一種不銹鋼?銅?鎂合金復合板的爆炸焊接加工方法與流程

本發明屬于復合板制備技術領域，尤其涉不銹鋼-銅-鎂復合板的爆炸焊接方法。

背景技術：

鎂合金固有的塑性變形能力低、表面缺口敏感性強、耐蝕性差等不足，使得鎂合金相對于眾多金屬材料的應用是相當受限的。目前改善鎂合金表面腐蝕性的方法有電鍍、化學鍍、熱噴涂等方法來為鎂合金表面添加金屬涂層，提高鎂合金基體的腐蝕性。上述操作復雜，不適合制造大面積的鎂合金板材，且涂層薄，易脫落，涂層對鎂合金基體的力學性能沒有改善。

不銹鋼是能夠抵抗酸、堿、鹽及其溶液與其它一些腐蝕介質腐蝕的一種高合金鋼，造價低廉，是工業生產中應用最廣泛的金屬之一。不銹鋼除優秀的耐蝕性外，還具有優良的機械強度、耐高溫氧化性及韌性。鑒于不銹鋼具有塑性高、抗腐蝕的特征，如果將鎂合金與不銹鋼結合制成層狀復合板，不僅可以提高鎂合金材料表面耐蝕性能，還可以提高鎂合金基體材料的綜合力學性能，滿足材料的服役要求。這是拓寬鎂合金板材應用的有效途徑，具有重要的實用意義。

復合板制造主要有爆炸焊接和軋制兩種方法，軋制連接對設備精度要求高，組坯復雜，制造成本高，且在軋制過程中，由于上下軋輥壓力不同，容易造成軋制板受力不均勻，導致開裂。爆炸焊接法應用廣泛，可實現多種金屬雙層和多層的組合，瞬間成形，結合強度高。由鎂鐵二元相圖知道，鎂鐵元素熔點相差大，且二者溶解度為零，也無金屬間化合物產生，因此用傳統的爆炸焊接工藝很難實現二者的高強度結合。鎂合金塑性差，也是實施爆炸焊接的難點。

發明目的

本發明的目的是針對背景技術的狀況，通過焊前對鎂合金材料的韌化處理，利用特定的爆炸焊接工藝，利用銅板作為過渡層，實現了冶金上難溶，熔點相差大的不銹鋼與鎂合金的連接，制成不銹鋼銅鎂合金復合板可提高鎂合金基體表面耐蝕性和綜合力學性能，本發明有助于擴大鎂合金板的使用范圍。

一種不銹鋼-銅-鎂合金復合板的爆炸焊接加工方法，其特征在于：使用不銹鋼為復層，鎂合金為基層，薄銅板為過渡層，使用膨化硝銨混合炸藥做為爆炸能源。

一種不銹鋼-銅-鎂合金復合板的爆炸焊接加工方法，包括以下步驟：

（1）選擇鎂合金板和不銹鋼板作為爆炸焊接的母材，并對鎂合金退火韌化，退火溫度為300℃，保溫時間為120min；

（2）用角磨機將不銹鋼板待結合界面、鎂合金板待結合界面進行初打磨，然后用600目的砂紙進行精打磨，使待結合面粗糙度Ra不超過2μm；薄銅板上下表面用600目砂紙打磨，使薄銅板上下表面粗糙度不超過2μm；

（3）將打磨后的不銹鋼板、薄銅板和鎂合金板組對進行爆炸焊接：

ⅰ.在地面上面固定橡膠緩沖層；

ⅱ.將鎂合金板放置在緩沖層上；

ⅲ.將銅質間隙柱垂直放置在鎂合金板上面，銅質間隙柱之間的間距為100mm，銅質間隙柱高度為（1.5~3）×不銹鋼板的厚度；

ⅳ.將薄銅板放置在銅質間隙柱上，薄銅板與鎂合金板平行；

ⅴ.在薄銅板上面放置銅質間隙柱，銅質間隙柱之間的間距為100mm，銅質間隙柱高度為（1.5~3）×不銹鋼板的厚度，銅質間隙柱與薄銅板保持垂直；

ⅵ.在薄銅板上放置不銹鋼板，不銹鋼板與鎂合金板平行；

ⅶ.在不銹鋼板上層表面及四周邊緣均勻涂抹厚度為2mm的黃油；

ⅷ.將牛皮紙藥框與不銹鋼板四周邊緣黃油粘結；

ⅸ. 黃油上面不等厚鋪設一層炸藥，起爆端炸藥厚度大于爆炸結尾端炸藥厚度；炸藥層從起爆端到爆炸結束端平滑過渡；

ⅹ.將雷管插入炸藥層，插入炸藥層的雷管長度大于起爆端炸藥厚度的二分之一，并在雷管周圍5~10mm半徑范圍內添加5~8mg黑索金；

（4）將爆炸合成的不銹鋼-銅-鎂合金三層復合板進行退火處理，以10℃/秒的速度升溫至退火溫度200℃，保溫時間60min，保溫結束后，復合板隨爐冷卻，然后在矯平機上校平；

