专利名称：爆炸焊接装药厚度窗口上下限计算方法
技术领域：
本发明涉及的是金属板材爆炸焊接装药厚度窗口即上限和下限药量的一种计算方法。属于爆炸焊接技术领域。
背景技术：
爆炸焊接技术及爆炸复合材料已广泛应用于石油、化工、造船、电力、航空、航天、制盐、制碱、冶金、原子能、采掘、运输、及机械制造等各个领域之中。
邵炳璜、张凯等根据基、复板剧烈碰撞时再入射流的形成可能要受到金属粘塑性或粘性的抑制作用，通过考虑金属粘性力冲量等于单位时间内形成再入射流的动量，得到了爆炸焊接形成再入射流的最小碰撞角βc。当碰撞角β越大，则碰撞速度vp越大，高压区的范围也越大，界面波形畸变越严重，甚至出现熔融现象，引起结合面强度下降，此βd称为爆炸焊接时不允许出现的上限条件。王宇新等对双金属爆炸焊接窗口进行了计算机仿真研究，但仍然研究的是爆炸焊接动态参数。
上述根据碰撞角和碰撞速度得到的上限(界面不出现过熔)和下限(界面产生射流)只是成功焊接的必要条件，而不是充要条件。而且此上下限涉及的只是爆炸焊接的两个动态参数，对于工程应用十分不便。如何寻求一种爆炸焊接装药厚度窗口的上限和下限对于工程实际应用是十分必要的。而且对于脆性材料爆炸焊接，其装药厚度上限一般小于界面产生熔化上限，因此对于爆炸焊接装药厚度上限的确定对于脆性材料的成功爆炸焊接显得尤为重要。此外，有些材料可焊窗口很窄，因此对于上限和下限的确定方法更为重要。
本发明通过理论和实验提出了一个金属板材爆炸焊接装药厚度窗口上限和下限的计算方法。
在爆炸焊接过程中，复板首先必须产生弯曲，其次复板不能产生裂纹或破坏，即爆轰荷载必须满足以下两个首要条件才能实现成功焊接 爆炸载荷所产生的最小弯矩首先必须超过材料的动态屈服极限弯矩，使复板产生弯折变形，才能满足爆炸焊接复板和基板斜碰撞的基本条件。此为成功爆炸焊接装药厚度下限。
爆炸载荷所产生的最大弯矩必须小于材料的动态抗拉极限弯矩，复板不致产生裂纹或破坏，才能满足爆炸焊接复板和基板斜碰撞的稳定条件，因而才有可能获得有效的焊接界面。此为爆炸焊接装药厚度上限。
发明内容
1、复板表面爆轰荷载产生的弯矩 由炸药爆轰特性，可以得出爆炸焊接复板上表面的载荷分布如图1所示，其焊接参数如图2所示。
若不考虑炸药化学反应区的压力分布(事实上是必须考虑的，但这里只关心爆轰产物区的压力，故可暂不考虑)，则爆轰波头的压力pH为 其中，γ0为炸药的多方指数，γH为爆轰波头的多方指数，ρ0为炸药密度，D为炸药爆速。若装药厚度为δ，取爆轰波头为坐标原点，向左为正方向，考虑上自由面稀疏的作用，则爆轰产物区压力p(x)为 当时，即在爆轰波头处，当
增加时，
以
的方次随余弦函数迅速衰减。结合多次高速摄影试验的结果，不妨认为炸药对复板的有效作用距离(l)近似为 式中s为板间距，一般地，k＝1.5～3.0。
一般爆炸焊接采用平行装置，此时 当vp由B点运动到C点，而vc则由A点运动到C点，于是有 综合1至5式，通过计算可以求得 综上所述，可以明确以下两点 (1)由于爆炸载荷压力p(x)是一个迅速下降的函数，而且爆炸载荷压力的有效作用范围为l＝kδ，而碰撞点复板表面的作用压力 (2)由于CD段复板受爆轰波头的压力作用，其加速度最大，而速度为0，因此，复板的CD段可视为固定段，该段所受的荷载即为固定端的支反力，C点为固定端；而BC段复板(除刚刚焊合的B点外)则可视为自由段，而与B点无限接近、即将碰撞的点则为自由端；这样一来，经受爆轰压力产生弯曲变形并存在加速度的BCD段复板就可视为一端固定、一端自由的悬臂梁，如图3所示。
由此可得到BC段复板上的荷载对C点的弯矩 其中qx＝p(x)b＝p(x)(b为单位长度)。
而爆轰波头的压力pH为 由式(2)可得，则爆轰产物区压力p(x)为 把(8)和(9)式代入(7)可得 式中γ0为炸药的多方指数，D为炸药爆速，δ为装药厚度。
