畢志雄，李雪交，吳 勇，汪 泉，代弦德，榮 凱

（1. 安徽理工大學(xué)土木建筑學(xué)院，安徽 淮南 232001；2. 安徽理工大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院，安徽 淮南 232001；3. 安徽雷鳴科化股份有限公司，安徽 淮北 235000）

1 引言

爆炸焊接是一種集熔化焊、壓力焊以及擴散焊于一體的復(fù)合工藝［1-2］。其是利用炸藥爆炸能量轉(zhuǎn)化為覆層的動能，使覆層與基層在金屬界面高速碰撞而產(chǎn)生冶金結(jié)合。爆炸焊接（或爆炸復(fù)合）作為一種特殊的復(fù)合工藝，被廣泛應(yīng)用于化工管道、機械制造、核電站和航空航天等領(lǐng)域，到目前為止爆炸焊接工藝已成功實現(xiàn)數(shù)百種同種或者異種金屬的焊接［3-4］。爆炸復(fù)合一般采用低爆速粉狀炸藥作為復(fù)合焊接的驅(qū)動裝藥，裝藥存在密度不均、易稀釋等缺點，而且焊接炸藥爆炸的大部分能量以沖擊波和爆轟產(chǎn)物的形式釋放，不受約束的耗散到環(huán)境中，造成焊接能量利用效率低下。

根據(jù)Gurney 理論［5］，相對于無約束裝藥，上層結(jié)構(gòu)的約束作用可以更為有效的將炸藥爆炸能量轉(zhuǎn)化為覆層速度，從而節(jié)約焊接藥量。繆廣紅［6］等設(shè)計蜂窩結(jié)構(gòu)炸藥應(yīng)用于雙面金屬板的爆炸焊接中，通過雙面焊接技術(shù)實現(xiàn)多層板材的復(fù)合，以提高炸藥能量利用率，但是上層金屬板爆炸焊接易出現(xiàn)變形、飛散等問題。Yang Ming［7］等采用高吸水性樹脂和水混合而成的膠體水材料，將其放置在爆炸焊接炸藥的上表面，以提供覆蓋約束，探究覆蓋層厚度對覆板碰撞速度和結(jié)合界面微觀結(jié)構(gòu)的影響。表明膠體水覆蓋層可以提高炸藥能量利用率，但是相較于炸藥爆轟壓力，膠體水的約束作用較小，而且膠體水飛散會污染周圍環(huán)境。

針對目前爆炸焊接藥量較高的問題，為提高炸藥爆炸能量利用率，減小焊接藥量，提出利用自約束結(jié)構(gòu)裝藥開展爆炸焊接研究。本研究以乳化基質(zhì)為基，中空玻璃微球作為敏化劑和稀釋劑，鋁蜂窩板作為裝藥藥框，制備不同爆速的蜂窩結(jié)構(gòu)乳化炸藥。將兩層炸藥呈緊密狀態(tài)疊放，制備雙層蜂窩結(jié)構(gòu)炸藥，利用上層裝藥的高速爆轟對下層低爆速炸藥產(chǎn)生的自約束作用，以降低炸藥能量耗散，提高焊接藥量利用效率。然后通過方程計算得到T2/Q345 爆炸焊接窗口，采用小于焊接炸藥藥量下限的雙層蜂窩結(jié)構(gòu)炸藥進行T2/Q345爆炸復(fù)合應(yīng)用研究。

2 T2/Q345 爆炸焊接參數(shù)設(shè)計

2.1 爆炸焊接窗口

爆炸焊接質(zhì)量取決于焊接參數(shù)的選取。爆炸焊接參數(shù)包括動態(tài)參數(shù)、靜態(tài)參數(shù)以及結(jié)合區(qū)參數(shù)，其中動態(tài)參數(shù)有碰撞角β、碰撞速度vp和碰撞點移動速度vc等。動態(tài)參數(shù)之間相互獨立，任意兩參數(shù)可在同一平面內(nèi)構(gòu)成可焊性區(qū)域，即爆炸焊接窗口［8］。

2.1.1 臨界碰撞速度

對于異種金屬板材臨界碰撞速度vp，min可由下式計算［9］:

