爆炸焊接最佳间距确定方法
【专利摘要】提出了一种爆炸焊接最佳间距的装确定方法，即建立了基复板间距S、碰撞速度V以及复板运动加速度a三者之间定量关系。根据上限原理取复板最大碰撞速度计算的上限间距即为最佳间距，此时减小了装药厚度参数而使爆炸焊接界面处于微小波状优质结合。
【专利说明】
爆炸焊接最佳间距确定方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种爆炸焊接最佳间距装药参数的确定方法，属于爆炸焊接金属复合 材料装药方法和工艺技术领域。
【背景技术】
[0002] 爆炸焊接间距指复板和基板之间的距离，为了使复板获得爆炸焊接所需的碰撞速 度，保证一定的板间距是必须的。有研究者认为，两板间距值一般是复板厚度的0.5~1.0 倍;Ezra则认为：间距和复板材料的比重有关，当复板材料的比重小于5、在5~10之间、大于 10时，间距分别为复板厚度的1/2~2/3、1/2~1、2/3~2倍。另外，Stivers和Wittman给出了 下面的经验公式: 8 = 〇.2(丨1+丨2)(丨142分别代表复板和基板的厚度）。上述确定间距8的方 法，考虑问题的角度不同，由之所确定的间距s也有一定差异。同时这些确定间距的方法只 是给出了间距范围，并没有指出最佳间距的参数。
[0003] 根据自然界和物理学"最小作用量原理"这一统一原理和普遍规律出发，提出爆炸 焊接参数应遵从下限原理，而通过分析两板间距和复板的运动关系发现，复板在飞过程中 作变减速运动，虽然加速度逐渐减小，但速度随间距递增，因此爆炸焊接间距参数应取最大 值，才会使爆炸焊接装药工艺和参数达到最优，最终使爆炸焊接综合效益达到最佳。
【发明内容】
[0004] 本发明在分析爆炸焊接最小作用量参数的基础上，通过分析复板运动与间距定量 关系，从而确定基复板的最大间距，此间距可使爆炸焊接最小作用量为最小，使得爆炸焊接 装药厚度大大降低，而且复合板结合质量升高，综合效益最佳，此即为最佳间距。
[0005] 1、爆炸焊接间距参数应取最大值
[0006] 装药参数下限最小作用量原理是自然界的一个普遍性原理，它体现了自然界的行 为遵循简单性和经济性原则，即自然界总是以最小的消耗获得最高的效率和最大的效益。 长期的爆炸焊接实践也证明了，在爆炸焊接时只有降低爆炸载荷，采用爆炸焊接窗口下限 装药量才能获得微小波状结合界面，即综合性能最佳的爆炸焊接复合板，其实质就是耗损 最少的能量达到最佳的效益。因此，爆炸焊接"最小作用量"就是力求使爆炸焊接界面结合 能量E为最小。而在爆炸焊接中，在炸药爆速恒定的情况下，界面结合能量主要是由装药厚 度S和基复板间距S这两个关键初始工艺参数决定的，即E = Kf (S，S)，K为常数。而装药间距 取最大值就体现了装药参数的下限原理。
[0007] 2、爆炸焊接复板作变加速运动
[0008] 基复板间距与复板运动速度变化规律密切相关。由于复板在与基板碰撞之前运动 的时间和距离主要由间距决定，不同的间距必然导致复板的碰撞速度发生变化，从而影响 爆炸焊接复合板的结合质量。因此，研究复板在不同间距下的运动规律，建立与间距相关的 运动模型，将有助于完善复板的运动规律理论，进而得到最佳的爆炸焊接工艺参数。
[0009]利用探针法对爆炸焊接过程中复板运动速度进行的定量测试发现，当间距足够大 的时候，复板运动将会依次经过加速区、等速区和减速区这三个阶段，可以得到两板间距s、 复板运动速度Vp与炸药爆速Vd三者之间关系。复板在加速区内先经过快速加速的阶段，在X 从0到30mm过程中，Vp/Vd从0增加到了 0.3;此后进入缓慢加速阶段直到复板最大碰撞速度， x在30mm-50mm范围内，Vp/Vd仅增加了0.04左右。由于间距过大会加剧边界效应的影响和两 板间排气难度，同时考虑到碰撞过程中的稳定性和复合板结合质量的均匀性，基复板之间 的碰撞应控制在加速区缓慢加速阶段进行，即上限间距应在快速加速阶段结束后，缓慢加 速开始阶段内取值，这样既能使复板得到充分的加速，提高炸药的能量利用率，又不至于间 距过大导致边界效用和排气难度的增加。一般来说，两板间距S-般不会超过30mm，根据以 上论述，间距取最大值可以使复板的飞行碰撞速度达到最大，从而使界面爆轰压力为最大， 即可节省装药厚度。
