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爆炸焊应用和具体生产实例——论doc

发布日期:2020-12-11 21:57 作者:波音直营平台 点击:

  摘要:现代工业需要多种多样的金属复合材料,爆炸焊接工艺应运而生。爆炸焊接可将用传统方法不能焊接在一起的不同类金属焊接在一起。根据爆炸焊接的原理,设计出爆炸焊接的大致步骤和注意事项。并且知道如何给爆炸焊接后的工件做成品质量检验及分析出缺陷产生的原因和解决措施。爆炸焊接时充满潜力的焊接方式,在文中有一些应用和具体的生产实例。 Abstract:Modern industry needs a variety of metal composite materials, the explosion welding technology arises at the historic moment. The explosion welding with the traditional methods can be welded together not similar metal welded together. According to the principle of explosion welding, design the explosive welding of general steps and matters needing attention. And know how to make after the explosion welding workpiece finished product quality inspection and analysis of the causes of defects and solutions. When the explosion welding welding way, full of potential and application in this paper there are some specific production instance. 关键字:爆炸焊接、缺陷、锆合金与不锈钢过渡管接头、实例 1. 前言 提起爆炸,人们自然会想到破坏。爆炸可以使本来坚固的堡垒、岩石破裂成碎块。但你是不是想到爆炸能使本来不易结合的物体紧密地结合在一起呢?例如,炮弹的爆炸,弹片牢牢嵌入到钢筋水泥之中。科学家们正是这样看问题的,他们既看到爆炸有分裂开物体的作用,也看到了爆炸的结合作用。这后一种作用就是爆炸焊接法的工作原理。在炼铝厂需要一种叫做钢铝销的配件。这种钢铝销用于电解槽阳极的引入线。但用一般的方法很难使钢与铝这两种金属均匀地、紧密地结合在一起。爆炸焊接法在解决这一难题上显示了威力。科学家为此设计了专门的爆炸室。他们把钢、铝两种金属材料置于爆炸室中,利用爆炸产生的强大的冲击波,使两种金属高速碰撞,从而相互“嵌入”。用这种方法生产出大批量符合技术要求的钢铝销。前苏联乌克兰科学院O·E巴拉夫电焊研究所的工作人员利用爆炸焊接法创造了接通管道的新工艺。使用传统方法将支管接通到天然气主管道上,往往需要主管道停止供气一段时间,这会造成较大的经济损失。采用新工艺,将主管道的切割、支管与主管的焊接均用爆炸法一次完成。据统计,前苏联在第十一个五年计划期间用爆炸焊接法把20多条支管接通到天然气管道上,创造经济效益达200多万卢布,同时节省了原来要白白向空气中排放掉的几百万立方米天然气,而向原用户输送天然气却连一分钟也没有中断。 化学成分和物理性能各异的金属材料的焊接,用其他的焊接方法很难实现。现代工业需要多种多样的金属复合材料,爆炸焊接工艺应运而生。 爆炸焊接是利用炸药爆炸产生的冲击力造成焊件迅速碰撞,使两个金属件的待焊表面实现连接的方法。 爆炸焊接可将用传统方法不能焊接在一起的不同类金属焊接在一起。例如,钢和铝、钛和钢、铜和钢、钢和铅、铅和铝,用爆炸焊接就可焊在一起。