式中，vp1和vp2分別是覆層金屬之間和基層金屬之間的最小碰撞速度，m·s-1；p1和p2是覆層金屬之間和基層金屬之間的碰撞壓力，MPa；CV1和CV2分別是覆層和基層金屬的體積聲速，m·s-1；ρ1和ρ2分別是覆層和基層金屬的密度，g·cm-3；σb1和σb2是覆層和基層金屬的抗拉強度，MPa。

2.1.2 臨界碰撞點移動速度

根據(jù)流體力學(xué)理論［10］，碰撞點移動速度超過其下限值時，界面金屬由層流變?yōu)橥牧?，產(chǎn)生波狀結(jié)合。對于臨界碰撞點移動速度vc，min的方程如下［11］:

式中，Re是雷諾數(shù)；H1和H2分別是覆層和基層金屬的維氏硬度。

2.1.3 極限碰撞速度

李曉杰提出基覆層最大碰撞速度vp，max可表示為［12］:

式中，CP1和CP2分別是覆層和基層金屬的比熱容，J·kg-1·℃-1；α1和α2分別是覆層和基層金屬的熱擴散率；CV1和CV2分別是覆層和基層金屬的體積聲速，m·s-1；δ1和δ2分 別 是 覆 層和基層 金 屬 的 厚 度，mm；Tmpmin是覆層和基層金屬中較低的熔點，℃；tmin是反射稀疏波到結(jié)合界面的最短時間，μs；vc，min是臨界碰撞點移動速度，m·s-1；N 是與材料體積聲速有關(guān)的系數(shù)。

2.1.4 極限碰撞點移動速度

爆炸焊接時需要足夠大的碰撞角才能驅(qū)動界面金屬產(chǎn)生射流。因此文獻［13］提出用碰撞角β 表示的最大碰撞點移動速度vc，max方程:

2.2 爆炸焊接靜態(tài)參數(shù)

2.2.1 炸藥與覆層的質(zhì)量比

基覆板間的爆炸焊接被簡化為一維運動時，基覆層臨界碰撞速度vp的表達式可用一維拋擲方程式表達為［14-15］:

式中，vd為炸藥爆速，m·s-1；R 為炸藥與覆板的質(zhì)量比。

2.2.2 基覆層間距

基覆層間距h0經(jīng)驗方程可表達為［16］:

式中，δ0為裝藥厚度，mm。

根據(jù)方程（1）～方程（6）和表1 中基覆層材料的參數(shù)，計算T2/Q345 的爆炸焊接窗口上限和下限參數(shù)。其中臨界碰撞速度為345 m·s-1，極限碰撞速度為722 m·s-1，臨界碰撞點移動速度為1882 m·s-1，極限碰撞點移動速度為6195 m·s-1。

表1 基覆層的物理力學(xué)性能Table 1 Physical and mechanical properties of substrate and flyer

通常采用爆炸焊接窗口內(nèi)參數(shù)均可以取得良好的焊接效果，其中靠近爆炸窗口下限焊接質(zhì)量較好。以乳化基質(zhì)為基（如表2 所示），平均粒徑60 μm 的中空玻璃微球作為敏化劑和稀釋劑，鋁蜂窩板作為炸藥藥框，制備微球含量25%的乳化炸藥A 和微球含量15%的乳化炸藥B，其相應(yīng)爆速分別為3512 m·s-1和2505 m·s-1。將較高爆速的乳化炸藥A 置于乳化炸藥B 上層，壓緊貼合制成雙層蜂窩結(jié)構(gòu)乳化炸藥C。

采用方程（7）計算采用厚度8 mm 的乳化炸藥A和8 mm 的乳化炸藥B 進行T2/Q345 爆炸焊接的碰撞速度，并顯示焊接參數(shù)在T2/Q345 爆炸焊接窗口中的位置，如圖1 所示。

表2 乳化基質(zhì)組分Table 2 Emulsified matrix components

圖1 T2/Q345 爆炸焊接窗口Fig.1 T2/Q345 explosion weldability window

采用同等8 mm 厚度的乳化炸藥A 和乳化炸藥B，根據(jù)方程（7）計算覆層的碰撞速度分別為293 m·s-1和145 m·s-1，在圖1 中用a 和b 點表示。由圖1 可知，雖然兩炸藥爆速在T2/Q345 爆炸焊接窗口的碰撞點移動速度范圍內(nèi)，但碰撞速度均小于臨界碰撞速度345 m·s-1，因此a 點和b 點在爆炸焊接窗口外，不能取得良好的焊接效果。

