一种表面剧烈形变预处理稀贵金属复合板的爆炸焊接方法

摘要

本发明提供了一种表面剧烈形变预处理稀贵金属复合板的爆炸焊接方法，包括以下步骤，确定基材和复材、基材与复材连接面的清洁处理、连接面剧烈形变处理、连接面烘烤处理、连接面粗糙度处理、连接面校平处理、爆炸焊接复合及后续补焊、校平、切边和机械抛光处理，其中剧烈形变处理方法包括滚压、机械研磨、机械冲击、喷丸、或喷砂。本发明在先于爆炸复合前，对基材与复材进行表面剧烈形变处理，使连接面具有跨越不同尺度的多级微观结构，能够减少稀贵金属爆炸复合容易出现裂纹等缺陷，并且，表面剧烈形变诱发大量晶体结构缺陷，能够减少金属间化合物的产生，使界面结合强度显著提高。

说明书

技术领域

本发明涉及一种稀贵金属复合板的爆炸焊接方法，尤其涉及一种经过表面剧烈形变预处理的稀贵金属复合板的爆炸焊接制备方法，属于金属复合板制造技术领域。

背景技术

爆炸复合是一种以炸药为能源，复层金属在爆炸载荷作用下高速倾斜碰撞基层金属，在碰撞点形成一层金属熔化层后，快速冷却，瞬间以冶金方式强固连接在一起的金属加工技术，其适用于相溶性金属间、非相溶性金属间、熔点相差大的金属间、热膨胀系数相差大的金属间和硬度差别大的金属间的组合连接，理论上可以实现不同面积尺寸的板材复合以及较大范围的复合比，是大面积金属复合的非常理想的连接方法，能够实现高强度的冶金结合，具有优良的应用性能和再加工性能。因此，由于这些其它连接技术所不具有的优点，爆炸复合在航空航天、石油化工、核电、制盐制碱等工业领域的应用越来越广泛。

目前，通过控制炸药参数、间隙参数、地基参数、焊接材料优化等，爆炸复合技术已经适用于不锈钢、钛合金、铝合金、铜合金等，其爆炸复合板质量良好，缺陷较少，技术成熟度较高。然而对于稀贵金属，如锆、钽等，在爆炸焊接时容易形成脆硬的金属间化合物，且界面波较大甚至无界面破，降低复合板结合强度，此外，稀贵金属与基体金属界面强度（或硬度）显著高于基板和复板，导致其复合板的抗剪切应力降低，断裂多起于界面处。目前稀贵金属爆炸复合板局限于面积尺寸较小、厚度较厚的稀贵金属复合板的工业化制备，由于大面积和（超）薄板稀贵金属爆炸复合板的爆炸焊接技术控制难度更大，更容易造成稀贵金属板击穿、复合板界面结合强度低等现象，极大限制了大面积和（超）薄板稀贵金属的爆炸焊接工业化生产，造成稀贵金属浪费严重，生产效率显著降低，制造本增加。

2010年3月24日中国实用新型专利CN201427421Y中公开了一种钽/锆/钛/钢爆炸焊接复合板，钢板上从近到远爆炸复合钛板、锆板和钽板构成复合板，锆板和钛板作为钽板和钢板之间的过渡层，可以制备板幅尺寸达到1850mmX3250mm(LXW)的复合板。但是这种爆炸焊接方法采用锆/钛双层板为过渡层，显著增加成本，且增加工艺流程，生产效率降低。

2013年3月13日中国发明专利CN102962579A中公开了一种锆-钢复合钢板的爆炸焊接方法，先行采用点焊方法拼接锆板以符合尺寸要求，再进行爆炸焊接复合。但是这种方法很显然增加工艺流程，且复合板的锆板一侧是通过小面积锆板之间焊接连接成，小面积锆板之间的焊接质量将影响其整体质量。

2014年在期刊论文《锆钢爆炸复合板界面波形影响参数研究》（作者：王小绪，王金相，赵铮，何勇；刊名：稀有金属材料与工程；刊号：2014，43（3）：682-685）和《过渡层对锆/钢爆炸复合板剪切强度的影响》（作者：王小绪，王金相，赵铮，何勇；刊名：爆炸与冲击；刊号：2014，34（6）：685-690）中提出采用钛作为锆钢的过渡层在实验室中进行小倾角法爆炸焊接，可以降低界面脆硬金属间化合物的形成，得到连续变化的界面波。但利用此技术复合的锆板尺寸仍较小，且利用钛作为过渡层，成本提高，也增加工艺流程，降低生产效率。

