CN113953641A

CN113953641A - 一种三明治型钢铝层状金属复合材料的制备方法

Info

Publication number: CN113953641A
Application number: CN202111247552.9A
Authority: CN
Inventors: 翟伟国; 邓光平; 李亚; 任江毅
Original assignee: 725th Research Institute of CSIC
Current assignee: 725th Research Institute of CSIC
Priority date: 2021-10-26
Filing date: 2021-10-26
Publication date: 2022-01-21
Anticipated expiration: 2041-10-26
Also published as: CN113953641B

Abstract

本发明涉及一种三明治型钢铝层状金属复合材料的制备方法，属于汽车轻量化材料技术领域，所述复合材料是以轻金属铝作为夹心层、以高强度高硬度的钢作为包覆外层；制备时，首先将铝板和钢板进行爆炸焊接实现铝‑钢界面的爆炸复合，形成钢铝复合板，然后将两张双层的钢铝复合板通过二次爆炸焊接实现铝‑铝界面的爆炸复合，形成三明治型钢‑铝‑钢层状金属复合材料。所述方法尤其采用了针对硬复层材料的止裂爆炸焊接技术，解决了强度较高的钢和密度较低的铝合金板在制备三明治型层状金属复合材料过程中易出现结合性能差和复板易开裂的问题，开拓了以硬金属包覆在软金属形成一种夹心层状复合材料的爆炸焊接制备，且各层金属间达到冶金结合。

Description

一种三明治型钢铝层状金属复合材料的制备方法

技术领域

本发明属于汽车轻量化材料技术领域，具体涉及一种三明治型钢铝层状金属复合材料的爆炸焊接制备方法。

背景技术

随着汽车工业的发展，汽车保有量不断攀升，然而，汽车产量在改善人们生活方式，给经济注入活力的同时，带来的能源和环境问题也称为汽车行业发展面临的解决要点。相关统计表明，每辆汽车实现减重10%可达到降低6~8%的燃料消耗指标；对于新能源汽车来说，由于动力电池等部件带来的整车质量增加，轻量化的重要性更是不言而喻，在现有汽车动力电池能量密度的条件下提升汽车轻量化水平，制造更轻的汽车，能够提升新能源汽车的续航里程。

汽车轻量化的研究主要集中在以下几个方面，如图1所示。汽车材料轻量化技术是汽车轻量化广泛采用也较容易实现的一种技术，除了开发新型材料外，采用当前较先进的材料替代传统材料也是一种思路。目前在汽车领域应用有大量的钢制材料，比如制动盘是汽车底盘上的主要运动材料，当前主要的铸铁制动盘，其性能稳定，但密度大、总体质量偏重；铝基增强复合材料，诸如SiC、Al₂O₃、TiC、TiB₂、B₄C等增强的铝基复合材料制成的制动盘在车辆上也有所应用，但存在成本高等特点；国外有公司采用机械连接工艺制备的层状复合材料，轻金属材料和高强度钢板通过钩刺在外力的作用下咬合连接在一起，如图2所示，具有剪切强度高，但Z向结合性能差、以及界面结合不稳定的缺点；另外，采用钎焊方法也是制备层状金属复合材料的一种方式，但存在结合强度低等缺点。

发明内容

为了解决汽车轻量化材料制备中面临的问题，本发明的目的在于提供一种制备三明治型的钢-铝-钢层状金属复合材料的爆炸焊接方法。所述方法尤其采用了针对硬复层材料的止裂爆炸焊接技术，解决了强度较高的钢和密度较低的铝合金板在制备三明治型层状金属复合材料过程中易出现结合性能差和复板易开裂的问题，开拓了以硬金属包覆在软金属形成一种夹心层状复合材料的爆炸焊接制备，且各层金属间达到冶金结合。

为了实现解决上述技术问题的目的，本发明采用的技术方案如下：

一种三明治型钢铝层状金属复合材料的制备方法，所述复合材料是以轻金属铝作为夹心层、以高强度高硬度的钢作为包覆外层；制备时，首先将铝板和钢板进行爆炸焊接实现铝-钢界面的爆炸复合，形成钢铝复合板，然后将两张双层的钢铝复合板通过二次爆炸焊接实现铝-铝界面的爆炸复合，形成三明治型钢-铝-钢层状金属复合材料。

