CN104308353A - 表面粗糙化棒材爆炸压合方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了表面粗糙化棒材爆炸压合方法，以圆形材料为芯材，以功能性管材为外包管，对芯材外表面或管材内表面进行粗糙化处理，外包管与芯材之间留有0.5-15.0mm间隙，使用水作为传压介质，以爆炸索作为复合能源，爆炸压合，芯材与外包管结合处形成一定厚度的相互咬合区。压合过程为纯物理过程，区别于爆炸焊接。咬合区金属变形完全为物理变化，无金属过熔或脆性化合物产生。相互咬合区厚度可调节，且压合窗口较宽，产品质量较高。适用范围广泛，新型的装药结构和传压设计，对于不同规格不同材料的芯材和外包管药量能够灵活调整，适合在工厂大批量生产。

Description

表面粗糙化棒材爆炸压合方法

技术领域

本发明属于爆炸复合领域，具体涉及表面粗糙化实心棒材的爆炸压合技术。

背景技术

复合型材料相对于传统的单一型材料具有独特的优势，在生产生活中占有重要地位。复合对象包括金属-金属、金属-非金属、金属-合金材料、合金材料-非金属等不同特性材料。复合型材料兼具多种材料的优点，应用广泛。

耐腐蚀性和功能性是材料科学重点关注的问题，而复合材料能够很好地解决该问题。腐蚀是材料面临的最普遍问题，不仅造成巨额经济损失，而且造成各类事故隐患。以钢材为例，钢铁被大规模使用，但传统抗腐蚀方式难以保证其安全性。此外，复合还能用于功能性材料的制备。例如导热性能优异的铜包铝管、铝包铜管，高频电路中使用的铜包铝线等。

在有限的复合型材料生产工艺中，爆炸复合具有经济、高效、成型效果好等优点。但是传统的爆炸复合工艺中，利用炸药的能量使覆板具有较高的速度来撞击基板，使覆板和基板在结合处发生金相改变和化学变化。为了使覆板具有足够高的速度，往往需要较大的炸药量，其导致的直接结果是覆板在爆炸复合过程中形成损伤，强度降低。这种爆炸复合方法存在炸药能量利用率低、噪声大、振动强烈、环境污染严重等缺点。

目前对于圆棒形材料外表面压合或焊接的工艺都有其局限性，中国专利CN200510031649(公开号CN1872443A公开日期2006.12.06)公开了一种铝合金外包不锈钢复合棒材的制备方法，以不锈钢棒材为芯材外层包覆铝合金管，最终得到的棒材中铝合金和不锈钢之间没有明显的熔层，且具有较好的结合强度，但是其制作工艺适用范围有限。中国专利CN201010526265(公开号CN102011463A公开日期2011.4.13)公开了一种用焊接的方式在圆形钢材外表面复合一层耐腐蚀性较好的不锈钢合金材料，通过焊接的方式，在圆形钢材外表面包覆一层高耐腐蚀性合金材料。虽然较大程度的提高了钢材与外层合金的结合强度及整体材料外表面的机械强度，但是外表面能够焊接的合金种类有限，只能是不锈钢合金材料，对于其他耐腐蚀性能更优秀的非铁合金材料或导电导热性能优异的功能性材料，例如铝合金、镁合金、钛合金、铜等，这种工艺并没有涉及。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术存在的上述不足，提供一种表面粗糙化棒材爆炸压合方法，该方法以表面粗糙的棒形材料为芯材，以具有耐腐蚀性或其他功能性材料为外包材料，在炸药能量作用下使两种材料互相紧密结合。芯材粗糙处理方法包括攻丝、打磨、车床压花等，粗糙处理后的芯材外表面形成凹凸不平结构。爆炸压合过程在水中完成，使芯材的凹凸区域与外包管材相互嵌入咬合，在不发生金属相变和化学变化的前提下使两种材料间具有一定机械强度的结合。

为了实现本发明的上述目的，本发明提供了如下的技术方案：

表面粗糙化棒材爆炸压合方法，以圆形材料为芯材，以功能性管材为外包管，在芯材外表面或外包管内表面进行粗糙化处理，外包管与芯材之间留有0.5-15.0mm间隙，使用水作为传压介质，以爆炸索作为复合能源，爆炸压合。爆炸压合后的材料在两种材料间形成一定厚度的相互咬合区。

