爆炸焊概述

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1、第七章爆炸焊 教学目标 1 了解超爆炸焊的原理 工艺特点 分类及应用范围 2 熟悉爆炸焊的设备与工艺 了解爆炸焊的基本操作与安全知识 第一节爆炸焊概述 爆炸焊 ExplosiveWelding EW 是以炸药作为能源 利用爆炸时产生的冲击力 使焊件发生剧烈碰撞 塑性变形 熔化及原子间相互扩散 从而实现连接的一种压焊方法 属固相焊接 焊缝是在两层或多层同种或异种金属材料之间 在零点几秒短暂的爆炸过程中形成的 20世纪50年代末 国外开始了对爆炸焊较为系统的研究 我国从1963年开始爆炸焊的试验研究 经过几十年的发展 爆炸焊技术及其产品已应用于石油化工 造船 原子能 宇航 冶金和机械制造等工业部门

2、 一 爆炸焊的基本原理 爆炸焊接是美国的卡尔在1944年提出的 他在一次炸药爆炸试验中偶然发现 两片直径约1英寸 1英寸 0 0245m 厚度为0 035英寸的黄铜圆薄片 由于受到爆炸的突然冲击而被焊接在一起 1957年 美国的弗立普杰克成功地实现了铝和钢的爆炸焊 此后经过焊接工作者的不断努力 爆炸焊接技术已经得到广泛的应用 一 爆炸焊焊接过程及原理 安装炸药 雷管和焊件 引爆炸药 自左向右爆轰 爆轰波 塑性流动和高速射流 金属净面接触 清理 冲击动能转换成热能 强烈塑性变形 金属温度升高并熔化 金属原子扩散通过金属键形成接头 高温高压 炸药爆炸的爆轰速度 1500 3500m s瞬间释放的化

3、学能产生的压力 700MPa 局部瞬时高温 3000 冲击波的速度 500 1000m s 爆炸焊接是以炸药为能源的压力焊 熔化焊和扩散焊 三位一体 的金属焊接新工艺 新技术 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 及焊接接头 炸药化学能的大部分转换成高速运动的爆轰波和爆炸产物的动能 二 爆炸焊界面的结合特点 根据不同爆炸焊接条件下 两金属材料之间不同的冶金结合形式 直线结合 该类结合的特点是界面上可见到平直 清晰的结合线 基体金属直接接触和结合 没有明显的塑性变形或熔化等微观组织形态 形成这种结合特点的主要原因是撞击速度较低 这种结合形式的爆炸焊在生产实际中很少采用

4、 因为这种形式的爆炸焊对焊接参数的变化非常敏感 导致接头质量不稳定和易造成未熔合等缺陷 波状结合 当撞击速度高于某一临界值时 接头的结合区呈现有规律的连续波浪形状 界面形成或大或小的不连续漩涡区 漩涡内部由熔化物质组成 又称熔化槽 呈铸态组织 前漩涡以基板成分为主 后漩涡以覆板成分为主 如漩涡内材料形成固溶体 则呈韧性 如形成金属间化合物 则脆性增大 良好的焊接结合面应由均匀细小的波纹组成 熔化槽呈孤立隔离状态 连续熔化结合 当界面撞击速度和角度过大时 就会产生大漩涡 甚至形成一个连续的熔化层 这种大漩涡或熔化层如果是固溶体 一般不会对接头强度带来损害 但如果形成脆性的金属间化合物 则接头就会

5、变脆 而且在其内部常常含有大量缩孔和其他缺陷 所以必须避免能形成连续熔化层结合的焊接操作 图7 3爆炸焊结合特征a 波状结合区b 连续熔化层结合c 混合性结合区 二 爆炸焊的类型 特点及应用 一 爆炸焊的类型 面焊 按接头形式不同 线焊 点焊 按装配方式不同 平行法 角度法 平行法是将两试件平行放置 预留一定的间隙 爆炸焊接时试件随炸药爆炸的推进依次形成连接 接头各处的情况基本相同 角度法是使两试件间存在一个夹角 由两试件间隙较小处开始起焊 依次向间隙较大处推进 由于间隙不能过大 故试件的尺寸也不能太大 按试件是否预热 热爆炸焊 冷爆炸焊 热爆炸焊是将常温下脆性值较小的金属材料加热到它的韧脆转

6、变温度以上后 立即进行爆炸焊接 例如 钢在常温下的脆性值很小 爆炸焊后易脆裂 将其加热到400 韧脆转变温度 以上时钼不再脆裂 并能和其他金属焊在一起 冷爆炸焊是将塑性很高的金属置于液氮中 待其冷硬后取出 立即进行爆炸焊接 此外 按产品形状可分为板 板 管 管 管 板 管 棒 金属粉末 板爆炸焊 按爆炸的次数可分为一次 二次或多次爆炸焊 因而有双层和多层爆炸焊之分 按布药特点可分为单面和双面爆炸焊 按爆炸焊进行的地点可分为地面 地下 水中 空中和真空爆炸焊等 目前爆炸焊工艺还可以与常规的金属压力加工工艺和机械加工工艺联合起来 以生产更大 更长 更薄 更粗 更细和异形等特殊或极限形状的金属复合材

