CN112518097B

CN112518097B - 一种钨箔爆炸焊接的方法

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Publication number: CN112518097B
Application number: CN202011236548.8A
Authority: CN
Inventors: 马宏昊; 田启超; 沈兆武; 王晓明; 赵阳; 滕涛; 李壬栋
Original assignee: University of Science and Technology of China USTC; Academy of Armored Forces of PLA
Current assignee: University of Science and Technology of China USTC; Academy of Armored Forces of PLA
Priority date: 2020-11-09
Filing date: 2020-11-09
Publication date: 2022-04-01
Anticipated expiration: 2040-11-09
Also published as: CN112518097A

Abstract

本发明公开了一种钨箔爆炸焊接的方法，该方法包括：通过爆炸焊接的方式提供了一种可在常温下大气环境下(即不需要加热材料或水下环境也可实现钨的爆炸焊接，但也兼容可配合使用)实现，避免常规爆炸焊接时瞬时产生的高温和冲击力对覆板(钨箔)的损坏，保护板有效地防止了钨箔发生断裂和烧蚀，实现了覆板(5)与金属基板的紧密的冶金结合。本发明通过覆板(5)与保护板(3)通过粘接材料(4)粘接固定后爆炸焊接的方式，实现了覆板与金属基板间致密的冶金结合且工艺过程没有高温的影响，同时有效地防止了覆板和基板发生断裂和表面损伤，保持钨包覆复合板材整体完整和表面质量。

Description

一种钨箔爆炸焊接的方法

技术领域

本发明涉及钨箔与其他金属的复合，涉及爆炸焊接技术领域，具体涉及一种钨箔爆炸焊接的方法。

背景技术

钨的包覆材料被用做高压输电触点，火箭喷嘴部件以及核聚变反应堆中。钨具有出色的其高的高温机械性能和在辐照下优异的物理性能，可以与其他金属的性能结合互补。如，铜具有出色的导电性和导热性能，在国际热核实验反应堆托卡马克核聚变装置的(ITER)中，钨与铜的组合被认为是面向等离子体的材料(PFM)中组件的最有前途的候选者。然而，钨的熔点(大约3400℃)远大于其他金属材料的熔点(例如，铜大约1083℃)，且两者之间物理性质存在较大差异，因此制造致密的钨包覆材料仍是一项挑战。

钨是用于等离子装甲，结构应用和屏蔽组件的候选材料。钨具有高熔点(3695K)，高溅射阈值，高导热率和低腐蚀速率的优点。但是，其固有的脆性是限制此类应用的核心问题。显然，基于钨的复合材料的性能取决于连接技术。然而，由于传统钨的复合制造工艺界面的弱结合强度和高温对材料性能的破坏，使得钨复合材料的结合强度相对较低。通过爆炸焊接制造的钨覆层材料，波状结合界面的产生，因此爆炸焊接的钨复合材料的界面结合强度相对较高。

目前，钨的包覆材料制造正在通过不同的工艺被尝试。对于使用热的连接方法，温度不应过高，但传统工艺过程中的高温会改变材料的性质。此外由于熔点的差异等，钨与其他金属难以通过常规方式焊接。其他工艺使用的中间层的元素的引入可能会对辐照性能造成损害。

众所周知，可以通过调整材料性质来增强复合材料的性能。根据钨箔的特性，开发了通过钨箔爆炸焊接包覆的复合材料，以进一步提高钨覆层的性能，克服传统工艺低质量的缺点。由于钨具有较低的脆性转变温度并且常温下断裂韧性很低，因此在常温环境下制备致密的钨涂层复合材料是一项挑战。由于冷轧对影响微结构，钨箔具有较小的晶粒，且活动边缘位错数量大以及表面上位错效应的“箔效应”使得脆性转变温度被移位到较低的温度，使得钨箔在室温下在拉伸和弯曲试验中具有高于钨板延展性。此外，通过钨箔制备的钨涂层，由于具有较小的晶粒，在辐照下可能会表现更好。

