（工程力学专业论文）不锈钢普碳钢厚板坯的爆炸复合.pdf

摘要 在爆炸焊接中，厚板的焊接条件比薄板要苛刻得多。为了实现厚板的爆炸焊 接，作者先通过理论分析和计算机辅助设计，绘出不锈钢厚板( 1 0 m m ) 与普 碳钢进行爆炸焊接的参数窗口。然后根据窗口选择焊接参数，对不锈钢普碳钢 厚板坯进行爆炸焊接试验。并针对试验中出现的问题做了详细的分析，认为起爆 端不焊是由于炸药爆速低、爆轰不稳定、飞板弯折角太小等原因造成的，焊接界 面出现过熔是由于飞板速度太大。根据这一分析结果进一步优化了装药参数，为 了消除起爆端、尾端的稀疏影响，采用阶梯装药；为了消除边界的稀疏影响，采 用“凹”字形装药；为了避免焊接界面产生过熔现象，采用爆速很低的硼化炸药。 在改进装药参数后的爆炸焊接实验中，大板的复合率达到9 8 以上。 关键词：爆炸焊接，爆炸焊接窗口，边界效应，爆炸焊接试验。 a b s t r a c t t h ee x p l o s i v ew e l d i n go ft h i c kp l a t ei sm o r ed i f f i c u l tt h a nt h a to f t h i np l a t e t h ea u t h o rp r o p o s eam e t h o df o rt h eo p t i m u md e s i g no f e x p l o s i v ew e l d i n gs y s t e m sb a s e do nt h eb a s i cr e q u i r e m e n to fe x p l o s i v e b o n d i n g a n dc o n d i t i o nf a v o u r a b l ef o rp r o d u c i n ga c c e p t a b l es t r o n gw e l d s ， a n de x p l o i tt h ec o m p u t e rs o f t w a r e t h ee x p l o s i v ew e l d i n ge x p e r i m e n to f t h i c ks t a i n l e s ss t e e l ( l o m m ) a n dc a r b o ns t e e lp l a t e s i sc a r r i e do u tw i t h t h eo p t i m i z e dp a r a m e t e r s ，t h e na p a r t i c u l a ra n a l y s eo f t h ee f f e c t so f s t a r t ， t a i l ，e d g ei sm a d e i no r d e r t om i n i m i z et h es t a r t ，t a i l ，e d g ee f f e c t sa n dt h e o v e rm e l t w e a d j u s t t h e t e c h n o l o g i c a lp a r a m e t e r s a sw e l la st h e d e t o n a t o r t h ee x p e r i m e n ta n dt e s t i n gm a k ec l e a rt h a tt h el a s te x p l o s i v e w e l d i n g i ss u c c e s s f u la n dt h er a t eo f t h ew e l d i n gi n t e r f a c eo v e r9 8 k e y w o r d s ：e x p l o s i v ew e l d i n g ，t h e w i n d o w so f e x p l o s i v ew e l d i n g ， e d g ee f f e c t s ，e x p l o s i v ew e l d i n ge x p e r i m e n t 硕士论文 不锈钢普碳钢厚板坯的爆炸复合 1 引言 爆炸焊接是利用炸药爆炸释放的能量，驱动两块金属板高速碰撞实现其冶金 结合的过程。