进一步地，所述复合材料是以1050、1060或3003铝合金板材为夹心层，以碳钢/低合金高强钢为三明治的外层。

所述制备方法采用的具体步骤如下：

步骤1、将作为基板的4~6mm厚碳钢/低合金高强钢板和作为复板的4~10mm厚的1050/1060/3003铝板进行切割下料，复板长宽尺寸规格比基板大20~50mm，然后将钢板和铝板的一个表面进行抛光处理，抛光后的两种金属表面粗糙度≤Ra3.2μm；

步骤2、在爆炸焊接作业场地，首先平整地基，地基采用砂土地基，清理地基，然后在地基上安放一块普通钢板作为砧板，砧板的厚度≥20mm，砧板长宽≥基板长宽，将碳钢/低合金高强钢板放置在砧板上，未抛光的基板表面与砧板接触；

步骤3、在经抛光的碳钢/低合金高强钢板表面上安装支撑块，支撑块高度在5~10mm；

步骤4、将铝板平稳放置在支撑块上，经抛光的表面与支撑块接触，铝板的几何中心与钢板的几何中心保持在同一垂直轴线上；

步骤5、在铝板上表面铺设一层1~2mm厚的橡胶垫，所述橡胶垫的大小与复板大小一致；

步骤6、在橡胶垫保护层上铺上炸药，所述炸药按同一厚度均匀铺放，用量与复板的面积控制在2.5~4.0g/cm^2，炸药铺放边缘采用纸质药框进行围挡；

步骤7、在炸药层埋放安装电雷管，电雷管的位置安放在复板边缘中心处；然后起爆，获得钢铝复合板；

步骤8、按步骤1~步骤7的方式制备钢铝复合板两张，将两张板材进行校平后备用；

步骤9、将经校平后的两张钢铝复合板进行切割下料，作为再次爆炸焊接的基、复板，其中作为复板的长宽尺寸比基板大20~50mm；两张钢铝复合板的铝表面进行抛光处理，控制抛光后的铝表面粗糙度≤Ra3.2μm；

步骤10、在作为复板的钢铝复合板上开止裂槽，止裂槽呈V型；止裂槽开口位于钢侧表面，角度30~50°，深度超过钢铝界面1~2mm，止裂槽位置距板边距离10~25mm，止裂槽所形成的轨迹与基板四周边缘基本重合；

步骤11、在爆炸焊接作业场地平整地基，地基上安放一块普通钢板作为砧板，砧板厚度≥20mm，长宽尺寸≥基板长宽，将钢铝复合板放置在砧板上作为基板，钢面与砧板接触；

步骤12、在基板的铝表面安装支撑块，支撑块高度在8~15mm；

步骤13、将作为复板的另外一块钢铝复合板安放在支撑块上面，经抛光的铝面与支撑块接触，复板和基板的几何中心点处于同一轴线确保止裂槽与基板边缘能够基本重合；

步骤14、在复板上铺炸药，所述炸药按同一厚度均匀铺放，用量与复板的面积控制在3.0~5.0g/cm^2，炸药铺放边缘采用纸质药框进行围挡；

步骤15、在炸药层埋放安装电雷管，电雷管的位置安放在复板边缘中心处；然后起爆，整体形成三明治型钢铝钢三层金属复合板。

在步骤3和步骤12中，所述支撑块采用2mm厚铜条折弯成V型结构，支撑块按行/列整齐摆放，行距和列距控制为200~500mm。

在步骤6和步骤14中，所述炸药为粉状乳化纯炸药和惰性添加剂按质量比1:1混合后的混合炸药，所述混合炸药密度为1.0~1.1g/cm^3；所述惰性添加剂为棕刚玉矿粉。

