多层金属板爆炸焊接研究
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240- 600 377- 650 380- 650
闭合速度 vf( vd ) / ( m# s- 1 )
3 200 3 200 3 200
在爆炸焊接加工中, 为保证焊接质量, 层间撞 击速度应在 爆炸焊接下限 附近。而对于 多层焊 接, 如何保障焊接板层间撞击速度较为接近是一 个难题。不失一般性, 以七层同等厚度同等材质 的板爆炸焊接为例, 在炸药爆轰驱动下, 第一块板 获得的速度最大, 当它撞击第二块板后, 根据动量 守恒, 速度必然下降。依此类推, 直到第 6次撞击 发生, 各层板焊接为一体。这一过程中, 板间的第 1次撞击直至第 6次撞击的速度都应该落在材料 的爆炸焊接窗口内; 而且, 第 1次的撞击速度明显 高于第 6次, 这将导致各焊层的质量存在较大差 异, 进而影响焊接品的质量。
图 2 多层爆炸焊接实验装置示意图
将铝板加工成尺寸为 50 cm @16. 5 cm 的矩 形, 焊接前对铝板进行打磨, 并用酒精清洗表面, 使表面平整、无油污。将多层铝板按照所得的焊 接间距叠放, 加工成如图 3所示的整件。将多层 铝板平置于平整的沙台上, 选用岩石硝铵乳化炸 药平行装药, 雷管起爆。
njust. edu. cn。
总第 168期
孙宇新 康宗维 付艳恕 李 强 王晓萍 多层金属板爆炸焊接研 究
597
层异种材料的复合焊接也已有研究, 对于同材质 的金属 焊接 最多 实现了 十层 铝板 的爆炸 焊 接 [ 1- 4] 。但这些研究大多停留在讨论焊接是否成 功, 而没有涉及如何控制层间碰撞速度以得到质 量良好且性能稳定的复合板, 也未对多层焊接界 面之间的性能进行对比。已有研究表明, 多层金 属薄板爆炸复合的难点之一是如何保证各层之间 的相互撞击速度比较稳定, 且接近爆炸焊接下限, 以得到尽可能好的爆炸焊接质量 [ 5] 。
图 4 为爆 炸焊接样 品 09#的显 微镜观 测照 片。由图 4可以清楚地观察到多层板焊接界面规 则的波纹, 并且结合界面均为细微小波状。评定 最佳焊接参数的标准是优质的焊接界面, 焊接界 面结合强度是最主要的因素, 它通常取决于结合 区界面的形态和特征。爆炸焊接界面的结合形态 中均匀细小的波状结合由于缝隙稍小, 空洞较少, 具有较高的结合强度。因此, 图 4的结合波状显 示, 在该爆炸焊接参数条件下多层金属板的焊接 质量良好。
定的稳定性 (碰撞损失的较小速度还会因爆轰产
物继续驱动而得到补偿 )。若 未添加撞击板, 则
可令图
1中
m1 = m2, 得
u v1
=
2, 第一次碰撞后速度
即衰减一半, 而后的碰撞速度以
1 3
u,
1 4
u,
,
等形
式递减, 层间碰撞速度极不稳定, 据此而添加撞
击板。
图 1 碰撞模型图
( 2)改变金属板间距。炸药爆轰形成的高压 气体向自由空间扩散的同时, 驱动与之紧临的金属 板运动, 气体的压力值随时间的延续而减弱, 在多 层金属板爆炸焊接中必须考虑到高压气体压力变 化过程; 另外, 由动量守恒定理也可知碰撞过程中 已焊接部分质量逐渐加大。因此, 只有当加速空间 较大, 不断衰减的爆轰产物压力才可能将质量较大 的复板驱动到预定的速度, 因而多层金属板间的距 离不应该保持相等, 而应随离炸药距离的加大而增 大, 如此利于保持金属板间的碰撞速度一致。
第 33卷 第 5期 2009年 10月
南京理工大学学报 (自然科学版 )
Journa l of Nanjing Un ive rsity of Sc ience and Technology ( Na tura l Sc ience)
Vo.l 33 N o. 5 Oc.t 2009
多层金属板爆炸焊接研究
孙宇新 1, 2, 康宗维 1, 付艳恕 1, 李 强 1, 2, 王晓萍 1
( 1. 南京理工大学 瞬 态物理国家重点实验室, 江苏 南京 210094; 2. 中国电子科技集团公司 第 27所, 河南 郑州 450000)
