鈦／鋼雙立式爆炸焊接參數(shù)優(yōu)化

趙林升，史長根，葛雨珩，侯鴻寶，尤 峻，史和生

（1.中國人民解放軍理工大學(xué)，南京210007；2.南京潤邦金屬復(fù)合材料有限公司，南京210007）

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鈦／鋼雙立式爆炸焊接參數(shù)優(yōu)化

趙林升1，史長根1，葛雨珩1，侯鴻寶1，尤 峻1，史和生2

（1.中國人民解放軍理工大學(xué)，南京210007；2.南京潤邦金屬復(fù)合材料有限公司，南京210007）

摘 要：為解決大面積鈦／鋼爆炸焊接窗口窄，在結(jié)合區(qū)易出現(xiàn)“過熔”和“射流堆積”等微觀缺陷的問題，開展了雙立爆炸＋軋制綜合制造技術(shù)，進行了低爆速爆炸焊接用炸藥試驗優(yōu)化，發(fā)明了一種最低臨界爆速爆炸焊接用炸藥，設(shè)計確定了剛性防護板和柔性防護墻構(gòu)成的雙立綜合防護結(jié)構(gòu)及參數(shù)，研究了鈦／鋼爆炸焊接裝藥厚度窗口.結(jié)果表明，雙立鈦／鋼復(fù)合板結(jié)合界面成波狀結(jié)合，幾乎不存在金屬熔化、漩渦等微觀缺陷.

關(guān)鍵詞：爆炸焊接；鈦／鋼復(fù)合板；防護結(jié)構(gòu)；可焊窗口；結(jié)合界面

鈦／鋼復(fù)合板綜合了鈦材耐蝕、質(zhì)輕和鋼板強度高等優(yōu)點，且能夠節(jié)約稀有金屬、降低成本，兼有性能和成本上的雙重優(yōu)勢，目前已經(jīng)在機械、航空航天、輪船、建筑、核能和石油化工等工業(yè)領(lǐng)域得到推廣和廣泛應(yīng)用［1－3］.

由于鈦鋼的爆炸焊接窗口較窄，鈦鋼復(fù)合板（特別是大面積鈦鋼復(fù)合板）的制備技術(shù)和生產(chǎn)工藝仍存在一定問題，尤其在結(jié)合率和復(fù)合板性能上仍達不到某些領(lǐng)域的特殊要求［4］.目前國內(nèi)外的生產(chǎn)廠家和學(xué)者主要研究采用改變裝藥工藝的方法來改善大面積鈦鋼復(fù)合板爆炸復(fù)合后結(jié)合率偏低和結(jié)合質(zhì)量不高的問題［5－8］，但效果并不理想.雙立爆炸＋軋制綜合制造技術(shù)在制備大面積、超薄鈦鋼復(fù)合板時，避免了大面積布藥帶來的不利影響，能有效提高復(fù)合板結(jié)合質(zhì)量，且在節(jié)能環(huán)保、降低生產(chǎn)成本方面具有突出優(yōu)勢.

雙立爆炸焊接一次作業(yè)可以生產(chǎn)2塊復(fù)合板，和現(xiàn)行的平行法相比，不僅提高了炸藥的能量利用率，削減了爆炸沖擊波對周圍環(huán)境的不利影響，而且易于控制爆炸焊接的工藝參數(shù)，形成標(biāo)準(zhǔn)的工藝流程［9］.目前，雙立爆炸焊接已成功制備了不銹鋼／鋼［10］、銅／鋼、鋁／鋼等金屬復(fù)合板，但鈦鋼等較難復(fù)合材料的雙立爆炸焊接還存在一些問題.在前期的大面積鈦鋼復(fù)合板雙立爆炸焊接試驗中，獲得的復(fù)合板復(fù)合率達到98%，邊部均無破壞和開裂，但板面存在較大的彎曲變形情況，復(fù)層表面有局部被燒灼破壞的現(xiàn)象（如圖1所示），且試驗中采用的柔性防護墻并沒有起到良好的防護作用，復(fù)合板在撞毀沙袋后仍飛出較遠距離，給雙立式爆炸焊接的生產(chǎn)試驗帶來較大危險，鈦鋼的雙立爆炸焊接工藝和防護還需進一步的研究.

