鋁合金與槽型界面鋼板的爆炸焊接*

李雪交，馬宏昊，沈兆武

(中國科學技術大學近代力學系，安徽 合肥 230027)

鋁合金與槽型界面鋼板的爆炸焊接*

李雪交，馬宏昊，沈兆武

(中國科學技術大學近代力學系，安徽 合肥 230027)

采用尺寸為4 mm×410 mm×410 mm的5083鋁合金和尺寸為15 mm×400 mm×400 mm、表面開有燕尾槽的Q345鋼板作為爆炸焊接的覆板與基板，根據理論公式得到鋁合金-鋼爆炸焊接下限后，選取其附近的參數進行爆炸焊接，再通過力學性能檢測和微觀形貌觀察研究5083/Q345復合板界面的結合性能。實驗結果表明：鋁合金與鋼在冶金結合和燕尾槽的擠壓嚙合共同作用下實現爆炸復合；鋁合金與燕尾槽上底面、傾斜面和下底面的界面均呈平直狀。鋁合金與燕尾槽上底面、下底面以直接結合和不連續熔化塊相結合的方式復合，而鋁合金與燕尾槽傾斜面以連續熔化層的方式復合；復合板的剪切強度大于172 MPa，滿足Al/Fe復合板結合強度的要求。

爆炸力學；爆炸焊接；擠壓嚙合；冶金結合；燕尾槽；結合強度

隨著現代工業發展，單一金屬材料的性能已很難滿足要求，層狀金屬復合板結合了金屬組元各自的優點，可獲得單一金屬材料不具有的物理和化學性能，同時節約了大量貴重金屬材料，具有很高的經濟價值與應用前景。目前層狀金屬復合板廣泛采用爆炸法進行焊接[1]。

鋁合金具有密度小、導電性好、導熱率高、耐腐蝕等優點，其復合板材已廣泛應用于航空航天、汽車、機械制造、船舶、化工等領域。由于鋁合金與鋼直接爆炸焊接存在一定困難，通常在基覆板中間加入純鋁、鈦、鎳等過渡層，然后經過2次或多次爆炸焊接將鋁合金與鋼復合在一起，形成鋁合金-鋁-鋼、鋁合金-鈦-鋼、鋁合金-鈦-鎳-鋼等3層或者多層結構的復合板[2-5]，但爆炸焊接工序多、效率低、成本較高。

本文中采用鋁合金與表面開有燕尾槽的鋼板進行直接爆炸焊接，為鋁合金與鋼的爆炸焊接提供一種新方法。其具有簡化焊接工序、降低焊接藥量、減少環境污染以及提高焊接質量和效率等優點。

1 實驗材料及方法

爆炸焊接基板為Q345鋼，尺寸為15 mm×400 mm×400 mm，覆板為5083鋁合金，尺寸為4 mm×410 mm×410 mm。其物理性能和機械性能如表1所示。表中Tm、c、ρ和HV分別為金屬材料的熔點、體積聲速、密度和維氏硬度；σs和σb分別為金屬材料的拉伸強度和屈服強度。

表1 基板與覆板的物理和機械性能Table 1 Physical and mechanical properties of flyer and base plates

圖1 燕尾槽截面示意圖Fig.1 Schematic of cross-section of dovetail grooves

在基板表面分別沿著橫向和縱向開出上底面2 mm、下底面3 mm、高1 mm的燕尾槽，其中燕尾槽上底面的間距為3 mm，如圖1所示。

實驗以乳化基質、敏化劑膨脹珍珠巖以及稀釋劑工業食鹽調配成的低爆速乳化炸藥作為焊接炸藥。焊接炸藥的藥框采用鋁蜂窩板，材質為厚50 μm 的3003H24鋁合金，蜂窩孔呈正六邊形，邊長8 mm，如圖2所示。其具有結構穩定、強度高、剛度大、平面度好等優點。根據焊接藥量選擇合適高度的鋁蜂窩板后，將炸藥填入鋁蜂窩板孔隙，制成鋁蜂窩炸藥，如圖3所示。鋁蜂窩板可保證各位置焊接炸藥厚度相同。