已有的研究成果仍然没有解决稀贵金属在爆炸焊接过程中遇到的技术问题，由于这些复合板的基层和复层在物理、化学和力学性能等方面的巨大差异，加上影响爆炸焊接质量的工艺因素众多，导致在爆炸焊接过程中常常会出现一些技术问题，例如过低结合界面强度、缺陷的形成以及容易产生脆硬金属间化合物等问题，这些问题仍需要深入的研究和系统的实验数据来加以解决。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种表面剧烈形变预处理稀贵金属复合板的爆炸焊接方法，解决了现有技术中爆炸焊接的复合板结合界面强度低容易有缺陷的技术问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种表面剧烈形变预处理稀贵金属复合板的爆炸焊接方法，包括以下步骤：

步骤一，确定基材和复材，基材包括碳钢、合金钢、铝、铝合金、铜或铜合金，复材为稀贵金属包括钛、锆、钽、或钨；

步骤二，对基材与复材的连接面进行清洁处理；

步骤三，对基材与复材的连接面进行剧烈形变处理；

步骤四，对基材与复材的连接面进行烘烤处理；

步骤五，对基材与复材的连接面进行粗糙度处理；

步骤六，对基材与复材的连接面进行校平处理；

步骤七，爆炸焊接，使基材与复材连接面完成焊接形成复合板；

步骤八，后续处理，对复合板进行补焊、校平、切边、机械抛光处理。

进一步的，所述步骤二中，清洁处理过程为，分别对基材与复材连接面进行粗磨、细磨，再用稀硝酸/稀盐酸溶液浸蚀表面以消除连接表面硬化层，然后用清水清洗。

进一步的，所述步骤三中，剧烈形变处理方法包括滚压、机械研磨、机械冲击、喷丸或喷砂。其中滚压工艺参数为，单次滚压深度0.1~0.3mm，滚压3~7次，滚压速度25~55m/min；喷丸工艺参数为，钢球直径1~3mm，喷丸速率60~90m/s，同一位置喷丸时间2~5s，其覆盖率200%；研磨工艺参数为，弹丸直径为1~5mm，系统振动频率为35~65Hz，同一位置处理时间3~8s；喷砂工艺参数为，砂球直径为0.3~0.7mm，气流压力0.2~0.5Mpa，同一位置喷砂时间3~8s，喷砂处理后进行机械冲击处理，冲击工艺参数为，冲击端部曲率半径为1~5mm，冲击时间10~30min，冲击能量为1.5~4.5J，冲击速率为30~70次/秒，同一位置连续冲击1~4s。

进一步的，所述步骤四中，烘烤处理条件为，基材烘烤温度300~500℃，保温时间2~4小时，复材烘烤温度600~900℃，保温时间5~7小时。

进一步的，所述步骤五中，粗糙度处理过程为，先进行打磨，再进行抛磨光洁，使表面粗糙度为小于Ra12.0μm，表面厚度减少量不大于0.3mm。

进一步的，所述步骤六中，校平处理结果为，基材与复材的不平度均小于5mm/m，且整板面不平度均小于12mm/全长或全宽。

进一步的，所述步骤七中，爆炸焊接处理过程为，对基材与复材进行涂刷及配对后，布置炸药、引爆雷管，完成爆炸连接，再把复合板去应力退火，制备出稀贵金属复合板。

进一步的，所述复合板去应力退火过程为，将复合板放置于真空热处理炉中在400~600℃温度保温3~6小时。

本发明的有益效果是，

1、本发明先于爆炸焊接复合技术前，对基材与复材进行表面剧烈形变处理，使具有跨越不同尺度的多级微观结构，能够减少稀贵金属爆炸复合容易出现裂纹等缺陷，并且，表面剧烈形变诱发大量晶体结构缺陷，能够减少金属间化合物的产生，使界面结合强度显著提高。

2、本发明采用的剧烈形变处理方法包括滚压、机械研磨、机械冲击、喷丸、或喷砂，这些相应的处理设备可手持操作，也可结合自动化设备进行自动化操作，对复合板尺寸没有限制，其工艺简单，生产安全，成本低廉。

