CN102636084A

CN102636084A - 一种软铁-黄铜复合弹带结构及其焊接方法

Info

Publication number: CN102636084A
Application number: CN2012101165271A
Authority: CN
Inventors: 吕世雄; 崔庆龙; 黄永宪; 敬小军; 磨安详; 郑传奇; 曲杰
Original assignee: Harbin Institute of Technology
Current assignee: Harbin Institute of Technology
Priority date: 2012-04-12
Filing date: 2012-04-12
Publication date: 2012-08-15
Anticipated expiration: 2032-04-12
Also published as: CN102636084B

Abstract

本发明提供一种软铁-黄铜复合弹带结构及其焊接方法。软铁-黄铜复合弹带结构采用软铁和黄铜两种材料堆焊在弹体表面形成弹带，软铁位于弹带的后部，黄铜部位于弹带的前部。先焊接软铁部分，经过切削加工平整后再堆焊黄铜部分，最后再进行第二次切削加工，最终形成完整的、符合设计要求的弹带。本发明利用铜和软铁各自的特点，优势互补，提高了弹带的性能以及功能的发挥。采用复合弹带，保留了软铁弹带闭气性好的特点，使得炮弹射程更远；相比于铜弹带，复合弹带只使用了一半的铜，降低了制造成本；复合弹带有较大的灵活性，软铁弹带的强度和硬度较铜弹带高，闭气性也较好，可以通过调节软铁和铜在弹带中的比例，调节弹带的硬度、闭气性等。

Description

一种软铁-黄铜复合弹带结构及其焊接方法

(一)技术领域

本发明涉及焊接技术，具体说就是一种软铁-黄铜复合弹带结构及其焊接方法。

(二)背景技术

钢基体表面堆敷合金结构广泛用于航空航天领域和兵器制造业领域，例如炮弹弹带的装配，国内炮弹弹带与弹体的传统连接方法为机械嵌合工艺，由于弹体上压弹带槽较深，不利于减少壁厚和增加装药量，以至影响爆破威力。新型弹种如末敏弹、子母弹、预制破片弹等若仍采用旧工艺则给总体结构设计造成极大的困难，这是新型弹弹体制造的关键瓶颈技术之一，研究新型焊接技术，改变现有嵌合工艺具有重大的实用价值。提高炮弹战斗力的关键技术是弹带装配技术，这是多年来困扰我国炮弹设计制造的技术难题，采用机械嵌合方式的弹带装配已经不能适应未来炮弹的发展趋势。而采用堆焊技术进行弹带装配可以从根本上避免上述缺点，并且弹带生产中采用堆焊技术还能减薄弹壁，避免了应力集中，增加了破片率，大大提高了炮弹的杀伤力；堆焊技术也减少了传统工艺的加工工序，减少生产时间和工作量，提高了生产率，降低材料消耗，节省成本；同时其还具有焊接工艺重复性好、易于实现自动化生产、连接可靠等优点。

鉴于采用焊接工艺进行弹带装配的显著优点，目前国内外部分研究机构开展的堆焊技术堆敷铜的研究，在焊接弹带方面已经进行了实际的应用，代替了传统工艺的机械嵌合方式的弹带装配。在弹带生产中采用焊接结构，焊接弹带不仅保留了收带式弹带的优点，还克服了收带式弹带的不足。首先焊接结构的弹带可以使弹壁得到减薄，增加弹体装药量，其次焊接结构的弹带与弹体间是冶金结合，连接稳固，再次采用焊接的方式制造弹带生产效率高，生产成本低，最后焊接结构的弹带使弹壁厚度均匀一致。

