CN107627019A - 一种钛‑纯铝‑铝合金复合板的爆炸焊接成型方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种钛‑纯铝‑铝合金复合板的爆炸焊接成型方法。所述钛‑纯铝‑铝合金复合板的爆炸焊接成型方法是针对钛板、铝板、铝合金板的性能要求而进行的爆炸焊接成型，采用铵油炸药，在地面砂粒基座上进行远距离瞬时爆炸焊接成型。与相关技术相比，本发明提供的钛‑纯铝‑铝合金复合板的爆炸焊接成型方法速度快、界面结合牢固、界面剪切强度好、结合率高，钛‑纯铝‑铝合金复合板的剪切强度达23OMPa，爆炸焊接结合率为99％，可控性好，焊接过程安全可靠，是制备钛‑纯铝‑铝合金复合板的可靠有效方法。

Description

一种钛-纯铝-铝合金复合板的爆炸焊接成型方法

技术领域

本发明属于有色金属材料板材加工与制造技术领域，尤其涉及一种钛-纯铝-铝合金复合板的爆炸焊接成型方法。

背景技术

钛-纯铝-铝合金爆炸焊接复合板是一种新型三层金属结构复合材料，其集钛、铝、铝合金优点于一身，既具有钛优良的耐腐蚀性，又具有铝的密度低、导电和导热性能好、易于加工成型、价格低廉等优点。将该复合板应用于航空航天等飞行器设备的蒙皮，不但解决了以往钢材飞行器蒙皮易被腐蚀的问题，还解决了用飞行器设备一直追求的轻质、高耐腐蚀、高耐磨、高强度、高刚度等难题。然而，由于钛与铝元素物理、化学特性不同，其复合方式难度较大。爆炸焊接复合工艺是通过炸药爆轰波的瞬时高压、高温作用，推动复板作用于基板，使其达到固相连接和冶金结合，其中爆炸焊接适用于同种或异种金属的连接；爆炸复合板的尺寸和形状规格不受设备限制；爆炸成型的复合材料具有很高的结合强度和再加工性能，但在爆炸成型过程中还存在诸多弊端，还有待进一步改进。

发明内容

本发明的目的是，针对背景技术的状况，采用钛板、纯铝板、铝合金板为原材料，增加一个过渡层纯铝板，使用铵油炸药，进行爆炸叠加成型焊接，一次成型，制成钛-纯铝-铝合金复合板，加强复合效果。

本发明提供一种钛-纯铝-铝合金复合板的爆炸焊接成型方法，使用的化学物质材料为钛板、纯铝板、铝合金板、铵油炸药、雷管、引线、铝箔片、黄油、砂纸、沙粒和无水乙醇，其包括：

步骤一，确认铝合金板为基板，铝板为中间板，钛板为复板，打磨基板、中间板和复板的待焊接表面，其中：

步骤1.1，将钛板置于钢质平板上，用砂纸打磨正反面及周围，使表面光洁平整，然后用无水乙醇擦洗正反表面及周边，使其洁净；

步骤1.2，将铝板置于钢质平板上，用砂纸打磨正反面及周围，使表面光洁平整，然后用无水乙醇擦洗正反表面及周边，使其洁净；

步骤1.3，将铝合金板置于钢质平板上，用砂纸打磨正反面及周围，使表面光洁平整，然后用无水乙醇擦洗正反表面及周边，使其洁净；

步骤二，卷制间隙柱，将铝箔片置于钢质平板上，用夹钳卷将铝箔片卷制成圆筒状，数量为多个；

步骤三，在平整土质地面进行工艺配置安装，其中：

步骤3.1，选择一块空旷平整的土质地面；

步骤3.2，在平整的土质地面中间位置堆积砂粒，所述砂粒堆积的形状呈阶梯状；

步骤3.3，将基板平整置于砂粒顶部，并与砂粒和地面平行；

步骤3.4，将多个间隙柱等间距置放于基板的周边端部，且与基板保持垂直；

步骤3.5，将中间板平行置放于间隙柱铝箔片上，并与基板保持平行；

步骤3.6，将多个间隙柱等间距置放于中间板的周边端部，且与中间板保持垂直；

步骤3.7，将复板平行置放于间隙柱上铝箔片，并与基板和中间板保持平行；

步骤3.8，在复板上部涂覆缓冲保护层黄油；

步骤3.9，预制矩形药框，并将该矩形框平行置放在黄油层上部，并与黄油粘连，以使复板上部的铵油炸药与空气隔绝；将铵油炸药均匀置于药框内，在布药过程中用钢板尺监测炸药厚度，并保证铺置的药层厚度均匀；

