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箔片气化致动器：一种碰撞焊接工具
摘要
研究提出了一种中、小尺度碰撞焊接的实现方法。该飞板不是由化学炸药(爆炸焊接)或磁力(磁脉冲焊接)驱动，而是通过由电驱动的金属导体快速气化产生的压力向靶板发射。机械脉冲由0.0762 mm厚铝箔经额定充电电压5.5kV、峰值电流100 kA的电容器组放电气化而成，上升时间约为12mu;s。在相同的输入参数(如箔的几何形状、输入能量和截止距离)下，成功地建立了铜钛、铜钢、铝铜、铝镁和钛钢的焊接偶。仪器化剥离测试，搭接剪切测试以及光学和扫描电子显微镜显示了广泛的强度和界面结构。铜-钛和铜-钢焊接强，具有特征波状界面，几乎没有金属间化合物或空隙形成。在目前使用的碰撞焊接参数下，其他组合被认为具有有金属间化合物和缺陷的脆性界面。对于钛钢系统，引入了薄镍中间层，所有层都在一次实验中焊接。观察到焊缝的剥离强度增加了四倍。钛飞片的峰值速度高达560米/秒。
关键词：碰撞焊接；脉冲功率；脉冲功率多普勒测速仪(PDV)；波面桥接；箔片气化冲击焊接(VFAW)；
1.简介
当一块金属以适当的速度和角度与另一块金属碰撞时，可以产生焊缝。当冲击速度在150-1500m / s的范围内并且冲击角在5°和20°之间时，通常获得成功的碰撞焊接。通常，其中一个构件（靶板）保持静止，而另一个（飞行器）通过爆炸性放电（如爆炸焊接或EXW）或磁脉冲（如磁脉冲焊接或MPW）向固定靶板发射）。
这是一个固态过程，可以连接几乎没有热影响区域的不同金属，正如Kore（2007）研究平板的MPW所讨论的那样。与传统的熔焊工艺相比，缺少连续的金属间相是碰撞焊接的主要优点之一。从AA1100和Cu102之间的EXW界面的横截面透射电子显微镜观察，Zhang等人 （2011）发现在两种母体材料之间存在明显的固态金属键合区域，其具有非常窄（~20nm）的区域，类似于机械合金材料。
Kacar和Acarer（2004）报道，使用这种技术成功焊接了260多种相似和不同的金属组合。 Bahrani等（1967）提供了一种经验导出的爆炸焊缝界面波形成机制。在磁脉冲焊接试样的界面中观察到类似的波。这些波被认为是在焊接的碰撞构件之间形成射流的机制的结果。该射流去除表面氧化物并使未污染的金属表面之间直接接触，从而导致冶金结合。在最近的一项工作中，Wronka（2010）提供了关节形成过程中塑性变形，氧化物去除和声波相互作用的数值模型。该模型考虑了达到材料的剪切强度，化学键合和声波从靶板和工件的自由表面反射所需的时间。因此，这包括EXW期间发生的主要事件，并提供该过程的更全面的图像。
EXW和MPW是最常见的碰撞焊接技术。当焊缝长度为米级时，EXW适用于大规模操作。在对爆炸焊接最近工作的回顾中，Findik（2011）在对EXW的全面评估中报告说，需要超过100毫米的爆炸厚度才能在6毫米厚的各种材料板之间形成焊缝。缩小过程是困难的，因为由于Cooper（1997）详述的“临界体积”现象，少量炸药的爆炸效率不高或不可重复。因此，为了实现EXW，需要大的和隔离的空间，这增加了总成本。 MPW更适用于焊接长度为厘米级的小规模操作。根据Goebel等人的说法（2012），即与EXW期间相比具有较低的碰撞速度，MPW也是可能的，因为亚稳波启动机制可以起作用。 Watanabe等（2006）和Okagawa和Aizawa（2004）展示了低输入能量如何用于焊接镍，铁和铜的薄铝板。李等人（2007）从低碳钢（SPCC）和AA 6111的MPW观察到，存在具有直径小于100nm的高度精细晶粒的界面层。 MPW的一个众所周知的问题是致动器的寿命长，这在高驱动压力下成为一个问题。另外，该过程的效率随着飞片材料的电阻率的增加而下降。导电驱动器可用于推动导电性较低的金属，但该方法导致高成本和低效率。张等人（2011）详细介绍了不同长度尺度的碰撞焊接：仪表的EXW，厘米的MPW和毫米长度的激光冲击焊接。激光冲击焊接是一种新颖的碰撞焊接方法，由Daehn等人开发（2012），其使用激光脉冲来消融吸收层以产生将薄飞片驱动至高速。
