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爆炸焊 - 道客巴巴

发布日期:2020-06-14 20:27 作者:赌钱网址 点击:

  第七章 爆炸焊(Explosive Welding) 本章主 要内容: 4. 0 超声波特性 4. 1 概述 4. 2 超声波焊接设备 4. 3 超声波焊接工艺 4. 4 超声波焊接应用 本章教学目 标: 1. 掌握超声波基本原理及能量转换和传递过程 2. 掌握超声波焊设备各部分组成及作用。 3. 掌握超声波焊按接头形式的分类 4. 理解焊接工艺参数选择原则 5. 了解超声波的主要应用领域 导言 爆炸具有巨大的威力, 主要是因为炸药起作用。 我们知道炸药具有很大威力, 炸药可在十万分之一秒(10是它平均每秒种放出的能量达一亿 卡, 这种释放能量的速度比世界上最大的电站还要大。 另外炸药在...

  第七章 爆炸焊(Explosive Welding) 本章主 要内容: 4. 0 超声波特性 4. 1 概述 4. 2 超声波焊接设备 4. 3 超声波焊接工艺 4. 4 超声波焊接应用 本章教学目 标: 1. 掌握超声波基本原理及能量转换和传递过程 2. 掌握超声波焊设备各部分组成及作用。 3. 掌握超声波焊按接头形式的分类 4. 理解焊接工艺参数选择原则 5. 了解超声波的主要应用领域 导言 爆炸具有巨大的威力, 主要是因为炸药起作用。 我们知道炸药具有很大威力, 炸药可在十万分之一秒(10是它平均每秒种放出的能量达一亿 卡, 这种释放能量的速度比世界上最大的电站还要大。 另外炸药在爆炸过程时, 放出大量气体, 据测定, 炸药在爆炸时体积会突然 增加 47 万倍, 在炸药中心产生的巨大压力和几千度高温, 形成一股巨大的爆炸能量, 这一巨大的压力和高温, 被人们巧妙地用作焊接金属的能量, 这种方法就是爆炸焊接。 爆炸焊: 爆炸焊是以炸药为能源进行金属间焊接的方法。这种焊接是利用炸药的爆轰, 使被焊金属面发生高速倾斜碰撞, 在接触面上造成一薄层金属的塑性变形,在此十分短暂的冶金过程中形成冶金结合。 爆炸焊是利用炸药爆炸产生的冲击力, 造成焊件的迅速碰撞而实现连接焊件的一种压焊方法。 焊缝是在两层或多层同种或异种金属材料之间, 在零点几秒之内形成的。 进行爆炸焊时不需填加填充金属, 也不必加热。 爆炸焊接现象人们在弹片与靶子的撞击中早已观察到了。但最早记入文献的是美国的卡尔。 1957 年, 美国的费列普捷克成功地实现了铝和钢的爆炸焊接。 50 年代末, 国外开始了系统的研究。 60 年代中期以后, 美、 英、 日等国先后开始了爆炸焊接产品的商业性生产。 我国是 1963 年开始爆炸焊的试验和研究的。50 多年来, 爆炸焊技术及产品已经较为广泛地应用于国民经济的一些部门。 一、 爆炸焊分类及特点 1) 按初始安装方式不同, 爆炸焊接有平行法和角度法两种基本形式。 ① 以金属复合板爆炸焊为例, 说明安装工艺。 平形法: 爆炸焊装配中, 基板、 复板间隙距离不变(预制角 为零) -5) 内完全燃烧, 释放储存的全部能量, 也就 角度法: 爆炸焊装配中, 基板、 复板间隙不等, 只需在安装过程中使复板倾斜一个预置角(预制角大于零) a 在小型试验中, 用平行法和角度法均可, 角度法只适合小件复合, 大面积复合不能采用, 因为间距随爆炸点位置的变化而变化。 b 在大面积复合板的爆炸焊时多用平行法。 ②整个系统通常置于地面之上, 基板常须有质量较大的基础 (如 钢砧座、 沙、 土或水泥平台等)支托。 ③复板与基板之间平行放置且留有一定间距。 炸药一般直接平铺复板板面上,称接触爆炸。 常在炸药与复板之间放上缓冲层: 如橡胶、 沥青、 黄油、 塑料板等, 防止复板表面被爆炸热氧化烧伤。 ④此外, 还须选择适当起爆点来放置雷管 2) 按金属材料形状: 板-板、 管-管、 管-板、 管-棒、 金属粉末-板爆炸焊等 3) 按接头类型: 搭接、 对接、 斜接、 压接 4) 按结合区形式: 点爆炸焊、 线爆炸焊和面爆炸焊。 面爆炸焊(简称面焊)是爆炸焊的主要类型。 5) 按实施位置: 地面、 地下、 空中、 水下和线) 按爆炸次数: 一次、 二次或多次爆炸焊, 因而有双层和多层爆炸焊之分;7) 按布药特点: 单面和双面爆炸焊, 或从内、 外或内外同时进行的爆炸焊;8) 按焊件是否预冷或预热: 冷爆炸焊和热爆炸焊等。 此外, 爆炸焊工艺还可以与常见的金属压力加工工艺, 如轧制、 锻压、 旋 压、 冲压、 挤压、 拉拔和爆炸成形等联合起来, 以生产更大, 更长、 更粗、 更细、 和异型的金属复合材料。 这种联合是爆炸焊方法的延伸和发展。 二、 焊接过程分析 1. 爆炸焊原理 ① 当置于复板上的炸药被雷管引爆后, 炸药在爆炸瞬间释放的化学能量将产生一高压(700Mpa) 高温(瞬时局部温度可达 3000℃) 高速(500-1000m/s) 冲击波能量, 随后冲击波能量和迅速膨胀的爆炸产物的能量向四面八方传播开来。当这两部分能量的向下分量传递给复板后, 便推动复板高速向下运动 ② 复板在间隙中被加速, 最后与基板高速撞击 ③ 当撞击速度和撞击角合适时, 便会在撞击面上发生金属的塑性变形, 而使它们紧密接触。 与 此同时, 伴随着强烈的热效应。 此时接触面上金属的物理性质类似于流体,在撞击点前形成射流。 ④ 射流的冲刷作用, 清除了复板和基板的原始表层上的污物(氧化膜和吸附层), 金属露出有活性的清洁表面, 为形成强固的冶金结合提供良好的条件。使洁净的金属表面相互接触并在高压下紧密结合形成金属键。 ⑤ 随着炸药连续爆炸, 界面不断前移, 形成连续爆炸结合面。 爆炸焊是一种动态焊接过程。 焊接时, 炸药爆轰并驱动复板作高速运动,并以适当的碰撞角度和碰撞速度与基板发生倾斜碰撞。在碰撞点前方产生金属喷射, 称为再入射流, 它有清除表面污染的“自清理” 作用。 然后在高压下纯净的金属表面产生剧烈的塑性流动, 从而实现金属界面牢固的冶金结合。 良好的爆炸结合与射流的形成直接相关, 射流的形成取决于两板件的碰撞角、碰撞速度、 复板速度、 碰撞点压强以及被焊两板的物理和力学性能等。 试验证明:低于某一碰撞速度时, 不能产生结合; 为了产生射流和随后的爆炸结合, 碰撞速度须低于两板材的声速。 注: 接触界面撞击点前方产生金属射流, 以及爆炸发生时复板的变形与加速运动, 是沿整个焊接接头逐步连续地完成, 是获得爆炸焊牢固接头的基本条件。 因此, 炸药的引爆必须是逐步进行的。 如果炸药同时爆炸, 复板将全面的与基板进行撞击, 即使压力在高也不能产生良好结合。 2. 爆炸结合面形态 爆炸时产生的碰撞速度和角度不同, 两金属材料之间的冶金结合形式不同, 结合面形态大致有以下三种: 直线结合、 波状结合、 直线) 直线形结合 主要原因撞击速度低于某一临界值, 临界值由金属组合不同而异。 这类焊缝很少或根本不发生熔化, 这种结合形式没有得到实际应用, 因为当碰撞条件发生微小变化就会引起未熔合的缺陷。 (2)波状结合 当碰撞速度高于临界值时, 就会形成波状结合。 这种结合的力学性能比直线结合好, 而且焊接参数选择范围宽。整个界面是由直线结合区和漩涡区组成,当基板和复板密度相近时, 波峰两侧均有漩涡; 密度相差较大时, 仅在波峰一侧出现漩涡。 漩涡内部由熔化物质组成, 又称熔化槽, 呈铸态组织。 前漩涡以基板成分为主, 后漩涡以复板成分为主。 如漩涡内材料形成固熔体则呈韧性;如形成金属间化合物则呈脆性。 良好的焊接结合面应由均匀细小的波纹组成,熔化槽呈孤立隔离状态。 (3)直线连续熔化层结合 当撞击速度, 和角度过大, 就会产生大漩涡, 甚至形成一个连续的熔化层。这种大漩涡或熔化层如果是固溶体, 一般不会对接头强度带来损害, 但如果形成脆性金属间的化合物, 则接头就会变脆, 而且在其内部常常含有大量缩孔和其他缺陷, 所以必须避免能形成连续熔化层的焊接操作。 三、 爆炸焊安装工艺 图示为爆炸焊接典型装置 (1) 基板、 复板的复合面在焊前应清理干净, 清理方法可为机械法或化学法,清理当天施焊 (2) 复板的长度和宽度应比基板相应大 5-10mm, 将边部缺陷引出复板, 保证边部质量。 两者间保持一定间隙, 可用焊于基板四周的铁丝作支撑。 同时,围绕四周安置药框。 焊方板时可用木框; 焊圆板时可用硬纸板制作。 (3) 均匀布药 主炸药-2 号岩石炸药 引爆药-导爆索、 胶质炸药 雷管-8 号工业雷管 布药方式两种: Ⅰ 均匀布药 在复板的整个布药面积上, 沿炸药爆轰方向, 单位面积药量或药厚处处相等的布药方式。 Ⅱ 梯形布药 在复板的整个布药面积上, 沿炸药爆轰方向, 单位面积药量或药厚呈线性变化的布药方式。 (4) 在炸药和复板之间, 有时可能需要一层通常是橡胶材料的缓冲层, 以防止引爆炸药造成表面烧蚀。 (5) 炸药引爆方式很多: 按起爆位置不同: 中心起爆、 角起爆、 端部起爆等 按起爆装置不同: 单雷管起爆、 T 型起爆(导爆索+雷管)、 线状波发生器起爆 选择起爆方法很重要。 但任何起爆方法, 都必须保证: ①爆炸是逐步地沿复板表面使炸药引爆, 引爆前沿的推进速度, 将决定复板与基板的相互撞击速度。 ②炸药必须能均匀引爆, 以使复板与基板的撞击速度在整个焊缝上始终如一。 何谓雷管区 ? 雷管区 是如何形成的? 如何消除雷管区 ? 雷管区: 爆炸焊时, 在安装雷管的周围, 总会有一个有不产生结合的圆形区, 称雷管区。 形成: 雷管引爆部位, 由于能量不足气体排不出去造成复板 、 基板未能很好结合。 消除方法: 增加附加炸药包 ① 延伸引爆: 把引爆物延伸到复板外部 ② 增加聚能炸药包或复合炸药包 ③ 附加 由黑索金、 泰安、 耐冻胶质炸药组成的高速炸药包 炸药: 爆炸焊生产中通常使用低爆速的混合炸药, 如铵盐和铵油炸药。 前者由硝酸铵和一定比例的食盐组成, 后者由硝酸铵和一定比例的柴油组成。 仅使用少量的梯恩梯作为引爆炸药。 硝酸铵是一种常见的化肥, 它是非常 稳定的。 它与食盐或柴油混合以后“惰性” 更大。 颗粒状的硝酸铵和鳞片状的梯恩梯可以用球磨机破碎成粉末而不会爆炸。 铵盐和铵油炸药只有在梯恩梯等高爆速炸药的引爆之下才能稳定爆炸。 梯恩梯炸药还得靠雷管来引爆。而雷管中的高爆炸药只有在起爆器发出的数百伏高电压下才会爆炸。 所以, 在现场操作中, 只要严格控制好雷管和起爆器, 通常是不会出现严重的危害安全事故的. 