余 勇, 馬宏昊, 趙 凱,2, 繆廣紅, 范志強, 沈兆武, 李戰(zhàn)軍

(1. 中國科學技術大學近代力學系, 安徽 合肥 230027; 2. 北京理工大學爆炸重點實驗室, 北京 100081; 3. 廣東宏大爆破股份有限公司, 廣東 廣州 510623)

1 引 言

爆炸脹接是以炸藥為能源使管與管、管與管板形成緊密和牢固的焊接或連接的一種新工藝[1],其設計思路是基管滿足管道的強度需求,襯管滿足耐腐蝕或耐磨損條件[2],將薄壁鋁管與普通鋼管復合制備出兼具優(yōu)良的力學性能和耐腐蝕性能的鋁-鋼復合管[3-4]; 若對鋁層進一步氧化,可以制備具有優(yōu)異的耐磨損性能的復合材料[5],應用于城市公用管道、石油行業(yè)、化工系統(tǒng)、核設施以及航空航天等領域[6-8]。

2005年本課題組為解決深孔土巖爆破中鈍感炸藥反向起爆的引爆系統(tǒng)不穩(wěn)定問題,系統(tǒng)地研究了超低能導爆索的傳爆原理,得到了一種抗干擾性強的金屬導爆索[9]。該導爆索具有優(yōu)異的防水特性,故課題組對其改性使之成為管材水封爆炸脹接專用炸藥,以水為傳壓介質,爆炸脹接得到鋁-鋼復合管。該爆炸脹接系統(tǒng)極大地提高了炸藥的利用率: 以TNT炸藥為例,在空氣中爆炸時初始沖擊波壓力約為70 MPa,而在水中爆炸時,約為15 GPa[10],僅從初始沖擊波來看能量利用率提高了21倍,在達到同等脹接效果的情況下大大降低了炸藥的用量,減少了噪聲、粉塵以及次生污染。但課題組發(fā)現(xiàn),對于均勻裝藥的爆炸脹接實驗,爆轟結束端復合管會出現(xiàn)開裂現(xiàn)象。分析認為這是由于結合區(qū)塑性變形超過了金屬的動態(tài)屈服極限,從而引起了破壞。結合區(qū)塑性變形金屬的動態(tài)屈服強度問題,實際上是結合區(qū)的壓力問題。這個壓力能夠通過一些參數(shù)來計算,且理論上也可測量。然而,國內外有關結合區(qū)壓力測量方面的資料和數(shù)據(jù)尚少。雖然文獻[11]給出了利用沖量的大小來評估結合區(qū)壓力的方法,但對于管材結合區(qū)壓力的測量該方法顯得十分復雜。為此,本研究首次采用一種可靠的聚偏氟乙烯(PVDF)壓電薄膜傳感器,研究鋁-鋼同軸管水封爆炸脹接撞擊壓力,并嘗試利用測得的撞擊壓力來推斷界面的結合形式,以期為水封爆炸脹接的研究提供一定指導。

2 實驗部分

2.1 實驗材料

試驗采用的基管為Q235普通無縫鋼管,覆管為1060純鋁管,基管與覆管的規(guī)格見表1,基本力學性能見表2。所用鋁管經(jīng)完全去應力熱處理,Q235基管經(jīng)固溶穩(wěn)定化熱處理?；?、覆管均經(jīng)機械拋光,用7%的稀鹽酸進行了處理,除去表面缺陷,得到潔凈的待結合表面[12]。課題組自行設計、制造的金屬導爆索基本參數(shù)見表3,PVDF壓電薄膜傳感器示意圖見圖1。傳感器所用壓電薄膜的名義電壓常數(shù)即壓電傳感器靈敏度系數(shù)為κ=24.7 pC·N-1[13],厚度為50 μm,壓電薄膜的面積為18 mm2,密度為1.78 g·cm-3,鋁箔引線厚度為10 μm,銅箔引線厚度為21 μm,聚酯薄膜厚度為51 μm。

表1材料的規(guī)格

Table1Size of materials

materiallength/mmdiameter/mmthickness/mmstraight/mmsteelofQ235100383≤1aluminumof1060150301≤1

表2材料的主要力學性能

Table2Main mechanical properties of materials

materialρ/kg·m-3σs/MPaσb/MPaδ/%μE/GPasteelofQ2357850225420250．26206aluminumof1060271075124250．3368．9

表3金屬導爆索規(guī)格與成分

Table3Size and composition of metal detonating cord

parameterD/mmlineardensity/g·m-1massfraction/%RDXparaffingraphitedetonatingcord349172

