LNG船用铝/钛/镍/不锈钢四层复合板的制造方法

摘要

本发明公开了一种LNG船用铝/钛/镍/不锈钢四层复合板的制造方法，采用爆炸焊接技术，通过三次分层爆炸焊接的方法，制造获得性能优良的铝/钛/镍/不锈钢四层复合板。本发明公开的四层不同材料的排列方式，既充分考虑了各不同材料在爆炸焊接制造过程中相互结合的力学性能，又充分利用了各不同材料的热传导率的差异，使得四层复合材料成为热传导率梯度材料，有利于所制造的四层复合过渡接头在熔化焊接过程中热量的传导控制，保证各层材料结合界面的力学结构可靠性。本发明尤其适用于LNG船甲板与铝合金储存容器的连接处，用作过渡接头使用。

说明书

技术领域

本发明属于金属复合材料制造技术领域，特别涉及专用于LNG船甲板与液 化天然气铝合金储存容器连接的过渡接头的制造方法。

背景技术

大型液化天然气（Liquefied Natural Gas）运输船，简称LNG船，是天然气 通过海上运输的主要工具。天然气的液化储存运输温度为-163℃。船体与低温容 器连接处附近的材料通常处于较低的温度状态，而低温对于大型液化天然气船 的安全性构成巨大威胁。这是因为，材料在低温条件下时，其拉伸、冲击力学 性能都会发生变化，尤其是冲击性能，会因温度的降低而急剧下降，因此，LNG 船的甲板材料的选择非常重要。

发明内容

本发明旨在提供一种专用于LNG船上储存液化天然气铝合金容器结构材料 与船甲板结构不锈钢焊接连接的过渡连接材料，尤其改进过渡接头复合材料不 同金属材料的排列顺序。这种连接材料能够保证铝合金容器与船甲板材料通过 本发明的四层复合过渡接头焊接连接在一起，实现铝合金容器与船体为一体的 建造结构，使LNG船在运输过程中更加安全可靠。通过本发明工艺实现的复合 板材经切割制造出LNG船上储存液化天然气专用的铝/钛/镍/不锈钢四层复合过 渡接头，其性能完全能够满足使用需要，且达到制造成本最低。

为了达到上述目的，本发明提供了一种LNG船用铝/钛/镍/不锈钢四层复合 板的制造方法，包括如下步骤：

第一次爆炸复合：将2mm的镍板置于20mm的SUS 304L不锈钢板上，两 层金属板之间保持3~12mm的距离。采用由玻璃微珠和工业食盐调整密度和爆 速的膨化硝铵改性岩石混合炸药，混合比例为：玻璃微珠0.5~1.5份，工业食盐 2.5~3.5份，膨化硝铵改性岩石炸药6~7份；混合炸药的爆速控制在 2200~2700m/s，密度控制在0.4~0.8g/cm³之间，药厚控制在30~40mm；混合炸 药布置在镍板表面，通过雷管引爆炸药，爆炸复合成镍/不锈钢两层复合材料；

第二次爆炸复合：将已爆炸复合好的镍/不锈钢复合板校平、打磨除去表面 污物和氧化膜后，在镍层上面预置一块2mm的钛板，距离保持在3~12mm之间。 采用由膨胀珍珠岩和粉状铵油组成的混合炸药，混合比例为：膨胀珍珠岩2~4 份，粉状铵油炸药6~8份。混合炸药的爆速控制在2000~2500m/s，密度控制在 0.65~0.9g/cm³之间，药厚控制在25~35mm；将炸药布置在钛板上面，通过雷管 引爆，焊接成钛/镍/不锈钢三层复合板；

第三次爆炸复合：将已爆炸复合好的钛/镍/不锈钢复合板校平、打磨除去表 面污物和氧化膜后，在钛层上面预置一层13mm的铝板，距离保持在8~15mm 之间；炸药采用粉状铵油炸药与食盐的混合炸药，混合比例为：粉状铵油7~8 份，食盐2~3份；混合炸药的爆速控制在2500~2800m/s之间，密度控制在 0.8~1.0g/cm3之间，药厚控制在20~30mm之间；混合炸药布置在铝板上面，爆 炸焊接成铝/钛/镍/不锈钢四层复合板。