附图说明

图1是本发明的爆炸焊接方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

如图1所示，一种表面剧烈形变预处理稀贵金属复合板的爆炸焊接方法，包括以下步骤：

步骤一，确定基材和复材，基材包括碳钢、合金钢、铝、铝合金、铜或铜合金，复材为稀贵金属包括钛、锆、钽、或钨；

步骤二，对基材与复材的连接面进行清洁处理，清洁处理过程为，使用砂带打磨机分别对基材与复材连接面进行粗磨、细磨，再用稀硝酸/稀盐酸溶液浸蚀表面，以消除连接表面硬化层，随后用清水清洗；

步骤三，对基材与复材的连接面进行剧烈形变处理，剧烈形变处理方法包括滚压、机械研磨、机械冲击、喷丸、或喷砂；

步骤四，对基材与复材的连接面进行烘烤处理，将基材与复材连接面分别倒置于电加热板（丝）上进行烘烤处理；

步骤五，对基材与复材的连接面进行粗糙度处理，使用砂带机进行打磨，再进行抛磨光洁，表面粗糙度控制为小于Ra12.0μm，在此过程中表面厚度减少量不大于0.3mm；

步骤六，对基材与复材的连接面进行校平处理，使基材和复材不平度小于5mm/m，且整板面不平度小于12mm/全长或全宽；

步骤七，爆炸焊接，对基材与复材进行涂刷及配对后，布置炸药、引爆雷管，完成爆炸复合，再把复合板放置于真空热处理炉中在400~600℃温度下保温3~6小时进行去应力退火，制备出稀贵金属复合板；

步骤八，后续处理，将复合板进行补焊、校平、切边、机械抛光后获得复合板成品。

本发明提供的方法中先于爆炸焊接复合技术前，对基材与复材进行表面剧烈形变处理，利用表面剧烈形变技术诱发爆炸复合板中基材和复材的连接面表面形成超细微梯度显微组织结构，使基材和复材连接面具有跨越不同尺度的多级微观结构，当受到高压冲击作用时，相邻不同尺度的组织结构相互牵制，表现出更突出的力学性能，从而减少稀贵金属爆炸复合容易出现裂纹等缺陷，并且，表面剧烈形变诱发大量晶体结构缺陷，如空位、位错、晶界等，这些晶体结构缺陷存在有利于促进置换、间隙等固溶相的产生，从而减少金属间化合物的产生，而且，这些晶体结构缺陷有利于促进爆炸复合界面两侧晶体结构差异大的金属元素相互扩散、相互反应，更有利于冶金结合，使复合板界面结合强度显著提高。本发明能够制备缺陷少、界面结合强度高的高质量稀贵金属复合板。

本发明采用的剧烈形变处理方法包括滚压、机械研磨、机械冲击、喷丸、或喷砂，这些相应的处理设备可手持操作，也可结合自动化设备进行自动化操作，对复合板尺寸没有限制，其工艺简单，生产安全，成本低廉。

实施例一

选取尺寸为1700mm×850mm×25mm的Q275钢板为基材，尺寸为1780mm×900mm×6mm的TC4钛合金板为复材，采用喷丸方法进行表面剧烈形变预处理的爆炸焊接复合实验。

先对基材和复材的连接面进行清洁处理，将Q275钢板与TC4钛合金板的连接面分别使用砂带打磨机进行粗磨（20目砂带）、细磨（120目砂带），去除表面锈蚀或氧化物等，再用稀硝酸溶液浸蚀表面，以消除连接表面硬化层，随后用清水冲洗；然后对Q275钢板与TC4钛合金板表面分别进行喷丸处理，喷丸工艺参数为，钢球直径1~3mm，喷丸速率60~90m/s，同一位置喷丸时间2~5s，工艺参数优选为钢球直径2mm、喷丸速率80m/s、同一位置喷丸时间3s时效果最佳，其覆盖率200%；然后进行烘烤处理，把Q275钢板形变预处理面倒置于电加热丝上进行300℃下保温4小时烘烤处理，TC4钛合金板形变预处理面倒置于电加热丝上进行600℃下保温7小时烘烤处理；待Q275板材与TC4钛合金板冷却后，使用砂带机表面进行打磨，再进行抛磨光洁，表面厚度减少量约0.2mm，表面粗糙度为Ra9.0μm；再进行Q275钢板与TC4钛合金板校平处理，Q275板材不平度为5mm/m，且整板面不平度12mm/全长；TC4钛合金板不平度为4mm/m，且整板面不平度为10mm/全长；随后将Q275钢板与TC4钛合金板进行配对，再将TC4钛合金板表面涂刷水玻璃或与锂基脂混合剂，保持Q275板材与TC4钛合金板之间的支撑高度为2mm；在TC4钛合金板外表面均匀放置炸药，厚度为7mm、密度为0.65g/cm³，通过雷管引爆，爆速为2800mm/s，在高制动压力下，Q275板材与TC4钛合金板的连接面粘合在一起，再把复合板放置于真空热处理炉中400℃保温6小时进行去应力退火。此后，将复合板在九辊校平机上辊压校平，达到要求后进行等离子切割，切割面与板面垂直，复合板四周切割面平整、光滑，使用千叶轮对复合板复层进行抛光或酸洗钝化后即得复合板成品。

