CN105798452A - 一种超声振动辅助自蔓延制备铜弹带的方法 - Google Patents
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Abstract
一种超声振动辅助自蔓延制备铜弹带的方法，以解决现有方法制备的铜弹带，在堆焊过程中需要消耗大量的电能，电弧还存在着辐射污染的问题。本发明方法：一：用黄泥封住环柱形石墨坩埚与铜炮弹之间的缝隙；二：将超声发生器与超声导入设备连接起来，并将超声导入设备上的工具头固定在环柱形石墨坩埚上；三：将铝热反应物放入到环柱形石墨坩埚中；四：打开超声发生器及超声导入设备；五：将火药粉均匀平铺在铝热反应物的上表面并点燃，使铝热反应发生，铝热反应物与铜炮弹基体充分发生冶金反应；六：铝热反应结束，关闭超声发生器和超声导入设备，冷却，卸除环柱形石墨坩埚后，熔融的铜熔敷在铜炮弹的表面形成铜弹带。本发明用于制备弹带。
Description
技术领域
本发明涉及一种炮弹制造过程中的弹带制备方法，具体涉及一种超声振动辅助自蔓延制备铜弹带的方法。
背景技术
弹带在各类型炮弹上有着至关重要的作用。在炮弹发射过程中，弹带被压入膛线，密闭火药气体，使炮弹在膛线的作用下实现旋转，从而提高了炮弹的射程和精度。用来作为炮弹弹带的金属多为铜合金和软铁，其中铜弹带的应用相对来说更加广泛。目前采用的生产弹带的方法主要包括机械嵌合和堆焊方式。机械嵌合方式，是通过在弹体上加工出导带凹槽(大口径炮弹是燕尾槽)，在强压下，将铜合金或软铁带与弹体嵌合。这种生产弹带的方式，需要在弹体上加工导带凹槽，因此需要更厚的炮弹弹壁，不但增加了炮弹的重量，更减少了装药量，爆炸威力和射程都会大打折扣，还可能出现弹带与弹体脱落的问题。不仅如此，机械嵌合生产弹带的生产效率低下，对刀具的磨损比较严重，已经不能满足当代炮弹弹带发展的需要了。堆焊方法制备铜弹带的方法与传统的机械嵌合方式相比，拥有很多优点，例如弹带与弹体实现了冶金结合，弹带不易脱落，不增加弹体壁厚，生产效率相对较高。但它也存在着一些明显的不足。铜和钢是两种不同的金属，物理和化学性质相差较大，焊接难度大，对施焊者的操作水平要求较高；而且在堆焊过程需要消耗大量的电能，电弧还存在着辐射污染。
至今为止，并没有人将自蔓延技术应用在弹带的制备上。自蔓延技术是利用化学反应自身放热合成材料的一种技术。铝热反应就是自蔓延的一个典型代表。除了碱金属、碱土金属的氧化物，几乎所有其它金属氧化物，当它们与铝混合加热时都可以被还原，并得到金属或合金。氧化铜粉末与铝粉在引燃条件下可以发生铝热反应，生成铜合金。利用这个原理，可以用来制备铜弹带。
发明内容
本发明为了解决现有方法制备的铜弹带，铜和钢是两种不同的金属，物理和化学性质相差较大，焊接难度大，对施焊者的操作水平要求较高，在堆焊过程中需要消耗大量的电能，电弧还存在着辐射污染的问题，而提出一种超声振动辅助自蔓延制备铜弹带的方法。
本发明的一种超声振动辅助自蔓延制备铜弹带的方法，所述方法是通过以下步骤实现的：
步骤一：将环柱形石墨坩埚套装在铜炮弹的外径位置A处，用黄泥封住环柱形石墨坩埚与铜炮弹之间的缝隙；
步骤二：将超声发生器与超声导入设备连接起来，并将超声导入设备上的工具头固定在环柱形石墨坩埚上；
步骤三：将铝粉与氧化铜粉末均匀混合得到铝热反应物，将铝热反应物放入到环柱形石墨坩埚中；
步骤四：打开超声发生器及超声导入设备，超声波的频率为20KHz～50KHz，振幅为18微米～40微米；
步骤五：将火药粉均匀平铺在铝热反应物的上表面，点燃火药粉，使铝热反应发生，反应放出大量的热量，使还原处的铜处于熔融状态，铝热反应物与铜炮弹基体充分发生冶金反应；
步骤六：铝热反应结束，关闭超声发生器和超声导入设备，冷却，卸除环柱形石墨坩埚后，熔融的铜熔敷在铜炮弹的表面形成铜弹带。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