爆炸焊接是一种固态过程，冶金结合界面在爆炸加速的覆板的冲击基板的高压下产生。不同的参数会影响爆炸焊接的质量，例如炸药类型，爆炸比率(爆炸物与覆板质量之间的比例)和隔离距离。许多双金属材料已经被通过爆炸焊接制成，如，钛/钢，钛/铝，铝/镁等，爆炸焊接所制造的复合结构的机械性能往往优于传统的焊接工艺。因此，爆炸焊接技术具有有效地结合钨与铜作为面向等离子体材料的潜力，同时工艺过程中不需要加热钨使其软化，因此不会有热效应对材料基体产生影响。

爆炸焊接制备钨涂层仅有少量研究进行，基本上是基于水下爆炸焊接工艺来制备钨涂层，装置往往较为复杂。在空气中的常温爆炸焊接工艺制备无损的钨涂层曾被认为是不可行的。爆炸焊接通常在露天环境中进行。但是Manikandan等人(2011年)报道，由于钨的脆性，传统爆炸焊接方法不适合将钨与铜爆炸复合。据Iyama等人(2001年)传统的爆炸焊接总是给材料的焊接带来问题，特别是对于薄金属板(厚度小于1毫米)以及脆性材料。Sun等人(2014年)指出，使用传统的空气爆炸焊接，界面处的爆炸力和高温会破坏薄箔。目前关于钨箔爆炸焊接成功的报道，仅有Manikandan等人(2011年)和Parchuri等人(2020年)使用水下爆炸焊接方法将薄钨箔焊接到铜板上。然而，在常温大气环境下通过爆炸焊接成功制备钨涂层未有报道，在空气中的常温爆炸焊接工艺制备无损的钨涂层曾被认为是不可行的。

发明内容

本发明要解决的技术问题为：实际上，与使用金属板作为多层材料的原料相比，金属箔作为原料在降低成本和材料性能方面更具优势。缺乏金属箔作为爆炸焊接原料的真正原因是，由于箔的脆性，获得高质量的箔焊缝面临许多挑战。在高速碰撞过程中(爆炸焊接的碰撞速度为每秒几百米)，在箔片表面上容易形成诸如局部断裂，空隙和折叠的缺陷。目前仅有少数几种爆炸焊接方法可以实现箔材焊接，例如水下爆炸焊接技术，通过水的作用保护箔不受损坏。然而，这些方法显示出高成本的缺点以及在大尺寸板的焊接中的局限性，这使得实际应用变得困难。本发明改进了传统的爆炸焊接工艺，通过使用普通工业金属板(工业铝板或工业铜板等)作为保护板，将钨箔与保护板粘接在一起，成功地在铜板表面制备了无损且致密的钨涂层。通过使用金属保护板，爆炸焊接可以实现高致密化的均匀结构和优异的机械性能的钨包覆材料。因此，爆炸焊接是在常温的情况下制造钨包覆材料有希望的方法。

本发明采用的技术方案为：一种钨箔爆炸焊接的方法，该方法包括：

1.材料尺寸加工

根据最终的复合材料需求，选择所需的金属原材料，将待焊的覆板5、基板7和保护板3按照所需尺寸进行加工，覆板5为钨箔；

2.材料表面清洁

将待焊接的覆板5和基板7的需进行焊接的表面进行打磨和抛光处理，除去氧化物和污物等，然后用酒精或丙酮等进行清洁，使得待焊接的表面洁净，促进实现良好的爆炸焊接，避免在爆炸焊接界面中产生缺陷，如未结合区、夹杂物等；

3.炸药配置

依照所需的复合的覆板5的厚度和基板的材料参数，根据计算和模拟，选择合适的炸药及尺寸，使用的是中空玻璃微球和乳化基质混合而成的乳化炸药，也可根据具体需要选择铵油炸药等爆炸焊接用炸药；

乳化炸药：将5％-30％wt.的中空玻璃微球与95％-70％wt.的乳化基质充分混合均匀，放入所需尺寸炸药框中(纸盒，薄铝盒，蜂窝铝等)，得到图示的炸药2部分；

择优的如使用中空玻璃微球和乳化基质混合的乳化炸药的情况下，择优炸药厚度为4mm-30mm；

择优选择：炸药的长度和宽度应不小于保护板的长度和宽度，所需的炸药厚度根据炸药的性能和所焊接的材料性质，通过计算和模拟进行选择；

4.材料组装和爆炸焊接

将覆板5使用粘接材料4粘接到保护板3上，基板7通过粘接材料4粘接到砧板8上，在基板7上放置间隔物6，将粘接有保护板3的覆板5放置到间隔物6上，使覆板5与基板7保持所需的初始间隔距离，将配置好的炸药2放置到保护板3上，在炸药端部放置雷管1，将爆炸焊接装置整体放入爆炸场地，进行起爆，得到钨包覆材料。

