维普资讯 http://www.cqvip.com 助 能 材 料 ２００７年增刊（３８）卷 Ｎｉ—Ｔｉ形状记忆合金爆炸焊接与复合的试验研究 蔺宇龙 ，佟铮 ，自力中 ，吴继明 （１．内蒙古工业大学材料科学与工程学院，内蒙古呼和浩特０１００５１： ２．北京吴煜工贸有限责任公司爆炸加工厂，北京１０２３００） 摘要： Ｎｉ．Ｔｉ形状记忆合金是一种新型的功能材料， 作用在复板上，复板冲击速度 在几个微秒时间内被 采用传统的高温熔融焊接后，常常改变焊接热影响区的 加速到数百米／秒左右，它从起始端开始，依次以速度ｔ）印 形状记忆功能，严重影响了这一功能材料的应用领域。 与基板碰撞。 对于冲击韧性值较低的形状记忆舍金，能否实现同种材 料的爆炸焊接与异种材料的爆炸复合，并达到其冶金结 合，是人们积极探索的一种新方法。采用下限法对形状 记忆合金爆炸焊接与复合技术进行了试验研究，并通过 增加缓冲板改变常规平行法布药结构，以降低复板运动 速度，实现了Ｎｉ．Ｔｉ合金直接结合的最佳爆炸焊接界面 和Ｎｉ．Ｔｉ合金与０Ｃｒ１８Ｎｉ９及黄铜Ｈ６２板复合界面的波 图Ｉ爆炸焊接过程的示意简图 Ｆｉｇ Ｉ Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ ｐｌａｎ ｏｆ ｅｘｐｌｏｓｉｖｅ ｗｅｌｄｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ 状结合。 当两金属板以一定的角度 相碰时产生约上万 关键词： Ｎｉ．Ｔｉ形状记忆合金；爆炸焊接；复合板；下 ＭＰａ的压力，将大大超过金属的动态屈服极限。因而在 限法；波状结合 中图分类号：ＴＧ４５６．６ 文献标识码：Ａ 碰撞区产生了高应变速率的塑性变形，同时瞬间在结合 文章编号：１００１．９７３Ｉ（２００７）增刊．３２１８．０３ 层表面产生明显的局部热效应。根据流体力学的动量守 恒定理，速度为ｔ）ｆ的来流经碰撞在两金属板内表面将形 １ 引 言 成两股运动方向相反的金属喷射流。一股是在碰撞点前 Ｎｉ．Ｔｉ形状记忆合金是近些年发展起来的一种新型 的射流，向未结合的空间高速喷出，它冲刷了金属内侧 的表面膜，清除金属表面的氧化膜，使金属露出有活性 金属功能材料，除具有形状记忆效应（Ｓｈａｐｅ Ｍｅｍｏｒｙ Ｅｆｆｅｃｔ，ＳＭＥ）与伪弹性（Ｐｓｅｕｄｏ Ｅｌａｓｔｉｃｉｔｙ，ＰＥ）两大特异功 的清洁表面，为两块金属板的冶金结合提供必要条件。 能外，还具有良好的生物相容性，被人们称之为“跨越 另一股是在碰撞点之后的凸角射流，它被“凝固”在两 ２Ｉ世纪的理想材料”。 金属板之间，形成两种金属的冶金结合。 智能材料（Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ）是具有感知一反馈 ３试验研究 一响应特异功能的材料，是材料科学与工程的发展前 沿，是２ｌ世纪超技术、微电子与生物技术发展的先导和 ３．Ｉ试验材料 物质基础。将形状记忆合金与其它工程材料复合可制成 Ｎｉ．Ｔｉ形状记忆合金的化学成分见图２，试验材料 自修复智能复合材料【】】。 力学性能如表Ｉ所示。 由于Ｎｉ．Ｔｉ形状记忆合金是一种高强度、冲击韧性 值较小的材料，在爆炸焊接与复合时极易产生开裂和脆 断，使焊接失效【２】。文献［３－－５］介绍了采用红外铜焊和激 光焊Ｎｉ．Ｔｉ合金的微观组织及对焊缝性能的影响等。目前 尚未检索到成功爆炸焊接与复合Ｎｉ．Ｔｉ形状记忆合金的 相关文献报道。本工作对形状记忆合金爆炸焊接与复合 技术进行了试验研究，并取得良好的结合效果。 ２爆炸焊接的基本原理 Ｅｎｅｒｇｙ／ｋｅＶ 图Ｉ是爆炸焊接过程的示意简图。 图２ Ｎｉ．