CN108857035A - Ta（1－18）／5系铝合金／ta（1－18）复合板材及焊接方法 - Google Patents
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Abstract
为了解决钛和高强铝合金复合板在单面或双面爆炸焊接过程中铝合金易产生脆裂或界面脱层的技术难题，本发明以界面结合能最小原理、窗口法则、极限法则为理论原则，构建并计算了TA(1‑18)/5系铝合金/TA(1‑18)的下限焊接动态及静态参数窗口，综合运用稀疏波边界效应消除技术、铝合金板防变形脆裂控制技术及消除TA(1‑18)/5系铝合金/TA(1‑18)单面或双面复合板爆炸应力退火工艺参数，试验得到了TA(1‑18)/5系铝合金‑TA(1‑18)焊合率为100％的高强度双面复合材料及成套焊接工艺参数方法，成功实现了TA(1‑18)/5系铝合金复合材料的一次爆炸焊接，为轻质高强度高耐蚀复合材料的应用提供了技术方案和工艺方法。
Description
技术领域
本发明涉及的是TA(1-18)/5系铝合金/TA(1-18)双面复合板材及焊接方法，属于金属复合材料制造及爆炸焊接等综合技术领域。TA(1-18)主要是指TA1、TA2、TA3、TA9、TA10和TA18等钛板，5系铝合金主要指铝镁合金板。
背景技术
文献1(CN201710996331.9)公开了一种钛-纯铝-铝合金复合板的爆炸焊接成型方法。由于钛和铝合金结合难度大，铝合金在爆炸焊接尤其是二次爆炸过程中易产生脆裂和脱层，该发明采用纯铝作为过渡层，实现了钛-铝合金复合板的爆炸焊接，其本质实现的仍是钛和纯铝的爆炸焊接。文献2(CN201710376201.5)公开了一种钛-铝-钛双立爆炸焊接三层复合材料。运用双立爆炸焊接方法制造了钛-铝-钛三层复合材料，节省了2/3炸药，但仍然是钛和纯铝的爆炸焊接。文献3(CN201611176536.4)公开了一种层状高强轻质钛铝复合板及其制备方法，发明了LY12铝合金基层和TA18钛合金复层的制备方法，该发明主要针对TA18和LY12(厚度比为1∶2)厚板的爆炸焊接，再进行冷轧加工成型，但仍未解决钛和高强铝合金复合薄板的双面爆炸焊接问题。
综上所述，为了解决钛和高强铝合金复合薄板在单面或双面爆炸焊接过程中铝合金易产生脆裂或界面脱层的技术难题，本发明以界面结合能最小原理、窗口法则、极限法则为理论原则，构建并计算了TA(1-18)/5系铝合金/TA(1-18)的下限焊接动态及静态参数窗口，综合运用稀疏波边界效应消除技术、铝合金板防变形脆裂控制技术及消除TA(1-18)/5系铝合金/TA(1-18)单面或双面复合板爆炸应力退火工艺参数，试验得到了TA(1-18)/5系铝合金-TA(1-18)复合板材及成套焊接工艺参数方法。
发明内容
TA(1-18)/5系铝合金/TA(1-18)实现爆炸焊接所需的能量E存在一个下限值，即界面结合能最小值Emin，当E＝Emin时，基复板碰撞速度达到下限值Vpmin。若Vp＜Vpmin，则基复板无法实现任意形式的结合。爆炸焊接中，金属射流由复板流和基板流组成，即结合界面处的两种金属必须都达到流动状态。因此碰撞点附近的压力必须大于使金属产生塑性变形的压力P。
式中，--材料密度；D--炸药爆速；Vs--材料体积声速；λ--线性系数。对于钛-铝异种金属爆炸焊接，P值应取两种材料中的较大值。根据公式(2)可得两种材料达到流动状态所需的碰撞速度最低值Vpmin1、Vpmin2；根据公式(1)可得两种材料的最小压力值Pmin1、Pmin2。
Pmin＝Max(Pmin1，Pmin2) (3)
联立公式(1)、(2)可得
由式(3)和式(4)可求得基复板材料的碰撞速度u1、u2。考虑体积声速Vs对碰撞速度求解可得u1、u2如下：
