本發(fā)明屬于爆炸焊接領(lǐng)域，涉及一種可提高大厚度高強(qiáng)度合金爆炸焊接可焊性的方法。

背景技術(shù)：

1944年，Carl在一次炸藥爆炸中觀察到兩片黃銅片因受到炸藥的沖擊而連接在一起，從而提出了爆炸焊接的概念，并在20世紀(jì)60年代由美國人Phillpchuk成功應(yīng)用在工業(yè)生產(chǎn)中。由于爆炸焊接可以實(shí)現(xiàn)廣泛的同種或者異種金屬間，甚至是非金屬與金屬間的連接，并具有良好的靈活性(同時(shí)實(shí)現(xiàn)較大面積和層數(shù))，且優(yōu)良焊接接頭的強(qiáng)度可超過母材本身的強(qiáng)度，因此在化工，軍事，核工業(yè)等領(lǐng)域均獲得了廣泛的應(yīng)用。

理論上來講，爆炸焊接一次可焊接的面積是不受限制的，并且可以保證穩(wěn)定的焊接質(zhì)量，而且工藝簡單，便于大批量的生產(chǎn)，因此在大尺寸板材的復(fù)合上優(yōu)勢(shì)尤其明顯。但是，隨著爆炸焊接應(yīng)用領(lǐng)域的不斷延伸與拓展，在某些重要裝備和重點(diǎn)工業(yè)上，對(duì)于高性能大尺寸復(fù)合板材間的復(fù)合需求越來越迫切，例如核工業(yè)中的第一壁材料，即可由高性能的銅合金和不銹鋼板材進(jìn)行爆炸復(fù)合制備。在這些新的應(yīng)用場景和需求中，爆炸焊接的實(shí)施不僅要求實(shí)現(xiàn)高性能大尺寸板材的連接，還要求具備針對(duì)超大厚度(如20mm厚高性能銅合金)高性能板材的適應(yīng)性，但是，在普通的爆炸焊接工藝下，飛板厚度的提高通常面臨焊接參數(shù)窗口中上限的降低，使可焊性降低，且面臨爆炸焊接需要克服的彎矩上升，用藥量大，實(shí)施困難等，因此需要探索改進(jìn)和專門設(shè)計(jì)某些特定組合材料的爆炸焊接實(shí)施方法，以增強(qiáng)爆炸焊接在一些特殊領(lǐng)域的應(yīng)用能力。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于解決上述現(xiàn)有技術(shù)的問題，提供一種可提高大厚度高強(qiáng)度合金爆炸焊接可焊性的方法，該方法利用特定體系的高性能合金具有的可熱處理強(qiáng)化的性質(zhì)，通過使用合理的材料組合和相應(yīng)的材料狀態(tài)，降低大厚度高性能材料爆炸焊接實(shí)現(xiàn)上的困難，一方面可以有效降低大厚度高強(qiáng)度合金爆炸焊接的實(shí)施難度，擴(kuò)大大厚度飛板爆炸焊接的可焊性窗口，提高焊接接頭的質(zhì)量，另一方面復(fù)合材料的性能通過后續(xù)熱處理連續(xù)可調(diào)。此外，該方法還可以有效降低爆炸焊接炸藥的使用量和使用強(qiáng)度，更加環(huán)保節(jié)能。

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)：

一種可提高大厚度高強(qiáng)度合金爆炸焊接可焊性的方法，包括以下步驟：

1)根據(jù)《Asm Handbook》中關(guān)于熱處理制度的規(guī)定對(duì)經(jīng)過冷變形后的基板和飛板在熱處理爐內(nèi)進(jìn)行固溶處理，得到平均晶粒尺寸小于100μm的固溶態(tài)的基板和飛板；其中，基板和飛板的材料選擇可時(shí)效強(qiáng)化的合金；

2)對(duì)固溶態(tài)的基板進(jìn)行表面清理；當(dāng)基板與飛板為異種材料時(shí)，執(zhí)行步驟3)，否則執(zhí)行步驟4)；