Ｔｉ合金能谱分析 当炸药爆轰后，爆炸产物形成高压脉冲载荷，直接 Ｆｉｇ ２ Ｅｎｅｒｇｙ ｓｐｅｃｔｒｕｍ ｇｒａｐｈ ｏｆ Ｎｉ—Ｔｉ ａｌｌｏｙ ＋收到稿件日期：２００７．０３—１９ 通讯作者：蔺宇龙 作者简介：蔺宇龙（１９７８一），男，在读硕士，主要从事金属爆炸焊接与成型的研究。 维普资讯 http://www.cqvip.com 蔺宇龙等：Ｎｉ．Ｔｉ形状记忆合金爆炸焊接与复合的试验研究 表１ 试验材料的主要性能参数 试验材料 Ｐ 泊松比 Ｏ＂ｂ Ｅ ＨＶ Ａｔ 公式（３）适用与同种金属的爆炸焊接，无法用于异 种金属的爆炸复合。由式（３）可推导出双金属复板飞行的 下限速度，如下式 】： （ｇ．ｃｍ。 ） ） （Ｍｐａ） （Ｇｐａ） （％） （Ｊ） Ｎｉ—Ｔｉ合金 ６．５０ ０．３５０ ９５２ ６０．９ １０．６ １８３～１９６ ６．９９ 黄铜Ｈ６２ ８．４３ ＯＣｒｌ８Ｎｉ９ ７．８５ ０．３４６ ０．３０５ ３７６ ５２０ １０５ ３０ ９１～１０２ ●—— ２０６ ４０ １８０～２００ ＿—— ｉｒ ＋＿ １ １ ］ ｝ ．３．２药量计算 为了形成稳定的射流，沿碰撞界面的碰撞点速度 式中的下标ｆ和ｂ分别表示复板和基板。 ３．３试验方案与过程 传统试验方案对于形状记忆合金板的爆炸焊接试 验是行不通的。主要原因有以下两点： （１）按照传统 布药方法其药层厚度为０．５２ｃｍ，小于炸药稳定爆轰的 应小于材料的体积声速 ， 印的最大值应取基、复 板材料中声速较小的 。根据声速公式： 印＝ （１） 式中：Ｅ为材料的弹性模量；ｐ为材料的密度。 代入数值计算得： ＝３０６１ｍ／ｓ 最小极限厚度，会导致主炸药拒爆；（２）布药面积小， 不易消除不稳定传爆的边界效应。 考虑到形状记忆合金板的力学特性及稳定传爆极限 药层厚度的影响，我们对布药结构进行重新设计。首先， 在复板与炸药层之间增加一层缓冲板。其目的：（１）通过 增大缓冲板的面积，可减小不稳定传爆过程和边界效应 的影响；（２）可利用缓冲板的吸能作用，增大药层厚度， 避免主炸药拒爆现象；（３）通过缓冲板能量的吸收与二次 释放，可降低复板冲击速度 。的峰值，防止焊接脆裂现 象的发生。（４）为防止传统软体砧座在焊接时易造成试件 断裂，对于Ａｋ值较小的形状记忆合金薄板，采用了钢制 砧座。改进后的装药结构见图３所示。 同理，可得Ｈ６２与０Ｃｒｌ８Ｎｉ９的体积声速。 根据亚音速原则，为了使两碰撞金属产生能获得最 佳焊接效果的特有的流动状态，碰撞点速度 。应为 的１／２￣３／４。据此，在试验中选用２ 硝胺炸药，加入一 定比例的稀释剂有效地降低炸药传爆速度 ，其爆速大 约在（１９００￣２２００）ｍ／ｓ范围 】。 在爆炸焊接中单位面积的装药量Ｃ是一个重要的 初始参数，ｃ的取值决定于复板和基板金属材料的性能 与炸药相关的参数。理论药量通过式（２）进行计算。 根据Ｄｅｒｉｂａｓ等人把实验数据代入炸药产生的复 板一维抛射方程式，得到如下结果【７】： ＋３２Ｃ／２７ｍ＇｝ 一１］ Ｌ２ ｌＩ （＋１ ３ —２Ｃ／赢２７ １ｍ１ｌ，２＋Ｉ ｆ 式中： ，为复板速度；ｍ为单位面积的复板质量。 … 图３平行法布药结构示意图 Ｆｉｇ ３ Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ ｐｌａｎ ｏｆ ｐｏｗｄｅｒ ｐａｒａｌｌｅｌ ｌａｙｏｕｔ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ 由于形状记忆合金Ａ。值较小，应选取爆炸焊接参 数下限值这一基本原则，进行药量计算。 