在这项工作中，提出了一种新的快速金属气化驱动焊接方法。当薄膜和导线通过由电容器组驱动的高电流而蒸发时，可以在它们周围产生高压区域。这种现象在过去已经详细研究过，1959年开始的几次爆炸电线会议就证明了这一点（Chace和Moore，1959）。 Vivek等人最近研究了它在金属加工中的应用（2013）实施了诸如回弹校准和高强度钢的高速剪切等工艺。在这项工作中，将展示它如何用于驱动飞行板与固定靶板板碰撞焊接。尝试焊接不同金属的各种组合，所有这些都是由EXW（铜 - 钢（Durgutlu等，2005），钛 - 钢（Sartangi和Mousavi，2008），镁 - 铝（Yan等，2010），铝 - 铜（Ashani和Bagheri，2009）和铜 - 钛（Kahraman和Guuml;lenc，2005））焊接而成的。还进行了焊接的初步表征：进行了仪表化剥离测试和搭接剪切测试，并且界面的显微照片提供了焊缝强度与焊接界面的微观结构特征之间的相关性。这项研究的靶板是使用气化导体技术来创建类似于EXW制造的焊缝，但尺寸要小得多。在使用EXW进行大规模生产之前，该工具还可以帮助快速优化各种材料组合的冲击焊接研究。与MPW不同，不存在线圈寿命的问题，即使是低电导率的材料也可以在不使用驱动板的情况下发射。
2.实验程序
将飞板直接放在绝缘铝箔上，绝缘铝箔的末端连接到电容器组的端子，其特性列于表1中。当电容器组放电时，电流很大，在100kA的量级，流过箔片并使其在数十微秒内蒸发。该箔通过粘合剂聚合物带绝缘并由重钢块支撑。因此，当箔蒸发时，反作用力被引向金属板，加速其向靶板(在离飞行器一段距离的靶板板上)加速。这里的间隙距离为1.6mm，隔板之间的横向间距为25.4mm。使用0.0762mm厚的铝箔作为驱动器。箔的有效区域长50.8mm，宽12.7mm。该装置的示意图以及实际实施方式如图1所示。尝试焊接各种不同金属的组合。对于所有实验，来自电容器组的输入能量为7.2kJ，其他电容器组特性如表1所示。飞板和靶板的宽度为76.2mm，长度为101.6mm。除了厚度为6.35mm的1018个钢靶外，所有飞靶和靶厚均为0.508 mm。
使用连接在电容器组的端子上的1000：1探针测量电压，同时通过100kA：1V Rogowski线圈（www.homepage.ntlworld.com/rocoil/）测量电流。
表1 电容器组特性.
|
电容 |
电感 |
电阻 |
最大充电电压 |
最大充电能量 |
短路电流上升时间 |
|---|---|---|---|---|---|
|
426 mu;F |
100 nH |
10 mOmega; |
8.66 kV |
16 kJ |
12 mu;s |
图1 (A)气化箔焊接仪器的原理图；(B)显示喷流、沿界面形成波浪的焊接工艺示意图；
(C)使用铝箔驱动器的草图；(D)该仪器的实际执行情况。
2.1 强度测试
在搭接剪切和剥离测试中测试强度。对于剥离测试，使用磨料水射流将样品切成25.4mm宽的条带，并将飞板相对于焊接界面弯曲90°。如图2所示，通过平板和成角度铝件的组合夹紧靶板。用MTS 831.10负载框架进行剥离试验。垂直对齐的飞片和成角度的铝片以0.1mm / s的速度被夹紧和拉开。对于所有测试，飞板的夹紧区域和界面之间的初始距离保持恒定在25.4mm。获得所有样品的力 - 位移曲线。还计算了力-位移曲线下的积分面积，作为界面韧性的度量。该能量用于使25.4mm宽的样品和焊接区域的整个长度失效。焊接区域具有可变的粘合区域，并且沿着焊接件的中心总是存在无界区域，其中飞板和靶板接触法向入射。根据Kendall(1973)的研究结果，以焊接单位试样宽度的力作为焊缝的剥离强度，通过类似的测量，得出正式的界面断裂韧性值。
图2（A）剥离测试设置（B）正在进行剥离测试，显示第二焊接线剥离期间的力的方向
然后对剥离强度低的材料进行搭剪试验.为此，焊接试样的尺寸为50 mm(长度)times;10mm (宽度)。搭接剪切试验的主要目的是研究剪切作用下焊缝界面是否比基材强。焊接界面的横截面也被取下来，为常规金相分析做好准备，并用光学和扫描电子显微镜对其进行了检测。
2.2速度测量
第二组实验用光子多普勒测速仪(PDV)测量飞板的飞行速度。俄亥俄州立大学的实施情况见其他地方(Johnson等人，2009年)。年度用户研讨会的记录为该方法提供了很好的背景。在背板上钻一个孔，使激光聚焦探头直接观察飞片。在这些实验期间没有使用靶板片材。另外，为了捕获飞片的加速度曲线的更全范围，将支座增加到3.2mm。然后可以通过积分得到的速度 - 时间曲线来估计该范围内任何距离处的速度。特别地，由于先前的实验是在1.6mm的间隔距离处完成的，因此可以以这种方式估计冲击速度。这些实验的输入能量为7.2kJ，与所有碰撞焊接试验的输入能量相同。
3. 结果与讨论
图3中的PDV数据显示钛飞板在最初的1.6mm行程中达到565m / s的峰值速度，而铜和铝飞板在它们与靶板碰撞时继续加速。在1.6mm距离下，铜和铝飞片的冲击速度分别为340 m/s和416 m/s。