3)根據(jù)基板和飛板的材料組合及后期熱處理的需要，選擇電鍍、爆炸焊接或熱噴涂的方法制備能夠降低焊接界面產(chǎn)生硬脆金屬間化合物傾向的中間層，或者在飛板和基板之間放置一層厚度為0.5-1mm的中間層，然后執(zhí)行步驟5)；

4)對(duì)經(jīng)過步驟2)處理的基板進(jìn)行預(yù)先熱處理，對(duì)固溶態(tài)的飛板進(jìn)行表面清理；

5)根據(jù)基板和飛板的性質(zhì)計(jì)算爆炸焊接窗口，爆炸焊接參數(shù)根據(jù)盡量接近下限值的原則進(jìn)行選取，完成爆炸焊接布置，進(jìn)行爆炸焊接；

6)對(duì)復(fù)合材料進(jìn)行焊接后清理，然后在熱處理爐內(nèi)，根據(jù)《Asm Handbook》中關(guān)于基板和飛板熱處理制度的規(guī)定和實(shí)際服役性能需求進(jìn)行后續(xù)熱處理。

本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于：

所述冷變形后的基板和飛板為鑄造態(tài)或者時(shí)效強(qiáng)化態(tài)。

所述可時(shí)效強(qiáng)化的合金包括銅合金、鋁合金、鎂合金或鎳基合金。

所述步驟4)中，預(yù)先熱處理的溫度和和時(shí)間按照《Asm Handbook》中關(guān)于基板去應(yīng)力退火的規(guī)定以及關(guān)于飛板與基板在熱處理溫度相近但時(shí)間長短的差異進(jìn)行。

所述步驟5)中，爆炸焊接采用有間隙的平行法或者傾斜法。

所述步驟6)的后續(xù)熱處理中，根據(jù)《Asm Handbook》手冊(cè)中關(guān)于合金熱處理制度的規(guī)定和實(shí)際服役的性能需要連續(xù)調(diào)整熱處理溫度或熱處理時(shí)間。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果：

本發(fā)明采用可熱處理明顯強(qiáng)化的基板和(或)飛板進(jìn)行爆炸焊接，一方面使用軟態(tài)的型材可以有效降低爆炸焊接窗口的下限，解決了直接使用大厚度高強(qiáng)度合金進(jìn)行爆炸焊接時(shí)，本身焊接窗口小且又面臨爆炸焊接上限下移等問題，增強(qiáng)了可焊性，爆炸焊接過程中的飛板變形不僅可以降低熱處理溫度且可以有效促進(jìn)析出過程，有利于后續(xù)熱處理過程中獲得較高的性能；此外，若使用軟態(tài)的飛板時(shí)，需要克服的彎矩小，爆炸焊接過程中，同樣的碰撞速度要求下，軟態(tài)飛板要求的爆炸載荷顯著小，因此爆炸焊接過程中要求的炸藥使用量小，更加環(huán)保；爆炸焊接后的復(fù)合材料根據(jù)服役條件和使用需求，其性能在要求的范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)。

【附圖說明】

圖1為本發(fā)明基板和飛板的焊接示意圖；其中，a為平行法，b為傾斜法；

圖2為本發(fā)明不同厚度飛板的爆炸焊接窗口來流速度和復(fù)板飛行速度的V_f-V_p圖。

其中：1-引爆雷管；2-炸藥；3-緩沖層；4-飛板；5-中間層；6-基板；7-地面。

【具體實(shí)施方式】

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)描述：

參見圖1，基板6放置于地面7上，基板6的上表面設(shè)置中間層，飛板4上依次設(shè)置緩沖層3和炸藥2，炸藥2的側(cè)面設(shè)置引爆雷管1。固溶處理一般應(yīng)參照具體的合金成分并參考材料手冊(cè)中的相關(guān)規(guī)定，選用經(jīng)過冷變形后的型材主要是為了保證固溶后的材料組織不粗大，為后續(xù)熱處理中的材料組織留出余量。

