CN115007990A - 一种具有普适性的金属箔爆炸焊接方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有普适性的金属箔爆炸焊接方法。该方法包括结构炸药和多功能防护装置，其中结构炸药包括炸药、波阻抗层和胶体水层三层结构，在炸药上表面布置波阻抗层达到抑制反射拉伸波的目的，波阻抗层上方再布置胶体水层以约束爆轰产物的向上运动，降低炸药临界厚度并在爆炸过程中抑制粉尘、噪音污染。该多功能防护装置包括热牺牲层、强度层以及波阻抗层，由上至下依次分布紧密贴合，针对爆炸过程中产生的热和应力波进行防护，避免爆炸之后金属箔表面出现烧蚀、褶皱及裂纹等缺陷。

Description

一种具有普适性的金属箔爆炸焊接方法

技术领域

本发明属于金属复合板的制造领域，特别涉及到一种具有普适性的金属箔爆炸焊接方法

背景技术

爆炸焊接是一种通过炸药爆轰驱动复板与基板发生高速斜碰撞，产生高速金属射流清理金属表面杂质，最终使基复板生成冶金结合的固态焊接技术。作为一种特殊的固态焊接技术，爆炸焊接因其强大的异种金属结合能力被广泛应用于生产各种金属复合板材，其制备的复合材料不仅界面结合强度高，还能最小化焊接影响区的形成，在海洋工程、航空航天、石油化工等领域有着广泛的应用。

近年来，理论和实践证明用传统爆炸焊接技术生产的金属复合材料，其复层厚度不能小于1mm。对于厚度小于1mm的薄层金属板材，由于其质量相对较小和易碎的特点以及传统工艺炸药较高的临界厚度，在爆炸过程中持续的高温高压影响下，炸药爆轰产生的过剩能量造成的界面熔融以及金属箔表面的烧蚀、裂纹、褶皱等缺陷难以避免。

目前，针对金属箔的爆炸焊接问题，中国专利CN202011236548.8公开了一种钨箔爆炸焊接的方法；中国专利CN202111588371.2公开了一种真空环境下薄复层爆炸焊接复合板制备方法。然而，前者只适用于一些具有高强度、高熔点的特定材料；而后者因工艺过于复杂而不具备应用价值。

发明内容

本发明的目的是：提供一种金属箔爆炸焊接方法，解决金属箔爆炸焊接所需的低能量要求与传统工艺炸药超高的临界厚度之间的矛盾，以及金属箔的易碎性和爆炸及碰撞过程中强破坏性之间的矛盾。在提高炸药的能量利用率，降低成本的同时，吸收爆炸产生的粉尘，抑制噪音，达到环保的目的。

本发明的技术方案是：

本发明首先设置结构炸药，并在炸药和金属箔之间布置一套多功能防护层，对爆炸焊接过程中产生的热和应力波进行防护，根据金属组合确定爆炸焊接参数，根据爆炸焊接参数制定相应的爆炸焊接装配方案，根据装配方案装配爆炸焊接装置，进行爆炸焊接，得到完整的复合板。

其中，结构炸药和多功能防护层里，结构炸药从上至下依次为胶体水层、波阻抗层、炸药，多功能防护层从上至下依次为热牺牲层、波阻抗层和强度层。

其中，结构炸药和多功能防护层中的波阻抗层，其材料波阻抗需要大于金属箔的波阻抗；热牺牲层材料为塑料类制品、纸质材料、树脂类材料；强度层材料为；胶体水层由高分子吸水性树脂与水混合而成，其中，高分子吸水性树脂含量为99％，水含量为1％。

其中，操作方法步骤为，将基板、金属箔按一定间隙支撑布置在地基上，金属箔上方依次布置强度层、波阻抗层、热牺牲层、炸药、波阻抗层、胶体水层，各层之间紧密贴合，在炸药一端布置雷管，引爆实现爆炸焊接得到金属箔复合板。

本发明的优点是：1)简化金属箔爆炸焊接方法工艺流程，扩大金属箔材料选用范围，开拓金属箔爆炸焊接方法应用领域；2)避免了金属箔表面的烧蚀、裂纹、褶皱等缺陷，提高金属箔爆炸焊接方法的良品率；3)减少爆炸焊接工艺中炸药的用量，减少了生产成本；4)减轻了噪音以及粉尘污染，相对于传统工艺更加环保。