目前用于制造焊接弹带的材料主要是铜和软铁两种，两种材料的弹带有各自的优点：铜弹带的加工可以采用感应熔敷焊、径向摩擦焊、热丝TIG焊等工艺，其中热丝TIG焊的生产效率最高，弹带质量也较好。采用焊接结构的铜弹带，宏观上铜和钢制弹体间达到冶金结合，取代原来的机械结合，结合强度较高；微观上，焊接过程中由于泛铁效应，使得铜弹带的强度和硬度得到提高，而且可以通过调节焊接参数调节弹带的硬度。铜弹带焊接时也存在一些问题，首先异种材料物理性能差异大，可焊性差，易形成渗透裂纹；泛铁造成弹带硬度升高，控制不好造成硬度过高使弹带性能变差；铜材料本身质软，发射铜弹带的炮弹会导致膛线粘铜，造成污染，同时损失铜弹带，使得炮弹自身的闭气性变差；再有即是铜本身的成本较高，因此铜弹带的经济性差。堆焊是以基体作为一个电极，且电弧加热温度和热量不均匀，并且基体极易熔化。常规堆焊稀释率往往大于10％，即便是带极堆焊也有相当大的稀释率，渗铁成了堆焊工艺的技术难点与影响焊接性能的重要因素。而且由于铁与铜合金有较大的物理性能差异，当过量的铁进入铜合金层时，会在铜合金层内造成极大的应力集中及严重的渗透裂纹缺陷。同时，过量的铁还会使铜合金层的硬度急剧升高，使铜合金层的摩擦磨损性能发生极大改变。铜弹带的炮弹发射之后会有一部分铜残留在膛线上，因此在发射一定量的炮弹后时要进行除铜步骤，减低了发射效率。另外，铜作为一种有色金属，成本较高，焊接工艺也较为复杂。因此，针对铜合金焊接过程中容易出现的难熔合，热裂纹倾向大，接头性能下降等各种不利影响，尤其是泛铁造成堆焊层的硬度急剧增大，炮膛寿命下降。基于目前软铁弹带堆焊技术于国内空白的研究现状，在实际工业生产中选用工业软铁代替铜作为堆焊弹带的堆敷材料，不仅消除了铜钢焊接时由于界面差异带来的可焊性差的影响，还将填补了国内软铁堆焊弹带技术的空白，丰富并优化了弹带制造中的焊接工艺。况且，从经济角度而言，软铁价格仅为铜合金的1/6左右，使弹带生产价格大幅降低。这对我国国防事业的发展，具有重要的理论意义和实际经济意义。

软铁弹带可以说是铜弹带的升级产品。软铁是一种成本既低，与炮弹钢基体的可焊性又好，机械性能和铜又相当的理想材料。利用软铁制造焊接结构弹带主要优势主要有以下几方面，首先采用软铁弹带成本很低，加工的经济性好；其次软铁与钢制弹体属于同种材料，二者的焊接性也较好；软铁本身的硬度高于铜，不存在弹带粘黏膛线的问题；再次软铁弹带比较好的控制了泛铁、泛碳以及弹带合金化；最后软铁弹带本身强度较高，与膛线摩擦接触时磨损消耗少，有效的避免了铜在发射过程中弹带侧滑而造成的漏气问题，软铁因其闭气性好，使得炮弹飞行得更远。但是软铁弹带也存在其不足之处，主要是软铁的硬度要高于铜，发射炮弹时，弹带与膛线间摩擦，软铁弹带对于膛线的磨损较为严重。以上两种材料的弹带，都有自己的优势和缺陷，其不足之处限制了弹带功能的发挥，同时也影响了炮体的寿命和炮弹的射程。因此选择合适的材料和弹带焊接结构对于炮弹的升级和功能的发挥有至关重要的作用。