7、料 零部件及设备 这种联合工艺是爆炸焊技术的延伸和发展趋势 二 爆炸焊的特点 爆炸焊可在同种金属或异种金属之间形成一种高强度的冶金结合焊缝 例如Ta 钽 Zr 锆 AI Ti Pb 铅 等与碳素结构钢 合金钢 不锈钢的连接 用其他焊接方法难以实现 用爆炸焊则容易实现 这主要是因为爆炸焊能把脆性化合物层减小至最低限度甚至不产生脆性金属层 1 优点 可形成高强度冶金结合焊缝 可以焊接面积范围为13 28m2的各种零件 爆炸焊接时 若基板固定不动 则其厚度不受限制 覆板的厚度为0 03 32mm 即所谓包覆比很高 可焊接尺寸范围很宽的各种零件 可以进行双层 多层复合板的焊接 也可以用于各种金属的对接

8、 搭接焊缝与点焊 爆炸焊工艺比较简单 不需要复杂设备 能源丰富 投资少 应用方便 不需要填充金属 结构设计采用复合板材 可以节约贵重的稀缺金属 焊接表面不需要很复杂的清理 只需去除较厚的氧化物 氧化皮和油污 爆炸复合材料具有不同程度的硬化和强化 即 爆炸硬化 和 爆炸强化 覆层材料的硬化有利于其耐蚀性和耐磨性的提高 而强化在一定程度上有利于这类材料的强度设计 爆炸复合材料被硬化和强化 此外 用爆炸焊方法获得的金属复合材料比其他方法获得的金属复合材料有更好的使用性能 例如 镀铂钛材作为外加电流的防腐装置的阳极 在大型船舶和海洋工程中已有应用 原采用电镀法制作的镀铂钛材的镀铂层与钛基体结合不牢 铂

9、 钛界面有许多微观裂纹 疏松和孔隙 容易导致 脱铂 现象 用爆炸焊方法获得的铂 钛复合材料在同样的试验条件下则完好无损 快速寿命试验的结果表明 镀铂试样在水和浓盐酸中煮沸1次即起皮 2次有脱落 3次则完全脱落 而爆炸焊试样在煮沸30次后仍未脱落 被焊的金属材料必须具有足够的韧性和抗冲击能力 以承受爆炸的冲击力和剧烈碰撞 屈服强度大于690MPa的高强度合金难以进行爆炸焊 2 缺点 要求被焊材料有韧性和抗冲击能力 爆炸焊时被焊金属间高速射流呈直线喷射 因此一般只用于平面或柱面结构的焊接 如板与板 管状构件 管与板等的焊接 复杂形状的构件受到限制 同时 覆层的厚度不能太厚 基层的厚度不能太薄 若在

10、薄板上施焊 需附加支托 只能用于平面或柱面结构的焊接 爆炸焊大多在野外露天作业 机械化程度低 劳动条件差 易受气候条件限制 爆炸焊时产生的噪声和气浪 对周围环境有一定影响 虽然可以进行水下 真空或埋在沙子下进行爆炸 但要增加成本 产生噪声和气浪 三 爆炸焊的应用 爆炸焊接主要用于制造金属复合板材 使其表面或覆层具有某种特殊的性能 也可以用于异种材料 异种金属 陶瓷与金属等 过渡接头 使其具有良好的力学性能 导电性能和耐腐蚀性能等 1 可焊接的金属材料 爆炸焊主要用于同种金属材料 异种金属材料 金属与陶瓷的焊接 特别是材料性能差异大而用其他方法难以实现可靠焊接的金属 铝和钢 铝和钽等 热膨胀系数

11、相差很大的材料 钛和钢 陶瓷和金属等 活性很强的金属 如钽 锆 钼等 实际上 任何具有足够强度和塑性并能承受工艺过程所要求的快速变形的金属 都可以进行爆炸焊接 2 可焊接的产品结构爆炸焊的产品多是结合面具有平面或圆柱面的简单结构 可以进行双层或多层复合 如把不锈钢板 铜板 钛板 铝板等焊到普通的钢板上 基板的厚度一般不受限制 因被爆炸冲击波加速 覆板厚度受到限制 复合板一般是焊后状态供货的 焊后必须进行校平 如果在结合界面处发生的硬化已影响到工程应用 则焊后须进行热处理 若用于制作压力容器封头 对复合板进行热压成形时 要考虑结合面受温度影响可能产生脆硬的金属间化合物 例如 钛与钢复合 加热温度

