專利名稱：互鎖式雙立爆炸焊接防護裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種互鎖式雙立爆炸焊接防護裝置，在雙立爆炸焊接過程中，該 防護裝置不僅可使兩復合板瞬時趨于靜止和可控狀態(tài)，從而不會產(chǎn)生大的變形破壞，而且 進一步削減了爆炸沖擊波對周圍環(huán)境的影響，屬于爆炸焊接和金屬材料綜合技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
為了充分利用炸藥的能量、削減沖擊波對周圍環(huán)境的不利影響，并能形成穩(wěn)定的 生產(chǎn)工藝，作者通過理論分析和試驗研究發(fā)明了雙立式爆炸焊接方法。關(guān)于此方法以及裝 藥工藝已申請了 2項發(fā)明專利。如附圖2所示，炸藥4由雷管引爆后爆轟產(chǎn)生的沖擊波使左右兩側(cè)豎立的兩塊復 板(3和5)均發(fā)生彎曲和塑性變形并分別與兩側(cè)同樣平行豎立的兩塊基板(1和7)產(chǎn)生碰 撞并焊接，焊接后的兩塊復合板不是向下運動與地基發(fā)生碰撞，而是向兩側(cè)運動。與先行平行爆炸焊接方法相比，雙立爆炸焊接方法有以下三個重要優(yōu)勢(1)節(jié)能減排、降低成本(可節(jié)省2/3裝藥量)、提高效率。雙立式爆炸焊接方法變平行法的開放式爆炸焊接結(jié)構(gòu)為封閉式焊接結(jié)構(gòu)，炸藥能 量得到充分利用，同樣的裝藥量，平行法焊接成功一塊復合板，而雙立法則成功焊接兩塊同 樣大小的復合板。此外在雙立爆炸方法中，由于爆轟波是在兩復板剛性壁之間傳播和作用， 其爆轟荷載的疊加效應使得其比現(xiàn)行平行爆炸方法又節(jié)省了一部分裝藥量，多次的實驗也 證明雙立式爆炸焊接方法可至少節(jié)約2/3的裝藥量。這樣大大減少了炸藥能源的消耗和 氣體的排放，不僅節(jié)能環(huán)保，而且大大降低了加工成本，提高了爆炸焊接的作業(yè)效率。(2)削減爆炸焊接沖擊波、提高了爆炸焊接可行性生產(chǎn)。在雙立爆炸焊接方法中，焊接后的兩塊復合板不是向下運動與地基發(fā)生碰撞，而 是向兩側(cè)運動。如果在兩側(cè)設(shè)計永久性的防護結(jié)構(gòu)(如圖3所示)，則兩側(cè)復合板以及防護 結(jié)構(gòu)等大大削減了爆炸焊接沖擊波對周圍環(huán)境的破壞作用，基本解決了爆炸焊接環(huán)境保護 問題，大大提高了爆炸焊接可行性生產(chǎn)問題。此外，藥量的減少也減少了對周圍環(huán)境的消極影響。(3)參數(shù)易于控制，易形成標準化機械化生產(chǎn)模式，產(chǎn)品質(zhì)量易于控制。雙立爆炸后的復合板是向兩側(cè)運動，而兩側(cè)的防護結(jié)構(gòu)是事先通過理論模擬計算 和多次試驗形成的固定裝置，因此使得焊接成功的復合板不會產(chǎn)生較大的塑性變形和裂紋 等缺陷，不僅減少了復合板材的后續(xù)加工，而且也提高了爆炸復合板的焊接質(zhì)量。在雙立爆炸方法中，其基復板間隙、兩復板之間的距離(即裝藥厚度)等安裝參數(shù) 事先均在生產(chǎn)車間中安裝完畢，保證了裝藥參數(shù)和安裝參數(shù)的穩(wěn)定性，也不僅有利于提高 爆炸焊接質(zhì)量，而且變現(xiàn)行爆炸焊接方法的手工作業(yè)模式為機械作業(yè)模式。此外現(xiàn)行平行爆炸法由于是完全裸露裝藥，而且是現(xiàn)場作業(yè)，因此如遇陰雨天氣， 則爆炸焊接生產(chǎn)將不能進行。