如所述的表面粗糙化棒材爆炸压合方法，其中所述外包管为抗腐蚀、导电、导热的功能性材料管材。

如所述的表面粗糙化棒材爆炸压合方法，其中所述圆形芯材为碳素钢、合金钢或复合特定性能材料的圆截面长形型材。

如所述的表面粗糙化棒材爆炸压合方法，其中所述爆炸压合包括下述步骤：

(1)将芯材外表面和外包管内表面清洁，除去浮尘和锈迹并进行干燥处理；

(2)用攻丝、打磨、车床压花将芯材外表面粗糙处理；

(3)将爆炸索均匀螺旋缠在外包材料外表面上，螺距4-20mm，具体由材料种类和型号决定，与外包管的外壁保持1-20mm间距；

(4)将外包管与芯材组合，对两者之间的缝隙进行防水处理：上端外包管长于芯材≥20mm，下端用环氧树脂胶对芯材和外包管之间的缝隙进行密封；

(5)将爆炸索的一端与起爆雷管连接，然后将整个装置垂直吊在储水设备中，使需要复合的部分没入水中，下端为起爆端，起爆后得到复合棒材。

如所述的表面粗糙化棒材爆炸压合方法，其中所述爆炸索参数与芯材和外包管有关，当外包管为6061铝合金，长为L、直径为D、厚度为T，以米为单位时，爆炸索的总药量为：W＝127.5πDLT千克。

如所述的表面粗糙化棒材爆炸压合方法，所述芯材及外包管的种类为常规种类，没有特殊要求。

如所述的表面粗糙化棒材爆炸压合方法，针对不同硬度材料，分别对芯材外表面或外包材料内表面进行粗糙处理，粗糙化处理方式为攻丝、打磨、车床压花，粗糙处理后的芯材或外包管表面有凹凸不平的结构，在压合过程中对于材料间相互嵌入咬合区域的大小，是通过控制处理表面凹凸程度进行调整，确定最优方案。

如所述的表面粗糙化棒材爆炸压合方法，爆炸压合前对芯材外表面或外保管内表面进行粗糙化处理，使爆炸压合过程中不同材料间能够形成一定厚度的相互咬合区，相互咬合区金属变形为物理变形，无明显金属过熔或脆性化合物生成，与爆炸焊接有明显区别。

如所述的表面粗糙化棒材爆炸压合方法，是用圆钢为芯材，铝管为外包管，外包管3为无缝铝管内径14mm、外径16mm长度400mm；内芯材料2为建筑用圆钢直径12mm、长度450mm，外表用M12号外螺纹攻丝粗糙化处理；导爆索1外径2mm，线密度1.2g/m，药剂炸药配比为：94％黑索金/4％石蜡/2％碳粉；复合之前先将铝管3的内壁面、外表面除去浮尘和锈迹并进行干燥处理，将导爆索1均匀螺旋缠在铝管3上，螺距10mm，与铝管3外壁间距为2mm，将铝管3套在钢筋2上，随后对两者之间的缝隙进行防水处理：上端保证外包合金管高出钢筋100mm，当整个需要复合的部分全部浸没在水中时，水也不会从上端进入管壁夹层；下端用环氧树脂胶对每两管之间的缝隙进行密封；正式复合时，将导爆索1接在起爆雷管上，然后将整个装置垂直吊入水中，使需要复合的部分没入水中，下端为起爆端，起爆后即可得到钢-铝复合材料。

本发明的上述技术方案还可更具体地表述如下：本发明以圆形材料为芯材，以功能性(抗腐蚀、导电、导热)管材为外包材料。其中圆形芯材可以为现在市场流通低碳钢、高碳钢、合金钢或其他材料等，也可以是按要求需要复合特定性能材料的圆截面长形型材，芯材尺寸根据需要选择，外包管与芯材之间留有0.5-15.0mm的间隙，具体尺寸由芯材决定。使用水作为传压介质，以爆炸索作为复合能源，爆炸索尺寸、参数应依据芯材和外包管而定。在实际生产过程中可根据需要做出相应调整压合出不同规格的复合型材料。所述传压介质为水，是指爆炸复合过程在水中完成，组合后的芯材、外包管、爆炸索均处于水中，外包管长于芯材不少于20mm，二者底端的缝隙用环氧树脂胶密封。所述爆炸索在使用时，螺旋缠绕在外包管外，螺距视具体情况而定，爆炸索与外包管管壁之间保持1-20mm间距。所述爆炸索参数与芯材和外包管有关，根据实验可总结出特定芯材、外包管所用爆炸索的参数。比如，外包材料为6061铝合金时，长为L、直径为D、厚度为T的外包材料(均以米为单位)，实验发现所需爆炸索的总药量为：W＝127.5πDLT千克。对于不同类型的合金材料，公式中的相关系数会有所改变，具体根据实验确定。

本技术方案对芯材及外包材料的种类没有特殊限制，针对不同硬度材料，可以分别在芯材外表面或外包材料内表面进行粗糙处理。在压合过程中对于嵌入咬合区域的大小，可以通过控制处理表面凹凸程度进行调整，最终确定最优方案。

本技术方案在不改变原材料物理化学性质的前提下，实现了圆形钢材或其他圆截面棒形材料外表面复合高耐腐蚀性材料或其他功能性材料的具体措施，并保证不同材料间具有较高的结合强度。