进一步地，覆板5厚度择优0.05mm-0.3mm；基板7长宽择优大于钨箔5mm以上；保护板3择优选择金属材料，如铜、铝等；保护板3择优选择厚度为0.5mm-5mm；保护板3长宽尺寸择优大于覆板5mm以上；粘接材料4具体为普通双面胶，PET双面胶，胶水或黄油。

作为优选地，所述的炸药为专用乳化炸药，专用乳化炸药密度为0.4～1.2g/cm³，爆速为1800～3400m/s，高度为4～40mm。

作为优选地，所述的粘接材料为PET双面胶或水性双面胶。

进一步地，所述的爆炸焊接方法采用保护板与覆板粘接、基板与砧板粘接的方式，通过保护板和覆板(钨箔)的紧密贴合与支撑，传递爆炸产生的爆轰波避免边界稀疏波的影响，实现钨箔与基板材料的无损复合。

优选地，应加长炸药使得雷管1引出覆板的焊接区域，避免雷管1位置产生焊接区域。

本发明的目的是这样实现的：首先通过雷管起爆炸药，高温、高压的爆炸气体和爆炸释放的大量能量推动保护板与覆板的粘合物，使得覆板以几百米每秒的高速撞向基板。基板和覆板之间产生高速射流，该高速射流去除了对形成冶金结合有不利影响的表面氧化膜，然后将新鲜干净的表面在极高的压力作用下结合在一起，但因界面复合过程的特征时间约为10^-6s，因此材料基体不会受到热影响或发生大规模熔化。最终，实现钨箔与基板(金属板)的有效焊接。

本发明原理在于：使用保护板(通常为金属板)与作为覆板的箔材(覆板为钨箔，且对其他相似的脆性金属箔也适用)通过胶粘(双面胶等)的方式面面紧密粘接，防止了脆性材料在爆炸焊接过程中破坏而无法完好焊接。在这种方法中，通过将保护板与覆板粘接在一起也起到了压力传递介质的作用。相对于空气，保护板(尤其是金属保护板时)可以被认为是不可压缩的。这样可以确保爆炸力使保护板与箔材料一起前进，并且保护板阻隔了爆炸产生的高温，使覆板不会受到炸药烧蚀，并保持其特性。此外，防止了焊接接头变形，并确保接头的完整性。此外，保护板的使用避免覆板为金属箔的情况下，爆炸比与冲击速度过高，起到了调控焊接参数的作用，可以对覆板的速度和作用在覆板上的压力进行有效地控制，以实现高质量的复合。保护板对参数调控的作用，主要是保护板的质量，降低了过高的爆炸比，进而降低了过高的冲击速度。爆炸比R＝炸药质量Me/覆板质量Mf，使用保护板后原来的Mf从覆板质量变为了保护板质量加作为覆板的箔材的质量。因箔材质量往往很小导致爆炸比偏高因此保护板质量的加入，在一定范围内是有益的。

本发明的优点和积极效果为：

采用上述方案本发明取得有益效果如下：本发明通过爆炸焊接的方式提供了一种可在常温下大气环境下(即不需要加热材料或水下环境也可实现钨的爆炸焊接，但也兼容可配合使用)实现，避免常规爆炸焊接时瞬时产生的高温和冲击力对覆板(钨箔)的损坏，保护板有效地防止了钨箔发生断裂和烧蚀，实现了覆板(钨箔)5与金属基板7的紧密的冶金结合。

本发明通过覆板(钨箔)5与保护板3通过粘接材料4粘接固定后爆炸焊接的方式，实现了覆板(钨箔)5与金属基板7间致密的冶金结合且工艺过程没有高温的影响，同时有效地防止了覆板和基板发生断裂和表面损伤，保持钨包覆复合板材整体完整和表面质量。