本文采用雙立法及其綜合防護結(jié)構(gòu)，在最低臨界爆速爆炸焊接用炸藥的裝藥條件下對鈦／鋼復(fù)合板進行爆炸復(fù)合，研究鈦／鋼復(fù)合板在雙立爆炸焊接裝藥工藝參數(shù)及其防護下的結(jié)合情況，對推動鈦鋼的雙立爆炸焊接，實現(xiàn)低碳環(huán)保、大規(guī)模標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)具有重大意義.

圖1 大面積雙立鈦鋼復(fù)合板

1 雙立式爆炸焊接爆轟機理

平行式和雙立式爆炸焊接的裝置如圖2（a）和2（b）所示.雙立式爆炸焊接采用立式的對稱安裝結(jié)構(gòu)，炸藥在2塊復(fù)板之間形成封閉式的裝藥形式，炸藥由雷管引爆后爆轟產(chǎn)生的沖擊波使左右兩側(cè)豎立的2塊復(fù)板均發(fā)生彎曲和塑性變形并分別與兩側(cè)同樣平行豎立的2塊基板產(chǎn)生碰撞并焊接，焊接后的2塊復(fù)合板以較大的速度向兩側(cè)運動，并與兩側(cè)的防護結(jié)構(gòu)發(fā)生碰撞后停止.

雙立法和平行法在裝藥結(jié)構(gòu)上有明顯的區(qū)別，傳統(tǒng)的爆轟作用機理和工藝參數(shù)體系已不再適用于雙立爆炸焊接.在前期雙立爆炸焊接爆轟機理的研究中，假設(shè)炸藥具有足夠大的面積，爆轟產(chǎn)物的膨脹速度與距離呈線性關(guān)系，并忽略炸藥爆轟側(cè)向和起爆端稀疏波的影響，復(fù)板材料視為不可壓縮物質(zhì)，建立雙立式爆炸焊接一維爆轟模型，對雙立爆炸焊接的炸藥爆轟機理和復(fù)板運動規(guī)律進行研究.

當(dāng)左右兩邊采用相同的基復(fù)板時，根據(jù)一維爆轟驅(qū)動的Gurney公式［11］，可得到描述雙立式爆炸焊接的爆轟驅(qū)動復(fù)板運動速度近似式：

式中：Vpd為雙立式爆炸焊接條件下的復(fù)板碰撞速度；R為裝藥的質(zhì)量比；γ為炸藥的有效多方指數(shù)；Vd為炸藥爆速.

平行法爆炸焊接爆轟驅(qū)動的一維Gurney復(fù)板運動速度公式為

式中：E0為格尼能；Vps為平行法復(fù)板碰撞速度.

假設(shè)平行法與雙立法具有相同的裝藥量和復(fù)板厚度，由式（1）和（2）分析可得，雙立式爆炸焊接在相同裝藥參數(shù)下復(fù)板可獲得更高的碰撞速度，能量利用率得到了提高，如當(dāng)質(zhì)量比R＝0.5時，雙立式爆炸焊接的復(fù)板碰撞速度達到了平行法的1.42倍，也就是說，在相同的碰撞要求下，雙立式可以使用更少的裝藥量，而且封閉式裝藥還能降低炸藥的臨界爆炸厚度，為低厚度的臨界爆速炸藥的使用提供了可能.

1—安裝裝置（地基）；2（2′）—基板；3（3′）—間隙；4—復(fù)板；5—炸藥；6—起爆裝置圖2 爆炸焊接裝置示意圖

2 最低臨界爆速爆炸焊接用炸藥

爆炸焊接生產(chǎn)實踐表明，金屬鈦與碳鋼復(fù)合板的爆炸焊接與其他金屬復(fù)合板的爆炸焊接相比（如銅／普碳鋼、不銹鋼／普碳鋼、工具鋼／普碳鋼等），具有較大的難度和特殊性.鈦鋼復(fù)合材料可焊性窗口較小，在爆炸焊接中容易形成金屬間化合物、氣孔、絕熱剪切帶等缺陷，發(fā)生鈦板延展、邊界破裂和后續(xù)加工難等影響復(fù)合板結(jié)合質(zhì)量的問題，對爆炸焊接的工藝參數(shù)要求較高［12］.