因为在有些情况下,如果用传统的焊接方法,施加的热会引起两种金属熔化并形成一种脆性合金,使焊接无效。金属焊接中的困难,如铅的低熔点,用爆炸焊接就能消除。许多不同金属的无数次爆炸焊接试验都得到了良好的结果。 爆炸焊接的焊缝比熔接焊接的接缝强度高,且热处理材料可以用爆炸焊接而不引起性能的降低。 爆炸焊接基本上是一个“冷”焊过程,因为爆炸焊接中产生的热量可忽略不计且快速散失。这种特点使爆炸方法适用于焊接硬化加工过的和热处理过的材料而不影响它们的性质。 有些高强度和高硬度材料,如硬化工具钢、钨铬钴硬质合金和铍,因其撞击低强度而不适于爆炸焊接。 2. 爆炸焊接的原理 爆炸焊接的原理不同于冶金焊接。冶金焊接是通过将两片金属的原子作用到紧密接触使原子相互间的法向吸引力变得相互作用而产生连接而实现的。此时如果金属表面覆盖的氧化、硝化和吸收气体的自然膜不从表面去除,那么即使在非常高的压力下金属也不能焊接上。爆炸焊接将两个金属面以高速和一定的角度相互碰撞,并在接触面处产生高压,通过这种行为,表面部分变成流体并流走,表面膜去除了,金属表面可以紧密接触。 3. 关于爆炸焊接前的准备 爆炸焊过程中冲击波及金属射流虽有清除氧化膜作用,但只限于厚1~10μm氧化膜,因此焊前表面清理仍是十分重要的。表10.1列出常用清理方法。 基板和覆板的固定和支托应保证基板刚度、平行焊件表面之间的间距均匀性或预置角。基板较薄时,应采用质量较大的砧座作支托,以减小挠曲,焊前还应校直基板,保证其与砧座均匀接触。覆板较厚时,采用边缘支托即可;若覆板较薄,应采用金属波纹条做支托物,以防挠曲度太大。管子或圆筒连接时,应用芯轴或外套筒支托基层件。芯轴应设计成焊后易于拆除。 表10.1 爆炸焊前焊件表面清理方法 方法 配方和操作要领 用途 砂轮打磨 钢表面清理 喷砂、喷丸 钢表面清理 酸 洗 5%~15体积%H2SO4溶液 5体积% H2SO4溶液 铜表面清理 铜合金表面清理 碱 洗 (1)5% NaOH溶液,60℃,脱脂60s; (2) 冷水冲洗;(3)5体积%HNO3溶液,中和10s; (4)10%HNO3+0.25%HF混合液,除氧化膜5s; (5)水冲洗;(6)水冲洗;(7)干燥。 铝及铝合金表面清理 砂布或钢丝刷打磨 不锈钢或钛合金表面清理 车、铣、刨、磨 高要求厚钢板、锻件、异型零件表面清理 应选择引爆速度适中、稳定可调、使用方便、价格低廉、安全无毒的炸药。一般应使炸药引爆速度低于被焊金属内部声速的120%。采用专门的设备和缓冲层材料。在有间距夹角或最小平行间距安装时,也可用高引爆速度的炸药。 炸药的引爆速度取决于成分、密度、堆敷厚度、炸药中惰性填料数量。密度与加工形态有关。一般随密度和厚度的增大,引爆速度增加。为了获得优良结合性能,引爆速度应接近覆层材料中的声速。引爆速度过高使碰撞角变小,冲击力过大,造成结合部位撕裂;过低则不能维持足够的冲击力,结合强度不高。因此装药时应注意保证厚度和密度均匀性。 合适的引爆方式也很重要。端部引爆、边缘线引爆、中心引爆、四周引爆是常用方式。为避免雷管周围出现不结合的圆形区域,可把雷管延伸到要求复合的金属区以外或附加一个炸药包。 为防止烧伤、压痕、起皮、撕裂等缺陷,炸药与覆层之间要用橡胶、沥青、油灰、软塑料、有机玻璃、马粪纸、油毡等材料作缓冲层。 平行安装时,间距是决定碰撞点弯折角的唯一因素,其大小对界面的波浪形尺寸有一定影响。通常根据覆板的厚度和密度确定初始安装间距,如表10.2所示,一般取0.5~1t为宜,引爆速度高时取下限(t为覆板厚度)。 夹角安装时,通常采用高引爆速度炸药,一般预置角α取5~10°,引爆速度高时取上限。 表10.2 平行安装间距的选取原则 覆板密度(g/cm3) 安装间距 <5 1/3~2/3t 5~10 1/2~1t >10 2/3~2t 4. 爆炸焊接的方法 将炸药、雷管、覆板和基板在基础(地面)上安装起来。当置于覆板之上的炸药被雷管引爆后,炸药的爆炸化学反应经过一段时间的加速便以爆轰速度在覆板上传播。