料的服役要求。这是拓宽镁合金板材应用的有效途径，具有重要的实用意义。
复合板制造主要有爆炸焊接和轧制两种方法，轧制连接对设备精度要求高，组坯复杂，制造成本高，且在轧制过程中，由于上下轧辊压力不同，容易造成轧制板受力不均匀，导致开裂。爆炸焊接法应用广泛，可实现多种金属双层和多层的组合，瞬间成形，结合强度高。由镁铁二元相图知道，镁铁元素熔点相差大，且二者溶解度为零，也无金属间化合物产生，因此用传统的爆炸焊接工艺很难实现二者的高强度结合。镁合金塑性差，也是实施爆炸焊接的难点。
发明目的
本发明的目的是针对背景技术的状况，通过焊前对镁合金材料的韧化处理，利用特定的爆炸焊接工艺，利用铜板作为过渡层，实现了冶金上难溶，熔点相差大的不锈钢与镁合金的连接，制成不锈钢铜镁合金复合板可提高镁合金基体表面耐蚀性和综合力学性能，本发明有助于扩大镁合金板的使用范围。
一种不锈钢-铜-镁合金复合板的爆炸焊接加工方法，其特征在于：使用不锈钢为复层，镁合金为基层，薄铜板为过渡层，使用膨化硝铵混合炸药做为爆炸能源。
一种不锈钢-铜-镁合金复合板的爆炸焊接加工方法，包括以下步骤：
（1）选择镁合金板和不锈钢板作为爆炸焊接的母材，并对镁合金退火韧化，退火温度为300℃，保温时间为120min；
（2）用角磨机将不锈钢板待结合界面、镁合金板待结合界面进行初打磨，然后用600目的砂纸进行精打磨，使待结合面粗糙度Ra不超过2μm；薄铜板上下表面用600目砂纸打磨，使薄铜板上下表面粗糙度不超过2μm；
（3）将打磨后的不锈钢板、薄铜板和镁合金板组对进行爆炸焊接：
ⅰ.在地面上面固定橡胶缓冲层；
ⅱ.将镁合金板放置在缓冲层上；
ⅲ.将铜质间隙柱垂直放置在镁合金板上面，铜质间隙柱之间的间距为100mm，铜质间隙柱高度为（1.5~3）×不锈钢板的厚度；
ⅳ.将薄铜板放置在铜质间隙柱上，薄铜板与镁合金板平行；
ⅴ.在薄铜板上面放置铜质间隙柱，铜质间隙柱之间的间距为100mm，铜质间隙柱高度为（1.5~3）×不锈钢板的厚度，铜质间隙柱与薄铜板保持垂直；
ⅵ.在薄铜板上放置不锈钢板，不锈钢板与镁合金板平行；
ⅶ.在不锈钢板上层表面及四周边缘均匀涂抹厚度为2mm的黄油；
ⅷ.将牛皮纸药框与不锈钢板四周边缘黄油粘结；
ⅸ. 黄油上面不等厚铺设一层炸药，起爆端炸药厚度大于爆炸结尾端炸药厚度；炸药层从起爆端到爆炸结束端平滑过渡；
ⅹ.将雷管插入炸药层，插入炸药层的雷管长度大于起爆端炸药厚度的二分之一，并在雷管周围5~10mm半径范围内添加5~8mg黑索金；
（4）将爆炸合成的不锈钢-铜-镁合金三层复合板进行退火处理，以10℃/秒的速度升温至退火温度200℃，保温时间60min，保温结束后，复合板随炉冷却，然后在矫平机上校平；
（5）用剪板机剪掉复合板四周未焊合区域，打磨不锈钢上表面侧残留的黄油，得到不锈钢-铜-镁合金三层复合板；
（6）不锈钢-铜-镁合金三层复合板的结合率是99.8%，拉剪强度为165~183Mpa，镁元素和铜元素之间互相发生扩散，铜元素和铁元素之间互相发生扩散；
所述铜质间隙柱为一块长度是20mm，宽度=铜质间隙柱的高度=（1.5~3）×不锈钢板的厚度，厚度是0.5mm的长方形板，在长方形板的长度方向弯曲若干折，弯曲角为100~120度；弯曲边与结合面接触。
