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钛/钢多层爆炸焊接界面的实验研究*

更新时间:2016-07-05

爆炸焊接的技术是近几十年出现的一种新的焊接技术,钛以及钛合金具有很多优点,如质量轻,耐高温腐蚀,强度大。其在如石化、航空航天、海洋工程等领域均有诸多应用[1,2]。在研究钛/钢爆炸焊接的试验中,一次爆炸焊接试验需要消耗面积较大的钛板,若钛板面积过小,容易因边界效应而导致焊接效果不稳定,因此常造成的钛板材料的浪费。张越举[3],高文柱等人讨论了钛/钢爆炸焊接的焊接工艺参数[4],但就试验方法而言,没有考虑到经济性,造成试验成本的升高。多数情况下,钛/钢爆炸焊接的装药量比较大,而得到的焊接面波形粗大,这样得到的焊接质量并不理想。因此需要采用模拟试验,根据基复板之间的间距来进行模拟试验。同时对传统的试验方案进行改良,采取一层复板,多层基板的焊接方案,结合实际测量的爆速数据进行分析,试验在一次起爆就可以得到多个不同的焊接结果,可以有效控制多次起爆所引起的误差,进而获得比较好的效果。

1 试验研究

1.1 实验材料

试验采用的炸药种类为膨化硝铵炸药,根据该种炸药的特性,其密度可随其装填的紧密程度变化,即密度可调节。实践经验表明,炸药的密度越大,炸药的爆速越高。爆炸焊接的基复板分别使用435不锈钢和纯钛板。实验材料的主要性能如表1所示。考虑到多层基板的叠加厚度和方便的控制间距增量,故选取基板厚度较小。复板及每层基板的厚度均为2 mm。基复板尺寸表如表2所示,其中第一组和第二组的基板分别为阶梯型放置。自上而下基板尺寸从小到大层层叠加放置,并且在一侧对齐。

基复板面积不宜过小,面积过小会导致焊接效果不稳定,面积太大又会造成浪费。因而选取面积适中的尺寸作为模拟试验材料。复板的面积应比基板面积稍大,为消除边界效应的影响,四周应超出基板装药厚度的长度为宜。

1 试验材料主要参数表

Table 1 Main parameters of test material

材料名称密度/(g·cm-3)维氏硬度Hv/(kgf·mm-2)弹性模量E/GPa435钢7.87200159Ti4.55205178

2 基复板尺寸

Table 2 Size of immobile plates and fly plates

组数类别种类厚度/mm尺寸/mm×mm第一、二组复板Ti2230×130第一组基板434钢260×100、100×100、140×100、180×100第二组基板434钢236×100、72×100、108×100、144×100、180×100

1.2 炸药药量计算

炸药的作用对象为复板,因此炸药的药量与复板有直接联系。复板飞行的速度下限计算公式由邓伟,蔺宇龙等人文章中所述的Deribas等提出的计算公式[5,6]

(1)

式中:Vp min为复板飞行速度下限;K为常数,其取值在(0.6~1.2)之间;Hv为复板维氏硬度;ρ为复板密度。

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一般情况下,当复板的表面清洁的无杂质,较为平整时,式(1)中K取0.6。根据复板维氏硬度和密度即可计算出焊接窗口下的复板的最小速度Vp,根据特里巴斯(дериǒас)一维复板飞行运动公式有[7]

(2)

式中:Vp为复板飞行速度Vd为炸药的爆轰速度;C为单位面积装药量;mf为单位面积的复板质量。

炸药爆速的取值根据实际使用的炸药种类进行确定,根据式(1)和式(2)联立,则可根据炸药爆速Vd计算出复板单位面积的药量mf,并结合复板面积就可计算出总装药量。计算表明,在复板材料确定的情况下,装药量主要由炸药爆速控制,炸药的爆速高则应适当减少装药量,黄文尧等人研究表明试验采用低爆速炸药有助于形成微波状结合[8]

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(3)

爆炸焊接爆速不宜过高[9],计算取爆速Vd为2600 m/s,则结合式(3)结果代入式(2)中可有

(32C/27mf+1)1/2=1.538

(4)