随着爆轰波的高速推进和爆炸产物的急骤膨胀,炸药化学能的大部分便转换成高速运动的爆轰波和爆炸产物的动能。随后该动能的一部分传递给覆板,从而推动覆板向基板高速运动。在两板之间的空气迅速和全部排出的同时,覆板和基板随即在接触点上依次发生撞击。在这个过程中,在两板间的接触面上,借助波的形成,一薄层金属由于倾斜撞击和切向应力的作用而发生强烈的塑性变形。在此过程中又借助于金属塑性变形的热效应将覆板高速运动的动能的90%~95%转换成热能。如此大量的热能在近似绝热的情况下促使塑性变形后的金属的温度升高。当此温度达到其熔点以后,就会使紧靠界面的一薄层塑性变形的金属发生熔化。剩余的热能还会使部分塑性变形的金属发生回复和再结晶,并使双金属整体的温度升高。 由金属物理学的原理可知,在爆炸焊接过程中,由于不同金属间的高的浓度梯度,界面上的高压、高温和高温下金属的塑性变形及熔化等条件的存在及其综合作用,必然导致基体金属原子间的相互扩散。这样,当界面上那一薄层塑性变形的和熔化了的金属迅速冷凝后,便在界面上形成了包括金属塑性变形特征、熔化特征和原子间相互扩散特征的结合区。此结合区就是2种金属之间的焊接过渡区,亦称焊接接头。 众所周知,爆炸焊接双金属的结合区在一般和正常的情况下还具有波形特征(图2)。此波形的形成与爆炸载荷在金属中和界面上的波动传播有关,并且不同强度和特性的金属材料,在不同强度和特性的爆炸载荷作用下,发生不同强度和特性的相互作用──冲击碰撞,便在结合界面上形成不同形状和参数(波长、波辐和频率)的波形。 实际上,用爆炸焊接法生产的爆炸复合材料的冶金结合,就是在上述结合区金属的塑性变形、熔化和扩散等冶金过程中形成的。由此推论,爆炸焊接是以炸药为能源的压焊、熔焊和扩散焊“三位一体”的一种金属焊接的新工艺及新技术。也许,正因为如此,爆炸焊接作为一种新的焊接技术具有非常好的焊接性。 5. 缺陷及质量检验 爆炸焊接的缺陷主要有:局部未焊合,在覆板较厚时特别易出现在边界区;基板或覆板的烧伤、压痕、起皮、撕裂;内覆法时基材在强脉冲冲击下变形、破裂;接合强底低等。防止上述缺陷的途径是调整工艺参数,改进支托和起爆方式,改善基、覆板缓冲保护,表面处理,校平等。 6. 爆炸焊接头强度试样及试验方法 爆炸焊接的外观检验与一般焊缝检验相同,用目视、磁粉、着色检验及变形测量等。无损检验一般只能用超声波法,根据焊件具体要求进行全面积、局部或矩形网格检验。金属密度差异很大的接头且具有大波浪形界面时,也可采用X射线检验。结合强度检验采用图10.10所示的试样和试验方法。必要时进行焊缝金相分析,显微硬度测定,以及疲劳性能、导电性、气密性、高低温性能等试验。 7. 爆炸焊接的应用情况 复合双金属平板、管、棒材已经获得应用的实例有:(a)高温化学反应器中覆铜不锈钢蒸发器;(b)覆铜不锈钢、覆铜镍低碳钢水或核废物容器;(c)覆钛低碳钢制含铬离子城市废水处理容器;(d)铜-不锈钢、铜-低碳钢-不锈钢、低碳钢-不锈钢制热性能、韧性、外观均优良的烹饪用器;(e)双硬度防弹板;(f)Hastelloy B-低碳钢制工具、挖掘机及工厂设备的超硬耐磨件;(g)热起动器用α黄铜-铁镍合金双金属带;(h)爆炸焊接后从38mm厚轧制成0.5mm厚的金合金-镍装饰金属箔。(i)耐腐蚀、抗高温的双金属、三金属管及异型管。图10.11为双金属管爆炸焊接法。 8. 爆炸焊的应用实例举例 8.1.用爆炸焊接法制造异种金属的过渡连接头 用爆炸焊接法能够制造异种金属的搭接、对接和斜接的板接头、管接头及棒接头。也可用爆炸复合板、复合管和复合棒来加工成这类连接头。这种过渡接头的应用实质上是变不同金属的焊接为相同金属的焊接,从而为工程技术中出现的异种金属的过渡连接问题提供一个很好的手段和解决方法。例如,锆–2+不锈钢管接头的两端分别与同种管材用常规焊接工艺焊接起来之后,放入反应堆内的锆–2管就可以发挥其优良的核性能,而在堆外则使用廉价的不锈钢管即可。