一种具有特殊质量要求的双金属复合板的爆炸焊接方法

摘要

本发明公开了一种具有特殊质量要求的双金属复合板的爆炸焊接方法，包括：坯料预处理，装药和爆炸焊接；装药为在覆板和延展板上装“盆地”形装药体，装药体上下表面与覆板和延展板平行，装药量由公式计算获得；采用该方法焊接的复合板焊合率达到100%，焊合面结合强度符合双金属固相冶金结合的强度规律，其结合界面为质量优良的微细波状，满足了热核聚变发电试验堆关键设备对该复合板的质量要求。

说明书

技术领域

本发明属于爆炸焊接技术领域，具体涉及一种具有特殊质量要求的双金属（316L不锈钢、CuCrZr合金）复合板的爆炸焊接方法。

背景技术

热核聚变发电试验堆需要一种具有特殊质量要求的双金属复合板，要求该复合板由316L不锈钢板与一种进口高纯度CuCrZr合金板焊接复合而成，且316L不锈钢板与CuCrZr合金板的厚度比小于0.5。采用传统电焊、摩擦焊等焊接方法，存在设备复杂、成本高、焊合强度低、结合界面易出现微观缺陷等问题。该复合板的爆炸焊接工艺在国内外尚未见报导。

发明内容

发明目的：针对现有技术中存在的不足，本发明的目的是提供一种具有特殊质量要求的双金属复合板的爆炸焊接方法，确保复合板的焊合率为100%，焊合面结合强度符合双金属固相冶金结合的强度规律，结合界面为微细波状，界面杂质含量不得高于原材料的相应杂质含量。

技术方案：为了实现上述发明目的，本发明采用的技术方案为：

一种具有特殊质量要求的双金属复合板的爆炸焊接方法，包括以下步骤：

（1）坯料预处理：通过校平、打磨、抛光和清洗处理，控制坯料板的不平度小于2mm/m，去除坯料板表面的锈蚀和氧化物，使坯料板待结合表面的粗糙度Ra小于0.05mm；

（2）装药：将基板、覆板平行放置，在覆板四周边设置延展板，在覆板和延展板上装“盆地”形装药体，装药体上下表面与覆板和延展板平行，覆板正上方所布炸药为主装药，延展板上方所布炸药为辅装药，辅装药厚度大于主装药厚度，辅装药内沿与主装药外沿通过适当角度的斜坡相连接，该角度为辅装药内沿倾斜角；

其中，装药量由以下公式计算确定：

                                  （1）

                           （2）

                             （3）

式中为实现优质焊接的基板、覆板的最小碰撞速度，K、K₁为常数，为覆板材料的表面维氏硬度，为覆板材料的密度，为单位面积上的炸药量与单位面积的覆板质量之比，为炸药爆速，为装药厚度，为炸药的密度，为覆板厚度；K的取值应为1.2～1.6之间，K的取值越大；K₁的取值则为4.2～4.5；

确定主装药厚度h₁和辅装药h₂：h₁ = (6.7～7.5)，h₂ = 1.2h₁，式中，为覆板厚度；

基板、覆板间隙D确定：D = 0.2h₁；

延展板尺寸确定：

宽度方向延展板尺寸：长：等于覆板长度，宽：等于h₁；

起爆端延展板尺寸：长：100mm，宽：等于覆板宽度+2h₁；

末端延展板尺寸：长：50mm，宽：等于覆板宽度+2h₁；

延展板厚度：（1/2～1）；

（3）起爆，焊接，即可。

步骤（1）中，抛光和清洗在实施焊接前15min内进行，在实施焊接前的5min内，需再次清洗。

所述的特殊质量要求包括：焊合率达到100%；结合界面为微细波状；焊接完成后的复合板剪切强度不低于290Mpa。

所述的清洗剂为普通医用酒精。

步骤（2）中，炸药选用不含TNT的粉状乳化炸药，采用碳酸钙作为减速剂，配制爆速为2400~2600m/s的混合炸药，密度为1.0g/cm³。

本发明将装药模型设计为“盆地”形，这样可以消除起爆端非稳定爆轰对复合起始端部焊合质量的不利影响；消除爆轰边界效应对复合板四周边部位焊合质量的不利影响；消除主装药与辅装药之间爆轰波传播的不连续性。

以往装药量计算公式，一般是基于硝铵类炸药由试验获得的经验公式。本发明对现阶段爆炸焊接广泛使用的乳化炸药，针对该双金属复合板爆炸焊接的特殊要求，通过试验获得了如下装药量计算公式：