图4中编号a、b、c、d金相照片分别对应表2中6、7、8、9号试验。编号为5的试验相照片与a相似,不成波状结合,波纹平直。改进后的试验组实时所测得爆速为2760 m/s,明显小于第一次试验,所得到的焊接界面质量更好。观察图4中各金相照片,钛板和钢板之间的结合界面在合适的间距参数下呈规则的正弦波状,没有明显的杂质,也没有前文所提的结晶熔池和气孔出现,两种金属之间分界明显,没有过渡层出现,实现原子与原子间的直接结合,表明焊接效果良好。

C=27mf(1.5382-1)/32=

27×0.91(1.5382-1)/32=1.048 g/cm2

当基本随机变量服从正态分布时,端口打磨机器人的可靠度对基本随机变量X=(X1,X2,…,Xn)T均值的灵敏度为:

(5)

(1)充分发挥裕固文化特色优势的同时,进一步加大政府的领导和资金投入,充分调动裕固族人民和专家学者的积极性,促进裕固族传统体育的推广和普及。

在试验进行过程中,两次所取的药量分别为407 g和272 g,根据前文分析,显然407 g的装药量过大,药量过大的后果就使得炸药爆速过高,容易在焊接截面形成过融现象,使焊接界面出现缺陷,造成焊接质量下降。因此在第二组试验中,降低装药量,使炸药密度下降,达到更好的焊接效果。

所采集的渗沥液每次分别取10~20 mL加6 mL浓硝酸进行微波消解后对重金属砷、汞、镉、铬、镍等指标分析;另外分别取150 mL渗沥液在室温下6 000 r·min-1离心所得上清液进行有机物组成、总氮、总磷、生化需氧量等指标分析;无菌玻璃瓶采集的水样直接培养测定粪大肠菌群。

1.3 试验方案与过程

一层复板,阶梯型多层基板同时爆炸焊接的设计方案不同于传统单层基、复板的爆炸焊接。该试验方案较传统单层基、复板实验有如下优点:(1)实验所用材料成本低。钛是一种高价金属,传统试验方案一块钛板只能考虑一种焊接参数的一个工况,故而十分耗费材料。相比之下,新型试验方案一次可根据实际需要设置多层基板,减小横向对比所需要的材料成本。(2)实验效率高。就所述实验方案来说,通常一次传统的单层基、复板试验的实验准备就需要2~3 h,而多层基板则相对节约了多次实验的时间,因此更为高效。(3)变量控制更加稳定。爆炸焊接所用的炸药药量也是影响爆炸焊接质量的重要因素,在研究基、复板间距对焊接质量的影响时,需要控制药量不变,若多次操作则会有偶然误差增加的几率。而采用新型的实验方案则无需要担心药量的改变,一次实验只用一根雷管起爆一定质量的炸药,使炸药量固定,故而组内对比偶然性更低。新型试验方案的装置中复板采取平行放置,试验装置如图1所示。

图 1 爆炸焊接装置 Fig. 1 Explosive welding device

试验方案分为两组进行,组内控制基板与复板之间的间距为唯一变量,组间控制装药量即装药密度。在试验过程中,采用测时仪法对炸药爆速进行测量,在盒型装药中埋有自制爆速仪探针,实现测量爆速与爆炸焊接同时进行,试验采用BSW-3A型智能五段爆速仪。爆速仪的工作原理为断融式测速原理。爆炸焊接时,焊接装置置于空气爆炸罐内,采用电雷管起爆,测速探针通过爆炸罐接线柱连接至罐外爆速仪。

