CN103071908B - 一种大面积双层钢板间设置多根加强肋的爆炸焊接方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大面积双层钢板间设置多根加强肋的爆炸焊接方法，包括：第一阶段爆炸焊接：将模板一、模板二和加强肋分别点焊固定在垫板上，并在模板一上放置间隙柱，将上面板置于间隙柱上，在上面板的上表面上装炸药，进行爆炸焊接；第二阶段爆炸焊接：将第一阶段所得焊合物翻转，抽去模板一和模板二，填充模板三，在模板三上覆模板一，并在模板一上放置间隙柱，再将下面板置于间隙柱上，在下面板的上表面上装炸药，爆炸焊接；该方法使得装药量比以往工程实际中所采用的装药量节省约18%；边界效应消减方法：在沿爆轰传播方向的覆板两端増设延长板的方法。本发明减少了炸药用量，焊合率达到100%，结合界面的剪切强度超过母材的强度，是一种质优价廉的制造大面积肋加强双层钢结构件的方法。

Description

一种大面积双层钢板间设置多根加强肋的爆炸焊接方法

技术领域

本发明涉及爆炸焊接方法，具体涉及一种大面积双层钢板间设置多根加强肋的爆炸焊接方法。

背景技术

如图1所示，大面积肋加强钢结构件由上面板1、下面板2和多根加强肋3组成。其中，加强肋不仅起加强作用，而且需在板、肋之间形成密闭性能优异的空腔。采用常规电焊方法加工此类钢结构件，存在如下问题：                                                在上面板1与加强肋3之间虽然可以形成优质焊缝，但难以实现两者之间面与面的焊合。因操作空间受限，下面板2与加强肋3之间往往只能采用塞焊工艺，其结合强度尚低于上面板1与加强肋3的结合强度。③不能在两根肋与上下面板之间形成密闭性能优异的空腔。因此，此类钢构件的爆炸焊接，在爆炸焊接界被公认为是最复杂、最困难的问题之一，迄今，关于此类钢构件的爆炸焊接的成功案例，国内外均未见报道。

发明内容

发明目的：针对现有技术中存在的不足，本发明的目的是提供一种高质量、低成本的在大面积双层钢板之间设置加强肋的爆炸焊接方法，确保焊接率100%，其结合强度符合双金属固相冶金结合的强度规律。

技术方案：为了实现上述发明目的，本发明采用的技术方案为：

一种大面积双层钢板间设置多根加强肋的爆炸焊接方法，包括以下步骤：

（1）第一阶段爆炸焊接：将模板一、模板二和加强肋分别点焊固定在垫板上，并在模板一上放置间隙柱，将上面板置于间隙柱上，在上面板的上表面上装炸药，进行爆炸焊接；在爆炸焊接冲击力下，上面板与加强肋焊接为一个整体焊合物，加强肋、模板一和模板二与垫板之间的焊点均被冲击脱离；

（2）第二阶段爆炸焊接：将第一阶段所得焊合物翻转，抽去模板一和模板二，在焊合物中填充模板三，在模板三上覆模板一，并在模板一上放置间隙柱，再将下面板置于间隙柱上，在下面板的上表面上装炸药，爆炸焊接；在爆炸焊接冲击力下，下面板与加强肋焊接成一个整体；

（3）加热，模板三自然脱落，抽出模板一，即可；

其中，模板一与模板二的高度比例为9~10：1；模板一与模板二的叠加高度比加强肋高度小0.1～0.2mm；模板一与模板二的长度均与加强肋相同，宽度为相邻两个加强肋之间宽度的92~93%；模板三选用加热易变形材料制成，尺寸与模板二相同；在模板一的上表面涂覆水玻璃层；

装药量采用以下公式确定：

                                 （1）

                          （2）

                             （3）

式中，为最小碰撞速度，为覆板材料的表面维氏硬度，为面板材料的密度，为单位面积上的炸药量与单位面积的面板质量之比，为炸药爆速，为装药厚度，为炸药的密度，为覆板厚度，K的取值为0.9～1.4，K₁的取值为3.9～4.5。