為解決鈦鋼爆炸焊接難的問題，作者在理論研究及大量試驗的基礎(chǔ)上，遵循爆炸焊接最小作用量原理［13］，發(fā)明了最低臨界爆速爆炸焊接用炸藥.此最低臨界爆速炸藥采用現(xiàn)行的乳化炸藥作為主原料，按質(zhì)量分數(shù)30%的炸藥和70%的鹽、珍珠巖、鋸末等混合而成，在裝藥厚度為6 mm時，其最低臨界穩(wěn)定爆速約為610 m／s.

最低臨界爆速爆炸焊接用炸藥具有爆速低等特點，在鈦鋼復(fù)合板的爆炸焊接中，可以有效地拓寬鈦鋼復(fù)合板的爆炸焊接窗口（表1），便于對鈦鋼的爆炸焊接裝藥參數(shù)進行控制，進而有利于提高材料爆炸焊接界面的結(jié)合質(zhì)量，很好地解決了鈦鋼復(fù)合板結(jié)合界面的質(zhì)量問題.

表1 鈦／鋼爆炸焊接工藝參數(shù)

3 雙立爆炸焊接的防護設(shè)計

在雙立式爆炸焊接中，由于沒有地基的作用，在基復(fù)板碰撞結(jié)合的瞬間，復(fù)板中的大部分動能將轉(zhuǎn)化為復(fù)合板界面的結(jié)合能和變形能，從而使焊接界面發(fā)生金屬的塑性變形、熔化和射流等，除了小部分能量引起復(fù)合板的宏觀變形外，復(fù)板動能中剩余的能量將轉(zhuǎn)化為復(fù)合板的動能，使焊接后復(fù)合板繼續(xù)以較大速度（理論上能達到100 m／s以上）向兩側(cè)運動，給雙立式爆炸焊接工作帶來巨大的危險，成為雙立式爆炸焊接技術(shù)推廣的一大阻礙.所以，防護裝置的研究設(shè)計是雙立式爆炸焊接技術(shù)推廣應(yīng)用的關(guān)鍵.

在前期雙立爆炸焊接防護的研究基礎(chǔ)上［14］，作者綜合柔性防護墻良好的吸能緩沖特性和剛性防護裝置優(yōu)良的抗沖擊性能，提出了一種由剛性防護和柔性防護相結(jié)合的綜合防護結(jié)構(gòu)（圖3）來解決雙立防護問題.其中，剛性防護板主要是承受高速運動復(fù)合板的沖擊力，防止沖擊震動對周圍環(huán)境的硬性破壞以及為人員設(shè)備安全提供安全保障；柔性防護墻主要起到緩沖和消波作用，使得復(fù)合板與剛性墻的巨大沖擊作用迅速衰減.與以往的防護裝置相比，此綜合防護結(jié)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡單、安裝方便、防護效果好、可永久使用等優(yōu)點.

圖3 雙立爆炸焊接及綜合防護示意圖

4 鈦鋼的雙立爆炸焊接及防護試驗

根據(jù)雙立式爆炸焊接的爆轟機理，在合理設(shè)置雙立式爆炸焊接工藝參數(shù)的條件下，采用最低臨界爆速爆炸焊接用炸藥，并結(jié)合雙立式爆炸焊接復(fù)合板側(cè)向飛散的特點，在優(yōu)化設(shè)計的綜合防護結(jié)構(gòu)防護作用下，對鈦／鋼、不銹鋼／鋼進行了雙立爆炸焊接實爆試驗.

試驗材料的尺寸及力學(xué)性能如表2所示，工藝參數(shù)如表3所示.

表2 試驗材料尺寸及其力學(xué)性能

表3 試驗工藝參數(shù)

鈦鋼復(fù)合板雙立式爆炸焊接試驗裝置安裝和防護分別如圖4（a）和4（b）所示，圖4（c）和4（d）分別為爆炸后的防護效果圖和雙立爆炸后獲得的鈦鋼復(fù)合板.由圖4可以看出：爆炸后防護裝置和復(fù)合板的移動范圍皆在安全距離以內(nèi)；剛性防護裝置有一定的偏轉(zhuǎn)，但沒有受到破壞和明顯變形，大部分沙袋基本保存完好，可實現(xiàn)多次重復(fù)使用；經(jīng)外觀檢查，復(fù)板外延被全部切除，復(fù)合板表面無燒蝕，且均無破壞和開裂，而且經(jīng)超聲波探傷檢測，各復(fù)合板的復(fù)合率均達98%以上，且各項性能指標(biāo)符合國家標(biāo)準(zhǔn)要求.

