李文軒，戴美想，吳曉明，孫澤瑞，房中行

(1.中國人民解放軍陸軍工程大學,南京,210001；2.江蘇省生產(chǎn)力促進中心,南京,210018)

0 序言

爆炸焊接是當前制造大面積金屬復(fù)合材料的一種重要方法.金屬板借助炸藥爆轟產(chǎn)生的能量，通過高速傾斜碰撞，形成大面積固相冶金結(jié)合[1].與傳統(tǒng)焊接方式相比，爆炸焊接適用于各種相似或不同的金屬組合，例如：鈦/鋁、鈦/鋼、銅/鋁等這些組合難以通過其它焊接工藝結(jié)合[2].

爆炸焊接工藝參數(shù)的選取直接影響著界面結(jié)合質(zhì)量，因此對于不同的金屬組合選取合適的工藝參數(shù)顯得尤為重要.為了預(yù)測爆炸焊接的結(jié)合質(zhì)量，通常利用爆炸焊接窗口進行分析，借助邊界公式的限制，可以得到兩金屬板成功結(jié)合時要求的焊接工藝參數(shù)范圍.

焊接窗口基于特定的界面結(jié)合理論，給出焊接的臨界條件，從而限定焊接工藝參數(shù)的范圍，是理論與實際間的橋梁.確定新的界面結(jié)合標準，改變計算公式中的變量參數(shù)，是開發(fā)新型焊接窗口的主要方法.汪育等人[3]從最小作用量原理出發(fā)，綜合考慮炸藥特性和飛板厚度的影響，構(gòu)建了雙立式爆炸焊接R-δ（R為裝藥比，δ為飛板厚度）型焊接窗口.Lyask 等人[4]認為飛板的質(zhì)量也是影響爆炸焊接結(jié)合質(zhì)量的原因之一，并構(gòu)建了一種考慮飛板質(zhì)量、焊接速度、碰撞角的三維曲面焊接窗口.這些研究均為焊接窗口的發(fā)展提供了新的思路.

在計算焊接窗口時，公式的選擇和計算參數(shù)的選取對計算結(jié)果至關(guān)重要.不同的理論模型會得到不同的計算公式，同時只有明晰各邊界公式的理論假設(shè)才能更好的選取參數(shù).然而，當前對于不同邊界公式理論假設(shè)、參數(shù)選擇的討論比較少，這就導致在計算窗口時公式選擇、參數(shù)選取依賴經(jīng)驗.

基于上述問題，對爆炸焊接窗口邊界公式進行總結(jié)，分析其模型假設(shè)和應(yīng)用范圍，得到了方便使用的焊接窗口公式.用得到的公式分析鈦/鋁爆炸焊接問題，驗證窗口對界面結(jié)合質(zhì)量的預(yù)測情況.

1 爆炸焊接動態(tài)參數(shù)

爆炸焊接工藝參數(shù)指的是對焊接質(zhì)量的有著重要影響的參數(shù)，包括靜態(tài)參數(shù)和動態(tài)參數(shù).靜態(tài)參數(shù)是指在爆炸前靜止可以調(diào)節(jié)的數(shù)據(jù)，主要包括炸藥爆炸速度Vd、裝藥厚度d、板間距s、預(yù)置角α.動態(tài)參數(shù)指的是在爆炸焊接過程中動態(tài)變化的量，主要指的是動態(tài)碰撞角β、碰撞點移動速度Vc、碰撞速度Vp.動態(tài)參數(shù)間存在如圖1 所示的幾何關(guān)系，圖中Vc為碰撞點移動速度，也可以稱為焊接速度；Vf為飛板相對于與碰撞點一起移動的坐標系的速度，Vp為飛板移動速度，也可以稱其為碰撞速度.

圖1 動態(tài)參數(shù)幾何關(guān)系Fig.1 Geometric relationship of dynamic parameters

在飛板彎折飛行的過程中，一般認為飛板的速度平分彎曲飛板與未彎曲飛板間的夾角，也就是說圖1 中Vc平分角C.從圖1 的幾何關(guān)系中得到式(1)和式(2).

