雙金屬復(fù)合板爆炸焊接參數(shù)選擇窗口開發(fā)

李 巖,李艷彪,劉翠榮,吳志生,任金鎖，張衛(wèi)國

(1.太原科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，太原 030024；2.山西陽煤化工機(jī)械(集團(tuán))有限公司 技術(shù)中心，太原 030032；3.寶雞市紅炎鈦業(yè)有限公司，陜西寶雞 721000)

0 引言

雙金屬復(fù)合板是通過在一層金屬板上覆以另外一種金屬板，從而充分發(fā)揮單一材料所不具備的優(yōu)異的綜合性能，廣泛應(yīng)用在航空航天、深海裝備、核電裝置、壓力容器制造等領(lǐng)域[1-5]。不銹鋼-碳鋼、鈦-鋼復(fù)合板制壓力容器已在石油化工、制鹽、制堿及制藥等行業(yè)中廣泛應(yīng)用。

雙金屬復(fù)合板的制備通常有爆炸焊接和軋制復(fù)合等方法[6-10]，其中爆炸焊接是一種特殊的高能連接技術(shù)，它利用平鋪在上層金屬板材上表面炸藥爆炸所產(chǎn)生的能量轉(zhuǎn)化為上層金屬板運(yùn)動的能量，使上層金屬板在高速運(yùn)動過程中與放置在下層的基板產(chǎn)生劇烈碰撞，在較大的壓應(yīng)力和高溫共同作用下，原子之間發(fā)生相互擴(kuò)散，使復(fù)板和基板產(chǎn)生冶金結(jié)合。

目前，爆炸焊接參數(shù)一般根據(jù)母材的材質(zhì)、規(guī)格，炸藥的爆速、密度等，通過經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算獲得。由于爆炸焊接工藝參數(shù)多，經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式復(fù)雜，計(jì)算過程邏輯層次易混淆，人工計(jì)算易出錯(cuò)等問題，如果能用計(jì)算機(jī)程序?qū)崿F(xiàn)爆炸焊接參數(shù)的自動求解，將有助于準(zhǔn)確選擇爆炸焊接工藝參數(shù)，提高工藝設(shè)計(jì)效率。

本文根據(jù)爆炸焊接參數(shù)計(jì)算的經(jīng)驗(yàn)公式，利用Visual Basic軟件進(jìn)行編程，開發(fā)適合雙金屬復(fù)合板爆炸焊接參數(shù)選擇系統(tǒng)，以方便復(fù)合板制造企業(yè)雙金屬復(fù)合板爆炸焊接參數(shù)的選擇。

1 爆炸焊接參數(shù)確定

1.1 爆炸焊接參數(shù)

1.1.1 靜態(tài)參數(shù)

爆炸焊接的靜態(tài)參數(shù)是指炸藥在未引爆前設(shè)定的工藝參數(shù)，主要包括以下參數(shù)。

(1)預(yù)制角α：初始安裝時(shí)基板和復(fù)板之間的夾角，平行安裝工藝下初始預(yù)制角為零。

(2)裝藥質(zhì)量比R：復(fù)板單位面積上裝藥量，可用R=C/M表示(C,M分別為炸藥的質(zhì)量和復(fù)板的質(zhì)量)。

(3)基板和復(fù)板的間隙h：起爆前基板和復(fù)板之間的間隔距離。

1.1.2 動態(tài)參數(shù)

爆炸焊接動態(tài)參數(shù)是起爆后，復(fù)板和基板在復(fù)合過程中，整個(gè)爆炸焊接系統(tǒng)中動態(tài)變化的參數(shù)。圖1示出爆炸焊接瞬時(shí)過程。炸藥通過雷管引爆后，炸藥以速度vd自左向右傳播，復(fù)板在爆轟波作用下發(fā)生折彎，折彎角為θ，復(fù)板以vp向下與基板發(fā)生碰撞，碰撞點(diǎn)為C，隨著爆轟進(jìn)行，碰撞點(diǎn)以速度vc向右運(yùn)動，基板與復(fù)板之間的動態(tài)折彎角為β。