可以实现钨箔的爆炸焊接，也可适用于其他脆性材料或者较薄的金属箔材。

本发明优点：与传统爆炸焊接工艺比。通过钨箔与保护板粘接，避免了炸药对钨的烧蚀和破坏，且工艺过程没有高温环境(很重要的特点，因为诸如ITER等特殊装置对材料的加工温度有很高的要求超过一定的加工温度会影响材料的性能)，爆炸焊接后材料表面无裂纹，钨箔与金属基板间产生了致密的冶金结合。此方法避免了钨箔在爆炸焊接中受到冲击波的损坏，因为不使用保护板或者覆层不和保护板面面粘接焊接后一定会损坏或断裂。此原理也适合于其他脆性金属或金属箔材避免此类金属在爆炸焊接过程中产生裂纹。通过粘接在保护板上，让保护板提供支撑作用可以避免箔材在重力下过大的下垂弯曲，这使得参数保持均匀，有利于精确控制焊接参数。同时，保护板的使用避免覆板为金属箔的情况下，爆炸比与冲击速度过高，起到了调控焊接参数的作用，可以对覆板的速度和作用在覆板上的压力进行有效地控制，以实现高质量的复合。

与其他工艺相比，如热轧制复合后表面会有很多氧化皮造成材料浪费，通过保护板的爆炸焊接方法制造的爆炸复合材料表面具有高质量。如镁合金等易于氧化的材料也可以通过爆炸焊接方法制造，因为爆炸焊接过程中的金属射流可以去除材料表面的氧化层，使得材料在高压下产生紧密的冶金结合。爆炸焊接工艺简单不需要复杂且昂贵的设备，并且爆炸焊接工艺已经被很多相关工程企业用来生产复合板。爆炸焊接中不像其他工艺工会有热的影响(如面向等离子壁材料(PFM)往往有加工过程中的工艺温度的限制)，因此不会使得复合材料产生过多的脆性金属化合物或者晶粒过度长大降低强度，并且本工艺还使得材料免受炸药烧蚀，复合材料有着高质量的焊后表面。

附图说明

图1为爆炸焊接装置配置示意图；

图2为实例中钨箔与铜板爆炸焊接示意图；

图3为爆炸比R(无量纲比值)、冲击速度Vp(以m/s为单位)和系统的动能(以KJ为单位)随着保护板单位面积质量MPA(以kg/m²为单位)的变化。

图中：1、雷管，2、炸药，3、保护板，4、粘接材料，5、覆板，6、间隔物，7、基板，8、砧板。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施方式进一步说明本发明。

传统焊接中未使用粘接材料4(如双面胶粘接)来粘接保护板3与覆板5，覆板为钨箔，以及粘接作为基板7与砧板8。所以焊接后箔材往往会被炸药炸的粉碎。通过将钨箔和基板与保护板3(材质为铝、铜等)粘接到一起，使用了保护板后可实现0.05mm-0.4mm的钨箔与金属板的焊接。工艺的难点在于所用箔片材料难以完好无损的爆炸焊接，因为炸药爆炸后的烧蚀和冲击波会破坏材料。而本发明将钨箔粘在保护板上，既可以通过保护板避免烧蚀又可以起到支撑作用，此外金属保护板也提供了边界的波阻抗匹配，相对于空气金属间的波阻抗差异更小，反射的拉伸波作用更小，避免钨箔被拉伸波破坏。同时也可通过改变保护板的参数更有效地调控焊接参数。

1.材料尺寸加工

根据最终的复合材料需求，选择所需的金属原材料。将待焊的覆板5、基板7和保护板3按照所需尺寸进行加工。覆板为钨箔。

覆板5厚度择优0.05mm-0.3mm。

基板7长宽择优大于钨箔5mm以上。

保护板3择优选择金属材料，如铜、铝等。

保护板3择优选择厚度为0.5mm-5mm。

保护板3长宽尺寸择优大于覆板5mm以上。

粘接材料4具体为普通双面胶，PET双面胶，胶水或黄油。

2.材料表面清洁

将待焊接的覆板5和基板7的需进行焊接的表面进行打磨和抛光处理，除去氧化物和污物等，然后用酒精或丙酮等进行清洁，使得待焊接的表面洁净，促进实现良好的爆炸焊接，避免在爆炸焊接界面中产生缺陷，如未结合区、夹杂物等。