（5）用剪板機剪掉復合板四周未焊合區域，打磨不銹鋼上表面側殘留的黃油，得到不銹鋼-銅-鎂合金三層復合板；

（6）不銹鋼-銅-鎂合金三層復合板的結合率是99.8%，拉剪強度為165~183Mpa，鎂元素和銅元素之間互相發生擴散，銅元素和鐵元素之間互相發生擴散；

所述銅質間隙柱為一塊長度是20mm，寬度=銅質間隙柱的高度=（1.5~3）×不銹鋼板的厚度，厚度是0.5mm的長方形板，在長方形板的長度方向彎曲若干折，彎曲角為100~120度；彎曲邊與結合面接觸。

所述鎂合金板包括AZ31B鎂合金板；

所述不銹鋼板包括2205、316L、304不銹鋼板；

所述薄銅板包括T2紫銅板；

所述鎂合金板的長、寬尺寸均小于不銹鋼板50mm；

所述鎂合金板的長、寬尺寸均小于薄銅板板50mm；

所述薄銅板與不銹鋼板大小相等；

所述炸藥采用膨化硝銨炸藥（硝酸銨85%、柴油3%、木屑8.5%、工業用鹽3.5%），密度0.85g/cm3，爆炸速度2500~2700m/s。

本發明與現有技術相比，具有下述明顯的技術先進性：

（1）不銹鋼復在鎂合金上，可有效改善鎂合金表面易被腐蝕的特點，同時合成的復合板強度高于鎂合金基體。

（2）添加銅層作為過渡層，實現了冶金上難溶，熔點相差很大的不銹鋼和鎂合金高效連接。過渡層與不銹鋼、鎂合金分別產生冶金結合，進而提高了復合板層間結合強度。

（3）應用爆炸焊接生產鎂鋼復合板相對于軋制加工而言，優勢在于，基復板面積，厚度不受限制，爆炸焊接制成的復合板的板面尺寸，厚度可根據需要配置兩種母材的組合比例。不受設備限制，制造成本低。三層板一次性爆炸成型，操作簡便。

（4）爆炸前對鎂合金板材進行退火韌化處理，防止爆炸過程鎂合金脆裂。

（5）利用橡膠氣墊緩沖，防止地面反沖力造成塑性差的鎂合金板開裂。

（6）利用不等厚布藥的焊接工藝，減少了復合板邊緣未焊合區域的大小。

（7）顯微組織觀察界面處無氣孔，裂紋等缺陷，界面結合牢固，界面拉剪強度165~183Mpa。

附圖說明

圖1是不銹鋼-銅-鎂合金復合板爆炸焊接裝置示意圖；

圖中：1、土質地基，2、橡膠底座，3鎂合金板，4第一層間隙柱，5、紫銅板，6第二層間隙柱，7、不銹鋼板，8、黃油，9、藥框，10、硝銨炸藥，11、電雷管。

圖2是爆炸焊接不銹鋼-銅-鎂合金復合板界面微觀形貌；

圖中:A、不銹鋼層，B、銅層，C、鎂合金層；

圖3是不銹鋼-銅-鎂合金復合板界面位置鐵、銅元素線掃描圖；

圖4是不銹鋼-銅-鎂合金復合板界面位置銅、鎂元素線掃描圖；

圖5是本發明中間隙柱的彎曲邊的形狀圖。

具體實施方式1

（1）選擇AZ31B鎂合金板和2205不銹鋼板作為爆炸焊接的母材；T2紫銅板作為過渡層。

AZ31B鎂合金板的規格是1050mmX600mmX3mm；

T2紫銅板的規格是1100 mmX650mmX0.5mm；

2205不銹鋼板的規格是1100 mmX650mmX2mm;

