水 中衝撃波を用いた爆発圧着法に関す る研究 ( 第

研 究 姶 文 日 日 日 日 l l 日 日 l ‖ l l l ‖l ‖ l l ‖ l

水 中衝撃波を用いた爆発圧着法に関す る研究 ( 第

報)

‑ 水中衝撃波による飛押板 の加速お よび変形について一

伊東 繁暮 ,井山裕文J H,藤 田自大…, 外本和幸● ,吉良章夫…

これまで,工業t l 三 鷹で行われている爆発圧着払では.様々な異種金属板同士の接合が可能である｡

しか し.非常に蒋い金属箔やアモル ファス金属箔等 と他金属 との接合は非常に困難である｡ これ らの 接合を可能にするには.飛押板に作用す る圧力を制御 し,それぞれの接合条件に適合するように しな ければな らない｡ しか し,我々が提案 した水中衝撃波を利用 した新 しい爆発圧着法では,爆薬 と飛押 板 との間隔および傾斜角などのセ ッ トア ップ条件を変 えることで.飛押板に作用する圧力を制御でき

る｡ この方法を利用 してこれまでアモルファス金属箔の僻発任着が可能 となっている｡

本論文では.まず この新 しい爆発圧着法の例を紹介する｡ 次に,本方法の評価 を行 うために爆薬の 水中爆 ごうにより生 じた水中衝撃波を利用 して,アル ミニ ウム板を飛期 させる実験を行い,写真観測 を行った｡また,同一条件で数値解析 を行い,実験結果 と比較 した｡ これ らの結果について述べる｡

1

.は じめに

異種金属の溶接技法の検討においては,対象 とする お互いの金属間に作用する熱的な変形の影響を考慮す る必要がある｡たとえば,アモルファス材料を溶接 し ようとした場合には.発生熱による非晶質の再結晶化 は避 けられず,接合時間の極めて短い溶接法が要求 さ れる｡ ところで爆燕の爆 ごうによって発生 した爆 ごう 圧を用いた爆発圧巻技術はすでに多くの分野で実用化

されてお り.難溶接金属の組み合わせにおいても有効 な横合技術 と して評価 されて久 し い山 ｡ しか しなが ら 爆発圧着の場合においても.熱応力によるクラックの 発生や,再結晶化が起こることはさけられない｡ これ らの問題を解決するため,我々は水中衝撃波を用いた 爆発圧者方法を握姦 したつ ｡本方法では,爆薬の水中 爆 ごうによって発! l : . した水中衝撃波を金属板等に作用 させ,高速飛押 させる｡ さらに,これを位材に高速祈

2001

年

月

日受付

年

月

u受BF .

' 熊本大学衝撃極 限辞境研 究セ ンター

〒860‑8555

恨本市熊

' ' ^代工業高等専門学校 機械怒気 工学科

〒866‑8501

熊 本県八代市平山新町

…崇城大学 工学部 機械 工学科

〒

礁 本市池 t E l 町

突させ,庄着させるものである｡本装置の特性を評価 するために,本報告では数値解析をもとに水中衝撃波 による金属平板の加速 ･変形過程を明 らかに し,爆音 装置特性 を調べた｡

2.

爆雷装置の概要

水中衝撃波 を用いたアモル ファス金属箔

の爆着実験 に用いた装置を

1に示す｡装匿は水 中衝撃波を発生 させ るためのシー ト状主爆薬

旭 化成 ( 株) 艶 爆速

ら ,初期密度

, それを支える反射板,雷管から構成 され,飛押板は爆

A

Fig.2Amicrographshowingtheinterfaceofwelded amorphou861mwith Btee

lplate

薬を張 り付けた反射板に対 して任窓

の角度 α にセ ット されている｡常管によって起爆 された爆

妻 掛ま水中にお いて水

中衝撃波を発生させる｡ この水中衝撃波は水中 を伝播 し

,アモルファス金属箔に衝突する｡アモル ファス金属

箔は高速に加速 され 陣材

と衡突 し.接合

が行われ るO

この装置として要求 され ることは

)

