爆炸焊接技术的发展

爆炸焊接技术的发展

现在，随着工业技术的进步，人们对材料的性能提出了新的、更高的要求，以满足工业的需求。并且,单一的材料在生产实际中常受到诸多限制,因此,复合材料越来越多的受到关注。例如低碳钢通过与铝、钛或不锈钢等材料复合可以很好的克服其耐蚀性差的不足,从而可以在生产中得到更多的应用。在复合材料的制备工艺中,爆炸焊以其广泛的可焊材料组合以及在品种、规格、产量、品质、市场、成本和效益上的优势,越来越多的受到人们的关注。爆炸焊(explosivewelding,EXW),亦称爆炸复合,是一种固态焊接。它是以炸药作为能源,利用炸药在爆炸时产生的冲击波使两层或多层的同种或异种材料高速倾斜碰撞而结合在一起的方法。爆炸焊接是L.R.Carl在1944年首先提出来的,他第一个观察到了由炸药爆轰引起的材料在高速碰撞下能够实现固相焊接,于是提出了利用爆炸和超声波技术把各种金属焊接在一起的设想。随后,美国的Philipchuk第一次把爆炸焊接技术引入到实际工业中,成功地实现了铝与钢之间的爆炸焊接。之后,关于爆炸焊接的工业应用以及理论、试验研究便在英国、苏联、德国、捷克、日本等国迅速展开。我国对爆炸焊的研究开始于20世纪60年代,1968年大连造船厂试制成功了第一块爆炸复合板。人们对材料的性能的高要求极大地推动了爆炸焊技术的发展。自20世纪80年代以来,爆炸焊接理论和实验技术得到了长足的发展,应用技术也有了许多创新,使得该技术在化工、石油、制药、造船、军事,甚至核工业、航空航天等领域都有广泛的应用。1复板运动规律把握爆炸焊的机理,对于有效控制爆炸焊接品质和指导工程实践具有重要意义,但到目前为止仍没有能全面、准确地定量化描述和预测爆炸焊接的参数以及金属结合特征的理论。为了揭示爆炸焊接的机理,Philipchuk提出了爆炸熔化焊接理论,他认为爆炸焊接的本质是金属的熔化焊接,高速金属射流的动能在瞬间为交界面金属的熔化提供了充足的热能,从而使交界面处金属得以熔化而形成焊接。之后,Hammerschmich等提出了该理论的另一种解释,即其本质是界面处的金属在极短的时间内达到远高于金属熔点的温度,随后又快速冷却并使金属得以结合。但是该理论不能解释非常薄的金属板的爆炸焊接,因此该理论存在缺陷。Crossland提出的爆炸压力焊接理论认为足够时间的爆炸压力会使金属在交界面处产生大的塑性变形,金属射流会使金属产生扩散从而达到实现结合。我国学者史长根通过研究认为,爆炸焊接是一种特殊的压力焊,界面高压高温为两表面的固相结合创造了两个前提条件,而复板表面载荷的特点以及碰撞结合过程决定了爆炸焊接满足压力焊接的三阶段理论。在爆炸焊接中,研究金属复板的运动规律对于揭示爆炸焊的机理、正确确定焊接参数、提高复合板的焊接品质和复合率具有重要意义。当炸药起爆后,产生的爆轰波作用到复板上使其发生弯曲、运动和加速。随着对于复板运动规律研究的深入,人们提出了一系列的公式对其进行描述。目前这些计算公式大致有三种类型。Gurney根据简单的能量关系首先提出了描述一维复板运动的半经验公式,Stanford研究所的研究人员对此作了改进。半经验公式的优点是公式结构简单,通过实验方法确定系数后,在经验范围内可与实验结果相接近。但是它只能给出复板最大速度Vpm、爆速Vd和单位面积炸药量与单位面积复板的质量比R的关系,并没有给出复板加速运动的全过程和运动参数,也没有反映爆炸产物多方指数方程的指数下γ对复板运动的影响。BayM,Aziz研究了爆炸载荷作用下的金属平板的一维解,在忽略空气阻力、侧向卸载波的影响以及平板本身应变的基础上得到了复板的一维运动公式:VpmVd=(1+3227)1/2−1(1+3227)1/2+1VpmVd=(1+3227)1/2-1(1+3227)1/2+1该公式适用于爆炸产物满足多方方程中指数γ=3的一维平板运动规律。