[0010] 而复板初始加速度和飞行运动速度与复板厚度和材料有关，在确定最大间距时， 必须建立复板匀变加速运动模型，从而确立不同厚度和材料的复板最大间距值的定量计 算。
[0011] 3复板匀变加速运动模型建立
[0012] 复板在运动过程中主要受到爆轰压力、复板塑性变形抗力和空气阻力的作用，由 于爆炸焊接整个过程持续时间极短，碰撞点压力Pc达到了复板屈服强度的10~12倍，因此， 复板塑性变形抗力和空气阻力相对于爆轰压力为高阶小量，可予以忽略，复板的受力情况 只要考虑爆轰压力的变化即可。邵丙璜在研究滑移爆轰作用下复板运动的二维近似解时得 到了爆轰压力的计算公式（1)，根据这一公式可进一步得到爆压力的变化规律。当碰撞角0 =5°、0=1〇° 和0=15° 时P/PH-x在三种不同装药厚度时5 = 15mm、5 = 25mm和5 = 35mm。
[0014]式中，PH是爆轰产物的峰值压力
[0016] 在动态碰撞角0相同的情况下，装药厚度越大，爆轰压力越高且衰减速度越慢，但 初始爆轰压力相同。在炸药厚度相同的条件下，动态碰撞角0越大，爆轰压力越小，初始爆轰 压力也是如此，这是因为0越大，复板存在及向下的弯曲运动造成的稀疏作用就越强。不同 的碰撞角0对爆轰压力的衰减速度没有影响，爆轰压力在x/S = 1.5之前衰减速度非常快，然 后缓慢降低至零。
[0017] 综上可知，当滑移爆轰距离在约为1.5倍炸药厚度内时，爆轰压力衰减的速度极 快，其曲线接近于一条直线。由于爆炸焊接持续时间极短，在1.5倍炸药厚度时基复板已发 生碰撞，因此，爆轰压力在此范围内的变化规律可近似用线性递减规律代替。根据牛顿第二 定律，力与加速度a成正比，所以加速度a也近似满足线性递减规律，复板运动基本符合匀变 加速运动模型，如公式(2 )，其中a > 0，k<0，对加速度a进行积分可进一步得到碰撞速度V和 间距S的计算公式。
[0021] 已知a>0，k<0,联立公式（3)和公式4)，可得到间距S与碰撞速度V以及复板运动 加速度之间的关系式：
[0023] 其中ao为复板在爆轰作用下的初始加速度，k为加速度的线性变化的斜率。
[0024] 综上所述，由于复板与基板碰撞前其遵循变减速运动规律，根据碰撞速度v的窗口 参数可以计算出间距的上限和下限，根据上限原理取复板最大碰撞速度计算的上限间距即 为最佳间距，此时减小了装药厚度参数而使爆炸焊接界面处于微小波状优质结合。
【具体实施方式】
[0025] 一用户需要复材为4mm * 2000mm * 8000mm304不锈钢，基材为30mm * 2000mm * 8000mmQ235普通钢的复合材料20件。
[0026]此种情况，根据上式估算，其基复板间距约为8~12mm，其实际爆炸焊接间距值为 12mm，不仅使装药厚度有所减小，而且成功实现了此类复合材料的爆炸焊接，复合率100 %， 界面均为微小波状界面，其结合强度达到了 320MPa。
[0027]本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。
【主权项】
1. 爆炸焊接最佳间距装确定方法，其特征是依据复板与基板碰撞前的复板的变减速运 动规律，从而根据上限原理可确定基复板间距S的最佳值。2. 根据权利要求1所述的复板的变减速运动规律，其特征指的基复板间距S、碰撞速度V 以及复板运动加速度a三者之间定量关系。3. 根据权利要求1所述的确定基复板间距S的最佳值，其特征是由复板最大碰撞速度计 算确定基复板最大间距S即为最佳间距值，此时减小了装药厚度参数而使爆炸焊接界面处 于微小波状优质结合。
【文档编号】B23K101/18GK105880824SQ201510724278
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2015年10月27日
【发明人】史长根, 侯鸿宝, 赵林升, 葛雨珩, 尤峻
【申请人】中国人民解放军理工大学