爆炸焊鋁－鋁－鋼復合板界面連接特性研究

中圖分類號：U671 文獻標志碼：A

Interface Connection Characteristics ofExplosive Welded Aluminum-Aluminum-Steel Composite Plate

DAIQiguo，SUNGuozhi， XUHaibo（Jiangxi JiangxinShipbuildingCo.，Ltd.，Jiujiang3325o0，China）

Abstract： Explosive welding technology was used to prepare a composite plate consisting ofa 5 083 aluminum alloy cover plate，B steel substrate， and a 1 0 6 0 pure aluminum intermediate layer. The microscopic structure and composition of the composite plate interface were studied through instrumental analysis.The experimental results indicatethatintheexplosive weld jointregion，intermetaliccompoundssignificantly increasedtheoverallhardness of the interface， with the maximum hardness observed at the metal compound at the aluminum-steel bonding interface.This aluminum-steel composite plate successfully combines the corrosion resistance and lightweight advantages of aluminum alloy with the high hardness and wear resistance benefits of steel.

Key words： explosive welding; aluminum-aluminum-steel composite plate； microscopic observation; EDS; hardness

1 引言

在經濟飛速發展的今天，傳統單一材料已難滿足現代工業對材料性能的多元化需求，因此，為滿足單一材料同時擁有多種性能，研究出一種通過焊接的方式使兩種或者多種金屬結合，即爆炸焊。例如，鋁與鋼可以通過爆炸焊形成復合板材，這種板材既保留了貴金屬的化學特性，又兼具了便宜金屬優良的物理特性。這不僅可以減少未來船廠對貴金屬的購買成本，還能使材料滿足實際使用要求[1]。

2 試驗材料及試驗方法

2.1試驗材料

本實驗材料為鋁-鋁－鋼爆炸焊復合板，采用

1060鋁合金作為中間層，上層為5083鋁合金，下層為CCSB鋼。

1）復合板成分

本文所選用的復合板成分如表1～表3所示，

2）復合板各材料機械性能

所選材料機械性能如表4所示。

2.2鋁-鋼復合板制備方法

爆炸焊是通過炸藥爆炸產生能量，使覆板與基板在瞬時的冶金過程中達到原子間結合的一種焊接技術[2]。通過爆炸焊連接具有焊縫免維護、焊縫工藝簡單、焊接強度高和不易松脫等特點。但鋁－鋼爆炸復合板在制備過程中選取的焊接參數對結合界面的質量影響較大4。當焊接參數較小時，會造成鋁鋼難以復合；當焊接參數較大時，會造成鋁側金屬熔化過渡，從而生成脆性金屬間化合物，導致結合界面質量下降。選擇合適的參數對爆炸焊制備復合板極為重要。

2.3爆炸焊結合界面

爆炸焊制備復合板的過程比較特殊，融合了壓力焊、熔化焊和擴散焊的特點，由于爆炸焊的瞬時性，發生的反應也復雜多變，因此涉及到多種學科理論。目前有關爆炸焊界面形態被普遍接受的有：波形結合、線性結合以及連續熔化層結合，其中較為理想的結合方式為類似于正弦波的波形結合。

2.4試驗方法

試驗所使用的方法有：金相觀察、掃描電鏡觀察和硬度測試。

1）金相觀察

本次金相試驗所選用的試樣規格為 3 3 m m× 2 0 m m × 2 0 m m ，如圖1所示。

2）掃描電鏡觀察

本試驗采用的儀器為帶有EDS能譜儀的TESCAVEGA型掃描電子顯微鏡。

3 試驗結果與分析

3.1金相顯微分析

本次金相試驗按是否垂直于爆炸焊的方向及不同的結合界面進行分析，具體分為三個部分：平行于爆炸焊方向的鋁-鋁結合界面、垂直于爆炸焊方向上的鋁－鋁結合界面以及垂直于爆炸焊方向上鋁－鋼結合界面]。

1）鋁－鋁結合界面分析

對平行于爆炸焊方向和垂直于爆炸焊方向上的鋁－鋁結合界面進行分析，并對比兩個方向上結合界面的波形差異。

（1）平行于爆炸焊方向鋁－鋁結合界面分析

圖2a）中鋁-鋁界面呈現呈正弦波狀，波長約1 . 2 5 m m ，波高 0 . 6 0 m m 。 5 0 8 3 鋁合金側的波峰處有勾人 1 0 6 0 鋁合金側的“半島”組織。在圖2b）中在接近結合處有部分區域出現了裂紋，這對材料的使用影響小。在圖2c）和d）圖中，靠近結合界面的區域內，有黑色團狀物出現，這可能是空洞或者熔融物，因爆炸焊過程中會產生高溫，使結合處的金屬產生熔化，在冷卻過程中形成“黑團”，對復合板的質量有所影響，適當地對爆炸焊參數進行調整和優化，可減少“黑團”在復合板中形成。

