鋁鋼復合板結合性能研究

黃杏利，薛治國，穆緒梅，謝　剛

(西安天力金屬復合材料有限公司，西安　710201)

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鋁鋼復合板結合性能研究

黃杏利，薛治國，穆緒梅，謝剛

(西安天力金屬復合材料有限公司，西安710201)

摘要:通過鋁鋼復合板試制和力學性能對比，實驗研究了鋁/鋼復合板的結合性能。實驗結果表明，鎳作為鋁/鋼復合板過渡層時，剪切強度能達到195MPa,拉脫強度能達到236MPa,遠遠大于鈦或鋁作為過渡層時復合板的結合強度；同時表明鎳作為鋁/鋼過渡層有效地改善了鋁鋼復合板的結合品質，進一步拓寬了鋁鋼復合板的使用范圍。

關鍵詞:爆炸焊接；鋁鋼復合板；結合質量

隨著使用環境和要求的不斷提高，金屬復合材料越來越得到廣泛應用。鋁/鋼金屬復合材料的產生為鋁和鋼材料的連接提供了一個很好的解決方法[1-3]。目前主要應用在船舶和建造行業，鋁鋼金屬復合材料種類較多，有鋁/鋼、鋁合金/鋁/鋼、鋁/鈦/鋼等[4-5]。

由于金屬間存在著熔點和強度等性能的差別，在兩種金屬間能生成很多金屬間化合物，不易隨意組合將兩種金屬或三種金屬制成滿足使用要求的復合材料。不同的金屬在爆炸焊接過程中形成熔化層和熔化塊等影響金屬間結合強度的硬脆性金屬間化合物，經過后續的熱加工或熱處理，金屬間化合物會慢慢生成和長大，這將嚴重地削弱雙金屬的結合強度。由于艦艇越來越大型化，施焊溫度和結合強度要求越來越高。為了提高鋁-鋼過渡接頭的結合界面結合強度，往往在鋁一鋼中選擇插入一種或者多種金屬作為中間層。本研究通過爆炸焊接實驗對鋁一鋼過渡層進行選擇的研究來提高鋁-鋼板力學性能。

1材料選擇

1.1過渡層選擇

鋁一鋼復合板結合強度提高的關鍵點為過渡層金屬材料的選擇。選擇過渡層最基本原則就是過渡層不能與兩側金屬產生脆性金屬間化合物或能夠完全固溶。

根據生產實際經驗，Ni和Ti爆炸復合后結合強度較大，從Ni-Fe相圖可以看出Ni和Ti固溶性較大，因此本研究選取Ni作為過渡層進行研究。

1.2實驗材料選擇

本實驗材料選取鋁合金板(5083)8 mm×540 mm ×540 mm-3塊、純鋁板(1060)4 mm×540 mm×540 mm-3塊、鈦板(TA1)2 mm×540 mm×540 mm-2塊、純鎳板(N6)1 mm×540 mm×540 mm-1塊以及船用鋼板(CCS-B)22 mm×540 mm×540 mm-3塊。其中鋁合金板(5083)和純鋁板(1060)化學成分見表1～表2，符合標準GB/T3190—2008的相關指標要求；鈦板(TA1)化學成分見表3，符合標準GB/T3621—2007的相關指標要求；純鎳板(N6)化學成分見表4，符合標準GB/T5235—2007的相關指標要求；船用鋼板(CCS-B)化學成分見表5，符合CCS《材料與焊接規范》2012的相關指標要求。

表1　鋁合金板(5083)

表2　純鋁板(1060)

表3　鈦板(TA1)

表4　鎳板(N6)

表5　船用鋼板(CCS-B)

2實驗方案設計

2.1爆炸焊接

本文鋁-鋼復合板的生產工藝采用的是爆炸焊接方式，屬于一種特殊焊接技術。在生產過程中采用平行安裝法進行爆炸焊接，其裝置示意如圖1所示。

圖1　爆炸復合示意圖

2.2爆炸焊接工藝方案

試樣1#：5083、1060兩種材料和CCSB材料兩層一次復合在一起；

試樣2#：TA1和CCSB兩種材料先復合在一起，5083、1060兩種材料和TA1/CCSB復合材料再兩層一次復合在一起；

試樣3#：N6和CCSB兩種材料先復合在一起，TA1和N6/CCSB兩種材料再復合在一起，最后5083、1060兩種材料和TA1/N6/CCSB復合材料兩層一次復合在一起。

表6　實驗方案

3實驗結果分析

3.1性能分析

鋁鋼復合板生產完成后，在其相同位置進行取樣，并按照CCS《材料與焊接規范》2009對復合板最薄弱部位(即1060與其復合界面)進行強度檢驗，剪切強度的具體測定方法詳見GB/T 6396—2008 《復合鋼板力學及工藝性能試驗方法》，檢驗結果如表7所示。