附图说明

说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1是本发明的爆炸焊接示意图。

图中，1—雷管，2—胶体水层，3—波阻抗层A，4—炸药，5—热牺牲层，6—强度层，7—波阻抗层B，8—金属箔，9—间隙支撑，10—基板，11—地基。

图2是采用本发明后哈氏合金箔与钢板焊接形貌结果。

图3是采用本发明后钽箔与钢板焊接形貌结果。

图4是未采用本发明的钽箔与钢板焊接形貌结果。

具体实施方式

下面结合附图和具体的实施例对本发明做进一步说明。

本发明从金属箔爆炸焊接专用结构炸药以及功能性防护装置出发，设计了一套金属箔爆炸焊接方法体系，其核心原理是通过约束装药结构降低炸药的临界厚度，从而避免金属箔爆炸焊接过程中能量过剩所导致的界面过熔，出现空洞裂缝等缺陷；另一方面，对爆炸和碰撞过程中所产生的热和应力波，一种热牺牲层被设计在爆炸作用下通过分解、熔化、蒸发等消耗自身的方式带走热量，从而避免金属箔表面热损伤；一种波阻抗层被设计通过自身的高波阻抗特性来降低拉伸波强度，从而抑制金属箔表面褶皱等缺陷。同时，强度层被设计来支撑上述防护层及专用结构炸药，要求材料既有足够强度，且自身质量不能对爆轰结果产生影响。与其他针对金属箔的爆炸焊接方法相比，本发明的结构炸药抑制了爆炸产物的膨胀，使临界厚度相对传统工艺炸药大幅减小，同时炸药特殊结构可以有效降低爆炸过程中产生的噪音以及粉尘污染。对爆炸焊接过程中的热、应力波通过功能性防护装置进行了针对防护，避免金属箔表面的烧蚀、裂纹等缺陷。

实施例1

图1为金属箔爆炸焊接方法装置示意图。针对哈氏合金箔和钢，其中复板为哈氏合金箔，尺寸为150mm×80mm×0.2mm，基板为钢，尺寸为200mm×120mm×20mm。

参见图1，本实施例含有一套多功能防护装置，多功能防护装置中热牺牲层(5)选用纸板，密度为0.36g/cm³，尺寸为200mm×120mm×20mm；强度层(6)选用聚丙烯塑料板，尺寸为200mm×120mm×1mm；波阻抗层B(7]选用铝箔，密度为2.7g/cm³，尺寸为200mm×120mm×0.2mm。专用结构炸药包含乳化炸药(4)，密度0.75g/cm³，爆速约为2500m/s，通过格尼公式计算得炸药厚度为7mm。炸药上设置一层波阻抗层A(3)，材料选用铁，尺寸为150mm×80mm×0.1mm，波阻抗层A(3)上布置一胶体水层(2)尺寸为150mm×80mm×60mm，间隙支撑(7)高度为2mm。

通过单一金属爆炸焊接下限公式

与

分别计算得出哈氏合金箔(8)、钢板(9)的最小可焊碰撞压力，取两种材料中较大的单金属最小可焊碰撞压力为P_min，其中系数k与金属板表面条件相关，可取0.6～1.2，Hv为材料硬度，ρ为材料密度，C为以该材料为介质时的声速，λ为材料的线性系数，通过双金属爆炸焊接下限公式：

计算出哈氏合金箔(8)、钢板(9)的爆炸焊接下限V_pmin。根据Gurney公式：

质量比公式：R＝m_炸药/m_组合复板，m_炸药＝ρ_炸药·t_炸药，m_组合复板＝ρ_金属箱+ρ_热牺牲层·t_热牺牲层+ρ_强度层·t_强度层+ρ_{波阻抗层B}·t_{波阻抗层B}，E为炸药(4)的能量参数，m_炸药、m_组合复板分别为炸药(4)的质量和哈氏合金箔(8)、热牺牲层(5)、强度层(6)及波阻抗层B(7)的总质量，ρ_炸药、ρ_金属箔、ρ_热牺牲层、ρ_强度层、ρ_{波阻抗层B}分别为炸药(4)、哈氏合金箔(8)、热牺牲层(5)、强度层(6)及波阻抗层B(7)的密度，t_炸药、t_金属箔、t_热牺牲层、t_强度层、t_{波阻抗层B}分别为炸药(4)、哈氏合金箔(8)、热牺牲层(5)、强度层(6)及波阻抗层B(7)的厚度，联立计算出炸药(4)的装药厚度为7mm。

将哈氏合金箔(8)、钢板(10)打磨、清理干净，多功能防护装置中各层之间以及波阻抗层(7)与哈氏合金箔(8)之间通过双面胶紧密贴合。参照图1将间隙支撑(9)、金属箔(8)、波阻抗层B(7)、强度层(6)、热牺牲层(5)、炸药(4)、波阻抗层A(3)、胶体水层(2)、雷管(1)依次由下至上布置，各层之间相互平行设置爆炸焊接装置，开展爆炸焊接。，开展爆炸焊接。

爆炸完成后，哈氏合金箔与钢板成功复合，表面无烧蚀、褶皱及裂纹等缺陷，如图2所示。经SEM检测，结合界面出现典型爆炸焊接结合面结构。

实施例2

如图1所示的金属箔爆炸焊接方法装置示意图。针对钽箔和钢，其中复板为钽箔，尺寸为150mm×80mm×0.2mm，基板为钢，尺寸为200mm×120mm×20mm。