爆炸焊接裝置為平行安裝結構，起爆端位于炸藥的中心位置，如圖4所示。爆炸焊接后采用Carl Zeiss Axio Imager A1m型金相顯微鏡和XL-30 ESEM型環境電子掃描顯微鏡觀察鋁合金與燕尾槽鋼爆炸復合板結合界面的微觀形貌，然后再采用MTS-810型萬能試驗機進行拉伸和剪切實驗，檢測爆炸復合板的力學性能。

圖2 鋁蜂窩板Fig.2 Aluminum honeycomb panel

圖3 鋁蜂窩炸藥Fig.3 Aluminum honeycomb explosive

圖4 爆炸焊接裝置示意圖Fig.4 Schematic of explosive welding set-up

2 鋁合金-鋼爆炸焊接參數

選擇合理的焊接參數是實現爆炸焊接并獲得良好焊接質量的前提和關鍵。動態碰撞角、碰撞點移動速度、碰撞速度是爆炸焊接的主要動態參數，其中任意兩參數相互獨立，其在同一平面內構成了爆炸焊接區域，即爆炸焊接窗口[6]。在此窗口內均可獲得良好的焊接質量，而且一般爆炸焊接下限附近復合板的焊接質量最好[7-8]。

同種金屬材料爆炸焊接產生金屬射流的最小碰撞速度vp,min以及碰撞壓力p公式為[9-10]：

(1)

(2)

式中：σb為金屬材料的抗拉強度，ρ為金屬材料的密度，c為金屬材料的體積聲速,vp為金屬材料的碰撞速度。

根據式(1)得到兩種相同金屬材料的最小碰撞速度vp,min1和vp,min2后，代入式(2)得到相應的碰撞壓力pmin1和pmin2，取pmin=max(pmin1,pmin2)，則不同金屬材料間的最小碰撞速度vp,min為[10]：

(3)

式中：ρ1和ρ2分別為覆板和基板的密度，c1和c2分別為覆板和基板的體積聲速。

當碰撞點移動速度vcp等于臨界碰撞點移動速度vc時，金屬表面開始從層流過渡到湍流，為獲得良好的焊接質量，碰撞點移動速度vcp應大于臨界碰撞點移動速度vc小于金屬材料的體積聲速c。臨界碰撞點移動速度vc計算公式為[11]：

(4)

式中：Re為適用流動過程的雷諾數，取Re=10.6；H1和H2分別為覆板和基板的維氏硬度；ρ1和ρ2分別為覆板和基板的密度。

根據式(1)～(4)得到鋁合金與鋼爆炸焊接的最小碰撞速度vp,min=522m/s、碰撞壓力p=4.5 GPa、臨界碰撞點移動速度vc=2 122 m/s。

S.W.Stivers等[10]根據臨界碰撞點移動速度vc給出了相應碰撞點移動速度vcp大于2 000m/s、小于2 500m/s的表達式：

vcp=vc+200

(5)

炸藥爆速vd與碰撞點移動速度vcp相等,均為2 222m/s，所以選用爆速約為2 300m/s的乳化炸藥進行爆炸焊接實驗。A.A.Ezra[12]認為產生強烈塑性流動和金屬射流的臨界壓力pc大約為金屬材料靜態屈服強度的10～12倍，則鋁合金與鋼的臨界碰撞壓力pc分別為1.25～1.50GPa和3.85～4.62GPa。鋁合金與燕尾槽鋼爆炸焊接實驗的碰撞速度vp靠近鋁合金-鋼爆炸復合的最小碰撞速度vp,min，取vp=600m/s，此時界面的碰撞壓力p=5.1GPa，則鋁合金與燕尾槽鋼內表面產生強烈的塑性變形和金屬射流。

覆板與基板爆炸焊接簡化為一維運動，則對于γ=2.5乳化炸藥的覆板碰撞速度vp可表達為[13]：

(6)

式中：R=ρ0δ0/ρ1δ1，δ0=Wg/ρ0。

覆板和基板間距的經驗公式為[10]：

h=0.2(δ0+δ1)