而雙立爆炸法，其裝藥幾乎是全封閉的，而且大部分作業(yè)過程 均在生產(chǎn)車間中完成，因此即使遇到陰雨天氣，仍然可進行作業(yè)。所以雙立爆炸法便于形成一整套工藝流程，形成規(guī)范的作業(yè)模式，易于形成標準的工藝流程。雖然雙立爆炸方法具有明顯的優(yōu)越性，申請人也已解決了雙立爆炸焊接的裝藥參 數(shù)和安裝工藝問題，但此方法要取代現(xiàn)有的方法進入工業(yè)化和規(guī)?；瘧茫€有一個關(guān)鍵 問題——復合板兩側(cè)的防護問題需須要解決。由于爆炸焊接后復合板尚具有相當大的飛行速度，如對兩側(cè)的防護結(jié)構(gòu)不進行精 確的計算模擬設(shè)計，則不僅將破壞已經(jīng)成功復合的復合板，而且很可能使爆炸焊接生產(chǎn)具 有很大的危險性和不確定性。因此通過研究雙立式爆炸焊接方法焊后復合板的運動規(guī)律、 研究復合板與防護結(jié)構(gòu)之間的作用機理和變形規(guī)律，從而最終設(shè)計一種可多次使用的兩側(cè) 永久防護結(jié)構(gòu)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的旨在通過理論計算、數(shù)值模擬和現(xiàn)場試驗，優(yōu)化設(shè)計一種可重復使 用互鎖式雙立爆炸焊接防護裝置，從而使雙立爆炸焊接方法進入工業(yè)化生產(chǎn)，最終使其實 現(xiàn)節(jié)省2/3炸藥并進一步削減沖擊波對周圍環(huán)境不利影響的目的。本發(fā)明的技術(shù)解決方案1、互鎖防護裝置總體方案設(shè)計在雙立爆炸焊接裝置中，由于復合板焊接后向外側(cè)仍具有相當大的運動速度，因 此在兩對基板的外側(cè)必須設(shè)置兩塊防護板，以阻止復合板的飛行運動。在復合板與防護板撞擊的過程中，為了保證二者均不會產(chǎn)生大的變形和破壞，防 護板在材料選擇和厚度設(shè)計方面要保證其必須具有足夠的剛度和強度。同時防護板要在撞擊后立即使復合板保持靜止狀態(tài)，則防護板必須在受到復合板 撞擊后仍處于固定狀態(tài)，本發(fā)明在兩塊防護板的外圍上下兩個位置分別設(shè)計兩塊方形箍 環(huán)，兩箍環(huán)與兩防護板通過電焊連接或螺釘連接。一旦復合板自上而下與防護板撞擊時，兩 防護板自上而下有向外運動的趨勢，其載荷分別作用在箍環(huán)與防護板連接的兩條邊上，由 于兩邊的載荷是對稱的，則箍環(huán)起到鎖緊兩塊防護板的作用，這樣兩塊防護板連同與其連 接的上下兩塊箍環(huán)都保持固定和靜止狀態(tài)，從而阻止了兩復合板的飛行運動。由于最終載 荷是作用在兩箍環(huán)上，箍環(huán)的材料選擇和截面設(shè)計必須保證其有足夠的強度克服復合板的 飛行能量。2、互鎖防護裝置計算機模擬2. 1模型建立利用ANSYS/LS-DYNA軟件進行有限元分析的第1步就是建立實體模型。現(xiàn)采用實 體建模法建立炸藥、覆板、基板、防護板和箍環(huán)的三維立體模型。從排氣角度考慮，覆板越 厚以及面積越大，炸藥的爆速就應當越低，并需要采用中軸對稱起爆法。由于炸藥、覆板、 基板、防護板和箍環(huán)的模型為軸對稱，因此為簡化計算，僅對其1/2進行建模分析。在進行 有限元分析時，ANSYS軟件應對分析的對象盡可能地簡化，以期減少計算機時，節(jié)省計算機 資源，故在不影響計算結(jié)果的情況下，將炸藥、覆板、基板、防護板和箍環(huán)進行簡化，故實體 模型可簡化成4部分長方體結(jié)構(gòu)。如圖1所示，第1部分為炸藥(硝酸銨乳化炸藥)，第2 部分為覆板(304不銹鋼)，第3部分為基板和防護板(Q235B鋼)，第4部分為箍環(huán)(Q235B 鋼)。