2 爆炸焊接窗口分析

焊接窗口是用來確定待焊材料的可焊范圍，預(yù)測焊接質(zhì)量的工具.由前面的分析可知影響爆炸焊接質(zhì)量的3 個動態(tài)參數(shù)間存在式(2)描述的函數(shù)關(guān)系，因此可以任選其中兩個參數(shù)作為變量考察焊接質(zhì)量.當前廣泛應(yīng)用的是β-Vc圖，如圖2 所示.Carpenter 等人[5]首先對β-Vc焊接窗口4 條邊界線做出理論解釋，并給出計算公式，后續(xù)研究人員從新的假設(shè)模型出發(fā)，豐富發(fā)展了窗口邊界公式.在應(yīng)用焊接窗口的同時可以結(jié)合Bahrani 等人[6]提出的碰撞角β在2°～ 31°的觀點來限制焊接中的碰撞角.

圖2 爆炸焊接窗口示意圖Fig.2 Schematic diagram of explosive welding window

2.1 爆炸焊接下限

爆炸焊接下限位于焊接窗口的下方，指的是飛板與基板碰撞產(chǎn)生的沖擊力應(yīng)該超過材料的動態(tài)強度.Deribas 等人[7]考慮材料硬度和表面清潔程度，提出了式(3)，得到廣泛應(yīng)用.

式中：Hv為材料的維氏硬度；ρ為材料密度，kg/m3；β為碰撞角，rad；k1為與材料表面清潔程度有關(guān)的常數(shù)，取值從0.6～ 1.2(從高清潔表面至未清潔表面)，一般情況取0.85.

Athar 等人[8]和Mouasvi 等人[9]成功的運用式(3)得到了預(yù)期的平直狀結(jié)合，該下限公式是從同種金屬爆炸焊接試驗中得出.當待焊金屬硬度差距較大時，計算結(jié)果與試驗有較大的誤差.這主要是因為材料的硬度和密度相差很大，需要對式(3)中參數(shù)的選取進行討論.

Zakharenko 等人[10]通過3 組對比試驗，結(jié)果表明，爆炸焊接中較軟材料的硬度決定焊接的下限，即在應(yīng)用式(3)時選取待焊材料中較小的硬度值計算.在選用較軟材料的硬度計算時，k1取1.14，這是因為材料的硬度差距大，采用低硬度作為計算參數(shù)時，材料的自凈過程只能由較軟材料產(chǎn)生的射流完成，此時較軟材料的射流不僅要清潔自身的表面，還要通過不斷的沖擊清潔較硬材料，所以反應(yīng)材料表面清潔程度的k1也與兩板的硬度差有關(guān).對于密度，由于爆炸焊接過程是飛板以速度Vf撞擊基板，因此碰撞能量與飛板的密度有關(guān)，選取其進行計算.

2.2 爆炸焊接流動限

爆炸焊接窗口的左邊限，最先是Cowan 等人[11]運用卡門渦街機理解釋爆炸焊接界面波的形成時提出.將焊接過程中的金屬看作流體，而出現(xiàn)的界面波則類似于流體在障礙物后出現(xiàn)的卡門渦街，并通過試驗得到了多組金屬組合的平直-波紋界面轉(zhuǎn)變速度.如果將焊接界面波的出現(xiàn)類比于卡門渦街，臨界速度就對應(yīng)著流體臨界雷諾數(shù)，當金屬流實際的雷諾數(shù)小于臨界值時，界面成平直狀；雷諾數(shù)大于臨界值的時候便會出現(xiàn)波紋狀的界面.爆炸焊接中金屬流雷諾數(shù)Re計算公式如式(4)所示.

式中：ρa，ρb，Ha，Hb分別為飛板、基板的密度和硬度.臨界雷諾數(shù)Rt的取值為8～ 13，一般取10.6，相對標準偏差為17.9%.

需要說明的是式(4)在β-Vc圖中為一條豎線，表示界面波的形成僅僅與焊接速度有關(guān).然而實際中碰撞角β在界面波的形成中也是一個重要因素[12].Cowan 等人[11]的試驗數(shù)據(jù)是在碰撞角為12°時得到的，因此上述公式只適用于這一條件下.Jaramillo等人[13]指出了Cowan 等人[11]工作的不足，并通過對Cu-Cu，F(xiàn)e-Fe，Al-Al 組合試驗數(shù)據(jù)的擬合得到了臨界雷諾數(shù)關(guān)于碰撞角的表達式(5).