本發(fā)明可提高大厚度高強(qiáng)度合金爆炸焊接可焊性的方法，包括以下步驟：

1)根據(jù)《Asm Handbook》中關(guān)于熱處理制度的規(guī)定對(duì)經(jīng)過冷變形后的基板和飛板在熱處理爐內(nèi)進(jìn)行固溶處理，得到平均晶粒尺寸小于100μm的固溶態(tài)的基板和飛板；其中，基板和飛板的材料選擇可時(shí)效強(qiáng)化的合金，可時(shí)效強(qiáng)化的合金包括銅合金、鋁合金、鎂合金或鎳基合金；冷變形后的基板和飛板為鑄造態(tài)或者時(shí)效強(qiáng)化態(tài)；

2)對(duì)固溶態(tài)的基板進(jìn)行表面清理；當(dāng)基板與飛板為異種材料時(shí)，執(zhí)行步驟3)，否則執(zhí)行步驟4)；

3)根據(jù)基板和飛板的材料組合及后期熱處理的需要，選擇電鍍、爆炸焊接或熱噴涂的方法制備能夠降低焊接界面產(chǎn)生硬脆金屬間化合物傾向的中間層，或者在飛板和基板之間放置一層厚度為0.5-1mm的中間層，然后執(zhí)行步驟5)；

中間層的選擇主要依據(jù)元素在待焊母材中的反應(yīng)和擴(kuò)散活性，金屬間化合物的性質(zhì)，等等。如硬鋁合金之間的中間層可以選用AlCu惰性層，其在后續(xù)熱處理中Cu原子可以快速擴(kuò)散離開焊縫，再如鈦合金和鋼之間可以選用銅惰性層，因?yàn)镃uTi中間相對(duì)性能的不利影響低于FeTi中間相。

4)對(duì)經(jīng)過步驟2)處理的基板進(jìn)行預(yù)先熱處理，對(duì)固溶態(tài)的飛板進(jìn)行表面清理；預(yù)先熱處理的溫度和和時(shí)間按照《Asm Handbook》中關(guān)于基板去應(yīng)力退火的規(guī)定以及關(guān)于飛板與基板在熱處理溫度相近但時(shí)間長短的差異進(jìn)行。

預(yù)處理主要針對(duì)一些特定的需求，包括表面層制備后的擴(kuò)散(強(qiáng)化結(jié)合)以及去應(yīng)力退火，飛板和基板熱處理時(shí)間上的差異補(bǔ)償，等等。

5)根據(jù)基板和飛板的性質(zhì)計(jì)算爆炸焊接窗口，爆炸焊接參數(shù)根據(jù)盡量接近下限值的原則進(jìn)行選取，完成爆炸焊接布置，進(jìn)行爆炸焊接；爆炸焊接采用有間隙的平行法或者傾斜法。

爆炸焊接實(shí)施方法推薦選用有間隙的平行法或者傾斜法，主要利用變形可以降低時(shí)效溫度并促進(jìn)時(shí)效析出，避免最終熱處理溫度高造成母材性能退化或者焊縫處形成過量的中間相；若無此必要，則也可以采用其他布置形式的爆炸焊接。

6)對(duì)復(fù)合材料進(jìn)行焊接后清理，然后在熱處理爐內(nèi)，根據(jù)《Asm Handbook》中關(guān)于基板和飛板熱處理制度的規(guī)定和實(shí)際服役性能需求進(jìn)行后續(xù)熱處理。后續(xù)熱處理中，根據(jù)《Asm Handbook》手冊(cè)中關(guān)于合金熱處理制度的規(guī)定和實(shí)際服役的性能需要連續(xù)調(diào)整熱處理溫度或熱處理時(shí)間。

熱處理工藝主要是根據(jù)飛板的熱處理工藝來決定，在可以達(dá)到的最高水準(zhǔn)內(nèi)，飛板和接頭的強(qiáng)度連續(xù)可調(diào)。

實(shí)施例(Cu-Ni-Si合金與Cu-Ni-Si合金)