其原理如图1 1 所示，首先将飞板3 平行或成一定角度悬置于基板 4 之上，使两板维持一定间距；把炸药2 均匀地敷设于飞板3 之上；炸药经雷管 引爆后，爆轰波自左向右传播；在强大的爆轰产物1 压力作用下，悬置的飞板向 下飞行，并与基板在碰撞点6 发生高速斜碰撞；高速碰撞形成的再入射流5 具有 使金属表面自清理的功能，与此同时爆炸产生的高温、高压使飞板与基板焊接在 一起并形成波形的焊接界面7 。 图1 - 1 ：爆炸焊接原理图 自从1 9 4 4 年美国科学家卡尔首次提出爆炸焊接的方法后，爆炸焊接在工业 加工方面的独特优势日益显现出来，引起了科学界的广泛关注。英、俄、德、日 等国相继投入到这项新工艺的研究中来。 爆炸焊接具有许多传统加工工艺无法比拟的优点： ( 1 ) 可对任何两种金属施焊，如熔点差别很大的铅和钽，热膨胀系数差别很大 的钛和钢等，均能获得优良的焊接界面。 ( 2 ) 可以进行大面积焊接和金属管包覆焊接。成本低，效率高。 ( 3 ) 焊接界面属于固相焊接，一般不影响金属板的组织结构和化学性能，能够 最大限度的避免材料受损。 ( 4 ) 可以进行多层金属复合，制造出兼有多重金属性能的复合板材或管材，大 硕士论文 不锈钢，普碳钢厚板坯的爆炸复合 大扩展了现有金属的性能及应用范围。 ( 5 ) 爆炸焊接的界面为冶金结合。界面处的强度往往大于母体金属的强度。 如今，爆炸焊接已经是科学前沿最活跃的研究领域之一，并且作为重要的加 工手段被广泛应用于工业领域中。如石油精炼工厂中的真空塔、蒸馏塔及各种热 交换器：化工厂里的各种反映塔、沉析槽、搅拌器：海水淡化厂的海水淡化装置。 军事工业中用高温合金做炮管内壁。核能工业中用铝做双层压力管内衬，等等。 同时，爆炸焊接也被作为特种技术广泛的用于制造各种双金属过渡接头、金属蜂 窝板、纤维增强金属复合材料等。现在，爆炸焊接的应用已经拓广到电子、通讯 等新兴行业中。爆炸焊接技术及其产品的应用领域正在迅速扩大，应用范围越来 越广。 随着工业技术的发展，金属材料市场的需求结构也在悄然发生变化，复合材 料越来越多的用于建材、汽车、制药、电子、食品、家电、厨卫、钢木家具等工 业领域，且有一发而不可收之势。在这些应用领域中，薄板( 0 1 5 m m 3 m m ) 的 需求量最大。 市场需求决定了爆炸焊接材料向薄型化发展，寻找一种能高效率、低成本的 生产薄型复合板的工艺方法已经成为这一领域的研究热点。由于爆炸焊接本身工 艺的局限性，单纯采用爆炸焊接工艺生产薄型复合板，不仅成本高，而且质量难 以控制。为了解决这一难题，美国杜邦公司研究开发了爆炸焊接与轧制联合技术， 即先对厚板进行爆炸焊接，然后炸制成薄板。这项技术获得成功，并很快用于货 币原材料的生产。之后，英国、俄罗斯、日本、德国等经济发达国家都纷纷投入 巨资对该项技术进行深入研究，并形成工业化生产。到目前为止爆炸焊接一轧制 联合技术臼趋成熟，所开发的产品品种、规格逐年增加。日本利用这项技术在 1 9 9 3 年生产的复合材料达9 0 万吨，品种5 0 多个，有色金属的复层厚度最薄仅 为0 1 5 m m 。与之相比，我国每年各类金属层状复合材料产量仅为3 万吨，稀有 金属、精密合金、贵金属等薄型复合材料几乎没有。以造币使用的镍钢复合材 料为例，据调查，一元人民币硬币所使用的原料现仍依赖向国外大量进口。为此， 在“九五”国家重点技术开发指南中，把爆炸焊接及爆炸焊接一轧制列为金属复 合材料领域重点研究开发项目。 爆炸焊接一轧制联合技术虽然具有成本低、效率高、节约原材料等优点，但 是其厚板焊接的难度比薄板大。