式中：β為碰撞角，單位取角度制；Rt為臨界雷諾數(shù)，無量綱量.此時平直-波紋轉(zhuǎn)換限就是一條關(guān)于Vc和β的曲線.由于式（5）是通過同種金屬焊接試驗所得到，將其應(yīng)用到異種金屬焊接中，誤差較大.同時對爆炸焊接的模擬試驗表明焊接的界面波并不是立即形成的，而是在碰撞過后不斷增長的[14-15]，此時材料彈塑性的影響不能忽略，因此用卡門渦街解釋爆炸焊接界面波的成因有一定的局限性.

由于最初的焊接窗口左邊限是Cowan 等人[11]用流體理論推導波形形成條件時得出的，國外的文獻中一般稱焊接窗口左邊限為波形生成限.Athar等人[8]和Mouasvi 等人[9]都提到了新的波形生成限公式，但廣泛應(yīng)用仍需要大量的試驗驗證.由于當前對于界面波的形成機理仍未達成統(tǒng)一，提出準確的波形生成限的具體形式較為困難.

國內(nèi)學者則認為左邊限就是限制爆炸焊接時最小的焊接速度Vc,min，用以保證材料在射流區(qū)達到流動狀態(tài)，據(jù)此王宇新等人[16]給出式(6).

式中：ρmin為待焊金屬中的密度最小值，kg/m3；Rmmax為待焊金屬中最高的抗拉強度，MPa.

2.3 爆炸焊接射流限

在爆炸焊接過程中，碰撞點處于高溫高壓的條件，通?？梢孕纬上蚯皣娚涞纳淞?一般認為射流可以清除飛板和基板表面上的氧化物，消除粗糙度的影響，露出潔凈的表面，使兩金屬焊合，因此射流的形成是必要的.然而在一定的碰撞角下，飛板的碰撞速度過高時，兩板碰撞后立即彈開，無法產(chǎn)生射流.

將碰撞點作為參考點，平行布置時飛板和基板以爆炸速度Vd流入.當材料以亞音速流入時，可以忽略材料壓縮的影響，碰撞后不會出現(xiàn)激波，金屬碰撞后結(jié)合在一起；當材料以超音速流入時，出現(xiàn)如圖3 所示的情況.在碰撞點處材料受壓形成激波S，激波在材料的自由表面處反射為膨脹波R，在膨脹波的作用下，材料發(fā)生分離，無射流出現(xiàn)，焊接失敗.

圖3 無射流超音速碰撞示意圖Fig.3 Schematic diagram of supersonic impact without jet

碰撞點處激波的速度與材料的流入速度、碰撞角、材料特性有關(guān).Cowan 等人[17]對多組材料進行試驗，得到了的幾組金屬組合的射流限，并發(fā)現(xiàn)射流限基本是一條β關(guān)于Vc斜線，但是沒有給出普遍適用的公式.

在實際工業(yè)生產(chǎn)中，炸藥通常選用混有沙子的銨油炸藥，其爆炸速度常常小于3 000 m/s.而大部分金屬材料的聲速通常為4 500～ 6 000 m/s.史長根等人[18]將最小作用量原理引入爆炸焊接中，指出采用最低臨界爆炸速度炸藥，可以保證焊接的質(zhì)量，獲得好的界面，這對于超薄、硬脆以及薄壁管件的爆炸焊接尤為重要.同時還發(fā)現(xiàn)結(jié)合界面呈微波狀和小波狀時，焊接缺陷少，結(jié)合質(zhì)量好，要得到高質(zhì)量結(jié)合時應(yīng)該限制炸藥爆炸速度.因此多數(shù)爆炸焊接生產(chǎn)中材料的聲速都大于炸藥爆炸速度，無法達到超音速流動.所以除了聲速較低且硬度大的材料需要仔細考慮聲速對射流的影響外，大部分材料的射流限都可以取飛板、基板中較小的聲速[19]，即

式中：C01，C02分別為飛板、基板材料聲速.