爆炸焊接前，AZ31B鎂合金板退火韌化，退火溫度300℃，保溫時間120min。

（2）采用機械打磨的方法，去除三種材料待結合界面的氧化層及雜質；

鎂合金板和不銹鋼板待結合面，采用安裝砂輪片、鋼絲刷的角磨機將不銹鋼板和鎂合金板待結合界面初打磨，然后用600目的砂紙精打磨，使待結合面粗糙度Ra不超過2μm。

紫銅板上下表面直接用600目砂紙打磨，表面粗糙度不超過2μm。打磨結束后，準備實施爆炸焊接。

（3）將處理好的不銹鋼板、紫銅板和鎂合金板組對進行爆炸焊接；

（4）爆炸焊接在土質地面上進行，周邊30米半徑內無其他物體，在土地上放置2000mm X2000mmX5mm的橡膠緩沖層，橡膠緩沖層與地面固定，緩沖層用來減少爆炸發生后，地面對復合板向上的沖擊力。將基板鎂合金板放置在緩沖層上；

（5）將銅質間隙柱放置在鎂合金板待結合面上，間隙柱之間的間距為100mm，間隙柱采用銅薄片，間隙柱長20mm，厚是0.5mm，高是4mm，間隙柱與鎂合金板保持垂直；

（6）將紫銅板放置在間隙柱上，紫銅板與鎂合金板平行，在紫銅板上面放置銅質間隙柱，間隙柱之間的間距為100mm，間隙柱采用銅薄片，間隙柱長20mm，厚是0.5mm，高是4mm，間隙柱與紫銅板保持垂直；

（7）在紫銅板上面放置復層不銹鋼板，不銹鋼板與基板平行；

（8）在不銹鋼板上表面及四周邊的側面涂抹黃油作為緩沖層，涂抹黃油厚度為2mm；

（9）將牛皮紙藥框與黃油粘結。

（10）將膨化硝銨混合炸藥以不等厚度鋪在黃油上面，從起爆端到爆炸結束端鋪設炸藥厚度逐漸遞減，起爆端炸藥厚度為40mm，爆炸結尾端炸藥厚度是30mm；炸藥層從起爆端到爆炸結束端平滑過渡；

（11）將雷管安裝在起爆端炸藥邊緣，雷管插入炸藥深度為25mm，在雷管周圍5~10mm半徑范圍內均勻添加5~8mg黑索金；雷管引線大于40米外。

（12）在遠處，利用引爆器引爆雷管，炸藥產生的高能沖擊從復板傳向過渡層在到基板，瞬間爆炸焊接完成。

炸藥采用膨化硝銨炸藥（硝酸銨85%、柴油3%、木屑8.5%、工業用鹽3.5%），密度0.85g/cm3，爆炸速度2500~2700m/s。

（13）將爆炸合成的不銹鋼-銅-鎂合金三層復合板進行退火；為消除爆炸焊接后復合板殘余應力，在電阻加熱箱內進行退火處理，以10℃每秒的速度升溫至退火溫度200℃，保溫時間60min；保溫結束后，復合板隨爐冷卻；

（14）在矯平機上校平；

（15）用剪板機剪掉復合板四周未焊合區域，打磨不銹鋼板上表面殘留的黃油，得到不銹鋼-銅-鎂合金三層復合板；

（16）按照GB/T 7734-2015復合板超聲波檢驗的要求對復合板進行探傷，探傷結果表明復合板結合率99.8%；

（17）根據GB/T6369-2008，測試復合板界面拉剪強度，界面的拉剪強度為180.0Mpa，對拉剪斷裂界面進行面掃描分析，發現兩斷裂面的組成元素全部為銅，說明拉剪斷裂沿銅過渡層斷裂，說明界面結合強度高；

