史長(zhǎng)根 康麗霞 蔣國(guó)良

①解放軍理工大學(xué)工程兵工程學(xué)院(江蘇南京，210007) ②總參陸航部裝備發(fā)展辦公室(北京，100012)

引言

爆炸焊接技術(shù)及爆炸復(fù)合材料已廣泛應(yīng)用于航空、航天、石油、化工、造船、電力、食品、五金等機(jī)械制造各個(gè)領(lǐng)域之中[1-4]。爆炸焊接屬裸露平面布藥，一般一次只生產(chǎn)一塊金屬?gòu)?fù)合板，又由于爆炸作業(yè)沖擊波巨大，布藥和起爆不能同時(shí)進(jìn)行，起爆時(shí)，作業(yè)人員都必須撤離作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，因此一次作業(yè)大概需要30～40min[5]。按此爆炸焊接作業(yè)方法，每天大約只能進(jìn)行10次作業(yè)，也就是說(shuō)只能生產(chǎn)10塊復(fù)合板，因此，作業(yè)效率低且增加了生產(chǎn)成本。如果一次爆炸焊接多塊復(fù)合板，往往會(huì)造成各個(gè)沖擊波的相互干擾，會(huì)對(duì)復(fù)合板的質(zhì)量造成影響，甚至產(chǎn)生不復(fù)合現(xiàn)象。因此，爆炸焊接廠家在生產(chǎn)作業(yè)時(shí)，嚴(yán)禁多塊復(fù)合板同時(shí)進(jìn)行爆炸焊接作業(yè)。通過(guò)理論和實(shí)驗(yàn)，提出了一個(gè)多點(diǎn)多塊金屬板材同時(shí)爆炸焊接方法。即在保證金屬板材爆炸焊接質(zhì)量的前提下，一次可生產(chǎn)多塊金屬?gòu)?fù)合板，既節(jié)省了時(shí)間，又提高了生產(chǎn)效率。

多塊金屬板材爆炸焊接時(shí)，可能會(huì)形成爆轟波和沖擊波的互相干擾。這種干擾有兩種情況：由于雷管的起爆存在時(shí)差，一塊板爆轟產(chǎn)生的沖擊波會(huì)對(duì)另一塊板的炸藥或爆轟波產(chǎn)生影響，從而影響另一塊板的復(fù)合質(zhì)量；此外，由于起爆網(wǎng)絡(luò)線路的原因，如果其中一發(fā)雷管未能起爆，造成其它塊復(fù)合板的爆炸沖擊波對(duì)該塊爆炸裝置的間隙、炸藥、藥盒等產(chǎn)生沖擊破壞。

解決爆轟波和沖擊波的相互干擾問(wèn)題，主要是保證兩板之間有合適的距離，如距離過(guò)大，一是浪費(fèi)導(dǎo)線等器材，二是在有限的爆炸場(chǎng)地，一次爆炸的塊數(shù)將減少，影響爆炸焊接的作業(yè)效率。雷管未能起爆而造成破壞，解決方法就是要設(shè)計(jì)合理的起爆網(wǎng)絡(luò)，保證所有布設(shè)的雷管同時(shí)起爆。

1 毫秒延期雷管的起爆時(shí)差

雷管的起爆時(shí)差指的是通電后各雷管起爆的延期時(shí)間與最先起爆雷管延期時(shí)間之差。首先要確定毫秒雷管的起爆延期時(shí)間誤差，根據(jù)延期時(shí)差、炸藥爆轟速度與沖擊波速度的關(guān)系等確定每塊板的位置和相互距離。爆炸焊接多塊復(fù)合板時(shí)，顯然要使起爆時(shí)差越小越好，因此實(shí)驗(yàn)的毫秒延期雷管的段別為1段。

