爆炸脹接鋁/鋼復(fù)合管的研究*

余 勇，馬宏昊，沈兆武，繆廣紅，李戰(zhàn)軍

(1.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)近代力學(xué)系，安徽合肥 230027；2. 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]。復(fù)合管主要的設(shè)計思路是讓基管滿足管道的強(qiáng)度需求，覆管滿足耐腐蝕或耐磨損條件[2]。因?yàn)閺?fù)合管的設(shè)計充分利用了基管和覆管的性能，所以，相比于單一的耐蝕或耐磨金屬材料，復(fù)合管可以節(jié)約貴重金屬，有效地降低成本。鋁具有密度小、塑性高、抗氧化、耐腐蝕(鋁表面易形成致密的氧化物薄膜)等特點(diǎn)。鋼是世界上應(yīng)用最廣泛的材料之一，具有價格低廉、力學(xué)性能優(yōu)良的特點(diǎn)。將薄壁鋁管和普通鋼管復(fù)合得到的鋁/鋼復(fù)合管，可以兼具優(yōu)良的力學(xué)性能和耐腐蝕性能[3-4]。若對鋁層進(jìn)一步氧化，鋁/鋼復(fù)合管還可以具備優(yōu)異的耐磨損性能[5]。正因?yàn)槿绱耍X/鋼復(fù)合管不僅在城市公用管道、石油行業(yè)、化工系統(tǒng)、核設(shè)施和航空航天等領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力，而且在工程應(yīng)用中也有極其重要的價值[6-8]。

目前國內(nèi)外一些學(xué)者在鋁/鋼板材的爆炸焊接研究方面做了很多工作，得到了一些建設(shè)性的結(jié)論。由于鋁、鋼的密度及熔點(diǎn)相差較大，界面不易產(chǎn)生波狀結(jié)合，界面處的組織存在著嚴(yán)重的塑性變形[9]；因此，在爆炸復(fù)合過程中，若采用傳統(tǒng)的爆炸焊接技術(shù)，必然會造成鋁/鋼管材的大變形，復(fù)合界面也很難產(chǎn)生波狀結(jié)合。本研究利用一種具備優(yōu)異防水特性的爆炸纖維[10]，以水為傳壓介質(zhì)，內(nèi)脹得到鋁/鋼復(fù)合管。以水為傳壓介質(zhì)的優(yōu)點(diǎn)是大大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，沖擊波壓力約為15 GPa[11]。炸藥利用率的提高，降低了炸藥的用量，減少了噪聲、粉塵和其他次生污染。

2 鋁/鋼同軸管爆炸脹接試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)材料及其基本參數(shù)

試驗(yàn)采用的基管為Q235普通無縫鋼管，覆管為1060純鋁管?；芘c覆管的規(guī)格見表1，Q235鋼和1060純鋁的基本力學(xué)性能見表2。鋁管經(jīng)完全去應(yīng)力熱處理，Q235鋼管經(jīng)固溶穩(wěn)定化熱處理?；?、覆管均經(jīng)機(jī)械拋光，并用7%的稀鹽酸對待結(jié)合表面進(jìn)行了處理，除去各種表面缺陷，得到潔凈的待結(jié)合表面[12]。試驗(yàn)所用爆炸纖維的基本參數(shù)如表3所示。

表1 材料的規(guī)格Table 1 Specifications of materials

表2 材料的主要力學(xué)性能Table 2 Main mechanical properties of materials

表3 爆炸纖維的規(guī)格和成分Table 3 Specifications and component of the metal detonating cord

2.2 爆炸脹接裝置、工藝

以鋼管為基管，鋁管為覆管，制備鋁/鋼復(fù)合管的爆炸脹接裝置如圖1所示。試驗(yàn)時，依次將鋁管、鋼管以及爆炸纖維放入下定位基座，對鋁管、鋼管與定位基座進(jìn)行密封處理，使水無法進(jìn)入鋼管與鋁管所形成的縫隙中，縫隙上部與空氣接觸。各部分安裝正確以后從底部起爆,這樣有利于縫隙中的空氣從上出口排出。爆炸纖維被雷管引爆后產(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[13]，使得鋁管瞬間變形膨脹，直徑增大。當(dāng)鋁管外徑擴(kuò)大到與鋼管內(nèi)徑相同時，鋁管與鋼管發(fā)生強(qiáng)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、鋼管會整體塑性變形。其爆炸脹接原理示意圖見圖2。