本发明的大面积双层钢板间设置多根加强肋的爆炸焊接方法，为两阶段爆炸焊接方法，第一阶段爆炸焊接、第二阶段爆炸焊接均无需做校形处理。

与普通板与板的爆炸焊接相比，肋与板的爆炸焊接中，肋为基板，其横截面积比覆板（即上面板、下面板）小得多，如果在加强肋之间的空腔内不设置合适的模具，则爆炸焊接巨大的冲击力将严重的损坏覆板，导致焊接失败。因此，在肋与板爆炸焊接中，模具的合理设计与恰当布设既是重点，也是难点。在模具的设计中，考虑了下列因素：模具和加强肋的强度匹配问题。模具应选用与加强肋强度相近的材料，否则，在巨大冲击力下两者变形不一致，将会导致焊接后的腔体凹陷甚至损坏面板。模具和结构件声阻抗的匹配问题。如果两者声阻抗差异太大，将引起爆炸冲击波、应力波在模具表面的反射，从而导致焊接界面开裂。尺寸匹配问题。按照模具与加强肋焊接变形一致性的原则，使模板的尺寸与肋及其空腔的尺寸相匹配。经济性。模具为一次性工装，应尽量选用价廉、易得的材料。依据上述考虑，第一阶段模具设计为上下两张模板，模板一和模板二，其材料选用价格低廉、强度与构件材料强度差不超过20%的普碳钢板；模板一、模板二的高度比例为9~10:1，两模板叠加高度比加强肋高度小约0.1～0.2mm，两模板的长度与加强肋相同，其宽度为腔体宽度的92~93%。第二阶段模具设计为两张模板，模板一和模板三，模板三的材料选用油毛毡，其同模板一叠加高度比爆炸冲击变形后的加强肋小约0.1～0.2mm，其长度和宽度与模板一相同。

由于在爆炸冲击力的作用下，模具和加强肋一起产生延展变形，为防止爆炸焊接后模具被加强肋和上下面板夹持，模具与两肋之间应留有一定的间隙，且模具高度应略小于肋的高度。另外，为了脱模的方便性，尚需防止模板与上下面板的粘连或者焊合。此外，考虑到第二阶段的脱模难度比第一阶段更大，两阶段应采用不同的脱模技术。基于以上理由，第一阶段爆炸焊接时，在模板一的上表面涂覆0.15~0.2mm厚的水玻璃，以防止上面板与模板一粘连；第二阶段，用模板三替换模板二，并在模板一的上表面涂覆约0.2mm厚的水玻璃。爆炸焊接后，采用加热的方法，使模板三自然脱落，模板一即可方便的取出。

以往装药量计算公式，一般是基于硝铵类炸药由试验获得的经验公式。按照我国炸药“去T化”的要求，现爆炸焊接所使用的炸药一般为不含TNT的乳化炸药或胺油炸药。为此，对于乳化炸药，通过试验获得了如下装药量计算公式：

                                 （1）

                          （2）

                             （3）

式中为实现优质焊接的基、覆板（上面板、下面板）的最小碰撞速度，K、K ₁为常数，为覆板材料的表面维氏硬度，为覆板材料的密度，为单位面积上的炸药量与单位面积的覆板质量之比，为炸药爆速，为装药厚度，为炸药的密度，为覆板厚度。

上述公式与以往的装药量计算公式在形式上是相同的，但常数K、K₁的取值范围发生了较大的变化：以往K的取值在0.6～1.2，而且和金属待结合面的粗糙度相关，当金属待结合面预处理很好时，可取下限0.6。但在基于乳化炸药的爆炸焊接公式中，K的取值应为0.9～1.4之间，且跟金属材料的抗弯强度相关，材料的抗弯强度越大，K的取值越大。以往K₁的取值为4.1，而在本发明中，K₁的取值则为3.9～4.5。通过该计算公式，使得装药量比以往仅依据工程实践所采用的经验装药量节省18%。通过减少药量可使得第一阶段所得焊合物的整体翘曲度不超过5﹪，使得焊合物不需矫形即可与下面板进行第二阶段爆炸焊接。