与此相似的还有锆2.5铌-不锈钢、钼-不锈钢和因科镍-不锈钢的管接头。此外,还有电冰箱内使用的铜-铝管接头,宇宙飞船上使用的钛-不锈钢管接头,现代铝生产和造船工业中使用的铝-钢板接头,以及电力、电子和电化学工业中使用的钛-铜、钛-铝、钛-不锈钢、铜-钢、铝-钢和铝-不锈钢等导电材料的板(管、棒)接头。上述过渡接头主要用于异种结构材料和异种导电材料的过渡连接。事实证明,爆炸焊接为制备任意两种和多种金属、两层和多层金属,以及多种形状的过渡接头开辟了广阔的道路。 8.2.爆炸焊接和爆炸复合材料的具体应用 用钛-钢复合板制作处理城市污水的装置。用铜-不锈钢或铜镍合金-低碳钢复合板制作存放核废物的容器。用铜-钛复合板制造海洋石油平台的结构。铝-钛-不锈钢管接头用于大型冷炼机的部件与液氮和液氧的输送管道的过渡连接。用铜-不锈钢或铜-低碳钢复合板制作具有良好导热性、刚性且美观的烹饪用具。用两层或多层复合板制作多硬度的装甲板。用直径3150mm、质量约45t的镍合金-低合金钢管板制造大功率的水-水反应堆蒸汽发电机的管板。铜-钢和铝-钢复合材料可制造双金属的轴承、轴瓦及衬管。用铜-钢复合板制造电冶金炉和熔化炉的双层水冷外壳及双层结晶器,以及用这种大面积的复合板制造高能物理研究用的直线加速器的腔体。铜-铝复合管用于高压配电站的接线柱。在化学工业中用铜-铝汇流排代替铜的汇流排,以便节省铜材。铜-铝过渡接头在铝型材的表面处理和大型电镀设备的生产中有广泛的应用。银-铜、银-铁、银-不锈钢、金-银金(铜)镍-铜镍等双层和三层的触头材料在电子、机械、航空和航天等领域有广阔的应用前景。铅-铜、铅-钛、铅-铝、铅-钢等复合材料适于在离子辐射场和浸蚀性介质中以及在强振动载荷下工作,用于制造同时保护离子辐射和屏蔽强大电磁场的装置。镍-钛、镍-不锈钢复合板用于制造造纸机械。钛-铜复合管棒作为制碱电解槽的新型电极材料,以其优良的导电性和耐蚀性替代了传统的石墨电极。钛-铝等轻型复合材料在20世纪中叶就成为航空和航天工业中各国竞相研制和发展的新材料。镍-钢复合板在制碱化工设备上的应用是一项节镍和省镍的必然之举。锆-钢、铌-钢和钽-钢复合板在更为苛刻的浸蚀性介质中的应用是一个新的发展方向。铜-钢和铝-钢复合板作为轻轨和地铁机车的直线电机的感应板,已经和将要大量地使用在我国一些城市的轨道交通建设中〔2〕。在三峡工程中成千上万t地使用了我国自产的不锈钢-钢复合板。爆炸焊接和爆炸焊接+压力加工技术在制造双层及多层特别是新型热双金属方面尤具优势。对于汽车、拖拉机和其他重型机械上使用的耐磨双金属,爆炸焊接+压力加工工艺在此方面获得了良好的应用。超导复合材料是爆炸焊接的一个新的应用领域。爆炸加工(包括爆炸焊接)在核工程中有良好的应用前景。金属与陶瓷、玻璃和塑料的爆炸焊接及其广泛应用是有关科技人员努力探讨的课题。普通钢和高强合金钢的复合刀具的刃口强度达2400MPa。将爆炸焊接的多达600层的金属箔材进行切割和展开而形成航空器和航天器上用的蜂窝结构。高温高压条件下使用的双金属管板利用爆炸焊接-爆炸形成工艺一次成形。运用成排、成堆和成组爆炸焊接的技术重复及大批量地生产双层、三层和多层复合板(坯)。应用爆炸焊接法生产的金属基纤维增强复合材料,具有横向力学性能和层间抗剪强度高、工作温度高、坚硬耐腐蚀和稳定持久等特点,并具有导电和导热等特性。金属粉末之间或金属粉末与金属板(管、棒)的爆炸焊接是粉末冶金技术的一大发展。蒸汽管道、煤气管道、石油管道、天然气管道、自来水管道和灰渣管道的爆炸焊接连接,工艺简单、操作方便,成本低。 参考文献: 爆炸焊课件 锆合金与不锈钢管过渡管接头的爆炸焊接 爆炸焊接铜和钢复合板结合界面的组织结构分析 爆炸焊接相关概述 爆炸焊接应用与发展 爆炸焊接研究 爆炸焊接和爆炸复合材料 为什么爆炸的不锈钢碳钢复合板在焊接中容易出现缺陷 钢轨连接线爆炸焊接技术研究 爆炸焊接方法简介

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