步骤3.10，在药框内铵油炸药角部安装雷管，并固牢；将雷管引线接出爆炸现场保持爆炸安全距离；

步骤四，爆炸成型，其中：

步骤4.1，用电雷管引爆器通过引线引爆电雷管，铵油炸药瞬时发生爆炸；

步骤4.2，炸药爆炸产生的爆炸冲击波瞬间冲击中间板，再次传递冲击复板，复板向中间板和基板高速运动，使间隙柱向周边飞出，复板，中间板和基板发生强烈碰撞接触，使复板与中间板，基板在瞬间完成焊接，形成钛-纯铝-铝合金复合板。

本发明与背景技术相比具有明显的先进性，是针对钛板、铝板、铝合金板的性能要求而进行的爆炸焊接成型，增加一个过渡层纯铝板，采用铵油炸药，在地面砂粒上进行瞬时爆炸焊接成型，此爆炸焊接方法成型速度快、界面结合牢固、界面剪切强度好、结合率高、可控性好，钛-纯铝-铝合金复合板的三层界面剪切强度达230MPa，爆炸焊接结合程度为99％，焊接过程安全可靠，是制备钛-纯铝-铝合金复合板的可靠有效方法。

附图说明

图1是本发明钛-纯铝-铝合金复合板爆炸焊接成型状态图；

图2是本发明钛-纯铝-铝合金复合板爆炸焊接成型后结合界面金相组织图。

图中所示，附图标记清单如下：

1、电雷管引爆器，2、屏蔽电缆，3、电雷管，4、铰油炸药，5、炸药框架，6、黄油缓冲保护层，7、钦合金复板，8、第二层间隙柱，9、铝合金中间板，10、第一层间隙柱，11、钛基板，12、砂粒基座，13、土质地面

具体实施方式

以下将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

本发明提供的一种钛-纯铝-铝合金复合板的爆炸焊接成型方法，使用的化学物质材料为钛板、纯铝板、铝合金板、铵油炸药、雷管、引线、铝箔片、黄油、砂纸、沙粒和无水乙醇，其组合准备用量如表1所示：

表1化学物质材料组合用量配比

钛板：TAl	500mm×300mm×1mm
		纯铝板：Al1060	550mm×350mm×1mm
铝合金板：Al5020	550mm×350mm×6mm
		铵油炸药：	2060g±50g
雷管：电雷管	直径6mm×40mm
		引线：屏蔽电缆	50000mm
铝箔片：Al	10mm×6m×0.5mm 15块
		黄油：通用锂基脂黄油	400mL±5mL
砂纸：碳化硅、500钼	200mm×200mm×0.5mm 10张
		砂粒：河沙	200000g±100g
无水乙醇：C2H6O	1000mL±50mL

上表中，爆炸成型焊接使用的化学物质的量值是按预先设置的范围确定的，以克、毫米、毫升为计量单位。

所述铵油炸药为固态粉末体，其组成为硝酸铵90％、柴油7％和木粉3％均匀混合而成，其爆炸速度2300～2800m/s，密度0.89g/cm3，爆炸力2000～2300MPa。