所述镁合金板包括AZ31B镁合金板；
所述不锈钢板包括2205、316L、304不锈钢板；
所述薄铜板包括T2紫铜板；
所述镁合金板的长、宽尺寸均小于不锈钢板50mm；
所述镁合金板的长、宽尺寸均小于薄铜板板50mm；
所述薄铜板与不锈钢板大小相等；
所述炸药采用膨化硝铵炸药（硝酸铵85%、柴油3%、木屑8.5%、工业用盐3.5%），密度0.85g/cm3，爆炸速度2500~2700m/s。
本发明与现有技术相比，具有下述明显的技术先进性：
（1）不锈钢复在镁合金上，可有效改善镁合金表面易被腐蚀的特点，同时合成的复合板强度高于镁合金基体。
（2）添加铜层作为过渡层，实现了冶金上难溶，熔点相差很大的不锈钢和镁合金高效连接。过渡层与不锈钢、镁合金分别产生冶金结合，进而提高了复合板层间结合强度。
（3）应用爆炸焊接生产镁钢复合板相对于轧制加工而言，优势在于，基复板面积，厚度不受限制，爆炸焊接制成的复合板的板面尺寸，厚度可根据需要配置两种母材的组合比例。不受设备限制，制造成本低。三层板一次性爆炸成型，操作简便。
（4）爆炸前对镁合金板材进行退火韧化处理，防止爆炸过程镁合金脆裂。
（5）利用橡胶气垫缓冲，防止地面反冲力造成塑性差的镁合金板开裂。
（6）利用不等厚布药的焊接工艺，减少了复合板边缘未焊合区域的大小。
（7）显微组织观察界面处无气孔，裂纹等缺陷，界面结合牢固，界面拉剪强度165~183Mpa。
附图说明
图1是不锈钢-铜-镁合金复合板爆炸焊接装置示意图；
图中：1、土质地基，2、橡胶底座，3镁合金板，4第一层间隙柱，5、紫铜板，6第二层间隙柱，7、不锈钢板，8、黄油，9、药框，10、硝铵炸药，11、电雷管。
图2是爆炸焊接不锈钢-铜-镁合金复合板界面微观形貌；
图中:A、不锈钢层，B、铜层，C、镁合金层；
图3是不锈钢-铜-镁合金复合板界面位置铁、铜元素线扫描图；
图4是不锈钢-铜-镁合金复合板界面位置铜、镁元素线扫描图；
图5是本发明中间隙柱的弯曲边的形状图。
具体实施方式1
（1）选择AZ31B镁合金板和2205不锈钢板作为爆炸焊接的母材；T2紫铜板作为过渡层。
AZ31B镁合金板的规格是1050mmX600mmX3mm；
T2紫铜板的规格是1100 mmX650mmX0.5mm；
2205不锈钢板的规格是1100 mmX650mmX2mm;
爆炸焊接前，AZ31B镁合金板退火韧化，退火温度300℃，保温时间120min。
（2）采用机械打磨的方法，去除三种材料待结合界面的氧化层及杂质；
镁合金板和不锈钢板待结合面，采用安装砂轮片、钢丝刷的角磨机将不锈钢板和镁合金板待结合界面初打磨，然后用600目的砂纸精打磨，使待结合面粗糙度Ra不超过2μm。
紫铜板上下表面直接用600目砂纸打磨，表面粗糙度不超过2μm。打磨结束后，准备实施爆炸焊接。
（3）将处理好的不锈钢板、紫铜板和镁合金板组对进行爆炸焊接；
（4）爆炸焊接在土质地面上进行，周边30米半径内无其他物体，在土地上放置2000mm X2000mmX5mm的橡胶缓冲层，橡胶缓冲层与地面固定，缓冲层用来减少爆炸发生后，地面对复合板向上的冲击力。将基板镁合金板放置在缓冲层上；