针对TA(1-18)/5系铝合金/TA(1-18)，可求得碰撞速度下限Vpmin＝293m/s。同样，根据Vaiddyanathan等爆炸焊接热传导理论，可以计算TA(1-18)/5系铝合金碰撞速度上限Vpmax＝2317m/s。
装药厚度δ、基复板间距s、炸药爆速D是直接决定爆炸焊接质量的三个静态工艺参数。根据建立的钛-铝动态参数窗口的边界条件，以界面结合能最小原理、窗口法则、极限法则为理论原则，根据焊接动态参数窗口，碰撞速度下限Vpmin＝293m/s，碰撞速度上限Vpmax＝2317m/s，结合下限质量比Rmin、上限质量比Rmax以及临界药厚质量比R0这三个边界条件，可构建并计算钛-铝合金爆炸焊接装药质量比与复板厚度的R-δf静态参数窗口。
长期的爆炸焊接生产表明，异种金属复合板的装药厚度在装药质量比下限Rmin附近取值时，结合质量最佳，符合装药厚度下限法则。装药质量比R为单位面积上炸药质量与复板质量之比，如公式8所示，因此复板厚度δf越大，装药质量比R越小。
上式ρ0、δ0分别是炸药的密度和厚度，ρf、δf分别是复板的密度和厚度。Wylie HK等提出基复板碰撞速度模型，认为单位面积上的界面结合能与碰撞速度密切相关，体现了最小作用量原理，并研究得出复板厚度δf与基复板碰撞速度下限Vpmin之间的函数关系：
根据爆炸焊接用粉状乳化炸药的爆轰特性公式以及复板的一维格尼运动公式有：
式中，γ--炸药有效多方指数；D--炸药临界爆速；R0--临界起爆厚度下的装药质量比；k0--炸药特性常数。
令Vp＝Vpmin，将公式(9)、(10)、(11)联立可得装药厚度下限参数：
基复板碰撞速度随着装药厚度的增加而迅速上升，过高的碰撞速度将产生最小界面结合能以外多余的能量，使结合界面发生过度熔化，复合板整体塑性变形、开裂、灼伤等，严重影响界面结合质量和复合板外观。当装药厚度超过上限时，界面熔化现象极为严重，强度极大的拉伸波从地基反射回到结合界面，将处于熔融状态的金属彻底拉开，导致焊接失效。因此装药量上限Rmax的控制能够减小界面熔化的程度。
同理，联立公式(10)、(11)可得装药厚度上限参数：
根据钛-铝合金R-δf静态参数窗口，结合极限法则，可快速准确地选取不同复板厚度下的装药厚度，使钛-铝合金爆炸焊接结合界面质量达到最佳，可实现爆炸焊接的最大复板厚度δmax约为20mm。
目前爆炸焊接一般采用粉状乳化炸药，添加60％石英砂(60#粉状乳化炸药)，其密度控制炸药爆速D≈1200m/s，有效多方指数γ＝1.8，结合上述边界条件构建TA(1-18)/5系铝合金的R-δf静态参数窗口，根据上述R-δf型静态参数窗口，由装药质量比根据炸药的密度ρ0，复板的密度和厚度ρf、δf，计算可得下限装药厚度参数δ0＝(13.1～14.7)δf；两板间距s＝(2.7～4)δf。当复板TA(1-18)厚度δf＝1.5mm时，δ0＝19.7～22.1mm；基复板间距4～6mm。为消除稀疏波边界效应，复板尺寸和装药面积在起爆端增加2δ0、在两侧和尾端分别增加(0.8～1)δ0、(1.5～2)δ0；为提高TA(1-18)复板和基板5系铝合金之间的结合强度以及消除基板5系铝合金的脆裂，在基板4和地基6之间设置厚度为10～20mm纤维防护板。
碰撞速度上限Vpmax＝2317m/s，由装药质量比复合板TA(1-18)/5系铝合金一次爆炸焊接后进行消除爆炸应力退火处理，退火温度为350～400℃，随炉冷却后进行校平和表面处理，再进行二次爆炸，二次爆炸焊接参数60#粉状乳化炸药，焊接参数取上述一次爆炸参数的最下限值，消除TA(1-18)/5系铝合金/TA(1-18)双面复合板爆炸应力退火工艺参数参考单面复合板退火参数。经过两次爆炸焊接及退火校平处理后得到了100％TA(1-18)/5系铝合金/TA(1-18)焊合率为100％的高强度双面复合材料。弯曲性能测试无开裂分层现象，实际抗拉强度σb＝165.5MPa，界面处显微硬度达到最高值227HV。结合界面呈小波状结合，其中单面复合板波长1500μm～1600μm，波高200μm～220μm，双面复合板则减小20％～26％，符合工业应用标准。
