CN105215560B - 一种超声振动辅助自蔓延铜弹带制备装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超声振动辅助自蔓延铜弹带制备装置及方法，装置包括超声发生装置和坩埚，其中，坩埚为环形，其内径大小与炮弹直径将匹配，套装于炮弹的外边缘中部，坩埚上连接超声发生装置，所述坩埚内填充有反应物和引燃物。本发明创新性地提出将超声波力与能量的特点与自反应焊接过程进行机械耦合，应用到炮弹弹带的焊接上去，可大大改善铜弹带的组织结构，细化铜弹带晶粒大小，大大避免如气孔等焊缝缺陷，提高焊缝质量。

Description

一种超声振动辅助自蔓延铜弹带制备装置及方法

技术领域

本发明涉及一种超声振动辅助自蔓延铜弹带制备装置及方法。

背景技术

在航空航天领域以及兵器制造业，在钢的表面堆敷其他合金层的技术有着广泛应用，例如弹带的生产。弹带是各种弹丸的密封件，是炮弹弹体结构中的重要组成部分，弹带的作用主要有增加射程，提高精度，保证稳定性，减少膛线磨损等。国内炮弹弹带与弹体传统连接方法为机械嵌合工艺，即在炮弹基体表面往弹壁里加工燕尾槽，这方法生产的炮弹减薄了弹壁，减少装药量，爆炸威力较弱，且容易产生应力中，发射时弹带容易脱落。因此，传统的机械压带生产工艺已成为阻碍新型弹特别是薄壁弹发展的技术难题。

鉴于传统工艺已经不能适应未来炮弹的发展需要，国内外已经提出了较多种焊接弹带的工艺方案，如堆焊弹带技术、扩散焊弹带耦合技术、激光焊技术、火焰喷焊技术、电子束轴向焊接技术、爆炸焊、钎焊及摩擦焊等等，而除堆焊技术外，这些方法均有一定的难度和局限性，均仍处于研究阶段，尚未达到应用程度。相比于传统机械连接工艺，使用焊接工艺连接弹带与弹体，由于不再需要在弹体上开槽、滚花，因此增大了装药量，提高了炮弹威力，同时很大程度地避免了应力集中问题，大大提高了自身稳定性。其次，使用焊接工艺连接弹带与弹体可使两者之间达到冶金结合的状态，结合力更为牢靠，弹体结构更为稳固。目前，堆焊铜弹带技术虽然已经满足了炮弹发射对弹带的性能要求，但也具有明显的缺点：焊接工艺复杂，操作过程繁琐，效率较低，对工艺参数的要求较为严苛，难以保证弹带质量。

因此，研发一种新型的焊接技术在保证泛铁泛碳及合金量低的条件下，实现简化工艺、提高效率、降低成本对我国国防事业的发展具有重要的意义。

发明内容

本发明为了解决上述问题，提出了一种超声振动辅助自蔓延铜弹带制备装置及方法，本发明利用铝热反应作为焊接热源，并以铝热剂作为还原剂将氧化铜还原成铜单质，并利用反应过程中放出的巨大热量使铜单质呈现熔融状态与炮弹基体发生冶金反应，最终冷却凝固至固相状态形成铜弹带。同时在焊接过程中，通过超声发生装置产生超声波来辅助焊接，以降低弹带缺陷，从而获得优质弹带。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种超声振动辅助自蔓延铜弹带制备装置，包括超声发生装置和坩埚，其中，坩埚为环形，其内径大小与炮弹直径将匹配，套装于炮弹的外边缘中部，坩埚上连接超声发生装置，所述坩埚内填充有反应物和引燃物。