1)對(duì)時(shí)效強(qiáng)化后經(jīng)過60％冷變形的Cu-Ni-Si合金放于熱處理爐中在930℃，固溶1h；

2)同種金屬，不需中間層；

3)在爆炸焊接過程中，碰撞速度的下限值：

V_pmin＝K_s*(H_v/ρ)^0.5

其中H_v為材料的維氏硬度。

為了在基復(fù)板碰撞時(shí)形成射流，所需要的流動(dòng)限速度下限值：

V_cmin＝(2K_v*σ_max/ρ_min)^0.5

其中，Vc表示碰撞點(diǎn)的移動(dòng)速度，Kv表示材料強(qiáng)度的倍數(shù)，一般取為10～12倍，σ_max表示復(fù)合材料中強(qiáng)度較高的那個(gè)，ρ_min表示復(fù)合材料中密度較小的那個(gè)。

爆炸焊接速度的上限值：

V_pmax²＝(4*t_mp*v_sf/η*v_D²)*(2π*k*c*v_sf/ρ*h)

其中，t_mp為兩種材料中的較低熔點(diǎn)溫度，k為熔點(diǎn)較低的金屬板的熱傳導(dǎo)系數(shù)，c為熔點(diǎn)較低的金屬板的比熱，v_Sf為飛板材料的體積聲速，v_D為爆速。

另外，為了保證金屬爆炸焊接時(shí)形成再入射流，V_c要小于材料的聲速。

以上，由這四個(gè)速度形成的封閉圖形即成為某特定材料組合的焊接窗口。根據(jù)固溶態(tài)銅合金的性質(zhì)和以上公式計(jì)算的不同厚度飛板的爆炸焊接窗口來流速度和復(fù)板飛行速度的Vf-Vp圖(包括了硬態(tài)合金部分)如圖2所示。根據(jù)爆炸焊接參數(shù)的選擇原則，則最佳飛板飛行速度Vp＝Vpmin+0.1*(Vpmax-Vpmin)，此外，確定炸藥爆速，爆炸焊接布置方式以及角度等，并進(jìn)行校核，確定符合設(shè)計(jì)要求后進(jìn)行和爆炸焊接；

4)將復(fù)合材料放置在真空退火爐中，在480℃，保溫3h，即可使復(fù)合材料的硬度達(dá)到最大，約HV 260；

本發(fā)明可顯著擴(kuò)大爆炸焊接窗口，增強(qiáng)高性能合金之間爆炸焊接的可能性，且有利于提高允許爆炸焊接的銅合金厚度，而且并不增加工藝復(fù)雜程度，在爆炸焊接完成后，復(fù)合材料的性質(zhì)根據(jù)需要連續(xù)可調(diào)。此外，該種方法也可有效降低炸藥的使用強(qiáng)度，更加環(huán)保高效。

本發(fā)明的原理：

本發(fā)明解決大厚度高性能合金之間直接爆炸焊接的關(guān)鍵點(diǎn)：在爆炸焊接中，飛板厚度的提高常帶來焊接窗口中上限降低，焊接窗口縮小，可焊性降低等問題，而且直接使用大厚度、高強(qiáng)度合金直接進(jìn)行爆炸焊接，要求的爆炸載荷大，炸藥使用量也大，實(shí)施困難，而針對(duì)一些特定的可經(jīng)過熱處理強(qiáng)化的合金體系，如銅合金，鋁合金和鎂合金等，則通過使用熱處理前的合金先進(jìn)行爆炸焊接再進(jìn)行后續(xù)熱處理，可以有效降低爆炸焊接下限值，成功回避掉以上問題，而且需要克服的飛板彎矩也隨之降低，大大增強(qiáng)了爆炸焊接可焊性，在后續(xù)板材的熱處理中復(fù)合板材的性能可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)可調(diào)。

在爆炸焊接過程中，碰撞速度的下限值：

V_pmin＝K_s*(H_v/ρ)^0.5

其中H_v為材料的維氏硬度。

為了在基復(fù)板碰撞時(shí)形成射流，所需要的流動(dòng)限速度下限值：

V_cmin＝(2K_v*σ_max/ρ_min)^0.5

其中，Vc表示碰撞點(diǎn)的移動(dòng)速度，Kv表示材料強(qiáng)度的倍數(shù)，一般取為10～12倍，σ_max表示復(fù)合材料中強(qiáng)度較高的那個(gè)，ρ_min表示復(fù)合材料中密度較小的那個(gè)。