                                  （1）

                           （2）

                             （3）

式中为实现优质焊接的基、覆板的最小碰撞速度，K、K₁为常数，为覆板材料的表面维氏硬度，为覆板材料的密度，为单位面积上的炸药量与单位面积的覆板质量之比，为炸药爆速，为装药厚度，为炸药的密度，为覆板厚度。上述公式与以往的装药量计算公式在形式上是相同的，但常数K、K₁的取值范围发生了较大的变化：以往K的取值在0.6～1.2，而且和金属待结合面的粗糙度相关，当金属待结合面预处理很好时，可取下限0.6。但在本发明的公式中，K的取值应为1.2～1.6之间，且跟金属材料的抗弯强度相关，材料的抗弯强度越大，K的取值越大。以往K₁的取值为4.1，而在发明中，K₁的取值则为4.2～4.5。这是因为：316L维氏硬度约为普通碳钢的0.5倍，但是其密度和抗弯强度却与普通碳钢相近，采用公式（1）计算时，K值比普碳钢爆炸焊接时的取值要适当増大；乳化炸药和硝铵类炸药具有不同的性能，导致K₁取值范围的较大变化；本发明涉及的爆炸复合材料不是钢与钢，而K和K₁的取值不仅取决于作为覆板的316L的材料性能，也受到作为基板CuCrZr合金的材料性能影响。

将= 94，ρ_f = 7.89g/cm³，=2400～2600m/s等参数，代入公式（1）、（2）、（3），计算确定= 416m/s～555m/s，主装药单位面积装药质量与覆板质量比值= 0.86～0.97，再根据覆板（316L不锈钢）材料密度7.89g/cm³和乳化炸药密度1.0 g/cm³，确定主装药厚度h₁和辅装药h₂的计算公式：h₁ = (6.7～7.5)，h₂ = 1.2h₁；式中，为覆板厚度。

本发明在已确定的最佳装药厚度的基础上，利用两板间隙经验计算公式D ≈ 0.2(h₁+)，其中，h₁为主装药厚度，为覆板厚度，由于一般远小于h₁，因此忽略，在主装药厚度h₁确定的情况下，得到基、覆板间隙优化的经验公式：D = 0.2 h₁。

本发明采用在覆板边缘连接延展板的方法来控制边界效应的方法，延展板材质可以选择与覆板相同材质，也可以使用相对廉价的Q345普碳钢替代。通过电焊的方法将延展板与覆板焊接为一体。延展板上辅装药厚度h2比主装药厚度h1大20%，辅装药内沿呈斜坡状向主装药倾斜，直至与主装药平齐，辅装药内沿倾斜角控制在15℃～20℃。使得在焊接过程中，将边界效应的影响区域基本引出了需要焊接的区域，并通过增加延展板装药厚度使得覆板边界处能够获得较大的飞行速度，抵消部分边界效应的影响。辅装药内沿与主装药外沿通过一定倾斜角度的斜坡连接保证了装药界面的平滑过渡，确保了爆轰波的稳定传播。通过实践验证，以上方法能够克服边界效应的影响。

有益效果：与现有技术相比，本发明的具有特殊质量要求的双金属复合板的爆炸焊接方法，所采用的乳化炸药不含TNT等有害物质，符合民爆炸药的发展趋势，适应环境保护的要求；炸药爆速较低，适应爆炸焊接的需要；确定了不同位置上不同装药厚度计算公式，装药量计算实现了定量化，有利于消除盲目性；确定了控制边界效应的方法，保证了复合板的四边的可靠焊接。该工艺焊接的复合板的焊合率达到100%，焊合面结合强度符合双金属固相冶金结合的强度规律，其结合界面为质量优良的微细波状，界面杂质含量不得高于原材料的相应杂质含量，完全满足该复合板焊接质量要求。

附图说明

图1是双金属复合板的爆炸焊接装置的剖视图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步的说明。

实施例1

一种具有特殊质量要求的双金属复合板的爆炸焊接方法，包括以下步骤：

（1）坯料预处理：通过校平、打磨、抛光和清洗处理，控制坯料板的不平度小于2mm/m，去除坯料板表面的锈蚀和氧化物，使坯料板待结合表面的粗糙度Ra小于0.05mm；抛光和清洗在实施焊接前15min内进行，在实施焊接前的5min内，需再次用普通医用酒精清洗。

（2）装药：如图1所示，将基板1与覆板2通过间歇支撑板5平行放置，在覆板四周边设置延展板3，在覆板和延展板上装“盆地”形装药体4，装药体上下表面与覆板和延展板平行，覆板正上方所布炸药为主装药，延展板上方所布炸药为辅装药，辅装药厚度大于主装药厚度，辅装药内沿与主装药外沿通过适当角度的斜坡相连接，该角度为辅装药内沿倾斜角；炸药选用不含TNT的粉状乳化炸药，采用碳酸钙作为减速剂，配制爆速为2400~2600m/s的混合炸药，密度为1.0g/cm³。

其中，装药量由以下公式计算确定：

                                  （1）

                           （2）

                             （3）

式中为实现优质焊接的基板、覆板的最小碰撞速度，K、K₁为常数，为覆板材料的表面维氏硬度，为覆板材料的密度，为单位面积上的炸药量与单位面积的覆板质量之比，为炸药爆速，为装药厚度，为炸药的密度，为覆板厚度；K的取值应为1.2～1.6之间，K的取值越大；K₁的取值则为4.2～4.5；