摘 要: 为了获得焊接后性能稳定的多层金属板, 该文通过调节金属板层间间距和添加撞击板, 对七层和十一层铝板进行了爆炸焊接研究。将层合材料进行切割分析, 由结合界面的显微金相 照片可知块体焊接质量良好; 显微硬度分析表明, 材料结合界面附近区域硬度有所增加且各界 面处硬度波动不大, 证明各层的相互撞击速度基本一致。该文研究结果为控制层间撞击速度, 使其达到基本一致, 且接近焊接下限提供了解决方法。 关键词: 多层金属板; 爆炸焊接; 撞击速度; 焊接下限; 硬度 中图分类号: TG 456. 6 文章编号: 1005- 9830( 2009) 05- 0596- 04
02# 纯铝 3
1
3
无
12
03# 硬铝 3
1
3
无
13
前三层 后三层
06# 纯铝 7 0. 5
1
1
5
35
07# 硬铝 7 0. 5
1
1
5
39
前六层 后四层
09# 纯铝 11 0. 5
1
1
9
55
焊接质量良好; 且经过初步锻压, 未出现焊接界面 开裂等现象。从多层爆炸焊接材料上切取复合板 样品, 经打磨抛光后对其进行特性研究, 包括结合 界面显微观测和硬度分析。
对多种金属组合的可焊窗口已经有了大量实 验研究, 根据文献 [ 4], 硬铝 (纯铝 )爆炸焊接所需 要的碰撞速度 vp 和闭合速度 vf ( vd )列于表 1。
表 1 金属铝的碰撞速度和闭合速度
材质
纯铝 - 纯铝 LY - 12 铝 - LY- 12 铝
纯铝 - LY - 12铝
碰撞速度 vp / (m# s- 1 )
为了获得较高的焊接质量, 各层的撞击速度
应该近似一致并接近爆炸焊接下限。根据动量守
恒定律可以得到如下思路:
( 1)添加撞击板。在第一层金属板上附加一
块撞击板, 该板具备较大的面密度, 设计原理如
图 1所示, 令撞击板质量为 m1, 待焊接板 材单位
面积质量为 m2, 由动量守恒定理可知:
m1 u = m1 v1 + m2 v2
爆炸层合装甲具有显著的层间效应, 相对于 均质材料, 它在军事上具有更高的防护性能; 同时 爆炸焊接材料对裂纹的扩展有更好的抑制作用,
民用用途广泛。 爆炸焊接的发展趋势之一是多层金属爆炸复
合焊接。目前三层板的焊接研究较多, 七层至九
收稿日期: 2007- 03- 06 修回日期: 2009- 05- 11 基金项目: 国防基础科研项目; 高等学校博士学科点专项科研基金 ( 20070288070) ; / 十一 五 0兵器预研支撑基金 作者简介: 孙宇新 ( 1970- ), 男, 博士, 副 教授, 主 要研 究方 向: 穿甲、爆 炸 效应 及其 应 用, E2m a i:l yxsun@ ma i.l
作为研制多层 爆炸焊接防护 材料的技 术验 证, 本文采用撞击板和层间非一致间隙方法研究 了多层金属板的爆炸焊接, 成功地进行了七层和 十一层 1 mm 厚铝板的一次爆炸复合, 解决了多 层金属板爆炸焊接难题。
1 爆炸焊接参数
进行金属爆炸焊接时, 必须控制和调节焊接 参数使之落入爆炸焊接参数窗口内。对于多层金 属的爆炸焊接, 则是控制每两层金属焊接参数均 落入爆炸焊接参数窗口内。可以调节的参数有基 复板间的碰撞速度 vp、碰撞角 B、碰撞闭合速度 vf (在平行焊接中等于爆速 vd ) [ 5 ] 。
( 1)
式中 u 为合成板速度。另外, 碰撞过程中恢复系
数 e满足关系式:
e=
v2
u
v1
( 2)
在碰撞后块体呈粘合状态, 恢复系数 e= 0, 即式
(
2)中
v2 =
v1。可
得
u v1
=
1
+
m m
2,
1
当
m1
/m 2
比值接
近于 1, 碰撞前后速度变化不大, 且随着碰撞的不
断进行, 速度变化逐渐减小, 层间碰撞速度具有一
Abstr act: In order to obta in the multilayer metal plates w ith stable property after welding, the spaces be tween two meta l p lates are regu lated, an impact p late is added, and the exp losive welding experimen t on the seven2layer and eleven2layer alum inum plates are done. The mu