爆炸焊接PPT

分别计算出两种金属的最小可焊压力Pmin1 ,Pmin2：公式（5）和（6）
分别求出两种金属的碰撞速度：公式（7）
计算双金属的可焊最小碰撞速度：公式（8）
计算双金属爆炸焊接下限：公式（9）
图2 爆炸焊接下限计算流程
Hv——材料维氏硬度； K——常数，取0.6~1.2； D——炸药爆速； C0——材料声速。
4 钛/钢金属复合材料爆炸焊接实验
图8 装药结构简图
表3 炸药性能测试报表
密度 g/cm3
靶距mm
爆速
时间 μs
爆速 m/s
爆前铅柱mm
猛度 爆后铅柱mm
猛度mm
1
0.78
50
20.8
2604
60.1
49.0
11.1
2
0.76
50
20.2
2875
60.0
49.0
11.0
3
0.75
50
20.5
2739
查新结论:
① 关于钛/钢复合板爆炸焊接复合率的研究，国内已见文献报道，其中宝鸡有色金属加工 厂开发的“0”类钛-钢复合板面积结合率达100％, 但未给出爆炸复合率指标；解放军 理工大学的研发人员采用发明的爆炸焊接新技术生产的金属复合板，爆炸焊合率达 100% 。该查新项目实现了钛/钢板材的一次性爆炸复合，复合率达99.5%以上，该 指标与国内同类最新技术水平相当。
（16）
（17）
小参数摄动法得无量纲压力的解
表2
（18）
飞板运动方程： 根据飞板速度同爆轰速度关系
在y方向上 由动量方程，在y方向上
作用于平板的瞬时压力
（19）
（20） （21） （22）
根据上下边界方程
（23） （24）
（25）
格尼公式只给出了飞板的最终速度，而式(25)不仅可反映飞板的最终值， 更可反映飞板加速过程中各种参量的变化及相互关系，联立（20）式 可同时求得撞击速度.
在研发队伍上，南京宝泰特种材料有限公司与南京理工大学建立了卓有 成效产学研关系，已成立了江苏省稀贵金属爆炸复合工程中心。
2.行业应用及经济效益
实现销售收入7210万元。
3.应用前景分析
金属复合材料被列入国家发改委、科技部、商务部联合发布的《当前优先发展的高新 技术产业化重点领域指南（2007年）》目录中，也被收录在目前江苏省优先发展的高新 技术产品参考目录中，属于国家大力发展的新材料范畴。钛、锆等稀有金属的爆炸焊接 复合材料作为理想的结构材料、耐蚀材料具有独特的优异性能，已越来越多的被国防工 程和各工业部门所应用。加快上述材料的研究开发及实用化、规模化推广应用，对于节 约宝贵的资源、节约外汇，提高国力、促进航天航空、石油化工、电力电子、轻纺医疗、 湿法冶金、海洋工程、环境保护产业发展和工程材料更新将起到积极地推动作用；对于 替代材料进口，节约外汇也将发挥积极的作用，社会效益十分显著。外爆场地安置在人 烟稀少的皖南山区中，四周数百米高山环抱，方圆20公里内没有住家，不造成环境的污 染。 从我省来看，石化行业已经成为我省的支柱产业之一，石化设备制造业对复合材料的 需求日益增加。大部分的复合材料目前仍然依赖进口，而我公司爆炸焊接稀有金属复合 材料的试制成功和产业化的实现，将大大降低我省石化设备的制造成本，提高设备的国 产化率。我省拥有中石化南京化工公司化工机械厂、南京宝色钛业公司、张家港化机厂、 南通中集集团、无锡石油化工装备总厂、航天晨光集团等一批国内一流的特种金属化工 机械设备制造厂家。通过本项目的实施，我公司将与这些设备制造厂家一起，形成我省 特种复合材料――特种化工设备的完整产业链，并且带动江苏省内乃至长江三角洲地区 的化工设备制造业。
预计达产投资(万元) 预计达产利税(万元)
净利润 764
实交税金
出口创汇
314
125
1000-5000 1000
节约资金 114
公司拥有自主知识产权，扩大现有的生产能力达到年产大面积稀有金属复 合材料3000吨的生产能力，增加约65人的就业，社会效益十分显著。 为实现大型装备国产化的材料国产化，最终建立华东地区最大的金属复合 材料研发中心和生产基地奠定了良好的基础。
➢ 从理论上分析计算了爆炸焊接起爆区炸药不定常爆轰的形成过程，并在此基础上分 析了爆炸焊接边界效应产生的原因，并结合试验确定了炸药爆轰不稳定性和不定常 段对爆炸焊接的影响；