而在爆炸焊接的实际应用中国内外普遍采用多方指数近似取γ≈2.5的硝铵类炸药。A.A.Deribas在上公式的基础上作了近似,得到了γ≈2.5的复板运动公式为VpmVd=1.2×(1+3227)1/2−1(1+3227)1/2+1VpmVd=1.2×(1+3227)1/2-1(1+3227)1/2+1一维平板运动公式描述了复板运动的全过程,并给出了复板最大速度Vpm与多方指数γ间的关系,但其推到过程中的许多假设与实际情况有一定的距离,并且对爆炸产物的状态特性也没有进一步考虑,所以它还不能准确地反映复板的运动规律。在相同的假设的基础上,许多学者用二维简化公式定量的描述复板的运动规律,二维简化公式能够给出偏转角θk和复板运动速度Vpm等复板运动中的极值,并且能给出运动速度和偏转角在二维坐标系中的变化规律,同时也可以给出爆速、炸药密度和多方指数γ对复板运动的影响。因此,二维简化公式较一维平板运动公式更进了一步,并比半经验公式和一维平板公式更能揭示复板的运动规律。界面波的形成机理是爆炸焊接中的另一理论问题,搞清界面波的形成条件和机理就能够预测焊接品质并能得到焊接参数与界面波纹形状、大小之间的关系。关于波的形成机理可以归纳为复板流侵彻机理(刻入机理)、Helmholtz不稳定流机理、涡脱落机理和应力波机理。Bahrani,Black与Crossland等是复板流侵彻机理的代表者这种机理能描述波的形成及其发展,其不足之处在于假定基板不发生射流,这是不符合实际的;Helmholtz不稳定流机理的代表者是Hunt与Robinson,他们认为波的形成是由于流体中的Helmholtz不稳定性,但是这种理论不能解释对称碰撞时出现的界面波;Cowan和Holtzman提出的涡脱落机理认为射流在基、复板碰撞中起了一个横向障碍物的作用,射流后面产生了类似卡门涡街的脱落与波状流动,但是该理论不能解释无射流时波的形成,也没说明射流的来源;Godunov等提出的应力波机理于其他几种理论完全不同。该理论认为波的形成不一定需要射流,在没有产生复合的情况下也可以形成波,而波的形成归因于应力波的作用。此外,我国的郑哲敏教授认为爆炸焊接波状界面的形成机理应该属于流体弹塑性模型中的稳定性问题,提出热塑失稳与波状界面失稳并存的观点,认为当碰撞压力小时,形成的是平直界面;随着复板流速度和碰撞角的增大,界面上将会出现两种失稳形态,形成波状结合界面。而郑远谋则认为波形成的流体力学理论不能成立,他认为波状结合面的形成是爆炸荷载以波的形式向前传递并作用在复板上,使复板产生波状塑性变形的结果,并提出了综合作用机理,认为爆炸焊接综合了压力焊、熔化焊和扩散焊的3种机理,并具有射流的特点。虽然人们提出了多种解释爆炸焊接的理论,并对爆炸焊接中复板的运动规律和结合面的结合形式给出了诸多解释以揭示爆炸焊接机理,但由于爆炸焊接过程的瞬态性、复杂性以及试验和仪器的欠缺,目前的各种理论都只能描述或解释爆炸焊接的部分现象,而不能十分全面、正确的描述其整个过程,因此,爆炸焊接理论仍有待进一步的研究和完善。2模拟焊接过程长期以来,分析爆炸焊接的试验结果是人们研究爆炸焊接机理的主要手段,而随着计算机技术的发展,采用计算机对爆炸焊接过程进行数值模拟的研究方法已经被广泛应用于爆炸焊接研究。通过进行试验研究和数值模拟可以探索爆炸焊接的机理,从而为更有效的控制爆炸焊接提供依据,也可以得到同种或异种金属、金属与非金属得到优质产品的最佳工艺参数,并且采用数值模拟可以节省试验次数,提高研究效率。2.1爆第三阶段爆击检测爆炸焊接技术的试验研究可以归纳为以下几类:探讨爆炸焊接机理,爆炸焊接布药工艺和所用炸药的研究以及爆炸焊接工艺参数研究。复合材料界面状态是衡量复合品质优劣的主要评定因素之一,张建臣通过采用理想不可压缩流体模型作为一级近似,发现波形的变化趋势与碰撞角的变化趋势相一致;波形参数和碰撞角之间存在一定的比例关系,在采用相同模型的情况下,他发现对于异种金属材料的爆炸复合,其比强度应由来流速度、金属对中低密度金属的密度和高强度金属的极限强度来共同决定。