5083鋁合金和1060鋁合金在沿爆炸焊方向上的界面結合狀態良好，依據為在結合區域內呈現出有規律的正弦波結構。

（2）垂直于爆炸焊方向鋁－鋁結合界面分析

圖3a）上層為1060鋁合金，下層為5083鋁合金。該結合界面沒有明顯規律的波形結構，而是呈現出微波形。該部分未形成爆炸焊方向上規律波形的原因是爆炸焊在該方向產生的向下沖擊力遠大于水平方向的沖擊力，從而造成該界面呈現出直接結合，并在部分水平分力作用下，產生了細微的波形結構。如圖3b）所示，可觀察到大量的1060鋁合金滲入到5083鋁合金中，并且在該區域內出現了細小的裂紋。

2）鋁－鋼結合界面分析

對垂直于爆炸焊方向上鋁-鋼結合界面進行分析：在圖4a）中，靠近結合區域的鋼出現晶粒拉長現象，并鋁側形成金屬間化合物將部分被拉長晶粒包裹的區域，因爆炸焊中的高溫使鋁先熔化，部分鋼擴散到鋁側，在溫度降低后，鋁和鋼形成的金屬間化合物將這部分鋼包裹；圖4b），在鋁-鋼結合部位中有部分白色區域，初步斷定為腐蝕不完全，導致其觀察為白色并無法觀察到組織，有少量鋁組織被金屬間化合物包裹，存在幾條細小裂紋；圖4c）中上層為CCSB鋼，下層為1060鋁合金，呈現連續的熔化層結合，該方向未受爆炸焊沖擊波影響，但受到所產生的大量熱量和向下的沖擊力；圖4d）中形成漩渦區，漩渦和鋼側的晶粒均出現拉長現象，由于爆炸焊產生的高溫和沖擊力導致晶粒細化，該區域內出現大量的金屬間化合物將漩渦包圍；圖4e），顯示結合部分靠近鋼側存在許多細小的裂紋，裂紋附近有許多黑色物體存在，初步斷定為金屬間化合物。

3.2掃描電鏡分析

對爆炸焊方向上鋁－鋁結合界面、爆炸焊方向上鋁-鋼結合界面的二次電子圖進行了分析。對鋁－鋼結合界面進行了EDS掃描和結合界面過渡層中生成的鋁鐵化合物進行分析。

1）鋁－鋁結合界面分析

圖5顯示鋁－鋁結合界面波形，呈正弦分布且具有周期波峰及波谷清晰可見。該結合界面形成了規律的波形說明對鋁－鋁結合界面在這次制備過程中產生的碰撞速度和形成的碰撞角度是適當的。圖6為圖5中波谷處放大背散射圖，顯示兩側鋁基體因成分不同而亮度也不同，存在許多亮度較低的成分，這與兩側基體內的元素含量相關。觀察到有元素聚集，并呈現出類似漩渦的現象。

鋁－鋁結合界面結合良好，未形成類似鋁－鋼結合界面中產生的金屬間化合物。根據理論爆炸焊界面形態中，結合質量良具有周期性的正弦波形，因此在爆炸焊方向上鋁－鋁結合界面的結合質量良好。

2）鋁－鋼結合界面分析

為了解爆炸焊鋁－鋼結合界面的微觀特征，并對爆炸焊方向上的結合界面進行了EDS分析。

爆炸焊方向上鋁－鋼結合界面分析的二次電子圖（見圖7）顯示，部分區域為鋁基體和鋼基體直接結合，部分區域為化合物過渡結合。這種現象的原因：直接結合區，碰撞速度較低，并沒有形成射流；隨著爆炸焊的進行射流逐漸形成并不斷增加，在基板所受的剪切應力和爆炸焊產生的高壓下，開始發生塑性變形，隨著碰撞點向前推進，碰撞速度逐漸升高，并在高溫的作用下，逐漸形成化合物過渡結合區。在圖7b）由金屬間化合物包圍鋼的現象，由于部分鋼基體在爆炸過程中被分裂開，并游離在液態鋁中，在焊接過程結束時，外側鋼組織與鋁發生反應生成鋁-鐵化合物將內部未反應的鋼組織包裹，從而形成這一現象。