参见图1，本实施例含有一套多功能防护装置，多功能防护装置中热牺牲层(5)选用泡沫塑料堆积，尺寸为200mm×120mm×2mm；强度层(6)选用聚乙烯塑料板，尺寸为200mm×120mm×1mm；波阻抗层B(7)选用铝箔，密度为2.7g/cm³，尺寸为200mm×120mm×0.2mm。专用结构炸药包含乳化炸药(4)，密度0.75g/cm³，爆速约为2500m/s，通过格尼公式计算得炸药厚度为8mm。炸药上设置一层波阻抗层A(3)，材料选用铁，尺寸为150mm×80mm×0.1mm，波阻抗层A(3)上布置一胶体水层(2)尺寸为150mm×80mm×60mm，间隙支撑(7)高度为3mm。

通过单一金属爆炸焊接下限公式

与

分别计算得出钽箔(8)、钢板(9)的最小可焊碰撞压力，取两种材料中较大的单金属最小可焊碰撞压力为P_min，其中系数k与金属板表面条件相关，可取0.6～1.2，Hv为材料硬度，ρ为材料密度，C为以该材料为介质时的声速，λ为材料的线性系数，通过双金属爆炸焊接下限公式：

计算出钽箔(8)、钢板(9)的爆炸焊接下限V_pmin。根据Gurney公式：

质量比公式：R＝m_炸药/m_组合复板，m_炸药＝ρ_炸药·t_炸药，m_组合复板＝ρ_金属箔·t_金属箔+ρ_热牺牲层·t_热牺牲层+ρ_强度层·t_强度层+ρ_{波阻抗层B}·t_{波阻抗层B}，E为炸药(4)的能量参数，m_炸药、m_组合复板分别为炸药(4)的质量和钽箔(8)、热牺牲层(5)、强度层(6)及波阻抗层B(7)的总质量，ρ_炸药、ρ_金属箔、ρ_热牺牲层、ρ_强度层、ρ_{波阻抗层B}分别为炸药(4)、钽箔(8)、热牺牲层(5)、强度层(6)及波阻抗层B(7)的密度，t_炸药、t_金属箔、t_热牺牲层、t_强度层、t_{波阻抗层B}分别为炸药(4)、钽箔(8)、热牺牲层(5)、强度层(6)及波阻抗层B(7)的厚度，联立计算出炸药(4)的装药厚度为8mm。

将钽箔(8)、钢板(10)打磨、清理干净，多功能防护装置中各层之间以及波阻抗层(7)与钽箔(8)之间通过双面胶紧密贴合。参照图1，将间隙支撑(9)、钽箔(8)、波阻抗层B(7)、强度层(6)、热牺牲层(5)、炸药(4)、波阻抗层A(3)、胶体水层(2)、雷管(1)依次由下至上布置，各层之间相互平行设置爆炸焊接装置，开展爆炸焊接。

爆炸完成后，钽箔与钢板成功复合，表面无烧蚀、褶皱及裂纹等缺陷，如图3所示。经SEM检测，结合界面出现典型爆炸焊接结合面结构。

本发明未详细公开的部分属于本领域公知技术，尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行描述，但本发明不限于具体实施方式的范围，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

实施例3

如图1所示的金属箔爆炸焊接方法装置示意图。针对钽箔和钢，其中复板为钽箔，尺寸为150mm×80mm×0.2mm，基板为钢，尺寸为200mm×120mm×20mm。

参见图1，去除本发明所述的胶体水层(2)、波阻抗层A(3)、热牺牲层(5)、强度层(6)、波阻抗层B(7)，采用剩余结构进行爆炸焊接实验，材料参数参见实施例2，将间隙支撑(9)、钽箔(8)、炸药(4)、雷管(1)依次由下至上布置，各层之间相互平行设置爆炸焊接装置，开展爆炸焊接。

爆炸完成后，如图4所示，复合板表面烧蚀、褶皱及裂纹等缺陷明显。

Claims (6)

1.一种具有普适性的金属箔爆炸焊接方法，其特征在于，该爆炸焊接方法为：

爆炸焊接过程中，

设置结构炸药和多功能防护层，

其中，设置的结构炸药从上至下依次为胶体水层、波阻抗层、炸药，

设置多功能防护层从上至下依次为热牺牲层、波阻抗层和强度层。

2.根据权利要求1所述的一种金属箔爆炸焊接方法，其特征在于，所述的结构炸药和多功能防护层中的波阻抗层，其材料均为波阻抗大于金属箔的波阻抗。

3.根据权利要求1所述的一种金属箔爆炸焊接方法，其特征在于，热牺牲层材料为塑料类制品、纸质材料、树脂类材料。

4.根据权利要求1所述的一种金属箔爆炸焊接方法，其特征在于，强度层材料要求硬度大于基板、复板材料。

5.根据权利要求1所述的一种金属箔爆炸焊接方法，其特征在于，胶体水层由高分子吸水性树脂与水混合而成，其中，高分子吸水性树脂含量为99％，水含量为1％。

6.根据权利要求1所述的一种金属箔爆炸焊接方法，其特征在于，具体方法步骤为，将基板、金属箔按相应间隙支撑布置在地基上，金属箔上方依次布置强度层、波阻抗层、热牺牲层、炸药、波阻抗层、胶体水层，各层之间紧密贴合，在炸药一端布置雷管，引爆实现爆炸焊接得到金属箔复合板。

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