对于厚板焊接系统来说，飞板的平均质量大，在 相同速度下，其动能比薄板的要大许多，碰撞时更容易对焊接界面造成过度熔化。 这不仅影响了焊接界面的质量，而且在界面脱离高压区后，仍然保持熔融或热软 化状态，进而导致下面的结果：由自由表面反射回来的拉伸波到达该软化层时， 结合界面的金属来不及结晶冷却，就被拉伸波的巨大反弹拉力拉开。因此，厚板 2 硕l ：论文不锈钢，普碳钢厚板坯的爆炸复合 速度的可焊范围比薄板小，技术上更难控制。 另外，厚板的边界效应更加明显。边界效应是指爆炸焊接时，由于飞板边界 稀疏波的侵入，爆压降低过快而达不到所需的压力，使得边界不焊1 2 】。对于厚板 复合，由于飞板加速所需的时间更长，边界稀疏会更加深入，稀疏效应会更厉害。 同时，增加板厚也会增大飞板的抗弯强度，起爆端的飞板不能弯曲到足够大的角 度【3 1 ，难以形成射流，使起爆端无法焊接。 为此，本论文将对厚板的爆炸焊接作如下研究： 1 、通过理论分析和计算机辅助设计，给出不锈钢厚板( l o m m ) 与普碳钢进 行爆炸焊接的参数窗口。 2 、在计算机辅助设计的基础上，选择适当的装药参数对不锈钢普碳钢厚板坯 进行爆炸焊接试验，并通过超声探伤对复合质量进行检测。 3 、对试验结果进行分析，尤其是对起爆端和边界不焊区的形成原因进行详细 的讨论。 4 、在对试验现象进行理论分析的基础上，进一步优化装药参数，采取行之有效 的装药措施，克服起爆端和边界的稀疏效应对焊接质量的影响，使大板的复 合率达到9 8 以上。 硕：l ：论文 不锈钢普碳钢厚板坯的爆炸复合 2 爆炸焊接窗口的计算机辅助设计 2 1 爆炸焊接窗口的计算 2 1 1 爆炸焊接窗口的概念 对于不同的材料，其爆炸焊接参数是不相同的。每一种复合材料，严格的讲 都存在着相应的最佳焊接参数，材料的物理性能差别越大，参数的差别也越大。 因此，就爆炸焊接技术而言，寻找相应的最佳焊接参数往往是焊接工艺成败或优 劣的关键。评定最佳焊接参数的标准是能否产生优质的界面，如结合强度高，耐 热、冷冲击能力强，渗漏率低，耐应力腐蚀程度好等f 4 ) 。其中焊接界面的结合强 度是主要的评定因素，它取决于结合取得的界面形态和特征。一般说来，均匀的 周期性小波形结合界面，其结合强度通常较高；而波形畸变严重，形成涡旋并呈 现缩孔或铸态组织等缺陷的，通常强度较低，不是理想的界面形态【5 l 。 由于爆炸焊接的成功以及焊接界面质量的优劣不但与实现该焊接的过程有 关，而且与爆炸力学、金属材料学和热力学有关，因此人们迄今还不能完全从理 论上预知不同材料的焊接参数所对应的结合强度。但是，如果这些参数都通过试 验获得，将如同大海捞针，不但成本高，效率低，费时费力而且准确性不好。因 此，通过理论计算给出一个焊接参数的变化范围，再用试验方法在此范围内寻找 最佳的焊接参数，将大大提高效率和准确度。 根据爆炸焊接理论可知，爆炸焊接应能满足如下三个条件： 1 ) 产生再入射流； 2 ) 能使结合面呈现细小的正弦波形或强度足够的平直型界面； 3 ) 防止焊接界面出现过熔现象。 为了满足这些要求，动态碰撞角、飞板碰撞速度的取值应该处在某个合适 的范围内。如果在以动态碰撞角、飞板碰撞速度( 或飞板来流速度) 为坐标的 平面上，根据此范围画出曲线，即可得到爆炸焊接窗口。爆炸焊接窗口如图2 - 1 所示。窗口中四条曲线的含义如下： 动态碰撞角的上临界曲线1 ：在碰撞速度v 。一定的情况下，动态碰撞角b 越大，飞板速度越大，高压区的范围也越大，界面波形畸变越严重，甚至出现熔 融现象，引起结合面的强度下降。因此，结合界面的过熔现象被作为焊接时不允 许出现的上限条件。 动态碰撞角的下临界曲线2 ：再入射流的形成是实现焊接表面具有自清理效 4 硕士论文 不锈钢，普碳钢厚扳坯的爆炸复合 应的必要条件，因此通常就把出现再入射流作为爆炸焊接窗1 3 的下i 临界条件。材 料的粘性阻力随着动态碰撞角1 3 的减小而变大，当粘性阻力所形成的冲量与再入 射流的动量相等时，再入射流将不再形成，此时的动态碰撞角就是爆炸焊接窗1 ：3 的下临界角b 。 