CN115351409B - 一种适用于硬脆性金属与金属箔的爆炸焊接方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种适用于硬脆性金属与金属箔的爆炸焊接方法。该方法将硬脆性金属设置为基板，并建立强约束环境，利用强约束环境的高阻抗特性，避免爆炸过程中产生的应力波，在硬脆性金属自由表面反射拉伸波，导致裂纹等缺陷的形成。其中，复板选择为厚度量级为0.1mm的金属箔，不仅可以降低碰撞过程中的冲击波脉冲宽度，使其快速衰减消弭，同时还可以降低爆炸过程中复板的动能，达到理想焊接条件。本发明提出的方法在一块基板上一次性焊接多块复板，可以节约爆炸焊接成本、提高工作效率。

Description

一种适用于硬脆性金属与金属箔的爆炸焊接方法
技术领域
本发明属于金属复合板的制造领域，特别涉及到一种适用于硬脆性金属与金属箔的爆炸焊接方法。
背景技术
近年来，爆炸焊接金属复合板材由于优良的理化性能，在核工业、化工业等领域有广泛应用，创造了巨大社会价值。目前钛、不锈钢、铜等延展性优良的金属材料的爆炸焊接技术已经取得了突飞猛进的进展，规格、结合性能等方面都已满足大规模工业生产的需要。然而针对钨、钼等硬脆性金属的爆炸焊接仍属于研究的难点，大量研究表明硬脆性金属在爆炸焊接后会出现裂纹等缺陷，结合率及结合强度均达不到工业生产的要求。
爆炸焊接的能量来源于炸药，利用炸药爆炸产生的爆炸产物急速膨胀，驱动复板向下高速运动，直到与基板产生斜碰撞。同时金属本体在高压、大变形、高速绝热变形和高压压缩所产生高温的共同作用下，使得射流后部的金属产生固相扩散和熔化焊合。硬脆性金属的爆炸焊接的主要问题在于碰撞过程超强的应力波作用以及界面大塑性变形导致脆性金属出现裂纹、甚至破裂等缺陷。目前针对这一问题，中国专利 CN202011236548.8公布了一种钨箔爆炸焊接的方法；中国专利CN202110948094.5公布了一种硬脆材料的爆炸焊接方法。然而前者无法完全避免爆炸过程拉伸波对复板的损伤，无法彻底解决复板裂纹的问题，而水下爆炸焊接工艺复杂，无法满足工业化生产的需要。
发明内容
本发明提供一种适用于硬脆性金属与金属箔的爆炸焊接方法，避免碰撞过程中超强的应力波作用以及界面大塑性变形导致脆性金属出现裂纹等缺陷。实现硬脆性金属与金属箔的复合板制造。
本发明的技术方案是：
一种适用于硬脆性金属与金属箔的爆炸焊接方法，将硬脆性金属设置为基板，将基板嵌入砧座中并在基板四周建立强约束环境，利用四周材料的高波阻抗降低基复板碰撞过程中反射的拉伸波，避免拉伸波导致材料表面产生裂纹等缺陷，焊接之前应将砧座、基板、强约束待焊表面打磨平整清理干净，为提高工作效率，降低爆炸焊接成本，可在同一砧座上设置多块基板同时焊接；金属箔设置为复板，尺寸远大于基板，由于其0.1mm 的厚度尺度，碰撞过程中产生的冲击波脉冲宽度可显著降低，并快速衰减消弭，理想的焊接条件达成。爆炸之后，金属箔与砧座及基板形成冶金结合，切割出基板与金属箔结合的部分，即为硬脆性金属和金属箔的爆炸焊接复合板。
其中，该爆炸焊接方法中，复板选用厚度量级为0.1mm的金属箔。
其中，强约束在爆炸焊接过程中可以对基板实施四周约束，材料选取为波阻抗大于待焊金属，且熔点低于待焊金属的金属材料，将基板放置在砧座8的凹槽中后，将熔化的强约束材料填充进缝隙冷却成型。
其中，砧座与地基固定。
本发明的优点是：1)实现硬脆性金属与金属箔的爆炸焊接，扩大爆炸焊接材料选用范围，开拓金属箔爆炸焊接技术应用领域。2)避免了复合板表面的烧蚀、裂纹、褶皱等缺陷。3)简化硬脆性金属生产工艺，降低成本。
附图说明
图1是本发明的爆炸焊接示意图。
图1中，1—雷管，2—炸药，3—防护层，4—金属箔，5—间隙支撑，6—基板，7—约束，8—砧座，9—地基。
图2是钨板与铜箔爆炸焊接表面形貌结果。
图3是实施例2中钨板排布示意图。
图4是钨板与钛箔爆炸焊接表面形貌结果。
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。
本发明提出的适用于硬脆性金属与金属箔的爆炸焊接方法克服各种因素，通过将硬脆性金属板设置为基板，并在其四周施加强约束环境，减小拉伸波对硬脆性金属的损伤，同时复板选择为金属箔，显著降低碰撞过程中的冲击波脉冲宽度，达到理想焊接条件。
实施例1
如图1所示的金属箔爆炸焊接方法装置示意图。针对钨板和铜箔，其中基板为钨，尺寸为20mm×20mm×2mm，复板为铜箔，尺寸为150mm×80mm×0.2mm。