（5）将铜质间隙柱放置在镁合金板待结合面上，间隙柱之间的间距为100mm，间隙柱采用铜薄片，间隙柱长20mm，厚是0.5mm，高是4mm，间隙柱与镁合金板保持垂直；
（6）将紫铜板放置在间隙柱上，紫铜板与镁合金板平行，在紫铜板上面放置铜质间隙柱，间隙柱之间的间距为100mm，间隙柱采用铜薄片，间隙柱长20mm，厚是0.5mm，高是4mm，间隙柱与紫铜板保持垂直；
（7）在紫铜板上面放置复层不锈钢板，不锈钢板与基板平行；
（8）在不锈钢板上表面及四周边的侧面涂抹黄油作为缓冲层，涂抹黄油厚度为2mm；
（9）将牛皮纸药框与黄油粘结。
（10）将膨化硝铵混合炸药以不等厚度铺在黄油上面，从起爆端到爆炸结束端铺设炸药厚度逐渐递减，起爆端炸药厚度为40mm，爆炸结尾端炸药厚度是30mm；炸药层从起爆端到爆炸结束端平滑过渡；
（11）将雷管安装在起爆端炸药边缘，雷管插入炸药深度为25mm，在雷管周围5~10mm半径范围内均匀添加5~8mg黑索金；雷管引线大于40米外。
（12）在远处，利用引爆器引爆雷管，炸药产生的高能冲击从复板传向过渡层在到基板，瞬间爆炸焊接完成。
炸药采用膨化硝铵炸药（硝酸铵85%、柴油3%、木屑8.5%、工业用盐3.5%），密度0.85g/cm3，爆炸速度2500~2700m/s。
（13）将爆炸合成的不锈钢-铜-镁合金三层复合板进行退火；为消除爆炸焊接后复合板残余应力，在电阻加热箱内进行退火处理，以10℃每秒的速度升温至退火温度200℃，保温时间60min；保温结束后，复合板随炉冷却；
（14）在矫平机上校平；
（15）用剪板机剪掉复合板四周未焊合区域，打磨不锈钢板上表面残留的黄油，得到不锈钢-铜-镁合金三层复合板；
（16）按照GB/T 7734-2015复合板超声波检验的要求对复合板进行探伤，探伤结果表明复合板结合率99.8%；
（17）根据GB/T6369-2008，测试复合板界面拉剪强度，界面的拉剪强度为180.0Mpa，对拉剪断裂界面进行面扫描分析，发现两断裂面的组成元素全部为铜，说明拉剪断裂沿铜过渡层断裂，说明界面结合强度高；
（18）利用扫面电镜SEM观察结合界面，界面结合完好，无气孔、裂纹等缺陷；
（19）利用EDS在界面附近做线扫面分析，镁元素和铜元素、铜元素和铁元素之间互相发生扩散，说明两种材料通过扩散反应实现了冶金结合。
具体实施方式2
（1）选择AZ31B镁合金板和316L不锈钢板作为爆炸焊接的母材；T2紫铜板作为过渡层。
AZ31B镁合金板的规格是650mmX450mmX8mm；
T2紫铜板的规格是700mmX500mmX0.5mm；
316L不锈钢板的规格是700mmX500mmX2mm；
爆炸焊接前，AZ31B镁合金板退火韧化，退火温度300℃，保温时间120min。
（2）采用机械打磨的方法，去除三种材料待结合界面的氧化层及杂质；
镁合金板和不锈钢板待结合面，采用安装砂轮片、钢丝刷的角磨机将不锈钢板和镁合金板待结合界面初打磨，然后用600目的砂纸精打磨，使待结合面粗糙度Ra不超过2μm。