2、复板材料的动态抗弯极限弯矩 σs表示复板的静态屈服强度，复板材料的动态屈服强度为σd(σd＝30σs)。不妨设复板处于完全塑性状态，则复板产生极限弯矩，如图4所示。可以得出复板在爆炸载荷作用下的动态极限弯矩Wm 其中h为复板厚度。如爆炸载荷超过材料的抗拉强度将会使材料产生破坏，同理，此复板在爆炸载荷作用下产生破裂的动态极限弯矩Wp为 3、爆炸焊接装药厚度窗口上下限 在爆炸焊接过程中，复板首先必须产生弯曲，其次复板不能产生破坏，即爆炸载荷必须满足以下两个条件才能实现成功焊接 (1)爆炸载荷所产生的最大弯矩首先必须超过材料的动态屈服极限弯矩，使复板产生弯折变形，才能满足爆炸焊接复板和基板斜碰撞的基本条件。
即 Mmax≥Wm (13) (2)爆炸载荷所产生的最大弯矩必须小于材料的动态抗拉极限弯矩，不致使复板产生破坏，才能满足爆炸焊接复板和基板斜碰撞的稳定条件，因而才有可能获得有效的焊接界面。即 Mmax≤Wp (14) 把(10)和(12)式代入(13)式可得 式中， 这样，就得到了装药临界厚度δ的表达式，其最小值即为装药下限δmin，此式对于工程应用十分方便。当然，对于厚度较薄(h≤4mm)的复板，根据上式的计算结果，可能会出现δmin＜δq。(式中δq为炸药的临界起爆厚度)的情况，所以，为保证可靠起爆，还要限定一个条件δmin≥δq。同理把(10)和(12)式代入(14)式可得 其最大值即为装药厚度上限δmax。
附图1是爆炸焊接荷载作用示意图；附图2是复板在爆炸焊接中三个不同时刻的位置示意图；附图3是复板爆炸荷载作用简图；附图4是复板动态极限弯矩示意图。图中的1是基板、2是复板、3是炸药。
具体实施例方式 实施例1 复板为2mm厚5923(一种进口个强耐蚀高强度材料)，其屈服强度和抗拉强度分别为360MPa和780MPa，选用30#乳化炸药，按本发明计算方法得到装药上下限分别为15mm和55mm。再根据爆炸焊接装药的下限法则，选用装药厚度为17mm，爆炸复合板质量优良。
实施例2 复板为2mm厚TA2，其屈服强度和抗拉强度分别为245MPa和465MPa，选用30#乳化炸药，按本发明计算方法得到装药上下限分别为13mm和38mm。再根据爆炸焊接装药的下限法则，选用装药厚度为15mm，爆炸复合板质量优良。
权利要求
1、爆炸焊接装药厚度窗口上下限计算方法，其特征提出了确定爆炸焊接装药厚度窗口的新准则在爆炸焊接过程中爆炸荷载必须使复板产生弯曲，但又不能使复板产生裂纹或破坏，才能实现成功焊接，并由此得到爆炸焊接装药厚度窗口的上限和下限参数。
2、根据权利要求1所述的爆炸焊接装药厚度窗口的上限计算方法，其特征是爆炸载荷所产生的最大弯矩必须小于材料的动态抗拉极限弯矩，复板才不致产生裂纹或破坏，才能满足爆炸焊接复板和基板斜碰撞的稳定条件，因而才有可能获得有效的焊接界面，此最大装药厚度即为爆炸焊接装药厚度窗口的上限。
3、根据权利要求1所述的爆炸焊接装药厚度窗口的下限计算方法，其特征是爆炸载荷所产生的最小弯矩首先必须超过材料的动态屈服极限弯矩，使复板产生弯折变形，才能满足爆炸焊接复板和基板斜碰撞的基本条件，此最小装药厚度即为成功爆炸焊接装药厚度窗口的下限。
全文摘要
本发明提出了确定金属板材爆炸焊接装药厚度窗口上限和下限的新准则在爆炸焊接过程中，炸药爆轰产生的爆炸荷载必须使复板产生弯曲，但又不能使复板产生裂纹或破坏，才能实现成功焊接。据此形成了爆炸焊接装药厚度窗口的上限和下限计算方法，按该方法可直接得出装药厚度的上限和下限值，不仅适宜于爆炸焊接工程应用，而且对于特种材料爆炸焊接装药参数提供了便捷方法和理论依据。
文档编号B23K20/08GK101590567SQ200910033608
公开日2009年12月2日 申请日期2009年6月24日 优先权日2009年6月24日
发明者史长根, 方虎生, 蒋国良 申请人:中国人民解放军理工大学工程兵工程学院