金属飛押板 が十分高速に加速され,母材 と衝突 して

接合が行われ ること

金属板の飛邦速度が容易

にコン トロール できること

衝突の際に発生す

る熱の影響が大き くないこと等が考えられる｡従来の空

気中で行 う爆発 圧着の場合,飛押板が降材に衝突す

る際の衝突移軌 点 速度が.溶接素材の音速を超えては燦常が う

まく行え ないことが指摘 されてお り3 ㌧ 取 り扱える

爆薬の爆速 に制限がある｡ また,金属飛押板の速度制

御は難 し いo さらに金属材料同士の爆着は,多くの

場合

に見られように接合界面部分が波状

を呈し,その振幅 は爆着条件によっては数百 ミクロンと

なることも知 ら れている心 ｡厚 さ数十 ミクロン程度の

アモルファス金 属箔の爆着には.この波の振幅を巧妙に制御すること が必要 となる4 ) ｡

また界面に金属間化合物が生成 され ると,接着強度が不

十分 となるため,生成される化合 物 も少ないことが

要求 される1 ) ｡

.1Fig.3

乗故方法 は水 中衝撃波による平板加速実験装置 を 示すn爆薬は

を用い,平面な爆 ごう波が得 ら れ るように

と

旭化成 ( 樵)臥 爆速

/

8,初期癒度

を組み合わせた爆薬 レンズ

を用いた｡爆薬は厚 さ

で.幅

, 長 さ

で厚 さ

の

y1‑ methacrylate)

板に張って使用 した｡図に示す

よ う に,この爆輿を平面に対 し

て角度

傾けて水槽中に配 置 したo水槽の上面に加速される金成

板を配 した｡実 験は熊本大学衝撃エネルギー実験所の爆発 ピット内に

W■t○

/ r

SEP

H A 8 W′

E 叩l ○ I i v ● l e r l B

思

alumi numplatedefor‑ mationexperimentbyunderwaterShoc

kwave

て行い,高速カメラによる写炎観察

を行った｡便斜角

はそれぞれ

0

,3

0 0の場合について,ス トリーク撮影を行った｡また

15

0の場合はフレー ミ ング槻彬も行った｡ これ らの写其

観察にはイメージコ ンバー タカメラ

PHOTNICS

社製.

TMACON790

,最大駒撮 り間

隔

万駒,最高流 し 速度

を用い,通

常のシャ ドウグラフ撮影法 によった｡金属板 としては厚さ

のアル

ミニウ ム板

を用いた｡

3.2

数

数値解析はSAl 値解析法 . E法

をもとに した

ラグランジュ座 標を用いた有限差分法により計許 した

｡以下に解析方 法について述べる｡

は計茅場を示す｡計芽場は

A板,その 上鰍 こ破 られた平板状爆薬

P

,水を介 して飛邦板 としてアル ミニウム平板を配粧 し

た｡座標はアル ミニ

ウム板の左端点を原点 とした｡爆薬の配置角度

は

実験 と同様に

0

Fig.4Simulationmodel

た｡ また飛押板に作用する水中衝撃波の圧力状態を 理 解するため,完全に剛体の場合の計

昇 も行った｡

爆藤,水.

PMM

A部の運動方程式を以下に示す｡

A

.̲991.^坐 =o

at ax ay

坐a

t .

十

̲ ̲‑

∂x ay ∂x 坐

十

.

̲̲‑

3(P+q) ai ax ay

ay

% ･% ･%

( 4 , ここで

I , はそれぞれ

, Y方向

の各速度成分

は密度

は庄

は人工粘性

圧九 Cは内部エネ ルギーである｡また,∇

〝は速

度発散であ り次式で 与えられ る｡

〝

‑意 ･告

(5,

アル ミニ ウム板部 においては静水圧

の他 に各 応 力成 分 も考慮 した｡ そ の運動方 程 式

は次式 と なる｡

‥

^.

∂t

a y

^a ̲ = ^{∂( P'q‑Sp}

t a y

ここで.

. ,

^pは

それぞれ

, Y方向の偏差応力成 分

て γはせん断応力であ

PM

MA,水の圧力およびアル ミ板の静水圧成分は る｡

次式の

状態式千 ･ t で求めた｡

p‑

ここで f 藷 ) ｡は初期密度

‑ ㌢

c

は音速

は内部エネ ( 8, ル ギー ,r .は

パラメーター

p

である｡各パラメーターを

lに示す｡

e1

Ma

M

:p.(kg/ふ,^{了 tt｡(ふ/8) 8}

^r

Water 1

1 0 0 0

PM

MA

1 1 8

A

1 4 9 01 1 1

. .

7 8

9 2 1 0 1 . . 6 7 5 5

2.00 Tab一e2

JW

ientsforSEPex^plosive A(GPa)tB(GPa) RI

R

365 2.31 4.30 1.00 0.2

爆薬の爆 ご うによる生成 ガスの圧力計芽は次の

J

･

状態

1 で求

p‑A(1

一 昔

^{Ry ,} めた｡

･ B( . ‑i )e x

( ‑ R

V, ･% ( 9 , ここで

,

R

^Wは

各 JW Lパラメー ターであ り

は爆 ごう生成ガスの体積 と初

期体稗 との比である｡ シ リンダー膨張試験 より求めた爆薬

の各パラメーターを

に示す｡

爆 薬 部 の爆 ご う現象 の取 り扱 い と して

と呼ばれ る方睦を用 いた

ではセルの比体積をパ ラメーター と

し て爆薬の分解率を芥出 し,各セルの分解率によって セ

ルの爆 ごう状態を決定する ｡ Ⅵ を爆薬の初期比体 棉 _,V uを爆発の

状態の比体横 とすると次式によ

り爆薬の分解率 W が

W=1一

茂 求まる｡

では

爆頻は米分解

0では完全分解 した ことになる｡分解率

の

取 りうる数値の範閲は

W≦1

である｡次に

を用いて,格子内の

圧力

が次 式より求まる｡

(

ll )

