郭 靜，梁 斌

（中鋼不銹鋼管業(yè)科技山西有限公司，山西 晉中 030600）

爆炸焊接理論和實(shí)踐表明，對(duì)于兩種金屬組合，要使它們成功的復(fù)合，存在一個(gè)可以實(shí)現(xiàn)焊接的參數(shù)范圍。爆炸焊接過(guò)程中存在3個(gè)最基本的動(dòng)態(tài)參數(shù)：碰撞速度、碰撞角和碰撞點(diǎn)移動(dòng)速度。3個(gè)動(dòng)態(tài)參數(shù)在某一個(gè)恰當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)變化時(shí)，爆炸焊接才能夠成功，這個(gè)范圍稱為爆炸焊接的可焊性區(qū)域。

圖1 爆炸焊接過(guò)程示意圖

爆炸焊接工藝參數(shù)分為靜態(tài)參數(shù)和動(dòng)態(tài)參數(shù)。靜態(tài)參數(shù)包括預(yù)制角（α）、裝藥質(zhì)量比（R）、基板和復(fù)板之間間隙（h）；動(dòng)態(tài)參數(shù)包括炸藥爆轟速度（vd）、折彎角（θ）、復(fù)板與基板發(fā)生碰撞速度（vp）、碰撞移動(dòng)速度（vc）、基板與復(fù)板之間的動(dòng)態(tài)折彎角（β）。

目前，爆炸焊接參數(shù)一般根據(jù)母材的材質(zhì)、規(guī)格，炸藥的爆速、密度等，通過(guò)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算獲得。爆炸焊接工藝參數(shù)多，經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式復(fù)雜，計(jì)算過(guò)程邏輯層次易混淆，人工計(jì)算易出錯(cuò)。如果能用計(jì)算機(jī)程序?qū)崿F(xiàn)爆炸焊接參數(shù)的自動(dòng)求解，將有助于爆炸焊接工藝參數(shù)的準(zhǔn)確選擇，提高工藝設(shè)計(jì)效率。

本文根據(jù)爆炸焊接參數(shù)計(jì)算的經(jīng)驗(yàn)公式，利用Visual Basic軟件進(jìn)行編程，開發(fā)適合雙金屬?gòu)?fù)合板爆炸焊接參數(shù)選擇系統(tǒng)，以方便復(fù)合板制造企業(yè)雙金屬?gòu)?fù)合板爆炸焊接參數(shù)選擇。

1 爆炸焊接參數(shù)確定

1.1 爆炸焊接參數(shù)

1.1.1 靜態(tài)參數(shù)

爆炸焊接的靜態(tài)參數(shù)是指炸藥在未引爆前，設(shè)定的工藝參數(shù)，主要包括以下幾個(gè)參數(shù)。

1）預(yù)制角（α）。初始安裝時(shí)基板和復(fù)板之間的夾角，平行安裝工藝下初始預(yù)制角為零。

2）裝藥質(zhì)量比（R）。指復(fù)板單位面積上裝藥量，可用式R=C/M表示，式中C、M分別代表炸藥的質(zhì)量和復(fù)板的質(zhì)量。

3）基板和復(fù)板的間隙（h）。即起爆前基板和復(fù)板之間的間隔距離。

1.1.2 動(dòng)態(tài)參數(shù)

爆炸焊接動(dòng)態(tài)參數(shù)是起爆后，復(fù)板和基板在復(fù)合過(guò)程中，整個(gè)爆炸焊接系統(tǒng)中動(dòng)態(tài)變化的參數(shù)。圖2是爆炸焊接瞬時(shí)過(guò)程示意圖。從運(yùn)動(dòng)學(xué)幾何關(guān)系中可以推導(dǎo)得到vp、vc、vd、θ和β幾個(gè)爆炸焊接動(dòng)態(tài)參數(shù)之間的關(guān)系。由圖2幾何關(guān)系示意圖知，碰撞點(diǎn)移動(dòng)速度vc與vd炸藥爆速存在如下關(guān)系：

在平行安裝爆炸焊接工藝中α=0，則有：

因此：

3個(gè)基本的動(dòng)態(tài)參數(shù)存在式（3）的基本關(guān)系，因此，2個(gè)參數(shù)確定后，另外一個(gè)也就知道，所以一般用3個(gè)參數(shù)中任意兩個(gè)組合均可在平面坐標(biāo)系中構(gòu)建爆炸焊接可焊性區(qū)域。

圖2 爆炸焊接動(dòng)態(tài)參數(shù)幾何關(guān)系

圖3 爆炸焊接窗口

1.2 爆炸焊接參數(shù)極限確定

1.2.1 流動(dòng)限（νc，min）

撞擊點(diǎn)移動(dòng)的速度達(dá)到νc時(shí)，金屬表面開始出現(xiàn)射流，νc是可以使待結(jié)合面產(chǎn)生射流的臨界撞擊點(diǎn)速度。當(dāng)撞擊點(diǎn)移動(dòng)速度νcp小于νc時(shí)，碰撞點(diǎn)壓力小于材料動(dòng)態(tài)屈服極限，則不能產(chǎn)生射流。撞擊點(diǎn)移動(dòng)速度νcp應(yīng)該大于臨界撞擊點(diǎn)移動(dòng)速度[3]。臨界撞擊點(diǎn)移動(dòng)速度νc由以下經(jīng)驗(yàn)公式確定[4]：