复板飞行的下限速度根据Ｄｅｒｉｂａｓ等提出的计算公式 ： ＝Ｋ（ＨＶＩｐ） （３） 试验时，选用调配好的２ 硝胺炸药，为防止边界效 应，采用药端Ｖ形起爆方式，试验均选用３ｍｍ厚的 Ｑ２３５钢板作缓冲板，改进后的试验数据如表２所示。 式中：肭常数，取值在０．６～１．２之间；ＨＶ为维氏硬度。 表２改进后试验方案 序 金属组合 复、基、缓冲板尺寸 炸药密度 单位药量 号 １ ＮｉＴｉ合金 ．修正系数 药层厚度 布药方式 焊接效果 （ｃｍ） （ｍｒｎ×ｍｉｌｌ×ｍｍ） ＮｉＴｉ合金 ．（ｇ／ｃｍ ） （ｇ／ｃｍ。） ２ ３ １３０×１１０×０．８５ １２０×１００×０．８５ ２ｏ０×１４０×３．ｏ０ ０．６２ １．４４ １．３５ １．２８ ０．８５ ０．８０ ０．７５ ２．３５ ２．２０ ２．０８ 均 匀 焊合良好 焊合良好 焊合较好 ４ ＯＣｒ１８Ｎｉ９ ５ ＮｉＴｉ合金 ６ ．５０×５０×０．８５ ６０×５０×１．５０ １１０×８０×４．ｏ０ ５５×５０×０．８５ ６０×６０×１．１０ １１０×８０×４．００ ０．８０ １．５０ １．４２ ｌ＿３３ ０．９９ ０．９３ ０．８７ 。 ’ ０．８５ ０．８０ ０．７５ ０．８５ ０．８０ ０．７５ ２．４５ ２．３１ ２．１６ １．６１ １．５１ １．４２ 等 厚 布 药 复合良好 复合良好 复合良好 复合良好 复合良好 复合较好 ７ 黄铜Ｈ６２ ８ ＮｉＴｉ合金 ．０．６５ ９ 捧的 接的最小间距值公式求得赛 和 Ⅱｎａｎ提出的平行焊 ４试验结果分析 ： ｄ＝０．２（ｄ ＋ｄｆ） （５） Ｎｉ．Ｔｉ形状记忆合金板爆炸焊接后，沿爆轰方向，垂 式中： 为炸药厚度； 为复板厚度。 直于复合面截取金相试样。腐蚀液采用、氢氟酸和 维普资讯 http://www.cqvip.com 助 双氧水的混合液，浸蚀后的金相显微照片如图４所示。 财 轩 ２００７年增刊（３８）卷 通过公式５可判定出，Ｎｉ．Ｔｉ合金爆炸焊接的焊缝 波长 大致在３０￣４０／ｚｍ之间。根据文献［９］、［１０］的评 判依据，说明两块形状记忆合金薄板达到直接结合，可 以认为这类结合区是１００％焊合，这种结合有非常高的 结合强度，是爆炸焊接的最佳结合效果。 从图５、６可以看出，Ｎｉ．Ｔｉ合金与０Ｃｒｌ８Ｎｉ９及黄 铜Ｈ６２板的复合界面为正弦波状结合形态。在结合区 图４ Ｎｉ．Ｔｉ合金爆炸焊接界面显微组织 Ｆｉｇ ４ Ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｇｒａｐｈ ｏｆ ｅｘｐｌｏｓｉｖｅ ｗｅｌｄｉｎｇ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ 界面的波纹状或波浪形状是爆炸焊接独特的特征。这种 细小的周期排列的波形构成的结合区界面，形成了金属 ｉｎＮｉ－Ｔｉ ａｌｌｏｙ 的固相焊接，即冶金结合。 Ｎｉ．Ｔｉ合金与０Ｃｒ１８Ｎｉ９及黄铜Ｈ６２板爆炸复合的金 相显微照片分别由图５、６所示。 ５结论 （１）对于Ａｋ值较小的形状记忆合金薄板，采用下 限法，并合理调整布药结构，可成功实现Ｎｉ．Ｔｉ合金的 爆炸焊接与复合，并达到良好的结合效果，为智能材料 的制作提供了一种新的途径。 （２）试验结果证明，对于厚度＜１．Ｏｍｍ的形状记忆合 金薄板进行爆炸焊接和复合时，在复板与炸药层之间增加 一图５ Ｎｉ．Ｔｉ合金与０Ｃｒｌ８Ｎｉ９爆炸复合显微组织 层缓冲板，可有效地降低复板冲击速度ｔ 峰值，可有效 Ｆｉｇ ５ Ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｇｒａｐｈ ｏｆ ｅｘｐｌｏｓｉｖｅ ｃｌａｄｄｉｎｇ ｉｎ Ｎｉ－Ｔｉ 避免复板产生断裂和裂纹。