高性能铝-钢爆炸复合过渡接头研制及应用研究

论文摘要

爆炸焊接能简单、迅速而有效地为大面积、高质量和多种形式的相同或者不同金属,特别是常规焊接方法不能焊接的金属提供一个不可替代的方法和工艺。本文针对目前船舶行业使用的铝-钢过渡接头暴露的不足之处,研制了高性能新型四层铝-钛-镍-钢过渡接头和五层铝合金-纯铝-钛-镍-钢过渡接头。对四种铝-钢过渡接头的焊接性能进行对比研究,考察了四种铝-钢过渡接头焊接过程中复合界面温度场的分布及其对力学性能的影响,初步探索过渡接头的耐腐蚀性能等。铝-钛-钢、铝-铝-钢三层过渡接头的各项性能指标基本可以满足民船及小型舰船建造中铝-钢过渡连接问题。本研究针对大型舰船设计和使用要求,分析镍作为钛-钢两层之间的中间层的可能性,确定新型四层铝-钛-镍-钢过渡接头和五层铝合金-纯铝-钛-镍-钢过渡接头的组合形式以及爆炸焊接工艺参数和流程,同时进行各层单体材料的厚度、重量对比,为超轻型高性能过渡接头的需求提供新的选择。实船焊接时焊接热循环将对复合材料的复合界面的力学性能产生明显的影响。本研究采用铝合金TIG焊、铝合金MIG焊进行四种不同铝-钢复合过渡接头与铝合金板材的焊接,研究焊接方法及其工艺参数对四种不同复合过渡接头的复合界面峰值温度和力学性能的影响。研究结果表明,随着铝合金TIG焊和MIG焊的焊接电流的增大,铝侧和钢侧界面温度都随之升高,铝侧界面的峰值温度高于钢侧界面的峰值温度。相同试验条件下,四层和五层过渡接头的两侧（铝侧和钢侧）界面温度明显低于三层的两侧界面温度,说明选择镍作为中间层,相对于三层过渡接头而言具有明显优势。焊接前后铝-钢过渡接头的剪切性能和拉脱性能的测试结果表明,用镍作为钛-钢界面中间层的四层和五层过渡接头的力学性能具有很大的优势,焊接后四种过渡接头的力学性能都降低,传统广泛使用的两种三层过渡接头在新的厚度和宽度尺寸条件下,已不能满足性能指标,而高性能四层和五层过渡接头的力学性能虽有降低,但仍能满足使用要求。中间层镍元素的加入减小了界面峰值温度对过渡接头力学性能的影响。腐蚀电位测试结果表明,铝-钛-钢复合过渡接头和铝-钛-镍-钢复合过渡接头的腐蚀电位都介于铝复层和钢基层之间,因此,在形成腐蚀电池的条件下,铝复层作为阳极被腐蚀,而钢基层作为阴极受到保护。人工海水腐蚀试验结果表明,铝合金腐蚀较严重,纯钛和纯镍基本无腐蚀,而基板钢腐蚀轻微。说明涂层保护是过渡接头在舰船上应用不可缺少的防腐蚀手段。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 爆炸焊接
• 1.1.1 爆炸焊接的基本原理
• 1.1.2 可爆炸焊接的金属材料
• 1.1.3 爆炸焊接的特点
• 1.1.4 多层复合板的爆炸焊接
• 1.2 铝-钢过渡接头及其国内外应用现状
• 1.2.1 国外应用状况
• 1.2.2 国内应用状况
• 1.2.3 铝-钢过渡接头及其存在的主要问题
• 1.3 本文的研究背景及意义
• 1.4 过渡接头的焊接性与力学性能分析
• 1.4.1 铝合金的焊接性
• 1.4.2 铝-钢过渡接头的力学性能
• 1.5 本文的研究目的和内容
• 第2章 新型高性能复合过渡接头的研制
• 2.1 引言
• 2.2 中间层的选择
• 2.2.1 铝-钢过渡接头爆炸结合面金属间化合物的危害
• 2.2.2 铝-铝-钢和铝-钛-钢的比较
• 2.2.3 镍的优势
• 2.3 新型复合过渡接头爆炸焊接工艺
• 2.3.1 爆炸焊接顺序
• 2.3.2 爆炸焊接工艺参数
• 2.3.3 爆炸焊施工工艺流程
• 2.4 过渡接头厚度和板条宽度的选择
• 2.5 本章小结
• 第3章 铝-钢过渡接头焊接试验及界面温度场测定
• 3.1 引言
• 3.1.1 试验材料
• 3.1.2 焊接试样的制备
• 3.1.3 焊接方法的选择
• 3.2 焊接试验
• 3.3 过渡接头复合界面温度场的测定
• 3.3.1 温度场测定的意义
• 3.3.2 测温系统
• 3.3.3 试验过程
• 3.4 本章小结
• 第4章 铝-钢复合过渡接头焊接温度场试验结果及分析
• 4.1 引言
• 4.2 试验结果及数据处理
• 4.3 焊接方法及其工艺参数对复合界面温度峰值的影响
• 4.4 本章小结
• 第5章 过渡接头力学性能试验结果及分析
• 5.1 引言
• 5.2 力学性能测试标准及试样准备
• 5.3 性能测试结果及分析
• 5.4 界面温度对性能的影响
• 5.5 本章小结
• 第6章 铝-钢复合过渡接头的耐腐蚀性能
• 6.1 引言
• 6.2 腐蚀电位测定
• 6.3 人工海水浸蚀试验
• 6.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢
• 大摘要