武琪昌，何建萍

（上海工程技術(shù)大學(xué) 材料工程學(xué)院,上海 201620）

沖擊焊是指整個(gè)焊接過程控制在微秒數(shù)量級，在整個(gè)固相連接過程中，焊接材料經(jīng)歷瞬間外力加速的沖擊、塑性變形和界面原子擴(kuò)散等一系列極其復(fù)雜的物理化學(xué)過程，從而形成結(jié)合強(qiáng)度與母材相同甚至超越母材的優(yōu)質(zhì)焊接接頭的一種焊接方法.最典型的沖擊連接包括爆炸焊（Explosive Welding）、磁脈沖焊（Magnetic Pulse Welding）和電磁沖擊焊（Electromagnetic Impact Welding）.爆炸焊中驅(qū)動工件運(yùn)動的是爆炸產(chǎn)生的沖擊載荷，磁脈沖焊和電磁沖擊焊中的驅(qū)動力是電磁力.被焊工件受到?jīng)_擊載荷后以較高速度相互撞擊，碰撞界面發(fā)生塑性變形并伴隨界面間原子相互擴(kuò)散實(shí)現(xiàn)冶金結(jié)合，最終完成工件的界面連接.

沖擊焊由于不需要添加填充金屬，并且是固相連接，因此對材料有廣泛的適應(yīng)性，適用于難焊材料以及不同物理性質(zhì)和冶金性能的異種材料的焊接，并且被焊工件的尺寸和規(guī)格不受限制.與熔焊相比，沖擊焊可有效減少焊接過程中氣孔、夾雜等焊接缺陷；與非沖擊焊的其他快速連接相比，沖擊焊的焊接過程極短，焊接過程中幾乎沒有中間化合物的生成，且焊接界面處強(qiáng)度通常大于母材強(qiáng)度，并能保證焊接界面的一定韌性.憑借這些優(yōu)點(diǎn)，沖擊焊常用于薄板焊、厚板焊、平板焊及管材的內(nèi)、外包覆焊等焊接.應(yīng)用材料主要有鋁、鋼以及具有良好耐蝕性的鈦、鋯、鈮、鉭、鎢、鉬、銅、鎳、貴金屬、不銹鋼等以及普通鋼、非晶態(tài)合金等.目前沖擊焊在核能工程、汽車制造、航空制造等領(lǐng)域已得到廣泛應(yīng)用.

當(dāng)前各類元器件呈現(xiàn)出微型化、高可靠性的發(fā)展趨勢，對工件的精密性、使用性要求越來越高，從而使小端面零部件的可靠連接受到廣泛關(guān)注.關(guān)于小端面工件的界面連接，所采用的方法主要有激光焊、釬焊、壓力焊等.激光焊在焊接小端面工件時(shí)，要求激光聚焦在被焊的端面位置，由于激光是聚焦光源，作用在端面不同位置的熱是不一樣的，且是熔焊，易產(chǎn)生熔焊所帶來的焊接缺陷.釬焊在焊接小端面工件時(shí)，當(dāng)加熱條件不符合釬焊要求時(shí)，容易產(chǎn)生氣孔、夾雜、開裂等焊接缺陷，并且通常接頭強(qiáng)度較低.壓力焊的種類較多，熔焊類的壓焊方法不可避免地會出現(xiàn)因母材熔化所帶來的缺陷，固相連接的壓焊在時(shí)間過長時(shí)很容易在連接界面產(chǎn)生較厚的反應(yīng)相（金屬間化合物）.當(dāng)采用沖擊焊焊接小端面工件時(shí)，焊接過程在一瞬間完成，有效避免了中間化合物的生成，當(dāng)界面形成界面波時(shí)，焊接接頭的結(jié)合強(qiáng)度甚至高于母材.總的來說，小端面連接與大端面連接相比，小端面連接對于焊接熱輸入的要求更高，當(dāng)焊接熱輸入過大，熔化的母材更多，影響宏觀成形和力學(xué)性能.熱輸入過小，連接不充分，容易出現(xiàn)焊接缺陷.此外，小端面連接與大端面連接相比，焊后熱應(yīng)力的影響更明顯，當(dāng)工件尺寸較小時(shí)，焊后更容易產(chǎn)生變形.因此，沖擊焊的瞬時(shí)連接更加體現(xiàn)了其優(yōu)勢.