3.炸药配置

依照所需的复合的覆板5的厚度和基板的材料参数，根据计算和模拟，选择合适的炸药2及尺寸，例子中，使用的是中空玻璃微球和乳化基质混合而成的乳化炸药，也可根据具体需要选择铵油炸药等。

乳化炸药：将5％-30％wt.的中空玻璃微球与95％-70％wt.的乳化基质充分混合均匀。放入所需尺寸炸药框中(纸盒，薄铝盒，蜂窝铝等)，得到图示的炸药2部分。

如使用中空玻璃微球和乳化基质混合的乳化炸药的情况下，择优炸药厚度为4mm-30mm。

择优选择：炸药的长度和宽度应不小于保护板的长度和宽度。所需的炸药厚度根据炸药的性能和所焊接的材料性质，通过计算和模拟进行选择。

作为优选地，所述的专用乳化炸药密度为0.4～1.2g/cm³，专用乳化炸药爆速为1800～3400m/s，专用乳化炸药高度为4～40mm。

4.材料组装和爆炸焊接

将覆板5使用粘接材料4粘接到保护板3上，基板7通过粘接材料4粘接到砧板8上。在基板7上放置间隔物6，将粘接有保护板3的覆板5放置到间隔物6上，使覆板5与基板7保持所需的初始间隔距离。将配置好的炸药2放置到保护板3上，在炸药端部放置雷管1。将爆炸焊接整体放入爆炸场地，进行起爆，得到钨包覆材料。

作为优选地，所述的粘接材料为PET双面胶或水性双面胶。

为了更清楚的说明本发明，提供如下具体实施例：

保护板3选择紫铜板，粘接材料4选择双面胶，覆板5为钨箔，间隔物6选择铝环，基板7选择铜板，砧板8选择低碳钢板；

对钨箔、铜板、紫铜板和低碳钢板进行尺寸加工，分别为60mm*50mm*0.1mm、150mm*100mm*2mm、150mm*100mm*1mm和200mm*150mm*10mm。

将钨箔通过双面胶与紫铜板进行粘接，将铜板与低碳钢板通过双面胶进行粘接。

将2mm的铝环放置在铜板的四角上，将粘接有钨箔的紫铜板，以带有钨箔的面面朝下的方式放置到铝环上。

将质量分数25％的中空玻璃微球与75％的乳化基质混合成乳化炸药放置进内部尺寸为200mm*140mm*6mm的特制纸盒中作为炸药2。

将炸药2放置到紫铜板上，并使紫铜板处于炸药中心位置。

将雷管1放置到炸药2一端，将装置整体放入爆炸罐中，起爆雷管1，得到钨/铜复合板。

焊接后表面无损，界面紧密冶金结合。

下面介绍保护板3的作用分析。

1.控制速度

为了理解理解保护板对焊接参数的影响，本发明对焊接参数进行了估算。冲击速度V_p的计算公式(1)和(2)如下所示：

其中，V_p冲击速度,

是格尼特征速度，V_d爆炸速度,β为碰撞角，R为爆炸比。在使用保护板的情况下R＝M_explosive/(M_fender+M_flyer)，其中M_explosive为炸药质量，M_fender为保护板质量，M_flyer为覆板质量。

由于没有乳化炸药的一般数据，格尼特征速度通过Copper方法进行估算：

为了体现冲击速度的变化情况，通过Deribas and Zakharenko提出的公式(3)对焊接下限进行了估算：

其中，k是一个与表面粗糙度和清洁度有关常数(通常取0.6-1.2)，H_f是覆板材料的硬度(Pa)和ρ_f是覆板材料的密度(kg·m^-3)，Vc在平行布置的爆炸焊接中等同于爆轰速度(m/s)。