從運(yùn)動學(xué)幾何關(guān)系中可以推導(dǎo)得到vp,vc,vd,θ和β等爆炸焊接動態(tài)參數(shù)之間的關(guān)系。由圖2[11]的幾何關(guān)系示意可知，碰撞點(diǎn)移動速度vc與炸藥爆速vd存在如下關(guān)系：

(1)

在平行安裝爆炸焊接工藝中α=0，則有：

vc=vd

(2)

因此：

(3)

圖1 爆炸焊接過程示意 Fig.1 The schematic diagram of explosive welding process

圖2 爆炸焊接動態(tài)參數(shù)幾何關(guān)系 Fig.2 The geometric relation of dynamic parameters for dynamic welding

三個(gè)基本的動態(tài)參數(shù)存在式(3)的基本關(guān)系，因此，兩個(gè)參數(shù)確定后，另外一個(gè)也就知道，所以一般用三個(gè)參數(shù)中任意兩個(gè)組合均可在平面坐標(biāo)系中構(gòu)建爆炸焊接可焊性區(qū)域。

1.2 爆炸焊接參數(shù)極限確定

爆炸焊接參數(shù)極限主要有：流動限、聲速限、上限以及下限，具體如圖3[12]所示。

圖3 爆炸焊接窗口 Fig.3 The explosive welding window

1.2.1 流動限vc,min

流動限是保證射流產(chǎn)生、撞擊點(diǎn)最小的移動速度。撞擊點(diǎn)移動的速度達(dá)到vc時(shí)，金屬表面開始出現(xiàn)射流，vc是可以使待結(jié)合面產(chǎn)生射流的臨界撞擊點(diǎn)速度。當(dāng)撞擊點(diǎn)移動速度vcp小于vc時(shí)，碰撞點(diǎn)壓力小于材料動態(tài)屈服極限，則不能產(chǎn)生射流，從而不能實(shí)現(xiàn)焊接。因此，撞擊點(diǎn)移動速度vcp應(yīng)該大于臨界撞擊點(diǎn)移動速度vc[12]。臨界撞擊點(diǎn)移動速度vc由以下經(jīng)驗(yàn)公式[13]確定：

(4)

式中，Re為雷諾數(shù)，取10.6；H1,H2分別為復(fù)板和基板的維氏硬度；ρ1,ρ2[1]分別為復(fù)板和基板的密度，kg/m3。

1.2.2 聲速限(vc,max)

為了保證射流形成，撞擊點(diǎn)的速度vc還必須限制在材料的體積聲速之內(nèi)。異種材料進(jìn)行爆炸復(fù)合時(shí)，撞擊點(diǎn)的速度vc要小于組合材料中體積聲速較小的值。

vc,max=min(cmin1,cmin2)

(5)

1.2.3 下限vp,min

爆炸焊接界面產(chǎn)生塑性變形和射流是爆炸焊接成功的前提，因此必須保證復(fù)板有足夠大的速度與基板發(fā)生碰撞，才能實(shí)現(xiàn)復(fù)板與基板的冶金結(jié)合。為了使基板和復(fù)板實(shí)現(xiàn)冶金結(jié)合，復(fù)板與基板最小的撞擊速度叫做爆炸焊接的下限，爆炸焊接下限vp,min可由以下經(jīng)驗(yàn)公式求得：

(6)

式中，σb為材料的抗拉強(qiáng)度,Pa；ρ為材料的密度,kg/m3。

如果兩種材料是同種材料，上式求得的vp,min就是實(shí)現(xiàn)復(fù)合所需要的最小撞擊速度；然而，如果是異種材料的復(fù)合，則vp,min需要使兩種材料中較硬的材料產(chǎn)生塑性變形。異種材料爆炸焊接最小碰撞速度由以下步驟確定。

(1)按式(6)分別計(jì)算兩種材料產(chǎn)生射流所需的vp,min。

(2)由雨貢紐關(guān)系計(jì)算在速度vp,min下兩種材料承受的壓力，即：

(7)