由于沖擊焊同時(shí)擁有固相連接和超快速瞬時(shí)連接的優(yōu)勢，本研究以小端面沖擊連接為目標(biāo)，基于研究爆炸焊、磁脈沖焊和電磁沖擊焊的連接機(jī)制、界面特征及其與接頭性能的關(guān)系，進(jìn)一步探討小端面工件的界面連接的實(shí)現(xiàn)以及連接可靠性的若干關(guān)鍵問題，對進(jìn)一步開拓難焊材料及物理性能和力學(xué)性能差異較大的異種材料的小端面工件界面連接的沖擊焊工藝及其廣泛應(yīng)用前景具有重要的現(xiàn)實(shí)意義.

1 沖擊瞬時(shí)連接的界面特征及其與接頭性能關(guān)系

1.1 沖擊瞬時(shí)連接的界面特征

沖擊瞬時(shí)連接結(jié)合區(qū)形貌的形成過程是在沖擊作用下金屬發(fā)生不可逆的塑性變形過程.目前已有較多關(guān)于沖擊焊連接界面形貌的研究，陳凱等采用爆炸焊將304L 不銹鋼作為基板、哈氏合金C-276 為復(fù)板進(jìn)行焊接，發(fā)現(xiàn)連接界面主要以波形界面為主，其次為平直界面，且在波形界面附近存在熔化區(qū)，熔化區(qū)部分存在氣孔和裂紋.Ben-Artzy 等采用磁脈沖焊將AA1050 鋁合金管和AZ31-B 鎂合金棒材進(jìn)行焊接，焊后得到的界面有平直界面、波形界面，接頭中心處的波形界面有孤島區(qū)存在.Kore 等通過電磁沖擊焊對1050 鋁合金板材進(jìn)行搭接，焊接得到平直界面和波形界面，當(dāng)放電能量增大到一定程度，界面處會產(chǎn)生細(xì)小的裂紋.

由此可見，沖擊瞬時(shí)連接所得到的連接界面主要有平直連接界面、波形連接界面、帶缺陷的波形連接界面.

Athar 等采用爆炸焊制備鋁1100/銅10100/鋁1100 的三層復(fù)合板，以爆炸比率(炸藥質(zhì)量與復(fù)板的質(zhì)量比)為變量得到多組試樣.爆炸比較小時(shí)，界面碰撞速度較小，界面處塑性變形不明顯，界面較為平緩；隨著爆炸比的增加，碰撞速度隨之增加，界面處的塑性變形也變得更為劇烈，波形開始從平直向波形過渡；當(dāng)碰撞速度達(dá)到一定值后，波形界面處產(chǎn)生渦旋.

曾翔宇等采用爆炸焊分別將4 塊硬度不同的鋼板作為基板，Q235 冷軋鋼板為復(fù)板進(jìn)行焊接，經(jīng)光學(xué)顯微鏡觀察，得到不同強(qiáng)度基板焊接試樣的連接界面，主要有波形界面和帶缺陷的波形界面，如圖1 所示.由圖1(a)可見，在一定的沖擊載荷和碰撞角下，基板與復(fù)板的碰撞處產(chǎn)生一定的剪切應(yīng)變和塑性變形，從而使得界面產(chǎn)生界面波，形成波紋形界面；由圖1(b)所示，波形界面的波峰拉伸的塑性變形超過了斷裂強(qiáng)度，會撕扯下一部分的波峰并在波峰背面形成漩渦，當(dāng)漩渦發(fā)展到一定程度時(shí)會形成一片孤島區(qū)域；如圖1(c)

圖1 不同強(qiáng)度基板焊接試樣界面[13]Fig.1 Interface of different strength base plate welding samples[13]

可見，出現(xiàn)垂直于界面的絕熱剪切帶，絕熱剪切帶的產(chǎn)生是由于沖擊過程所產(chǎn)生的熱量和塑性變形在超短時(shí)間（微秒數(shù)量級）內(nèi)來不及釋放而形成區(qū)域化的溫度急劇上升和變形.一般這些焊接缺陷是宏觀裂紋優(yōu)先形核的地方.