lt ilayer plates are cut and analyzed. The metallographs of the bonding interfaces show tha t the bonding wave is sm all and good. The m icro2hardness ana lysis indicates that the hardness near the interface is higher and each welding interface is approximate, conclud ing that the impact ve loc ity of each layer is sim ilar. The resu lts provide a solu tion to the problems of how to control the impact ve loc ity and how tom ake the impact velocity for each layer approximately equal and close to the inferior lim it in the exp losive we ld ing ofmu ltilayer metal p lates. K ey w ord s: multilayer meta l p lates; exp losive welding; impact velocity; inferior lim i;t hardness
2 实验研究
本文采用改变板间距和增加撞击板厚度的方 法, 进行三层、七层、十一层纯铝及硬铝的爆炸焊 接实验。实验所用爆炸焊接参数见表 2, 实验装 置如图 2所示。
表 2 爆炸焊接参数
焊接
母板厚 飞板 (纯铝 ) 单位面积
材料 层数
板间距 /mm
度 /mm 厚度 /mm 药量 /( kg#m- 2 )
本文实验选取如表 2所示的爆炸焊接参数, 在炸药驱动下各板依次相互撞击, 其撞击速度在 270~ 580 m / s之间。这 些爆炸焊接参数 可使多 层板的撞击速度满足爆炸焊接窗口, 获得多层爆
59 8
南京理工大学 学报 (自然科学版 )
第 33卷第 5期
炸焊接 复合材 料 (其中 炸药为 岩石硝 铵乳 化炸 药, 爆速 3 200 m / s, 密度 1. 05 g/ cm3 )。
图 3 爆炸焊接装置图
爆炸焊接结束, 从多层焊接材料的外观观察
图 4 焊接截面的显微观测
切取爆炸层合材料进行剖面维氏硬度 (H v ) 分析, 得到剖面维氏硬度分布曲线如图 5、6所示。 从图 5、6曲线可以看出, 材料的硬度沿剖面规则 分布, 靠近焊接界面处硬度相对较高。这是由于 爆炸焊接过程中, 在巨大的爆炸载荷作用下, 金属 结合界面和内部发生了不同形式和不同程度的塑 性变形和组织 变化, 导致 硬度增加 [ 6, 7 ] 。界面处 硬度增加最多, 随着距离界面渐远, 金属的硬度逐 渐降低。同时可以看到, 各个焊接界面处硬度的 增加量虽然有差异, 但是相差不大, 总体上可以说 各层由撞击产生的硬化规律分布相似。由于硬度 的增加与界面受到的冲击作用力有关, 即与界面 之间的碰撞速度有关, 可见, 在本文爆炸焊接中, 板间的碰撞速度相差不大。
Exp losiveW elding ofM u lБайду номын сангаасilayer M etal P la tes
SUN Yu2xin1, 2, KANG Zong2wei1, FU Yan2shu1, LI Q iang1, 2, WANG X iao2ping1
( 1. National Key Laboratory of Transient Physics, NUST, Nan jing 210094, China; 2. The 27th Research Institute, Ch ina E lectronics Technology Group Corporation, Zhengzhou 210094, Ch ina)
闭合速度 vf( vd ) / ( m# s- 1 )
3 200 3 200 3 200