紫铜板上下表面直接用600目砂纸打磨，表面粗糙度不超过2μm。打磨结束后，准备实施爆炸焊接。
（3）将处理好的不锈钢板、紫铜板和镁合金板组对进行爆炸焊接；
（4）爆炸焊接在土质地面上进行，周边30米半径内无其他物体，在土地上放置2000mm X2000mmX5mm的橡胶缓冲层，橡胶缓冲层与地面固定，缓冲层用来减少爆炸发生后，地面对复合板向上的冲击力。将基板镁合金板放置在缓冲层上；
（5）将铜质间隙柱放置在镁合金板待结合面上，间隙柱之间的间距为100mm，间隙柱采用铜薄片，间隙柱长20mm，厚是0.5mm，高是4mm，间隙柱与镁合金板保持垂直；
（6）将过渡层紫铜板放置在间隙柱上，紫铜板与镁合金板平行，在紫铜板上面放置铜质间隙柱，间隙柱之间的间距为100mm，间隙柱采用铜薄片，间隙柱长20mm，厚是0.5mm，高是4mm，间隙柱与紫铜板保持垂直；
（7）在紫铜板上面放置复层不锈钢板，不锈钢板与基板平行；
（8）在不锈钢板上表面及四周边的侧面涂抹黄油作为缓冲层，涂抹黄油厚度为2mm；
（9）将牛皮纸药框与黄油粘结。
（10）将膨化硝铵混合炸药以不等厚度铺在黄油上面，从起爆端到爆炸结束端铺设炸药厚度逐渐递减，起爆端炸药厚度为40mm，爆炸结尾端炸药厚度是30mm；炸药层从起爆端到爆炸结束端平滑过渡；
（11）将雷管安装在起爆端炸药边缘，雷管插入炸药深度为25mm，在雷管周围5~10mm半径范围内均匀添加5~8mg黑索金；雷管引线大于40米外。
（12）在远处，利用引爆器引爆雷管，炸药产生的高能冲击从复板传向过渡层在到基板，瞬间爆炸焊接完成。
炸药采用膨化硝铵炸药（硝酸铵85%、柴油3%、木屑8.5%、工业用盐3.5%），密度0.85g/cm3，爆炸速度2500~2700m/s。
（13）将爆炸合成的不锈钢-铜-镁合金三层复合板进行退火；为消除爆炸焊接后复合板残余应力，在电阻加热箱内进行退火处理，以10℃每秒的速度升温至退火温度200℃，保温时间60min；保温结束后，复合板随炉冷却；
（14）在矫平机上校平；
（15）用剪板机剪掉复合板四周未焊合区域，打磨不锈钢板上表面残留的黄油，得到不锈钢-铜-镁合金三层复合板；
（16）按照GB/T 7734-2015复合板超声波检验的要求对复合板进行探伤，探伤结果表明复合板结合率99.8%；
（17）根据GB/T6369-2008，测试复合板界面拉剪强度，界面的拉剪强度为165.0Mpa，对拉剪断裂界面进行面扫描分析，发现两断裂面的组成元素全部为铜，说明拉剪断裂沿铜过渡层断裂，说明界面结合强度高；
（18）利用扫面电镜SEM观察结合界面，界面结合完好，无气孔、裂纹等缺陷；
（19）利用EDS在界面附近做线扫面分析，镁元素和铜元素、铜元素和铁元素之间互相发生扩散，说明两种材料通过扩散反应实现了冶金结合。
具体实施方式3
（1）选择AZ31B镁合金板和304不锈钢板作为爆炸焊接的母材；T2紫铜板作为过渡层。
AZ31B镁合金板的规格是700mmX450mmX8mm；
T2紫铜板的规格是750mmX500mmX1mm；
304不锈钢板的规格是750mmX500mmX3mm；
