鋁-鋼同軸管水封爆炸脹接撞擊壓力的研究

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

(1. 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)近代力學(xué)系, 安徽 合肥 230027; 2. 北京理工大學(xué)爆炸重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(shè)計(jì)思路是基管滿足管道的強(qiáng)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(fù)合制備出兼具優(yōu)良的力學(xué)性能和耐腐蝕性能的鋁-鋼復(fù)合管[3-4]; 若對(duì)鋁層進(jìn)一步氧化,可以制備具有優(yōu)異的耐磨損性能的復(fù)合材料[5],應(yīng)用于城市公用管道、石油行業(yè)、化工系統(tǒng)、核設(shè)施以及航空航天等領(lǐng)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(dǎo)爆索的傳爆原理,得到了一種抗干擾性強(qiáng)的金屬導(dǎo)爆索[9]。該導(dǎo)爆索具有優(yōu)異的防水特性,故課題組對(duì)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(zhì),爆炸脹接得到鋁-鋼復(fù)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(shí)初始沖擊波壓力約為70 MPa,而在水中爆炸時(shí),約為15 GPa[10],僅從初始沖擊波來(lái)看能量利用率提高了21倍,在達(dá)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(duì)于均勻裝藥的爆炸脹接實(shí)驗(yàn),爆轟結(jié)束端復(fù)合管會(huì)出現(xiàn)開裂現(xiàn)象。分析認(rèn)為這是由于結(jié)合區(qū)塑性變形超過了金屬的動(dòng)態(tài)屈服極限,從而引起了破壞。結(jié)合區(qū)塑性變形金屬的動(dòng)態(tài)屈服強(qiáng)度問題,實(shí)際上是結(jié)合區(qū)的壓力問題。這個(gè)壓力能夠通過一些參數(shù)來(lái)計(jì)算,且理論上也可測(cè)量。然而,國(guó)內(nèi)外有關(guān)結(jié)合區(qū)壓力測(cè)量方面的資料和數(shù)據(jù)尚少。雖然文獻(xiàn)[11]給出了利用沖量的大小來(lái)評(píng)估結(jié)合區(qū)壓力的方法,但對(duì)于管材結(jié)合區(qū)壓力的測(cè)量該方法顯得十分復(fù)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?yán)脺y(cè)得的撞擊壓力來(lái)推斷界面的結(jié)合形式,以期為水封爆炸脹接的研究提供一定指導(dǎo)。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 實(shí)驗(yàn)材料

試驗(yàn)采用的基管為Q235普通無(wú)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(xué)性能見表2。所用鋁管經(jīng)完全去應(yīng)力熱處理,Q235基管經(jīng)固溶穩(wěn)定化熱處理?；?、覆管均經(jīng)機(jī)械拋光,用7%的稀鹽酸進(jìn)行了處理,除去表面缺陷,得到潔凈的待結(jié)合表面[12]。課題組自行設(shè)計(jì)、制造的金屬導(dǎo)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(xué)性能

Table2Main mechanical properties of materials

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

表3金屬導(dǎo)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(jié)構(gòu)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(shí)驗(yàn)過程

2.2.1 水封爆炸脹接實(shí)驗(yàn)

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(shí)驗(yàn)時(shí),按圖2依次將鋁管、鋼管以及金屬導(dǎo)爆索放入下定位基座,對(duì)鋁管、鋼管與定位基座進(jìn)行密封處理,使水無(wú)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。各部分安裝正確后從底部起爆,以利于縫隙中的空氣從上出口排出。金屬導(dǎo)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(dāng)鋁管外徑擴(kuò)大到與鋼管內(nèi)徑相同時(shí),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(huì)整體變形。其爆炸脹接原理示意圖見圖3。為探究所述的復(fù)合管爆轟結(jié)束端開裂現(xiàn)象,本研究進(jìn)行了水封爆炸脹接撞擊壓力的測(cè)試試驗(yàn)。

圖2鋁-鋼同軸管爆炸復(fù)合裝置圖

1,6—水, 2—基管, 3—覆管, 4—金屬導(dǎo)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(fù)合原理示意圖

1—金屬導(dǎo)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(cè)試

為了探究爆轟結(jié)束端開裂現(xiàn)象,利用PVDF壓電薄膜傳感器以3 mm金屬導(dǎo)爆索為脹接炸藥進(jìn)行撞擊壓力測(cè)試,將基管內(nèi)壁進(jìn)行拋光處理,并用酒精清洗2～3遍,試驗(yàn)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(nèi)壁的不同位置上,在環(huán)向方向上呈均勻分布,測(cè)點(diǎn)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(cè)試試驗(yàn)由于貼片位置靠近底端,為減小安裝約束和邊界效應(yīng)的影響,實(shí)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(jìn)入,將整個(gè)待復(fù)合管坯豎直放入盛水容器中,撞擊壓力測(cè)試試驗(yàn)裝置見圖5。主要的測(cè)試設(shè)備為泰克7401示波器。待各裝置、設(shè)備調(diào)試準(zhǔn)備就緒后,從底端起爆,得到了四點(diǎn)的測(cè)量數(shù)據(jù),其中有三點(diǎn)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(cè)試試驗(yàn)裝置

Fig.5Setup of measurement of impact pressure

3 結(jié)果與討論

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

(1)