式中，ρ為兩種材料的密度[1]；up為由式(6)確定的基板和復(fù)板各自產(chǎn)生射流需要最小碰撞速度;c為材料的體積聲速。

由式(7)計(jì)算得到兩種材料在最小碰撞速度下的壓力分別為pmin1和pmin2。

(3)碰撞發(fā)生后，要使兩種材料都產(chǎn)生射流，碰撞點(diǎn)壓力必須超過式(7)中計(jì)算得到的較大壓力值，因此碰撞點(diǎn)處壓力p=max(pmin1,pmin2)。將p代入式(7)中，重新計(jì)算另一種金屬獲得此壓力需要的碰撞速度vo。

(4)vo與式(6)中確定的較大壓力值的速度之和就是可以實(shí)現(xiàn)爆炸復(fù)合所需要的最小復(fù)板速度。

1.2.4 上限vp,max

爆炸焊接常被歸類為固相焊。復(fù)板與基板撞擊速度太大，將導(dǎo)致結(jié)合界面產(chǎn)生熔化，異種金屬爆炸焊接時(shí)，界面熔化可能導(dǎo)致在結(jié)合界處產(chǎn)生脆性金屬間化合物，損害界面結(jié)合強(qiáng)度。為了避免界面出現(xiàn)熔化，復(fù)板和基板最大撞擊速度vp,max可用以下經(jīng)驗(yàn)公式[14]確定：

(8)

1.3 試驗(yàn)工藝參數(shù)確定

在進(jìn)行爆炸焊接生產(chǎn)中，工藝參數(shù)選擇需要在可焊窗口范圍之內(nèi)，爆炸焊接“理論最優(yōu)”靜態(tài)參數(shù)選擇根據(jù)以下方法[17-18]確定。

1.3.1 最佳撞擊點(diǎn)移動速度vcp的確定

最佳撞擊點(diǎn)移動速度vcp由以下經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算：

vcp=vc+C

(9)

式中，C為常數(shù)，用來優(yōu)化調(diào)整撞擊點(diǎn)的速度，m/s，當(dāng)vc≤2 000 m/s時(shí)，取C=200 m/s；當(dāng)2 000≤vc≤2 500 m/s時(shí)，取C=100 m/s；當(dāng)vc≥2 500 m/s時(shí)，取C=50 m/s[1,19]。

1.3.2 最佳復(fù)板和基板撞擊速度vp的確定

當(dāng)最小的基、復(fù)板撞擊速度和最大的基、復(fù)板撞擊速度確定以后，最佳的復(fù)板速度用下式確定：

vp=vp,min+0.1(vp,max-vp,min)

(10)

1.3.3 復(fù)板的確定

炸藥的消耗量與復(fù)板的質(zhì)量成正比，工業(yè)生產(chǎn)中，為節(jié)約生產(chǎn)成本，減少炸藥用量，通常選用密度低的材料作為復(fù)板[1]。

1.3.4 炸藥的確定

平行安裝爆炸焊接裝置時(shí)，預(yù)設(shè)角為零，撞擊點(diǎn)的移動速度vcp等于炸藥的爆炸速度vd[1]。

1.3.5 裝藥質(zhì)量比R的確定

爆炸焊接使用炸藥的數(shù)量用裝藥質(zhì)量比R表示，即R=C/M(C為單位面積炸藥質(zhì)量;M為單位面積復(fù)板質(zhì)量),也可以寫成R=ρeδ0/ρ1δ1(式中,ρe為炸藥密度;δ0為炸藥厚度；ρ1為復(fù)板密度；δ1為復(fù)板厚度，mm[1])。

爆炸焊接可簡化為一維格尼運(yùn)動，文獻(xiàn)[1，20]給出了炸藥爆速vd，復(fù)板和基板的碰撞速度vp和裝藥質(zhì)量比R之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式：

(11)

公式(11)構(gòu)建了爆炸焊接動態(tài)參數(shù)和靜態(tài)參數(shù)之間的關(guān)系，可以計(jì)算得到裝藥比R。根據(jù)R的定義，可以求出爆炸焊接所需炸藥的質(zhì)量。

1.3.6 基板和復(fù)板間隙確定

文獻(xiàn)[1,21]提供了基板和復(fù)板間隙距離的計(jì)算公式：

h=0.2(δ0+δ1)

