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第20卷 第6期南 京 理 工 大 学 学 报Vol . 20 No. 6 1996年12月 Journal of Nanjing Un iversity of Science and Technology Dec.1996 爆炸复合参数的计算机辅助设计 αΞ 樊新民 ΞΞ 张 越① 南京理工大学材料科学与工程系,①机械学院,南京210094 摘要 爆炸复合是一个复杂的物理化学过程,其最佳工艺参数必须由试验确定。 为 了指导试验参数的选择,可根据理论和半经验公式,确定出工艺参数的范围,即爆 炸复合焊接性窗口。 该文依据确定爆炸复合焊接性窗口的方法,编制了计算机辅助 设计程序,计算并绘制了钽钢爆炸复合的焊接性窗口。 用焊接性窗口指导试验参 数的选择,通过试验确定了最佳爆炸复合工艺参数。 结果表明,该程序可用于指导 选择爆炸复合工艺参数。 关键词 爆炸包覆,计算机辅助设计,钽 分类号 TG 456. 6 爆炸复合利用炸药爆轰时产生的冲击波高压驱动金属运动,两金属表面发生碰撞,形成 射流,将表面膜清除,并在冲击波高压作用下形成界面冶金连接。 爆炸复合可以将异种金属 复合在一起形成复合板材或管材,既满足特殊需求,又能节约稀有金属。 爆炸复合是一个复 杂的物理化学过程,为获得良好的复合效果,须由试验确定合适的爆炸复合工艺参数。 现已 有许多确定爆炸复合临界条件的理论或半经验公式,本文依据这些公式,编制了计算机辅助 设计程序,计算出爆炸复合工艺参数的临界条件,绘出焊接性窗口,确定出最小装药量和间 距,指导试验参数的选择。 1 计算爆炸复合工艺参数的临界条件 爆炸复合主要的工艺参数是碰撞点移动速度vc,复板的动态弯折角 Β和复板的飞行速 度vp。 在平行安置时, 3个参数有如下关系[1] vp 2vcsin Β 2 1 爆炸复合工艺参数只有在一定范围内才能实现良好的爆炸复合效果。 为确定合适的爆炸复 合工艺参数,首先确定爆炸复合工艺参数的临界条件,在vcΒ平面上作出爆炸复合的焊接 性窗口。 111 碰撞点移动速度的临界条件 α Ξ ΞΞ樊新民 男 38岁 高级工程师 南京理工大学校科研基金资助项目 本文于1996年3月2日收到 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 为形成界面结合强度高的波状结合,碰撞点移动速度vc应大于临界值vt[2] vt 2R e HV f HVb ΘfΘb 12 2 式中,R e为雷诺数,可取1018,HVf、HVb分别为复板和基板的维氏硬度 ,N m 2; Θf,Θb分别为 复板和基板的密度, kgm 3。 为形成稳定的再入射流, vc应小于材料的体积声速vs, vs E 31- 2ΜΘ 12 3 式中,E为材料的弹性模量, Pa;Θ为材料的密度, kgm 3; Μ 为泊松比。 112 复板最小飞行速度vpm in 爆炸复合时,复板在碰撞点产生的压力与复板飞行速度成正比。 若复板飞行速度过小, 所产生的压力不足,不能实现复合。 为在碰撞点产生足够的压力,vp应大于最小临界速度 vpm in。vpm in按下面的方法确定 [3] vpm in Ρb Θ 12 4 式中,Ρb为材料的抗拉强度, Pa;Θ为材料的密度, kgm 3。 当待复合材料是异种金属时, 则按 4式分别计算2种材料的vpfm in和vpbm in,并将vpfm in、vpbm in分别代入p 1 2 vpvsΘ中计算相应的 碰撞压力pf和pb,取p maxpf,pb , 最小碰撞速度vpm inp 1 vsfΘf 1 vsbΘb , 下标中f和b分 别表示复板和基板,vsf与vsb分别是复板和基板的体积声速。 113 复板最大飞行速度vpmax 复板飞行速度vp越高所产生的动能越高,转变为复合界面的热量愈大。 如果所产生的 热量使复合界面产生过渡熔化,界面强度就要降低。vp的最大值由下式确定[1] vpmax 1 N Tmvs vc [ Κcvs Θhf ]1 4 5 式中,N为常数;Tm为材料的熔点, K;Κ为热导率,WmıK ; c为比热容 , J kgıK ; vs为 体积声速 ,m s; vc为碰撞点移动速度 ,m s; hf为复板厚度 ,m 。 异种金属复合时,式中的Tm、 Κ 、 Θ 、c应取自界面容易熔化的那种材料。 熔点低,导温系数 a Κ Θc 大的材料界面容易熔化。 用Tm与a的比值衡量界面熔化的难易程度。 比值小的材料界面容易熔化。 T m a TmΘc Κ 6 114 碰撞角 Β 碰撞角的大小一般为5～25 [1]。 如果超出这个范围, 则无论vp是何数值都不能实现复 合。 这是因为随着 Β增大,射流量就增大,能产生高度的表面净化作用;当 Β过小时,射流消 失,无法进行自清理,不能复合。 2 确定装药量和间距 爆炸复合时,装药量的多少采用装药质量比R衡量, R C M 7 式中,C,M分别表示单位面积装药质量和复板质量。 对于常用的硝铵类炸药,设炸药的爆速 015南京理工大学学报第20卷第6期 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 图1 程序框图 Fig. 1 Scheme of program 为vd,装药质量比R与复板飞行速度vp有下述 关系[1] v p vd 112 1 32 27R 12- 1 1 32 27R 12 1 8 变换后得 R 27 32 [ 112vdvp 112vd-vp 2- 1] 9 对于平行安置的爆炸复合结构,碰撞点移动速 度vc与炸药爆速vd相等,因此所用炸药的爆速 应在vt～vs之间。 