布偉剛

西安天力金屬?gòu)?fù)合材料有限公司

爆炸焊接質(zhì)量的影響因素及參數(shù)優(yōu)化分析

布偉剛

西安天力金屬?gòu)?fù)合材料有限公司

隨著工業(yè)現(xiàn)代化步伐的不斷加快，有許多動(dòng)力機(jī)械、化工、冶金和石油加工等設(shè)備的零部件難免要在高溫、超載、強(qiáng)侵蝕、電磁輻射或放射性等惡劣環(huán)境中長(zhǎng)期工作。這就要求用于制造這些零部件的材料必須是能滿(mǎn)足上述要求的特殊材料，如高合金鋼、有色金屬以及專(zhuān)用合金材料等。如果整個(gè)設(shè)備和儀器都采用十分貴重的特殊材料制造，不僅會(huì)使生產(chǎn)工藝復(fù)雜化、顯著提高設(shè)備和儀器的造價(jià)，而且更重要的是也難以滿(mǎn)足設(shè)備的整體使用要求。本文對(duì)其中存在的質(zhì)量問(wèn)題進(jìn)行闡述，并根據(jù)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化措施的分析。

爆炸焊接；質(zhì)量；參數(shù)優(yōu)化

爆炸焊接亦稱(chēng)爆炸復(fù)合，是一種利用炸藥爆轟所產(chǎn)生的巨大能量使兩層或多層的同種或異種金屬材料發(fā)生高速傾斜碰撞而形成固相冶金結(jié)合的高能加工技術(shù)，近年來(lái)在工業(yè)生產(chǎn)中得到廣泛運(yùn)用。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)爆炸焊接的試驗(yàn)過(guò)程及機(jī)理進(jìn)行了大量研究。利用計(jì)算機(jī)模擬仿真軟件來(lái)模擬爆炸焊接，具有成本較低、顯著減少實(shí)驗(yàn)次數(shù)等優(yōu)點(diǎn)，可以方便地研究爆炸焊接過(guò)程及爆炸焊接參數(shù)(碰撞角、碰撞速度、裝藥量、炸藥種類(lèi)等)對(duì)其的影響，而且該技術(shù)經(jīng)過(guò)先前焊接研究者的驗(yàn)證，得到的結(jié)果也具有一定的可適用性。

1 爆炸焊接技術(shù)概述

爆炸焊接就是利用炸藥的能量將兩塊被復(fù)合的金屬材料在爆轟波的作用下，實(shí)現(xiàn)高速斜碰撞，從而組合成新的復(fù)合材料。

當(dāng)炸藥爆轟后，爆炸產(chǎn)物形成高壓脈沖載荷，直接作用在復(fù)板上，復(fù)板被加速，在幾個(gè)微秒時(shí)間內(nèi)復(fù)板就達(dá)到幾百米/秒的速度，它從起始端開(kāi)始，依次與復(fù)板碰撞，當(dāng)兩金屬以一定的角度相碰時(shí)產(chǎn)生很大的壓力(約幾十萬(wàn)個(gè)大氣壓)，將大大超過(guò)金屬的動(dòng)態(tài)屈服極限。因而碰撞區(qū)產(chǎn)生了高速度的塑性變形，同時(shí)伴隨有劇烈的熱效應(yīng)。此時(shí)，碰撞面金屬板的物理性質(zhì)類(lèi)似于流體，這樣在兩金屬板的內(nèi)表面將形成兩股運(yùn)動(dòng)方向相反的金屬?lài)娚淞鳌Ｒ还墒窃谂鲎颤c(diǎn)前的自由射流(或稱(chēng)再入射流，簡(jiǎn)稱(chēng)射流)向未結(jié)合的空間高速?lài)姵?，它沖刷了金屬的內(nèi)表面的表面膜，使金屬露出了有活性的清潔表面，為兩塊金屬板的復(fù)合提供了條件；另一股是在碰撞點(diǎn)之后的凸角射流(有的也稱(chēng)為凝固射流)，它被凝固在兩金屬板之間，形成兩種金屬的冶金結(jié)合。

2 質(zhì)量的影響因素

就目前已有材料的性能來(lái)看，單獨(dú)使用任何一種材料包括最新研制的新材料，都不可能同時(shí)滿(mǎn)足幾方面的特殊要求。焊接是金屬材料最常見(jiàn)的復(fù)合方法。但異種金屬材料的焊接往往比同種材料的焊接要困難得多，這是因?yàn)榻饘俨牧系姆N類(lèi)不同，其熔點(diǎn)、密度、導(dǎo)熱性各異，晶格類(lèi)型及參數(shù)等物理化學(xué)性能也有所差別，有的甚至差別很大，對(duì)其焊接性有很大的影響。

焊接時(shí)結(jié)合面處會(huì)產(chǎn)生一層性能和組織與母材不同的過(guò)渡層，因此，采用常規(guī)方法焊接時(shí)，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)以下技術(shù)問(wèn)題：(1)兩種基體金屬材料之間不能形成合金；(2)焊接過(guò)程中金相組織的變化或產(chǎn)生新的組織而使接頭的性能變差；(3)熔合區(qū)和熱影響區(qū)的機(jī)械性能、塑性的降低；(4)由于基體金屬熱膨脹系數(shù)不同而引起的熱應(yīng)力，而且這種熱應(yīng)力不能消除；(5)因塑性變差和應(yīng)力增加往往容易引起裂紋。