(12)

2 爆炸焊接參數(shù)計(jì)算系統(tǒng)開發(fā)

根據(jù)爆炸焊接參數(shù)計(jì)算的理論公式，設(shè)計(jì)爆炸焊接參數(shù)計(jì)算程序流程見圖4。

圖4 爆炸焊接參數(shù)理論計(jì)算流程 Fig.4 The flow chart of theoretical calculation for explosive welding parameters

根據(jù)程序設(shè)計(jì)流程圖，開發(fā)雙金屬爆炸焊接參數(shù)選擇系統(tǒng)，系統(tǒng)主要包括4個(gè)模塊。

(1)數(shù)據(jù)安全模塊。在登錄界面設(shè)置登錄用戶名和密碼，分為兩個(gè)涉密等級，用戶登錄可進(jìn)行常規(guī)爆炸焊接參數(shù)計(jì)算，管理人員可以進(jìn)入后臺，增加材料數(shù)據(jù)庫，調(diào)整爆炸焊接參數(shù)計(jì)算理論模型。

(2)材料性能數(shù)據(jù)庫讀取，幾何尺寸輸入模塊。通過下拉菜單選擇基板和復(fù)板的材料種類，材料性能參數(shù)由數(shù)據(jù)庫直接讀取。計(jì)算所需材料的力學(xué)性能包括抗拉強(qiáng)度和維氏硬度；物理參數(shù)包括熔點(diǎn)、熱擴(kuò)散系數(shù)、比熱、體積聲速等。材料數(shù)據(jù)庫后期還需要不斷完善，新增材料種類時(shí)特別要注意各項(xiàng)性能參數(shù)的單位，以免造成計(jì)算錯(cuò)誤。針對不同規(guī)格爆炸焊接產(chǎn)品制造的需要，材料的幾何尺寸需人工輸入，包括復(fù)板和基板的厚度、長度和寬度，并注意幾何尺寸單位。

系統(tǒng)包含了常用金屬材料數(shù)據(jù)庫，目前材料數(shù)據(jù)庫已經(jīng)包含了碳鋼、不銹鋼、鋁、鈦、銅等材料。通過下拉菜單選擇不同的材料，即可獲得相應(yīng)材料的力學(xué)性能、物理性質(zhì)等參數(shù)。根據(jù)需要，在后臺可添加材料種類并賦予相應(yīng)的參數(shù)。

(3)爆炸焊接參數(shù)計(jì)算模塊。此模塊是系統(tǒng)的核心內(nèi)容，根據(jù)上述計(jì)算理論，首先計(jì)算得到雙金屬爆炸焊接流動限、聲速限、上限、下限，從而確定“理論最優(yōu)”碰撞速度vp和撞擊點(diǎn)移動速度vc，最后以撞擊點(diǎn)移動速度vc為橫坐標(biāo)，動態(tài)撞擊角β為縱坐標(biāo)繪制爆炸焊接可焊性窗口,如圖5所示。爆炸焊接窗口確定后，計(jì)算裝藥比、基復(fù)板間隙、炸藥量等爆炸焊接靜態(tài)參數(shù)。

圖5 爆炸焊接可焊性窗口 Fig.5 The explosive welding weldability window

在參數(shù)輸入窗口中單擊“計(jì)算”按鈕得到爆炸焊接極限值；單擊“清空”按鈕清除輸入?yún)?shù)以便進(jìn)行下次計(jì)算；單擊“繪圖”按鈕，彈出爆炸焊接可焊窗口；單擊“最佳參數(shù)”彈出計(jì)算得到的“理論最優(yōu)”參數(shù)窗口，如圖6所示。

圖6 最佳參數(shù)輸出窗口1 Fig.6 The best parameters output window 1

(4)數(shù)據(jù)保存、輸出打印模塊。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

針對企業(yè)常規(guī)產(chǎn)品，如不銹鋼-碳鋼復(fù)合板、鈦-鋼復(fù)合板，該程序計(jì)算得到的爆炸焊接參數(shù)與企業(yè)現(xiàn)有實(shí)際生產(chǎn)參數(shù)基本一致。經(jīng)過幾個(gè)新材料(如鈦/鋁、銅/鋁等復(fù)合材料)試驗(yàn)，也證實(shí)該程序計(jì)算的可靠性。