通过单一金属爆炸焊接下限公式与/>分别计算得出钨板6、铜箔4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Pmin，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：计算出钨板6、铜箔4的爆炸焊接下限Vpmin。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·t金属箱+ρ防护层·t防护层，E为炸药2的能量参数， m炸药、m组合复板分别为炸药2、铜箔4、防护层3的总质量，ρ炸药、ρ金属箔、ρ防护层分别为炸药2、铜箔4、防护层3的密度，t炸药、t金属箔、t防护层分别为炸药2、铜箔4、防护层3的厚度，联立计算出炸药2的装药厚度为8mm。
本实施例包含一种强约束金属箔爆炸焊接，防护层3选用纸板与铝板通过双面胶紧密贴合形成的组合板，其中纸板尺寸为150mm×80mm×2mm，铝板尺寸为 150mm×80mm×1mm；炸药2选用乳化炸药，密度0.75g/cm3，爆速约为2500m/s，炸药上方布置一层由高分子吸水性树脂与水混合而成的尺寸为150mm×80mm×60mm的胶体水约束炸药，降低炸药临界厚度。间隙支撑5高度为2mm。选用300mm×300mm×20mm 的Q235钢板作为砧座8，在钢板中央机加工出21mm×21mm×2mm的凹槽，取 5mm×5mm×2mm的锡块，与砧座8、钨板6一起加热至锡块熔化，将熔融态锡倒入砧座8的凹槽中，放入钨板6并摁平，放置至自然冷却后形成强约束7，将砧座8与钨板 6表面打磨平整清理干净，参照图1装配爆炸焊接装置，开展爆炸焊接。
爆炸完成后，铜箔与钨板成功复合，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。针对钨板和钛箔，其中3块基板为钨，在砧座中沿中轴线等距排布，排布方式如图3所示，尺寸为20mm×20mm×2mm，复板为钛箔，尺寸为150mm×80mm×0.2mm。
通过单一金属爆炸焊接下限公式与/>分别计算得出钨板6、钛箔4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Pmin，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：计算出钨板6、钛箔4的爆炸焊接下限Vpmin。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·t金属箱+ρ防护层·t防护层，E为炸药2的能量参数， m炸药、m组合复板分别为炸药2的质量和钛箔4、防护层3的总质量，ρ炸药、ρ金属箔、ρ防护层分别为炸药2、钛箔4、防护层3的密度，t炸药、t金属箔、t防护层分别为炸药2、钛箔4、防护层3的厚度，联立计算出炸药2的装药厚度为7mm。
本实施例包含一种强约束金属箔爆炸焊接，防护层3选用纸板与铝板通过双面胶紧密贴合形成的组合板，其中纸板尺寸为150mm×80mm×2mm，铝板尺寸为 150mm×80mm×1mm；炸药2选用乳化炸药，密度0.8g/cm3，爆速约为2700m/s，炸药上方布置一层由高分子吸水性树脂与水混合而成的尺寸为150mm×80mm×60mm的胶体水约束炸药，降低炸药临界厚度。间隙支撑5高度为2mm。选用300mm×300mm×20mm 的Q235钢板作为砧座8，在钢板中央机加工出21mm×21mm×2mm的凹槽，取 5mm×5mm×2mm的锡块，与砧座8、钨板6一起加热至锡块熔化，将熔融态锡倒入砧座8的凹槽中，放入钨板6并摁平，放置至自然冷却后形成强约束7，将砧座8与钨板 6表面打磨平整清理干净，参照图1装配爆炸焊接装置，开展爆炸焊接。
爆炸完成后，钛箔与钨板成功复合，表面无烧蚀、褶皱及裂纹等缺陷，如图4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。

Claims (2)

1.一种适用于硬脆性金属与金属箔的爆炸焊接方法，其特征在于，
该方法为：将硬脆性金属设置为基板，基板尺寸为20mm×20mm×2mm ，金属箔设置为复板，尺寸远大于基板，尺寸为150mm×80mm×0.2mm；
将基板嵌入砧座中并在基板四周建立强约束环境，强约束在爆炸焊接过程中对基板实施四周约束，强约束材料选取为波阻抗大于待焊金属，且熔点低于待焊金属的金属材料，具体为锡，
利用四周材料的高波阻抗降低基复板碰撞过程中反射的拉伸波；
将基板放置在砧座的凹槽中后，将熔化的锡填充进缝隙冷却成型，将砧座、基板、强约束待焊表面打磨平整清理干净，在同一砧座上设置多块基板同时焊接；
装配爆炸焊接装置，开展爆炸焊接；
进行爆炸焊之后，金属箔与砧座及基板形成冶金结合，切割出基板与金属箔结合的部分，即完成硬脆性金属和金属箔的爆炸焊接。
2.根据权利要求1所述的适用于硬脆性金属与金属箔的爆炸焊接方法，其特征在于，砧座与地基固定。
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