在确定了复板飞行速度vp以 后,用7式和9式确定装药质量比和装药量。 爆炸复合时,为使复板能加速到所需的飞 行速度,复板与基板之间须有一定的间离。 根据 复板密度的不同,间距s按下式确定[4] s 1 2～ 2 3 hf Θ 5 1 2～ 1 hf 5Θ 10 10 式中,hf为复板的厚度,mm。 按上述方法,能确定出爆炸复合工艺参数 的临界条件和其它参数,用FORTRAN语言编 制了计算机辅助设计程序,图1是程序框图。 在 输入待复合材料的物理性能与力学性能参数 后,计算出vt、vs、vpm in和vpmax。 为绘出焊接性窗 口中vpm in、vpmax的2条曲线,利用1式建立用 vc,Β表示vpm in和vpmax的2个有关数据文件,调用二维科技绘图软件GRA PHER,在vcΒ 平面上作出焊接性窗口,并确定最小装药量和间距。 3 应用实例 计算并绘制了Ta与30CrN i2 M oVA钢 爆 炸 复 合 的 焊 接 性 窗 口。表1是Ta和 30CrN i2 M oVA钢的物理性能和力学性能数据。 图2是焊接性窗口。 计算出复板最小飞行速 度vpm in为310m s, 对应的最小装药质量比R为0146。 据此选定了一组工艺参数进行试验, 结果见表2。 根据试验确定出最佳装药质量比为017～019。 应用情况表明,采用本文依据的方 法所编制的程序,确定爆炸复合工艺参数的临界条件,并绘出焊接性窗口是完全可行的,对 选取试验参数有一定的指导意义,有助于降低试验成本,提高效率。 115总第90期樊新民 张 越 爆炸复合参数的计算机辅助设计 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 表1 Ta和30CrN i2 M oVA钢的物理性能和力学性能 Table 1 Properties of physics and mechanical of Ta and 30CrN i2 M oVA 材料HVΡbM PaΘ kgım3TmKcJıkgıK- 1Κ WımıK- 1vsmıs- 1 Ta15029516 6003 269150172541403 530 30GrN i2MoVA 3381 1187 8001 810486100371514 800 表2 试验参数及结果 Table 2 Parameters and result of test R复合率 界面形态 01575波状 01795波状 01995波状 图2 焊接性窗口 Fig. 2 W eldability w indow 参考文献 1 邵丙璜,张凯.爆炸焊接原理及其工程应用.大连大连工学院出版社, 1987 2 Cowan G R,Bergmann O R,Holtzman A H. M echanism of bond zone wave ation in ex2 plosion clad metals . M et T rans, 1971, 2 3 145～3 155 3 Stivers SW ,W ittman R H. Computer selection of the opti mum explosive loading and weld geometry. Proc 5th Int Con of the Ceter for H igh Energy Rate ing. ColoradoU niversi2 ty of Denver, 1975 4 布拉齐恩斯基.爆炸焊接、 成形与压制.李富勤,吴柏青译.北京机械工业出版社, 1988 Computer A ided Design of Parameters of Explosive Cladding Fan Xinm in Zhang Yue① Department ofM aterial Science and Engineering,NU ST, 210094 ①School ofM echanics,NU ST,N anjing 210094 ABSTRACT The explosive cladding is a complex process of physics and chem istry. The opti mum parameters of explossive cladding are obtained by experi ment. In order to select process parameters, first the range of parameters is determ ined by theoretical and sem iem2 pirical ula. In this paper, on the basis of determ ining w eldability w indow of explosive cladding, the program of computer aided design is draw n, thew eldabilityw indow of Ta and steel explosive cladding is calculated and draw n. The result show s that this is a good w ay of determ ining parameters . KEY WORDS explosive cladding, computer aided design, tantalum 215南京理工大学学报第20卷第6期 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.