由于篇幅限制，本文僅以鈦/鋁爆炸焊接為例，對所開發(fā)系統(tǒng)參數(shù)計(jì)算的合理性進(jìn)行驗(yàn)證。

3.1 試驗(yàn)材料

選用規(guī)格為1 050 mm×650 mm×1 mm的TA1鈦板，1 000 mm×600 mm×3 mm的Al-1060鋁板，進(jìn)行鈦/鋁爆炸焊接試驗(yàn)。

3.2 爆炸焊接參數(shù)確定

利用開發(fā)的雙金屬爆炸焊接參數(shù)計(jì)算系統(tǒng)，首先從材料庫中選擇復(fù)板材料為TA1，基板的材料為Al-1060，材料性能參數(shù)自動讀?。皇謩虞斎氡敬伪ê附釉嚢宓膸缀纬叽?；點(diǎn)擊“計(jì)算”按鈕，系統(tǒng)自動計(jì)算得到爆炸焊接極限值，如圖7所示；點(diǎn)擊“繪制爆炸焊接窗口”按鈕，彈出圖8所示的爆炸焊接可焊接性窗口。點(diǎn)擊“計(jì)算最佳動態(tài)參數(shù)”，彈出圖9，可以在爆炸焊接窗口范圍內(nèi)計(jì)算得到“理論最優(yōu)參數(shù)”。

圖7 爆炸焊接參數(shù)輸入窗口 Fig.7 The input window of explosive welding parameters

圖8 繪制爆炸焊接窗口 Fig.8 Plotting of explosive welding window

3.3 焊接質(zhì)量測試

爆炸焊接完成后，去除邊界效應(yīng)區(qū)外，對鈦/鋁復(fù)合板界面結(jié)合率進(jìn)行超聲波檢驗(yàn)，掃查方式采用100%掃查，結(jié)合率為98%。

圖9 最佳參數(shù)輸出窗口2 Fig.9 The best parameters output window 2

圖10 鈦/鋁界面拉剪過程

為了驗(yàn)證試驗(yàn)獲得鈦/鋁結(jié)合強(qiáng)度，對爆炸焊接制成的4 mm鈦/鋁復(fù)合板進(jìn)行拉剪試驗(yàn)。圖10示出鈦/鋁復(fù)合材料界面拉剪過程，試驗(yàn)結(jié)果表明，復(fù)合板界面并未有開裂的跡象，斷裂發(fā)生在基層鋁板位置，這證明了鈦/鋁復(fù)合界面的抗剪切強(qiáng)度要大于鋁板的拉伸強(qiáng)度，也說明了在目前的爆炸焊接工藝下，鈦、鋁兩種材料實(shí)現(xiàn)牢固結(jié)合，從側(cè)面驗(yàn)證了所開發(fā)的爆炸焊接工藝參數(shù)計(jì)算系統(tǒng)的可靠性。

4 結(jié)語

本文利用Visual Basic軟件進(jìn)行編程，開發(fā)適合雙金屬爆炸焊接參數(shù)選擇系統(tǒng)，以方便工業(yè)生產(chǎn)中雙金屬復(fù)合板爆炸焊接參數(shù)選擇。所開發(fā)的系統(tǒng)主要包含以下功能。

(1)建立常用金屬材料數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)庫內(nèi)置碳鋼、不銹鋼、鋁、鈦、銅等材料，包含材料的力學(xué)性能、物理性能等參數(shù)，數(shù)據(jù)庫可根據(jù)需要添加材料種類。

(2)開發(fā)焊接窗口軟件，實(shí)現(xiàn)不同金屬組合爆炸焊接可焊性窗口的自動繪制。

(3)在可焊窗口范圍內(nèi)，根據(jù)爆炸焊接母材的規(guī)格，合理選擇炸藥的種類，計(jì)算得到“理論最優(yōu)”靜態(tài)參數(shù)，確定炸藥用量及基、復(fù)板間隙等工藝值。