本发明专利提出了一种采用爆炸焊接技术制备三明治型层状金属复合材料的制备方法。一般的，采用爆炸焊接制备复合材料时，密度轻，材质较软的材料（软金属）作为复层，强度高、密度大的金属（硬金属）作为基层能实现两种材料的良好复合；当硬金属作为复板，而软金属作为基板时，易出现由爆炸焊接时炸药爆轰产生的能量大导致复板开裂，且结合界面性能不稳定的现象。在三明治型层状复合材料的制备过程，无法避免高强金属作为复层的工艺过程，基于现有的技术条件，本发明专利提出了一种采用爆炸焊接方法制备的三明治型层状金属复合材料，以密度低的铝金属作为三明治的夹心层，以具有高强度、高硬度的钢作为三明治的外层，选用了爆炸焊接复板止裂技术和基复板材料匹配设计技术实现了钢-铝-钢“三明治”型层状金属复合材料的制备。这种异种金属界面具有冶金结合特征的材料对于汽车领域尤其是针对新能源汽车领域在材料轻量化技术方面具有重要的意义。

本发明创新性的采用了两次爆炸焊接方法过程实现了一种三明治型的夹心层复合板的制备。有益效果主要体现在：

1. 爆炸焊接基复板组合匹配技术由于高强高硬金属钢板作为复层，而轻金属铝作为基层进行爆炸时，由于爆炸焊接的工艺特点使这种组合无法通过爆炸焊接的方式获取良好的性能，主要体现在：1）当炸药能量过大，由于铝基板材质较软，经受冲击载荷能力较差，基板在复板的冲击作用被压缩，变形大，无法形成良好的板型；且炸药能量过大时，复板由于高强高硬，容易导致开裂；2）当炸药能量过小，能量驱使的复板加速度不够，钢铝结合界面性能差或未复合。基于这两点，本专利通过爆炸焊接基复板组合技术，设计出先将铝板与钢板进行爆炸焊接（铝-钢爆炸复合），然后再将两张双层复合板通过二次爆炸焊接，实现铝-铝界面爆炸复合；从而避免了钢作为复板与铝板的直接爆炸焊接。

2. 爆炸焊接复板止裂技术在二次爆炸焊接时，作为复板的材料为钢-铝复合板。在爆炸焊接中，复板的厚度一般与炸药的能量有相同的增长趋势，当复板厚度增加，装药量也要增加。但复板中的高强、高硬金属随着装药量的增加，易产生裂纹等缺陷，本专利在复板表面通过设计止裂槽的型式，能够主动卸载爆炸冲击载荷，阻断钢板表面裂纹的扩展，实现良好的复合效果。

3. 采用爆炸焊接技术制备的三明治型层状金属复合板，金属层与层之间的结合为冶金结合，具有结合强度高，比钎焊层状金属复合材料和机械连接式复合材料的结合性能更加优异，而且可通过选用不同材料的厚度规格实现轻量化的特点，在汽车/机械/船舶等轻量化技术领域有着比较重要的意义。

附图说明

图1是汽车轻量化技术研究示意图；

图2是机械连接式轻量化层状金属复合材料示意图；

图3是钢-铝复合板爆炸焊接装置示意图；

图4是三明治型复合板爆炸焊接装置示意图；

图5是止裂槽位置及型式图；

图6是实施例1制备的三明治型钢铝钢层状金属复合材料示意图；

图7是钢-铝复合界面图；

图8是铝-铝复合界面图。

具体实施方式

本发明提供一种三明治型钢-铝-钢层状金属复合材料的制备方法，所述的三层复合材料以1050、1060或3003铝合金板材为夹心层，以碳钢/低合金高强钢为三明治的外层。本发明设计了爆炸焊接工艺，并采用爆炸焊接高强度复板止裂技术实现了三明治型夹心层状复合材料的制备，具体的步骤如下：

步骤1、将作为基板的4~6mm厚碳钢/低合金高强度钢板和作为复板的4~10mm厚的1050/1060/3003铝板进行切割下料，复板长宽尺寸规格比基板大20~50mm，然后将钢板和铝板的一个表面进行抛光处理，抛光后的两种金属表面粗糙度≤Ra3.2μm；

步骤2、在爆炸焊接作业场地首先平整地基，地基采用砂土地基，清理地基的石块等硬质杂物，然后在地基上安放一块普通钢板作为砧板（垫板），砧板的厚度≥20mm，砧板长宽≥基板长宽，将碳钢/低合金高强板放置在砧板上，未抛光的基板表面与砧板接触；