圖4 鈦鋼的雙立爆炸焊接試驗

5 雙立鈦鋼復(fù)合板結(jié)合界面

圖5（a）、（b）和（c）、（d）分別為雙立式爆炸焊接鈦鋼復(fù)合板在起爆端附近50、150 mm采樣點的金相組織照片，圖中下層為不易腐蝕的復(fù)材TA2鈦，上層為基材Q235b普通碳素結(jié)構(gòu)鋼，爆轟方向如圖中所示.由圖5（a）、（b）的金相圖可以看出，雙立鈦鋼復(fù)合板的基復(fù)板材料在周期性的波狀結(jié)合界面中實現(xiàn)了金屬間的直接結(jié)合，且界面波形大小隨著距起爆端距離的增大而增大，界面波的波長500～750 μm，波高為100～250 μm，這與爆炸焊接理論基本相符合［15－16］.由圖5（c）、（d）放大的的金相圖觀察可以看到，雙立鈦鋼復(fù)合板結(jié)合界面鋼一側(cè)的金屬晶粒被顯著拉長，并沿界面平行排列成細長流線，成為流動變形層，界面處沒有黑色線條，也未產(chǎn)生Ti－Fe脆性金屬間化合物，但在某些界面波的波頭和波尾處有少量的漩渦和金屬熔化塊等微觀缺陷產(chǎn)生.

金相測試分析表明，雙立鈦鋼復(fù)合板界面結(jié)合情況較好，采用雙立爆炸法和最低臨界裝藥工藝對鈦鋼復(fù)合板的結(jié)合質(zhì)量具有明顯的改善.

圖5 雙立式爆炸焊接鈦鋼復(fù)合板界面微觀組織

6 結(jié) 論

1）雙立式爆炸焊接應(yīng)用在鈦鋼復(fù)合板生產(chǎn)中，有效地克服了平行法爆炸焊接存在的不足，并節(jié)省了大約2／3的炸藥量，提高了生產(chǎn)效率，有利于實現(xiàn)產(chǎn)品的質(zhì)量控制和機械化、標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)模式的形成.

2）最低臨界爆速爆炸焊接用炸藥拓寬了鈦鋼復(fù)合板的爆炸焊接窗口，便于對鈦鋼的爆炸焊接裝藥參數(shù)進行控制，很好地解決了鈦鋼復(fù)合板制備中結(jié)合面的質(zhì)量問題.

3）由剛性防護裝置和柔性防護墻構(gòu)成的綜合防護結(jié)構(gòu)能夠承受爆轟波和高速運動復(fù)合板的沖擊，且剛性防護裝置和復(fù)合板沒有發(fā)生破壞和變形，可以多次重復(fù)使用，有效地解決了雙立爆炸焊接的防護問題.

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（編輯 程利冬）

Parameter optimization in double vertical explosive welding of Ti／steel

ZHAO Linsheng1，SHI Changgen1，GE Yuheng1，HOU Hongbao1，YOU Jun1，SHI Hesheng2
（1.PLA University of Science and Technology，Nanjing 210007，China；2.Nanjing Runbun Metal Co.，LTD，Nanjing 210007，China）

Abstract：To solve the technical problem of narrow welding window and avoid the occurrance of micro defects such as＂fusion＂and＂jet pile＂in the bonding zone of large area double vertical explosion welding of Ti／steel，the technology of explosive welding?rolling was studied. After experiment and optimization of low detonation velocity explosive，a minimum critical detonation velocity explosive was invented to enlarge the explosive welding window. A compound protective structure made up of rigid protective plates and flexible protective walls was designed to effectively restrict the movement of cladding plates in double vertical explosive welding and protect the cladding plates from damage. The microstructure was observed by optical microscopy （OM）. Results showed that the bonding interface presents periodically wavy connection and almost no micro defects such as fusion and swirl are observed.

Keywords：explosive welding；Ti／steel cladding plate；protective structure；weldability window；bonding interface

通信作者：葛雨珩，E?mail：xiru168＠163.com.

作者簡介：趙林升（1990—），男，碩士研究生.

基金項目：國家自然科學(xué)基金資助項目（51541112）；江蘇省成果轉(zhuǎn)化專項基金資助項目（BA2012030）.

收稿日期：2015－06－10.

doi：10.11951／j.issn.1005－0299.20160113

中圖分類號：TG456.6

文獻標(biāo)志碼：A

文章編號：1005－0299（2016）01－0080－05