异种金属爆炸焊

          爆炸焊接、爆炸连接或爆炸熔覆是一种独特而有趣的工艺,能将异种金属焊接在一起。爆炸焊接工艺能将低熔点低密度的铝合金与高熔点高密度的不锈钢或钛合金冶金连接在一起。传统焊接方法焊接异种金属时,形成的接头往往较脆。爆炸焊工艺能通过在基体材料间引入夹层金属来消除脆性过渡金属的形成并提高接头塑性,形成强度与基体材料强度相同或十分接近的非常牢固的焊接接头。
  工艺介绍       爆炸焊是将待焊的两块基板平行对齐,并仔细地控制两基板间距。炸药放置在覆板上,雷管从一端引爆。
        图1是爆炸焊工艺进程。炸药爆轰的前沿从左到右穿过覆板,迫使覆板加速并与基板高速冲撞。在爆炸点前形成等离子射流,并沿基板运动。等离子射流会去除掉覆板和基板表面的氧化物和灰尘。这就使覆板和基板的表面非常干净,在等离子射流后碰撞,形成真正的分子键。   波形       爆炸焊工艺的典型特征是被焊材料间的波形。图2是钽-铜爆炸焊上高度发达的波形。波形在两种基体材料爆炸过程中形成。爆炸压力和爆炸角度引起基体材料表面的金属在连接进程中像液态一样流动。当金属流动时波形形成,即使金属像液态流动,但它们仍然是固态。与传统焊接方法相比,爆炸焊的基体材料不会熔化和重新凝固。
       波形有助于提高爆炸焊接头的剪切强度,但接头的实际强度取决于两基体材料间形成的金属健。波形的大小和形状是形成爆炸焊接头的能量指标。波形太平或过于变化都表示需要矫正焊接参数。许多参数都能控制波形的周期和振幅。
  工艺参数       三个基本参数决定了爆炸焊接头质量:爆炸密度、炸药爆轰速度和被焊材料的间距。每个参数可单独调整控制爆炸焊接头所需的能量。通过调整这些参数,可以将铝-铜焊接成高强度焊缝,就像钽-铜之间的焊接一样容易。
        比如,钛合金6Al4V的屈服强度为120ksi,延伸率为15%,当采用爆炸焊焊接1/4英寸厚的钛合金6Al4V和340L不锈钢时,爆炸密度为0.75g/cm3,爆轰速度为3000m/s,基板间距为1/4英寸。退火铜的屈服强度为30ksi,延伸率为40%,与340L不锈钢焊接时爆炸密度为0.60 g/cm3,爆轰速度为2500 m/s,基板间隙为1/8英寸。
  爆炸焊工艺特点       也有许多其它异种金属连接技术比如钎焊、扩散焊、电子束焊接、摩擦焊接以及轧焊等。每种工艺都具有基于特定某些标准的优势。
        爆炸焊具有以下有别于其它异种焊接工艺的显著优点: 冷焊工艺。爆炸焊是一种冷焊工艺。金属不需要熔化和重新凝固。这就意味着在爆炸焊过程中不存在热影响区,能保持所焊金属的机械性能。
        创造真正的冶金接头。爆炸焊接头是两种基体金属间真正冶金结合。接头非常牢固,就像被连接在一起的两种材料一样。
        夹层容易添加到接头。特殊应用场合的爆炸焊接头可以在基体材料间添加薄层夹层金属。夹层金属作为扩散障碍,防止脆的过渡金属形成。同时,当焊接低脆性高强度材料时,高能金属公司(High Energy Metals, Inc.)发现添加一层薄的高塑性金属夹层能使拉伸强度损失最小,提高焊接接头的冲击强度。这种方式焊接的接头多样而牢固。
  爆炸焊工艺设计要点       虽然爆炸焊能帮助解决异种金属连接的许多问题,当使用该工艺时还需考虑下一些因素。 金属变形。由于爆炸产生的高冲击力,在爆炸焊工艺中金属常常会变形。金属受到拉伸时会变薄。考虑到爆炸焊中金属变薄的影响,设计时材料厚度要比允许的最低要求稍厚一点。同时,严格控制平面度公差可能需要将金属表面磨平。
        爆炸焊主要限于平板或圆形几何件。爆炸焊中金属的变形局限了被爆炸焊材料的形状。弯曲表面或净成型工件虽能爆炸焊在一起,但工件的形状可能会被焊接中产生冲击力改变。通常,爆炸焊焊板或焊管还要经过切割、成形或机加工等工序制成最终成品。
        边缘效应。在爆炸焊焊板的四周,两种成分金属变薄,由于减少爆炸压致使焊缝变差。爆炸焊板边缘通常没有可用的材料。一开始钢板的尺寸要偏大,爆炸焊后再修剪成最终尺寸。边缘效应通常是覆板厚度的两倍。这就意味着1/2英寸厚的覆板得有大约1英寸宽的废料边宽。爆炸焊应用实例       爆炸焊材料和组件应用于各行各业。以下是如何使用爆炸焊接材料的四个实例。 铝-不锈钢钢管的过渡接头。要求使用不锈钢-铝过渡管件的设备面对的选择很少。每个管需要带法兰,然后法兰再与螺栓连接,但螺栓连接处会产生电化学腐蚀。爆炸焊过渡接头可以解决这一问题,如图3所示。铝管可以按传统焊接方式焊接在过渡接头的铝一侧,不锈钢管可以焊接在过渡接头的不锈钢一侧。爆炸焊形成的过渡接头非常牢固,具有较高的拉伸和冲击强度。此外,接头不会泄露,常常用在高真空的环境中。
       太空探索。火星探测器“好奇号”的电力系统需要铝-不锈钢的焊接组件。因为接头泄露的修复和低强度接头都不可可行,因此选择了铝-钽-不锈钢的爆炸焊焊接接头。图4是电力系统示意图。爆炸焊接头用在RTG发动机的燃油后盖上。
       钛-不锈钢管的过渡接头。许多大学和国家实验室都需要在高真空设备中做高能量物理实验,就需要钛-不锈钢管的过渡接头配件。这些过渡配件必须能在安装过程中耐受传统焊接的高温并通过10-9atm cc/s或更高标准的氦泄漏试验。因此使用钽夹层的钛-不锈钢爆炸焊过渡接头,如图5所示。
        双金属套管和螺栓。美国海军和海岸警卫队需要铝-不锈钢的套管,将不锈钢地线连接到船舶的铝结构上。图6是已加工的双金属套管和双金属螺栓,以及双金属地脚套管/电缆组件应用于警卫船上甲板的铝件上的图片。除了接地组件,这些套管和螺栓也用来连接钢或不锈钢箱体或组件到铝结构上。
    