一、本发明利用超声振动辅助自蔓延制备铜弹带，实现铜弹带环与炮弹壳体的有效连接。制备过程中，将氧化铜粉末、铝粉和火药通过环柱形石墨坩埚环套在炮弹弹体上，通过引燃火药，进而触发氧化铜粉末与铝粉的铝热反应，在几秒的时间内制备出铜合金弹带。辅以超声振动，促使氧化铜粉末与铝粉反应伴随的气泡逸出，使得弹带内部无气泡，防止在弹带中出现气孔缺陷，炮弹发射过程中不会出现弹带脱落的现象。本发明的方法不需要消耗大量的电能，没有电弧产生，因此，避免了辐射污染的问题，保证了节能环保的要求。
二、本发明利用铝热反应物作为焊接热源，并以铝粉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。本发明的加工工艺简单，成本较低，减少了生产时间和工作量，提高了生产率，且有效的控制了泛铁、泛碳及合金的含量，从而得到优质的铜弹带。
三、本发明将超声波快速振动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，避免气孔等焊缝缺陷，提高焊缝质量。
四、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为铜炮弹1、环柱形石墨坩埚2、超声波发生器3、超声导入设备4、工具头5、铝热反应物6和火药粉7的装配示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1说明本实施方式，本实施方式是通过以下步骤实现的：
步骤一：将环柱形石墨坩埚2套装在铜炮弹1的外径位置A处，用黄泥封住环柱形石墨坩埚2与铜炮弹1之间的缝隙，确保弹带生产的精确和安全；
步骤二：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固定在环柱形石墨坩埚2上，确保各装置之间良好连接；
步骤三：将铝粉与氧化铜粉末均匀混合得到铝热反应物6，将铝热反应物6放入到环柱形石墨坩埚2中；
步骤四：打开超声发生器3及超声导入设备4，超声波的频率为20KHz～50KHz，振幅为18微米～40微米；确保设备处于良好工作；
步骤五：将火药粉7均匀平铺在铝热反应物6的上表面，火药粉7作为引燃剂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，使还原处的铜处于熔融状态，铝热反应物6与铜炮弹1基体充分发生冶金反应；
步骤六：铝热反应结束，关闭超声发生器3和超声导入设备4，冷却，卸除环柱形石墨坩埚2后，熔融的铜熔敷在铜炮弹1的表面形成铜弹带。
具体实施方式二：结合图1说明本实施方式，本实施方式是步骤一中的环柱形石墨坩埚2的内径根据铜炮弹1直径决定，铜炮弹1的直径越大，铜弹带的直径越大，所需的铝粉和氧化铜粉末越多，则环柱形石墨坩埚2的高度越高。其它步骤与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：结合图1说明本实施方式，本实施方式是步骤二中的传递超声振动的工具头5固定于环柱形石墨坩埚2高度上的中心位置。其它步骤与具体实施方式一相同。
具体实施方式四：结合图1说明本实施方式，本实施方式是步骤三中的铝粉与氧化铜粉末的质量比为：Al:CuO＝9:30～35，根据具体技术指标确定铝粉的用量，一般设计其总质量为技术要求所规定的1.5～1.8倍，以便于焊后机械加工。其它步骤与具体实施方式一相同。
具体实施方式五：结合图1说明本实施方式，本实施方式是步骤三中的铝粉与氧化铜粉末的质量比为：Al:CuO＝9:33，根据具体技术指标确定铝粉的用量，一般设计其总质量为技术要求所规定的1.5～1.8倍，以便于焊后机械加工。其它步骤与具体实施方式四相同。