在爆炸焊接加工中, 为保证焊接质量, 层间撞 击速度应在 爆炸焊接下限 附近。而对于 多层焊 接, 如何保障焊接板层间撞击速度较为接近是一 个难题。不失一般性, 以七层同等厚度同等材质 的板爆炸焊接为例, 在炸药爆轰驱动下, 第一块板 获得的速度最大, 当它撞击第二块板后, 根据动量 守恒, 速度必然下降。依此类推, 直到第 6次撞击 发生, 各层板焊接为一体。这一过程中, 板间的第 1次撞击直至第 6次撞击的速度都应该落在材料 的爆炸焊接窗口内; 而且, 第 1次的撞击速度明显 高于第 6次, 这将导致各焊层的质量存在较大差 异, 进而影响焊接品的质量。
图 2 多层爆炸焊接实验装置示意图
将铝板加工成尺寸为 50 cm @16. 5 cm 的矩 形, 焊接前对铝板进行打磨, 并用酒精清洗表面, 使表面平整、无油污。将多层铝板按照所得的焊 接间距叠放, 加工成如图 3所示的整件。将多层 铝板平置于平整的沙台上, 选用岩石硝铵乳化炸 药平行装药, 雷管起爆。
njust. edu. cn。
总第 168期
孙宇新 康宗维 付艳恕 李 强 王晓萍 多层金属板爆炸焊接研 究
597
层异种材料的复合焊接也已有研究, 对于同材质 的金属 焊接 最多 实现了 十层 铝板 的爆炸 焊 接 [ 1- 4] 。但这些研究大多停留在讨论焊接是否成 功, 而没有涉及如何控制层间碰撞速度以得到质 量良好且性能稳定的复合板, 也未对多层焊接界 面之间的性能进行对比。已有研究表明, 多层金 属薄板爆炸复合的难点之一是如何保证各层之间 的相互撞击速度比较稳定, 且接近爆炸焊接下限, 以得到尽可能好的爆炸焊接质量 [ 5] 。
图 4 为爆 炸焊接样 品 09#的显 微镜观 测照 片。由图 4可以清楚地观察到多层板焊接界面规 则的波纹, 并且结合界面均为细微小波状。评定 最佳焊接参数的标准是优质的焊接界面, 焊接界 面结合强度是最主要的因素, 它通常取决于结合 区界面的形态和特征。爆炸焊接界面的结合形态 中均匀细小的波状结合由于缝隙稍小, 空洞较少, 具有较高的结合强度。因此, 图 4的结合波状显 示, 在该爆炸焊接参数条件下多层金属板的焊接 质量良好。
定的稳定性 (碰撞损失的较小速度还会因爆轰产
物继续驱动而得到补偿 )。若 未添加撞击板, 则
可令图
1中
m1 = m2, 得
u v1
=
2, 第一次碰撞后速度
即衰减一半, 而后的碰撞速度以
1 3
u,
1 4
u,
,
等形
式递减, 层间碰撞速度极不稳定, 据此而添加撞
击板。
图 1 碰撞模型图
( 2)改变金属板间距。炸药爆轰形成的高压 气体向自由空间扩散的同时, 驱动与之紧临的金属 板运动, 气体的压力值随时间的延续而减弱, 在多 层金属板爆炸焊接中必须考虑到高压气体压力变 化过程; 另外, 由动量守恒定理也可知碰撞过程中 已焊接部分质量逐渐加大。因此, 只有当加速空间 较大, 不断衰减的爆轰产物压力才可能将质量较大 的复板驱动到预定的速度, 因而多层金属板间的距 离不应该保持相等, 而应随离炸药距离的加大而增 大, 如此利于保持金属板间的碰撞速度一致。
第 33卷 第 5期 2009年 10月
南京理工大学学报 (自然科学版 )
Journa l of Nanjing Un ive rsity of Sc ience and Technology ( Na tura l Sc ience)
Vo.l 33 N o. 5 Oc.t 2009
多层金属板爆炸焊接研究
孙宇新 1, 2, 康宗维 1, 付艳恕 1, 李 强 1, 2, 王晓萍 1
( 1. 南京理工大学 瞬 态物理国家重点实验室, 江苏 南京 210094; 2. 中国电子科技集团公司 第 27所, 河南 郑州 450000)
摘 要: 为了获得焊接后性能稳定的多层金属板, 该文通过调节金属板层间间距和添加撞击板, 对七层和十一层铝板进行了爆炸焊接研究。将层合材料进行切割分析, 由结合界面的显微金相 照片可知块体焊接质量良好; 显微硬度分析表明, 材料结合界面附近区域硬度有所增加且各界 面处硬度波动不大, 证明各层的相互撞击速度基本一致。该文研究结果为控制层间撞击速度, 使其达到基本一致, 且接近焊接下限提供了解决方法。 关键词: 多层金属板; 爆炸焊接; 撞击速度; 焊接下限; 硬度 中图分类号: TG 456. 6 文章编号: 1005- 9830( 2009) 05- 0596- 04