本发明的四层复合材料，是专门针对甲板材料为不锈钢、液化天然气储存 容器材料为铝合金时建造LNG船适用的过渡连接部件材料。采用本发明的四层 复合材料，可以直接将铝合金容器与船甲板材料不锈钢通过熔化焊接连接起来， 这种焊接连接方式比其它所有连接方式更加可靠，能够达到储罐和船甲板一体 的效果。在上述方法制得铝/钛/镍/不锈钢四层复合板后，根据LNG船甲板与铝 合金液化天然气储存容器结构连接设计的要求，通过各种适用的切割技术将复 合板切割为所需要的铝/钛/镍/不锈钢四层复合过渡接头，即可用于LNG船的建 造。本发明LNG船用铝/钛/镍/不锈钢四层复合过渡接头的制造方法，是采用 Al(符合JIS H4000标准)、Ti(符合JIS H4600标准)、Ni(符合JIS H4551标准)、 SUS 304L(符合JIS G4303标准)四种材料通过爆炸复合技术进行制造的。其中， 铝板厚度13mm，钛板厚度2mm，镍板厚度2mm，不锈钢304L板厚度20mm。

具体说，本发明的效果和益处在于：

1.采用爆炸焊接的技术，将不能采用熔化方式实现焊接的铝合金与不锈钢 材料、钛与不锈钢材料，实现了100%的冶金焊接结合。复合材料结合界面的力 学性能达到或者超过被复合的异种金属中性能较弱的金属的结构力学性能。

2.本发明设计了镍和钛作为铝合金与不锈钢两种材料之间的过渡材料，既 保证了铝和不锈钢材料之间连接的可靠性，而且满足了过渡接头在焊接过程中 的工艺性能。这表现在四种材料的热传导系数的不同，铝的热传导率为190~233 W/m·℃、钛的热传导率为7~8W/m·℃、镍的热传导率为90~92W/m·℃、不锈钢 304L的热传导率为16~17W/m·℃。本发明设计的四层复合过渡接头属于热传导 率梯度材料，在焊接连接施工过程中，不锈钢与船甲板材料熔化焊接的高温受 到镍层和钛层热传导率梯度的阻隔，大大降低了铝合金/钛界面上的温度。使用 镍板作为钛板和不锈钢板之间的过渡，可以避免钛板与不锈钢板直接结合时界 面形成铁钛脆性化合物，降低过渡材料的力学性能。如果钛和不锈钢直接结合， 或者铝合金与不锈钢直接结合，都容易在界面上形成使界面力学性能低劣化的 金属间化合物。这种金属间的化合物，也会随着界面温度的增加而增多增厚。 因此，在铝合金和不锈钢之间增加钛和镍，既能保证界面的力学性能，又能在 熔化焊接的过程中，阻碍热量的传导，减少结合界面产生使力学性能低劣化的 金属间化合物。在LNG船运行过程中，本发明的过渡材料也有利于阻隔液化天 然气的低温与船甲板之间温度的传导，降低能源消耗，保证船甲板尽可能处于 较高的温度。

3.本发明的铝/钛/镍/不锈钢四层复合过渡接头是由铝/钛/镍/不锈钢四层爆 炸复合板经过切割制造的。根据液化天然气储存容器与LNG船甲板连接的结构 需要，可生产出各种形状的过渡接头。因此，本发明将过渡接头对形状的复杂 要求与爆炸焊接工艺适合面状结构的特点充分地结合了起来，使产品的加工更 加方便，产品性能更容易达到最优。

4.本发明通过爆炸焊接制造获得的铝/钛/镍/不锈钢四层复合过渡材料，其 各项性能指标能够达到设计要求，产品还可用于舰艇、游艇等多种船舶的铝合 金上层建筑与钢甲板的过渡连接，应用范围广泛。总之，利用本发明方法制造 的铝/钛/镍/不锈钢复合材料具有良好的结构力学性能和焊接工艺性能。

5、爆炸焊接技术是高成本、高危险性的生产方法。设计出一定性能产品的 制造工艺，因其工艺参数较多，仅试验过程就需要耗费大量的人力物力，成本 巨大，且有较高的危险性。本发明通过考量LNG船液化天然气运输过程的情况， 结合现有技术其他种类产品的生产工艺，经严谨设计，高投入的大量试验，设 计出本发明产品，在完全满足使用性能需要的同时达到制造成本最低化的要求。