具体实施方式六：结合图1说明本实施方式，本实施方式是步骤四中的超声波的频率与振幅的组合可选为：频率20KHz，振幅40μm、频率30KHz，振幅32μm、频率40KHz，振幅24μm、频率50KHz，振幅18μm。其它步骤与具体实施方式一相同。
具体实施方式七：结合图1说明本实施方式，本实施方式是步骤五中火药粉7的厚度为0.2mm～0.5mm，且需保持干燥。火药粉7为市售产品。其它步骤与具体实施方式一相同。
具体实施方式八：结合图1说明本实施方式，本实施方式是步骤五中火药粉7的厚度为0.3mm，且需保持干燥。其它步骤与具体实施方式七相同。
具体实施方式九：结合图1说明本实施方式，本实施方式是步骤五中火药粉7的厚度为0.4mm，且需保持干燥。其它步骤与具体实施方式七相同。
具体实施方式十：本实施方式是步骤六中铝热反应结束1分钟～3分钟后，关闭超声波电源，以去除铜液中的气泡和夹杂，并细化铜晶粒。其它步骤与具体实施方式一相同。
Claims (10)
1.一种超声振动辅助自蔓延制备铜弹带的方法，其特征在于：所述制备铜弹带的方法是通过以下步骤实现的：
步骤一：将环柱形石墨坩埚(2)套装在铜炮弹(1)的外径位置A处，用黄泥封住环柱形石墨坩埚(2)与铜炮弹(1)之间的缝隙；
步骤二：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)固定在环柱形石墨坩埚(2)上；
步骤三：将铝粉与氧化铜粉末均匀混合得到铝热反应物(6)，将铝热反应物(6)放入到环柱形石墨坩埚(2)中；
步骤四：打开超声发生器(3)及超声导入设备(4)，超声波的频率为20KHz～50KHz，振幅为18微米～40微米；
步骤五：将火药粉(7)均匀平铺在铝热反应物(6)的上表面，点燃火药粉(7)，使铝热反应发生，反应放出大量的热量，使还原处的铜处于熔融状态，铝热反应物(6)与铜炮弹(1)基体充分发生冶金反应；
步骤六：铝热反应结束，关闭超声发生器(3)和超声导入设备(4)，冷却，卸除环柱形石墨坩埚(2)后，熔融的铜熔敷在铜炮弹(1)的表面形成铜弹带。
2.根据权利要求1所述的一种超声振动辅助自蔓延制备铜弹带的方法，其特征在于：所述步骤一中的环柱形石墨坩埚(2)的内径根据铜炮弹(1)直径决定，铜炮弹(1)的直径越大，铜弹带的直径越大，所需的铝粉和氧化铜粉末越多，则环柱形石墨坩埚(2)的高度越高。
3.根据权利要求1所述的一种超声振动辅助自蔓延制备铜弹带的方法，其特征在于：所述步骤二中的传递超声振动的工具头(5)固定于环柱形石墨坩埚(2)高度上的中心位置。
4.根据权利要求1所述的一种超声振动辅助自蔓延制备铜弹带的方法，其特征在于：所述步骤三中的铝粉与氧化铜粉末的质量比为：Al:CuO＝9:30～35。
5.根据权利要求4所述的一种超声振动辅助自蔓延制备铜弹带的方法，其特征在于：所述步骤三中的铝粉与氧化铜粉末的质量比为：Al:CuO＝9:33。
6.根据权利要求1所述的一种超声振动辅助自蔓延制备铜弹带的方法，其特征在于：所述步骤四中的超声波的频率与振幅的组合可选为：频率20KHz，振幅40μm、频率30KHz，振幅32μm、频率40KHz，振幅24μm、频率50KHz，振幅18μm。
7.根据权利要求1所述的一种超声振动辅助自蔓延制备铜弹带的方法，其特征在于：所述步骤五中火药粉(7)的厚度为0.2mm～0.5mm。
8.根据权利要求7所述的一种超声振动辅助自蔓延制备铜弹带的方法，其特征在于：所述步骤五中火药粉(7)的厚度为0.3mm。
9.根据权利要求7所述的一种超声振动辅助自蔓延制备铜弹带的方法，其特征在于：所述步骤五中火药粉(7)的厚度为0.4mm。
10.根据权利要求1所述的一种超声振动辅助自蔓延制备铜弹带的方法，其特征在于：所述步骤六中铝热反应结束1分钟～3分钟后，关闭超声波电源。
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