1.2 界面特征與接頭性能關(guān)系

研究表明，沖擊焊的焊接接頭力學(xué)性能與所獲得的連接界面的不同形貌有關(guān).Pourabbas等采用磁脈沖焊對內(nèi)徑為16 mm、外徑為20 mm的AA4014 管與AA7075 管進(jìn)行對接焊接，在放電能量為5.4 kJ、碰撞角為6°時(shí)形成平直界面，其抗拉伸性能最差，斷裂力僅為4 kN；當(dāng)放電能量為7.35 kJ、碰撞角為6°時(shí)形成波形界面，抗拉強(qiáng)度顯著提高，斷裂力達(dá)到13 kN；在保持放電能量不變（7.35 kJ）、進(jìn)一步增加碰撞角至8°時(shí)，形成了帶微孔的波形界面，抗拉強(qiáng)度隨之減小，此時(shí)斷裂力為12 kN.Patra 等對規(guī)格為41.32 mm 的銅管和38.14 mm 的低碳鋼管進(jìn)行磁脈沖焊，對焊接接頭進(jìn)行扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)時(shí)，受沖擊載荷較低的工件所形成的平直界面部分最先發(fā)生剝離，而形成波狀界面的焊件在失效之前可達(dá)到最高578 Nm 的轉(zhuǎn)矩值，表現(xiàn)出典型的彈塑性行為，并具有更大的延展性.陶聰?shù)纫员ê傅姆绞綄﹂L×寬×高為250 mm×210 mm×5 mm 與200mm×180 mm×20 mm 的CLF-1鋼板進(jìn)行沖擊焊，在爆炸比為1.87 的連接過程中，板材連接界面出現(xiàn)明顯開裂，工件未實(shí)現(xiàn)有效連接；爆炸比為2.16 和2.38 的焊接試樣連接效果較好，觀察其界面形貌可以明顯看到波形界面，并且爆炸比大的連接界面處的波形較大.爆炸比為2.16 時(shí)焊接接頭的剪切強(qiáng)度為412 MPa，爆炸比為2.38 時(shí)剪切強(qiáng)度為423MPa.由此可知當(dāng)接頭界面的波幅增大時(shí)，試樣的力學(xué)性能會有一定的提升.Rajani 等實(shí)現(xiàn)將長×寬×高為150 mm×100 mm×3 mm 的Inconel 625 合金與長×寬×高為130 mm×80 mm×20 mm 的ASTM A517 低碳鋼的爆炸焊，通過改變基板和覆板間的間隙和炸藥厚度來得到不同的連接界面形貌，在間隙與炸藥厚度較小時(shí)得到平直的連接界面，隨著間隙與炸藥厚度參數(shù)的增加，連接界面變成波形界面，但隨著沖擊載荷的增加，所形成的波形界面處出現(xiàn)絕熱剪切帶以及微裂紋等缺陷.進(jìn)一步的抗剪切試驗(yàn)結(jié)果表明：平直界面的焊接接頭抗剪切強(qiáng)度為243 MPa；無缺陷的波形界面的焊接接頭抗剪切性能最好，為345 MPa；而由于沖擊載荷過大所造成的帶缺陷波形界面的焊接接頭的抗剪切強(qiáng)度較低，最低為94 MPa.

由此可見，沖擊焊連接界面的不同形貌直接影響到焊接接頭的力學(xué)性能，波形界面的力學(xué)性能要優(yōu)于平直界面，但界面產(chǎn)生焊接缺陷時(shí)，很大程度上會影響接頭的力學(xué)性能.

2 小端面沖擊連接界面波的形成

通過上述對沖擊連接界面特征及其與接頭性能關(guān)系的分析可知，焊接接頭產(chǎn)生波形連接界面時(shí)整體的力學(xué)性能最好.同樣地，小端面的沖擊焊固相連接，其連接界面也要求是波浪形的界面，才能達(dá)到較高的接頭力學(xué)性能.而界面波的形成與沖擊焊的連接過程及原理有關(guān).