（18）利用掃面電鏡SEM觀察結合界面，界面結合完好，無氣孔、裂紋等缺陷；

（19）利用EDS在界面附近做線掃面分析，鎂元素和銅元素、銅元素和鐵元素之間互相發生擴散，說明兩種材料通過擴散反應實現了冶金結合。

具體實施方式2

（1）選擇AZ31B鎂合金板和316L不銹鋼板作為爆炸焊接的母材；T2紫銅板作為過渡層。

AZ31B鎂合金板的規格是650mmX450mmX8mm；

T2紫銅板的規格是700mmX500mmX0.5mm；

316L不銹鋼板的規格是700mmX500mmX2mm；

爆炸焊接前，AZ31B鎂合金板退火韌化，退火溫度300℃，保溫時間120min。

（2）采用機械打磨的方法，去除三種材料待結合界面的氧化層及雜質；

鎂合金板和不銹鋼板待結合面，采用安裝砂輪片、鋼絲刷的角磨機將不銹鋼板和鎂合金板待結合界面初打磨，然后用600目的砂紙精打磨，使待結合面粗糙度Ra不超過2μm。

紫銅板上下表面直接用600目砂紙打磨，表面粗糙度不超過2μm。打磨結束后，準備實施爆炸焊接。

（3）將處理好的不銹鋼板、紫銅板和鎂合金板組對進行爆炸焊接；

（4）爆炸焊接在土質地面上進行，周邊30米半徑內無其他物體，在土地上放置2000mm X2000mmX5mm的橡膠緩沖層，橡膠緩沖層與地面固定，緩沖層用來減少爆炸發生后，地面對復合板向上的沖擊力。將基板鎂合金板放置在緩沖層上；

（5）將銅質間隙柱放置在鎂合金板待結合面上，間隙柱之間的間距為100mm，間隙柱采用銅薄片，間隙柱長20mm，厚是0.5mm，高是4mm，間隙柱與鎂合金板保持垂直；

（6）將過渡層紫銅板放置在間隙柱上，紫銅板與鎂合金板平行，在紫銅板上面放置銅質間隙柱，間隙柱之間的間距為100mm，間隙柱采用銅薄片，間隙柱長20mm，厚是0.5mm，高是4mm，間隙柱與紫銅板保持垂直；

（7）在紫銅板上面放置復層不銹鋼板，不銹鋼板與基板平行；

（8）在不銹鋼板上表面及四周邊的側面涂抹黃油作為緩沖層，涂抹黃油厚度為2mm；

（9）將牛皮紙藥框與黃油粘結。

（10）將膨化硝銨混合炸藥以不等厚度鋪在黃油上面，從起爆端到爆炸結束端鋪設炸藥厚度逐漸遞減，起爆端炸藥厚度為40mm，爆炸結尾端炸藥厚度是30mm；炸藥層從起爆端到爆炸結束端平滑過渡；

（11）將雷管安裝在起爆端炸藥邊緣，雷管插入炸藥深度為25mm，在雷管周圍5~10mm半徑范圍內均勻添加5~8mg黑索金；雷管引線大于40米外。

（12）在遠處，利用引爆器引爆雷管，炸藥產生的高能沖擊從復板傳向過渡層在到基板，瞬間爆炸焊接完成。

炸藥采用膨化硝銨炸藥（硝酸銨85%、柴油3%、木屑8.5%、工業用鹽3.5%），密度0.85g/cm3，爆炸速度2500~2700m/s。

（13）將爆炸合成的不銹鋼-銅-鎂合金三層復合板進行退火；為消除爆炸焊接后復合板殘余應力，在電阻加熱箱內進行退火處理，以10℃每秒的速度升溫至退火溫度200℃，保溫時間60min；保溫結束后，復合板隨爐冷卻；

（14）在矯平機上校平；

（15）用剪板機剪掉復合板四周未焊合區域，打磨不銹鋼板上表面殘留的黃油，得到不銹鋼-銅-鎂合金三層復合板；

（16）按照GB/T 7734-2015復合板超聲波檢驗的要求對復合板進行探傷，探傷結果表明復合板結合率99.8%；

（17）根據GB/T6369-2008，測試復合板界面拉剪強度，界面的拉剪強度為165.0Mpa，對拉剪斷裂界面進行面掃描分析，發現兩斷裂面的組成元素全部為銅，說明拉剪斷裂沿銅過渡層斷裂，說明界面結合強度高；