ここでP,は J W L状態方程式よって求められた圧力

である｡

‑‑‑‑I‑‑‑‑‑‑‑‑:‑‑LT ‑ 4ILS 6IL

S BFLS

(

⁾

Fig･5 (a)Frami ngphotograph8and(b)numericalre8ultB｡fdeformati｡n proce88e80ralumi numplatebyunderwaterehockwave.WF;wat

er Burface

･ AL;

e,PG;

MAph te.

Fi

inedangle a‑250.ASdenotes8hockwave

i

ir.

境界条件 として,水 とアル ミニ ウム板 との境界は

wilkin

89 J によるすべ り境界として計第 した

4.

フレー ミング写炎栂 英験結果及び考専 ｡

掛 こよって得 られた結果を

( a) に示す｡図

中Alはアル ミニウム板.

は未反 応部の爆薬.

SW

は水中衝撃波の先頭波面を示す｡

W

Fは水中衝

撃波によって加速されあふれ出た水であ

る｡爆 ごう波の

(LnU)^89uelS!Pau!^LL

70 5 TimelO(/Ls) 15 20

Fig.7Flyingdi8tanCehiBtOrie8atX‑30mm from le氏

‑endof a

lumi numplate

人きいス トリークが見られ るが( 図中

,これは

水 中衝撃波がアル ミニウム板 と衝突 し,さらにアル ミニ ウム板を通過 し,窄銘中に出た衝撃波の時間軌跡を鼓

す｡ この空気中の衝撃波が時間の初期ではアル ミニウ ム板の 変形 と重なって しまうため初期の変形過椎は, i r l

確には観測できなかったO同写真をもとに 痢他処理 し

て得られたアル ミニウム板の y 方向変位 と時間との 関係を表 した図を

に示すC横軸は水中祈蝉波が アル ミニウム板に刺通 し,アル ミニウム板が変形 し始 める時刻をゼロとして

,それか らの耗過時問であり.

縦軸はアル ミニウム板が

ig.3

に示 されているス ト リークスリットを遮って

いく距離である｡図中 ( ○) は

5 0,( △)は

0 0,( ●)は

(

◎)は

‑3

0 0の実験結果をそれぞれ示す｡なおそれぞれ の角 度に対応する解析結果を実線,破艶 一点釣線.

二点 鎖線でそれぞれ示す｡いずれの角

度においても計昇と 実験結果には比較的良い一致が得

Fig,

8は解析結果より得 られた

られた｡

‑30mm

の位置 でのアル ミニウム板の変形形状に対

して法線方向の速 度成分 と変位 y の関係を示 している

｡

同国から分かるように,水中衝撃波が板に入射する と

伴分粒度の極めて性かな距離で板は臓揃速度に達

し.その後,ほぼ一定の速度で飛期する. さらに到達 の政終速度

は

が大きくなるにつれ小さくなることが 同図から分

かるO結果を

に示す.次に数値計 昇によって

得られた飛押板面上の圧力分布を同時刻の 変形形状と併せて

に示す｡図中横軸は､ V ･ 版面に 沿った水中の距離

,縦軸は圧力である｡いずれの

の場合も計昇のは じめから

8時にお ける結氷

を示 している｡図中右側が水中衝撃波の未到発途敵城で,

水中衝撃波がアルミニウム板に衝突すると急激に圧力 が上昇し , その後左側に向かって減衰 することがわか

42 FJ4 8 12

yingdistancey(mm)

F i

componentvelocityor aluminumplateatpointx=30

mm Table3Finalplatevel∝i

t

y

d i

･

er

entincunedangles α(dog

.) 15 20 25 30 vp(‑/6)∴ 780 677●517

6

る,またいずれのd t の場合 も水中衝撃波の後方

mm

程度まで圧力が負荷され,その後はほとんど圧力

が作 用 しない｡また圧力のピーク値は

の増加につ

れて減

少することが同園か ら分かる｡ このようなパルス形の

圧力作用では.アル ミニウム

̲二,α=15.