2.1 3 種沖擊瞬時(shí)連接過程及連接原理

在3 種常見的沖擊瞬時(shí)連接方法（爆炸焊、磁脈沖焊、電磁沖擊焊）中，驅(qū)動工件發(fā)生碰撞的沖擊載荷不同，板材的裝配方式也存在一定的差別，因此，其連接原理也存在較大的差異.

爆炸焊以炸藥爆炸作為沖擊力來源，利用炸藥爆炸產(chǎn)生的沖擊力構(gòu)成在同種或不同種金屬之間或者金屬與非金屬之間碰撞時(shí)的高壓，使界面處的材料發(fā)生塑性變形和界面間的原子擴(kuò)散，以達(dá)到界面之間原子連接效果的固相連接.平行放置法和傾斜放置（傾斜角為）法的爆炸焊的連接過程如圖2 所示.炸藥爆炸的沖擊力使復(fù)板下壓，并與基板之間分別以動態(tài)形成的碰撞角和進(jìn)行快速碰撞，復(fù)板與基板發(fā)生碰撞時(shí)界面處的材料會發(fā)生嚴(yán)重的塑性變形和相互之間的原子擴(kuò)散，以達(dá)到界面固相連接的效果.

圖2 爆炸焊界面連接過程Fig.2 Interface connection process of explosive welding

影響爆炸焊連接效果的主要因素有：基板與復(fù)板的安裝方式、基板與復(fù)板之間的間距、炸藥產(chǎn)生的沖擊載荷等.平行放置法在焊接過程中復(fù)板的沖擊速度基本保持不變，傾斜放置法會預(yù)設(shè)一個(gè)碰撞角，隨著碰撞的進(jìn)行產(chǎn)生一個(gè)變化的碰撞角，因此碰撞速度會有一個(gè)衰減.板材間距會影響復(fù)板加速時(shí)間的長短：間距過小，會導(dǎo)致碰撞速度太小以至于無法形成有效連接；間距過大，會使得碰撞速度太快，在界面結(jié)合過程中使得基板產(chǎn)生裂紋或者界面處產(chǎn)生過熔等現(xiàn)象，影響焊接質(zhì)量.炸藥的沖擊載荷直接決定焊接的成功與否：當(dāng)炸藥量過大，工件界面容易產(chǎn)生明顯的裂紋等缺陷；當(dāng)炸藥量過小，工件又無法形成有效連接.

磁脈沖焊接是采用電磁力來驅(qū)動復(fù)板進(jìn)行加速，加速的復(fù)板以較大動能對基板進(jìn)行高壓碰撞，造成界面處材料的塑性變形和界面間的原子相互擴(kuò)散，最終達(dá)到界面的固相連接，其連接過程如圖3 所示.通?；搴蛷?fù)板之間以一定間隙平行放置，線圈置于復(fù)板上方位置，線圈的瞬時(shí)通電由電容器組放電產(chǎn)生，當(dāng)巨大的瞬時(shí)電流流過線圈，線圈會在工件周圍產(chǎn)生急劇變化的磁場，同時(shí)變化的磁場會在工件中感應(yīng)出渦流，渦流的方向與線圈中的電流方向相反.根據(jù)電磁感應(yīng)現(xiàn)象，已感應(yīng)了渦流的復(fù)板受到排斥的洛倫茲力，使工件被瞬間加速，并向基板碰撞.在復(fù)板和基板碰撞過程中，碰撞首先發(fā)生在中心位置，使復(fù)板在碰撞位置下壓而自動形成碰撞角.隨著碰撞向兩端快速延伸，界面處的材料會發(fā)生塑性變形，并在界面間伴隨相互的原子擴(kuò)散，最終完成界面的固相連接.