碰撞速度的下临界曲线3 ：爆炸焊接是金属材料在高温高压下相互作用的结 果。如果碰撞速度v 。太小，压力就小，以致金属不能产生类流体状态，也就没 有射流概念了。为了保证必要的速度和压力，必须有一个最小的碰撞速度。 碰撞速度的上临界曲线4 ：当碰撞速度v 。大于声速c 时，只有动态碰撞角 b 大于上临界角b 。，才能形成再入射流。也就是说，此时应该由碰撞速度v 。 和动态碰撞角1 3 共同决定再入射流的形成，相应的碰撞速度v 。和动态碰撞角b 。 就是上临界条件。 v c v t 图2 1 ：爆炸焊接窗口示意图 ( 1 3 代表动态碰撞角，v c 代表飞板碰撞速度，v f 代表飞板来流速度) 2 1 2 爆炸焊接窗口的理论计算 在2 1 1 中，以动态碰撞角b 和碰撞速度v 。为参数的坐标内描述了爆炸焊接 窗口的概念，但是在实际应用中，以飞板速度v r 和飞板弯折角a 作为设计参数 更为方便和直观。因此，在后面的计算中，我们采用飞板速度和碰撞角作为爆炸 焊接窗口的坐标。 在讨论爆炸焊接窗口之前，有必要说明这两个坐标系之间的关系。在动态碰 撞角1 3 、碰撞速度v 。、飞板弯折角a 、飞板速度v p 这四个参数中只有两个是独 立的。如果爆炸焊接时，飞板和基板相互平行安置，则四个参数之间的相互关系 如图2 2 所示： 犍一 奉ilillil 硕士论文 不锈钢普碳钢厚扳坯的爆炸复合 v p v c 图2 2 ：v p 、v 。、1 3 参数之间的相互关系 因此，动态碰撞角b 、爆速v d 和飞板速度v p 之间的关系式如下： 诈= 2 s i n f l 2 ( 2 - 1 ) 可见，两种坐标系下的爆炸焊接窗口可以互相转换。这里的动态碰撞角b 等 于飞板弯折角a ，为方便起见，将两者统一称为碰撞角b 。 下面对爆炸焊接窗口以及爆炸焊接中的主要设计参数分别进行理论推导和 计算。 1 、选择炸药： 在爆炸焊接中，炸药的选择是非常重要的。在不同的装药参数下，爆炸焊接 界面将呈现三种不同的形态，即平直型界面、均匀的小波浪型界面和过度熔化界 面。三种界面形态以均匀小波浪型界面最佳。根据流体力学理论，平直型界面的 流体呈层流状态，波浪型界面的流体呈紊流状态。假设从层流状态过度到紊流状 态的速度为v t ，则有【6 】： = 2 x 1 0 6 r 。) 剖。5 2 式中心一适用于流动过程的雷诺数 p l 一飞板材料密度 p 2 一基板材料密度 h 一为维氏硬度( d p h ) c h r i s t e n s e n ，s t i v e r s 和w i t t m a n 等人根据v t 的计算值提出了相应碰撞速度 的表达式【2 】： v c = v h - 2 0 0v t 2 0 0 0 ( m s ) v e = v t + 1 0 0 2 0 0 0 v t 2 5 0 0 v e = v t + 5 0v t 采用“有效多方指数yo ”的概念，即用常数yo 来代替工作范围内 的变量y ( p ) ： ( 4 ) 在滑移爆轰作用下，对爆炸产物的压力产生稀疏作用的主要来自上自 由表面、飞板的存在以及其向下的弯曲运动。爆炸产物上自由表面的 飞散过程可以应用普朗特梅h b 绕流理论来描述：飞板弯曲引起流速 的偏转可以用赖埃脱黑尔( l i g h t h i l l ) 的活塞理论来描述。 根据以上假设和推导，最后得到压力表达式如下： 斟。s f 匣r o + 1 一舟警孕l 丽， 式中p 爆轰产物的压力， p “一爆轰波头的压力。 其中 垃： c h t 一寿c o s 2 隔t a n 铷“2 * 。1 ( 厢h 屏t a n 。扣甘咖0 ( 4 2 ) x 流场中任意点到爆轰波头的距离； x 。流场中任意点到起爆端的距离； 6 炸药的厚度； 8 碰撞角： p0 一一炸药密度； yi 一爆轰波头上的多方指数： y 0 一一有效多方指数； 下面求压力p 作用下的飞板碰撞角。