爆炸焊接速度的上限值：

V_pmax²＝(4*t_mp*v_sf/η*v_D²)*(2π*k*c*v_sf/ρ*h)

其中，t_mp為兩種材料中的較低熔點(diǎn)溫度，k為熔點(diǎn)較低的金屬板的熱傳導(dǎo)系數(shù)，c為熔點(diǎn)較低的金屬板的比熱，v_Sf為飛板材料的體積聲速，v_D為爆速。

另外，為了保證金屬爆炸焊接時(shí)形成再入射流，V_c要小于材料的聲速。

以上，由這四個(gè)速度形成的封閉圖形即成為某特定材料組合的焊接窗口，焊接窗口越大，表明可調(diào)整空間和可焊性越強(qiáng)。

在爆炸焊接中，爆炸載荷：

$M_{\max }=\frac{1}{3}{p}_H{l}^2+\frac{1}{6}{p}_H{\[\cos \left(\sqrt{\frac{{\mathrm{\γ}}_0-1}{{\mathrm{\γ}}_0+1}}{\tan }^{-1}\frac{l}{\mathrm{\δ}}\right)\]}^{\frac{2_{{\mathrm{\γ}}_0}}{{\mathrm{\γ}}_0-1}}{l}^2=\frac{1}{6\left(1+{\mathrm{\γ}}_H\right)}{\mathrm{\ρ}}_0{\mathrm{\υ}}_D^2{l}^2\[2+{\cos }^{\frac{2_{{\mathrm{\γ}}_0}}{{\mathrm{\γ}}_0-1}}\left(\sqrt{\frac{{\mathrm{\γ}}_0-1}{{\mathrm{\γ}}_0+1}}{\tan }^{-1}\frac{l}{\mathrm{\δ}}\right)\]$

在爆炸焊接過程中爆炸載荷需要克服動(dòng)態(tài)屈服極限彎矩：

W_m＝(15/2)*R_el*h²

其中，R_el為材料的靜態(tài)屈服強(qiáng)度，h為飛板的厚度。

在爆炸載荷下會(huì)產(chǎn)生破壞的動(dòng)態(tài)抗拉極限彎矩：

W_p＝(15/2)*R_m*h²⁴

R_m為材料的抗拉強(qiáng)度。

在爆炸焊接中爆炸載荷應(yīng)處于二者之間，即：

W_m≤M_max≤W_p

可見該彎矩正比于材料的屈服強(qiáng)度和板材厚度的平方，隨著材料強(qiáng)度的提高和厚度的增加，要求的爆炸載荷迅速增長，但是單方面的提高爆炸載荷，很可能導(dǎo)致爆炸焊接界面部分區(qū)域過度熔化、產(chǎn)生損傷。部分體系(銅基，鋁基，鎂基，鈦基和部分鋼)的合金熱處理后強(qiáng)度大大提高，如Cu-Ni-Si合金時(shí)效態(tài)比固溶態(tài)強(qiáng)度高三倍左右，硬質(zhì)鋁合金時(shí)效態(tài)比固溶態(tài)強(qiáng)度高1-2倍左右，不利于直接進(jìn)行爆炸焊接，但是如果使用熱處理強(qiáng)化前的合金作為飛板，可以有效降低爆炸焊接中的變形抗力，換言之，達(dá)到同樣的飛板速度所需要的爆炸載荷也小，降低了炸藥使用量。

爆炸焊接完成以后，形成的復(fù)合材料應(yīng)該進(jìn)行后續(xù)的熱處理，因此需要選擇合適的材料組合，選擇主要依據(jù)爆炸焊接母材之間熱處理制度需要協(xié)調(diào)，要求后續(xù)熱處理可提高或者不顯著降低材料的主要強(qiáng)度或者只影響一種材料，而對(duì)另一種材料不構(gòu)成影響。

以上內(nèi)容僅為說明本發(fā)明的技術(shù)思想，不能以此限定本發(fā)明的保護(hù)范圍，凡是按照本發(fā)明提出的技術(shù)思想，在技術(shù)方案基礎(chǔ)上所做的任何改動(dòng)，均落入本發(fā)明權(quán)利要求書的保護(hù)范圍之內(nèi)。