王建民等通过观察分析不同工艺制备的异种金属复合板,发现复合板界面波的波形参数受焊接材料与工艺影响,并且随装药量的增加,波长、波高逐渐增加。隋国发等通过建立连续介质模型,对铜铜复合板爆炸焊接结合界面进行了计算分析和试验对比发现结合区材料产生大量的塑性变形,并且向界面集中,变形集中的区域沿爆轰方向由宽变窄,材料变形量逐渐增大;随着爆轰速度的增大,界面变形区域扩大,且变形量增大。由于在爆炸焊接中能量的来源是炸药,因此装药方式、装药厚度等影响着施加于复板上爆炸载荷的强度及其作用特征。蔡立艮等人研究发现,采用不等厚布药工艺的产品品质明显优于传统的等厚布药工艺,采用不等厚度布药新工艺可以使炸药产生的爆轰压力逐渐减少,和振动产生的惯性力共同作用,保持基、复板之间的压力基本不变,得到基本一致的微小波状的结合界面。并有学者在一维格尼(Gurney)公式的基础上引进爆炸冲量,推导出合理装药厚度D的计算公式,并通过实验证明该公式在大面积、大厚度复合钢板中的计算数值和实验数值基本吻合,但该公式没有考虑到侧向稀疏波和引爆端稀疏波作用的影响,有待进一步修正。在爆炸焊接中,当复板尺寸等于或小于基板尺寸时,复合板边界的焊接品质往往较差,甚至会在边界处产生大面积的脱焊,这就是爆炸焊接的边界效应。段卫东等根据爆轰产物的一维飞散理论,对边界效应的影响范围进行了分析和计算,提出了采用加大复板尺寸、粘贴镀锌铁板和使用厚钢板做药框的方法来消除或减小边界效应的措施。爆炸焊接中采用的大都是低爆速炸药,关于这方面的研究,田建胜等以#2岩石硝铵炸药为主体,通过加入一定比例的食盐、膨胀珍珠岩配置成了一种爆速可调的SE型爆炸焊接专用低速炸药,在铜钢的焊接中取得了较好的品质。袁胜芳等将硝酸铵与水、复合蜡、膨化剂及稀释剂按不同比例制成混合液,在一定条件下脱水干燥制得低爆速爆炸焊接炸药,并对铝钢进行爆炸焊接试验显示了良好的适用性。爆炸焊接窗口理论是目前爆炸焊接技术中用来确定爆炸焊接动态参数的基本方法,AkbariMousavi通过研究钛不锈钢复合板的爆炸焊接提出了爆炸焊接窗口的计算方法,并通过试验证明该算法同试验结果具有很好的一致性。赵铮等人修正了双金属爆炸焊接窗口流动限、声速限、下限和上限的计算方法,并开发了爆炸焊接窗口计算程序,为工程中确定爆炸焊接动态参数提供了方便。而李明等人的研究发现在爆炸焊接中为了取得良好界面,在参数选取时应选取下限参数。同时对多层金属板爆炸焊接参数进行了试验研究,采用单面布药一次完成了双界面爆炸焊接。还有学者研究了多点多块金属板材同时爆炸焊接方法,并提出了不同起爆方式下相邻板安全间距的计算方法。此外,在爆炸焊接的研究方面,焊后处理及检测也逐渐受到人们的重视,闫鸿浩等人对8Cr13MoV与0Cr19Ni9三层爆炸复合板热处理过程中的碳扩散进行了计算,确定并验证了热处理工艺。而通过对爆炸焊不锈钢复合板进行力学性能、金相试验分析,也证明了爆炸焊不锈钢复合钢板正火后的各项性能均优于退火状态,提出了爆炸焊不锈钢复合钢板应经正火处理的观点。2.2复合板工程数值模拟研究通过数值模拟可方便地了解爆炸焊接过程,优化焊接参数,并有效地减少试验次数,降低试验成本。目前数值模拟已经成为爆炸焊接的研究的一个方法。国外学者对此进行了大量研究。Akihisa利用二维有限差分方法模拟了爆炸焊接过程中波状界面的产生过程,认为剪力流和周期性波动是产生波状界面的重要因素,得出波状面的波高和波长比与涡流状区域中心的纵向间距和横向间距比分别接近于常数0.3和0.2的结论。AkbariMousavi等人对爆炸焊接的数值模拟进行了深入研究,通过采用Williamsburg状态方程与AUTODYN软件相结合对采用低爆速ANFO炸药爆炸焊的全过程进行了模拟,分析了爆炸焊过程中的压力分布、速度分布、剪切应力分布和塑性应变分布,重点模拟了爆炸焊接射流、平直和波状界面的形成,并且数值模拟的波形大小和射流速度与试验结果基本一致,认为并能按焊接要求确定爆炸焊焊接参数。