与现有技术相比，本发明具备如下的优异性和显著特点：

1.压合过程为纯物理过程，芯材的粗糙外表面和外包管相互嵌入咬合。压合过程依靠两种材料的物理变形来实现，外包材料内表面原本平滑，在炸药能量及芯材粗糙外表面的作用下，使外包材料嵌入芯材凹陷区域，在一定厚度内有两种材料的相互嵌入咬合区域，从而实现两者间较高的结合强度。如果外包材料硬度比芯材高，也可以在外包材料内管壁进行与芯材相同的粗糙处理，使外包管嵌入芯材来实现压合。

2.爆炸压合产品合格率高。压合过程中相互嵌入区的两种材料仅仅发生物理形变，没有化学变化，区别于爆炸焊接过程。在传统爆炸焊接工艺中焊接窗口窄，因此材料的差异会导致焊接层内金属过熔或劣质金属化合物的产生，使爆炸焊接质量难于控制，废品率较高。本发明所涉及的结合完全为物理过程，结合条件较宽，不存在爆炸焊接中过熔或产生劣质化合物等不良因素，合格率高。

3.使用高能量利用率的装药结构和新型的传压设计。对于爆炸压合所需不同药量时可以灵活调整，适合在工厂环境中进行大批量的生产。传压设计中，可以将待压合的材料完全浸入水中，使炸药能量通过水作为介质传递到管材上，炸药的能量能够更均匀的作用于管材，使材料成型更均匀，同时避免了炸药对外包合金管材的损害。这样既能够保证生产过程中产品的质量，也提高了炸药的能量利用效率。

4.本发明以爆炸索或可塑性炸药为主要能源，一端封闭夹层抽真空(或另一端于空气相通)单端起爆，得到力学性能优良棒形复合材料。爆炸索或可塑性炸药爆速、爆轰压力等爆轰参数稳定，实验重复性好。如果有其他材质的圆棒形材料需要在其外层复合具有一定功能性的材料，或具有不同功能的多种材料间，例如良好的抗腐蚀性、优异的导电导热性，这种方式也能够实现材料的复合。

本发明所述的典型操作过程如下：

(1)将芯材外表面和外包管内表面清洁，除去浮尘和锈迹并进行干燥处理。

(2)将芯材外表面粗糙处理，可用攻丝、打磨、车床压花等方式。

(3)将爆炸索均匀螺旋缠在外包管外表面上，螺距4-20mm，具体由材料种类和型号决定，具体与外包管的外壁保持1-20mm间距。

(4)将外包管与芯材组合，对两者之间的缝隙进行防水处理。防水处理主要分为两步：上端要保证外包管长于芯材不少于20mm，下端用环氧树脂胶对芯材和外包管之间的缝隙进行密封。

(5)将爆炸索的一端与起爆雷管连接，然后将整个装置垂直吊在储水设备中，使需要复合的部分没入水中，下端为起爆端，起爆后即可得到复合棒材。

附图说明

图1为本发明整体结构图；图中1为爆炸索，2为芯材，3为外包管；

图2为本发明纵向剖面图；图中1为爆炸索，2为芯材，3为外包管4为环氧树脂胶；

图3为本发明压合前整体实物图；

图4为本发明压合前整体实物局部放大图。

具体实施方式

下面结合附图，用本发明的实施例来进一步说明本发明的实质性内容，但并不以此来限定本发明。

实施例1：

实施例中以建筑用圆钢为芯材，铝管为外包管。

如图1和图2所示，外包管3为无缝铝管内径14mm、外径16mm长度400mm；内芯材料2为建筑用圆钢直径12mm、长度450mm，外表用M12号外螺纹攻丝粗糙化处理；导爆索1外径2mm，线密度1.2g/m，药剂炸药配比为：94％黑索金/4％石蜡/2％碳粉。

复合之前先将铝管3的内壁面、外表面除去浮尘和锈迹并进行干燥处理。将导爆索1均匀螺旋缠在铝管3上，螺距10mm，与铝管3外壁间距为2mm。将铝管3套在钢筋2上。随后对两者之间的缝隙进行防水处理。防水处理主要分为两步：上端保证外包合金管高出钢筋100mm，这样做的目的是保证即使整个需要复合的部分全部浸没在水中时水也不会从上端进入管壁夹层；下端用环氧树脂胶对每两管之间的缝隙进行密封。

正式复合时，将导爆索1接在起爆雷管上，见图3(整体)和图4(局部)，然后将整个装置垂直吊入水中，使需要复合的部分没入水中，下端为起爆端，起爆后即可得到钢-铝复合材料。