确定主装药厚度h₁和辅装药h₂：h₁ = (6.7～7.5)，h₂ = 1.2h₁，式中，为覆板厚度；

基板、覆板间隙D确定：D = 0.2h₁；

延展板尺寸确定：

宽度方向延展板尺寸：长：等于覆板长度，宽：等于h₁；

起爆端延展板尺寸：长：100mm，宽：等于覆板宽度+2h₁；

末端延展板尺寸：长：50mm，宽：等于覆板宽度+2h₁；

延展板厚度：（1/2～1）；

（3）起爆，焊接，即可。

其中，覆板的材料为316L不锈钢，规格：厚6mm，长580mm，宽290mm；基板的材料为CuCrZr合金，规格：厚13mm，长580mm，宽290mm。

布设于覆板上的粉状乳化炸药爆速为2500m/s。

根据基、覆板尺寸，并依据主装药厚度h₁和基、覆板间隙D的计算公式，主装药厚度取：h₁ =6.7 = 6.7 * 6 ≈ 40mm；

基、覆板间隙D = 0.2h₁ = 0.2 *40 = 8mm。

延展板材料为316L不锈钢，尺寸设定为：

起爆端延展板：长：100mm，宽：370mm，厚：6mm;

末端延展板：长：50mm，宽：370mm，厚：6mm;

宽度方向延展板：长：580mm，宽：40mm，厚：6mm;

辅装药厚度h₂= 1.2h₁ = 1.2 *40 = 48mm，辅装药内倾斜角取18℃。

复合板爆炸复合后经检验，焊合率为100%，焊合面结合强度平均值达到331Mpa，最小值为325Mpa，符合双金属固相冶金结合的强度规律，结合界面为微细波状。

实施例2

一种具有特殊质量要求的双金属复合板的爆炸焊接方法，包括以下步骤：

（1）坯料预处理：通过校平、打磨、抛光和清洗处理，控制坯料板的不平度小于2mm/m，去除坯料板表面的锈蚀和氧化物，使坯料板待结合表面的粗糙度Ra小于0.05mm；抛光和清洗在实施焊接前15min内进行，在实施焊接前的5min内，需再次用普通医用酒精清洗。

（2）装药：将基板、覆板平行放置，在覆板四周边设置延展板，在覆板和延展板上装“盆地”形装药体，装药体上下表面与覆板和延展板平行，覆板正上方所布炸药为主装药，延展板上方所布炸药为辅装药，辅装药厚度大于主装药厚度，辅装药内沿与主装药外沿通过适当角度的斜坡相连接，该角度为辅装药内沿倾斜角；炸药选用不含TNT的粉状乳化炸药，采用碳酸钙作为减速剂，配制爆速为2400~2600m/s的混合炸药，密度为1.0g/cm³。

其中，装药量由以下公式计算确定：

                                  （1）

                           （2）

                             （3）

式中为实现优质焊接的基板、覆板的最小碰撞速度，K、K₁为常数，为覆板材料的表面维氏硬度，为覆板材料的密度，为单位面积上的炸药量与单位面积的覆板质量之比，为炸药爆速，为装药厚度，为炸药的密度，为覆板厚度；K的取值应为1.2～1.6之间，K的取值越大；K₁的取值则为4.2～4.5；

确定主装药厚度h₁和辅装药h₂：h₁ = (6.7～7.5)，h₂ = 1.2h₁，式中，为覆板厚度；

基板、覆板间隙D确定：D = 0.2h₁；

延展板尺寸确定：

宽度方向延展板尺寸：长：等于覆板长度，宽：等于h₁；

起爆端延展板尺寸：长：100mm，宽：等于覆板宽度+2h₁；

末端延展板尺寸：长：50mm，宽：等于覆板宽度+2h₁；

延展板厚度：（1/2～1）；

（3）起爆，焊接，即可。

覆板的材料为316L不锈钢，规格：厚6.5mm，长980mm，宽290mm；

基板的材料为CuCrZr合金，规格：厚15mm，长980mm，宽290mm。

布设于覆板上的粉状乳化炸药爆速为2500m/s。

根据基、覆板尺寸，并依据主装药厚度h₁和基、覆板间隙D的计算公式：主装药厚度取：h₁ =6.8 = 6.7 * 6.5 = 45mm；

基、覆板间隙D = 0.2h₁ = 0.2 *45 = 9mm。

延展板材料为Q345普碳钢，尺寸设定为：

起爆端延展板：长：100mm，宽：380mm，厚：4mm;

末端延展板：长：50mm，宽：380mm，厚：4mm;

宽度方向延展板：长：980mm，宽：45mm，厚：4mm;

辅装药厚度h₂= 1.2h₁ = 1.2 *45 = 54mm。辅装药内倾斜角取15℃。

复合板爆炸复合后经检验，焊合率为100%，焊合面结合强度平均值达到346Mpa，最小值为338 Mpa，符合双金属固相冶金结合的强度规律，结合界面为微细波状。