一種平板狀爆炸焊接用炸藥?

朱福元 郭子如 張仲一 吳衛(wèi)明 何志偉

①淮南舜泰化工有限公司(安徽淮南，232046)

②安徽理工大學化學工程學院(安徽淮南，232001)

引言

爆炸焊接是一種將炸藥爆炸產(chǎn)生的能量作為能源，使同種或者異種材料發(fā)生高速碰撞，而形成金屬間冶金結合的金屬加工技術[1]。 利用爆炸焊接法制備的金屬復合材料具備獨特的功能性以及可加工性，已廣泛地應用于多個領域[2-3]。

爆炸焊接對于其所用炸藥有著特殊的要求，所用炸藥須為易于攤鋪、易于布藥的低爆速炸藥[4]。因此，國內外的許多學者都對爆炸焊接用炸藥進行了研究。 Silvestrov 等[5]把直徑 58 μm、密度為 0.15 g/cm3的中空玻璃微球加入到乳膠基質中，制得低爆速的乳化炸藥，炸藥的密度在0.5 ～1.0 g/cm3之間，爆速在 2 000 ～ 3 000 m/s 之間。 Maranda 等[6]使用硝酸銨和鋁粉混合物，外加玻璃微球或脲醛樹脂泡沫球制得含鋁硝酸銨炸藥，根據(jù)各組分配比不同，炸藥密度在0.5 ～0.9 g/cm3之間，爆速在1 100～1 600 m/s 之間。

安立昌[7]在2?？顾畮r石硝銨炸藥中加入消焰劑、密度調節(jié)劑，制出符合爆炸焊接用的炸藥，其密度為 0.8 g/cm3時，爆速在 1 900 ～ 2 200 m/s 之間。王勇等[8]將工業(yè)食鹽與玻璃微珠以不同的質量比混合為混合稀釋劑，并與膨化銨油炸藥混合，得到爆炸焊接專用的混合膨化銨油炸藥，用含35%(質量分數(shù))稀釋劑的混合膨化銨油炸藥(密度0. 7 g/cm3、爆速 2 600 m/s)對 SS304 不銹鋼和 16MnR 進行了爆炸焊接試驗，焊接質量良好。

上述研究都是通過向原始炸藥中加入各種添加劑以調整炸藥性能，使之滿足爆炸焊接的要求。

爆炸焊接除了對于炸藥的性能有著獨特的要求外，還需要所用炸藥易于攤鋪。 板狀炸藥的尺寸由于是事先裁剪好的，所以不會出現(xiàn)攤鋪不均勻的情況。 若能將炸藥制成柔性平板狀，可以較為方便地進行薄覆板的爆炸焊接。 本文中，研究了一種低密度柔性平板狀炸藥，以期能夠應用在薄板的爆炸焊接中。

1 薄板爆炸焊接對炸藥性能的要求

目前，對于超薄板材和脆性板材的爆炸焊接研究大多是采用水下爆炸焊接方法。 Manikandan等[9]利用水下爆炸焊接法進行鎢箔與銅板的焊接，試驗設置的鎢箔厚度為0. 1 ～0. 5 mm，銅板為3 mm，當鎢箔厚度為0.5 mm 時，獲得了良好的焊接結果。 Narayan 等[10]在一個浸水的容器內利用水下爆炸焊接進行錫與銅的爆炸焊接，錫板和銅板的厚度均為0.5 mm，焊接質量良好。

在炸藥的爆炸過程中，爆炸產(chǎn)物的初始壓力可以表示為[11]

式中:ρ0為炸藥的初始裝藥密度；D為炸藥爆速；γ為多方指數(shù)。

炸藥密度越低，其爆轟壓力也就越低，這樣就減少了炸藥爆炸對于薄覆板的破壞和毀傷。 除了炸藥爆轟對薄覆板的破壞以外，普通密度(如0.7 ～1.2 g/m3)的低爆速炸藥實際是不可能進行薄覆板的焊接。 因為在爆炸焊接過程中，覆板與基板的碰撞速度是一個非常重要的參數(shù)，研究爆炸焊接中炸藥爆轟驅動覆板運動速度的一維計算公式格尼(Gurney)公式[12]和Aziz 一維平板運動公式[13]可以發(fā)現(xiàn)，二者均可以表達為炸藥爆速和單位面積上炸藥與覆板的質量比R的函數(shù)，其形式為