（18）利用掃面電鏡SEM觀察結合界面，界面結合完好，無氣孔、裂紋等缺陷；

（19）利用EDS在界面附近做線掃面分析，鎂元素和銅元素、銅元素和鐵元素之間互相發生擴散，說明兩種材料通過擴散反應實現了冶金結合。

具體實施方式3

（1）選擇AZ31B鎂合金板和304不銹鋼板作為爆炸焊接的母材；T2紫銅板作為過渡層。

AZ31B鎂合金板的規格是700mmX450mmX8mm；

T2紫銅板的規格是750mmX500mmX1mm；

304不銹鋼板的規格是750mmX500mmX3mm；

爆炸焊接前，AZ31B鎂合金板退火韌化，退火溫度300℃，保溫時間120min。

（2）采用機械打磨的方法，去除三種材料待結合界面的氧化層及雜質；

鎂合金板和不銹鋼板待結合面，采用安裝砂輪片、鋼絲刷的角磨機將不銹鋼板和鎂合金板待結合界面初打磨，然后用600目的砂紙精打磨，使待結合面粗糙度Ra不超過2μm。

紫銅板上下表面直接用600目砂紙打磨，表面粗糙度不超過2μm。打磨結束后，準備實施爆炸焊接。

（3）將處理好的不銹鋼板、紫銅板和鎂合金板組對進行爆炸焊接；

（4）爆炸焊接在土質地面上進行，周邊30米半徑內無其他物體，在土地上放置2000mm X2000mmX5mm的橡膠緩沖層，橡膠緩沖層與地面固定，緩沖層用來減少爆炸發生后，地面對復合板向上的沖擊力。將基板鎂合金板放置在緩沖層上；

（5）將銅質間隙柱放置在鎂合金板待結合面上，間隙柱之間的間距為100mm，間隙柱采用銅薄片，間隙柱長20mm，厚是0.5mm，高是5mm，間隙柱與鎂合金板保持垂直；

（6）將過渡層紫銅板放置在間隙柱上，紫銅板與鎂合金板平行，在紫銅板上面放置銅質間隙柱，間隙柱之間的間距為100mm，間隙柱采用銅薄片，間隙柱長20mm，厚是0.5mm，高是4mm，間隙柱與紫銅板保持垂直；

（7）在紫銅板上面放置復層不銹鋼板，不銹鋼板與基板平行；

（8）在不銹鋼板上表面及四周邊的側面涂抹黃油作為緩沖層，涂抹黃油厚度為2mm；

（9）將牛皮紙藥框與黃油粘結。

（10）將膨化硝銨混合炸藥以不等厚度鋪在黃油上面，從起爆端到爆炸結束端鋪設炸藥厚度逐漸遞減，起爆端炸藥厚度為45mm，爆炸結尾端炸藥厚度是30mm；炸藥層從起爆端到爆炸結束端平滑過渡；

（11）將雷管安裝在起爆端炸藥邊緣，雷管插入炸藥深度為30mm，在雷管周圍5~10mm半徑范圍內均勻添加5~8mg黑索金；雷管引線大于40米外。

（12）在遠處，利用引爆器引爆雷管，炸藥產生的高能沖擊從復板傳向過渡層在到基板，瞬間爆炸焊接完成。

炸藥采用膨化硝銨炸藥（硝酸銨85%、柴油3%、木屑8.5%、工業用鹽3.5%），密度0.85g/cm3，爆炸速度2500~2700m/s。

（13）將爆炸合成的不銹鋼-銅-鎂合金三層復合板進行退火；為消除爆炸焊接后復合板殘余應力，在電阻加熱箱內進行退火處理，以10℃每秒的速度升溫至退火溫度200℃，保溫時間60min；保溫結束后，復合板隨爐冷卻；

（14）在矯平機上校平；

（15）用剪板機剪掉復合板四周未焊合區域，打磨不銹鋼板上表面殘留的黃油，得到不銹鋼-銅-鎂合金三層復合板；

（16）按照GB/T 7734-2015復合板超聲波檢驗的要求對復合板進行探傷，探傷結果表明復合板結合率99.8%；

（17）根據GB/T6369-2008，測試復合板界面拉剪強度，界面的拉剪強度為183.0Mpa，對拉剪斷裂界面進行面掃描分析，發現兩斷裂面的組成元素全部為銅，說明拉剪斷裂沿銅過渡層斷裂，說明界面結合強度高；

（18）利用掃面電鏡SEM觀察結合界面，界面結合完好，無氣孔、裂紋等缺陷；

（19）利用EDS在界面附近做線掃面分析，鎂元素和銅元素、銅元素和鐵元素之間互相發生擴散，說明兩種材料通過擴散反應實現了冶金結合。

本發明所述間隙柱為一塊長度是10mm，寬度=銅質間隙柱的高度=（1.5~3）×不銹鋼板的厚度，厚度是0.5mm的長方形板，在長方形板的長度方向彎曲若干折，彎曲成圖5所示的彎曲邊，彎曲角為100~120度；彎曲邊與結合面接觸。

本發明所述的99.8%界面結合率是去掉邊緣未結合區域后的結合率。