(7)

式中：R為質量比；ρ0為炸藥密度，kg/m3；Wg為單位面積炸藥藥量，g/cm2；h為基板和覆板的間距，cm；δ1為覆板厚度，cm；δ為焊接炸藥厚度，mm。

由式(5)～(7)得到鋁合金與燕尾槽鋼爆炸焊接參數，炸藥密度為0.78g/cm3、炸藥與覆層的質量比為1.19、炸藥藥量為2 168g和基層覆層間距為4.1mm。

3 實驗結果與分析

3.1 鋁合金-燕尾槽鋼爆炸復合板

圖5 爆炸復合板截面實物圖Fig.5 Image of actual cross-section of explosive clad plate

爆炸焊接后進行較平、打磨，得到厚18 mm的鋁合金-燕尾槽鋼復合板，其中鋁合金層厚3 mm，鋼層厚15 mm。然后沿著爆轟方向切割復合板，觀察界面結合緊密，焊接質量良好，靠近邊緣處的復合板截面如圖5所示。由于覆板面積比基板大，將空氣稀疏波作用范圍引向基板邊緣之外，使得靠近邊緣處鋁合金與燕尾槽鋼的碰撞壓力基本不受影響，而且鋁合金與鋼依靠燕尾槽相互擠壓嚙合在一起，抑制反射拉伸波將界面拉開，所以鋁合金-燕尾槽鋼爆炸復合板的邊緣處基本無邊界效應。由于鋁合金與燕尾槽鋼采用一次爆炸焊接工藝復合在一起，減少了焊接工序以及藥量，提高了焊接質量和效率，同時減少了環境的污染。

傳統鋁合金與鋼直接爆炸焊接時在塑性變形熱和絕熱壓縮熱作用下界面易產生過熔現象以及多種脆性金屬間化合物，而且鋁合金的凝固溫度范圍較寬，使得界面凝固時間以及受反射拉伸波作用時間延長，造成焊接質量較差，甚至界面被拉開，所以鋁合金與鋼直接爆炸焊接存在一定的困難。本文中采用表面開有燕尾槽的鋼板與鋁合金進行直接爆炸焊接。在焊接炸藥能量的作用下，一部分鋁合金與燕尾槽上底面高速撞擊，使得碰撞區鋁合金與鋼的內表面均產生強烈的塑性變形，物理性質類似流體，此時形成的金屬射流消除了碰撞點前金屬表面的氧化膜和污染物，露出具有活性的新鮮金屬，使其在高溫、高壓以及劇烈的塑性變形作用下進行冶金結合，另一部分鋁合金則向燕尾槽內高速運動，被壓入燕尾槽的鋁合金與燕尾槽下底面進行冶金結合過程中，同時向燕尾槽的傾斜面運動，充滿整個燕尾槽，此時界面空氣受到絕熱壓縮，使鋁合金與燕尾槽傾斜面在絕熱壓縮熱的作用下形成中間過渡層，從而復合在一起?？傊?，鋁合金與燕尾槽鋼在燕尾槽的擠壓嚙合作用下充分進行冶金結合，抑制反射拉伸波將界面拉開，實現直接爆炸焊接。

3.2 鋁合金-燕尾槽鋼爆炸復合板力學性能分析

界面結合強度是衡量焊接質量優劣的重要指標之一，按照GB/T 6396-2008《復合鋼板力學及工藝性能試驗方法》和GB/T 6396-2002《金屬材料室溫拉伸試驗方法》分別切割4個平行試件進行拉伸實驗和剪切實驗，結果如表2所示,表中Sb和σb分別為拉伸試件的截面面積和拉伸強度，Sτ和στ分別為剪切試件的結合面積和剪切強度。。

表2 爆炸復合板的力學性能實驗結果Table 2 Experimental results of mechanical properties of explosive clad plate

由表2可知，鋁合金-燕尾槽鋼爆炸復合板的平均拉伸強度為532.5 MPa，平均剪切強度為180.8 MPa。鋁合金-燕尾槽鋼復合板的理論抗拉強度下限為507.3 MPa[14]，復合板4個平行試件的抗拉強度均大于其理論抗拉強度下限。一般在沖擊載荷作用下金屬材料的抗拉強度將增大，所以鋁合金-燕尾槽鋼爆炸復合板的抗拉強度大于其理論抗拉強度下限。