对大面积复合板的工业化生产具有重要的实用价值。Mohammad等人采用ABAQUS有限元方法分析了爆炸焊过程,通过数值模拟探讨了爆炸焊工艺参数对界面结合处应力和应变的影响,确定了碰撞区域应变和剪切应力的影响因素,并且通过试验对数值模拟结果进行了验证,数值模拟结果发现,有限元网格尺寸对爆炸焊接过程中射流的出现有重要影响,Grignon等人利用Raven软件对6061T0铝合金的爆炸过程焊进行了数值模拟,计算表明随着碰撞角与两金属间距离的增大,焊接结合面的结合形式由波形界面逐渐变为平直面,同时物理试验结果与数值模拟结果的吻合度比较好。我国学者谢飞鸿等人采用瑞利-里兹法计算模型,计算了碰撞点处的瞬时应力场,同时对不同的碰撞角和碰撞压力进行了模拟计算,获得了碰撞点处的应力场分布的基本规律,对了解爆炸载荷作用下材料的性能及材料结合有一定的指导作用。王建民等人对爆炸焊接过程进行了三维动态数值模拟研究,获得了爆炸焊接过程中复板的碰撞压力、碰撞速度的分布特点及规律,并通过理论、经验公式进行了验证。薛治国等人利用非线性有限元程序ANSYS/LSDYNA对大面积钛钢复合板的焊接过程进行了数值模拟,获得了爆炸焊过程中的应力应变分布图.王呼和利用大型非线性有限元软件ANSYS/LS2DYNA对爆炸焊接过程进行了数值模拟,其模拟结果与试验结果表现出良好的一致性.数值模型能够较准确地反映出爆炸焊接射流和波形的形成过程,并且获得了爆炸焊接过程不同时刻的压力场分布。上述对爆炸焊接过程进行的数值模拟研究多集中在爆炸焊界面应力、压力的分布及爆炸焊射流、界面形态上,除了这方面,数值模拟还可以对爆炸焊接的工艺参数进行辅助设计,从而优化工艺参数,减少试验次数。马贝等基于ANAYS/LSDYNA平台建立了钢-铜-铜三层圆管爆炸焊接的三维有限元模型,得到了间隙对于三层圆管爆炸焊接的影响,并得到了合适的间隙大小。卢湘江等人利用数值模拟研究了复板、基板与炸药的最佳厚度匹配,得到了基板厚度一定条件下,炸药厚度极限值随覆板厚度变化的经验公式,并指导了实际试验。李向荣等人利用非线性动力学软件进行了铝质柱形容器爆炸焊接的数值模拟,得到了各种焊接初始参数的影响规律,确定了较佳焊接初始参数及容器结构尺寸,并通过实验进行了验证。另外,也有研究人员采用非线性有限元法建立了复合板在爆炸焊接过程中的有限元计算模型,模拟和分析了复合板的运动状态,实现了对复板运动的三维有限元模拟,并通过实验得到了复合板结合率为100%时的间隙值,为制定大面积钛钢复合板的爆炸焊接工艺参数提供了依据。文献通过采用理想流体模型探讨了不同碰撞角对应变率的影响,并计算发现了碰撞角在6°和20°之间时驻点附近的应变率的分布状态。3焊接工艺和工艺的制定随着现代科学技术对特殊合成材料需要的不断增长以及爆炸焊接产品的应用日益广泛,爆炸焊接的应用研究也获得了显著发展。张建臣通过温度场模拟分析和试验测试,对铜铝复合散热片进行了结构优化,减轻了其质量,提高了性价比,使其在普通微机中的应用普及成为可能。陈晓强等人的研究发现采用爆炸焊接的方法可以对水下的管线进行连接,且其连接强度及致密性在一定程度上能够满足工程应用,但是对要求较高的工程需要在工艺方面进行调整,并且通过对线状爆炸焊金属结合界面进行观察分析确定了线状爆炸焊结合沟槽工艺可作为特殊的焊接维修方法加以应用。有学者研究了热交换器中铜管与钢板的管板爆炸焊接,确定了铜管与钢板爆炸焊接的工艺参数。李红富等通过试验提出了小面积复合板合并焊接、涂黄油保护复板及将起爆点设置在后加工切除点的方法,并用此方法试制了铜/钢油膜轴承衬板,合格率超过了国家标准。卢湘江等通过试验确定了深孔探测采样容器的爆炸焊接密封工艺,并确定了基板与复板、盖与圆