2.4 爆炸焊接上限

在飛板與基板碰撞的過程中，界面的劇烈塑性應(yīng)變產(chǎn)生高溫.當飛板速度過大時，焊接界面會出現(xiàn)連續(xù)熔化的現(xiàn)象，在壓力卸載后仍然處于軟化狀態(tài)，這時焊接界面容易被反射的拉伸波拉開，造成焊接失敗.另外，由于爆炸焊接的焊接速度較快，界面處的高溫來不及擴散，熔化的金屬與周圍低溫基體間存在著極高的溫度梯度，液態(tài)的金屬混合物又以極高的速率冷卻，界面易形成脆性金屬間化合物、空洞和微裂縫，降低結(jié)合強度.這時就需要用爆炸焊接上限限制過大的飛板速度，保證焊接質(zhì)量.Carpenter 等人[5]以碰撞產(chǎn)生的熱量在界面處不產(chǎn)生連續(xù)的熔化層作為焊接上限，得到式(8).

式中：Tm為熔化溫度，℃；Cb為體聲速，cm/s；k為熱導率，W/(m·℃)；Cp為恒壓熱容，J/℃；β為密度，g/cm3；β為碰撞角，rad.這些材料參數(shù)均來自于飛板.N為無量綱常數(shù)，在文獻[5]中并未提及N的取值，只是給出了公式的表達和一些金屬組合的最大焊接速度.De 等人[20]通過對Carpenter 等人[5]給出的12 組上限值反推，得到了N的取值，發(fā)現(xiàn)其平均值為0.11，平均偏差為0.009.

3 鈦/鋁焊接窗口的構(gòu)建與應(yīng)用

3.1 鈦/鋁焊接窗口的構(gòu)建

運用上述得到的焊接窗口，分析鈦和鋁合金的復(fù)合情況.以將1 mm 的TA2 工業(yè)純鈦和14 mm 的1 060，5 083，7 075 鋁合金焊接為例.上限公式常數(shù)N取0.11，材料特性參數(shù)如表1 所示，計算得到的窗口如圖4 所示.

表1 材料特性參數(shù)Table 1 Material properties parameter

從圖4 可以看到，在鈦和鋁合金的爆炸焊接中，由于鈦的導熱性能較差，焊接上限較低，為了避免界面“過融”，推薦的焊接速度為1 700～ 3 000 m/s.隨著鋁合金的強度的增加，焊接窗口下限逐漸升高，造成焊接越來越困難.對于TA2 鈦/1060 鋁合金，大量研究表明兩板直接通過爆炸焊接就可以實現(xiàn)高質(zhì)量復(fù)合[21-23].對于TA2 鈦和7075 超硬鋁合金，由于焊接窗口過于狹小，直接焊接易形成界面缺陷，可以采用夾層技術(shù)降低碰撞能量，實現(xiàn)良好結(jié)合.TA2 鈦與1060，5083 鋁合金常用的爆炸焊接布置形式如圖5 所示.

圖4 鈦與鋁合金的焊接窗口Fig.4 Welding window of titanium and aluminum alloy.(a) welding window of TA2/1060;(b) welding window of TA2/5083;(c) welding window of TA2/7075

圖5 鈦/鋁合金焊接布置形式Fig.5 Titanium/aluminum alloy welding arrangement.(a) TA2/1060；(b) TA2/5083

3.2 鈦/鋁焊接窗口分析結(jié)合質(zhì)量

利用焊接窗口和動態(tài)焊接參數(shù)，可以預(yù)測結(jié)合界面和焊合質(zhì)量.將炸藥厚度、間距、裝藥比等靜態(tài)參數(shù)轉(zhuǎn)換為動態(tài)參數(shù)，需要考慮飛板在炸藥爆轟驅(qū)動下的運動[24].由于飛板的速度是實時變化的，而為了簡單起見研究人員將飛板抽象成速度處處相等的二維平面.李曉杰等人[19]在前人基礎(chǔ)上得到了便于計算的滑移爆轟驅(qū)動飛板的式(9).

式中：y為兩板間距；δ0為炸藥厚度；r為炸藥與飛板質(zhì)量的比值；k為炸藥多方指數(shù)；βm為最大碰撞角.