圖3 磁脈沖焊焊接界面連接過程Fig.3 Welding interface connection process of magnetic pulse welding

影響磁脈沖焊的因素主要有放電能量、板件間距、線圈參數(shù)、焊接材料等.磁脈沖焊的放電能量儲存在電容器組內(nèi)，由電容及充電電壓控制，充電電壓增大，放電能量隨之增加，驅(qū)動板材碰撞的電磁力提供的碰撞速度也越高.但碰撞速度需要控制在合理的范圍，速度過大容易產(chǎn)生微觀缺陷，速度過小又無法形成有效連接.板件間距的存在保證復(fù)板有足夠的空間和時(shí)間達(dá)到連接所需要的最小碰撞速度，間距過大和過小都會影響連接效果；線圈參數(shù)包括線圈的匝數(shù)、尺寸等，直接影響電磁力的大小和分布，通常線圈尺寸要小于工件，線圈匝數(shù)需要與放電電壓形成合理搭配，以此來提供適宜的電磁力.焊接材料的電磁屬性也影響著電磁力的大小，材料的力學(xué)性能不同意味著碰撞速度的范圍也不同.

電磁沖擊焊是儲存在電容器組中的能量通過高壓充電，并擊穿放電空間，形成充電電容和線圈電感構(gòu)成的LC 諧振回路，由于回路中存在電阻，因此在工作線圈中產(chǎn)生阻尼的振蕩電流，線圈中該阻尼的振蕩電流會在工件周圍產(chǎn)生阻尼振蕩的磁場，其在復(fù)板和基板中同時(shí)感應(yīng)出阻尼振蕩的渦流，復(fù)板或基板中的渦流方向與各自相鄰線圈中的電流方向相反.根據(jù)電磁感應(yīng)現(xiàn)象，已感應(yīng)了渦流的復(fù)板和基板受到各自相鄰線圈中的電流所引起的排斥的洛倫茲力，使工件被瞬間加速，基板和復(fù)板相向碰撞.與磁脈沖焊類似，在復(fù)板和基板碰撞過程中，碰撞首先發(fā)生在中心位置，使復(fù)板在碰撞位置下壓而自動形成碰撞角.隨著碰撞向兩端快速延伸，界面處的材料會發(fā)生塑性變形，并在界面間伴隨相互的原子擴(kuò)散，最終完成界面的固相連接，連接過程如圖4 所示.

圖4 電磁沖擊焊界面連接過程Fig.4 Interface connection process of electromagnetic impact welding

影響電磁沖擊焊的主要因素與磁脈沖焊類似，也是放電能量、板件間距、線圈參數(shù)、焊接材料等.電磁沖擊焊參數(shù)對焊接效果的影響機(jī)制與磁脈沖焊一致，這里不再復(fù)述.

2.2 3 種方法沖擊界面波的形成機(jī)理

沖擊界面波的形成機(jī)理與沖擊連接過程有關(guān)，從3 種方法沖擊焊連接過程和連接原理可知，沖擊焊的連接過程通常在一瞬間完成，但其中結(jié)合界面處出現(xiàn)的周期性波形界面是一個(gè)極其復(fù)雜的過程.

由圖2、圖3、圖4 分析可知，3 種沖擊焊接在沖擊連接過程中，碰撞瞬間都是帶傾斜的碰撞，除下壓力外還存在水平分力，即剪切力，而這個(gè)剪切力是產(chǎn)生界面波的前提.材料在碰撞點(diǎn)附近的碰撞壓力遠(yuǎn)大于材料的屈服強(qiáng)度，碰撞區(qū)金屬在極短時(shí)間內(nèi)發(fā)生應(yīng)變率極高的劇烈塑性變形而處于超塑性狀態(tài)，當(dāng)復(fù)板與基板傾斜碰撞時(shí)，復(fù)板與基板之間的空間受到擠壓，形成斜向上的射流，其前方的氣體回流形成再入射流，在此基礎(chǔ)上形成界面波.需要說明的是，在沖擊焊的最初碰撞階段，由于塑性變形還比較小，尚未達(dá)到界面波形成所需要的塑性變形程度，因此該階段初沒有形成界面波，也就是說，界面波的形成需要一個(gè)發(fā)展的過程.Bahrani 等對界面波形成過程進(jìn)行更進(jìn)一步的研究，研究結(jié)果如圖5 所示.由于復(fù)板對基板的傾斜碰撞，在基板的碰撞點(diǎn)處由于再入射流的存在發(fā)生嚴(yán)重變形而在基板上形成凹坑，其塑性變形過程帶動碰撞點(diǎn)前方的金屬材料形成凸起，如圖5（b）所示.隨著碰撞的進(jìn)行，變形不斷加劇，使得凸起升高，如圖5（c）、圖5（d）所示；最終導(dǎo)致再入射流與斜向上的射流接觸并發(fā)生相互作用，如圖5（e）所示，從而使得再入射流的一部分與凸起變形相互結(jié)合，如圖5（f）所示.在碰撞連接的過程中，碰撞點(diǎn)不斷運(yùn)動，在到達(dá)凸起變形的頂部后又逐漸下降，如圖5（g）所示；在接觸到基板表面時(shí)又會重新形成凹點(diǎn)到凸起的變形，如圖5（h）所示，這個(gè)過程就是碰撞沖擊連接周期性變化界面波成形的一個(gè)周期.在碰撞連接過程中，該過程不斷重復(fù)從而形成連續(xù)的界面波，如圖5（i）所示.