实施例二

选取尺寸为1000mm×550mm×20mm的TU1铜板为基材，尺寸为1100mm×600mm×10mm的纯钨板为复材，采用机械研磨方法进行表面剧烈形变预处理的爆炸焊接复合实验。

先对基材和复材的连接面进行清洁处理，将基材TU1铜板与复材纯钨板的连接面分别使用砂带打磨机进行粗磨（20目砂带）、细磨（120目砂带），去除表面锈蚀或氧化物等，再用稀盐酸溶液浸蚀表面，以消除连接表面硬化层，随后用清水冲洗；然后对表面预清洁处理过的TU1铜板与纯钨板分别进行机械研磨处理，研磨工艺参数为，烧结态氧化锆球弹丸直径为1~5mm，系统振动频率为35~65Hz，同一位置处理时间3~8s，工艺参数优选为弹丸直径为3mm、系统振动频率为50Hz、同一位置处理时间5s时效果最佳；表面剧烈塑性变形处理后，把TU1铜板形变预处理面倒置于电加热丝上进行350℃下保温3小时烘烤处理，纯钨板形变预处理面倒置于电加热丝上进行900℃下保温5小时烘烤处理；待TU1铜板与纯钨板冷却后，使用砂带机表面进行打磨，再进行抛磨光洁，表面厚度减少量约0.16mm，表面粗糙度为Ra7.8μm；再进行TU1铜板与纯钨板校平处理，TU1铜板不平度为4mm/m，且整板面不平度9mm/全长；纯钨板不平度为5mm/m，且整板面不平度为12mm/全长；随后将TU1铜板与纯钨板进行配对，再将复材表面涂刷水玻璃或与锂基脂混合剂，保持TU1铜板与复材之间的支撑高度为2mm；在纯钨板外表面均匀放置炸药，厚度为8mm、密度为0.65g/cm³，通过雷管引爆，爆速为2800mm/s，在高制动压力下，TU1铜板与纯钨板的连接面粘合在一起，再把复合板放置于真空热处理炉中600℃保温3小时进行去应力退火。此后，将复合板在九辊校平机上辊压校平，达到要求后进行等离子切割，切割面与板面垂直，复合板四周切割面平整、光滑，使用千叶轮对复合板复层进行抛光或酸洗钝化后即得稀贵金属复合板成品。

实施例三

选取尺寸为1200mm×600mm×15mm的0Cr13不锈钢板为基材，尺寸1300mm×650mm×5mm的纯锆板为复材，采用喷砂和机械冲击方法进行表面剧烈形变预处理的爆炸焊接复合实验。