2. 2單元劃分炸藥、覆板、基板、防護板和箍環(huán)均采用8節(jié)點solidl64實體單元。在有限元模型 中，將炸藥和空氣定義成流體，采用8節(jié)點的Euler單元描述，覆板、基板、防護板和箍環(huán)采 用8結(jié)點的Lagrang單元描述。模型的總結(jié)點數(shù)量為500000，總單元數(shù)量為400000。爆炸焊接，一個重要的問題就是要處理好流體與固體之間的相互作用。ALE網(wǎng)格既 保持了 Euler網(wǎng)格的特點又保持Lagrang網(wǎng)格的特點。ALE算法先執(zhí)行一個或幾個Lagrang 時步計算，此時單元網(wǎng)格隨材料流動而產(chǎn)生變形，然后執(zhí)行ALE時步計算首先保持變形后 的物體邊界條件，對內(nèi)部單元進行重新劃分網(wǎng)格，網(wǎng)格的拓撲關(guān)系不變；然后將變形中的單 元變量(密度、能量、應力張量等)和節(jié)點速度矢量輸運到重分后的新網(wǎng)格中。用該方法 可以將流體網(wǎng)格與固體網(wǎng)格方便地耦合，以處理結(jié)構(gòu)在各種復雜載荷條件下的相互作用問 題。2. 3材料模型(1)炸藥炸藥爆轟過程是一個十分復雜的化學物理過程。應用LS-DYNA程序中HIGH_ EXPLOSIVE_BURN材料模型模擬高級炸藥的爆轟，爆轟產(chǎn)的等熵膨脹過程用JWL狀態(tài)方程進 行描述，其壓力P為 式中，P為爆轟壓力；V為炸藥的相對體積，V = v/v0 ；E為單位體積材料的初始內(nèi) 能；A、B、禮、Rycr為無量綱參數(shù)。利用炸藥爆轟Y方程擬合得出JWL狀態(tài)方程是用來描 述爆炸產(chǎn)物的經(jīng)驗物態(tài)方程，適用于各種凝聚態(tài)炸藥。硝銨乳化炸藥參數(shù)炸藥密度P = 750kg. nT3，爆炸速度 C = 3000m. s、A = 20. 275X 1010,B = 4. 39X10 ,^ = 5. 3，R2 = 1. 2， ex = 0.21 ,E = 2. 5331 X 107。(2)空氣空氣爆轟壓力采用空材料(Null)模型和線性多項式(Lineai^Polinominal)狀態(tài) 方程描述。在E0S_LINEAR_P0LYN0MIAL中，關(guān)鍵字用來定義線性多項式狀態(tài)方程的系數(shù)，通 過定義E0和V0，可對材料的初始熱動力狀態(tài)進行初始化。線性多項式狀態(tài)方程表示單位初始體積內(nèi)能的線性關(guān)系，壓力值由下式給定P = Co+Ci u +C2 u 2+C3 U 3+ (C4+C5 u +C6 u 2)E (2)式中，Q，…，C6為常數(shù)，如果式中ii <0，則(^2和(^2兩項為零。其中 式中，V為相對體積；、為單位熱值率。則壓力由下式確定 標準大氣壓下，空氣密度為1. 2929kg. nT3。(3)復板Johnson-Cook模型可較好地反映出材料爆炸焊接高應變率條件下力學性能的變化，即屈服應力是塑性應變、應變率及溫度的函數(shù)。在爆炸焊接中，金屬的變形速率可達 106 Kfs—1，并且產(chǎn)生瞬時高壓、高溫，一般材料模型很難反映材料在如此高應變率下的力 學性能。Johnson-Cook模型方程為 式中，ep為實際塑性應變；為實際應變率；.為參考應變率；T為