四、 焊接规范参数 爆炸焊接的工艺参数分初始参数、动态参数和结合区参数, 三者相互关联。当初始参数确定后, 动态参数和结合区参数(指波形的高和长)就相应确定了 。合理的焊接工艺参数应满足以下三个要求: a. 在碰撞时产生射流; b. 在结合区呈现波形; c. 消除或减少结合区内的熔化。 爆炸焊的初始参数包括单位面积炸药量和间距, 前者表征输入焊接界面的能量, 后者提供了复板加速的空间和便于排除再入射流的条件。 爆炸焊是一个动态过程, 其动态工艺参数有冲击速度、 碰撞速度和碰撞角度等。 爆炸焊工艺参数主要有; 复层与基层金属材料的厚度、 长度和宽度尺寸,炸药的品种, 状态和数量及其爆炸性能数据, 安装后复层相基层之间的间隙距离等。 1.炸药 炸药是爆炸焊的能源, 其种类和密度决定着爆速。 引爆速度是由炸药的厚度、 填充密度或混合在炸药中的惰性填料数量决定的。 一般密度越大, 爆速越高。 当密度给定时, 厚度大则爆速高。 为了获得优质结合, 要求爆速接近复板金属的声速。 爆速过高, 会使撞击角变小, 作用力过大, 撕裂结合部位; 爆速过低, 不能维持足够的爆炸角, 也不能产生良好结合。 如果沿整个装药层各处的密度和厚度不均匀, 则上述三个动态参数 Y/ cp不稳定, 从而导致结合区的波形参数变化, 连接质量没有保证。 单位面积炸药量 W 2.安装间隙和安装角 安装间隙 h(平形法) 和安装角 (角度法) 都是影响爆炸角的主要因素之一,在爆炸焊中, 如果爆炸角过小, 无论撞击速度多大, 也不会产生射流现象, 却会引起结合面上及其严重的熔化现象, 出现低质量的结合。 通常是根据复板加速至所要求的碰撞速度来确定间距 h 值。 通常 h 可选为复板厚度的 0.5-1.0 倍。 的选择应该保证碰撞角 在 5-25 之间 3. 表面状态 表面状态与形成物理接触面积有关,对焊接质量极其重要影响.焊前一定要进行表面清理以保持金属表面尽可能的清洁和具有一定粗糙度。 4. 基复比 基板与复板 厚度之比。 基复比越大则复合越容易, 复合质量也容易保证。 当基复比接近 1 时复合比较困难, 一般要求基复比在 2 以上 式中卜碰撞角, 一般焊接过程是在(。 +卢)二 5~25范围内进行的。 复板密度不同, 使用的 h 值在复板厚度的 o. 52. 0 之间, 实用的最小g 值与炸药厚度疗, 和复板厚度 6 有关, 即 g=0. 2(J。 十 a) (11. 9) g 增大则夕增大, 若 g 过大, 则波形尺寸将减小。 在工件金属和炸药品种确定之后, 只要 知道炸药量和间隙距离, 就可以进行爆炸焊试验。 所使用的炸药量和间隙值与工件金属的厚度和强度 有一定的关系。 这种关系有各种经验表达式. 以复 合板的爆炸焊为例, 现列出其中之一. 0.)(Ah 6 502060..s.h)(BCWe 式中 h-复板与基板之间的间隙距离(cm); we-复板单位面积上布放的炸药量, (g/cm2); -复板的密度(g/cm2); -复板的厚度(cm); s-复板金属材料的屈服强度(MPa), A、 B、 C-计算系数, A 为 0.1~1.0, B 为 0.05~3.0 ; C 为 0.5~2.5 当 h 和 We 计算出来之后, 就准备相应尺寸的间隙柱和算出炸药的总需量。 然后进行一组小型复合板的试验。 试验结果如有偏差, 可对原来计算的h 和 we 值进行适当的调整。 再使用试验得到的能满足技术要求的工艺参数,进行大面积复合板的爆炸焊接. 五、 爆炸焊特点 (1)优点: a. 