附图说明
图1是TA(1-18)/5系铝合金/TA(1-18)爆炸焊接安装装置，其中1是炸药，2是复板，3是间隙，4是基板，5是防护板，6是地基，7是起爆装置
具体实施方式
实施例1
用户需要TA2-5083-TA2双面抗弹复合材料，基板5083尺寸为5500mm×2500mm×14mm；复板TA2尺寸和装药面积在起爆端增加2δ0、在两侧和尾端分别增加δ0、1.5δ0，因此确定复板尺寸为5570mm×2550mm×1.5mm。采用60#粉状乳化炸药，炸药厚度δ0＝20mm，基板和复板之间用5mm间距，在基板和地基之间设置厚度为20mm纤维防护板。采用两次爆炸焊接，第一次爆炸焊接后退火温度为400℃，随炉冷却后并进行校平和表面处理。二次爆炸焊接参数：复板尺寸为5570mm×2550mm×1.5mm，60#粉状乳化炸药，炸药厚度δ0＝19mm，基板和复板之间用4mm间距，在基板和地基之间同样设置厚度为20mm纤维防护板。二次爆炸后退火校平后获得了双面TA2-5083-TA2复合材料规格：5500mm×2500mm×(1.5+14+1.5)mm。复合率、界面弯曲等各项力学性能均符合国家标准。
Claims (5)
1.TA(1-18)/5系铝合金/TA(1-18)复合板材及焊接方法，其特征是以界面结合能最小原理、窗口法则、极限法则为理论原则，构建并计算了TA(1-18)/5系铝合金/TA(1-18)的下限焊接动态及静态参数窗口，综合运用稀疏波边界效应消除技术、铝合金板防变形脆裂控制技术及消除TA(1-18)/5系铝合金/TA(1-18)单面或双面复合板爆炸应力退火工艺参数，得到了TA(1-18)/5系铝合金-TA(1-18)焊合率为100％的高强度双面复合板材及成套焊接工艺参数方法。
2.根据权利要求1所述的TA(1-18)/5系铝合金/TA(1-18)复合板材及焊接方法，其特征是TA(1-18)/5系铝合金/TA(1-10)的下限焊接动态及静态参数窗口，碰撞速度下限Vpmin＝293m/s，碰撞速度上限Vpmax＝2317m/s，由装药质量比根据炸药的密度ρ0，复板的密度和厚度ρf、δf，计算可得下限装药厚度参数δ0＝(13.1～14.7)δf；两板间距s＝(2.7～4)δf；采用粉状乳化炸药，添加60％石英砂；二次爆炸焊接参数取60#粉状乳化炸药，焊接参数取一次爆炸参数的最下限值。
3.根据权利要求1所述的TA(1-18)/5系铝合金/TA(1-18)复合板材及焊接方法，其特征是稀疏波边界效应消除技术，指的是为消除稀疏波边界效应，复板尺寸和装药面积在起爆端增加2δ0、在两侧和尾端分别增加(0.8～1)δ0、(1.5～2)δ0。
4.根据权利要求1所述的TA(1-18)/5系铝合金/TA(1-18)复合板材及焊接方法，其特征是铝合金板防变形脆裂控制技术，指的是为提高TA(1-18)复板和基板5系铝合金之间的结合强度以及消除基板5系铝合金的脆裂，在基板4和地基6之间设置厚度为10～20mm纤维防护板。
5.根据权利要求1所述的TA(1-18)/5系铝合金/TA(1-18)复合板材及焊接方法，其特征是消除TA(1-18)/5系铝合金/TA(1-18)单面或双面复合板爆炸应力退火工艺参数，指的是复合板TA(1-18)/5系铝合金一次爆炸焊接后进行消除爆炸应力退火处理，退火温度为350～400℃，随炉冷却后进行校平和表面处理，再进行二次爆炸，双面复合板爆炸应力退火工艺参数参考单面复合板退火参数。
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