同时，对于形状记忆合金薄板， ａｌｌｏｙ ａｎｄ ０Ｃｒｌ８Ｎｉ９ 通过增大药层厚度可有效保证主炸药的稳定传爆。 （３）钢制砧座是爆炸焊接Ｎｉ．Ｔｉ形状记忆合金薄板 的理想砧座形式。 参考文献： 【１】Ｗｅｉ Ｚ Ｇ Ｔａｎｇ Ｃ Ｌｅｅ Ｗ Ｂ．［Ｊ】．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｍａｔｅｒｉｌａｓ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，１９９７，６９（１－３）：６８—７４． ［２】 郑远谋，黄荣光，陈世红．［Ｊ】．理化检验一物理分册， 图６ Ｎｉ．Ｔｉ合金与Ｈ６２爆炸复合显微组织 １９９８，３４（７）：６—１０． Ｌｉ Ｍ Ｇ，Ｓｕｎ Ｄ Ｑ，Ｑｉｕ Ｘ Ｍ，ｅｔ ａ１．［Ｊ】．Ｍａｔｅｒｉｌａｓ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｆｉｇ ６ Ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｇｒａｐｈ ｏｆ ｅｘｐｌｏｓｉｖｅ ｃｌａｄｄｉｎｇ ｉｎ Ｎｉ－Ｔｉ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２００６，４２４（１—２）：１７—２２． ｌａｌｏｙ ａｎｄＨ６２ ＳｈｉｎｅＲＨ，ＷｕＳＫ ．Ｉｎｔｅｒｍｅｔａｌｌｉｃｓ，２００６，１４（６）：６３０－６３８． 从图４可以看出，两块形状记忆合金板爆炸焊接结 Ｑｉｕ Ｘ Ｍ，Ｌｉ Ｍ Ｇ，Ｓｕｎ Ｄ Ｑ，ｅｔ ａ１．［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｍａｔｅｒｉｌａｓ 合界面呈微波状结合，部分结合区几乎看不到分界面。 Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２００６，１７６（１—３）：８－１２． 对界面波形进行划分的重要依据是爆炸焊接结合 安立昌．［Ｊ］．火炸药学报，２００３，２６（３）：６８—６９． 邵丙璜，张 凯．爆炸焊接原理及其工程应用［Ｍ】．大连 界面的波长Ａ。对于均匀布药工艺，波长Ａ的计算采用 大连理工大学出版社，１９８７． 如下公式【９】． 李晓杰，等．厚板平行爆炸焊接参数的选取［ｃ】．第五次 全国爆轰与冲击动力学学术会议论文集，１９９７，１９２—１９８． ｎｖｐ：——周春华，等．ｆＪ］．焊接技术，２００２，３１（６）：１７—１８． ２ ｄｒ Ｉ 一１ ，』Ｉ （６） 史长根，等．ｆＪ］．理化检验—物理分册，１９９８，３４（７）：１ １－１３． Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｒｅｓｅａｒｃｈｓ ０ｎ ｅｘｐｌｏｓｉｖｅ ｗｅｌｄｉｎｇ ａｎｄ ｃｌａｄｄｉｎｇ ０ｆ Ｎｉ．Ｔｉ ｓｈａｐｅ ｍｅｍｏｒｙ ａｌｌｏｙｓ ＬＩＮ Ｙｕ—ｌｏｎｇ ，Ｔ０ＮＧ Ｚｈｅｎｇ ，ＢＡＩ Ｌｉ—ｚｈｏｎｇ ，１ⅣＵ Ｊｉ—ｍｉｎｇ （１．Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆＭａｔｅｒｉａｌｓ Ｓｃｉｅｎｃｅ ｎａｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｉｎｎｅｒ Ｍｏｎｇｏｌｉａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｈｕｈｈｏｔ ０１００５１，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｂｅｉｊｉｎｇ Ｈａｏｙｕ Ｉｎｄｕｓｔｒｙ ａｎｄ Ｔｒａｄｅ Ｃｏ Ｌｔｄ Ｅｘｐｌｏｓｉｏｎ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｍｉｌｌ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １ ０２３００，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｓｈａｐｅ ｍｅｍｏｒｙ ａｌｌｏｙｓ（ＳＭＡ）ｏｆ Ｎｉ．Ｔｉ ｉｓ ａ ｎｅｗ ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌ ｍａｔｅｒｉａ１．Ｂｕｔ ｔｈｅ ｓｈａｐｅ ｍｅｍｏｒｙ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｏｆｔ．ｅｎ ｃｈａｎｇｅｓ ｗｈｅｎ ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ ｈｉｇｈ．ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｗｅｌｄ ｉｓ ｐｅｒｆｏｒｍｅｄ ａｎｄ ｉｔｓ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｉｓ ａｆｆｅｃｔｅｄ ｇｒｅａｔｌｙ．Ｆｏｒ ＳＭＡ ｗｉｔｈ ｌｏｗ ｉｍｐａｃｔ ｔｏｕｇｈｎｅｓｓ，ｉｔ ｈａｓ ｂｅｅｎ ａ ｎｅｗ ｍｅｔｈｏｄ ｔｏ ｗｅｌｄ ｂｙ ｍｅａｎｓ ｏｆ ｅｘｐｌｏｓｉｖｅ ｗｅｌｄｉｎｇ ｏｆ ｔｈｅ ｓａｍｅ ｍａｔｅｒｉａｌ ａｎｄ ｅｘｐｌｏｓｉｖｅ ｃｌａｄｄｉｎｇ ｏｆ ｔｈｅ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｍａｔｅｒｉａｌｓ．Ｉｎ ｔｈｉｓ ｗｏｒｋ，ＳＭＡ ｅｘｐｌｏｓｉｖｅ ｗｅｌｄｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｗａｓ ｓｔｕｄｉｅｄ ｂｙ ｍｅａｎｓ ｏｆ ｌｏｗ ｌｉｍｉｔ ｍｅｔｈｏｄ．Ｂｙ ｔｈｅ ａｄｄｉｔｉｏｎ ｏｆ ｂｕｆｆｅｒｉｎｇ ｐｌａｔｅ，ｔｈｅ ｃｏｔｌｕｒｌｏｎ ｐａｒａｌｌｅｌ ｐｏｗｄｅｒ－ｄｉｓｐｏｓｉｎｇ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｉｓ ｃｈａｎｇｅｄ ＳＯ ａｓ ｔｏ ｌｏｗｅｒ ｔｈｅ ｍｏｖｅｍｅｎｔ ｓｐｅｅｄ ｏｆ ｃｌａｄ ｍｅｔａ１ ｓｈｅｅｔ．Ａｓ ｒｅｓｕｌｔｓ，ｔｈｅ ｏｐｔｉｍａｌ ｅｘｐｌｏｓｉｖｅ ｗｅｌｄｉｎｇ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ ｏｆ Ｎｉ－Ｔｉ ｓｔｒａｉｇｈｔ ｂｏｎｄ ａｎｄ ｅｘｐｌｏｓｉｖｅ ｃｌａｄｄｉｎｇ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ ｏｆ Ｎｉ．Ｔｉ，０Ｃｒｌ ８Ｎｉ９ ａｎｄ ｂｒａｓｓ Ｈ６２ ｗｅｒｅ ｏｂｔａｉｎｅｄ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：Ｎｉ－Ｔｉ ｓｈａｐｅ ｍｅｍｏｒｙ ａｌｌｏｙ；ｅｘｐｌｏｓｉｖｅ ｗｅｌｄｉｎｇ；ｃｌａｄｄｉｎｇ ｐｌａｔｅ￣ｌｏｗ ｌｉｍｉｔ ｍｅｔｈｏｄ；ｗａｖｅ ｂｏｎｄ