圖1PVDF壓電薄膜傳感器結構圖

1—壓電薄膜, 2—鋁箔引線, 3—聚酯薄膜, 4—銅箔引線

Fig.1Structure diagram of PVDF piezoelectric film sensor

1—piezoelectric film, 2—aluminum foil lead, 3—polyester film, 4—copper foil lead

2.2 實驗過程

2.2.1 水封爆炸脹接實驗

鋁-鋼同軸管水封爆炸脹接是以鋼管為基管,鋁管為覆管,其爆炸脹接裝置圖如圖2所示。實驗時,按圖2依次將鋁管、鋼管以及金屬導爆索放入下定位基座,對鋁管、鋼管與定位基座進行密封處理,使水無法進入鋼管與鋁管所形成的縫隙中,縫隙上部與空氣接觸。各部分安裝正確后從底部起爆,以利于縫隙中的空氣從上出口排出。金屬導爆索被雷管引爆后產(chǎn)生沖擊波和高溫高壓氣體,使水中壓力迅速升高,由于水具有優(yōu)異的傳壓性能[14],使鋁管瞬間變形膨脹,直徑增大。當鋁管外徑擴大到與鋼管內徑相同時,鋁管與鋼管發(fā)生強烈的碰撞。受到?jīng)_擊波及高壓水的作用,在碰撞前,只有鋁管發(fā)生塑性變形,碰撞后鋁管、鋼管會整體變形。其爆炸脹接原理示意圖見圖3。為探究所述的復合管爆轟結束端開裂現(xiàn)象,本研究進行了水封爆炸脹接撞擊壓力的測試試驗。

圖2鋁-鋼同軸管爆炸復合裝置圖

1,6—水, 2—基管, 3—覆管, 4—金屬導爆索, 5—定位片, 7—定位基座, 8—雷管

Fig.2Setup of Al/steel coaxial pipe for explosive cladding

1,6—water, 2—base tube, 3—flyer tube, 4— metal detonation cord, 5—locating plate, 7—locating base, 8—detonator

圖3爆炸復合原理示意圖

1—金屬導爆索, 2—水, 3—覆管, 4—基管, 5—水和氣體爆轟產(chǎn)物

Fig.3Schematic diagram of explosive cladding principle

1—metal detonation cord, 2—water, 3—flyer tube, 4—base tube, 5—water and gaseous detonation products

2.2.2 撞擊壓力測試

為了探究爆轟結束端開裂現(xiàn)象,利用PVDF壓電薄膜傳感器以3 mm金屬導爆索為脹接炸藥進行撞擊壓力測試,將基管內壁進行拋光處理,并用酒精清洗2～3遍,試驗采用4片有效面積為3 mm×6 mm的PVDF壓電薄膜傳感器,分別貼在基管內壁的不同位置上,在環(huán)向方向上呈均勻分布,測點分別距基管底端10、20、20、30 mm,貼片情況如圖4所示。撞擊壓力測試試驗由于貼片位置靠近底端,為減小安裝約束和邊界效應的影響,實際操作過程中并沒有使用下定位基座而是在縫隙中插入了4片厚度為1 mm的定位片,定位片呈十字形分布,用密封膠帶從外部將縫隙密封防止水進入,將整個待復合管坯豎直放入盛水容器中,撞擊壓力測試試驗裝置見圖5。主要的測試設備為泰克7401示波器。待各裝置、設備調試準備就緒后,從底端起爆,得到了四點的測量數(shù)據(jù),其中有三點數(shù)據(jù)有效。

圖4PVDF傳感器視圖

Fig.4Views of the PVDF sensor

圖5撞擊壓力測試試驗裝置

Fig.5Setup of measurement of impact pressure

3 結果與討論

有效數(shù)據(jù)原始形式為電壓時程曲線即U-t曲線,利用Origin 8.5和式(1)電壓與壓力的關系式,對U-t曲線進行處理,可得到p-t曲線。圖6為三有效點的壓力時程曲線的比較圖。

(1)

式中,U為示波器測得的電壓,V;κ為壓電傳感器靈敏度系數(shù)；R為外接電阻,R=50 Ω;A為PVDF壓電薄膜的面積,A=18 mm2。

圖6顯示,沿著金屬導爆索爆轟波的傳遞方向,覆管與基管的碰撞壓力呈現(xiàn)遞增趨勢,與文獻[12]中“從爆轟起始端到結束端,復合管的界面附近金屬的塑性畸變有加劇的趨勢”的結論相吻合。由于導爆索的長度遠超過待復合管坯的長度,可消除導爆索不穩(wěn)定爆轟帶來的影響; 另一方面,由于實際操作中,使用的是對稱四點定位片,深入基管、覆管間隙的距離為3 mm,結構的約束、端部的邊界效應對10 mm處的測點數(shù)據(jù)會產(chǎn)生一定影響,使得測量值略小于實際值,但對于20、30 mm測點的影響很小。由此兩點可得壓力呈現(xiàn)遞增趨勢的結論不變。