爆炸焊接前，AZ31B镁合金板退火韧化，退火温度300℃，保温时间120min。
（2）采用机械打磨的方法，去除三种材料待结合界面的氧化层及杂质；
镁合金板和不锈钢板待结合面，采用安装砂轮片、钢丝刷的角磨机将不锈钢板和镁合金板待结合界面初打磨，然后用600目的砂纸精打磨，使待结合面粗糙度Ra不超过2μm。
紫铜板上下表面直接用600目砂纸打磨，表面粗糙度不超过2μm。打磨结束后，准备实施爆炸焊接。
（3）将处理好的不锈钢板、紫铜板和镁合金板组对进行爆炸焊接；
（4）爆炸焊接在土质地面上进行，周边30米半径内无其他物体，在土地上放置2000mm X2000mmX5mm的橡胶缓冲层，橡胶缓冲层与地面固定，缓冲层用来减少爆炸发生后，地面对复合板向上的冲击力。将基板镁合金板放置在缓冲层上；
（5）将铜质间隙柱放置在镁合金板待结合面上，间隙柱之间的间距为100mm，间隙柱采用铜薄片，间隙柱长20mm，厚是0.5mm，高是5mm，间隙柱与镁合金板保持垂直；
（6）将过渡层紫铜板放置在间隙柱上，紫铜板与镁合金板平行，在紫铜板上面放置铜质间隙柱，间隙柱之间的间距为100mm，间隙柱采用铜薄片，间隙柱长20mm，厚是0.5mm，高是4mm，间隙柱与紫铜板保持垂直；
（7）在紫铜板上面放置复层不锈钢板，不锈钢板与基板平行；
（8）在不锈钢板上表面及四周边的侧面涂抹黄油作为缓冲层，涂抹黄油厚度为2mm；
（9）将牛皮纸药框与黄油粘结。
（10）将膨化硝铵混合炸药以不等厚度铺在黄油上面，从起爆端到爆炸结束端铺设炸药厚度逐渐递减，起爆端炸药厚度为45mm，爆炸结尾端炸药厚度是30mm；炸药层从起爆端到爆炸结束端平滑过渡；
（11）将雷管安装在起爆端炸药边缘，雷管插入炸药深度为30mm，在雷管周围5~10mm半径范围内均匀添加5~8mg黑索金；雷管引线大于40米外。
（12）在远处，利用引爆器引爆雷管，炸药产生的高能冲击从复板传向过渡层在到基板，瞬间爆炸焊接完成。
炸药采用膨化硝铵炸药（硝酸铵85%、柴油3%、木屑8.5%、工业用盐3.5%），密度0.85g/cm3，爆炸速度2500~2700m/s。
（13）将爆炸合成的不锈钢-铜-镁合金三层复合板进行退火；为消除爆炸焊接后复合板残余应力，在电阻加热箱内进行退火处理，以10℃每秒的速度升温至退火温度200℃，保温时间60min；保温结束后，复合板随炉冷却；
（14）在矫平机上校平；
（15）用剪板机剪掉复合板四周未焊合区域，打磨不锈钢板上表面残留的黄油，得到不锈钢-铜-镁合金三层复合板；
（16）按照GB/T 7734-2015复合板超声波检验的要求对复合板进行探伤，探伤结果表明复合板结合率99.8%；
（17）根据GB/T6369-2008，测试复合板界面拉剪强度，界面的拉剪强度为183.0Mpa，对拉剪断裂界面进行面扫描分析，发现两断裂面的组成元素全部为铜，说明拉剪断裂沿铜过渡层断裂，说明界面结合强度高；
（18）利用扫面电镜SEM观察结合界面，界面结合完好，无气孔、裂纹等缺陷；
（19）利用EDS在界面附近做线扫面分析，镁元素和铜元素、铜元素和铁元素之间互相发生扩散，说明两种材料通过扩散反应实现了冶金结合。