圖1 鋁鋼同軸管爆炸脹接裝置圖Fig.1 Setup of Al/Steel explosive expanded composite pipe device

圖2 爆炸脹接原理示意圖Fig.2 Schematic diagram of explosive expansion

試驗(yàn)所得鋁/鋼復(fù)合管如圖3和圖4所示，經(jīng)超聲波探傷檢測得到，鋁/鋼復(fù)合管的貼合率達(dá)到100%，徑向形變率為0.65%，彎曲度為0.12%。

圖3 復(fù)合管截面圖Fig.3 Cross section of composite pipe

圖4 復(fù)合管剖面圖Fig.4 Vertical section of composite pipe

3 取樣分析實(shí)驗(yàn)

3.1 結(jié)合強(qiáng)度測試

從爆炸脹接得到的鋁/鋼復(fù)合管上截取長徑比為1∶1的試樣，在809Axial/Torsional Test System上進(jìn)行壓剪實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)裝置示意圖見圖5。實(shí)驗(yàn)得到了位移-力曲線，如圖6所示。

圖5 壓剪測試裝置示意圖Fig.5 Setup of compression-shear experiment

圖6 位移-力曲線Fig.6 Displacement-force curve

3.2 微觀形貌觀察

圖7 復(fù)合管界面的微觀形貌Fig.7 Micro-morphology of composite pipe’s interface

從鋁/鋼復(fù)合管中部截取長度為10 mm的試樣，經(jīng)打磨拋光和稀鹽酸腐蝕后得到的金相圖如圖7所示。由圖7可以看出，界面發(fā)生了鋁層與鋼層的相互擴(kuò)散現(xiàn)象，其結(jié)合界面主要為平直界面，未出現(xiàn)過熔現(xiàn)象[14]。

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

從圖6可以看出，壓力峰值為13 111 N，但其并不能作為計算結(jié)合強(qiáng)度的有效壓脫力。其壓剪過程可做如下解釋：隨著壓力的增加，鋁層在A-B階段軸向被壓縮，徑向形變增加，從而導(dǎo)致結(jié)合力的突變。鋁層在B處被壓脫，B點(diǎn)可作為計算結(jié)合強(qiáng)度的有效壓脫力值。B-D階段隨著位移少量的增加，接觸面積減少，壓力逐漸減小。過了D點(diǎn)之后，隨著接觸面積的減少，鋁層對鋼層的支撐力下降，處于彈性變形的鋼層發(fā)生了收縮，其收縮所帶來的壓力增值大于因面積減少而引起的壓力下降值，因此出現(xiàn)了D-E的壓力上升階段

復(fù)合管的剪切強(qiáng)度可通過公式(1)計算得到

(1)

式中：F為有效壓脫力，d和L分別為結(jié)合面的直徑和試樣長度。由圖6可知，F(xiàn)=12 478 N，代入(1)式計算可得，鋁/鋼復(fù)合管的結(jié)合強(qiáng)度τ=3.27 MPa，遠(yuǎn)高于CJ/T192-2004和SY/T6623中所規(guī)定的最小為0.2和0.5 MPa的標(biāo)準(zhǔn)；另一方面，鋁/鋼復(fù)合管的位移-力曲線呈現(xiàn)出一般單一性質(zhì)材料所具備的特征，包括彈性階段、屈服階段和強(qiáng)化階段。這些特征說明復(fù)合管界面結(jié)合較好。

4 結(jié) 論

(1) 爆炸脹接方法以高爆速的爆炸纖維為能源，利用水作為傳壓介質(zhì)。利用該方法炸藥的使用量較傳統(tǒng)的爆炸焊接方法降低了一個數(shù)量級，并且以沖擊波的形式釋放到空間的能量大大降低，爆炸產(chǎn)生的噪音小，炸藥爆炸的能量利用率高，節(jié)能減排，有利于環(huán)境保護(hù)。

(2) 通過對1060鋁和Q235鋼進(jìn)行爆炸脹接試驗(yàn)得到了鋁/鋼復(fù)合管，超聲波探傷檢測表明，復(fù)合管的貼合率達(dá)到100%，徑向形變率僅為0.65%，彎曲度為0.12%，變形很小。

(3) 通過結(jié)合強(qiáng)度測試得到，在本試驗(yàn)條件下，鋁/鋼復(fù)合管的結(jié)合強(qiáng)度為3.27 MPa，雖然遠(yuǎn)低于爆炸焊接結(jié)合強(qiáng)度，但是遠(yuǎn)高于CJ/T192-2004標(biāo)準(zhǔn)和SY/T6623標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的0.2和0.5 MPa。其位移-力曲線具有單一性質(zhì)材料的某些特征。

(4) 微觀形貌圖顯示，復(fù)合管界面發(fā)生了鋁層與鋼層的相互擴(kuò)散現(xiàn)象，未出現(xiàn)局部過熔現(xiàn)象，界面結(jié)合良好。

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