(三)发明内容

本发明的目的在于提供一种软铁-黄铜复合弹带结构及其焊接方法。

本发明的目的是这样实现的：本发明一种软铁-黄铜复合弹带结构，采用软铁-黄铜两种材料堆焊在弹体表面形成弹带，其中软铁部分位于弹带的后部，黄铜部分位于弹带的前部。

本发明一种软铁-黄铜复合弹带结构的焊接方法，采用钨极氩弧焊，电弧热丝半自动送进的方式进行弹带的焊接，将副TIG电源的两电极分别接在送丝嘴和工件上，形成导电回路，焊接过程开始时，接通焊接主回路，引燃主弧对工件预热1～2s，接着通过送丝装置送进焊丝，当焊丝端部距离工件5～8mm时接通热丝回路，同时根据不同炮体直径和炮弹功能而设计的弹带尺寸，进行焊接加工；焊接过程中焊枪保持在弹体上方，炮弹旋转，TIG热丝焊接在弹体上堆焊弹带部分；首先焊接软铁弹带部分，具体方法是在加工弹带区域后部先堆焊一层软铁层，以黄铜和软铁各占弹带比例1∶1为例，根据弹带设计要求的宽度，堆焊弹带的宽度要稍大于整个弹带宽度的一半，便于对其进行后续的平整加工，而软铁堆焊层的厚度有大于弹带的设计厚度，足够后续过程对其两次切削加工的需要，例如工件基体为口径为60mm，厚度为15mm的35CrMnSi钢炮弹，焊丝为纯铁，进行弹带堆焊，主TIG电源输出电流为250A，辅助电流为40～60A，辅助电压为13-15V左右，送丝速度为2-3m/min，弹体旋转周期100s，在弹体旋转一周后完成软铁的堆焊，堆焊结束后对软铁堆焊层进行机械加工，平整堆焊层，便于后续焊接及切削，接下来对黄铜弹带部分进行堆焊，同样采用热丝TIG的焊接方法，在已加工好的软铁弹带前方，堆焊上一层黄铜弹带，保证黄铜与软铁、黄铜与炮弹壳体结合良好，同样采用上述例子，在堆焊黄铜时的焊接参数，主TIG电源输出电流为150-180A，辅助电流为20-30A，辅助电压为13-15V左右，弹体旋转周期100s，送丝速度为2-3m/min，黄铜堆焊层的厚度要大于弹带的设计厚度，满足一次切削加工的需要，其宽度要大于整个弹带宽度的一半，可以使之进行第二次的切削加工，对已堆焊完成的弹带进行最后切削加工，平整弹带，使之形成完整的复合弹带，满足设计尺寸要求。

本发明一种软铁-黄铜复合弹带结构及其焊接方法，利用铜和软铁两种材料各自的特点，优势互补，从整体上提高了弹带的性能以及功能的发挥。首先焊接结构的弹带从根本上改变了传统收带式结构，减薄弹壁，增加装药量，而且冶金连接也强于收带式的机械连接；本发明弹带具体结构为铜在前，软铁在后的复合式弹带，利用铜在前，铜质软以减小弹带对膛线的磨损；利用后部软铁硬度大的特点，增加弹带的强度和刚度，比较好的控制了弹带在焊接过程中泛碳及合金化，同时软铁弹带部分可以在发射过程中增加炮弹的闭气程度，使得炮弹射程更远。相对于传统收带式弹带或者单一材料的焊接结构弹带，本发明具有如下显著效果：复合弹带由两种材料构成，铜在前，软铁在后，铜、软铁、弹体间属于焊接冶金结合；复合弹带后部软铁部分很好的控制泛碳及合金化，通过对软铁材料焊接结构弹带界面研究，炮弹钢基体内的合金元素在界面处熔解及扩散过程，建立界面处泛合金元素量与焊接工艺的关联；弹带前部铜弹带减缓对炮筒膛线的磨损，使用单一的铜弹带，炮筒膛线易粘黏铜，采用复合弹带，后部软铁可以除去膛线上粘黏的铜，保持膛线清洁；铜弹带的闭气性较软铁弹带差，采用复合弹带，保留了软铁弹带闭气性好的特点，使得炮弹射程更远；相比于铜弹带，复合弹带只使用了一半的铜，降低了制造成本；复合弹带有较大的灵活性，软铁弹带的强度和硬度较铜弹带高，闭气性也较好，可以通过调节软铁和铜在弹带中的比例，调节弹带的硬度、闭气性等。

(四)附图说明

图1为本发明的铜-软铁复合弹带结构示意图；

图2为本发明的焊接装置示意图；

图3为本发明的堆焊软铁弹带层示意图；

图4为本发明的软铁弹带层的一次加工示意图；

图5为本发明的堆焊铜弹带层示意图；

图6为本发明的软铁-黄铜复合弹带结构的二次加工示意图。

(五)具体实施方式

下面结合附图举例对本发明作进一步说明。

实施例1：结合图1，本发明一种软铁-黄铜复合弹带结构，采用两种材料堆焊在弹体表面形成弹带，其中软铁部分位于弹带的后部，黄铜部分位于弹带的前部。

实施例2：结合图1、图2、图3、图4、图5、图6，本发明一种软铁-黄铜复合弹带结构及其焊接方法，主要特征是弹带采用两种不同材料复合而成的焊接结构，形成了软铁在后，铜在前的复合弹带结构，如图1所示。