具体步骤如下：

步骤一，确认铝合金板为基板，铝板为中间板，钛板为复板，打磨基板、中间板和复板的待焊接表面，其中：

步骤1.1，将钛板置于钢质平板上，用砂纸打磨正反面及周围，使表面光洁平整，表面粗糙度都为1.25-2.5μm，然后用无水乙醇擦洗正反表面及周边，使其洁净；

步骤1.2，将铝板置于钢质平板上，用砂纸打磨正反面及周围，使表面光洁平整，表面粗糙度都为1.25-2.5μm，然后用无水乙醇擦洗正反表面及周边，使其洁净；

步骤1.3，将铝合金板置于钢质平板上，用砂纸打磨正反面及周围，使表面光洁平整，表面粗糙度都为1.25-2.5μm，然后用无水乙醇擦洗正反表面及周边，使其洁净。

步骤二，用夹钳卷将铝箔片卷制成直径为Φ8mm，壁厚0.5mm的圆筒状，长度为6mm的数量为六块，尺寸一致；长度为1.5mm的数量为六块，尺寸一致，其中基板与中间板放置为长度为1.5mm的铝箔片，中间板与复板之间放置长度为6mm的铝箔片。

步骤三，在平整土质地面进行工艺配置安装，其中：

步骤3.1，选择一块空旷平整的土质地面，地面呈矩形，尺寸为6000mm×3000mm(长×宽)，周边10m处不得有物体；

步骤3.2，在平整的土质地面中间位置堆积砂粒，底部尺寸为700mm×400mm，顶部平面尺寸为650mm×350mm，砂粒高度为600mm，成阶梯状；

步骤3.3，将基板平整置于砂粒顶部，并与砂粒和地面平行；

步骤3.4，将长1.5mm的间隙柱等间距置放于基板的周边端部，且与基板保持垂直；

步骤3.5，将中间板平行置放于间隙柱铝箔片上，并与基板保持平行；

步骤3.6，将长6mm的间隙柱等间距置放于中间板的周边端部，且与中间板保持垂直；

步骤3.7，将复板平行置放于间隙柱上铝箔片，并与基板和中间板保持平行；

步骤3.8，在复板上部涂覆缓冲保护层黄油，所述黄油的厚度为1mm；

步骤3.9，预制矩形药框，并将该矩形框平行置放在黄油层上部，并与黄油粘连，以使复板上部的铵油炸药与空气隔绝；将铵油炸药均匀置于药框内，在布药过程中用钢板尺监测炸药厚度，并保证铺置的药层厚度均匀；

步骤3.10，在药框内铵油炸药角部安装雷管，并固牢；将雷管引线接出爆炸现场50m处，为爆炸安全距离；爆炸现场及周边保持干燥，相对湿度＜10％。

步骤四，爆炸成型，其中：

步骤4.1，用电雷管引爆器通过引线引爆电雷管，铵油炸药瞬时发生爆炸；

步骤4.2，炸药爆炸产生的爆炸冲击波瞬间冲击中间板，再次传递冲击复板，复板向中间板和基板高速运动，使间隙柱向周边飞出，复板，中间板和基板发生强烈碰撞接触，使复板与中间板，基板在瞬间完成焊接，形成钛-纯铝-铝合金复合板。

步骤五，将爆炸焊接后的现场进行清理，清除砂粒，保存爆炸成型的钛-纯铝-铝合金复合板。

步骤六，将爆炸成型的钛-纯铝-铝合金复合板用超声波探伤仪测定爆炸焊接的结合程度，超声波频率2.5MHZ，爆炸焊接结合程度为99％。

步骤七，机械切割钛-纯铝-铝合金复合板，将复合板置于钢质平板上，用机械切割周边，成规则形状；将切割后的矩形钛-纯铝-铝合金复合板用砂纸打磨正反表面及周边，使正反表面及周边光洁。

步骤八，将打磨后的钛-纯铝-铝合金复合板置于回火炉中，回火温度350℃±5℃，回火时间2h，以消除内应力及结合表面缺陷；中温回火后关闭回火炉，然后随炉冷却至25℃。

步骤九，将回火后的钛-纯铝-铝合金复合板用砂纸打磨表面及周边各部氧化层，然后用无水乙醇擦洗表面及周边各部，使其洁净。

步骤十，对爆炸焊接成型后的钛-纯铝-铝合金复合板的形貌，界面金相组织，结合强度进行检测、分析和表征；用光学显微镜进行金相组织分析；用扫描电镜进行界面元素扩散分析；用电子万能试验机进行结合强度测试。