本发明的上述表面粗糙化棒材和管材的爆炸压合关键技术，对芯材外表面或管材内表面进行粗糙化处理，在炸药作用下芯材与管材相互压合，形成一定厚度的相互咬合区。压合过程为纯物理过程，区别于爆炸焊接，相互咬合区厚度可调节，且压合窗口较宽，产品质量较高。适用范围广泛，芯材可以是市场流通的各型圆棒形钢材，也可以是其他需要外包材料的圆棒形结构，外管可以为铝合金、镁合金、钛合金、铜等，也可依据具体要求进行选择，限制性较小。新型的装药结构和传压设计，对于不同规格不同材料的芯材和外管药量能够灵活调整，适合在工厂大批量生产。利用本发明生产出的复合型棒材兼具优良力学性能和功能性，在耐腐蚀性、导热性、高频电路导电性等领域内具有广泛的应用前景。

Claims (9)

1.表面粗糙化棒材爆炸压合方法，其特征在于，以圆形材料为芯材，以功能性管材为外包管，在芯材外表面或外包管内表面进行粗糙化处理，外包管与芯材之间留有0.5-15.0mm间隙，使用水作为传压介质，以爆炸索作为复合能源，爆炸压合。爆炸压合后的材料在两种材料间形成一定厚度的相互咬合区。

2.如权利要求1所述的表面粗糙化棒材爆炸压合方法，其特征在于，所述外包管为抗腐蚀、导电、导热的功能性材料管材。

3.如权利要求1所述的表面粗糙化棒材爆炸压合方法，其特征在于，所述圆形芯材为碳素钢、合金钢或需复合特定性能材料的圆截面长形型材。

4.如权利要求1所述的表面粗糙化棒材爆炸压合方法，其特征在于，所述芯材及外包管的种类为常规种类，没有特殊要求。

5.如权利要求1所述的表面粗糙化棒材爆炸压合方法，其特征在于，爆炸压合前对芯材外表面或外包管内表面进行粗糙化处理，使爆炸压合过程中不同材料间能够形成一定厚度的相互咬合区，相互咬合区金属变形为物理变形，无明显金属过熔或脆性化合物生成，与爆炸焊接有明显区别。

6.如权利要求1所述的表面粗糙化棒材爆炸压合方法，其特征在于，针对不同硬度材料，分别对芯材外表面或外包材料内表面进行粗糙处理，粗糙化处理方式为攻丝、打磨、车床压花，粗糙处理后的芯材或外包管表面有凹凸不平的结构，在压合过程中对于材料间相互嵌入咬合区域的大小，是通过控制处理表面凹凸程度进行调整，确定最优方案。

7.如权利要求1所述的表面粗糙化棒材爆炸压合方法，其特征在于，所述爆炸索参数与芯材和外包管有关，当外包管为6061铝合金，长为L、直径为D、厚度为T，以米为单位时，爆炸索的总药量为：W＝127.5πDLT千克。

8.如权利要求1所述的表面粗糙化棒材爆炸压合方法，其特征在于，所述爆炸压合包括下述步骤：

(1)将芯材外表面和外包管内表面清洁，除去浮尘和锈迹并进行干燥处理；

(2)用攻丝、打磨、车床压花将芯材外表面或外包管内表面粗糙化处理；

(3)将爆炸索均匀螺旋缠在外包材料外表面上，螺距4-20mm，具体由材料种类和型号决定，与外包管的外壁保持1-20mm间距；

(4)将外包管与芯材组合，对两者之间的缝隙进行防水处理：上端外包管长于芯材≥20mm，下端用环氧树脂胶对芯材和外包管之间的缝隙进行密封；

(5)将爆炸索的一端与起爆雷管连接，然后将整个装置垂直吊在储水设备中，使需要复合的部分没入水中，下端为起爆端，起爆后得到复合棒材。

9.如权利要求1所述的表面粗糙化棒材爆炸压合方法，其特征在于，用圆钢为芯材，铝管为外包管，外包管为无缝铝管内径14mm、外径16mm长度400mm；内芯材料为建筑用圆钢直径12mm、长度450mm，外表用M14号外螺纹攻丝粗糙化处理；导爆索外径2mm，线密度1.2g/m，药剂炸药配比为：94％黑索金/4％石蜡/2％碳粉；复合之前先将铝管的内壁面、外表面除去浮尘和锈迹并进行干燥处理，将导爆索均匀螺旋缠在铝管上，螺距10mm，与铝管外壁间距为2mm，将铝管套在钢筋上，随后对两者之间的缝隙进行防水处理：上端保证外包合金管高出钢筋100mm，当整个需要复合的部分全部浸没在水中时，水也不会从上端进入管壁夹层；下端用环氧树脂胶对每两管之间的缝隙进行密封；正式复合时，将导爆索接在起爆雷管上，然后将整个装置垂直吊入水中，使需要复合的部分没入水中，下端为起爆端，起爆后即可得到钢-铝复合材料。