圖5 界面波形成過程[41]Fig.5 Interface wave formation process[41]

通過對沖擊焊連接原理及其界面波形成機(jī)理的分析可知，產(chǎn)生界面波的前提是傾斜碰撞并保證焊接過程發(fā)生足夠的塑性變形，以保證界面波生成所必須的剪切應(yīng)變.沖擊焊碰撞瞬間的示意圖如圖6 所示.當(dāng)碰撞為傾斜碰撞時(shí)（見圖6(a)），在碰撞瞬間焊接材料左側(cè)邊緣的點(diǎn)最先與被焊工件表面發(fā)生碰撞，此時(shí)預(yù)設(shè)的碰撞角為，隨后端面的其他點(diǎn)從左往右依次與被焊工件表面發(fā)生碰撞.當(dāng)焊接材料右側(cè)邊緣的點(diǎn)與被焊工件表面碰撞于點(diǎn)時(shí)，碰撞過程結(jié)束，整個(gè)過程幾乎在瞬間結(jié)束.在碰撞過程中，碰撞點(diǎn)行進(jìn)速度（即焊接速度）由的長度和從最初接觸點(diǎn)（在點(diǎn)處）到最終接觸點(diǎn)（焊接材料端面邊緣的點(diǎn)與被焊工件表面的點(diǎn)碰撞）的時(shí)間確定.當(dāng)碰撞為中心碰撞時(shí)（見圖6（b）），復(fù)板中心處受到的載荷最大，碰撞首先發(fā)生在中心處的點(diǎn)，隨著碰撞的進(jìn)行，碰撞角會動態(tài)變化，最終碰撞在中心點(diǎn)兩端的、點(diǎn)結(jié)束，焊接速度與基本相等.

圖6 焊接材料碰撞沖擊示意圖Fig.6 Impact diagram of welding material

兩種碰撞過程中，焊接速度都受到碰撞速度和碰撞角的影響，其關(guān)系式為

由于碰撞角非常小，式（1）可以簡化為

沖擊連接形成界面波條件除滿足式1 或2 的要求外，還受到材料性能對焊接速度范圍的限制.Murr 等認(rèn)為在碰撞界面產(chǎn)生的壓力波會以應(yīng)力波的形式在固相材料中傳播，而應(yīng)力波的傳播速度與材料密度、壓力以及溫度相關(guān).Kolsky推斷絕對值較小的應(yīng)力波在固相材料中的傳播速度是材料音速，公式為

式中：為材料音速；為楊氏模量；為材料密度.如果應(yīng)力波的傳播速度超出材料音速，則應(yīng)力波在固體材料表面?zhèn)鞑シ秶鷶U(kuò)大，在連接界面處形成周期性的界面波.在沖擊連接中，其應(yīng)力波在固相材料表面的傳播速度即為焊接速度.也就是說，當(dāng)沖擊連接的焊接速度大于材料音速時(shí)，在連接界面處就會形成周期性的界面波.

