CN1151906C

CN1151906C - 块体非晶态合金管及其复合管的多层爆炸焊接技术

Info

Publication number: CN1151906C
Application number: CNB011282495A
Authority: CN
Inventors: 李晓杰; 阎鸿浩; 孙明; 王金相; 董守华; 奚进一; 王宇新; 杨文彬
Original assignee: Dalian University of Technology
Current assignee: Dalian University of Technology
Priority date: 2001-09-28
Filing date: 2001-09-28
Publication date: 2004-06-02
Anticipated expiration: 2021-09-28
Also published as: CN1338348A

Abstract

本发明属于爆炸焊接技术领域，提供了一种将多层非晶态合金薄膜固结成为块体非晶态合金管，以及与普通金属材料焊接成复合管的柱对称爆炸焊接方法。其特征是以非晶态合金薄膜为原料，将非晶态合金薄膜卷在芯棒上，通过调节非晶态合金薄膜卷的松紧程度，控制薄膜间的爆炸焊接间隙，将非晶态合金薄膜卷放置在柱对称的飞管打击装置的正中，对金属飞管与非晶态合金薄膜、非晶态合金薄膜与薄膜间进行爆炸焊接；通过除去芯棒，制成内层表层为非晶态合金的复合管，再除去外层金属飞管制成块体非晶态合金管。本发明的优点是可焊接各种非晶态合金薄膜，保持合金的非平衡态特征，并可减少合金块体中的缺陷，防止合金块体变形断裂。

Description

块体非晶态合金管及其复合管的多层爆炸焊接技术

技术领域

本发明属于爆炸焊接技术领域，特别涉及到一种将多层的非晶态合金薄膜固结成为块体非晶态合金管，以及与普通金属材料焊接成复合管的柱对称爆炸焊接方法。

背景技术

使用快淬技术可生产一系列的非平衡态新型合金，如：非晶态合金、准晶、微晶合金等，其中非晶态合金最具有代表性，很多非晶态合金具有高硬度、高强度、高耐蚀性、优异的软磁或硬磁性能等，是一大类优异的结构材料与功能材料。由于快淬形成非晶态能力的限制，大量的非晶态合金只能是粉末、鳞片和薄膜形态的，一般其特征尺度均在25～50μm左右，因而限制了它们的应用领域，这就使三维尺度的块体非晶态合金制造技术成为世界性的研究热点。

目前，除对少数的特殊合金组成可用控制冷却方法制成非晶态合金块体外，大量的生产技术均是采用一般的粉末冶金方法，如：热等静压、热挤压、冷压结和爆炸烧结等制造非晶态块体合金。也有采用多层非晶态合金薄膜直接进行爆炸烧结的研究，但由于没有掌握技术要点，没能实现薄膜间的冶金结合[参见：A.E RAKHIMOV，JOURNAL OF MATERIALS SCIENCE LETTERS，12(1993)：1891-1893]。采用粉末冶金技术，以粉末为原料的最大缺点是，无法使粉末间达到理想结合，制出的块体合金中存在着孔隙、裂纹、氧化物夹杂等缺陷。再者，由于非晶态合金有过热晶化的特点，因此也限制了许多热加工技术的使用。非晶态合金的另外一个缺点是延性较差，延伸率一般只有1～2％，而一般的爆炸焊接和冷加工方法对于这样的脆性材料是无法加工的，强烈的冲击与冷变形，会造成大量的断裂裂纹。

发明内容

本发明的目的是：提供一种多层非晶态合金薄膜的柱对称爆炸焊接方法，用这种方法直接生产出管状非晶态合金块体及其与普通金属的复合管材。在爆炸加工过程中，不仅对非晶态合金薄膜达到爆炸压实，同时产生爆炸焊接，达到真正的冶金结合，并且保证非晶态合金不发生过热晶化与冲击断裂。

实现本发明的技术方案如下：

由于爆炸焊接方法的特殊性，除焊接界面外，材料基体温升很小，基本上属于冷加工范畴，有利于保证非晶态合金微观结构的无序性，可防止合金的过热晶化。首先，采用薄膜作为原料与采用粉末原料相比，更便于预先对原料的清洁处理。其次，爆炸焊接的界面自清理作用，可消除表面氧化膜，达到理想的焊合。采用外爆炸的柱对称焊接方法，可使非晶态合金在爆炸焊接过程中不产生焊接要求以外的变形，因此，可控制工件不发生断裂。