如图1所示，为本发明钛-纯铝-铝合金复合板爆炸焊接成型状态图，各部位置要正确，按量配制，按序操作。

钛-纯铝-铝合金复合板的爆炸焊接成型是在空旷的土质地面上进行的，是在砂粒基础上置放钛基板、间隙柱、铝合金中间板、间隙柱、钦合金复板、黄油缓冲保护层、炸药框架、铰油炸药、电雷管、屏蔽电缆、电雷管引爆器，是在铵油炸药的爆炸下瞬时完成的；

土质地面13为矩形，周边尺寸为6000mmx3000mm，地面平整；在土质地面13的上部为砂粒基座12，砂粒基座12厚度为600mm，长度700mm，宽度400mm，呈矩形，由砂粒堆积而成；在砂粒基座12的上部水平放置钛基板11，在钛基板H上部等间距放置6块第一层间隙柱10；在第一层间隙柱10上部平行置放铝合金中间板9，在铝合金中间板9上部置放第二层间隙柱8，在第二层间隙柱8上平行置放钦合金复板7，在钦合金复板7上部均匀涂覆黄油缓冲保护层6，黄油缓冲保护层6厚度为mm，在黄油缓冲保护层6上部平整置放炸药框架5，在炸药框架5内均匀置放铵油炸药4，在铰油炸药4的左角部置放电雷管3，电雷管3连接屏蔽电缆2，屏蔽电缆2连接电雷管引爆器1，屏蔽电缆2长度为50m。

如图2所示，为本发明钛-纯铝-铝合金复合板爆炸焊接成型后结合界面金相组织图，由图可知，结合界面发生剧烈的塑性变形，无过度熔化及分层现象，钛、纯铝及铝合金金属紧密结合在一起。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (9)

1.一种钛-纯铝-铝合金复合板的爆炸焊接成型方法，其特征在于，使用的化学物质材料为钛板、纯铝板、铝合金板、铵油炸药、雷管、引线、铝箔片、黄油、砂纸、沙粒和无水乙醇，其包括：

步骤一，确认铝合金板为基板，铝板为中间板，钛板为复板，打磨基板、中间板和复板的待焊接表面，其中：

步骤1.1，将钛板置于钢质平板上，用砂纸打磨正反面及周围，使表面光洁平整，然后用无水乙醇擦洗正反表面及周边，使其洁净；

步骤1.2，将铝板置于钢质平板上，用砂纸打磨正反面及周围，使表面光洁平整，然后用无水乙醇擦洗正反表面及周边，使其洁净；

步骤1.3，将铝合金板置于钢质平板上，用砂纸打磨正反面及周围，使表面光洁平整，然后用无水乙醇擦洗正反表面及周边，使其洁净；

步骤二，卷制间隙柱，将铝箔片置于钢质平板上，用夹钳卷将铝箔片卷制成圆筒状，数量为多个；

步骤三，在平整土质地面进行工艺配置安装，其中：

步骤3.1，选择一块空旷平整的土质地面；

步骤3.2，在平整的土质地面中间位置堆积砂粒，所述砂粒堆积的形状呈阶梯状；

步骤3.3，将基板平整置于砂粒顶部，并与砂粒和地面平行；

步骤3.4，将多个间隙柱等间距置放于基板的周边端部，且与基板保持垂直；

步骤3.5，将中间板平行置放于间隙柱铝箔片上，并与基板保持平行；

步骤3.6，将多个间隙柱等间距置放于中间板的周边端部，且与中间板保持垂直；

步骤3.7，将复板平行置放于间隙柱上铝箔片，并与基板和中间板保持平行；

步骤3.8，在复板上部涂覆缓冲保护层黄油；

步骤3.9，预制矩形药框，并将该矩形框平行置放在黄油层上部，并与黄油粘连，以使复板上部的铵油炸药与空气隔绝；将铵油炸药均匀置于药框内，在布药过程中用钢板尺监测炸药厚度，并保证铺置的药层厚度均匀；