先对基材和复材的连接面进行清洁处理，将基材0Cr13不锈钢板与纯锆板的连接面分别使用砂带打磨机进行粗磨（20目砂带）、细磨（120目砂带），去除表面锈蚀或氧化物等，再用稀硝酸溶液浸蚀表面，以消除连接表面硬化层，随后用清水冲洗；然后对表面预清洁处理的0Cr13不锈钢板与纯锆板分别进行喷砂和机械冲击处理，喷砂工艺参数为，SiC砂球直径为0.3~0.7mm，气流压力0.2~0.5Mpa，同一位置喷砂时间3~8s，工艺参数优选为SiC砂球直径为0.5mm、气流压力0.3Mpa、同一位置喷砂时间5s时效果最佳，喷砂处理后进行机械冲击处理，其工艺条件为，冲击端部曲率半径为1~5mm，冲击时间10~30min，冲击能量为1.5~4.5J，冲击速率为30~70次/秒，同一位置连续冲击1~4s，工艺参数优选冲击端部曲率半径为4mm、冲击时间15min、冲击能量为3J、冲击速率为50次/秒和同一位置连续冲击2s时效果最佳，喷砂和机械冲击单道工序也能够完成剧烈形变处理，组合两道工序来完成基材和复材连接面的剧烈形变处理效果更佳；表面剧烈塑性变形处理后，把0Cr13不锈钢板形变预处理面倒置于电加热丝上进行500℃下保温2小时烘烤处理，纯锆板形变预处理面倒置于电加热丝上进行850℃下保温6小时烘烤处理。待0Cr13不锈钢板与纯锆板冷却后，使用砂带机表面进行打磨，再进行抛磨光洁，表面厚度减少量约0.15mm，表面粗糙度为Ra9.7μm；再进行0Cr13不锈钢板与纯锆板校平处理：0Cr13不锈钢板不平度为4mm/m，且整板面不平度9mm/全长；复材不平度为4mm/m，且整板面不平度为10mm/全长；随后将0Cr13不锈钢板与纯锆板进行配对，再将纯锆板表面涂刷水玻璃或与锂基脂混合剂，保持0Cr13不锈钢板与复材之间的支撑高度为2mm；在复材外表面均匀放置炸药，厚度为7.5mm、密度为0.65g/cm³，通过雷管引爆，爆速为2800mm/s，在高制动压力下，0Cr13不锈钢板与纯锆板的连接面粘合在一起，再把复合板放置于真空热处理炉中500℃保温4小时进行去应力退火。此后，将复合板在九辊校平机上辊压校平，达到要求后进行等离子切割，切割面与板面垂直，复合板四周切割面平整、光滑，使用千叶轮对复合板复层进行抛光或酸洗钝化后即得稀贵金属复合板成品。

实施例四

选取LF6铝合金板为基材，纯钽板为复材，采用滚压方法进行表面剧烈形变预处理的爆炸焊接复合实验。

先对基材和复材的连接面进行清洁处理，将尺寸900mm×450mm×30mm的基材LF6铝合金板与尺寸950mm×500mm×4mm的复材纯钽板的连接面分别使用砂带打磨机进行粗磨（20目砂带）、细磨（120目砂带），去除表面锈蚀或氧化物等，再用稀盐酸溶液浸蚀表面，以消除连接表面硬化层，随后用清水冲洗；然后对表面预清洁处理的LF6铝合金板与纯钽板分别进行滚压处理，滚压工艺参数为，单次滚压深度0.1~0.3mm，滚压3~7次，滚压速度25~55m/min，工艺参数优选为单次滚压深度0.15mm、滚压5次、滚压速度40m/min时效果最佳；表面剧烈塑性变形处理后，把LF6铝合金板形变预处理面倒置于电加热丝上进行350℃下保温4小时烘烤处理，纯钽板形变预处理面倒置于电加热丝上进行800℃下保温6.5小时烘烤处理。待LF6铝合金板与纯钽板冷却后，使用砂带机表面进行打磨，再进行抛磨光洁，表面厚度减少量约0.12mm，表面粗糙度为Ra9.4μm。再进行LF6铝合金板与纯钽板校平处理：LF6铝合金板不平度为3mm/m，且整板面不平度8mm/全长；纯钽板不平度为4mm/m，且整板面不平度为11mm/全长。随后将LF6铝合金板与纯钽板进行配对，再将复材表面涂刷水玻璃或与锂基脂混合剂，保持基材与复材之间的支撑高度为2mm。在纯钽板外表面均匀放置炸药，厚度为7.8mm、密度为0.65g/cm³，通过雷管引爆，爆速为2800mm/s，在高制动压力下，LF6铝合金板与纯钽板的连接面粘合在一起，再把复合板放置于真空热处理炉中450℃保温5小时进行去应力退火。此后，将复合板在九辊校平机上辊压校平，达到要求后进行等离子切割，切割面与板面垂直，复合板四周切割面平整、光滑，使用千叶轮对复合板复层进行抛光或酸洗钝化后即得稀贵金属复合板成品。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。