根据本发明所用的材料参数，计算了焊接参数随着保护板质量的变化。图3示出了爆炸比R(无量纲比值)、冲击速度Vp(以m/s为单位)和系统的动能(以KJ为单位)随着保护板单位面积的质量MPA(以kg/m²为单位)的变化。MPA表示为标准化到保护板材料单位面积质量(kg/m²)的值,使我们能够对不同材料的保护板以同样的参数进行分析。本发明所用材料尺寸和参数下的爆炸比，冲击速度和系统动能分别记为R0.1，Vp0.1和Ek0.1，为了便于对比同时计算了在覆板为1mm的情况下爆炸比R1，冲击速度Vp1和系统的动能Ek1(钨在此厚度因脆性下不进行预热软化难以完整焊接，及对比用)下焊接参数随保护板MPA的变化情况。可以清楚地看到，随着保护板MPA的增加，即随着保护板密度和厚度的增加，R和Vp随之减少。此外，可以观察到在MPA大于9kg/m²(即大约保护板为1mm厚度的铜板)后，参数随着MPA的变化较为平缓。值得注意的是，尽管MPA增大时，R和Vp单调减少，但系统的动能并非单调下降，MPA在2.7kg/m²附近出现峰值(即大约保护板为1mm厚度的铝板)。换句话说，在金属箔焊接中，当使用金属保护板时，不但降低过大的冲击速度，同时保护板的参与使得系统储存了更高的动能，系统有着充足的动能用于提供结合所需的能量。如图3所示，在本发明所用1mm厚度铝板及1mm厚度铜板的情况下，冲击速度均在所需的最低冲击速度之上，保证了冶金结合界面的实现。与0.1mm金属箔相比，1mm厚度金属箔具有相对较高的质量使得爆炸比相对较低。此外，焊接参数随着MPA的变化不明显，且保护板的质量的加入需要使用更多的炸药量才能使得冲击速度达到焊接要求。可能由于这个原因，在传统的板材的爆炸焊接工艺中保护板的使用没有得到开发和关注。MPA取决于两个因素：保护板的密度和厚度。如果保护板的厚度太小，则起不到支撑作用，从而导致无法保持固定间隙。当保护板厚度过大时，这将导致过多的能量被用于推动保护板运动降低了系统的动能，造成了炸药的浪费。保护板的密度的作用同理，此外，密度更多地影响材料间的波阻抗匹配，将在下面进行阐述。

2.波阻抗匹配减少反射波影响

在金属箔的焊接方面，最大的挑战是保持金属箔覆层的完整性及保护焊接后的表面质量。传统爆炸焊接工艺对箔材进行焊接会对箔材造成破坏，这会破坏接头的力学性能无法制备完好的覆层。而本方法焊接后仍可呈现光亮无损的表面，这表明保护板的使用覆层表面质量得到了改善。为了分析保护板的影响规律，提供保护板选择的依据，本方法提出了一个无量纲的因素，将保护板和覆板的物理属性的比率，称为边界波界面因素(BWIF)。该因子指示保护板与覆板间的波阻抗匹配程度。尽管提供了判断保护材料的参考标准，但BWIF并未指出将要形成的表面状态。

表1部分金属材料的物理性质和波阻抗

然而，尽管关于板的性质之间的关系没有清晰的公式，但本发明表明，具有相似密度的材料导致更平整的表面，并且密度的更大变化导致表面的波动起伏。在这种情况下分析密度的困难之一是探讨发生的现象中其物理意义。将密度与爆炸焊接现象相关的一种方法是使用冲击阻抗概念。

根据Grady(2017)的解释，材料的阻抗可以(以简化的方式)定义为传播波包含物体质量的速度。冲击阻抗(Z)可以通过材料的密度与其中的体声速传播的乘积来计算。考虑到除了密度以外，阻抗还考虑了波的传播，因此将这种特性与焊接相关联比单独使用密度更为直观。在表1中，考虑到每种材料的密度和材料中的整体声速传播，近似计算出每种材料的阻抗。

为了分析和关联保护板与覆板的阻抗，对每种金属组合计算了覆板和保护板之间的阻抗比(保护板的阻抗/覆板的阻抗)(等式(4))。此比率说明了覆板与保护板之间的阻抗差异：距离1越远，比率之间的差异就越大(相等阻抗的比率为1)。众所周知，如果板的阻抗在冲击中完全相等，则不会发生波反射(Chen and Chandra,2004)。但是，材料之间较高的阻抗失配会导致较大的反射波。这意味着在爆炸焊接过程中，阻抗的实质差异会显着改变冲击波的行为。

由于比率1表示具有相同阻抗的材料的组合，为了量化保护板和覆板之间的阻抗关系，因此计算了常见保护板-覆板组合的阻抗比与值1之间的距离(比率均大于1，即保护板阻抗较高；比率小于1时，即覆板阻抗较高的)。

其中，Z是阻抗(kg·m^-2·s^-1)，ρ是密度(kg·m^-3)，C是材料中的体声速传播(m·s^-1)。下标fender和flyer分别代表保护板和覆板。

表2为常见保护板-覆板组合的阻抗比，列出了这些值，包括类似材料的保护板-覆板组合。当未使用保护板时，空气的波阻抗相对金属来说可忽略不计，因此此情况下BWIF都约为零。随着到1值的距离增加，即阻抗失配增加，覆层会受到更大的稀疏波作用。传统的爆炸焊接方法无法实现完好的箔片爆炸焊接以及水下爆炸焊接可以实现箔片爆炸焊接但表面质量较差，这可能与阻抗差异有关。超过一定的阻抗失配后，稀疏波对金属对的扰动将转变为破坏。应当注意的是，焊接参数对焊接界面也有重要影响，并且可以影响焊接效果。但是，传统方法往往仅考虑焊缝的波状形态，即已经满足完好包覆条件下焊缝，实现无损焊接的影响因素没有得到考虑。

表2常见保护板-覆板组合的阻抗比

为了从物理角度更好地理解波阻抗匹配，阻抗可能与某些界面现象有关。例如，开尔文-亥姆霍兹不稳定性被认为是爆炸焊接中波形成的机制之一。正如Matsuoka(2014)所解释的，这是两个相互之间具有相对速度的并行流的界面的不稳定性。这种不连续会产生局部压力变化，从而导致覆板处出现径缩和断裂。本发明通过此方法对两种金属箔焊接时，发现金属箔薄到一定程度后，箔材会呈现网状断裂模式，这是由于不稳定性造成的周期性的扰动。材料之间的阻抗差异可能会影响冲击波的路径，边界处的行为和分布，这一事实也表明它可能会影响箔片焊接质量的现象。这表明密度和阻抗较高的材料可能是优质的保护板材料。这可能与冲击波在受影响边界处的传输或反射方式有关。这些现象背后的物理学机理还需要更多实验进行分析。因此，应明确研究此方面以获取更多详细信息。实验结果证明，使用金属板作为金属箔焊接到金属板的保护板是可行的。与直接焊接和以前工作中使用水作为中间介质相比，使用金属保护板的最终接头大大改善了焊接质量。应考虑成本的合理性，可以选择铝、铜、钢等廉价金属。为了获得更适合特定用途或环境的性能，可以选择物理性能相似的保护板材料。

Claims

1.一种钨箔爆炸焊接的方法，其特征在于：该方法包括：

1.材料尺寸加工

根据最终的复合材料需求，选择所需的金属原材料，将待焊的覆板(5)、基板(7)和保护板(3)按照所需尺寸进行加工；覆板(5)为钨箔；

保护板(3)的作用分析：

1.控制速度

保护板(3)对焊接参数的影响：对焊接参数进行估算，冲击速度V_p的计算公式(1)和(2)如下所示：

其中，V_p冲击速度,

是格尼特征速度，V_d爆炸速度,β为碰撞角，R为爆炸比，在使用保护板的情况下R＝M_explosive/(M_fender+M_flyer)，其中M_explosive为炸药质量，M_fender为保护板质量，M_flyer为覆板质量；

其中，k是一个与表面粗糙度和清洁度有关常数，取0.6-1.2，H_f是覆板材料的硬度，其单位为Pa，和ρ_f是覆板材料的密度，其单位为kg·m^-3，Vc在平行布置的爆炸焊接中等同于爆炸速度，其单位为m/s；

2.材料表面清洁

将待焊接的覆板(5)和基板(7)的需进行焊接的表面进行打磨和抛光处理，除去氧化物和污物，然后用酒精或丙酮进行清洁，使得待焊接的表面洁净，促进实现良好的爆炸焊接，避免在爆炸焊接界面中产生缺陷，包括未结合区、夹杂物；