式中：Re為雷諾數(shù)，取10.6；H1、H2分別是復(fù)板和基板的維氏硬度；ρ1、ρ2分別是復(fù)板和基板的密度[1]。

1.2.2 聲速限（νc，max）

為了保證射流形成，撞擊點(diǎn)的速度νc還必須限制在材料的體積聲速之內(nèi)。異種材料進(jìn)行爆炸復(fù)合時(shí)，撞擊點(diǎn)的速度νc要小于組合材料中體積聲速較小的值。

1.2.3 下限（νp，min）

使基板和復(fù)板實(shí)現(xiàn)冶金結(jié)合，復(fù)板與基板最小的撞擊速度叫做爆炸焊接的下限，爆炸焊接下限νp，min可由下面經(jīng)驗(yàn)公式求得：

式中：σb是材料的抗拉強(qiáng)度，ρ是材料的密度。

1.2.4 上限（νp，max）

爆炸焊接常被歸為“固相焊”，復(fù)板與基板撞擊速度太大，將導(dǎo)致結(jié)合界面產(chǎn)生熔化，異種金屬爆炸焊接時(shí)，界面熔化可能導(dǎo)致在結(jié)合界處產(chǎn)生脆性金屬間化合物，損害界面結(jié)合強(qiáng)度。為了避免界面出現(xiàn)熔化，復(fù)板和基板最大撞擊速度可用以下經(jīng)驗(yàn)公式確定[5]：

式中：ρf，ρb分別是復(fù)板和基板的密度（kg/m3）；hf，hb分別是復(fù)板和基板的厚度，m；Cpf，Cpb分別是復(fù)板和基板的比熱，J·kg-1·K-1；Cf，Cb分別是復(fù)板和基板的聲速（m/s）；αf，αb分別是復(fù)板和基板的熱擴(kuò)散率，m2/s；VC是碰撞點(diǎn)的移動(dòng)速度，m/s；Tmpmin復(fù)板和基板兩者中熔點(diǎn)較低值，K；tmin反射稀疏波達(dá)到界面的最短時(shí)間為理論常數(shù)，一般取0.039。

當(dāng)以上4個(gè)參數(shù)確定后，就可以根據(jù)vp=2vc·sin繪制爆炸焊接窗口。另外，為了保證射流產(chǎn)生，動(dòng)態(tài)折彎角β應(yīng)該在5°~25°取值[6，7]。

首先計(jì)算得到雙金屬爆炸焊接流動(dòng)限、聲速限、上限、下限，從而確定“理論最優(yōu)”碰撞速度vp和撞擊點(diǎn)移動(dòng)速度vc，最后以撞擊點(diǎn)移動(dòng)速度vc為橫坐標(biāo)，動(dòng)態(tài)撞擊角β為縱坐標(biāo)繪制爆炸焊接可焊性窗口。爆炸焊接窗口確定后，計(jì)算裝藥比、基復(fù)板間隙、炸藥量等爆炸焊接靜態(tài)參數(shù)。

2 爆炸焊接參數(shù)計(jì)算系統(tǒng)開發(fā)

2.1 試驗(yàn)材料

選用幾何尺寸為1 050 mm×650 mm×1 mm TA1鈦板，1 000 mm×600 mm×3 mm Al-1 060鋁板，進(jìn)行鈦/鋁爆炸焊接試驗(yàn)。

2.2 爆炸焊接參數(shù)確定

利用開發(fā)的雙金屬爆炸焊接參數(shù)計(jì)算系統(tǒng)，首先從材料庫(kù)中選擇復(fù)板材料為TA1，基板的材料為Al-1 060，材料性能參數(shù)自動(dòng)讀??；手動(dòng)輸入本次爆炸焊接試板的幾何尺寸；點(diǎn)擊“計(jì)算”按鈕，系統(tǒng)自動(dòng)計(jì)算得到爆炸焊接極限值，如圖4所示；點(diǎn)擊“繪制爆炸焊接窗口”按鈕，彈出圖5所示的爆炸焊接可焊接性窗口。點(diǎn)擊“計(jì)算最佳動(dòng)態(tài)參數(shù)”（如圖6），可以在爆炸焊接窗口范圍內(nèi)計(jì)算得到“理論最優(yōu)參數(shù)”。

圖4 爆炸焊接參數(shù)輸入窗口

圖5 繪制爆炸焊接窗口

3 結(jié)論

本文系統(tǒng)的梳理了爆炸焊接中靜態(tài)參數(shù)、動(dòng)態(tài)參數(shù)之間相互關(guān)系。針對(duì)爆炸焊接工藝參數(shù)多，經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式復(fù)雜，計(jì)算過(guò)程邏輯層次易混淆，人工計(jì)算易出錯(cuò)的困難，利用Visual Basic軟件進(jìn)行編程，開發(fā)適合雙金屬爆炸焊接參數(shù)選擇系統(tǒng)，以方便工業(yè)生產(chǎn)中雙金屬?gòu)?fù)合板爆炸焊接參數(shù)選擇。所開發(fā)的系統(tǒng)主要包含以下功能：

圖6 最佳參數(shù)輸出窗口

1）建立常用金屬材料數(shù)據(jù)庫(kù)，數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)置碳鋼、不銹鋼、鋁、鈦、銅等材料，包含材料的力學(xué)性能、物理性質(zhì)等參數(shù)，數(shù)據(jù)庫(kù)可根據(jù)需要添加材料種類。

2）開發(fā)焊接窗口軟件，實(shí)現(xiàn)不同金屬組合爆炸焊接可焊性窗口的自動(dòng)繪制。

3）在可焊窗口范圍內(nèi)，根據(jù)爆炸焊接母材的規(guī)格，合理選擇炸藥的種類，計(jì)算得到“理論最優(yōu)”靜態(tài)參數(shù)，確定炸藥用量及基、復(fù)板間隙等工藝值。