鋁合金-燕尾槽鋼爆炸復合板拉剪實驗時界面未發生分離，斷裂位置位于鋁合金一側，如圖6所示。由表2可知，鋁合金-燕尾槽鋼爆炸復合板界面的剪切強度大于172 MPa，滿足鋁合金-鋼復合板結合強度的要求。鋁合金與鋼在冶金結合和燕尾槽的擠壓嚙合作用下抑制復合板界面被拉開，同時其結合面積比傳統鋁合金-鋼復合板大145%，使復合板界面的結合強度增大，所以拉剪實驗時斷裂位置位于鋁合金一側。

圖6 拉剪破壞試件實物圖Fig.6 Image of actual tensile shear failure specimen

4 鋁合金-燕尾槽鋼爆炸復合板結合界面的微觀形貌觀察

4.1 復合板結合界面金相組織

選取鋁合金-燕尾槽鋼爆炸復合板結合界面的4個位置進行金相組織觀察，分別位于鋁合金與燕尾槽上底面(A)、傾斜面(B)、下底面(C)以及拐角處(D)，如圖7所示。

根據圖7標注的位置，采用金相顯微鏡得到鋁合金與燕尾槽上底面、傾斜面、下底面以及拐角處結合界面的金相組織，如圖8所示。

圖7 爆炸復合板金相觀察位置Fig.7 Metallographic observation points of explosive clad plate

由圖8中4個不同位置的金相組織可知，鋁合金與燕尾槽上底面、傾斜面、下底面基本均以平直狀的方式結合，鋁合金與燕尾槽拐角處結合緊密。鋁合金與鋼產生金屬射流的臨界碰撞壓力分別為1.25～1.50 GPa和3.85～4.62 GPa，而本實驗中鋁合金與燕尾槽鋼爆炸焊接的碰撞壓力為5.1 GPa，界面兩側產生強烈的塑性變形和金屬射流，使得鋁合金與鋼以冶金結合的方式復合在一起。由于鋁合金與鋼的密度、熔點等物理性能相差較大，所以鋁合金與鋼復合板界面結合均呈平直狀。

4.2 復合板結合界面掃描電鏡

圖9(a)、(b)、(c)和(d)分別為鋁合金與燕尾槽上底面、傾斜面、下底面以及拐角處結合界面的掃描電鏡圖，由圖9可知，鋁合金與鋼結合界面出現不同于鋁合金層與鋼層的中間過渡層，其中鋁合金與燕尾槽上底面中間過渡層的厚度為0～20 μm；鋁合金與燕尾槽傾斜面的中間過渡層的厚度為20～120 μm，其中含有氣孔等微觀缺陷；鋁合金與燕尾槽下底面中間過渡層的厚度為0～30 μm。鋁合金與燕尾槽傾斜面的中間過渡層厚度比鋁合金與上底面和下底面的中間過渡層厚度大。

鋁合金與燕尾槽鋼在爆炸焊接過程中，界面空氣受到絕熱壓縮向四周和燕尾槽運動，鋁合金與燕尾槽上底面與下底面高速碰撞下產生劇烈的塑性變形以及塑性變形熱，使其以直接結合和不連續的熔化塊相結合的方式結合，而被壓入燕尾槽的鋁合金在與燕尾槽下底面冶金結合過程中，同時受到擠壓向燕尾槽傾斜面運動，此時界面空氣受到絕熱壓縮，在絕熱壓縮熱的作用下產生厚度不均的連續熔化層，從而使鋁合金與燕尾槽傾斜面結合在一起。由于鋁合金與燕尾槽傾斜面的空氣無法全部排出，進入熔體金屬內產生氣孔等微觀缺陷。