在沿爆轰传播方向的覆板两端増设延长板（材料同覆板），并在延长板与覆板的交界处，刻制深度为1/3~2/3板厚的V型槽，当覆板为贵重材料时，应采用较为廉价的金属材料作为延长板，延长板和覆板的连接一般采用点焊法。延长板的宽度与覆板相同，末端延长板的长度为25～30mm，考虑到起爆端需同时消除边界效应和非稳定爆轰效应，起爆端延长板的长度为50～60mm。若加强肋处于面板宽度的边缘，则尚需沿面板的宽度方向上设置延长板，该延长板的长度与面板相等，宽度为25～30mm。

有益效果：与现有技术相比，本发明的大面积双层钢板间设置多根加强肋的爆炸焊接方法，焊合率达到100%，节省炸药用量18%以上；其结合面强度符合双金属固相冶金结合的强度规律，是一种经济性和实用性较好的方法。特别适用于面积超过0.15m²的双层钢板间设置多根加强肋的爆炸焊接。

附图说明

图1是肋加强双层板钢结构件示意图；

图2是第一阶段工艺装置示意图；

图3是第二阶段工艺装置示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的说明。

实施例1

一种大面积双层钢板间设置多根加强肋的爆炸焊接方法，为两阶段爆炸焊接方法。具体如下：

第一阶段爆炸焊接：工艺装置示意图如附图2所示，将模板一4、模板二5和加强肋3分别点焊固定在垫板6上，将垫板6放置在密实的沙土堆（以下简称地基）上，并在模板一4上放置间隙柱7，将上面板1置于间隙柱7上，在上面板1的上表面上装药（乳化炸药），进行爆炸焊接；在爆炸焊接冲击力下，上面板1与加强肋3焊接为一个整体焊合物，加强肋3、模板一4和模板二5与垫板6之间的焊点均被冲击脱离；通过减少药量可以控制第一阶段所得焊合物的整体翘曲度不超过5﹪，使得焊合物不需矫形即可与下面板2进行第二阶段爆炸焊接。

第二阶段爆炸焊接：工艺装置示意图如附图3所示，将第一阶段所得焊合物翻转后放置在地基上，抽去腔体内的模板一4和模板二5，在腔体内填充模板三8（油毛毡），上覆模板一4，并在模板一4上放置间隙柱7，再将下面板2置于间隙柱7上，在下面板2的上表面上装药（乳化炸药），爆炸焊接；在爆炸焊接冲击力下，下面板与加强肋焊接成一个整体。

加热，模板三8自然脱落，抽出模板一4，即完成焊接。

其中，模板一4和模板二5，其材料选用价格低廉、强度与构件材料强度差不超过20%的普碳钢板；模板一4、模板二5的高度比例为9~10：1，两模板叠加高度比加强肋3高度小0.1～0.2mm，长度均与加强肋3相同，其宽度为腔体宽度的92~93%。模板三8的材料选用油毛毡，其同模板一4叠加高度比爆炸冲击变形后的加强肋小0.1～0.2mm，其长度和宽度与模板一4相同。在模板一4的上表面涂覆水玻璃（0.15~0.2mm厚），在爆炸焊接后，采用加热的方法，使油毛毡模板8自然脱落，模板一4即可方便的取出。

在沿爆轰传播方向的覆板（上面板、下面板）两端増设延长板，并在延长板与覆板的交界处，刻制深度约为1/3~2/3板厚的V型槽。延长板的宽度与覆板相同，末端延长板的长度为25～30mm，考虑到起爆端需同时消除边界效应和非稳定爆轰效应，起爆端延长板的长度为50～60mm。

装药量的确定：按照我国炸药“去T化”的要求，现在爆炸焊接所使用的炸药一般为不含TNT的乳化炸药或胺油炸药。为此，对于乳化炸药，通过如下装药量计算公式计算获得装药量：