把坐标原点固定在爆轰波头上，飞板 以一定速度向后流动。如图4 1 所示。令a 为向心加速度，则a ：v d 2 ，r ，r 为曲 率半径，又d s d b - r ，所以a - v d 2 d b d s 。 2 4 晤 硕士论文 不锈钢，普碳钢厚板坯的爆炸复合 妒 ，d r r d 0 飞板 图4 1 ：曲率半径r 和加速度a 的关系图 根据牛顿定律：脚：皇里：p ，其中d s 为弧元的长度，则d s = d x c o sb 。将 a s ( 4 一1 ) 式带入，得： c o s 脚= 监m 击1 c o s ( +yoll 。趾一- 舟吐2 垃c 冉j l 兰a h ) ， 6j 其中m 飞板面密度，等于飞板厚度乘以密度： 这是在不计及起爆端影响的情况下得出的碰撞角计算公式。该公式假定爆轰 波头已经远离起爆端，并且用爆压p h 替代了爆炸产物压力p 。为了考虑起爆 端稀疏的影响，可以在此基础上加以修正，得到起爆端稀疏影响下的计算公式。 起爆端稀疏作用和上、下侧面的稀疏作用相比是一种更微弱的效应，可以把 它的影响作为一维近似修正项予以考虑。即用“一维开管爆轰”的自模拟规律衰 减解求p ，然后用p 代替式( 4 1 ) 中的爆压p h 。 根据一维不定常的气体动力学的基本方程，有： * 士去c ) 嘶c ，昙( “砉c ) = 。 c 。4 ， 起爆端稀疏的影响实际上是个右传简单波，即 “一土c ：c d 埘 ，h 一1 工l = + c ) t + f ( u ) ( 4 5 ) 该式描述了顺介质流动方向以速度u + c 向x 轴的正方向传播的，由c o n s t 值 屏 硕士论文不锈钢普碳钢厚板坯的爆炸复合 决定的给定介质状态。 利用爆轰波头上的参数条件，即u h = v d ，( 1 + yh ) ，c h = yh + v d ( 1 + yh ) ，代 入式( 4 5 ) 得到： “：2 c - v d y h 一1 i ：“+ c f ( 4 6 ) 式中u 质点运动速度； c 一当地声速； x l 起爆端到某点的水平距离。 解得c 等于： c = f t 争+ 击肌砉1 j ， t yh 一、) y h 一 由于坐标原点置于爆轰波头上，则x t 和x d t 有如下关系：x t = v d x l t ，待 入上式可知一维开管爆轰产物在水平距x t 处的声速西如下： 一( 瓦v 。刈y m r + 一1 0 s ， 该点相应的压力p ： 告：( 轳 p h l c h 吼告：黔+ 旦y - 1 ) l k 嘉 器c 睁2 y o ( 4 9 ) ( 4 1 0 ) c o s 脚= 譬击 ( 击 为p h t 3 1 匣r o + l 耐司掣钭丽2 # od ( 劫 硕七论文不锈钢，普碳钢厚板坯的爆炸复合 其中x 、x o 、x l 之间的关系如图4 - 2 所示： 图4 - 2 ：爆炸焊接中x 、x o 、x l 之间的关系 当x 固定不变时，x o 与碰撞角的关系如图4 - 3 0 离起爆端的距离( 药厚的倍数) 图4 - 3 ：x 。与碰撞角的关系 炸药密度( g c m 3 ) ：0 7 ；药厚( m ) ：5 6 ；r h ：2 ；r o ：2 ；r ( 质量比) ：0 3 3 覆板厚度( m ) ：1 5 ；覆板密度( g c m 3 ) ：7 9 ：爆速( m s ) ：3 5 0 0 ) 硕士论文 不锈钢，普碳钢厚板坯的爆炸复合 可以看到，在x 固定不变的情况下，随着离起爆端的距离越远，飞板的碰撞 角越大，稀疏波的影响也越小。当距离超过1 0 个药厚以后，起爆端的稀疏影响 已经很小了。 4 2 2 起爆端爆速增长过程试验 为了了解炸药在起爆端的爆速变化情况，我们对爆速进行了测量。试验所用 的炸药是2 号岩石炸药，松装在不锈钢板上，其密度为0 7 m s 。钢板材料和第 三章中试验用的材料相同，板厚1 5 r a m ，长3 0 0 0 m m ，宽1 5 0 0 m m 。