根據(jù)爆炸焊接參數(shù)方程和T2/Q345 爆炸焊接窗口，得到采用乳化炸藥A 和乳化炸藥B 進行T2/Q345爆炸焊接的下限參數(shù)。根據(jù)方程（7）可以得到滿足臨界碰撞速度的最小質(zhì)量比R，從而得到實現(xiàn)焊接的最小裝藥量，如表3 所示。

表3 T2/Q345 爆炸焊接裝藥參數(shù)Table 3 T2/Q345 explosion welding explosive parameters

單層裝藥時，如采用微球含量15%的乳化炸藥A和25%的乳化炸藥B。為了滿足臨界碰撞速度實現(xiàn)焊接，最小裝藥量如表3 所示分別為395 g 和595.4 g，相應(yīng)的裝藥厚度為9.6 mm 和22.0 mm。但是采用8 mm、實際裝藥量為271.3 g 具有自約束的雙層蜂窩結(jié)構(gòu)乳化炸藥C 進行T2/Q345 爆炸焊接，焊接效果良好，驗證雙層蜂窩結(jié)構(gòu)炸藥的自約束效果。

相比乳化炸藥A 和乳化炸藥B 滿足焊接時的最小裝藥量，采用乳化炸藥C 進行T2/Q345 爆炸焊接，分別可以節(jié)約31.4%和54.4%裝藥量，證明雙層蜂窩結(jié)構(gòu)炸藥提高了焊接能量利用率。而采用與乳化炸藥C裝藥厚度同為8 mm 的乳化炸藥A 和乳化炸藥B 進行T2/Q345 爆炸焊接時，未能實現(xiàn)復(fù)合。由于此厚度的炸藥焊接能量較小，大部分能量從炸藥的上部耗散，焊接能量利用效率較低，T2/Q345 復(fù)合界面未能產(chǎn)生強烈塑性流動，導(dǎo)致無法焊合，此時需要增加炸藥厚度，以提高焊接能量和基覆層的碰撞速度，實現(xiàn)冶金結(jié)合。

雙層蜂窩結(jié)構(gòu)炸藥實際總厚8 mm，焊接時于炸藥底部、與覆板接觸位置放置探針，測得爆速為2832 m·s-1。8 mm 時雙層蜂窩結(jié)構(gòu)炸藥底部爆速低于上層乳化炸藥A 爆速，但高于下層乳化炸藥B 爆速。說明雙層蜂窩結(jié)構(gòu)炸藥下層藥爆速受上層藥爆轟束影響，驗證了其自約束效果。雙層蜂窩結(jié)構(gòu)乳化炸藥C的上層炸藥傳爆速度比下層炸藥要稍快，上層炸藥爆轟可以對下層裝藥爆炸能量起到約束作用，降低下層藥的能量耗散，增加下層炸藥爆炸能量轉(zhuǎn)化為覆層動能的效率。說明具有自約束能力的雙層蜂窩結(jié)構(gòu)炸藥可以減小爆炸焊接（裝）藥量，從而提高炸藥能量利用效率。

3 T2/Q345 爆炸焊接實驗

采用的覆層和基層材質(zhì)分別為T2 銅和Q345 鋼，其尺寸為（2+15）mm×150 mm×300 mm，基覆層物理力學(xué)性能見表1。以中空玻璃微球作為稀釋劑制備低爆速炸藥，采用蜂窩鋁板為炸藥藥框，然后將乳化炸藥填充鋁蜂窩板孔隙制備蜂窩結(jié)構(gòu)炸藥，如圖2 所示。鋁蜂窩板可以保證各層裝藥厚度均勻以及良好的抗壓性。