m r ；S
溫度；Tm為材料熔點；T,為室溫；A、B、n、C、m為材料常熟。
對于304不銹鋼覆板，采用GRUNEISEN狀態(tài)方程描述其動態(tài)性能 其中，取Si = 1. 33，S2 = 0. 00，S2 = 1. 5，y 0 = 2. 15，C = 4500，aa = 0. 46。(4)基板、防護板和箍環(huán)基板、防護板和箍環(huán)采用隨動強化模型(PLASTIC-KINEMATIC)。材料的動態(tài)力學性 能均采用帶應變率影響的Cowper-Symonds方式來描述，流動應力o y通過下面的公式來計
算
(7)本文基板、防護板和箍環(huán)采用的是Q235B，其密度P = 782kg. m_3，彈性模量E = 210GPa, o 0、Ep 分別為 235Mpa 和 2. OGpa, CC、PP 分別取 0. 0001 禾口 20 ； 3 =1.0。3、模擬計算結(jié)果根據(jù)模擬計算和試驗結(jié)果，最終確定防護板的材料為普通鋼材，其防護板的厚度 大于50mm，其高度要比復板高10mm。最終確定箍環(huán)的材料為普通鋼材，其截面大于50mmX 50mm，兩箍環(huán)之間的距離為 200mm。


附圖1是雙立式爆炸焊接裝置示意圖。圖中的1是炸藥、2是A復板、3是B復板、4是A間隙、5是B間隙、6是A基板、7 是B基板、8是A防護板、9是B防護板、10是基礎(chǔ)。附圖2是互鎖式雙立爆炸焊接防護裝置示意圖。圖中的11是A防護板、12是B防護板、13是上箍環(huán)、14是下箍環(huán)。
具體實施例方式實施例1對照附圖1，爆炸兩對不銹鋼-鋼復合板，其規(guī)格1500 X 2000 X (6+20)，裝炸藥38 公斤，爆炸焊接后，兩復合板在互鎖式防護裝置中，復合率100%，防護裝置未變形和損壞， 仍可重復使用。
權(quán)利要求
互鎖式雙立爆炸焊接防護裝置，其特征是兩基板兩外側(cè)分別垂直設(shè)置兩防護板，而兩防護板外緣上下連接有兩塊方形箍環(huán)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的兩防護板，其特征是通過計算機模擬計算，其防護板的材料 為普通鋼材，其防護板的厚度大于50mm，其高度要比復板高10mm。。
3 根據(jù)權(quán)利要求1所述的箍環(huán)，其特征是通過計算機模擬計算，其材料為普通鋼材，截 面大于50mmX50mm，兩箍環(huán)之間的距離小于200mm。
全文摘要
本發(fā)明是雙立式爆炸焊接永久性防護裝置。雙立式爆炸焊接裝置，節(jié)約了2/3裝藥量，大大降低了加工成本；削減了大部分沖擊波對周圍環(huán)境的不利影響，圓滿解決了爆炸焊接爆炸場地問題；并易于形成標準的工藝流程。通過防護裝置的總體設(shè)計和計算機模擬，得到了雙立爆炸裝置的防護結(jié)構(gòu)和尺寸。此防護裝置不僅可保證兩塊復合板焊接后不會產(chǎn)生大的變形，而且可重復多次使用。
文檔編號B23K20/26GK101850470SQ20101020340
公開日2010年10月6日 申請日期2010年6月21日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月21日
發(fā)明者史長根 申請人:中國人民解放軍理工大學