➢ 采用爆炸复合方法成功制备了双层钛钢复合板，一次性爆炸焊接复合率（达99.5%以 上）数据指标处于与国内同类产品领先水平 ；一次性爆炸复合面积（最大可达24平 方米）指标高于国内有关最新产品；复合率和复合面积综合技术指标高于国内相关 技术和产品。
③ 以上数据指标对比表明，该查新项目钛钢复合板的爆炸焊接复合率（达99.5%以上） 数据指标与国内同类最新技术水平相当；一次性爆炸复合面积（最大可达24m2）指标 高于国内有关最新产品；复合率和复合面积综合技术指标高于国内相关技术和产品。
四、后续发展及应用情况
1.自行转化及效益
自行转化效益 (万元)
授权6项，受理3项
超额 完成
三、主要创新点
➢ 编制了双层钛钢爆炸焊接窗口计算系统，确定了大面积双层钛/钢爆炸焊接碰撞速度、 炸药爆速、装药量和板间距等关键参数，并通过实验验证了其有效性，使该产品爆 炸焊接参数达到了成熟和稳定；
➢ 首次采用laval喷管模型建立了爆炸焊接装药量和板间距的计算方法，该方法不仅可 反映飞板的最终值，更可反映飞板加速过程中各种参量的变化及相互关系；
动态碰撞角
图3 爆炸焊接参数
2.1最小飞板速度
等效正碰撞激波模型
（10）
247m/s 284m/s
钛质飞板厚度5mm
最小能量模型
（11）
Vsf——飞板体波波速； Pmin——实现焊接所需的最小冲击压力； tf ——飞板厚度； E——实现焊接单位面积所需最小能量。
2.2 炸药爆速
（12）
（13）
Re——适用于流动过程的雷诺数，取10.6；
二、研究内容及指标完成情况
1.爆炸焊接窗口的确定
针对双层钛钢的爆炸复合，借助于爆炸焊接理论上限、下限、声 速限、流动限的计算方法确定了其爆炸焊接窗口并基于C++语言编写 了爆炸焊接窗口计算程序。
图1 平行法爆炸焊接示意图
流动限： 声速限：
上限：
Kv——常数，取10~12； σbmax ——基复板两种材料强度的最大值； Ρmin——基复板两种材料密度的最小值。 C0min——为基复板两种材料声速的最小值
50
20.4
2615
60.1
49.2
10.8
10
0.78
50
20.5
2718
60.1
49.1
11.0
实验编号 1# 2# 3#
板型
基板 复板 基板 复板 基板 复板
表4 试验用爆炸焊接参数表
长(m)
5750 5800 5750 5800 5750 5800
宽(m)
3700 3750 3700 3750 3700 3750
厚(cm)
36 5 36 5 36 5
药厚(cm) 爆速(m/s)
板间距 （cm）
2.5
2600
8
2.5
2600
10
2.5
2600
12
图9 装药完毕的复合板
图10 成品复合板
5.热处理对爆炸焊接复合板性能的影响
图11 热处理温度对剪切强度的影响
图12 爆炸复合板不同工艺下退火后结合区的显微硬度分布曲线
3.爆炸焊接起爆区不定常现象分析
采用简化理论分析对炸药定常爆轰的形成过程进行分析，确定了上 述因素对炸药爆轰不稳定性和不定常段的影响。
起爆端效应的工程计算
图5 二维爆轰流场示意图
流场的压力表达式
（26） （27）
图6 飞板弯曲示意图
（28）
图7 碰撞角角与爆轰距离关系曲线
在距起爆端5倍装药厚度范围内，碰撞角增加较快，5～10倍装药 厚度区间增加趋缓，10倍装药厚度以后逐步趋于稳定状态。
20钢 7850 245 410 1010 1809 481 42 4595 2.21×10-5 0.454
Q235 7850 235 375~500 1166 1400 480 48 4600 2.21×10-5 0.454
图2 爆炸焊接窗口计算程序
2.爆炸焊接参数的确定
最小飞板 速度
炸药爆速
60.0
49.2
10.8
4
0.79
50
20.7
2815
60.0
49.1
10.9
5
0.78
50
20.6
2614
60.1
49.1
11.0
6
0.76
50
20.5
2765
60.1
49.2
10.9
7
0.77
50
20.5
2645
60.0
49.0
1
60.0
49.1
10.9
9
0.77
（1） （2）
（3）