圖2 蜂窩結(jié)構(gòu)炸藥Fig.2 Explosive with honeycomb structure

T2 銅板和Q345 鋼板內(nèi)表面打磨清理除銹，放置間隙柱，將裝配好的基覆層放置在爆炸罐體基礎(chǔ)上，覆層表面涂抹黃油避免高溫灼傷。進行T2/Q345 爆炸焊接的雙層蜂窩結(jié)構(gòu)乳化炸藥C 由同為4 mm 厚的乳化炸藥A 和乳化炸藥B 組成，其中爆速較高的乳化炸藥A 位于上層與乳化炸藥B 緊密疊放，然后將制備好的雙層蜂窩結(jié)構(gòu)炸藥放置在覆層表面。爆炸焊接裝置采用平行安裝結(jié)構(gòu)，如圖3 所示。爆炸焊接后采用金相顯微鏡觀察T2/Q345 爆炸復(fù)合板界面結(jié)合性能。

圖3 雙層蜂窩結(jié)構(gòu)炸藥爆炸焊接裝配圖Fig.3 Explosion welding assembly drawing of explosive with honeycomb structure of two layers

4 T2/Q345 復(fù)合板界面微觀形貌

爆炸焊接后沿爆轟方向切割T2/Q345 復(fù)合板制備金相試件，切割試件分別位于起爆端5 cm 和15 cm，其金相組織圖如圖4 所示。

圖4a 所示距離起爆端5 cm 處T2/Q345 復(fù)合板結(jié)合界面的金相微觀形貌，由圖4a 中可知，結(jié)合界面呈直線結(jié)合，未觀察到明顯的金屬熔化層，局部區(qū)域出現(xiàn)熔化塊（見圖5a 中白色虛線區(qū)域）。界面金屬在塑性變形熱和絕熱壓縮熱的作用下產(chǎn)生較強的熱效應(yīng)，導(dǎo)致產(chǎn)生熔化。較厚的熔化會影響復(fù)合板的結(jié)合質(zhì)量，但是較薄的熔化塊有利于金屬間擴散，增加界面結(jié)合強度。

圖4b 所示距離起爆端15 cm 處T2/Q345 復(fù)合板結(jié)合界面的金相微觀形貌，可以看出T2/Q345 界面結(jié)合性能良好，界面波形平滑。結(jié)合界面出現(xiàn)平均波長250 μm、波高100 μm 的正弦波形。爆炸焊接界面結(jié)合形式通常有直線和波形兩種，其中波形界面因結(jié)合面積更大而具有更強的結(jié)合強度［17］。根據(jù)Banrani A S 提出的覆板流侵徹機理，基覆層相互碰撞時，碰撞點壓力超過金屬材料的動態(tài)屈服強度極限［18］。此條件下金屬具有類似于不可壓縮無粘性的流體性質(zhì)，其在基板上造成壓陷作用，同時移走材料堆積成的周期性解體，形成結(jié)合面波形。隨著傳播距離增加，炸藥從起爆變?yōu)榉€(wěn)定爆炸，產(chǎn)生的能量轉(zhuǎn)化為覆層動能相應(yīng)增加，界面從開始的平直狀變?yōu)檎也罱Y(jié)合。

圖4 T2/Q345 復(fù)合板焊接界面金相組織Fig.4 Microstructure at the welding interface of copper/steel composite plate

5 結(jié)論

實驗以乳化基質(zhì)為基，中空玻璃微球作為敏化劑和稀釋劑，蜂窩鋁板作為炸藥藥框，制備總厚8 mm 的雙層蜂窩結(jié)構(gòu)炸藥進行T2/Q345 爆炸復(fù)合研究?？傻玫饺缦陆Y(jié)論:

（1）雙層蜂窩結(jié)構(gòu)炸藥由于上層裝藥對下層裝藥爆炸的約束作用，可以提高焊接炸藥的能量利用效率，從而減小焊接藥量。

（2）2505 m·s-1和3512 m·s-1低爆速單層乳化炸藥進行T2/Q345 爆炸焊接的最小裝藥量分別為595.4 g和395.3 g，而采用裝藥量271.3 g 的雙層蜂窩結(jié)構(gòu)炸藥成功實現(xiàn)T2/Q345 爆炸焊接。相比單層結(jié)構(gòu)裝藥，雙層蜂窩結(jié)構(gòu)炸藥分別可以節(jié)約54.4%和31.4%炸藥。

（3）T2/Q345 復(fù)合板結(jié)合性能良好。隨著傳播距離增加，界面開始從平直狀結(jié)合變?yōu)槠骄ㄩL250 μm、波峰100 μm 的正弦波形結(jié)合。