以Fang 等人[21]所做的TA2/1060 焊接試驗為例，選用爆炸速度為2 200 m/s、密度為0.8 g/cm3、多方指數(shù)k為 1.8 的炸藥，在裝藥比R分別為0.96和1.46 的條件下焊接TA2 鈦和1060 鋁合金.飛板TA2 厚度為 2.5 mm，復(fù)板厚度為14 mm，板間距為4 mm.將上述試驗條件帶入式(9)可以得到當R=0.96 時β=14°，當R=1.46 時β=16°，如圖6 所示.

圖6 不同裝藥比的動態(tài)焊接參數(shù)Fig.6 Dynamic welding parameters with different charge ratio

裝藥比為0.96 時，焊接參數(shù)位于窗口的中部，通過金相顯微鏡和掃描電子顯微鏡觀察焊接試樣，發(fā)現(xiàn)界面成典型小波狀，未發(fā)現(xiàn)裂紋或氣孔等界面缺陷，界面區(qū)也未發(fā)現(xiàn)鈦和鋁的氧化物和氧化層，僅在波峰處發(fā)現(xiàn)部分熔化塊.

裝藥比為1.46 時，焊接參數(shù)位于窗口的上部，靠近焊接上限.觀察焊接試樣發(fā)現(xiàn)結(jié)合界面成大波狀，界面處存在12 μm 的熔化層，同時在鈦板一側(cè)存在因劇烈塑性變形產(chǎn)生的“絕熱剪切線”.這些微缺陷影響了材料的焊接強度.不同裝藥比下觀察得到的界面波形如圖7 所示.

圖7 不同裝藥比的界面波形Fig.7 Interface waveforms with different charge ratios.(a) R=0.96;(b) R=1.46

3.3 焊接窗口的誤差分析

在應(yīng)用焊接窗口時，應(yīng)注意到窗口的預(yù)測結(jié)果與實際結(jié)果存在誤差，這主要是因為：①焊接窗口是一種簡化的理想的模型，是在一定的假設(shè)前提下，考慮影響焊接的主要因素，忽略了次要的影響因素；②焊接窗口計算時常數(shù)的取值對窗口的準確性有著重要影響，多數(shù)情況下都是采用經(jīng)驗值進行計算；③實際焊接的過程中諸如碰撞角、焊接速度等焊接參數(shù)不是定值，各個參數(shù)都在實時變化；④爆炸焊接過程是一個高溫、高壓條件下非平衡過程，這就導致在焊接過程中材料性質(zhì)與室溫條件下測得的數(shù)值有著顯著差異.

雖然焊接窗口有一定的誤差，但是作為一種預(yù)測焊接質(zhì)量的工具，其能夠快速確定材料焊接的參數(shù)范圍.綜合運用焊接窗口、數(shù)值模擬和試驗驗證的方法能夠大大減少尋找合適焊接工藝參數(shù)的時間.同時，通過對焊接窗口的研究和討論，可以了解各個參數(shù)對焊接質(zhì)量的影響，對于理解爆炸焊接的原理、本質(zhì)有重要的意義.

4 結(jié)論

(1)從爆炸焊接工藝參數(shù)出發(fā)，分析了焊接窗口4 條邊界的物理意義，梳理其發(fā)展歷程，討論了計算公式中參數(shù)的選取，得到了便于計算、結(jié)果較為準確的焊接窗口計算公式.

(2)應(yīng)用窗口計算公式，得到了鈦和鋁合金的焊接窗口，發(fā)現(xiàn)要實現(xiàn)鈦/鋁爆炸焊接，焊接速度應(yīng)在1 700～ 3 000 m/s 之間.隨著鋁合金硬度的增大，可焊窗口逐漸減小，此時采用夾層技術(shù)可以實現(xiàn)良好的結(jié)合.

(3)在TA2 鈦/1 060 鋁合金焊接中，裝藥比R為0.96 時，焊接參數(shù)位于窗口的中部，鈦/鋁界面成典型小波狀，未發(fā)現(xiàn)裂紋或氣孔等微缺陷；裝藥比R為1.46 時焊接參數(shù)位于窗口的上部，靠近焊接上限，結(jié)合界面成大波狀，存在熔化層和大量的“絕熱剪切線”.