进行试验时需要注意以下几点:(1)起爆雷管应放置在多层基板的一侧,其目的是避免复板与逐层升高的基板碰撞而消耗过多的动能,从而不能完整的实现多层基板同时焊接。(2)炸药与复板之间涂有厚度为1 mm的黄油防护层,为防止炸药爆炸产生的大量爆热融化钛板表面,进而影响焊接质量。(3)炸药水平轴线上每间隔50 mm垂直插有测量爆速探针,探针需要固定,不能有松动。松动的探针与炸药接触不紧密,炸药爆轰时有可能出现不熔接,易导致无法测量爆速。(4)为避免爆炸焊接边界效应对焊接质量的影响,复板及装药尺寸大于基板四周的装药高度hw的距离,根据段卫东等研究[10],爆炸焊接的边界效应的影响范围一般为装药高度hw,采取加大复板的面积,来减小其影响。(5)复板与钢基础之间的支撑采用纸质柱支撑,不宜采用刚性支撑。(6)试验采用钢板作为基础,试验结果反应良好。(7)试验实时所测得的炸药爆速,共有三个数据,以其平均值作为炸药的爆速数据。

在试验过程中发现第一组试验结果焊接效果不佳,经分析为爆速过高,为得到更好的焊接质量,第二组试验除改变装药密度外,也拓宽间距的取值范围,便于更好的优选试验参数,改进后的试验方案及试验结果如表3所示,表3中编号为1~4的数据为第一组试验结果,编号为5~9的数据为第二组试验结果。

In the sigma–delta modulator, the noise is mainly determined by the switch-capacitor thermal noise of the first integrator. The sampling phase and integral phase will both contribute to certain noise. In the sampling phase, the input noise power is:

3 改进后的试验方案及试验结果

Table 3 Improved test scheme and test results

序号金属材料间距/mm炸药密度/(g·cm-3)爆速/(m·s-1)波幅/mm   焊接效果   半波长/mm周期/mm1Ti-钢5.00.68134700.0890.3130.5702Ti-钢7.00.68134700.1390.3650.5873Ti-钢9.00.68134700.1960.5050.7964Ti-钢11.00.68134700.1760.5530.7155Ti-钢2.50.5052760波纹平直不理想6Ti-钢4.50.5052760波纹平直不理想7Ti-钢6.50.50527600.1020.3310.5318Ti-钢8.50.50527600.1340.3760.4399Ti-钢10.50.50527600.1220.3700.648

2 试验结果分析

爆炸焊接试验之后,需要对试验复合板进行切割、打磨、腐蚀清洗处理。切割采用线切割机进行。切割之后需要进行初步打磨,打磨材料选择不同目数的砂纸由粗到细逐步打磨,所用的砂纸目数分别为200#、500#、2500#、7000#的砂纸,以打磨掉材料表面的氧化层和杂质,使其光亮平整。然后再用干净的棉花蘸取丙酮溶液擦拭材料表面。腐蚀剂选用硝酸和氢氟酸混合溶液,预处理之后放置在金相显微镜下观察[11]。编号为a~d的第一组试验金相照片如图2所示。

图 2 第一组焊接界面波金相照片 Fig. 2 Metallographs of the first group welding interface wave

[7] LI Hong-fu,DUAN Wei-dong.Manufacture of the Copper/Steel kelmet scaleboard with the method of explosive welding[J].Blasting,2005,22(3):101-104.(in Chinese)

分析表2中界面波形波幅等数据,绘制出界面波形特征图,如图3所示。

对图3进行分析,不难得出随着爆炸焊接间距的增加,界面波形的波幅、半波长以及周期呈增大的趋势。尤其是当取间距为9 mm时,界面波的各项参数都达到最大,这为选取钛/钢爆炸焊接的最优间距提供了方向。但结合a~d号复合板金相照片分析,a号复合板界面波纹细小,不构成波状结合,焊接效果不理想。虽然b、c号界面呈波状结合,又因该次试验爆速过高而导致的其出现结晶熔池及气孔,表明该次试验效果并不理想。d图所示的试验复合板出现较好的结合界面,既呈波状结合,又没有出现缺陷,说明在该间距下,焊接效果良好。在结合其间距参数的前提下,控制炸药爆速进行改进试验,并有改进后试验所得的界面金相照片如图4所示。