3 爆炸焊接參數(shù)優(yōu)化的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法分析

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(ANN)模擬人的大腦活動(dòng)，具有極強(qiáng)的非線形逼近、大規(guī)模并行處理、自訓(xùn)練學(xué)習(xí)、自組織和容錯(cuò)能力等優(yōu)點(diǎn)，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論對(duì)爆炸焊接參數(shù)進(jìn)行預(yù)測(cè)和控制，能克服傳統(tǒng)預(yù)測(cè)方法的一些缺陷，能快速、準(zhǔn)確地得到預(yù)測(cè)結(jié)果。這對(duì)于指導(dǎo)爆炸焊接設(shè)計(jì)，優(yōu)化爆焊參數(shù)，確保爆炸接質(zhì)量具有重要意義。

3.1 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論及其典型網(wǎng)絡(luò)模型

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是由大量簡(jiǎn)單的基本元件一神經(jīng)元相互聯(lián)結(jié)，模擬人的大腦神經(jīng)處理信息的方式，進(jìn)行信息并行處理和非線形轉(zhuǎn)換的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)處理信息是通過(guò)信息樣本對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練，使其具有人的大腦的記憶、辨識(shí)能力，完成各種信息處理功能。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有良好的自學(xué)習(xí)、自適應(yīng)、聯(lián)想記憶、并行處理和非線形轉(zhuǎn)換的能力，避免了復(fù)雜數(shù)學(xué)推導(dǎo)，在樣本缺損和參數(shù)漂移的情況下，仍能保證穩(wěn)定的輸出。

3.2 爆炸焊接參數(shù)優(yōu)化模型的建立與求解

爆炸焊接強(qiáng)度是衡量爆炸焊接質(zhì)量的主要指標(biāo)，將此作為BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的輸出層，節(jié)點(diǎn)數(shù)為1個(gè)。影響爆炸焊接質(zhì)量的因素很多，有選定的金屬材料的物理化學(xué)性能，炸藥的性能及安裝參數(shù)等，通過(guò)分析篩選，確定了9個(gè)影響較大的因素：(l)金屬材料的密度；(2)金屬材料的硬度；(3)金屬材料的熔點(diǎn)；(4)金屬材料的外觀尺寸；(5)炸藥的爆速；(6)單位面積裝藥量；(7)金屬材料的安裝角度；(8)金屬材料的安裝間隙；(9)緩沖層的選用。將這9個(gè)變量作為輸入變鼠，即輸入節(jié)點(diǎn)數(shù)為9個(gè)。

隱層節(jié)點(diǎn)數(shù)的多少對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能的影響較大，當(dāng)隱層節(jié)點(diǎn)數(shù)太多時(shí)，會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，甚至不能驗(yàn)收；而當(dāng)隱層節(jié)點(diǎn)數(shù)過(guò)小時(shí)，網(wǎng)絡(luò)的容錯(cuò)能力差。隱層節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)根據(jù)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練結(jié)果選取8個(gè)節(jié)點(diǎn)，由此確定網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)為(9，8，1)。爆炸焊接參數(shù)優(yōu)化預(yù)測(cè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是三層BP模型，輸入層上的輸入神經(jīng)元接受金屬材料的物理化學(xué)性能，炸藥的性能及安裝參數(shù)等信息、的輸入，輸出層上的輸出神經(jīng)元為爆炸焊接質(zhì)量等級(jí)系數(shù)。

選取其中的6個(gè)樣本對(duì)爆炸焊接參數(shù)優(yōu)化預(yù)測(cè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行學(xué)習(xí)訓(xùn)練，建立辯識(shí)模型。然后選取剩下的2個(gè)樣本對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行檢驗(yàn)，檢驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 網(wǎng)絡(luò)檢測(cè)結(jié)果

網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)的爆炸焊接質(zhì)量等級(jí)系數(shù)與實(shí)際情況相吻合，預(yù)測(cè)的誤差最大值為5.7%，由此表明利用該模型來(lái)預(yù)測(cè)爆炸焊接參數(shù)優(yōu)化是可行的。

總之，(l)模糊多層次綜合評(píng)價(jià)數(shù)學(xué)模型對(duì)爆炸焊接參數(shù)進(jìn)行的定量評(píng)價(jià)有重要的理論和實(shí)際意義，通過(guò)實(shí)際分析與評(píng)價(jià)證明該方法有相當(dāng)大的實(shí)用性和精度。(2)利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)爆炸焊接參數(shù)進(jìn)行預(yù)測(cè)和控制是可行的，并能對(duì)爆炸焊接參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

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[2]張會(huì)鎖，金俊，趙捍東，曹紅松.起爆方式對(duì)爆炸焊接質(zhì)量影響的三維數(shù)值仿真研究[J].中北大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2012，05：525-529.