具体实施方法可按如下程序进行：

首先，对非晶态合金薄膜进行表面处理，除去氧化物、油污等，以保证爆炸焊接界面的清洁，有利于爆炸焊接的实现，防止在焊接的固结件中产生夹杂、不结合区。将表面清洁后的薄膜缠绕在圆柱形的芯棒上，制成原料棒。由于非晶态薄膜表面粗糙度、不整平度的存在，可自然形成间隙，这些间隙就可作为爆炸焊接的加速距离。这样就可通过调节非晶态合金薄膜卷的松紧度，来控制薄膜卷的初装密度，使薄膜卷的初装密度控制在其合金理论密度的40％～80％的范围内，使薄膜间形成合理的爆炸焊接间隙。然后，将卷好的原料棒一起放置在飞管的正中，封装在飞管打击装置内。与一般粉末爆炸烧结方法不同，在本发明中，飞管与薄膜卷之间必须留有间隙，以供炸药爆轰压力能驱动飞管加速到焊接速度，达到使飞管与非晶态合金薄膜之间、非晶态合金薄膜之间的爆炸焊接条件。间隙控制在飞管壁厚的0.1～10倍之间，以0.5～2倍最好。最后，通过调节布置在飞管外部的炸药参数，使之满足爆炸焊接条件，就能使薄膜间产生良好的冶金焊合。如果飞管的内表面处理干净，就可与非晶态合金管焊接在一起，通过除去芯棒后，可制成内表面为非晶态合金层的复合管。对于管状的非晶态合金块体，可用两种方法制得。一种是用焊接好的复合管为原料，加工或腐蚀除去外表面的普通金属；另一种是在飞管内表面或非晶态合金带卷的外表面涂上石墨、滑石、陶瓷或金属自身氧化物作为防粘层，爆炸焊接后就能轻易地剥离飞管，再除去芯棒就能制成管状的非晶态合金块体。

使非晶态合金薄膜间产生爆炸焊接的参数条件，可由爆炸焊接理论计算得到。飞管与非晶态合金薄膜、薄膜与薄膜之间的碰撞速度V_p的下限条件，可按一般的爆炸焊接参数设计确定，即：

V_{p} &GreaterEqual; K \sqrt{H_{v} / ρ}

其中K＝0.6，H_v是非晶态合金的维氏硬度；ρ是其理论密度。

V_p的上限条件是焊接多层非晶态合金薄膜所特有的，是对爆炸焊接所产生热量的控制，用以防止非晶态合金的过热晶化，即：

\frac{1}{2} {V_{p}}^{2} < C_{p} (T_{x} - T_{0})

或

V_{p} < \sqrt{{2 C}_{p} (T_{x} - T_{0})}

其中，C_p是非晶态合金常压热容量；T_x是通常的晶化温度；T₀是环境温度。

而对于飞管的轴向闭合速度V_c恰好等于炸药爆速V_d这种爆炸焊接形式，形成爆炸焊接的条件可直接按下述条件对直接炸药的爆速进行控制，即：

C_T≤V_d≤1.1C_L

其中C_L是非晶态合金的膨胀波声速；C_T是剪切波声速。下限是在爆炸焊接中，防止在碰撞点前薄膜发生弯曲波的条件，是薄膜爆炸焊接的特有条件；上限是防止进入超声速流动状态的一般爆炸焊接条件。

本发明的优点是：非晶态合金薄膜间均能满足爆炸焊接条件，薄膜间几乎可全部达到理想的冶金焊合，因此合金块体中的缺陷较少。外爆炸柱对称焊接的严格对称性，可使工件承受十分均匀爆炸压力，不发生变形、断裂。通过限制爆炸焊接过程中，薄膜中弯曲波的形成可防止微观裂纹。通过限制爆炸焊接能量，可以防止非晶态合金的过热晶化。因此，可制造优质的块体非晶态合金管，并且随所采用的飞管材料不同，可制成各种普通材料与非晶态合金的复合管。