步骤3.10，在药框内铵油炸药角部安装雷管，并固牢；将雷管引线接出爆炸现场保持爆炸安全距离；

步骤四，爆炸成型，其中：

步骤4.1，用电雷管引爆器通过引线引爆电雷管，铵油炸药瞬时发生爆炸；

步骤4.2，炸药爆炸产生的爆炸冲击波瞬间冲击中间板，再次传递冲击复板，复板向中间板和基板高速运动，使间隙柱向周边飞出，复板，中间板和基板发生强烈碰撞接触，使复板与中间板，基板在瞬间完成焊接，形成钛-纯铝-铝合金复合板。

2.根据权利要求1所述的钛-纯铝-铝合金复合板的爆炸焊接成型方法，其特征在于，所述铵油炸药为固态粉末体，其组成为硝酸铵90％、柴油7％和木粉3％均匀混合而成，其爆炸速度2300～2800m/s，密度0.89g/cm3，爆炸力2000～2300MPa。

3.根据权利要求1所述的钛-纯铝-铝合金复合板的爆炸焊接成型方法，其特征在于，在步骤1.1中的钛板打磨、步骤1.2中的铝板打磨和步骤1.3中的铝合金板打磨的表面粗糙度都为1.25-2.5μm。

4.根据权利要求1所述的钛-纯铝-铝合金复合板的爆炸焊接成型方法，其特征在于，在步骤二中用夹钳卷将铝箔片卷制成直径为Φ8mm，壁厚0.5mm的圆筒状，长度为6mm的数量为六块，尺寸一致；长度为1.5mm的数量为六块，尺寸一致，其中基板与中间板放置为长度为1.5mm的铝箔片，中间板与复板之间放置长度为6mm的铝箔片。

5.根据权利要求1所述的钛-纯铝-铝合金复合板的爆炸焊接成型方法，其特征在于，在步骤3.2中的阶梯状尺寸为：底部尺寸长度6000mm，宽度3000mm，顶部平面尺寸为650mm×350mm，高度600mm。

6.根据权利要求1所述的钛-纯铝-铝合金复合板的爆炸焊接成型方法，其特征在于，在步骤3.8中的所述黄油层厚度为1mm。

7.根据权利要求1所述的钛-纯铝-铝合金复合板的爆炸焊接成型方法，其特征在于，在步骤3.10中爆炸安全距离为50m周边，该范围的相对湿度＜10％。

8.根据权利要求1所述的钛-纯铝-铝合金复合板的爆炸焊接成型方法，其特征在于，还包括：

步骤五，将爆炸焊接后的现场进行清理，清除砂粒，保存爆炸成型的钛-纯铝-铝合金复合板；

步骤六，将爆炸成型的钛-纯铝-铝合金复合板用超声波探伤仪测定爆炸焊接的结合程度，超声波频率2.5MHZ，爆炸焊接结合程度为99％；

步骤七，机械切割钛-纯铝-铝合金复合板，将复合板置于钢质平板上，用机械切割周边，成规则形状；将切割后的矩形钛-纯铝-铝合金复合板用砂纸打磨正反表面及周边，使正反表面及周边光洁；

步骤八，将打磨后的钛-纯铝-铝合金复合板置于回火炉中，回火温度350℃±5℃，回火时间2h，以消除内应力及结合表面缺陷；中温回火后关闭回火炉，然后随炉冷却至25℃。

9.根据权利要求8所述的钛-纯铝-铝合金复合板的爆炸焊接成型方法，其特征在于，还包括：

步骤九，将回火后的钛-纯铝-铝合金复合板用砂纸打磨表面及周边各部氧化层，然后用无水乙醇擦洗表面及周边各部，使其洁净；

步骤十，对爆炸焊接成型后的钛-纯铝-铝合金复合板的形貌，界面金相组织，结合强度进行检测、分析和表征；用光学显微镜进行金相组织分析；用扫描电镜进行界面元素扩散分析；用电子万能试验机进行结合强度测试。