所述坩埚为石墨坩埚。

所述坩埚通过超声导入设备连接超声发生装置，促进反应进行，提高生产质量。

所述坩埚的深度根据炮弹直径和弹带宽度调整。

所述反应物为氧化铜粉末和铝热剂的混合物，比例为3：1。

所述引燃物为火药粉，火药粉设置在反应物的表面，引发铝热反应。

所述坩埚与炮弹连接处进行密封处理。

一种超声振动辅助自铜弹带蔓延制备方法，包括以下步骤：

(1)将坩埚装配到炮弹外，使坩埚内径和铜炮弹外径的间隙处密封；

(2)将坩埚与超声波发生装置机械连接，将反应物放入坩埚内，在反应物上加入引燃物；

(3)超声发生装置工作，设定超声波的频率及振幅；

(4)点燃引燃物，使铝热反应发生，使还原出的铜处于熔融状态，与炮弹基体充分发生冶金反应；

(5)热反应结束，冷却，熔融的铜熔敷在弹带的表面，形成铜弹带，关闭超声发生装置。

所述步骤(3)中，超声发生器产生的超声波的频率和振幅根据铝热反应的反应强弱程度及冷却速度进行选择。

优选的，超声波振动频率为20～40kHz，振幅为10～40μm。

本发明的有益效果为：

(1)本发明加工工艺简单，降低成本，减少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，节省成本，本发明利用铝热反应产热量高，效率高，时间短，有效的控制了泛铁，泛碳及合金的含量，实现良好的铜弹带；

(2)本发明创新性地提出将超声波力与能量的特点与自反应焊接过程进行机械耦合，应用到炮弹弹带的焊接上去，可大大改善铜弹带的组织结构，细化铜弹带晶粒大小，大大避免如气孔等焊缝缺陷，提高焊缝质量；

(3)本发明在铝热反应焊接铜弹带的基础上添加超声辅助焊接，超声的作用可阻碍焊接过程中炮弹基体中的铁元素向熔融状态的铜中进行扩散，即减小了熔敷熔深，可防止泛铁泛碳等问题，提高弹带的机械力学性能，增加炮弹威力。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

其中，1、炮弹，2、石墨坩埚，3、超声发生器，4、超声波导入设备，5、工具头，6、铝热反应反应物，7、火药粉。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

铝热反应可在短时间内放出极大量的热，可使金属以熔融态出现，在钢轨等大截面钢材部件的焊接中有着较为广泛应用。铝热法是利用铝的还原性与某些金属化合物(如Fe2O3、Cr2O3、CuO、MnO2等)在高热条件下发生的氧化还原反应从而获得高熔点金属单质的方法，因此本发明提出利用铝热反应作为焊接热源，并以铝热剂还原出来的铜单质作为焊接材料直接与炮弹基体达到冶金结合的效果。

而超声波作为一种机械振动，同时也是能量传递的载体，在实际生产、生活中得到了广泛应用。目前超声波在焊接领域的应用也越来越广泛，相继出现了超声波塑料焊接、超声波金属焊接、超声波钎焊、电弧超声焊接术等。当超声波在介质中传播时会产生以下几方面的作用：空化作用、声流作用、热作用和机械效应，通过引入超声波会引起显著的效果，如明显细化晶粒，除气、除杂质功能显著，减少偏析增加组织均匀性，同时可以减少气孔、抑制裂纹形成与发展、显著提高焊缝性能。因此，本发明提出将超声波力与能量的特点与自反应焊接过程进行机械耦合，对焊接过程中的原子扩散、液相凝固、组织形貌等产生作用，保证弹带的组织均匀性，减少炮弹基体的熔化，即减小熔深，降低铁向铜液相中的扩散，防止泛铁泛碳问题，减缓铜合金层中的应力集中，避免渗透裂纹缺陷，从而达到提高弹带质量的目的。

如图1所示，炮弹1在位置A处需要制造一圈铜弹带，采用本发明的一种超声辅助铝热反应的铜弹带焊接方案可以实现。具体步骤如下：

1、首先加工出一个同炮弹直径相匹配的环柱形石墨坩埚2，将其装配到炮弹的外径上位置A处，利用铸造技术将石墨内径铜炮弹外径的间隙处密封，确保弹带生产的精确和安全。铜弹带的焊接过程全部在石墨坩埚中进行，铜弹带冷却后可直接卸除石墨坩埚从而完成铜弹带的焊接。

超声发生器直接或者通过超声导入设备间接连接到石墨坩埚上，在石墨坩埚中加入充分均匀混合的铝热剂和氧化铜粉末，并在其表面撒一层火药粉作为引燃剂。

超声发生器可直接连接到石墨坩埚上，也可以通过超声导入设备间接连接到石墨坩埚上，从而对焊接过程产生作用，达到将超声波力与能量的特点与自反应焊接过程进行机械耦合的目的。