采用圖1所示的電路可測(cè)試出爆炸焊接雷管的起爆時(shí)差。采用HG202C—Ⅲ型電子測(cè)時(shí)儀，起爆電壓為12V。實(shí)驗(yàn)中采用了頻率為納秒級(jí)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)示波器，具有外觸發(fā)接口，可以雙通道采集信號(hào)。在實(shí)際測(cè)試過(guò)程中發(fā)現(xiàn)采用內(nèi)觸發(fā)時(shí)誤觸發(fā)的比例很高。這是因?yàn)橛|發(fā)電平設(shè)置不當(dāng)。觸發(fā)電平設(shè)置偏低時(shí)，信號(hào)電纜引入的外界干擾噪聲電平可能會(huì)使采集器提前觸發(fā)而記錄不到真正的信號(hào)。觸發(fā)電平設(shè)置偏高時(shí)，實(shí)際被測(cè)信號(hào)的電平可能達(dá)不到所設(shè)的觸發(fā)電平而導(dǎo)致不觸發(fā)。本實(shí)驗(yàn)由于儀器及電纜內(nèi)阻對(duì)分壓電路有影響，所以量程預(yù)報(bào)偏差必然很大。為了減少自動(dòng)觸發(fā)的誤觸發(fā)，采用外觸發(fā)電路。

圖1 雷管起爆時(shí)差測(cè)試線路圖

表1為測(cè)試?yán)坠艿钠鸨悠凇８鶕?jù)每發(fā)雷管的起爆延期可知，毫秒延期雷管的起爆時(shí)差最大為7μs。

表1 毫秒延期雷管的起爆時(shí)差

測(cè)量時(shí)外接電阻的電阻絲采用的康銅絲漆包線是精密絕緣電阻絲，電阻絲的電阻值誤差量不超過(guò)±5%。誤差主要來(lái)自儀器的系統(tǒng)誤差、傳輸電路的干擾噪音帶來(lái)的隨機(jī)誤差等。為了彌補(bǔ)誤差帶來(lái)的不確定性，取目前爆炸焊接毫秒延期雷管的起爆時(shí)差Δt為10 μs。

2 炸藥爆速確定

對(duì)于大面積爆炸焊接復(fù)合板，其爆炸焊接用炸藥的爆速應(yīng)該在1500～2500 m/s,而目前使用的乳化炸藥爆速在3500 m/s以上，因此應(yīng)對(duì)乳化炸藥的配方進(jìn)行優(yōu)化試驗(yàn)[6]。具體實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

表2 不同配比時(shí)乳化炸藥在不同藥厚下的爆速 (m·s-1)

根據(jù)表2爆炸焊接炸藥不同的配方，選用乳化炸藥為主原料，加30%～40%無(wú)機(jī)鹽，可使配方炸藥的爆速控制在1500～2500 m/s，具體的炸藥爆速根據(jù)不同的炸藥配方確定。

3 復(fù)合板間距確定

為了保證多塊復(fù)合板同時(shí)起爆，節(jié)約場(chǎng)地空間，多塊復(fù)合板一般分兩排或多排平行對(duì)稱(chēng)設(shè)置。而炸藥爆轟在近場(chǎng)沖擊波速度為:

式中 vD——炸藥的爆速；

γ——炸藥爆轟產(chǎn)物的多方指數(shù)。

根據(jù)起爆點(diǎn)的位置計(jì)算出兩板間距，相鄰兩塊板并排平行布置，而相對(duì)兩塊板相對(duì)平行布置。

3.1 中心起爆復(fù)合板間距確定

設(shè)兩板長(zhǎng)分別為a1和a2，寬分別為b1和b2。如果起爆點(diǎn)在板中心位置，則寬度一半即為兩相鄰板爆轟干擾最易發(fā)生的位置，而長(zhǎng)度一半即為兩相對(duì)板爆轟干擾最易發(fā)生的位置。因此兩相鄰板間距x為：

兩相對(duì)板間距y為：

3.2 端部中心起爆復(fù)合板間距確定

同理，按端部中心起爆，兩相鄰板間距x為：

若只有兩排復(fù)合板同時(shí)起爆，兩相對(duì)板間距y為：

y=u·Δt

若有三排或更多排，則

y1=u·Δt

3.3 實(shí)例應(yīng)用

304/20G鋼板： (2+20)mm×2000mm×6000mm金屬板共8塊，一次起爆實(shí)現(xiàn)爆炸焊接。分兩排，一排4塊，采用毫秒延期電雷管，炸藥的爆速為1000 m/s左右。采用中心起爆，兩相鄰板和兩相對(duì)板間距均可設(shè)計(jì)為3 m。