表7　實驗測試

從表7剪切實驗結果可以看出，鋁-鋼(1060-CCSB)界面剪切強度最低，僅96 MPa；鋁-鈦/鋼(1060-TA2/CCSB)界面剪切強度次之，為130 MPa，相對鋁-鋼界面提高了35.42%；鋁-鈦/鎳/鋼(1060-TA2/N6/CCSB)界面剪切強度最高，為195 MPa，相對于鋁-鋼界面強度提高了103.13%；說明鎳作為中間層時鋁鋼復合板界面剪切強度遠遠高于鈦或鋁作為過渡層時鋁鋼復合板界面剪切強度，同時說明最弱界面剪切強度得到了較大改善。

從表7拉脫實驗結果可以看出，鋁-鋼(1060-CCSB)界面拉脫強度最低僅135 MPa；鋁-鈦/鋼(1060-TA2/CCSB)界面拉脫強度為178 MPa；鋁-鈦/鎳/鋼(1060-TA2/N6/CCSB)界面最高為236 MPa；說明鎳作為中間層時鋁鋼復合板界面拉脫強度遠遠高于鈦或鋁作為過渡層時鋁鋼復合板界面拉脫強度。

由此表明鎳作為過渡層，有效地提高了鋁鋼過渡接頭的結合強度。同時通過剪切和拉脫性能測試結果可以看出鎳作為過渡層時最弱界面的剪切強度和拉脫強度都是最高的，分別為195 MPa和236 MPa。

3.2金相分析

從試樣1#的金相中可以看到鋁和鋼界面幾乎沒有波形，且出現了熔化層等影響結合界面強度的物質，這主要是由于鋁和鋼的沖擊韌性相差較大，不容易出現波形，同時鋼的導熱系數比較小，界面間的熱量很難散失，導致界面過熱，產生熔化層等。

從試樣2#的金相中可以看出鋁和鈦界面波形較為平直，沒有像試樣1中生成熔化層等影響結合界面的物質，而試樣3#中鋁和鈦界面形成了比較理想的帶漩渦小波形。因此，選取鎳作為中間層的鋁鋼復合板的力學性能得到了很大提高，將會有更好的發展前景和實際應用價值。

圖2　試樣1#的鋁/鋼界面金相照片(500×)

圖3　試樣2#的鋁/鈦界面金相照片(500×)

4結論

1)鎳作為過渡層時復合板剪切強度為195 MPa,較鋁或鈦作為過渡層時剪切強度得到了很大提高，其界面剪切強度相當于鋁-鋼界面提高了103.13%；

2)鎳作為過渡層時復合板拉脫強度為236 MPa,較鋁或鈦作為過渡層時拉脫強度高；

3)實驗結果表明，鎳作為過渡層時鋁鋼復合板強度得到較大程度的提高，為艦艇向大型化發展奠定基礎。

參考文獻：

[1]王耀華.金屬板材爆炸焊接研究與實踐[M].北京：國防工業出版社,2007.

[2]李曉杰，閆鴻浩，王金相,等.爆炸焊接技術回顧與展望[J].襄樊職業技術學院學報，2003，2(2)：17-21.

[3]趙路遇.黃維學.鋁-鋼爆炸焊接接頭的制造和應用[J].材料開發與應用,2000,15(4):35-39.

[4]王建民.朱錫,劉潤全.爆炸焊接工藝對鋁/鋼復合板界面性能的影響[J].武漢理工大學學報,2007(7):103-105.

(責任編輯楊繼森)

本文引用格式：黃杏利，薛治國，穆緒梅，等.鋁鋼復合板結合性能研究[J].兵器裝備工程學報，2016(5):165-167.

Citation format:HUANG Xing-li,XUE Zhi-guo,MU Xu-mei,et al.Research on Aluminun/Steel Clad Plate with Explosive Welding[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2016(5):165-167.

Research on Aluminun/Steel Clad Plate with Explosive Welding

HUANG Xing-li,XUE Zhi-guo,MU Xu-mei,XIE Gang

(Xi’an Tianli Clad Metal Materials Co.,Ltd.,Xi’an 710201,China)

Abstract:Aluminun/steel composite plate was researched by Sample plates and mechanical properties.The results show that the shear strength of aluminun/steel composite plate using nickel has reached 195MPa and its pull-off strength has reached 235 MPa; It is far bigger than the binding strength of composite plate using titanium or aluminum.At the same time,it indicates that the bonding quality of the aluminum composite plate is improved effectively by using nickel as the aluminum/steel transition layer,which wides the using range of aluminun/steel composite plate.

Key words:explosive welding; aluminum/steel clad plate; bonding quality

doi:【基礎理論與應用研究】10.11809/scbgxb2016.05.039

收稿日期：2015-11-02；修回日期：2015-11-28

基金項目:國家高技術研究發展計劃(863計劃)(2013AA031303)

作者簡介：黃杏利(1982—)，女，碩士，工程師，主要從事金屬復合材料研究。

中圖分類號：TG456.6

文獻標識碼：A

文章編號：2096-2304(2016)05-0165-03