式中:vp為覆板的碰撞速度；D為炸藥爆速。

根據(jù)爆炸焊接窗口理論，爆炸焊接的順利完成要求覆板的運動速度必須處于爆炸焊接碰撞速度的下限和上限之間。 又由文獻[14]可以知道，為了獲得更好的微波狀焊接結合界面，需要盡量地減小碰撞速度vp，也就是當炸藥爆轟驅動覆板運動速度等于爆炸焊接碰撞速度的下限時，可以得到更好的焊接效果。

單金屬或兩種相似金屬爆炸焊接碰撞速度下限計算公式[15]為

式中:σb為金屬材料的極限抗拉強度，Pa；ρ為金屬材料的密度，kg/m3。

將式(2)與式(3)聯(lián)立起來，得

在炸藥的爆速與基、覆板參數(shù)確定的情況下，可以得出一個最小的質量比Rmin，即為最小裝藥質量比，也是最佳的裝藥質量比。

在確定最佳質量比的條件下分析薄板的爆炸焊接。Rmin是單位面積上的最佳布藥質量與覆板質量的比值，在覆板厚度變小的同時，由于Rmin確定，覆板上布藥的厚度或者炸藥密度需要降低。 對于一定品種的炸藥，藥厚的最小值即為該種炸藥能夠發(fā)生穩(wěn)定爆轟的臨界厚度。 若藥厚小于臨界厚度，則炸藥不能正常起爆。 炸藥的厚度受到該種炸藥臨界厚度的約束，不能無限制地減小。 若所用炸藥的密度低，單位面積的炸藥質量也就更低，也就對應著更小的覆板厚度。 因此，低密度炸藥用于薄板的爆炸焊接，既可降低對薄的覆板的毀傷，不需要采用繁瑣的水下法進行焊接，又可以實現(xiàn)薄覆板的爆炸焊接。

2 新型柔性平板狀炸藥的制備

2.1 乳化基質的配方設計

根據(jù)零氧平衡來進行炸藥配方設計[16-17]。 原材料為硝酸銨、硝酸鈉、尿素、水、機油和 Span80。對于有多種組分的混合炸藥，其氧平衡COB計算式[18]如下:

式中:hi為混合炸藥中各組分的氧平衡；Hi為混合炸藥中各組分的質量分數(shù)。

采用一種零氧平衡的乳膠基質配方，按照m(硝酸銨)∶m(硝酸鈉)∶m(尿素)∶m(水)∶m(機油)∶m(Span80) =72.1∶10.0∶1.0∶11.0∶3.9∶2.0 配置乳膠基質。 乳膠基質的制備流程如圖1 所示。

2.2 柔性平板狀炸藥的制備

由圖1 所示的步驟制備得到乳化基質。 將乳化基質與泡沫樹脂混合，得到一種如圖2 所示的柔性平板狀炸藥。

圖1 乳膠基質制備流程圖Fig.1 Preparation process of emulsion matrix

圖2 柔性平板狀炸藥Fig.2 Flexible plate explosive

嘗試了5 種乳化基質與泡沫樹脂的質量比制備柔性平板狀炸藥，每種配方下炸藥的密度如見表1。

表1 5 種配方下炸藥的密度Tab.1 Density of five explosives

3 性能測試及分析

3.1 臨界厚度

柱狀炸藥爆轟存在直徑效應，最小可爆轟直徑就是臨界直徑。 類似地，對于平板裝藥也存在著臨界厚度[19]。 試驗中，在炸藥樣品下方墊上一塊鋁板后引爆炸藥樣品。 若炸藥可以正常爆轟，則會在下方的鋁板上留下痕跡。 通過改變炸藥樣品的厚度，觀察該厚度下炸藥樣品能否正常爆轟，即可確定該炸藥的臨界厚度。 選取密度為0.23 g/cm3和0.19 g/cm3的炸藥樣品來進行臨界厚度的試驗，制備的炸藥樣品長、寬分別為200、100 mm，厚度有16、17、18 mm 3 種，每種厚度及密度的炸藥樣品進行3 次試驗。 不同厚度炸藥樣品爆轟情況的試驗結果如表2 所示。