12、不应高于760 而不锈钢与碳素结构钢的复合则无此要求 复合平板 对圆棒或实心圆锥体可以进行外包覆 对圆管或筒体之类产品可以根据需要进行内或外包覆 以获得具有特殊性能 如耐蚀 耐高温 耐磨等 的包覆表面 这种爆炸焊工艺可以生产双金属焊件 也可用来修复易损构件 圆柱 锥 体的内或外包覆 爆炸焊为熔焊焊接性较差的异种金属或在冶金上不相容的金属之间实现高强度的冶金结合提供了一种良好的方法 焊接时 首先利用爆炸焊接方法把两种不相容金属焊在一起 使之形成过渡接头 然后用普通熔焊方法 将此过渡接头分别与产品上同种金属或焊接性相近的金属进行焊接 生产过渡接头 3 生产过渡接头 爆炸焊为熔焊焊接性较差的异种金属

13、或在冶金上不相容的金属之间实现高强度的冶金结合提供了一种良好的方法 焊接时 首先利用爆炸焊接方法把两种不相容金属焊在一起 使之形成过渡接头 然后用普通熔焊方法 将此过渡接头分别与产品上同种金属或焊接性相近的金属进行焊接 4 管子与管板焊接 热交换器中管子与管板之间的焊接 可以采用内圆柱面包覆爆炸焊工艺进行生产 如图所示 5 利用爆炸焊焊接复杂的曲面结构 这时爆炸焊与爆炸成形往往同时完成 图7 6是爆炸焊接 爆炸成形工艺的示意图 图7 6a所示工艺的基层 焊件 本身就相当于成形模具 图7 6b所示工艺需要使用模具 前者是先成形后焊接 后者是先焊接后成形 5 利用爆炸焊制造铜的六角形蜂窝结构 制造

14、工艺是在铜管内同时爆炸压紧和焊接一束镀铜的铝丝 然后用苛性钠把铝完全从结构中溶解掉 最后剩下的便是铜六角形蜂窝结构 第二节爆炸焊工艺 一 爆炸焊工艺流程 一 焊前准备 接头设计 被焊材料的表面清理 炸药的准备 1 接头设计 按焊件类型 板 板 管 管 管 板 按产品及工艺要求 对接 搭接 基板越厚 基板与覆板的厚度比越大 越容易焊接 爆炸复合质量容易保证 若基板与覆板的厚度相同 则爆炸复合较困难 一般要求基覆比大于2 2 被焊材料的表面清理 爆炸焊材料表面要求 爆炸焊的接头须具有几何形状相同的重叠或紧密配合的结合面 该结合面必须平 光 净 爆炸焊接前待结合面处理得越干净 越平整 爆炸焊接头的强

15、度越高 焊件矫平及检查 爆炸焊接前应先矫平焊件 并检查结合面上是否有缺陷 其表面粗糙度的要求取决于被焊金属的性能 表面粗糙度值越小越好 一般要求表面粗糙度值Ra 12 5 m 表面清理 虽然爆炸焊时形成的金属射流能清除金属表面的氧化膜 但其清除薄膜厚度只有几微米至几十微米 更厚的锈蚀和氧化层无法彻底清除 将影响结合性能 故安装前应将待焊面上的污物除去 常用的清理方法有化学清洗 机械加工 打磨 喷砂和喷丸等 当天清理焊件 当天就进行爆炸焊 若当天不能进行焊接 则应对焊件进行油封 爆炸焊前再用丙酮等将焊件擦拭干净 3 炸药的准备 选用炸药的原则 选用炸药的原则是爆炸速度合适 稳定 可调 使用方便

16、价格便宜 货源广 安全无毒 研究表明 炸药的最大爆炸速度一般不应超过被焊材料内部高声速的120 以便产生喷射和防止对材料的冲击损伤 常用爆炸焊的炸药 注意事项 使用高速炸药时 需要专门的设备和采取一定的工艺措施 如在基 覆层之间填加聚乙丁烯酸树脂 橡胶等缓冲材料 采用有间隙倾斜角安装或最小间隙平行安装等 炸药的爆炸速度由炸药的厚度 填充密度或者混合在炸药中的惰性材料的数量所决定 配制焊接用的炸药一般都是为了降低其爆炸速度 爆炸焊接所用的炸药形态有塑料薄片 绳索 冲压块 铸造块 粉末状或颗粒状等多种 可根据不同的应用条件选用 二 爆炸焊工艺流程 1 堆造基础 将筛分好的沙子堆制成安置焊件的沙基础 该测高度为200 300mm 其上表面面积等于或略大于基板底面积 2 安放基板 将基板安放到沙基础上 保持沙基础原始形状 基板的待焊表面再次用砂布擦拭一次 并用酒精清洗 以保证表面的洁净 3 安放覆板 先将待焊的覆板表面用砂布和酒精再次清洗干净 然后将其吊放 或抬放 到基板上 放置时两块板的待焊面相向接触 应注意 覆板的长度和宽度应比基板相应大5 10mm 管与管板爆炸焊时 管材也应有类似的额外