圖8為鋁－鋼結合界面的線掃描結果，該熔化層寬度約為 1 6 5 μ m ，結合界面的成分復雜，并存在基體的熔化顆粒。通過EDS分析，界面處因高溫高壓下發生了較為嚴重的塑性變形，從而形成鋁鐵金屬間化合物，結合鋁鐵二元相圖，如圖9所示。隨著鋁含量的升高，依次形成 、FeAl、 、 和 。線掃描，在過渡層與兩側基體交界處元素含量急劇變化，過渡層中表現出相互擴散的趨勢。對比線掃描區域發現，有一塊被化合物包裹的鋼組織，其寬約為 3 0 μ m . ，該部分組織元素與鋼基體的元素組成一致。

圖10顯示了爆炸焊形成的“全島”組織，表5為EDS點掃描分析結果。該區域存在許多貫穿化合物層的裂紋。位置1和位置2分別位于該區域中心位置的白色區域和包裹白色區域的基體中。位置1的鋁鐵原子比約為1.38：1，位置2的原子比值約為2.09：1，接近 的原子比值，推斷該區域要析出相為 和 。在該生成的鋁－鐵化合物屬于脆性化合物，在焊后冷卻過程中，內應力的作用下易產生裂紋，導致開裂，這解釋了圖 1 0 b ）中觀察到的裂紋產生原因。

在圖 1 1 b ）中，位置1鋁原子含量超過 9 5 % ，靠近鋁側部位，主要析出相為1060鋁，含有少量的氧原子，可能存在氧化。位置2的鋁鋼原子比約為8：1，可能析出FeAl相和鋁的固溶體。位置3所測區域在二次電子圖中顯示出黑色，主要含鋁、鐵和氧原子，少量鐵原子，可能存在鐵，鋁的氧化物共存。位置4中所測到的鋁鐵原子比約為2.33：1，推斷主要析出相為 。位置5為包圍鋼組織的局部金屬化合物組織，在該部分鋁鐵原子含量比約為4：1，主要為FeAl相和鋁的固溶體。在該過渡區域內，所生成的化合物種類繁多，推測這將影響該結合區域的性能變化（見表6）。

對點掃描結果分析，確定爆炸焊制備的鋁－鋁－鋼復合板在鋁－鋼結合界面中會生成鋁-鐵化合物，不同位置的化合物不一定相同。這些金屬間化合物會嚴重影響復合板的結合強度，其脆性大，塑性變形的能力小，使化合物層在焊接殘余應力的作用易被破壞，形成裂紋以及孔洞，從而造成接頭性能下降。在爆炸焊接中，應采用小藥量，減少熔化層和脆性化合物的生成。

3.3硬度分析

通過測量爆炸焊方向上兩條硬度曲線發現，整個界面的硬度都有所升高，出現原因是在爆炸焊過程中會產生較大的沖擊力，使結合界面內的金屬發生劇烈的塑性變形，在極其劇烈的塑性變形下，材料會發生高密度的位錯和動態再結晶，這些變化必然會造成金屬界面硬度提升的現象。在鋁－鋼結合界面處均測量出硬度最大值，這是因為在鋁－鋼結合界面處的金屬發生了冶金反應，并且生成了硬度極高的脆性鋁-鐵間金屬化合物，這種金屬間化合物的顯微硬度在 之間，解釋了硬度最大值處于鋁-鐵結合界面處的原因。

3.4小結

主要對鋁－鋁－鋼爆炸復合板的結合界面進行了金相分析，了解到不同方向上結合界面的形貌特征也不相同，在平行于爆炸焊方向上的結合界面呈現出一定的規律，而在垂直于爆炸焊方向上的結合界面無明顯規律，但均表現出鋼側晶粒在靠近結合區部分發生晶粒拉長現象。在本章節中通過能譜儀EDS分析介紹了在鋁－鋼結合區中主要生成的金屬間化合物。通過對爆炸焊方向上鋁－鋁結合界面的波峰、波谷列硬度進行測試，發現均表現出在靠近結合區域的硬度有所增加的現象，且均在鋁－鋼結合界面處測得最大硬度值。

4結論

以鋁－鋁－鋼爆炸焊復合板的界面結合特性為目的，對復合板結合界面進行了組織分析和硬度測試，試驗結果表明：

1）沿爆炸焊方向，鋁－鋁結合界面呈現出規律的正弦波形，經測量，波長約為 1 . 2 5 m m ；鋁-鋼結合界面呈現出直接結合和熔融層結合并存現象，并且在熔化層生成金屬間化合物；

2）通過能譜分析，發現鋁-鋁-鋼爆炸復合板在鋁－鋼結合界面上形成的主要金屬間化合物有 、 、 和 ，并在鋁－鋼結合界面中還存在部分金屬氧化物；

3）經爆炸焊后，界面整體硬度得到提升；結合界面的硬度最高，兩側的硬度逐漸下降并趨近于一個穩定值；硬度最高值在鋁－鋼結合界面附近的金屬間化合物上。

參考文獻

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