能将任意相同的、 特别是不同的金属材料迅速和强固地焊接起来 例如 Ta、 Zr、 A1、 Ti、 Pb 等与碳钢、 合金钢、 不锈钢的连接, 用其他焊接方法难以实现, 用爆炸焊则很容易实现。 主要是因为爆炸焊不易产生脆性化合物层或者能把它减小至最低限度。 b. 可以焊接尺寸范围很宽的各种零件, 可焊面积从 1328m2。 爆炸焊接时, 若基板固定不动, 则其厚度不受限制; 复板的厚度为 0.03~32mm, 即所谓包复比很高。 c. 可以进行双层、 多层复合板的焊接, 也可以用于各种金属的对接、 搭接焊缝与点焊。 d. 爆炸焊工艺比较简单,不需要复杂设备,能源丰富,投资少,应用方便。 e. 爆炸焊不需要填充金属, 结构设计采用复合板可以节约贵重的稀缺金属。 f. 焊接表面不需要很复杂的清理,只需去除较厚的氧化物、 氧化皮和油污。g. 能源为低爆速的混合炸药、 它们价廉、 易得、 安全和使用方便。 爆炸焊的缺点 a. 被焊的金属材料必须具有足够的韧性和抗冲击能力以承受爆炸力的剧烈碰撞。 度大于 690MPa 的高强度合金难以进行爆炸复合。 b. 因为爆炸焊时, 被焊金属间高速射流呈直线喷射, 故爆炸焊一般只用于平面或柱面结构的焊接, 如板与板、 管状构件、 管与板等的焊接; 复杂形状的构件受到限制。 c. 爆炸焊大多在野外露天作业, 机械化程度低, 劳动条件差, 易受气候条件限制。 d. 基板宜厚不宜薄, 若在薄板上施焊, 需附加支托, 从而增加了制造成本。 巳爆炸焊时产生的噪声和气浪, 对周围环境有一定影响, 虽然可以进行水下、 真空中或埋在沙子下进行爆炸, 但要增加成本。 六、 爆炸焊缺陷和检测 1. 爆炸焊缺陷 爆炸焊的宏观缺陷主要如下。 ①结合不良 是指爆炸焊后, 复板与基板之间全部或大部分没有结合, 或者即使结合但强度甚低。 要克服这种缺陷首先应选用低爆速炸药, 其次是使用足够的炸药量和适当的间隙距离, 另外, 选择好起爆位置, 使之能缩短间隙排气路程, 创造有利于排气的条件。 ②鼓包 在复合板上局部位置有凸起, 其间充满气体, 敲击时发出“梆梆”声。 要消除鼓包除了选择合适炸药量和间距外, 主要注意要造成良好的排气条件。 ③大面积熔化 多发生在双金属爆炸焊, 在结合面上产生大面积熔化。 产生这现象的主要原因是焊接过程中间隙内没及时排出的气体, 在高压下被绝热压缩, 大量的绝热压缩热使气泡周围的一薄层金属熔化。 要减轻和消除这现象,主要是采用低爆速炸药和中心起爆法, 以创造良好的排气条件。 ④表面烧伤 是指复板受爆炸热氧化烧伤。防止这一现象是使用低爆速炸药和采用黄水玻璃或沥青等保护层置于炸药与复板之间。 ⑤爆炸变形 是指爆炸焊后复合板在长、 宽、 厚三个方向的尺寸和形状上发生宏观的和不规则的变化。 一般情况下这种变形很难避免, 但可以采取一些措施减轻变形, 例如增加基板的刚度或其他特殊工艺措施。 变形后的复合板在加工或使用前必须校平或调直。 ⑥爆炸脆裂 多出现在材质常温冲击性能太低, 强度或硬度很高的情况。 除非采用热爆炸焊工艺(即爆前对工件预热), 一般很难消除。 ⑦雷管区未结合 在雷管引爆的部位, 由于能量不足和排气不畅而引起该区未结合, 通常采用在该处增加炸药量或将其引出复合面积之外的办法来避免。 ⑧边部打裂 在复合板的周边或复合管(棒)的前端, 由于边界效应而使复层被打伤、 打裂的现象。 产生的主要原因是周边或前端能量过大, 因此, 只要减少边部或前端的炸药量, 增加复板或复管的尺寸或在厚板的待结合面之外的周边刻槽等措施就可以减少或清除这种现象。 ⑨爆炸打伤 是指由于炸药结块或分布不均匀, 使局部能量过大, 或者炸药内混有固态硬物, 它撞击复板表面而出现的麻坑、 凹陷或小沟等, 影响表面质量。 主要防止措施是细化和净化炸药和布药均匀。 上述均为宏观缺陷。 在爆炸复合板内部通过一些非破坏和破坏性的方法还可能测出微观缺陷, 如微裂纹(特别是产生在双金属板结合界面的微裂纹)、 显微孔洞、 夹杂物或粗大的组织状态等。 这些微观缺陷会造成爆炸复合件的显微组织不均匀, 影响复合件的力学性能。 2. 爆炸焊检验 . 爆炸复合材料的检验项目和方法性的和破坏性的两大类。 非破坏性检验 (1)表面质量检验 其目 的是对复合件的复层表面及其外观进行质量检查, 如打伤、 打裂、 氧化、 烧伤、 翘曲度, 尺寸公差和其他外观情况等。 (2)轻敲检验 用手锤对复层各个位置逐一轻鼓, 以其声响来初步判断复合材料的结合情况。 由此还可以大致计算其结合面积率。 (3)超声检验 其目 的是对复合件的结合情况和结合面积进行定量的测 定. 破坏性检测 (1)剪切试验 此项试验是将装在模具内的剪切试件, 用压力使复层和基层发生剪切形式的破坏, 以此剪切应力来确定复合件的抗剪切性能。 (2)拉伸试验 此项试验是将拉伸试件固定在试验机上, 然后沿结合面方向对其施加拉力. 直到破断为止。 以此破断应力和相对伸长来确定爆炸复合板的抗拉强度和伸长率。 (3)弯曲试验 以预定达到的弯曲角或试破断时的弯曲角, 来确定爆炸复合件(板或管)的结合性能和加工性能。 (4)显微硬度检验 此项检验是对爆炸复合件的结合区, 复层和基层进行显微硬度的测量与分析, 以确定在爆炸前后(包括后续热加工和热处理), 这些材料各部分显微硬度的变化及其变化的规律。 也可以测定特定位置(如漩涡区)上特殊组织的硬度, 从而判断它的性质和影响。 (5)金相检验 从爆炸复合件的一定位置取金相样品, 进行结合区显微组织的检验。 七、 爆炸焊应用 1. 焊接材料 各种金属组合的焊接性都比较好, 组合就有 80 多种, 其中一些常用 金属材料的组合已经应用到工业生产上。 象钛钢、 不锈钢钢、 铜钢、铝钢、 铝铜等。 2.爆炸焊应用 爆炸焊的应用热可以归纳为如下几个方面: 1)可用以焊接物理和化学性质相差悬殊的金属材料。 例如, 热胀系数相差很大的钛和钢, 硬度相差很大的铅和钢. 密度相差很大的铝和钢, 熔点相差很大的铝和钽, 高温下生成多种金属间化合物的铜和铝等。 2)可用以生产复合材料, 为工业部门提供具有特殊物理和化学性能的结构材料。 如钛钢. 不锈钢钢、 铜钢, 铝铜等。 用这些复合材料制造 石油化工. 化肥、 农药、 医药、 轻工和冶金等设备。 3)可用复合板、 复合管和复合管棒加工成各种对接, 搭接和斜接的不同金属的过渡接头, 以便用常规的焊接方法连接不同金属的零件, 变不同金属的焊接为相同金属的焊接, 解决工程中异种金属的焊接问题。 4)其他特殊的用途: 例如, 用爆炸法在某合金板坯的两大面上分别复以一薄层纯金属板, 以解决该板坯的热轧开裂问题。 又如热交换器、 特别是核反应 堆热交换器破损传热管的爆炸焊堵塞。 再如爆炸焊法复上一层同种金属, 以修补大、 中型部的内外缺陷或填补尺寸公差。 使其翻新再用。 爆焊接和爆炸成形两种工艺的联合, 以制造双金属封头和碟形管.

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