316L/16MnR鋼板： (4+30)mm×2000mm×5000mm金屬板共8塊，一次起爆實(shí)現(xiàn)爆炸焊接。分兩排，一排4塊，采用毫秒延期電雷管，炸藥的爆速為2000 m/s左右。采用端部中心起爆，兩相鄰板和相對(duì)板均可設(shè)計(jì)為5 m。

4 起爆網(wǎng)絡(luò)線路聯(lián)結(jié)

多點(diǎn)多塊金屬板材同時(shí)爆炸焊接時(shí)，如采用并聯(lián)起爆網(wǎng)絡(luò)，出現(xiàn)單個(gè)或多個(gè)雷管失效、支線路斷路或炸藥不能起爆等原因，均可造成該塊板不能實(shí)現(xiàn)爆炸焊接。如出現(xiàn)此種情況，其余金屬板材仍正常實(shí)現(xiàn)爆炸焊接，由于受炸藥爆轟沖擊波的影響，則未起爆的金屬板材上方的炸藥就會(huì)被沖壞，從而造成很大的浪費(fèi)和損失。因此多點(diǎn)多塊金屬板材同時(shí)爆炸焊接時(shí)，須采用串聯(lián)起爆網(wǎng)絡(luò)。在串聯(lián)起爆網(wǎng)絡(luò)中，如出現(xiàn)上述幾種原因，則所有雷管一般均不起爆，可通過(guò)線路檢查排除故障，從而實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)多塊金屬板材同時(shí)爆炸焊接。在串聯(lián)起爆中，由于雷管電阻值的差異，常會(huì)發(fā)生個(gè)別瞎火現(xiàn)象。一般選定同廠、同批的雷管組成網(wǎng)路，其阻值、起爆時(shí)差等性能比較相近，這樣可以避免瞎炮的產(chǎn)生。

實(shí)踐證明，采用串聯(lián)起爆網(wǎng)絡(luò)必須注意的是：起爆前須使起爆器完全充電，而且起爆線路不宜超過(guò)200 m。如充電不完全或起爆線路過(guò)長(zhǎng)，由于串聯(lián)線路的雷管和電線的電阻存在一定的差異，均有可能造成某發(fā)雷管的電壓達(dá)不到起爆電壓，從而不能起爆，此時(shí)會(huì)出現(xiàn)如并聯(lián)起爆網(wǎng)絡(luò)同樣的問(wèn)題。

5 結(jié)論

(1)多點(diǎn)多塊金屬板材同時(shí)爆炸焊接方法，根據(jù)毫秒延期雷管起爆時(shí)差、炸藥爆速、炸藥爆轟波和沖擊波的波速關(guān)系，確定多塊復(fù)合板的位置和間距，按串聯(lián)起爆網(wǎng)絡(luò)的起爆規(guī)律可實(shí)現(xiàn)多塊金屬板材同時(shí)爆炸焊接。

(3)多點(diǎn)多塊金屬板材同時(shí)爆炸焊接時(shí)須采用串聯(lián)起爆網(wǎng)絡(luò)，起爆時(shí)必須使起爆器完全充電，而且起爆導(dǎo)線總長(zhǎng)不宜超過(guò)200 m。

[1] 閆鴻浩.爆炸焊接技術(shù)應(yīng)用與擴(kuò)展[J].爆破，2005，22(3)：13-15.

[2] 鄭遠(yuǎn)謀.爆炸焊接和爆炸復(fù)合材料的原理及應(yīng)用[M].長(zhǎng)沙：中南大學(xué)出版社，2007:2-7.

[3] 邵炳璜,張凱.爆炸焊接原理及其工程應(yīng)用[M].大連：大連理工大學(xué)出版社，1987:1-5.

[4] Explosive Welding of Metals and Its Applications[M] . Oxford: Clarendon,1982.

[5] 史長(zhǎng)根，洪津,蔣國(guó)良，等.爆炸焊接危害機(jī)理分析[J].爆破器材，2009,38(3)：28-30.

[6] 史長(zhǎng)根，馮建,史和慶，等.高碳高鉻萊氏體鋼爆炸焊接高耐磨復(fù)合材料:中國(guó)，ZL200610039525.1[P].2009-06-17.