ρ,Cp,α,h,C0——分别是密度、比热、热扩速率、厚度、声 速；
N——上限理论系数，一般取0.039； Tmpmin——双金属的最低熔点温度； tmin——反射拉伸波到达焊接界面的最短时间； tmin =min(2h1/C01, 2h2/C02)。
下限：
计算产生射流的最小碰撞速度Vpmin1,Vpmin2：公式（4）
稀有金属爆炸焊接复合材料 －钛/钢复合板
验收与鉴定汇报
项目编号：200704019 承研单位：南京宝泰特种材料有限公司
南京理工大学
2009年12月27日
目录
一．研究目的 二．研究内容及指标完成情况 三．主要创新点 四．后续发展及应用情况 五．知识产权情况 六．建议
一、研究目的
针对电力、石化等行业对爆炸复合材料的需求，在研 究大面积钛钢复合板的爆炸焊接窗口和爆炸焊接参数、边 界效应的消除等的基础上实现大面积(20平方米 )、高复 合率(大于98％ )的钛钢复合材料的爆炸焊接，使产品质 量稳定并顺利实现产业化。
（4） （5） （6）
（7）
（8） （9）
物理量 密度ρ 屈服强度σs 抗拉强度σb 维氏硬度Hv 熔点Tm 比热cp 导热系数k 声速C 热扩散率 可焊压力常数λ
表1 钛钢金属性能
单位 kg/m3 MPa MPa MPa K J/(kg.K) J/(m.s.K) m/s m2/s 无量纲
TA2 4510 140 220 1600 1943 519 17.2 4695 7.353×10-6 1.146
6.钛/钢爆炸焊接复合材料性能
图13 爆炸焊接界面波形状态
7.研究指标完成情况
考核指标
主要技术指 标：
主要经济、 社会效益指
标： 项目实验中 形成的示范 基地、中试 线、生线及 其规模等： 专利申请及 授权情况：
主要考核指标
1．实现钛/钢双层复合板双层爆炸参 数的确定及爆炸焊接窗口计算 软件，实现最大面积20平方米 的一次爆炸成形，达到国际先 进、国内领先水平。
② 涉及钛/钢复合板爆炸焊接复合面积数据指标的文献信息报道，主要有：钢铁研究总院 研究出一种爆炸焊接复合技术，采用该技术可实现单张复合板最大面积为21m2；刘润 生等通过研究试验确定了单张面积为21m2钛/钢复合板爆炸复合工艺参数；韩丽青等 综述了爆炸复合工艺及金属爆炸复合产品的研究进展，提及钛/钢等金属的单张复合板 的面积已达2O多平方米，但未给出具体数据。国内生产大面积钛/钢复合板的厂家，如 葫芦岛金属复合材料有限公司、宝鸡宝冶钛镍制造有限责任公司、宝鸡巨隆金属复合 材料有限公司和宝钛集团-金属复合板公司在其网站上公布其产品的标准最大规格均为 18平方米，超过标准规格的产品最大面积未明确给出。国内公开发表的中文文献及相 关网站未见高于该查新项目的钛钢复合板一次性爆炸复合面积最大可达24m2数据指标 报道。
2.解决起始不焊、边界不焊、尾端不 焊的技术难题，复合率大于98 ％。
3.在国内外核心期刊发表论文3篇。 实现销售收入7000万元，净利润750 万元，缴税额284万元，创汇或节汇 200USD，新增就业人数40人。 未作要求
未作要求
任务完成情况
自我 评价
1) 确定了钛/钢复合板双层爆炸参数，产品质量稳定；实现钛 完成 /钢双层复合板最大面积20平方米的一次爆炸成形，提供给 哈尔滨汽轮机厂钛钢复合板尺寸为5/36×4000×6000，达 到国际先进、国内领先水平；
2) 解决了起始不焊、边界不焊、尾端不焊的技术难题，复合 率大于99.5％；
3) 在国内外核心期刊发表科技论文6篇。
实现销售收入7210万元，净利润764万元，缴税额314万元，创 汇或节汇239万USD，新增就业人数42人。
完成
在安徽泾县建成2000平方米的华东地区最大的野外爆破场地， 超额 同时建成占地20000平方米，年产10000吨钛钢复合板的生产线。 完成
ρ ——材料密度；
h ——为维氏硬度(HV)； 下标f 、j 分别代表飞板和基板。
2.3 装药量与板间距的确定 图4 炸药爆轰驱动飞板示意图
设气体产物满足多方等熵方程
（14）
A，C，q分别是截面积、声速与流速，下标*代表喷管喉部参数
由伯努利定理又可得到
（15）
根据等熵条件 联立（14）-（16）式可得