加强肋和上下面板的材料为45号钢，3根加强肋的宽为12mm，高为20mm，长为600mm；上下面板的宽为350mm，长为600mm，壁厚为6mm。45号钢的维氏硬度为=185，密度为7.810³kg/m³。

K取为1.1，K₁取为4.3，根据公式（1）、（2）、（3），则

*100=534m/s

=0.95

=6*7.8*0.95=44.5mm。

按照本方法确定的装药量，获得了优质焊合的肋加强双层结构件。

经检验，45号钢加强肋与上下面板的焊合率为100%，其结合强度符合双金属固相冶金结合的强度规律。

实施例2

一种大面积双层钢板间设置多根加强肋的爆炸焊接方法，为两阶段爆炸焊接方法。具体如下：

第一阶段爆炸焊接：工艺装置示意图如附图2所示，将模板一4、模板二5和加强肋3分别点焊固定在垫板6上，将垫板6放置在密实的沙土堆（以下简称地基）上，并在模板一4上放置间隙柱7，将上面板1置于间隙柱7上，在上面板1的上表面上装药（乳化炸药），进行爆炸焊接。控制第一阶段所得焊合物的整体翘曲度不超过5﹪，使得焊合物不需矫形即可与下面板2进行第二阶段爆炸焊接。

第二阶段爆炸焊接：工艺装置示意图如附图3所示，将第一阶段所得焊合物翻转后放置在地基上，抽去腔体内的模板一4和模板二5，在腔体内填充模板三8（油毛毡），上覆模板一4，并在模板一4上放置间隙柱7，再将下面板2置于间隙柱7上，在下面板2的上表面上装药（乳化炸药），爆炸焊接。

其中，模板一4和模板二5，其材料选用价格低廉、强度与构件材料强度差不超过20%的普碳钢板；模板一4、模板二5的高度比例为9：1，两模板叠加高度比加强肋3高度小0.1～0.2mm，长度均与加强肋3相同，其宽度为腔体宽度的92%。模板三8的材料选用油毛毡，其同模板一4叠加高度比爆炸冲击变形后的加强肋小0.1～0.2mm，其长度和宽度与模板一4相同。在模板一4的上表面涂覆水玻璃（约0.2mm厚），在爆炸焊接后，采用加热的方法，使油毛毡模板8自然脱落，模板一4即可方便的取出。

在沿爆轰传播方向的覆板（上面板、下面板）两端増设延长板，并在延长板与覆板的交界处，刻制深度为1/3板厚的V型槽。延长板的宽度与覆板相同，末端延长板的长度为25～30mm，考虑到起爆端需同时消除边界效应和非稳定爆轰效应，起爆端延长板的长度为50～60mm。

加强肋处于面板宽度的边缘，在沿面板的宽度方向上设置延长板。该延长板的长度与面板相等，宽度为25～30mm。

装药量的确定：按照我国炸药“去T化”的要求，爆炸焊接所使用的炸药一般为不含TNT的乳化炸药或胺油炸药。为此，对于乳化炸药，通过如下装药量计算公式计算获得装药量：

加强肋和上下面板的材料为Q345R钢，4根加强肋的宽为12mm，高为20mm，长为600mm；上下面板的宽为350mm，长为600mm，壁厚为6mm。Q345R钢的维氏硬度为=154，密度为7.810³kg/m³。

K取为1.1，K₁取为4.3，根据公式（1）、（2）、（3），则

*100=489

=0.83

=6*7.8*0.83=38.8mm

按照本方法确定的装药量，制得了优质焊合的肋加强双层结构件。

经检验，Q345R钢加强肋与上下面板的焊合率为100%，其结合强度符合双金属固相冶金结合的强度规律。

Claims (9)