本发明提出的焊接弹带结构适合于炮体直径30-100mm的炮弹的弹带制造过程，选用的焊接方法，热丝TIG，即采用钨极氩弧焊，电弧热丝半自动送进的方式进行弹带的焊接，如图2所示。将副TIG电源的两电极分别接在送丝嘴和工件上，形成导电回路。焊接过程开始时，接通焊接主回路，引燃主弧对工件预热1～2s，接着通过送丝装置送进焊丝，当焊丝端部距离工件5～8mm时接通热丝回路，同时根据不同炮体直径和炮弹功能而设计的弹带尺寸，进行焊接加工。焊接过程中焊枪保持在弹体上方，炮弹旋转，TIG热丝焊接在弹体上堆焊弹带部分。首先焊接软铁弹带部分，具体方法是在加工弹带区域后部先堆焊一层软铁层，以铜和软铁各占弹带比例1∶1为例，根据弹带设计要求的宽度，堆焊弹带的宽度要稍大于整个弹带宽度的一半，便于对其进行后续的平整加工，而软铁堆焊层的厚度有大于弹带的设计厚度，足够后续过程对其两次切削加工的需要，如图3所示。例如工件基体为口径为60mm，厚度为15mm的35CrMnSi钢炮弹，焊丝为纯铁，进行弹带堆焊，主TIG电源输出电流为250A，辅助电流为40～60A，辅助电压为13-15V左右，送丝速度为2-3m/min，弹体旋转周期100s，在弹体旋转一周后完成软铁的堆焊。堆焊结束后对软铁堆焊层进行机械加工，平整堆焊层，便于后续焊接及切削，如图4所示。

接下来对铜弹带部分进行堆焊。同样采用热丝TIG的焊接方法，在已加工好的软铁弹带前方，堆焊上一层铜弹带，保证铜与软铁、铜与炮弹壳体结合良好，同样采用上述例子，在堆焊铜时的焊接参数，主TIG电源输出电流为150-180A，辅助电流为20-30A，辅助电压为13-15V左右，弹体旋转周期100s，送丝速度为2-3m/min。铜堆焊层的厚度要大于弹带的设计厚度，满足一次切削加工的需要，其宽度要大于整个弹带宽度的一半，可以使之进行第二次的切削加工，如图5所示。

对已堆焊完成的弹带进行最后切削加工，平整弹带，使之形成完整的复合弹带，满足设计尺寸要求，如图6所示。

同时，在焊接过程中，如果铜和软铁比例的不同，可以得到不同性能的弹带。除了铜和软铁更占一半的比例外(铜∶软铁＝1∶1)，还可以得到其他比例的弹带，例如铜∶软铁＝2∶1，铜∶软铁＝1∶2等。

当铜∶软铁＝1∶2时，焊接工艺参数进行相应的变化，因为先焊接软铁部分的弹带，在这种情况下由于弹带中软铁的含量较多，而且堆焊软铁时电流较大，为了使输入不至于过大，在其它参数不变的情况下，应该适当减小电流，所以在堆焊软铁时电流220A，辅助电流为40～60A，辅助电压为13-15V左右，送丝速度为2-3m/min，弹体旋转周期100s，对炮弹一周堆焊宽度相当于整个弹带2/3的软铁。切削加工后堆焊铜，参数与比例1∶1情况下相似，主TIG电源输出电流为150-180A，辅助电流为20-30A，辅助电压为13-15V左右，弹体旋转周期100s，送丝速度为2-3m/min，旋转一周堆焊整个弹带1/3宽度的铜。

当铜∶软铁＝2∶1时，软铁在整个弹带中占有少数，参数可以与两种材料比例1∶1相同，进行软铁弹带堆焊时，主TIG电源输出电流为250A，辅助电流为40～60A，辅助电压为13-15V左右，送丝速度为2-3m/min，弹体旋转周期100s，在弹体旋转一周后完成软铁的堆焊，堆焊宽度相当于整个弹带的1/3。堆焊铜时，主TIG电源输出电流为150-180A，辅助电流为20-30A，辅助电压为13-15V左右，弹体旋转周期100s，送丝速度为2-3m/min，堆焊宽度相当于整个弹带的2/3。