步骤3、在经抛光的碳钢/低合金高强钢表面上安装支撑块，支撑块采用2mm厚铜条折弯成V型结构，高度在5~10mm，支撑块按行列整齐摆放，行距和列距控制为200~500mm；

步骤5、在铝板上表面铺设一层1~2mm厚的橡胶垫，大小与复板大小一致，作为缓冲保护层减少炸药爆轰时对铝复板表面的烧蚀；

步骤6、在橡胶保护层上铺上炸药，炸药采用粉状乳化纯炸药和惰性添加剂（棕刚玉矿粉）按质量比1:1混合后的炸药，混合炸药密度为1.0~1.1g/cm^3。混合炸药按同一厚度均匀铺放，用量与复板的面积控制在2.5~4.0g/cm^2，炸药铺放边缘采用纸质药框进行围挡；

步骤7、在炸药层埋放安装8#工业电雷管，电雷管的位置安放在复板边缘中心处。然后进行起爆，在炸药爆轰产生的能量驱使下，铝复板高速向钢基板加速飞行产生碰撞，结合界面处形成铝-钢冶金结合，获得了铝-钢双层金属复合板；

步骤8、按步骤1~步骤7的方式制备出铝-钢双层金属复合板两张，将两张板材进行校平后备用；

步骤9、将经校平后的两张铝-钢复合板进行切割下料，作为再次爆炸焊接的基、复板，其中作为复板的长宽尺寸比基板大20~50mm；两张铝-钢复合板的铝表面进行抛光处理，控制抛光后的铝表面粗糙度≤Ra3.2μm；

步骤10、在作为复板的铝钢板上开止裂槽，止裂槽呈V型。止裂槽开口位于钢侧表面，角度30~50°，深度超过钢铝界面1~2mm，止裂槽位置距板边距离10~25mm，止裂槽所形成的轨迹与基板四周边缘基本重合；

步骤11、在爆炸焊接作业场地平整地基，地基上安放一块普通钢板作为砧板，砧板厚度≥20mm，长宽尺寸≥基板长宽，将铝-钢板放置在砧板上作为基板，铝-钢板的钢面与砧板接触；

步骤12、在基板的铝表面安装支撑块，支撑块采用2mm厚铜条折弯成V型结构，高度在8~15mm，支撑块按行/列整齐摆放，行距和列距控制为200~500mm；

步骤13、将作为复板的另外一块铝-钢复合板安放在支撑块上面，经抛光的铝面与支撑块接触，复板和基板的几何中心点处于同一轴线确保止裂槽与基板边缘能够基本重合；

步骤14、在复板上铺炸药，炸药采用粉状乳化纯药和惰性添加剂（棕刚玉矿粉）按质量比1:1混合后的炸药，混合炸药密度为1.0~1.1g/cm^3。混合炸药按同一厚度均匀铺放，用量与复板的面积控制在3.0~5.0g/cm^2，炸药铺放边缘采用纸质药框进行围挡；

步骤15、在炸药层埋放安装8#工业电雷管，电雷管的位置安放在复板边缘中心处；然后进行起爆，在炸药爆轰产生的能量驱使下，钢-铝复合板（复板）高速向另一张钢-铝复合板（基板）加速飞行产生碰撞，结合界面处形成铝与铝的冶金结合，整体形成了一种三明治型钢铝钢三层金属复合板。与此同时，复板上面由于止裂槽的开设，复板在爆轰波能量传递到止裂槽位置时，发生明显的剪切作用使复板四周沿止裂槽整齐剪切掉，阻碍了复板产生裂纹的扩展。

下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

实施例：

本实施例中：三明治型复合板的夹心层为16mm厚 1060 铝板；两侧包覆层为5mm厚355L钢。制备过程需经过两个过程。

过程1：钢-铝复合板的制备

结合图3进行说明，先将砂土地基进行平整，确保砂土地基无较硬的石块；在砂土地基上铺放一张厚度30mm，长宽1200mm的砧板，采用水平尺确定砧板放置水平；然后将规格为5*1000*1000mm的355L钢板放置在砧板上，在355L钢板上整齐摆放4排4列高度为7mm的铜支撑片，将8*1040*1040mm 铝板安放在铜支撑块上；在铝复板表面上铺设一层2mm厚橡胶板起到缓冲和防烧蚀保护层作用；然后在橡胶板上铺放炸药，炸药采用以粉乳炸药和惰性添加剂进行均匀搅拌的混合炸药，粉状乳化炸药的质量比例为50%，惰性添加剂（棕刚玉矿粉）的质量占比为50%，炸药爆速为1900~2500M/S，炸药用量为3.0g/cm^2；炸药的安装通过纸质药框围挡，以防泄露。在炸药层上插放8#工业电雷管，雷管位置处于板边的中心处；然后引爆电雷管，制备出8+5mm厚的1060+355L复合钢板。