根據(jù)Murr 等研究總結(jié)，沖擊連接形成界面波的條件是>，即焊接速度受到材料音速的限制，而焊接速度與碰撞速度和碰撞角的關(guān)系由式1 或2 決定.當(dāng)焊接速度接近材料音速時(shí)，焊接界面可能成平直狀或微波狀；當(dāng)焊接速度大于材料音速時(shí)，界面會形成連續(xù)的波形界面；隨著焊接速度的增加，碰撞載荷的升高會增大界面波的波幅，即塑性變形的增大會伴隨溫度的急劇上升，界面處可能會產(chǎn)生熔化層、孤島、裂紋等缺陷，影響接頭的力學(xué)性能.

2.3 小端面沖擊連接的界面波形成機(jī)理

采用沖擊焊焊接小端面工件時(shí)，其端面尺寸較小，與傾斜碰撞所需要的端面尺寸相比擬，當(dāng)復(fù)板和基板平行放置時(shí)，很難在碰撞過程中生成動態(tài)變化的碰撞角.因此，焊接小端面工件需要人為設(shè)置傾斜碰撞，并且焊接速度、碰撞速度、碰撞角之間的關(guān)系需要滿足式（1）至式（3）的要求，由此可見小端面沖擊連接界面波的形成條件更為復(fù)雜.小端面沖擊連接的傾斜碰撞過程如圖7 所示.

圖7 小端面沖擊連接的傾斜碰撞過程Fig.7 Oblique impact process of small end impact connection

爆炸焊的小端面連接所采用的傾斜放置法，如圖7(a)所示.He 等采用長槍射擊方式將直徑9 mm、長度19 mm 的平端面圓柱形的純銅以子彈的方式射擊到長×寬×高為152 mm×76 mm×10 mm 的1018 低碳鋼上，將平端面子彈傾斜射擊，焊接界面形成界面波.

磁脈沖焊連接小端面工件時(shí)，復(fù)板與基板的設(shè)置同樣需要人為設(shè)置一個(gè)傾角，由于要求整個(gè)復(fù)板向基板碰撞沖擊的力是均勻分布的，因此要求復(fù)板上方的線圈要完全覆蓋到復(fù)板的表面，其示意圖如圖7(b)所示.Pourabbas 等研究了碰撞角對磁脈沖焊連接AA4014 管（內(nèi)徑16 mm，長度50 mm）與銅棒（直徑20 mm，長度70 mm）界面特征和力學(xué)性能的影響，通過將銅棒連接界面加工成一定錐度，分別設(shè)置碰撞角為4°、8°、12°，當(dāng)碰撞角為4°時(shí)，接頭的力學(xué)性能較好，當(dāng)碰撞角過大時(shí)，接頭處容易產(chǎn)生焊接缺陷.

電磁沖擊焊連接小端面工件時(shí)，由于復(fù)板的上方與基板的下方都有均勻的線圈存在，可以和磁脈沖焊一樣只設(shè)置復(fù)板的傾斜，其示意圖如圖7(c)所示.

3 小端面沖擊連接界面波的對稱性問題

根據(jù)上節(jié)討論，沖擊焊時(shí)界面波的形成需要有一個(gè)發(fā)展的過程，小端面的沖擊焊為傾斜碰撞時(shí)，其開始和結(jié)束位置的界面波是不對稱的.為解決小端面沖擊連接界面的不對稱性問題，需要采取特殊的措施以保證形成對稱的界面波，從而改善工件的接頭性能.

為解決小端面傾斜碰撞沖擊焊時(shí)產(chǎn)生的界面波非對稱性分布的問題，湯柳磊根據(jù)爆炸焊的原理，通過槍支射擊錐端面純銅子彈的方式實(shí)現(xiàn)純銅與低碳鋼板的連接.不同射速、傾斜角下的不同類型端面子彈與低碳鋼板焊接試樣的3 組切面宏觀形貌如圖8 所示.由圖可見，與平端面子彈的試樣相比，錐端面子彈在更小的射擊速度和傾斜角下兩側(cè)的翹起更小，這是由于錐端面提供的傾斜角的優(yōu)勢造成的.因此，根據(jù)這一思路，在焊接小端面工件時(shí)，可以將復(fù)板的連接端面設(shè)置成錐形，如圖9 所示.這時(shí)界面波形成所需的碰撞角由復(fù)板的錐狀結(jié)構(gòu)來提供，碰撞從錐形的頂點(diǎn)（連接端面的中心點(diǎn)）開始，界面處呈發(fā)散型向連接端面的邊緣發(fā)展，進(jìn)而形成軸對稱的界面波.