附图说明

附图是实现本发明的外爆炸焊接结构图。图中标号所示，1起爆雷管，2炸药，3隔爆块，4上端塞，5芯棒，6非晶态合金薄膜卷，7间隙，8飞管，9下端塞，10卸载飞块。

具体实施方式

以下结合附图，详细叙述本发明的最佳实施例：

实施例1

采用约25μm厚、宽100mm的Fe₇₈B₁₃Si₉铁基非晶态合金薄膜带，卷紧在Φ12mm的芯棒5上，非晶态合金薄膜卷6的外径约为Φ23.5mm，装填密度约为理论密度的62％。飞管8为普通碳钢管，内径Φ26mm，外径Φ29mm，壁厚1.5mm。飞管8与非晶态合金带卷6之间的间隙7约为1.25mm。外布炸药2的外径为Φ80mm，密度0.81g·cm^-3，爆速V_d＝4167m·s^-1，计算得到的飞管打击速度V_p＝672m·s^-1。由于Fe₇₈B₁₃Si₉非晶态合金的维氏硬度Hv＝910kg·mm^-2＝8.948GPa，密度ρ＝7.18g·cm^-3，用公式

V_{p} &GreaterEqual; 0.6 \sqrt{H_{V} / ρ}

计算出V_p下限为669m·s^-1；而合金的C_p＝590J·kg^-1·K^-1，晶化温度T_x＝823K，取环境温度为T₀＝298K，用公式

V_{p} < \sqrt{{2 C}_{p} (T_{x} - T_{0})}

计算出上限为787m·s^-1。铁基非晶的声速与一般钢材相近，普通钢的剪切波声速C_T为3220m·s^-1，膨胀波声速C_L为5940m·s^-1，炸药爆速V_d恰在其间。计算表明，设计参数满足爆炸焊接条件，并且不会使非晶态合金发生晶化。实施爆炸焊接后，去除芯棒，得到内径为Φ12mm，外径为Φ23mm的完整复合管，非晶态合金层厚约4mm。

实施例2

除在飞管8的内表面涂上有滑石粉防粘层外，采用与实施例1相同的条件，测量得炸药爆速V_d＝4367m·s^-1，计算出飞管打击速度V_p＝702m·s^-1，也满足爆炸焊接条件。爆炸焊接后，去除芯棒，剥离下飞管，外圆经磨光得到外径为Φ19mm，内径为Φ12mm，长80mm的管状非晶态合金块体，块体合金经X射线衍射证实仍保持非晶态，表面无宏观裂纹。经光学金相检查只有少量的薄膜断裂，裂纹只限制在单层薄膜中，没有形成薄膜之间的贯通。

Claims

1.一种块体非晶态合金管及其复合管的多层爆炸焊接技术，其特征是以非晶态合金薄膜为原料，将非晶态合金薄膜卷在芯棒上，通过调节非晶态合金薄膜卷的松紧程度，控制薄膜间的爆炸焊接间隙，将非晶态合金薄膜卷放置在柱对称的飞管打击装置的正中，飞管与非晶态合金薄膜卷间留有间隙，对金属飞管与非晶态合金薄膜、非晶态合金薄膜与薄膜间进行爆炸焊接；通过除去芯棒，制成内层表层为非晶态合金的复合管，再除去外层金属飞管制成块体非晶态合金管。

2.根据权利要求1所述的块体非晶态合金管及其复合管的多层爆炸焊接技术，其特征是非晶态合金薄膜卷的初装密度为合金密度的40～80％。

3.根据权利要求1所述的块体非晶态合金管及其复合管的多层爆炸焊接技术，其特征是飞管与非晶态合金薄膜卷间留有管壁厚度0.1～10倍间隙。

4.根据权利要求1所述的块体非晶态合金管及其复合管的多层爆炸焊接技术，其特征是飞管打击速度V_p控制在

\sqrt{{2 C}_{p} (T_{x} - T_{0})} > V_{p} &GreaterEqual; 0.6 \sqrt{H_{V} / ρ}

范围。

5.根据权利要求1所述的块体非晶态合金管及其复合管的多层爆炸焊接技术，其特征是所使用炸药爆速控制在非晶态合金的剪切波声速与1.1倍膨胀波声速之间。