过程2：钢-铝-钢板的制备过程

结合图4说明实施过程，首先采用过程1的方法制备出两张（8+5）*1000*1000规格的1060+355L钢板，一张作为基板，另一张作为复板；首先平整砂土地基，确保砂土地基无较硬的石块等；在砂土地基上放置一张厚度30mm，长宽1200mm的砧板，采用水平尺确定砧板放置水平；将1张（8+5）*1000*1000mm的1060+355L复合板下料至（8+5）*950*950mm大小，校平后铝面进行抛光处理，保证铝面粗糙度≤Ra3.2μm；然后将（8+5）*950*950mm的复合板放置在砧板上，355L钢面与砧板接触，铝面上放置4排4列铜支撑块，高度为9mm；然后将另一张（8+5）*1000*1000的1060+355L钢板校平后，在355L面上开V型止裂槽，如图5所示，止裂槽形成的尺寸范围为950*950mm，止裂槽型式为V型，开口角度30~50°，深度开止钢铝结合面以下1~2mm。将开过止裂槽的铝钢板放置在支撑块上，复板与基板的几何中心线对齐，使复板的止裂槽与基板边缘重合；在复板上安放粉状乳化混合炸药，混合炸药的质量比例为粉乳炸药占比50%，惰性添加剂（棕刚玉矿粉）占比为50%，密度为1.0~1.1g/cm^3，其爆速为2100~2500m/S范围内，装药量为3.0g/cm^2，均匀铺放。在炸药层上埋放8#工业电雷管并引爆炸药，炸药产生的能量趋势复板加速向基板碰撞，在铝和铝面形成冶金结合，与此同时，在复板上开设的止裂槽，使得爆轰波传递的能量在止裂槽位置进行卸载，达到复板的边界整齐剪切掉，高强度的复板表面不再产生裂纹。制备出的355L+1060+355L厚度规格为（5+16+5）*950*950mm大小的钢铝钢复合板。

制备的355L+1060+355L的试板样品见图6所示，其中钢铝复合界面见图7，铝铝复合界面见图8所示，经力学性能检测，钢铝界面的抗剪强度80MPa，Z向拉伸强度为120MPa。

需要说明的是，以上所述的实施方案应理解为说明性的，而非限制本发明的保护范围，本发明的保护范围以权利要求书为准。对于本领域技术人员而言，在不背离本发明实质和范围的前提下，对本发明作出的一些非本质的改进和调整仍属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种三明治型钢铝层状金属复合材料的制备方法，其特征在于：所述复合材料是以轻金属铝作为夹心层、以高强度高硬度的钢作为包覆外层；制备时，首先将铝板和钢板进行爆炸焊接实现铝-钢界面的爆炸复合，形成钢铝复合板，然后将两张双层的钢铝复合板通过二次爆炸焊接实现铝-铝界面的爆炸复合，形成三明治型钢-铝-钢层状金属复合材料。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述复合材料是以1050、1060或3003铝合金板材为夹心层，以碳钢/低合金高强钢为三明治的外层。

3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：所述制备方法采用的具体步骤如下：

步骤12、在基板的铝表面安装支撑块，支撑块高度在8~15mm；

4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：在步骤3和步骤12中，所述支撑块采用2mm厚铜条折弯成V型结构，支撑块按行/列整齐摆放，行距和列距控制为200~500mm。

5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于：在步骤6和步骤14中，所述炸药为粉状乳化纯炸药和惰性添加剂按质量比1:1混合后的混合炸药，所述混合炸药密度为1.0~1.1g/cm^3；所述惰性添加剂为棕刚玉矿粉。