石墨坩埚的尺寸规格根据炮弹直径决定，炮弹直径越大，铜弹带越大，所需的铝热剂和氧化铜粉末越多，则环柱形的石墨坩埚的高度越高。

2、选择合适功率的超声波发生器3和特定的超声导入设备4，将超声发生器3与超声导入设备4连接起来，并将超声导入设备4上的工具头5固定在石墨坩埚2上，确保各装置之间良好连接。超声发生器产生的超声波的频率和振幅根据铝热反应的反应强弱程度及冷却速度进行选定，铝热反应的反应强度越强，冷却速度越快，则超声波的频率应越高，振幅应越大。

3、将氧化铜粉末和铝热剂充分混合均匀后得到的铝热反应反应物6放入到坩埚中。

4、打开超声发生器3及超声导入设备4，设定超声波的频率及振幅，确保设备处于良好工作。

5、将火药粉7撒在充分混合均匀的铝热反应反应物6表面，作为引燃剂去引发铝热反应的进行。点燃火药粉7，使铝热反应发生，反应放出大量的热量，使还原出的铜处于熔融状态，与炮弹基体充分发生冶金反应。

6、铝热反应结束，冷却，熔融的铜熔敷在弹带的表面，卸除石墨坩埚2后得到铜弹带。关闭超声发生器3和超声导入设备4。

由于铝热反应进行过程中的产热量巨大，石墨坩埚温度较高，超声发生器直接作用到石墨坩埚上时，对于超声发生器的发射头的耐高温性能较强，因此一般选择通过超声导入设备间接连接到石墨坩埚上。对于超声导入设备的制造，一般由特殊的工具头、换能器及变幅杆精密连接组成。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (9)

1.一种超声振动辅助自蔓延铜弹带制备装置，其特征是：包括超声发生装置和坩埚，其中，坩埚为环形，其内径大小与炮弹直径将匹配，套装于炮弹的外边缘中部，坩埚上连接超声发生装置，所述坩埚内填充有反应物和引燃物；所述坩埚通过超声导入设备连接超声发生装置，添加超声辅助焊接，阻碍焊接过程中炮弹基体中的铁元素向熔融状态的铜中进行扩散。

2.如权利要求1所述的一种超声振动辅助自蔓延铜弹带制备装置，其特征是：所述坩埚为石墨坩埚。

3.如权利要求1所述的一种超声振动辅助自蔓延铜弹带制备装置，其特征是：所述坩埚的深度根据炮弹直径和弹带宽度调整。

4.如权利要求1所述的一种超声振动辅助自蔓延铜弹带制备装置，其特征是：所述反应物为氧化铜粉末和铝热剂的混合物。

5.如权利要求1所述的一种超声振动辅助自蔓延铜弹带制备装置，其特征是：所述引燃物为火药粉，火药粉设置在反应物的表面，引发铝热反应。

6.如权利要求1所述的一种超声振动辅助自蔓延铜弹带制备装置，其特征是：所述坩埚与炮弹连接处进行密封处理。

7.一种超声振动辅助自铜弹带蔓延制备方法，其特征是：包括以下步骤：

(1)将坩埚装配到炮弹外，使坩埚内径和铜炮弹外径的间隙处密封；

(2)将坩埚与超声波发生装置机械连接，将反应物放入坩埚内，在反应物上加入引燃物；

(3)超声发生装置工作，设定超声波的频率及振幅；

(4)点燃引燃物，使铝热反应发生，使还原出的铜处于熔融状态，与炮弹基体充分发生冶金反应；

(5)热反应结束，冷却，熔融的铜熔敷在弹带的表面，形成铜弹带，关闭超声发生装置。

8.如权利要求7所述的一种超声振动辅助自铜弹带蔓延制备方法，其特征是：所述步骤(3)中，超声发生器产生的超声波的频率和振幅根据铝热反应的反应强弱程度及冷却速度进行选择。

9.如权利要求8所述的一种超声振动辅助自铜弹带蔓延制备方法，其特征是：所述步骤(3)中，超声波振动频率为20～40kHz，振幅为10～40μm。