1.一种大面积双层钢板间设置多根加强肋的爆炸焊接方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)第一阶段爆炸焊接：将模板一(4)、模板二(5)和加强肋(3)分别点焊固定在垫板(6)上，并在模板一(4)上放置间隙柱(7)，将上面板(1)置于间隙柱(7)上，在上面板(1)的上表面上装炸药，进行爆炸焊接；在爆炸焊接冲击力下，上面板(1)与加强肋(3)焊接为一个整体焊合物，加强肋(3)、模板一(4)和模板二(5)与垫板(6)之间的焊点均被冲击脱离；

(2)第二阶段爆炸焊接：将第一阶段所得焊合物翻转，抽去模板一(4)和模板二(5)，在焊合物中填充模板三(8)，在模板三(8)上覆模板一(4)，并在模板一(4)上放置间隙柱(7)，再将下面板(2)置于间隙柱(7)上，在下面板(2)的上表面上装炸药，爆炸焊接；在爆炸焊接冲击力下，下面板(2)与加强肋(3)焊接成一个整体；

(3)加热，模板三(8)自然脱落，抽出模板一(4)，即可；

其中，模板一(4)与模板二(5)的高度比例为9～10：1；模板一(4)与模板二(5)的叠加高度比加强肋(3)高度小0.1～0.2mm；模板一(4)与模板二(5)的长度均与加强肋(3)的长度相同，宽度为相邻两个加强肋(3)之间宽度的92～93％；模板三(8)选用加热易变形材料制成，尺寸与模板二(5)相同；在模板一(4)的上表面涂覆水玻璃层；装药量采用以下公式确定：

$v_{p\min }=K\sqrt{\frac{H_v}{{\mathrm{\ρ}}_f}}---\left(1\right)$

$R_{\min }=K_1\frac{v_d{v}_{p\min }}{{(1.2v_d-v_{p\min })}^2}---\left(2\right)$

$d_e=\frac{d_f{\mathrm{\ρ}}_f{R}_{\min }}{{\mathrm{\ρ}}_e}---\left(3\right)$

式中，v_pmin为最小碰撞速度，m/s，H_v为覆板材料的表面维氏硬度，Hv，ρ_f为面板材料的密度，kg/m³，R_min为单位面积上的炸药量与单位面积的面板质量之比，v_d为炸药爆速，m/s，d_e为装药厚度，mm，ρ_e为炸药的密度，kg/m³，d_f为覆板厚度，mm，K的取值为0.9～1.4，K₁的取值为3.9～4.5。

2.根据权利要求1所述的大面积双层钢板间设置多根加强肋的爆炸焊接方法，其特征在于：在沿爆轰传播方向的面板两端増设延长板，并在延长板与面板的交界处，刻制深度为1/3～2/3面板厚的V型槽。

3.根据权利要求1所述的大面积双层钢板间设置多根加强肋的爆炸焊接方法，其特征在于：在沿爆轰传播方向的面板两端増设延长板，所述延长板与面板采用点焊法连接。

4.根据权利要求2或3所述的大面积双层钢板间设置多根加强肋的爆炸焊接方法，其特征在于：所述延长板的宽度与面板的宽度相同，起爆端延长板的长度为50～60mm，末端延长板的长度为25～30mm。

5.根据权利要求1所述的大面积双层钢板间设置多根加强肋的爆炸焊接方法，其特征在于：当加强肋处于面板宽度方向的边缘时，在沿面板的宽度方向上设置延长板；所述延长板的长度与面板相等，宽度为25～30mm。

6.根据权利要求1所述的大面积双层钢板间设置多根加强肋的爆炸焊接方法，其特征在于：所述的模板一(4)和模板二(5)均选用强度与面板材料强度差不超过20％的材料制成。

7.根据权利要求1所述的大面积双层钢板间设置多根加强肋的爆炸焊接方法，其特征在于：所述的炸药为乳化炸药。

8.根据权利要求1所述的大面积双层钢板间设置多根加强肋的爆炸焊接方法，其特征在于：所述的水玻璃层厚度为0.15～0.2mm。

9.根据权利要求1所述的大面积双层钢板间设置多根加强肋的爆炸焊接方法，其特征在于：所述的第一阶段爆炸焊接、第二阶段爆炸焊接，均无需做校形处理。