圖8 植柱型旋轉(zhuǎn)碰撞沖擊連接試樣Fig.8 Samples of stud-type spin impact bonding

圖9 小端面沖擊連接的對稱性碰撞過程Fig.9 Symmetric impact process of small end impact connection

爆炸焊進(jìn)行錐端面復(fù)板和基板之間的小端面連接過程如圖9(a)所示.雷管置于復(fù)板上方的中心位置（錐端面頂點(diǎn)的上方），當(dāng)點(diǎn)燃雷管時(shí)，炸藥從復(fù)板中心位置開始引爆并向板的邊緣方向爆炸.磁脈沖焊錐端面復(fù)板和基板之間的小端面連接過程如圖9(b)所示.線圈均勻地置于復(fù)板上方，當(dāng)線圈通電后，復(fù)板受到電磁力的作用向基板正向碰撞，碰撞首先發(fā)生在中心位置；電磁沖擊焊進(jìn)行錐端面復(fù)板和基板的小端面連接過程如圖9(c)所示.線圈分別均勻地置于錐端面復(fù)板的上方和基板的下方，其過程同磁脈沖焊類似，同樣是線圈通電后，依靠電磁力同時(shí)驅(qū)動錐端面的復(fù)板和基板發(fā)生相向碰撞，碰撞也是首先發(fā)生在中心位置.

在上述3 種小端面連接的沖擊焊過程中，復(fù)板和基板的連接從中心向邊緣發(fā)展，從錐端面頂點(diǎn)接觸基板開始，工件發(fā)生塑性變形，整個(gè)復(fù)板向基板正向碰撞，但由于復(fù)板連接界面的錐形設(shè)置，使得碰撞過程中每一瞬間都存在因錐形面而造成的碰撞角，并且復(fù)板錐端面的各個(gè)部分與基板形成的碰撞角的大小和變化基本相同，隨著碰撞的進(jìn)行，碰撞后的界面不斷從中心向邊緣擴(kuò)展，最后由于沖擊能量耗盡，邊界處會形成少部分環(huán)形翹邊，但此時(shí)結(jié)合區(qū)域已經(jīng)形成了對稱分布的界面波.

上述這種將復(fù)板連接端面改成錐形面的方法，在爆炸焊、磁脈沖焊、電磁沖擊焊中可以有效地滿足小端面沖擊連接形成界面波的關(guān)鍵要求，并且可以形成對稱分布的界面波，這種小端面連接的沖擊焊手段為柱狀體和板結(jié)構(gòu)的螺柱型連接提供了一種新的工藝，即沖擊螺柱焊.而現(xiàn)有的螺柱焊方法只能進(jìn)行電阻螺柱焊、電弧螺柱焊、摩擦螺柱焊，這些螺柱焊方法由于受到其工藝的限制，只能進(jìn)行如鋼、鋁合金、銅等金屬材料的連接，并且容易產(chǎn)生偏焊、飛邊、氣孔等缺陷.

4 結(jié)語

隨著新產(chǎn)業(yè)、新技術(shù)的發(fā)展，材料連接開始朝著精密化方向發(fā)展，并且各行業(yè)對異種金屬間的連接需求也越來越高，沖擊焊憑借瞬時(shí)、高質(zhì)量焊接的優(yōu)勢可以有效實(shí)現(xiàn)異種金屬間的精密連接，但目前小端面沖擊焊連接還處在研究階段，對界面波的形成機(jī)理、工藝流程優(yōu)化、接頭力學(xué)性能等方面還需要不斷進(jìn)行探索，相信隨著對沖擊連接工藝的研究和掌握，該技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)制造中將會有無限可能.