图 3 第一组界面波形特征图 Fig. 3 The first group interface wave features

图 4 第二组焊接界面金相照片 Fig. 4 Metallographs of the second group welding interface wave

结合复板单位面积质量mf为0.91g/cm3,可求出单位面积装药量为

分析第二组试验界面波的特征数据,绘制图5。

图 5 第二组界面波形特征图 Fig. 5 The second group interface wave features

分析所能测得的波形数据,界面波幅随间距的增加先增加后减少,并推测在(9~11) mm之间得到最佳的结合波形,该趋势在图3和图5中均有体现。在图5所示的结果分析中,伴随着该趋势所出现的是良好的界面波形,界面波形呈正弦微波状。在大量的实践中所得出的结论表明,正弦微波状界面波形是最佳的结合界面。在采取多层阶梯基板,一层复板的爆炸焊接方案下,既然能得到较好的波形发展趋势,即说明该方案是切实可行的。

3 结论

(1)前文所进行的试验及其结果分析提出并验证了一种新的爆炸焊接方案—阶梯型多层基板同时爆炸焊接方案。在该方案的指导下,钛/钢复合板焊接界面焊接质量较好,并观察得到随间距改变而规律化发展的波形,突出其成本低、高效、稳定的优点,为相似研究提供参考。

(2)根据两组复合板焊接界面的对比分析,在装药密度为0.505 g/cm3左右的膨化硝铵炸药作用下,选取复板厚度为2 mm,单位面积装药量为1.048 g/cm2,选取间距为(9~11) mm时,钛、钢金属板的爆炸焊接界面的界面波形参数最佳且呈微波状结合,无气泡,无结晶熔池,金属过渡层不明显,两种金属紧密结合,焊接质量好。

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对药量进行初步计算,根据表1、2可有以下参数,复板单位面积的质量mf为0.91 g/cm3,考虑到砂纸打磨光滑度不够,因此取常数K为1计算复板所需要的最小飞行速度,根据(1)式可计算出Vp min,有

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无论是PBL教学法、TBL教学法、虚拟现实教学法还是标准化病人教学法,都有着优势与不足。但是即使教学模式产生了巨大变化,它的根本目的也不会改变,就是让学生在最少的时间里最大程度的掌握医学知识和临床实践技能。为了达到这种目的,教师在课堂上也可以尝试将几种教学方法相结合,实现优势互补。

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图2中编号为a、b、c、d的金相照片分别对应表2中的1、2、3、4号试验。爆炸焊接界面波形主要分为3类:平直细小波形,微波状,大波状。根据界面波形来判断焊接质量的好坏,主要观察其焊接界面的波形是否呈均匀微波状结合[12]。观察图2中编号为b、c的钛/钢焊接界面的波形发现,其波形并非为理想正弦波形,而是在钢基板的波峰右侧出现了白色的漩涡状组织,经分析发现该白色漩涡为基板金属射流冲击复板而出现的结晶熔池,是一种冶金缺陷,同时在结晶熔池附近出现了一些气孔对复合板的质量有一定的影响。结合表2中第一组所测的实时爆速进行分析,可以得出出现该现象的原因是炸药的爆速Vd过高,基板与复板碰撞而产生的金属射流在冲击复板之后折射返回基板处压力仍然巨大,以至于在较低间距下都形成了漩涡状的结晶熔池和气孔,在b、c中甚至有基板金属脱落现象出现。

根据式(5)分析可有,炸药的爆速越高,所需要的装药量就越小,在爆速为2600 m/s的假设条件下,所需要的最大装药量为313.25 g,即在试验中所需的药量应不超过该药量,应控制在其范围内。经过同样的分析在爆速为3470 m/s的情况下,所需要的药量仅为284 g。

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常规组这一组的患者服用的是尼莫地平片。出自拜耳,编号是BJ07048,每片质量30 mg。病人一天三次,每次都是一片,时间是180天。另外也要银杏叶片。出自扬子江这个公司,编号12022821,每片质量是0.5 g。患者在一天中吃三次,然后每次的用量是两片,时间是180天。

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主机正向抽水与反向发电是两个完全不同的运行状态,正向抽水时设电流速断保护、过负荷保护、低电压保护、单相接地保护、主机超速等保护,反向发电在此基础上增加了过电压保护、超频保护。

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陈沛,段卫东,唐玉成
《爆破》 2018年第1期
《爆破》2018年第1期文献

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