李豪，楊洋，趙惠，杜琦，黃海，胡康康

1.西安石油大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 陜西西安 710065

2.西安市高性能油氣田材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 陜西西安 710065

1 序言

爆炸焊接技術(shù)所需的裝置簡單，操作方便，加工成本低廉，同時(shí)該技術(shù)對工件表面清理要求較低，制備出的復(fù)合材料具有較高的結(jié)合強(qiáng)度，因此被廣泛地應(yīng)用在層狀復(fù)合材料生產(chǎn)中[1-5]。

鋁-鋼復(fù)合材料因兼具鋁及其合金的低密度、耐腐蝕和鋼的高強(qiáng)度優(yōu)點(diǎn)，在交通領(lǐng)域中具有較大的需求，如在船舶上采用鋁-鋼復(fù)合材料，可起到穩(wěn)固連接甲板（鋼材料）和船艙（鋁合金）的作用，從而保證船舶的安全運(yùn)行。但是，鋁合金與鋼的物理、化學(xué)性能差別較大，采用傳統(tǒng)熔化焊無法實(shí)現(xiàn)兩種材料的有效連接，因此爆炸焊接技術(shù)成為層狀鋁-鋼復(fù)合材料的主要制備技術(shù)[6-11]。但是，采用爆炸焊接方法制備鋁-鋼復(fù)合材料時(shí)，由于鋁元素和鐵元素化學(xué)或冶金相容性差，界面易生成大量的化合物，這些化合物硬且脆，嚴(yán)重影響復(fù)合材料的結(jié)合質(zhì)量，導(dǎo)致材料無法實(shí)現(xiàn)工程應(yīng)用，因此在實(shí)際生產(chǎn)過程中，為提高鋁-鋼復(fù)合材料的結(jié)合質(zhì)量，往往會(huì)引入純鈦或純鋁作為鋁合金與鋼材料的過渡層[6-10]，以提高復(fù)合材料的結(jié)合質(zhì)量。但是，界面是復(fù)合材料的薄弱位置，如果在制備鋁-鋼復(fù)合材料中使用過渡層，則材料內(nèi)部將會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)界面，從而提高了復(fù)合材料失效的風(fēng)險(xiǎn)。

為減少復(fù)合材料的界面問題，本次試驗(yàn)通過合理設(shè)計(jì)爆炸焊接參數(shù)，直接將鋁合金與鋼進(jìn)行復(fù)合連接，通過分析界面區(qū)域的微觀組織和力學(xué)性能檢測，來評估該類復(fù)合材料的結(jié)合質(zhì)量，為生產(chǎn)新型鋁-鋼復(fù)合材料提供數(shù)據(jù)支撐。

2 試驗(yàn)材料與方法

2.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用材料為船舶常用的5083鋁合金和船級鋼板（牌號CCSB），尺寸均為500mm×240mm×4mm，5083鋁合金與CCSB兩種材料的化學(xué)成分見表1。

表1 5083鋁合金和CCSB鋼板的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）（%）

2.2 試驗(yàn)與檢測

采用Axio Vert.A1型金相顯微鏡觀察5083-CCSB復(fù)合材料的微觀組織形貌。通過彎曲試驗(yàn)和剪切試驗(yàn)對復(fù)合材料的結(jié)合質(zhì)量進(jìn)行評估，兩種試驗(yàn)均在MODEL55100型電子萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，其中剪切試樣如圖1所示，彎曲試驗(yàn)的彎曲角為180°，彎心半徑為4t（t為5083鋁合金的厚度）。

圖1 5083-CCSB復(fù)合材料剪切試樣

3 結(jié)果與討論

爆炸焊接后，5083-CCSB復(fù)合材料試板的宏觀表面光滑完整，無燒蝕、褶皺等缺陷，鋁合金表面仍然保持金屬光澤（見圖2）。對復(fù)合材料側(cè)面（厚度方向）進(jìn)行滲透檢測（見圖3）。從圖3可看出，復(fù)合材料的界面無分層、開裂等缺陷。

圖2 爆炸焊接后的5083-CCSB試板

圖3 5083-CCSB滲透檢測后的試樣

為進(jìn)一步評估復(fù)合材料的結(jié)合質(zhì)量，對5083-CCSB復(fù)合材料的界面區(qū)域進(jìn)行微觀組織檢測，結(jié)果如圖4所示。從圖4a可看出，復(fù)合材料呈現(xiàn)出爆炸焊接特有的波形界面，界面均勻一致，無裂紋、分層和孔洞等缺陷，但界面處波峰前端存在熔化塊。從圖4b可看出，這些熔化塊呈斷續(xù)狀存在波峰處，這可能是在爆炸焊接過程中，5083鋁合金在爆炸載荷的作用下高速劇烈地撞擊CCSB鋼板，導(dǎo)致界面局部出現(xiàn)能量過大而產(chǎn)生熔化塊，但這些熔化塊是斷續(xù)地分布在波峰處，對界面的結(jié)合強(qiáng)度影響不大[7-9]。為觀察界面處熔化塊狀態(tài)，采用掃描電鏡（SEM）對復(fù)合板界面進(jìn)行檢測，結(jié)果如圖5所示。從圖5可看出，部分熔化塊內(nèi)部有裂紋，但這些熔化塊與5083鋁合金和CCSB鋼板連接緊密，兩種材料之間無分層等缺陷。

圖4 5083-CCSB界面微觀組織（OM）

圖5 5083-CCSB界面微觀組織（SEM）

對5083-CCSB復(fù)合材料進(jìn)行力學(xué)性能檢測，結(jié)果如圖6～圖8所示。從圖6可看出，剪切斷口均出現(xiàn)在界面處。從圖7可看出，復(fù)合材料的剪切強(qiáng)度分別為72MPa、81MPa和69MPa，平均值達(dá)到74MPa，達(dá)到CB 20091—2012《鋁合金-鋁-鋼（不銹鋼）復(fù)合過渡接頭規(guī)范》的要求（≥60MPa）[11]，這表明復(fù)合材料的結(jié)合強(qiáng)度滿足工程應(yīng)用需求。從圖8可看出，試樣彎曲到180°后，兩種材料仍然緊密地連接在一起，界面未出現(xiàn)分層與開裂等缺陷，結(jié)合質(zhì)量良好。

圖6 5083-CCSB復(fù)合材料剪切后的試樣

圖7 剪切試驗(yàn)結(jié)果

圖8 5083-CCSB復(fù)合材料彎曲后的試樣

4 結(jié)束語

采用爆炸焊接方法可以制備不添加過渡層的新型鋁-鋼復(fù)合材料，經(jīng)過對復(fù)合材料進(jìn)行微觀組織檢測和力學(xué)性能評估，得出以下結(jié)論。

1）復(fù)合材料的界面呈現(xiàn)出爆炸焊接特有的波形界面，且界面均勻完整、無分層。

2）界面處有熔化塊，這些熔化塊斷續(xù)地分布在波峰前端，部分熔化塊內(nèi)部有裂紋。

3）復(fù)合材料的剪切強(qiáng)度平均值為74MPa，達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求，彎曲試樣界面無裂紋和分層。檢測結(jié)果表明，新型鋁-鋼復(fù)合材料具有良好的結(jié)合質(zhì)量，可以進(jìn)行工程應(yīng)用。