试验采用简易测 量装置，结合脉冲计数仪测量炸药的爆速，脉冲计数仪的时间精度为1 微秒。 测量爆速的原理如图4 4 所示：四根信号线被固定在测速靶上，并处于断路 状态。将测速靶水平埋入炸药中，当炸药爆炸时，空气分子电离，导通测速靶的 信号线1 和2 ，3 和4 ，产生信号并传送到脉冲计数仪，a 、b 两点的信号产生的 时间差被测试仪记录下，根据两点距离和他们的时间差，便可算出炸药的爆速。 图4 - 4 ：爆速测量的原理简图 测速靶在试验中的布置如图4 5 所示： 图4 - 5 ：爆速测试的试验布置简图 硕士论文 不锈钢，普碳钢厚扳坯的爆炸复合 通过对五次相同试验的测量，得到数据列于下表 表4 - 1 ：爆速测量数据1 靶号123456 位置( 唧) 4 4 0 9 0 0 1 3 6 0 1 8 2 02 2 8 02 7 4 0 间距( m m )2 8 02 8 02 8 02 8 02 8 02 8 0 时间( us ) 7 57 47 47 47 27 3 爆速( m s ) 3 7 3 33 7 8 43 7 8 43 7 8 43 8 8 93 8 3 6 表4 2 ：爆速测量数据2 靶号 1234 5 位置( m m ) 6 0 01 2 0 01 8 0 02 4 0 03 0 0 0 间距( m i l l ) 2 0 02 0 02 0 02 0 0 2 0 0 时间( us ) 4 55 75 95 94 9 爆速( m s ) 4 4 4 4 3 5 0 8 3 3 8 9 3 3 8 94 0 8 1 表4 - 3 ：爆速测量数据3 靶号 123 位置( 咖) 5 0 0 1 1 0 0 1 7 0 0 间距( m r 1 ) 2 0 02 5 02 0 0 时间( ps ) 5 97 55 9 爆速( m s ) 3 3 8 93 3 3 33 3 8 9 表4 4 ：爆速测量数据4 靶号 1234 位置( 哪) 3 5 05 0 06 5 08 0 0 间距( 啪) 1 0 01 0 01 0 01 0 0 时间( i is ) 3 02 92 82 7 爆速( m s ) 3 5 3 03 8 4 03 7 7 0 3 7 0 0 硕士论文 不锈钢普碳钢厚板坯的爆炸复合 表4 - 5 ：爆速测量数据5 靶号 1234 位置( 咖) 5 5 08 5 01 1 5 01 4 5 0 间距( 胁) 2 0 02 0 02 0 02 2 5 时间( us ) 5 55 4 6 1 爆速( r n s ) 3 6 3 03 7 0 03 6 8 0 对试验数据作指数拟合，设指数函数为 两边取对数，得到线性表达式 v = a e b x( 4 1 2 ) ( 4 1 3 ) 将试验结果中的爆速作相应的换算，然后作线性拟合，便可以求出表达式中 的常数a 和b ，最后得到拟合的指数函数如下： y = 3 8 8 3 5 e - 4 3 2 4 x 图4 - 6 是试验数据和拟合函数的曲线。 一 芒 一 煅 唆 离起爆端的距离怖m ) 图4 - 6 ：爆速试验数据和拟合函数的曲线 ( 4 1 4 ) 硕l 论文不锈钢普碳钢厚板坯的爆炸复合 从图中可以看到，在离起爆端1 米左右内，随着爆轰波的移动，爆速逐渐增 加。当爆轰波离起爆端的距离超过1 米，也就是1 5 个药厚的长度，炸药开始进 入稳定爆轰状态。 通过比较发现，起爆端稀疏影响范围的理论计算值和爆速增长过程试验基本 相同。为了进一步了解起爆端的不焊原因，我们还分析了飞板起爆端的飞行姿态。 4 2 3 飞板起爆端的飞行姿态 首先，根据4 2 2 节测得的爆速，计算出飞板起爆端每一点的飞行速度。随 着炸药爆轰波的滑移和飞板的飞行，飞板每一点在x - y 坐标的具体位置便可计算 出来。为简便起见，采用一种经验公式计算飞板起爆端的飞行速度。 经验公式如下： 矿一坚矿 ( 4 1 5 ) 9 2j _ r 4 r 是装药比，取值0 3 3 。v d 是炸