ニーα=20〇

一 ｢α三25〇

二‑ : ‑ 二 一 α=30 '

50505 2 2110 (e d D)巴SS巴n d

llα=20●■

α=25

訓

l

1

0

3 0

l

50

x(

m)

Fie.9Pre88uredistributions0nthealumi num platesa nd deformation8hapeSat

20F L

α=15

a

(A) 0 (b)α=150 GP5432川o･･I･0000a 一

Fig.10Pre88uredi8trilm tion8inthecasesof(

a)rigidSurhce and(b)0.5mmthickalumi numplate

attime‑20FL8

数倍計算によって得られ た剛体と板厚

の場合に得られた圧力の等高値分布と変形形状を 撃波が不明瞭で , また版の変形し始めた領域での圧力 減衰は急激である ｡ このため水中衝撃波が飛押板に入

に示す ｡ 結果が示すように変形平板の場合反射衝

射した場合急激に圧力が上昇し , アルミニウム板は慣 , また減衰することが 明らかになった｡以上のことよりこの圧力の急激な上 昇によって飛朔板が加速され,そして入射衝撃波後方 領域の急激な圧力の減衰により

性力によって飛邦するようになると推察されるため, 速度がほぼ‑定借をとると考えられるOこれらのこと は爆発圧着の際 , 飛押板の速度が爆薬の配置角度と爆 薬から飛期板までの距離を設定することによって,一 定の飛用速度を与えることが可能であることを示し . 本 装 政 の有用性を明

らかにした 0

まとめ 爆薬の水中爆ごうによって発生した水中衝撃波を利 用した爆着装置の中で

極めて重要な因子となる飛朔板 の加速特性を実験 と数

値計芽によって評価 した｡爆薬 と飛邦板までの距離な

らびに爆薬 と飛押板の設定角度

を変化させることに

より,その加速された飛押板は ほぼ一定の速度をとり

0.5mm

のアル ミニウム板の 場合

0の場合

‑300

の場合

であった｡このことよ

り爆着装匿に必要な飛押板速度 を制御す ることができ,その有用性を示 した｡

文 献

gofMeta18and it8Application,OxfordUmiver

8

t

8 ,

(1982) 99.

2)H.Iyama,A.Kira,M.Fujita,

S.Kubota

,K.

HokamotoandS.Ttoh,"Anln

ve8tigationon UnderwaterExploSiv

c

Pmce8

8

Vol.41JL‑2,pp.15

91164,(2000).

3)G.R.CownandA.H.Holtzman.I.Appl.Phy

8

,

4)

恩沢忠男,石井勇五

郎," 爆発圧接境界の波成形

･

に関す る研究' ' .溶接学会謎

SALE:ASimpli丘edALEcomputerprogramfor nuidflowatal18Peed8,u ‑8095.UC‑32(1980) 6)G.McQueen,S.P.Marsh.J.W.Taylor.J.N.

FritzandW.a.Carter,''TheEquationofState o

r

Ⅵ!1∝ity‑ImpaetPhenomena,p.230.Academic Pre88(1970).

7)E.

L ee

8)C.L Mader,NumericalModelingofDetona･

tion8,UniversityofCalifomiaPre8

8

i ns

Flow/tinMethodsinCoTnputational Phy8ic

8 ,

Ⅵ)

8

Onthecharacteristicoftheexplosiveweldingtechnique usingtheunden〃atershockwave(Ⅰ)

‑HighspeeddeformationofthemetalflyingpJatedue tounderwaterexplosion‑

Shigeru ITOH

' ,

,

Theexplo8iveweldingmethodhasbeenappliedfortheindu8trial production.Manydi88imilar meta18Canbeweldedbythistechnique.However.itiSdiErlCulttoweldverythinmetalplateand amorphou8丘1mwithothermetalplate.InordertDrealiZie8uChwelding,itShouldbecontrolled80that thepre8飢IreactingontheDyerplateandbeweldableconditioni88atis丘ed.Tnthenewlyproposed explosiveweldingmethodusingunderwater8h∝kwave,thepre88ureactingonthe皿yerplatecan SimplybecontrolledbyvaryingtheSet‑uPCOnditionSSuch88thedi8tanCeandinclinedanglebetween explosiveand8yerplate.Wehave8uCCe88fulJyweldedtheamorphousGlmwiththe8teelplateu8ing thismethod.

lnthispaper,Wefir8tPreSentanexamplebyusingthismethod.Then,inordertoa88e88thi卓 method,wehvedonetheexperimentalob8erVationontheDyingofaAalum inumplatebyunderwater 8hockwavefrom thedetonationofexplosiveinwater.Thenumerical 8imulationunderthe合ame condition8areCarriedoutandthecompari80nwiththeexperimenti8made.

(●sh∝kWaveand

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榊Dept･ofMechani租1andElectricalJhgineering,Yat8u8hiroNational CollegeOrlもchno1‑ o

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…Dept.orMechanicalEngineeri

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6

‑200‑

_{火燕学会誌}