4.3 鋁合金-燕尾槽鋼爆炸復合板結合界面能譜分析

為進一步研究鋁合金-鋼爆炸復合板的中間過渡層，分別對鋁合金與燕尾槽上底面的界面進行線掃描能譜分析以及復合板的鋁合金層、中間過渡層和鋼層進行點掃描能譜分析，如圖10和表3所示。

由圖10可知，對鋁合金與燕尾槽鋼上底面的界面進行線掃描，在中間過渡層出現寬約20 μm的平臺，并根據表3中間過渡層鋁、鐵的原子分數比例可知，表明中間過渡層生成了含有Al和Fe的金屬間化合物。鋁與鋼爆炸焊接過程中界面兩側金屬在高溫、高壓和強烈的塑性變形作用下產生熔化，可能生成FeAl3、FeAl2、FeAl等多種脆性金屬間化合物[15]。

圖10 爆炸復合板界面能譜分析Fig.10 EDS analysis across the interface of explosive clad plate

表3 界面不同位置的化學成分(摩爾分數)Table 3 Chemical components at different points on the interface (mole fraction)

5 結 論

(1)鋁合金與燕尾槽鋼在燕尾槽的擠壓嚙合作用下充分進行冶金結合，抑制反射拉伸波將界面拉開，從而實現爆炸復合，為鋁合金與鋼的爆炸焊接提供一種新方法。

(2)鋁合金與燕尾槽鋼爆炸復合板界面結合緊密，焊接質量良好。拉剪實驗時試件斷裂位置位于鋁合金一側，其剪切強度大于172 MPa，滿足Al/Fe復合板結合強度的要求。

(3)鋁合金與燕尾槽上底面、傾斜面、下底面結合界面均呈平直狀，其中鋁合金與燕尾槽上底面、下底面以直接結合和不連續的熔化塊相結合的方式結合，鋁合金與燕尾槽傾斜面以連續的熔化層的方式結合。鋁合金與燕尾槽傾斜面的中間過渡層厚度比鋁合金與燕尾槽上底面以及下底面中間過渡層厚度大，而且其中間過渡層含有氣孔等微觀缺陷。

(4)5083/Q345復合板界面的中間過渡層生成了含有Al和Fe的金屬間化合物。

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(責任編輯 曾月蓉)

Explosive welding of interface between aluminum alloy and steel plate with dovetail grooves

Li Xuejiao, Ma Honghao, Shen Zhaowu

(DepartmentofModernMechanics,UniversityofScienceandTechnologyofChina,Hefei230027,Anhui,China)

In this work, using a 5083 aluminum alloy plate (4 mm×410 mm×410 mm) and a Q345 steel plate with dovetail grooves (15 mm×400 mm×400 mm) as the flyer and base plates, and based on the lower limit of explosive welding of aluminum alloy with steel calculated from theoretical formulas, we carried out explosive welding experiments with selected parameters which were close to the lower limit. We studied the bonding performances on the interfaces of the 5083/Q345 clad plate by checking its mechanical properties and observing its micro-structure. The results show that the explosive welding of aluminum alloy and steel is achieved through a combined action of the metallurgical bonding and the extraction and meshing of the dovetail grooves; the bonding interface between the aluminum alloy and the upper, lower and inclined surfaces of the dovetail grooves exhibits an even shape; the welding between the aluminum alloy and the upper and lower surfaces of the dovetail grooves is realized by both direct bonding and discontinuous melting while that between the aluminum alloy and the inclined surface of the dovetail grooves is realized by continuous melting. The tensile shear strength of the clad plate is greater than 172 MPa, which satisfies the requirement placed on the bonding strength of a Al/Fe clad plate.

mechanics of explosion; explosive welding; extraction and meshing; metallurgical bonding; dovetail groove; bonding strength

10.11883/1001-1455(2016)05-0640-08

2015-03-04； < class="emphasis_bold">修回日期：2015-06-03

2015-06-03

國家自然科學基金面上項目(51374189,51174183)

李雪交(1986— )，男，博士研究生;

馬宏昊，hhma@ustc.edu.cn。

O389 <國標學科代碼：13035 class="emphasis_bold"> 國標學科代碼：13035 文獻標志碼：A國標學科代碼：13035

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