式中,U為示波器測(cè)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(dǎo)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(shì),與文獻(xiàn)[12]中“從爆轟起始端到結(jié)束端,復(fù)合管的界面附近金屬的塑性畸變有加劇的趨勢(shì)”的結(jié)論相吻合。由于導(dǎo)爆索的長(zhǎng)度遠(yuǎn)超過待復(fù)合管坯的長(zhǎng)度,可消除導(dǎo)爆索不穩(wěn)定爆轟帶來(lái)的影響; 另一方面,由于實(shí)際操作中,使用的是對(duì)稱四點(diǎn)定位片,深入基管、覆管間隙的距離為3 mm,結(jié)構(gòu)的約束、端部的邊界效應(yīng)對(duì)10 mm處的測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)會(huì)產(chǎn)生一定影響,使得測(cè)量值略小于實(shí)際值,但對(duì)于20、30 mm測(cè)點(diǎn)的影響很小。由此兩點(diǎn)可得壓力呈現(xiàn)遞增趨勢(shì)的結(jié)論不變。

圖6三個(gè)有效點(diǎn)壓力時(shí)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(shì),主要是柱狀炸藥爆炸后產(chǎn)生的圓錐臺(tái)狀的斜沖擊波與管壁碰撞后形成的反射波對(duì)后面管壁多次作用的結(jié)果。圖7為沖擊波在管內(nèi)反射過程示意圖,由于金屬導(dǎo)爆索相對(duì)于管徑的尺寸較小。為便于分析,將金屬導(dǎo)爆索簡(jiǎn)化為直線,圓錐臺(tái)狀的沖擊波簡(jiǎn)化為圓錐狀沖擊波。GH為金屬導(dǎo)爆索,GA為已反應(yīng)段。當(dāng)爆轟波傳至A點(diǎn)時(shí),形成了以A點(diǎn)為頂點(diǎn)的圓錐狀沖擊波。波在管內(nèi)的反射過程:AB、AC為入射波波陣面,入射波在B、C兩點(diǎn)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(yùn)動(dòng),易得其運(yùn)動(dòng)方向與入射波A3C3的投射方向相同,由波的獨(dú)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(huì)逐漸積累,并在末端達(dá)到最大。

圖7沖擊波在管內(nèi)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(jì)算可得νp為52.57 m·s-1。由爆炸焊接界面的結(jié)合機(jī)理[16]可知,界面熔化是塑性變形的一種極端形式,當(dāng)碰撞速度為400 m·s-1時(shí),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(yuǎn)低于100 ℃。由文獻(xiàn)[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(fù)和多邊形化,繼續(xù)加熱使其達(dá)到一定高溫,則形變金屬進(jìn)行再結(jié)晶直至晶粒長(zhǎng)大。形變金屬再結(jié)晶需要的溫度約為700 ℃。由此可知,在此試驗(yàn)條件下得到的鋁-鋼復(fù)合管不會(huì)發(fā)生界面熔化現(xiàn)象,其結(jié)合主要以金屬間塑

圖8結(jié)合界面金相照片

Fig.8Metallographic photos of combined interface

性變形結(jié)合即直接結(jié)合為主。圖8為鋁-鋼復(fù)合管結(jié)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(jié)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(cè)試推斷出的界面結(jié)合形式相吻合。

4 結(jié) 論

利用PVDF壓電薄膜傳感器測(cè)試鋁-鋼同軸管的水封內(nèi)爆炸脹接撞擊壓力是一種經(jīng)濟(jì)有效的方式; 得出復(fù)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(shì); 由測(cè)得的壓力平均值推算出復(fù)合管界面結(jié)合形式主要以金屬間塑性變形結(jié)合即直接結(jié)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(jì)可測(cè)范圍內(nèi)利用撞擊壓力來(lái)推測(cè)爆炸脹接管界面結(jié)合形式是可靠的。

參考文獻(xiàn):

[1] 鄭遠(yuǎn)謀.爆炸焊接和爆炸復(fù)合材料的原理及應(yīng)用[M]. 長(zhǎng)沙:中南大學(xué)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(xùn)忠. 陶杰, 孫顯俊,等. 爆炸焊接316L不銹鋼/Al復(fù)合管的界面及性能研究[J].南京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào), 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(dǎo)爆索傳爆原理及應(yīng)用的研究[J]. 中國(guó)工程科學(xué), 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(yáng). 爆炸力學(xué)[M]. 國(guó)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(yuǎn)謀. 爆炸焊接和爆炸復(fù)合材料的原理及應(yīng)用[M].長(zhǎng)沙: 中南大學(xué)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(zhēng)顯, 等. 內(nèi)爆炸法制備鋁/不銹鋼細(xì)長(zhǎng)雙金屬?gòu)?fù)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(qiáng), 沈兆武, 馬宏昊. PVDF壓力測(cè)量特性與水下爆炸近場(chǎng)多孔金屬夾芯板動(dòng)力響應(yīng)的研究[D]. 合肥: 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué),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(zhǎng)沙:國(guó)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(zhǎng)根, 王耀華, 周春華. 爆炸焊接壓力焊機(jī)理研究[J]. 解放軍理工大學(xué)學(xué)報(bào), 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(guó)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.