爆炸焊接質(zhì)量的影響因素及參數(shù)優(yōu)化分析

布偉剛

西安天力金屬復(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

西安天力金屬復(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)境中長期工作。這就要求用于制造這些零部件的材料必須是能滿足上述要求的特殊材料，如高合金鋼、有色金屬以及專用合金材料等。如果整個設(shè)備和儀器都采用十分貴重的特殊材料制造，不僅會使生產(chǎn)工藝復(fù)雜化、顯著提高設(shè)備和儀器的造價，而且更重要的是也難以滿足設(shè)備的整體使用要求。本文對其中存在的質(zhì)量問題進(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)，近年來在工業(yè)生產(chǎn)中得到廣泛運用。國內(nèi)外學(xué)者對爆炸焊接的試驗過程及機(jī)理進(jìn)行了大量研究。利用計算機(jī)模擬仿真軟件來模擬爆炸焊接，具有成本較低、顯著減少實驗次數(shù)等優(yōu)點，可以方便地研究爆炸焊接過程及爆炸焊接參數(shù)(碰撞角、碰撞速度、裝藥量、炸藥種類等)對其的影響，而且該技術(shù)經(jīng)過先前焊接研究者的驗證，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，在幾個微秒時間內(nèi)復(fù)板就達(dá)到幾百米/秒的速度，它從起始端開始，依次與復(fù)板碰撞，當(dāng)兩金屬以一定的角度相碰時產(chǎn)生很大的壓力(約幾十萬個大氣壓)，將大大超過金屬的動態(tài)屈服極限。因而碰撞區(qū)產(chǎn)生了高速度的塑性變形，同時伴隨有劇烈的熱效應(yīng)。此時，碰撞面金屬板的物理性質(zhì)類似于流體，這樣在兩金屬板的內(nèi)表面將形成兩股運動方向相反的金屬噴射流。一股是在碰撞點前的自由射流(或稱再入射流，簡稱射流)向未結(jié)合的空間高速噴出，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；另一股是在碰撞點之后的凸角射流(有的也稱為凝固射流)，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看，單獨使用任何一種材料包括最新研制的新材料，都不可能同時滿足幾方面的特殊要求。焊接是金屬材料最常見的復(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，這是因為金屬材料的種類不同，其熔點、密度、導(dǎo)熱性各異，晶格類型及參數(shù)等物理化學(xué)性能也有所差別，有的甚至差別很大，對其焊接性有很大的影響。

焊接時結(jié)合面處會產(chǎn)生一層性能和組織與母材不同的過渡層，因此，采用常規(guī)方法焊接時，經(jīng)常會出現(xiàn)以下技術(shù)問題：(1)兩種基體金屬材料之間不能形成合金；(2)焊接過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，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)、自組織和容錯能力等優(yōu)點，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論對爆炸焊接參數(shù)進(jìn)行預(yù)測和控制，能克服傳統(tǒng)預(yù)測方法的一些缺陷，能快速、準(zhǔn)確地得到預(yù)測結(jié)果。這對于指導(dǎo)爆炸焊接設(shè)計，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)處理信息是通過信息樣本對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練，使其具有人的大腦的記憶、辨識能力，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)點數(shù)為1個。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，通過分析篩選，確定了9個影響較大的因素：(l)金屬材料的密度；(2)金屬材料的硬度；(3)金屬材料的熔點；(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個變量作為輸入變鼠，即輸入節(jié)點數(shù)為9個。

隱層節(jié)點數(shù)的多少對網(wǎng)絡(luò)性能的影響較大，當(dāng)隱層節(jié)點數(shù)太多時，會導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)時間過長，甚至不能驗收；而當(dāng)隱層節(jié)點數(shù)過小時，網(wǎng)絡(luò)的容錯能力差。隱層節(jié)點個數(shù)根據(jù)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練結(jié)果選取8個節(jié)點，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)量等級系數(shù)。

選取其中的6個樣本對爆炸焊接參數(shù)優(yōu)化預(yù)測神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行學(xué)習(xí)訓(xùn)練，建立辯識模型。然后選取剩下的2個樣本對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行檢驗，檢驗結(jié)果見表1。

表1 網(wǎng)絡(luò)檢測結(jié)果

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

總之，(l)模糊多層次綜合評價數(shù)學(xué)模型對爆炸焊接參數(shù)進(jìn)行的定量評價有重要的理論和實際意義，通過實際分析與評價證明該方法有相當(dāng)大的實用性和精度。(2)利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對爆炸焊接參數(shù)進(jìn)行預(yù)測和控制是可行的，并能對爆炸焊接參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

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