本发明所述间隙柱为一块长度是10mm，宽度=铜质间隙柱的高度=（1.5~3）×不锈钢板的厚度，厚度是0.5mm的长方形板，在长方形板的长度方向弯曲若干折，弯曲成图5所示的弯曲边，弯曲角为100~120度；弯曲边与结合面接触。
本发明所述的99.8%界面结合率是去掉边缘未结合区域后的结合率。
Claims (2)
1.一种不锈钢-铜-镁合金复合板的爆炸焊接加工方法，使用不锈钢为复层，镁合金为基层，薄铜板为过渡层，使用膨化硝铵混合炸药作为爆炸能源；其特征在于：包括以下步骤：
（1）选择镁合金板和不锈钢板作为爆炸焊接的母材，并对镁合金退火韧化，退火温度为300℃，保温时间为120min；
（2）用角磨机将不锈钢和镁合金板待结合界面进行初打磨，然后用600目的砂纸进行精打磨，使待结合面粗糙度Ra不超过2μm；薄铜板上下表面用600目砂纸打磨，使薄铜板上下表面粗糙度不超过2μm；
（3）将打磨后的不锈钢板、薄铜板和镁合金板组对进行爆炸焊接：
ⅰ.在地面上面固定橡胶缓冲层；
ⅱ.将镁合金板放置在橡胶缓冲层上；
ⅲ.将铜质间隙柱垂直放置在镁合金板上面，铜质间隙柱之间的间距为100mm，铜质间隙柱高度为（1.5~3）×不锈钢板的厚度；
ⅳ.将薄铜板放置在铜质间隙柱上，薄铜板与镁合金板平行；
ⅴ.在薄铜板上面放置铜质间隙柱，铜质间隙柱之间的间距为100mm，铜质间隙柱高度为（1.5~3）×不锈钢板的厚度，铜质间隙柱与薄铜板保持垂直；
ⅵ.在薄铜板上放置不锈钢板，不锈钢板与镁合金板平行；
ⅶ.在不锈钢板上层表面及四周边缘均匀涂抹厚度为2mm的黄油；
ⅷ.将牛皮纸药框与不锈钢板四周边缘用黄油粘结；
ⅸ. 黄油上面不等厚铺设一层炸药，起爆端炸药厚度大于爆炸结尾端炸药厚度；炸药层从起爆端到爆炸结尾端平滑过渡；
ⅹ.将雷管插入炸药层，插入炸药层的雷管长度大于起爆端炸药厚度的二分之一，并在雷管周围5~10mm半径范围内添加5~8mg黑索金；
（4）将爆炸合成的不锈钢-铜-镁合金三层复合板进行退火处理，以10℃/秒的速度升温至退火温度200℃，保温时间60min，保温结束后，复合板随炉冷却，然后在矫平机上校平；
（5）用剪板机剪掉复合板四周未焊合区域，打磨不锈钢上表面侧残留的黄油，得到不锈钢-铜-镁合金三层复合板；
（6）不锈钢-铜-镁合金三层复合板的结合率是99.8%，拉剪强度为165~183Mpa，镁元素和铜元素之间互相发生扩散，铜元素和铁元素之间互相发生扩散；
所述铜质间隙柱为一块长度是20mm，宽度=（1.5~3）×不锈钢板的厚度，厚度是0.5mm的长方形薄片，在长方形薄片的长度方向弯曲若干折，弯曲角为100~120度；弯曲边与结合面接触。
2.根据权利要求1所述一种不锈钢-铜-镁合金复合板的爆炸焊接加工方法，其特征在于：镁合金板为AZ31B镁合金板，不锈钢板为2205不锈钢板；AZ31B镁合金板的规格是1050mmX600mmX3mm；薄铜板的规格是1100 mmX650mmX0.5mm；2205不锈钢板的规格是1100mmX650mmX2mm。
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