附图说明

图1是铝与钛/镍/不锈钢三层复合板爆炸为四层复合板的示意图。

图中：1是不锈钢板；2是镍板；3是钛板；4是铝板；5是炸药；6是雷管。

具体实施方式

为了加深对本发明的理解，下面将结合实施例和附图对发明作进一步技术详 述，该实施例仅用于解释本发明，并不构成对发明保护范围的限定。

如图1所示铝与钛/镍/不锈钢三层复合板爆炸为四层复合板时的状态。图中： 1是不锈钢板；2是镍板；3是钛板；4是铝板；5是炸药；6是雷管。本发明复 合板的具体制造工艺如下：

第一次爆炸复合：将2mm的镍板置于20mm的SUS 304L不锈钢板上，两 层金属板之间保持3~12mm的距离。采用由玻璃微珠和工业食盐调整密度和爆 速的膨化硝铵改性岩石混合炸药，混合比例为：玻璃微珠0.5~1.5份，工业食盐 2.5~3.5份，膨化硝铵改性岩石炸药6~7份。混合炸药的爆速控制在 2200~2700m/s，密度控制在0.4~0.8g/cm³之间，药厚控制在30~40mm。混合炸 药布置在镍板表面，通过雷管引爆炸药，爆炸复合成镍/不锈钢两层复合材料；

第二次爆炸复合：将已爆炸复合好的镍/不锈钢复合板校平、打磨除去表面 污物和氧化膜后，在其上面预置一块2mm的钛板，距离保持在3~12mm之间。 采用由膨胀珍珠岩和粉状铵油组成的混合炸药，混合比例为：膨胀珍珠岩2~4 份，粉状铵油炸药6~8份。混合炸药的爆速控制在2000~2500m/s，密度控制在 0.65~0.9g/cm³之间，药厚控制在25~35mm。将炸药布置在钛板上面，通过雷管 引爆，焊接成钛/镍/不锈钢三层复合板；

第三次爆炸复合：将已爆炸复合好的钛/镍/不锈钢复合板校平、打磨除去表 面污物和氧化膜后，在其上面预置一层13mm的铝板，距离保持在8~15mm之 间。炸药采用粉状铵油炸药与食盐的混合炸药，混合比例为：粉状铵油7~8份， 食盐2~3份。混合炸药的爆速控制在2500~2800m/s之间，密度控制在 0.8~1.0g/cm3之间，药厚控制在20~30mm之间。混合炸药布置在铝板上面，爆 炸焊接成铝/钛/镍/不锈钢四层复合板。

对爆炸复合后的四层复合板进行超声波探伤和力学性能检验。将不贴合的边 界效应区域切除后，对100%复合的四层复合板取样进行力学性能试验，结果见 表1。

表1Al/Ti/Ni/304L四层爆炸复合过渡接头性能检测结果

试验结果表明，本发明制造的铝/钛/镍/不锈钢四层复合过渡接头材料的性能 非常良好，大大超过了LNG船安全运行要求的铝合金储罐与LNG船甲板连接 材料的设计指标（见表2）。

表2铝合金储存容器与LNG船甲板连接部位材料的设计性能指标要求

综上本发明提供了一种LNG（液化天燃气）船制造用铝/钛/镍/不锈钢四层 复合过渡接头的制造方法及四层复合过渡接头材料的排列方式。该四层复合过 渡接头用来连接船甲板与LNG铝合金储存容器，解决了铝合金材料与不锈钢材 料无法直接熔化焊接的技术问题，使LNG船甲板与铝合金储存容器的连接简单 化，连接部位的力学结构性能更加可靠。所述的四层复合过渡接头的制造方法 是，先采用爆炸焊接技术，通过三次分层爆炸焊接的方法，制造获得性能优良 的铝/钛/镍/不锈钢四层复合板，然后根据铝合金储存容器与LNG船甲板连接部 位的结构需要，将复合板采用一般的切割技术切割为所需要的形状。本发明公 开的四层不同材料的排列方式，既充分考虑了各不同材料在爆炸焊接制造过程 中相互结合的力学性能，有充分利用了各不同材料的热传导率的差异，使得四 层复合材料成为热传导率梯度材料，有利于所制造的四层复合过渡接头在熔化 焊接过程中热量的传导控制，保证各层材料结合界面的力学结构可靠性。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局 限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，根据本 发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护 范围之内。