02# 纯铝 3
1
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无
12
03# 硬铝 3
1
3
无
13
前三层 后三层
06# 纯铝 7 0. 5
1
1
5
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07# 硬铝 7 0. 5
1
1
5
39
前六层 后四层
09# 纯铝 11 0. 5
1
1
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焊接质量良好; 且经过初步锻压, 未出现焊接界面 开裂等现象。从多层爆炸焊接材料上切取复合板 样品, 经打磨抛光后对其进行特性研究, 包括结合 界面显微观测和硬度分析。
对多种金属组合的可焊窗口已经有了大量实 验研究, 根据文献 [ 4], 硬铝 (纯铝 )爆炸焊接所需 要的碰撞速度 vp 和闭合速度 vf ( vd )列于表 1。
表 1 金属铝的碰撞速度和闭合速度
材质
纯铝 - 纯铝 LY - 12 铝 - LY- 12 铝
纯铝 - LY - 12铝
碰撞速度 vp / (m# s- 1 )
为了获得较高的焊接质量, 各层的撞击速度
应该近似一致并接近爆炸焊接下限。根据动量守
恒定律可以得到如下思路:
( 1)添加撞击板。在第一层金属板上附加一
块撞击板, 该板具备较大的面密度, 设计原理如
图 1所示, 令撞击板质量为 m1, 待焊接板 材单位
面积质量为 m2, 由动量守恒定理可知:
m1 u = m1 v1 + m2 v2
爆炸层合装甲具有显著的层间效应, 相对于 均质材料, 它在军事上具有更高的防护性能; 同时 爆炸焊接材料对裂纹的扩展有更好的抑制作用,
民用用途广泛。 爆炸焊接的发展趋势之一是多层金属爆炸复
合焊接。目前三层板的焊接研究较多, 七层至九
收稿日期: 2007- 03- 06 修回日期: 2009- 05- 11 基金项目: 国防基础科研项目; 高等学校博士学科点专项科研基金 ( 20070288070) ; / 十一 五 0兵器预研支撑基金 作者简介: 孙宇新 ( 1970- ), 男, 博士, 副 教授, 主 要研 究方 向: 穿甲、爆 炸 效应 及其 应 用, E2m a i:l yxsun@ ma i.l
作为研制多层 爆炸焊接防护 材料的技 术验 证, 本文采用撞击板和层间非一致间隙方法研究 了多层金属板的爆炸焊接, 成功地进行了七层和 十一层 1 mm 厚铝板的一次爆炸复合, 解决了多 层金属板爆炸焊接难题。
1 爆炸焊接参数
进行金属爆炸焊接时, 必须控制和调节焊接 参数使之落入爆炸焊接参数窗口内。对于多层金 属的爆炸焊接, 则是控制每两层金属焊接参数均 落入爆炸焊接参数窗口内。可以调节的参数有基 复板间的碰撞速度 vp、碰撞角 B、碰撞闭合速度 vf (在平行焊接中等于爆速 vd ) [ 5 ] 。
( 1)
式中 u 为合成板速度。另外, 碰撞过程中恢复系
数 e满足关系式:
e=
v2
u
v1
( 2)
在碰撞后块体呈粘合状态, 恢复系数 e= 0, 即式
(
2)中
v2 =
v1。可
得
u v1
=
1
+
m m
2,
1
当
m1
/m 2
比值接
近于 1, 碰撞前后速度变化不大, 且随着碰撞的不
断进行, 速度变化逐渐减小, 层间碰撞速度具有一
Abstr act: In order to obta in the multilayer metal plates w ith stable property after welding, the spaces be tween two meta l p lates are regu lated, an impact p late is added, and the exp losive welding experimen t on the seven2layer and eleven2layer alum inum plates are done. The