以上两例中，铜和软铁的堆焊层的厚度还是应该满足一定的要求，具体与比例1∶1条件下弹带加工过程中堆焊层厚度要求相同，即软铁堆焊层的厚度要满足两次机械加工的需要，铜要满足一次机械加工的需要。

确定焊接规范的原则是：应综合考虑焊接结构的形式、性能、尺寸，并与焊接工艺参数进行合理匹配，根据实际焊接对象和材料对主要焊接工艺参数进行优化。

对加工好的弹带要进行剪切强度测试，即测试弹带与弹体的附着强度。其中纯铜的弹带的剪切强度约为280MPa，软铁的弹带的剪切强度可以达到350MPa。按照实例得到铜∶软铁＝1∶1的复合弹带其强度介于两者之间约为310MPa，按照实例2，铜∶软铁＝1∶2，含量较多的软铁增加的弹带的剪切强度，可以达到330MPa左右，进而在炮弹发生的过程中增加的了闭气量，炮弹生成更远；另一方面，按照实例3得到的复合弹带，铜含量较多，强度相应减小，接近300MPa，炮弹的射程虽然小于上述两例中的情况，但是对于炮筒中膛线的磨损也相应的减少。

另外，上述所示弹带中铜与软铁两种材料在整个弹带中所占比例为1∶1，实际生产过程中软铁弹带部分和铜弹带部分在整个复合弹带中所占的比例可以灵活调整，具体根据两种材料发挥功能程度，以及所处的环境、发射条件和射程要求等因素决定。

Claims

1.一种软铁-黄铜复合弹带结构，其特征在于：采用两种材料堆焊在弹体表面形成弹带，其中软铁部分位于弹带的后部，黄铜部分位于弹带的前部。

2.一种如权利要求1所述的软铁-黄铜复合弹带结构的焊接方法，其特征在于：采用钨极氩弧焊，电弧热丝半自动送进的方式进行弹带的焊接，将副TIG电源的两电极分别接在送丝嘴和工件上，形成导电回路，焊接过程开始时，接通焊接主回路，引燃主弧对工件预热1～2s，接着通过送丝装置送进焊丝，当焊丝端部距离工件5～8mm时接通热丝回路，同时根据不同炮体直径和炮弹功能而设计的弹带尺寸，进行焊接加工；焊接过程中焊枪保持在弹体上方，炮弹旋转，TIG热丝焊接在弹体上堆焊弹带部分；首先焊接软铁弹带部分，具体方法是在加工弹带区域后部先堆焊一层软铁层，以黄铜和软铁各占弹带比例1∶1为例，根据弹带设计要求的宽度，堆焊弹带的宽度要稍大于整个弹带宽度的一半，便于对其进行后续的平整加工，而软铁堆焊层的厚度有大于弹带的设计厚度，足够后续过程对其两次切削加工的需要，例如工件基体为口径为60mm，厚度为15mm的35CrMnSi钢炮弹，焊丝为纯铁，进行弹带堆焊，主TIG电源输出电流为250A，辅助电流为40～60A，辅助电压为13-15V左右，送丝速度为2-3m/min，弹体旋转周期100s，在弹体旋转一周后完成软铁的堆焊，堆焊结束后对软铁堆焊层进行机械加工，平整堆焊层，便于后续焊接及切削，接下来对黄铜弹带部分进行堆焊，同样采用热丝TIG的焊接方法，在已加工好的软铁弹带前方，堆焊上一层黄铜弹带，保证黄铜与软铁、黄铜与炮弹壳体结合良好，同样采用上述例子，在堆焊黄铜时的焊接参数，主TIG电源输出电流为150-180A，辅助电流为20-30A，辅助电压为13-15V左右，弹体旋转周期100s，送丝速度为2-3m/min，黄铜堆焊层的厚度要大于弹带的设计厚度，满足一次切削加工的需要，其宽度要大于整个弹带宽度的一半，可以使之进行第二次的切削加工，对已堆焊完成的弹带进行最后切削加工，平整弹带，使之形成完整的复合弹带，满足设计尺寸要求。