圖6三個有效點壓力時程曲線比較

Fig.6Comparison of thep-tcurves in three effective points

碰撞壓力呈現(xiàn)明顯遞增趨勢,主要是柱狀炸藥爆炸后產(chǎn)生的圓錐臺狀的斜沖擊波與管壁碰撞后形成的反射波對后面管壁多次作用的結果。圖7為沖擊波在管內反射過程示意圖,由于金屬導爆索相對于管徑的尺寸較小。為便于分析,將金屬導爆索簡化為直線,圓錐臺狀的沖擊波簡化為圓錐狀沖擊波。GH為金屬導爆索,GA為已反應段。當爆轟波傳至A點時,形成了以A點為頂點的圓錐狀沖擊波。波在管內的反射過程:AB、AC為入射波波陣面,入射波在B、C兩點與管壁接觸并產(chǎn)生反射波; 隨著爆轟波沿著AH方向傳播,圓錐狀沖擊波依次經(jīng)過A1、A2、A3; 入射波AB沿著AB3方向即垂直于AB的方向投射,反射波波面B1D1沿著BF3即垂直于B3F3方向運動,易得其運動方向與入射波A3C3的投射方向相同,由波的獨立性原理,B3F3將作為入射波與管壁發(fā)生接觸,并形成新的反射波,同理可分析入射波AC。該作用雖然在減弱但是會逐漸積累,并在末端達到最大。

圖7沖擊波在管內反射過程示意圖

Fig.7Schematic diagram of the shock wave in the tube internal reflection

(2)

式中,νp為撞擊速度,m·s-1;p為撞擊壓力,Pa;ρ1和ρ2分別為覆管與基管的密度，kg·m-3;νs1和νs2分別為覆管與基管的聲速,m·s-1。計算可得νp為52.57 m·s-1。由爆炸焊接界面的結合機理[16]可知,界面熔化是塑性變形的一種極端形式,當碰撞速度為400 m·s-1時,溫度可上升到100 ℃。水封爆炸脹接的撞擊速度為52.57 m·s-1,其碰撞溫度遠低于100 ℃。由文獻[16]可知,將變形后的金屬加熱,隨著溫度的升高,金屬的形變晶粒將首先發(fā)生恢復和多邊形化,繼續(xù)加熱使其達到一定高溫,則形變金屬進行再結晶直至晶粒長大。形變金屬再結晶需要的溫度約為700 ℃。由此可知,在此試驗條件下得到的鋁-鋼復合管不會發(fā)生界面熔化現(xiàn)象,其結合主要以金屬間塑

圖8結合界面金相照片

Fig.8Metallographic photos of combined interface

性變形結合即直接結合為主。圖8為鋁-鋼復合管結合界面金相照片,從圖8可以看出界面沒有熔化現(xiàn)象發(fā)生,也未出現(xiàn)明顯過渡層,區(qū)域a出現(xiàn)的類似的波狀結合是由于界面的微缺陷使得鋁與鋼嚙合在一起形成的,與通過壓力測試推斷出的界面結合形式相吻合。

4 結 論

利用PVDF壓電薄膜傳感器測試鋁-鋼同軸管的水封內爆炸脹接撞擊壓力是一種經(jīng)濟有效的方式; 得出復合管沿爆轟波傳遞的方向,覆管與基管的撞擊壓力呈遞增趨勢; 由測得的壓力平均值推算出復合管界面結合形式主要以金屬間塑性變形結合即直接結合為主。金相照片亦顯示界面沒有熔化現(xiàn)象發(fā)生,也未出現(xiàn)明顯過渡層。由此可知,在PVDF壓力計可測范圍內利用撞擊壓力來推測爆炸脹接管界面結合形式是可靠的。

參考文獻:

[1] 鄭遠謀.爆炸焊接和爆炸復合材料的原理及應用[M]. 長沙:中南大學出版社, 2007:18.

ZHENG Yuan-mou. Explosive Welding and Metallic Composite and the Engineering Application[M]. Chang Sha: Sun Yat-Sen University Press, 2007:18.

