复合板爆炸焊接参数计算窗口开发★

郭 静，梁 斌

（中钢不锈钢管业科技山西有限公司，山西 晋中 030600）

爆炸焊接理论和实践表明，对于两种金属组合，要使它们成功的复合，存在一个可以实现焊接的参数范围。爆炸焊接过程中存在3个最基本的动态参数：碰撞速度、碰撞角和碰撞点移动速度。3个动态参数在某一个恰当的范围内变化时，爆炸焊接才能够成功，这个范围称为爆炸焊接的可焊性区域。

图1 爆炸焊接过程示意图

爆炸焊接工艺参数分为静态参数和动态参数。静态参数包括预制角（α）、装药质量比（R）、基板和复板之间间隙（h）；动态参数包括炸药爆轰速度（vd）、折弯角（θ）、复板与基板发生碰撞速度（vp）、碰撞移动速度（vc）、基板与复板之间的动态折弯角（β）。

目前，爆炸焊接参数一般根据母材的材质、规格，炸药的爆速、密度等，通过经验公式计算获得。爆炸焊接工艺参数多，经验计算公式复杂，计算过程逻辑层次易混淆，人工计算易出错。如果能用计算机程序实现爆炸焊接参数的自动求解，将有助于爆炸焊接工艺参数的准确选择，提高工艺设计效率。

本文根据爆炸焊接参数计算的经验公式，利用Visual Basic软件进行编程，开发适合双金属复合板爆炸焊接参数选择系统，以方便复合板制造企业双金属复合板爆炸焊接参数选择。

1 爆炸焊接参数确定

1.1 爆炸焊接参数

1.1.1 静态参数

爆炸焊接的静态参数是指炸药在未引爆前，设定的工艺参数，主要包括以下几个参数。

1）预制角（α）。初始安装时基板和复板之间的夹角，平行安装工艺下初始预制角为零。

2）装药质量比（R）。指复板单位面积上装药量，可用式R=C/M表示，式中C、M分别代表炸药的质量和复板的质量。

3）基板和复板的间隙（h）。即起爆前基板和复板之间的间隔距离。

1.1.2 动态参数

爆炸焊接动态参数是起爆后，复板和基板在复合过程中，整个爆炸焊接系统中动态变化的参数。图2是爆炸焊接瞬时过程示意图。从运动学几何关系中可以推导得到vp、vc、vd、θ和β几个爆炸焊接动态参数之间的关系。由图2几何关系示意图知，碰撞点移动速度vc与vd炸药爆速存在如下关系：

在平行安装爆炸焊接工艺中α=0，则有：

因此：

3个基本的动态参数存在式（3）的基本关系，因此，2个参数确定后，另外一个也就知道，所以一般用3个参数中任意两个组合均可在平面坐标系中构建爆炸焊接可焊性区域。

图2 爆炸焊接动态参数几何关系

图3 爆炸焊接窗口

1.2 爆炸焊接参数极限确定

1.2.1 流动限（νc，min）

撞击点移动的速度达到νc时，金属表面开始出现射流，νc是可以使待结合面产生射流的临界撞击点速度。当撞击点移动速度νcp小于νc时，碰撞点压力小于材料动态屈服极限，则不能产生射流。撞击点移动速度νcp应该大于临界撞击点移动速度[3]。临界撞击点移动速度νc由以下经验公式确定[4]：

式中：Re为雷诺数，取10.6；H1、H2分别是复板和基板的维氏硬度；ρ1、ρ2分别是复板和基板的密度[1]。

1.2.2 声速限（νc，max）

为了保证射流形成，撞击点的速度νc还必须限制在材料的体积声速之内。异种材料进行爆炸复合时，撞击点的速度νc要小于组合材料中体积声速较小的值。

1.2.3 下限（νp，min）

使基板和复板实现冶金结合，复板与基板最小的撞击速度叫做爆炸焊接的下限，爆炸焊接下限νp，min可由下面经验公式求得：

式中：σb是材料的抗拉强度，ρ是材料的密度。

1.2.4 上限（νp，max）

爆炸焊接常被归为“固相焊”，复板与基板撞击速度太大，将导致结合界面产生熔化，异种金属爆炸焊接时，界面熔化可能导致在结合界处产生脆性金属间化合物，损害界面结合强度。为了避免界面出现熔化，复板和基板最大撞击速度可用以下经验公式确定[5]：

式中：ρf，ρb分别是复板和基板的密度（kg/m3）；hf，hb分别是复板和基板的厚度，m；Cpf，Cpb分别是复板和基板的比热，J·kg-1·K-1；Cf，Cb分别是复板和基板的声速（m/s）；αf，αb分别是复板和基板的热扩散率，m2/s；VC是碰撞点的移动速度，m/s；Tmpmin复板和基板两者中熔点较低值，K；tmin反射稀疏波达到界面的最短时间为理论常数，一般取0.039。

当以上4个参数确定后，就可以根据vp=2vc·sin绘制爆炸焊接窗口。另外，为了保证射流产生，动态折弯角β应该在5°~25°取值[6，7]。

首先计算得到双金属爆炸焊接流动限、声速限、上限、下限，从而确定“理论最优”碰撞速度vp和撞击点移动速度vc，最后以撞击点移动速度vc为横坐标，动态撞击角β为纵坐标绘制爆炸焊接可焊性窗口。爆炸焊接窗口确定后，计算装药比、基复板间隙、炸药量等爆炸焊接静态参数。

2 爆炸焊接参数计算系统开发

2.1 试验材料

选用几何尺寸为1 050 mm×650 mm×1 mm TA1钛板，1 000 mm×600 mm×3 mm Al-1 060铝板，进行钛/铝爆炸焊接试验。

2.2 爆炸焊接参数确定

利用开发的双金属爆炸焊接参数计算系统，首先从材料库中选择复板材料为TA1，基板的材料为Al-1 060，材料性能参数自动读取；手动输入本次爆炸焊接试板的几何尺寸；点击“计算”按钮，系统自动计算得到爆炸焊接极限值，如图4所示；点击“绘制爆炸焊接窗口”按钮，弹出图5所示的爆炸焊接可焊接性窗口。点击“计算最佳动态参数”（如图6），可以在爆炸焊接窗口范围内计算得到“理论最优参数”。

图4 爆炸焊接参数输入窗口

图5 绘制爆炸焊接窗口

3 结论

本文系统的梳理了爆炸焊接中静态参数、动态参数之间相互关系。针对爆炸焊接工艺参数多，经验计算公式复杂，计算过程逻辑层次易混淆，人工计算易出错的困难，利用Visual Basic软件进行编程，开发适合双金属爆炸焊接参数选择系统，以方便工业生产中双金属复合板爆炸焊接参数选择。所开发的系统主要包含以下功能：

图6 最佳参数输出窗口

1）建立常用金属材料数据库，数据库内置碳钢、不锈钢、铝、钛、铜等材料，包含材料的力学性能、物理性质等参数，数据库可根据需要添加材料种类。

2）开发焊接窗口软件，实现不同金属组合爆炸焊接可焊性窗口的自动绘制。

3）在可焊窗口范围内，根据爆炸焊接母材的规格，合理选择炸药的种类，计算得到“理论最优”静态参数，确定炸药用量及基、复板间隙等工艺值。