图3 使用气化箔法加速0.508mm厚的飞片的PDV数据，其中7.2kJ的电能输入到0.0762mm厚的铝箔中。垂直虚线表示飞板直到那时所经过的距离。
发现0.0762毫米厚的铝驱动器箔几乎是在短加速距离内发展高速的最佳选择。较薄的箔片太快地蒸发并且没有将飞板加速到所需的速度。另一方面，较厚的箔片在爆裂前加热，膨胀并将飞片推至低速。这导致相对低的冲击速度，因此没有发生焊接。 Vivek等人已经讨论了箔片厚度对脉冲金属加工过程中工艺效率的影响（2013年）。
当焊缝垂直于箔的轴线切割时，注意到焊接主要沿着箔的周边发生。 CP钛和1018钢之间的焊缝横截面如图4所示。该图还显示了钛板从其上剥离后的钢板断裂面。它清楚地描绘了箔的有效区域周围的焊接区域。在活动箔区域的中间不直接进行焊接。当飞行器在中心撞击靶板时，撞击角度为零，并且射流形成受到阻碍，导致该区域中没有焊接。当飞板的其余部分坍塌到靶板上时，撞击的角度和速度落在适当的范围内，进行焊接。图5描绘了焊缝的Ti和Fe侧的剥离表面。波浪清晰可见。此外，表面EDS图清楚地证明了在波峰和波谷处的两种基础材料之间的材料转移。裂缝明显比波浪本身更平坦，并且在波浪的波峰和波谷之间穿过。
图4.钛钢焊缝横截面的照片和剥离表面的俯视图
需要注意的是，在中心处没有焊接，该焊接直接位于气化箔的前一位置之上。
图5. Ti-Fe焊接的剥离界面的表面EDS图，显示材料转移;红=钛，绿=铁。 （为了解释艺术作品中对颜色的引用，读者可以参考文章的网页版本。）
在所有试图的材料组合中，相同的间隙距离，输入能量和箔几何形状的条件导致成功的焊接,需要针对每种组合优化这些条件;然而，即使有这些尚未优化的条件，所有焊缝都表现出可测量的强度和韧性。大多数较硬的焊缝在力 - 位移曲线上显示出两个峰值，第二个峰值通常更高。两个峰对应于围绕驱动箔周边的两条焊接线。第二个峰值较高，因为只需要垂直力来破坏第一条焊缝线;然而，当裂缝到达第二次焊缝时，飞板处于一个角度，并且该力必须抵消焊缝的组合剥离和剪切强度。这显示在图2（B）中。在存在两个峰的情况下，采用第一峰来计算剥离强度，因为它对应于模式1断裂载荷下的焊接区域。在Wei和Zhao（2008）的工作中，他们考虑了剥离过程中释放的弹性和塑性能量，对剥离测试数据进行了更深入的分析。在目前的工作中，更多的重点是对使用相同输入参数但不同材料对获得的整体焊接强度进行并排比较。穆萨维等人（2008）描述了对爆炸粘合的Ti / 304不锈钢对的ASTM A265-92剪切试验的实施。他们还设计了剥离试验和缺口剪切试验来表征焊接强度。然而，由于几何约束，在本工作中创建的焊接样品不能很好地适用于它们所描述的任何测试。另外，焊缝的低强度不允许进行先前工作中所需的加工。一旦使用该过程创建强焊缝成为常态，则应执行通常实践的测试。
如表2所示，一些焊缝坚固而坚韧，而一些焊缝非常脆弱。获得界面的SEM图像，并将在此处讨论。这些图像有助于初步了解焊缝韧性的变化。图6显示了相对较弱的对的焊接界面的显微照片。可以看出沿界面存在几乎连续的金属间化合物层。这导致在剥离测试中观察到的脆性断裂。 AZ31B和AA6061 T6的焊接也导致相对较弱的界面。该图描绘了略微波浪形的界面;然而，波浪不会在任何地方互锁。这里使用的镁合金有些脆，界面处的金属间化合物可能导致韧性的进一步损失。商业纯2级钛和1018钢之间的焊缝具有多个空隙，这些空隙可以充当应力集中器并且更容易导致裂纹产生和界面破裂。它已在Kahraman等人的著作中得到证实（2005）。钛和钢可以爆炸粘合，导致焊缝比母材更强。他们还报告说，增加爆炸载荷，从而增加碰撞速度，可能导致形成焊接界面，这种界面本质上是波浪状的，没有任何缺陷，例如熔化空隙和金属间化合物。因此，尽管在这项工作中创建的一些焊缝很薄弱，但参数优化仍有很大的余地。
表2 对气化箔焊接技术所产生的各种碰撞焊接偶进行剥离试验的结果
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试样编号 |
飞板，厚度(mm 全文共10098字，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料 资料编号：[232]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word |
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