图6---铝-不锈钢双金属套筒和螺栓。采用不锈钢搭铁线将套筒安装在美国海岸警卫队船上
图5—钛-不锈钢管的过渡接头
图4—好奇号的TRG发动机(来自维基百科)示意图 第一列: Fueling End Cap (Al 2219. Al1100. Tantalum, SS 304L Bi-Metal Plate)燃油后盖(Al 2219. Al1100. 钽, SS 304L Bi-金属板)
  GPHS Interface Plate(FWPF 3-D CC)GPHS 界面板
  Heat Source Liner (Haynes 25)热源线(哈氏合金25)
  ThermoelectricGetter(Zr Horsed in Pd)热点吸收剂(Zr Horsed in Pd)
  MinK Insulation(TE 1400)MinK绝缘(TE 1400)
  MircothermInsulation(Super G)低温绝缘(Super G)
  Heat DistributionBlock(PocoGraphite AXF-5Q1)热分布块(PocoGraphite AXF-5Q1) Heat Soruce Getter(Zr Housed InZirconiz Cloth& Haynes 25 retainersecured with Pt/Rd wire) 热源吸收器(Zr Housed In Zirconiz Cloth& Haynes 25 retainersecured with Pt/Rd wire)
  第二列: Bellows(Haynes 25)波纹管(哈氏合金25)
  GPHS InterfacePlate(FWPF 3-D CC)GPHS 界面板(FWPF 3-D CC)
  第三列: Loading Cover(Al 2219-T852Forging)装载盖(Al 2219-T852锻件)
  Mounting End Cover(Al 2219-T852 Forging)安装端盖(Al 2219-T852 锻件)
  第四列: MinK Insulation(TE 1400)Mink 绝缘(TE 1400)
  Cooling Tubes(Al6063-T4 MachinedFittings,6061-T4Tubing,316L to Al 6064Bi-Metal fittings)
  冷却管(Al6063-T4 接卸配件,6061-T4 管,316L - Al 6064 Bi-金属配件)
  Aptek 2711WhiteThermalCoatingAptek 2711白色热涂层
  GPHS ModuleStack(GFE)GPHS 模块堆(GFE)
  Fin(Al6063-T6)散热片(Al6063-T6)
  MinK Insulation(TE 1400)Mink 绝缘(TE 1400)
 
图3--铝-不锈钢管的过渡接头


图2—钽-铜爆炸焊波形
 
图1—爆炸焊进程   Detonation Products 爆炸产物
  Explosives炸药
  Clad Metal覆层金属
  Base Metal基体金属
  Impact Point碰撞点
  Bond Zone 结合区
  Plasma Jet等离子射流

结论       爆炸焊是一项未得到充分利用的,但已经证明了是可以解决异种金属焊接等众多工程问题的焊接技术。爆炸焊工艺可以不使用任何中间粘合剂就将两种高度不同的金属焊接在一起,形成高强度接头。爆炸焊的接头和组件可以应用于各种场合,可以焊接各种金属。当需要焊接异种金属时,可以考虑通过爆炸焊制造金属组件。
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     收录时间:2015-11-25 03:02 来源:中国焊接资讯网  作者:匿名
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