mu lt ilayer plates are cut and analyzed. The metallographs of the bonding interfaces show tha t the bonding wave is sm all and good. The m icro2hardness ana lysis indicates that the hardness near the interface is higher and each welding interface is approximate, conclud ing that the impact ve loc ity of each layer is sim ilar. The resu lts provide a solu tion to the problems of how to control the impact ve loc ity and how tom ake the impact velocity for each layer approximately equal and close to the inferior lim it in the exp losive we ld ing ofmu ltilayer metal p lates. K ey w ord s: multilayer meta l p lates; exp losive welding; impact velocity; inferior lim i;t hardness
2 实验研究
本文采用改变板间距和增加撞击板厚度的方 法, 进行三层、七层、十一层纯铝及硬铝的爆炸焊 接实验。实验所用爆炸焊接参数见表 2, 实验装 置如图 2所示。
表 2 爆炸焊接参数
焊接
母板厚 飞板 (纯铝 ) 单位面积
材料 层数
板间距 /mm
度 /mm 厚度 /mm 药量 /( kg#m- 2 )
本文实验选取如表 2所示的爆炸焊接参数, 在炸药驱动下各板依次相互撞击, 其撞击速度在 270~ 580 m / s之间。这 些爆炸焊接参数 可使多 层板的撞击速度满足爆炸焊接窗口, 获得多层爆
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南京理工大学 学报 (自然科学版 )
第 33卷第 5期
炸焊接 复合材 料 (其中 炸药为 岩石硝 铵乳 化炸 药, 爆速 3 200 m / s, 密度 1. 05 g/ cm3 )。
图 3 爆炸焊接装置图
爆炸焊接结束, 从多层焊接材料的外观观察
图 4 焊接截面的显微观测
切取爆炸层合材料进行剖面维氏硬度 (H v ) 分析, 得到剖面维氏硬度分布曲线如图 5、6所示。 从图 5、6曲线可以看出, 材料的硬度沿剖面规则 分布, 靠近焊接界面处硬度相对较高。这是由于 爆炸焊接过程中, 在巨大的爆炸载荷作用下, 金属 结合界面和内部发生了不同形式和不同程度的塑 性变形和组织 变化, 导致 硬度增加 [ 6, 7 ] 。界面处 硬度增加最多, 随着距离界面渐远, 金属的硬度逐 渐降低。同时可以看到, 各个焊接界面处硬度的 增加量虽然有差异, 但是相差不大, 总体上可以说 各层由撞击产生的硬化规律分布相似。由于硬度 的增加与界面受到的冲击作用力有关, 即与界面 之间的碰撞速度有关, 可见, 在本文爆炸焊接中, 板间的碰撞速度相差不大。
Exp losiveW elding ofM u lБайду номын сангаасilayer M etal P la tes
SUN Yu2xin1, 2, KANG Zong2wei1, FU Yan2shu1, LI Q iang1, 2, WANG X iao2ping1
( 1. National Key Laboratory of Transient Physics, NUST, Nan jing 210094, China; 2. The 27th Research Institute, Ch ina E lectronics Technology Group Corporation, Zhengzhou 210094, Ch ina)