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 材料科學與工程學院，太原 030024；2.山西陽煤化工機械(集團)有限公司 技術中心，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，廣泛應用在航空航天、深海裝備、核電裝置、壓力容器制造等領域[1-5]。不銹鋼-碳鋼、鈦-鋼復合板制壓力容器已在石油化工、制鹽、制堿及制藥等行業(yè)中廣泛應用。

雙金屬復合板的制備通常有爆炸焊接和軋制復合等方法[6-10]，其中爆炸焊接是一種特殊的高能連接技術，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)化為上層金屬板運動的能量，使上層金屬板在高速運動過程中與放置在下層的基板產(chǎn)生劇烈碰撞，在較大的壓應力和高溫共同作用下，原子之間發(fā)生相互擴散，使復板和基板產(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)驗公式計算獲得。由于爆炸焊接工藝參數(shù)多，經(jīng)驗計算公式復雜，計算過程邏輯層次易混淆，人工計算易出錯等問題，如果能用計算機程序?qū)崿F(xiàn)爆炸焊接參數(shù)的自動求解，將有助于準確選擇爆炸焊接工藝參數(shù)，提高工藝設計效率。

本文根據(jù)爆炸焊接參數(shù)計算的經(jīng)驗公式，利用Visual Basic軟件進行編程，開發(fā)適合雙金屬復合板爆炸焊接參數(shù)選擇系統(tǒng)，以方便復合板制造企業(yè)雙金屬復合板爆炸焊接參數(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定的工藝參數(shù)，主要包括以下參數(shù)。

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

(2)裝藥質(zhì)量比R：復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)量和復板的質(zhì)量)。

(3)基板和復板的間隙h：起爆前基板和復板之間的間隔距離。

1.1.2 動態(tài)參數(shù)

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

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

(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)幾何關系 Fig.2 The geometric relation of dynamic parameters for dynamic welding

三個基本的動態(tài)參數(shù)存在式(3)的基本關系，因此，兩個參數(shù)確定后，另外一個也就知道，所以一般用三個參數(shù)中任意兩個組合均可在平面坐標系中構(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、撞擊點最小的移動速度。撞擊點移動的速度達到vc時，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速度。當撞擊點移動速度vcp小于vc時，碰撞點壓力小于材料動態(tài)屈服極限，則不能產(chǎn)生射流，從而不能實現(xiàn)焊接。因此，撞擊點移動速度vcp應該大于臨界撞擊點移動速度vc[12]。臨界撞擊點移動速度vc由以下經(jīng)驗公式[13]確定：

(4)

式中，Re為雷諾數(shù)，取10.6；H1,H2分別為復板和基板的維氏硬度；ρ1,ρ2[1]分別為復板和基板的密度，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)。異種材料進行爆炸復合時，撞擊點的速度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，因此必須保證復板有足夠大的速度與基板發(fā)生碰撞，才能實現(xiàn)復板與基板的冶金結(jié)合。為了使基板和復板實現(xiàn)冶金結(jié)合，復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)驗公式求得：

(6)

式中，σb為材料的抗拉強度,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就是實現(xiàn)復合所需要的最小撞擊速度；然而，如果是異種材料的復合，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)分別計算兩種材料產(chǎn)生射流所需的vp,min。

(2)由雨貢紐關系計算在速度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，碰撞點壓力必須超過式(7)中計算得到的較大壓力值，因此碰撞點處壓力p=max(pmin1,pmin2)。將p代入式(7)中，重新計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現(xiàn)爆炸復合所需要的最小復板速度。

1.2.4 上限vp,max

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

(8)

1.3 試驗工藝參數(shù)確定

在進行爆炸焊接生產(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 最佳撞擊點移動速度vcp的確定

最佳撞擊點移動速度vcp由以下經(jīng)驗公式進行計算：

vcp=vc+C

(9)

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

1.3.2 最佳復板和基板撞擊速度vp的確定

當最小的基、復板撞擊速度和最大的基、復板撞擊速度確定以后，最佳的復板速度用下式確定：

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

(10)

1.3.3 復板的確定

炸藥的消耗量與復板的質(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板[1]。

1.3.4 炸藥的確定

平行安裝爆炸焊接裝置時，預設角為零，撞擊點的移動速度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為復板密度；δ1為復板厚度，mm[1])。

爆炸焊接可簡化為一維格尼運動，文獻[1，20]給出了炸藥爆速vd，復板和基板的碰撞速度vp和裝藥質(zhì)量比R之間的經(jīng)驗關系式：

(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)之間的關系，可以計算得到裝藥比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 基板和復板間隙確定

文獻[1,21]提供了基板和復板間隙距離的計算公式：

h=0.2(δ0+δ1)

(12)

2 爆炸焊接參數(shù)計算系統(tǒng)開發(fā)

根據(jù)爆炸焊接參數(shù)計算的理論公式，設計爆炸焊接參數(shù)計算程序流程見圖4。

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

根據(jù)程序設計流程圖，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個模塊。

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

(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板的材料種類，材料性能參數(shù)由數(shù)據(jù)庫直接讀取。計算所需材料的力學性能包括抗拉強度和維氏硬度；物理參數(shù)包括熔點、熱擴散系數(shù)、比熱、體積聲速等。材料數(shù)據(jù)庫后期還需要不斷完善，新增材料種類時特別要注意各項性能參數(shù)的單位，以免造成計算錯誤。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，即可獲得相應材料的力學性能、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的參數(shù)。

(3)爆炸焊接參數(shù)計算模塊。此模塊是系統(tǒng)的核心內(nèi)容，根據(jù)上述計算理論，首先計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和撞擊點移動速度vc，最后以撞擊點移動速度vc為橫坐標，動態(tài)撞擊角β為縱坐標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，計算裝藥比、基復板間隙、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)以便進行下次計算；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 試驗驗證

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

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)計算的合理性進行驗證。

3.1 試驗材料

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，進行鈦/鋁爆炸焊接試驗。

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)計算系統(tǒng)，首先從材料庫中選擇復板材料為TA1，基板的材料為Al-1060，材料性能參數(shù)自動讀??；手動輸入本次爆炸焊接試板的幾何尺寸；點擊“計算”按鈕，系統(tǒng)自動計算得到爆炸焊接極限值，如圖7所示；點擊“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。點擊“計算最佳動態(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，去除邊界效應區(qū)外，對鈦/鋁復合板界面結(jié)合率進行超聲波檢驗，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

為了驗證試驗獲得鈦/鋁結(jié)合強度，對爆炸焊接制成的4 mm鈦/鋁復合板進行拉剪試驗。圖10示出鈦/鋁復合材料界面拉剪過程，試驗結(jié)果表明，復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/鋁復合界面的抗剪切強度要大于鋁板的拉伸強度，也說明了在目前的爆炸焊接工藝下，鈦、鋁兩種材料實現(xiàn)牢固結(jié)合，從側(cè)面驗證了所開發(fā)的爆炸焊接工藝參數(shù)計算系統(tǒng)的可靠性。

4 結(jié)語

本文利用Visual Basic軟件進行編程，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，計算得到“理論最優(yōu)”靜態(tài)參數(shù)，確定炸藥用量及基、復板間隙等工藝值。