3.炸药配置

依照所需的复合的覆板(5)的厚度和基板的材料参数，根据计算和模拟，选择合适的炸药及尺寸，使用的是中空玻璃微球和乳化基质混合而成的乳化炸药，或根据具体需要选择铵油炸药；

乳化炸药：将10％-25％wt.的中空玻璃微球与90％wt.-75％wt.的乳化基质充分混合均匀，放入所需尺寸炸药框中，包括纸盒，薄铝盒或蜂窝铝，得到炸药(2)部分；

如使用中空玻璃微球和乳化基质混合的乳化炸药的情况下，炸药厚度为4mm-30mm；

炸药的长度和宽度应不小于保护板的长度和宽度，所需的炸药厚度根据炸药的性能和所焊接的材料性质，通过计算和模拟进行选择；

4.材料组装和爆炸焊接

将覆板(5)使用粘接材料(4)粘接到保护板(3)上，基板(7)通过粘接材料(4)粘接到砧板(8)上，在基板(7)上放置间隔物(8)，将粘接有保护板(3)的覆板(5)放置到间隔物(8)上，使覆板(5)与基板(7)保持所需的初始间隔距离，将配置好的炸药(2)放置到保护板(8)上，在炸药端部放置雷管(1)，将爆炸焊接整体放入爆炸场地，进行起爆，得到钨包覆材料；

为了分析和关联保护板与覆板的阻抗，对每种金属组合计算了覆板和保护板之间的阻抗比，即保护板的阻抗/覆板的阻抗，如等式(4)所示，此比率说明了覆板与保护板之间的阻抗差异：距离1越远，比率之间的差异就越大，相等阻抗的比率为1，如果板的阻抗在冲击中完全相等，则不会发生波反射，材料之间较高的阻抗失配会导致较大的反射波；

由于比率1表示具有相同阻抗的材料的组合，为了量化保护板和覆板之间的阻抗关系，因此计算了常见保护板-覆板组合的阻抗比与值1之间的距离，比率均大于1，即保护板阻抗较高；比率小于1时，即覆板阻抗较高的，

其中，Z是阻抗，其单位为kg·m^-2·s^-1，ρ是密度，其单位为kg·m^-3，C是材料中的体声速传播，其单位为m·s^-1，下标fender和flyer分别代表保护板和覆板。

2.根据权利要求1所述的一种钨箔爆炸焊接的方法，其特征在于：覆板(5)厚度0.05mm-0.3mm；基板(7)长宽大于钨箔5mm以上；保护板(3)选择金属材料；保护板(3)选择厚度为0.5mm-5mm；保护板(3)长宽尺寸大于覆板5mm以上；粘接材料(4)具体为普通双面胶，PET双面胶，胶水或黄油。

3.根据权利要求1所述的一种钨箔爆炸焊接的方法，其特征在于：所述的专用乳化炸药密度为0.4～1.2g/cm³，专用乳化炸药爆速为1800～3400m/s。

4.根据权利要求1所述的一种钨箔爆炸焊接的方法，其特征在于：所述的粘接材料为PET双面胶或水性双面胶。

5.根据权利要求1所述的一种钨箔爆炸焊接的方法，其特征在于：所述的爆炸焊接方法采用保护板与覆板粘接、基板与砧板粘接的方式，通过保护板和覆板的紧密贴合与支撑，传递爆炸产生的爆轰波避免边界稀疏波的影响，实现钨箔与基板材料的无损复合。

6.根据权利要求1所述的一种钨箔爆炸焊接的方法，其特征在于：应加长炸药使得雷管(1)引出覆板的焊接区域，避免雷管(1)位置产生焊接区域。

7.根据权利要求1所述的一种钨箔爆炸焊接的方法，其特征在于：通过炸药爆炸时产生的巨大能量和高压爆生气体，爆轰产物高速推动保护板与覆板的粘合物；覆板在冲击波瞬时高压的作用下，实现钨箔与金属的基板的有效焊接，同时保护板避免了爆炸对覆板的损坏。

8.根据权利要求1-6任一项所述的一种钨箔爆炸焊接的方法，其特征在于：该方法适用于脆性或难熔金属箔，包括钨、钼、铌、钽及其合金。