[2] Jonathan D Dobis. Bhaven Chakravarti. Clad piping components for refinery applications[J].MaterialsPerformance, 1997, 36(7): 29-35.

[3] Mahieu J, Maki J. Development of aluminized multiphase steel with dual phase properties for high temperature corrosion resistance applications[J].SteelResInt, 2003, 74(4): 225-236.

[4] Soliman H M, Mohamed K E, Abd ei-azim M E, et al. Oxidation resistance of the aluminide coating formed on carbon steels[J].JMaterSciTechnol, 1997, 13: 383-388.

[5] 郭訓忠. 陶杰, 孫顯俊,等. 爆炸焊接316L不銹鋼/Al復合管的界面及性能研究[J].南京航空航天大學學報, 2010, 42(5): 641.

GUO Xun-zhong, TAO Jie, SUN Xian-jun, et al. Investigation on interface and performance of explosive welded SS316L/Al clad tube[J].JournalofNanjingUniversityofAeronautics&Astronautics, 2010, 42(5): 641.

[6] Ukai S, Fujiwara M. Perspective of ODS alloys application in nuclear environments[J].JournalofNuclearMaterials, 2002, 307(1): 749-757.

[7] Chen J, Jung P, Pouchon M A, et al. Irradiation creep and precipitation in a ferritic ODS steel under helium implantation[J].JournalofNuclearMaterials, 2008, 373(1/3):22-27.

[8] Ohtsuka S, Ukai S, Fujiwara M, et al. Nano-mesoscopic structural characterization of 9Cr-ODS martensitic steel for improving creep strength[J].JournalofNuclearMaterials, 2007, 367/370(1):160-165.

[9] 梅群, 沈兆武, 周聽清. 超低能導爆索傳爆原理及應用的研究[J]. 中國工程科學, 2005, 7(6): 69-70.

MEI Qun, SHEN Zhao-wu, ZHOU Ting-qing. The study on the detonation transmission rules and application of the super low energy detonating cord[J].EngineeringScience, 2005(6): 69-70.

[10] 惲壽榕, 趙衡陽. 爆炸力學[M]. 國防工業(yè)出版社, 2005:220.

YUN Shou-rong, ZHAO Heng-yang. Explosion Mechanics[M]. National Defense Industry Press, 2005:220.

[11] 鄭遠謀. 爆炸焊接和爆炸復合材料的原理及應用[M].長沙: 中南大學出版社, 2007: 117-119.

ZHENG Yuan-mou. Explosive Welding and Metallic Composite and the Engineering Application[M]. Changsha: Cental South University Press, 2007: 117-119.

[12] 王寶云, 馬東康, 李爭顯, 等. 內爆炸法制備鋁/不銹鋼細長雙金屬復合管的研究[J]. 焊接, 2005(9): 55-56.

WANG Bao-yun, MA Dong-kang, LI Zheng-xian, et al. Research of producing Al/Stainless steel thin walled clad tube by interior explosion welding[J].Welding&Joining, 2005(9): 55-56.

[13] 范志強, 沈兆武, 馬宏昊. PVDF壓力測量特性與水下爆炸近場多孔金屬夾芯板動力響應的研究[D]. 合肥: 中國科學技術大學,2015.

FAN Zhi-qiang, SHEN Zhao-wu, MA Hong-hao. Characteristics of pressure measurements using pvdf gauge and the dynamic response of metallic sandwich panels subjected to proximity underwater explosion[D]. Hefei: University of Science and Technology of China, 2015.

[14] 鄭哲敏, 楊振聲. 爆炸加工[M].長沙:國防工業(yè)出版社,1981:14-15.

ZHENG Zhe-min, YANG Zhen-sheng. Explosive Metalworking[M]. Changsha: National Defense Industry Press, 1981:14-15.

[15] 史長根, 王耀華, 周春華. 爆炸焊接壓力焊機理研究[J]. 解放軍理工大學學報, 2002, 23(2): 55-56.

SHI Chang-gen, WANG Yao-hua, ZHOU Chun-hua. Study on pressure welding mechanism of explosive welding[J].JournalofPLAUniversityofScienceandTechnology, 2002, 23(2): 55-56.

[16] 張登霞, 李國豪, 周之洪, 等. 碰撞焊件金相組織分析[J]. 爆炸與沖擊,1983, 3(3): 37-46.

ZHANG Deng-xia, LI Guo-hao, ZHOU Zhi-hong, et al. Some metallurgical investigations on collision welding[J].ExplosionandShockWaves, 1983, 3(3): 37-46.