表2 不同厚度及密度的平板狀炸藥爆轟情況Tab.2 Detonation behavior of flat explosive with different thickness and density

墊板上的炸藥爆炸后，產(chǎn)生高壓，墊板背部與鋼制底座上的沙土相互擠壓摩擦會產(chǎn)生明顯的壓痕，壓痕如圖3 所示。

圖3 墊板上的壓痕Fig.3 Indentation on the plate

若墊板上有明顯的壓痕，壓痕長度與墊板上炸藥樣品長度相近，則可以證明該炸藥在此種密度和厚度的條件下可以完全爆轟。

由表2 可以看出，炸藥厚度為18 mm 時能夠穩(wěn)定爆轟，所以初步判斷，此種柔性平板狀炸藥的臨界厚度為18 mm。

3.2 臨界密度

炸藥的臨界密度是指在一定的條件下炸藥能夠穩(wěn)定爆轟的最小密度[20]，判定是否爆轟的方法同3.1。 選擇炸藥樣品的厚度為20 mm，長、寬同樣選擇為200、100 mm，每種密度的炸藥樣品試驗3 次，試驗結果見表3。

表3 柔性平板狀炸藥臨界密度測試Tab.3 Critical density test of flexible flat explosive

由表3 可以看出，該柔性平板狀炸藥的臨界密度約為0.17 g/cm3。

3.3 爆速

采用爆速儀測定炸藥的爆速，實驗中選用炸藥樣品的長、寬分別為500、100 mm，厚度為20 mm。 測試不同密度炸藥樣品的爆速，結果見表4。

表4 炸藥爆速測試結果Tab.4 Test results of detonation velocity

根據(jù)表4 試驗結果可以看出:該柔性板狀炸藥在臨界密度時的爆速約為1 678 m/s；隨著密度的增加，爆速增加；當密度為0.20 g/cm3時，爆速約為2 100 m/s；在密度為0.23 g/cm3時，爆速約為2 149 m/s。 依據(jù)爆炸焊接的理論和技術[4]，此爆速范圍能夠適用于大部分金屬的爆炸焊接。

以炸藥密度為0.20 g/cm3的樣本為例，對該種柔性平板狀炸藥的爆炸參數(shù)進行理論計算。 利用蓋斯定律計算炸藥爆熱；利用卡姆萊特公式計算爆速和爆壓；利用卡斯特熱容法計算爆溫；利用約翰遜的威力擺經(jīng)驗公式[21]計算炸藥的做功能力。 理論計算的結果見表5。

表5 柔性平板炸藥爆炸參數(shù)理論計算值Tab.5 Theoretical calculation of explosive parameters of flexible flat explosive

3.4 薄板焊接厚度分析

為了能研制出一種適用于用傳統(tǒng)方法進行薄板焊接的炸藥，選擇密度較低的泡沫樹脂為載體，與配置好的乳化基質進行物理混合，得到密度為0.17 ～0.23 g/cm3的低密度柔性平板狀炸藥。 經(jīng)上述試驗，確定炸藥的臨界密度為0.17 g/cm3，臨界厚度為18 mm，在該密度和厚度的條件下，炸藥能夠完全爆轟。 對于幾種常見金屬間(如鋁-鋼、鈦-鋼、銅-鋼)的爆炸焊接，根據(jù)金屬板材的材料特性參數(shù)以及炸藥性能參數(shù)，利用上述方法可以計算得到這幾種常見金屬的爆炸焊接覆板，最小厚度約在1.0 mm。 而普通的低爆速炸藥，若密度為0.6 g/m3，臨界厚度為20 mm，覆板可焊接最小厚度為1. 5 mm 以上。相比之下，采用平板狀炸藥，可以焊接更薄的覆板。

4 結論

1)將硝酸銨、硝酸鈉、尿素、水、機油、Span80 等乳化后與泡沫樹脂物理混合，得到一種柔性平板狀炸藥。

2)柔性平板狀炸藥的臨界密度為0.17 g/cm3，臨界厚度為18 mm；柔性平板狀炸藥在0.17 g/cm3時的爆速約為1 678 m/s，在0.20 g/cm3時的爆速約為2 100 m/s。

3)理論分析表明，該柔性平板狀炸藥在薄板的爆炸焊接中有其優(yōu)勢。