雙層爆炸復(fù)合中覆板最小可焊厚度的分析

張仲一，郭子如，周佐玉，王自軍，方中華，魏善太，何志偉，劉 偉

(1.安徽理工大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院，安徽 淮南232001；2.湖北金蘭特種金屬材料有限公司，湖北 赤壁 437300；3.安徽江南化工股份有限公司,合肥 230022)

爆炸焊接亦稱(chēng)爆炸復(fù)合，是一種利用炸藥爆炸產(chǎn)生的能量，使同種或者異種材料發(fā)生高速斜碰撞，形成金屬間冶金結(jié)合的高能加工技術(shù)，由爆炸焊接法制備的金屬?gòu)?fù)合材料由于其具備獨(dú)特的功能性以及可加工性，已得到廣泛地應(yīng)用[1-2]。在爆炸焊接使用炸藥方面，吳衛(wèi)明等[3]對(duì)爆炸焊接所使用炸藥的性能進(jìn)行了探討，結(jié)合“爆炸焊接窗口”以及工程實(shí)例對(duì)用于爆炸焊接的炸藥爆速、密度、爆轟狀態(tài)等參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，得到了爆炸焊接中炸藥爆速的上、下限，密度的取值范圍以及提高炸藥能量利用率的途徑。侯國(guó)亭等[4]研究了爆炸焊接機(jī)理，提出了“脈沖熔池壓力焊”界面成波的觀點(diǎn)，認(rèn)為爆炸焊接結(jié)合界面波是由射流沖刷的脈沖熔池和爆轟荷載共同作用的結(jié)果。閆建文等[5]應(yīng)用AUTODYN非線(xiàn)性顯式動(dòng)力學(xué)分析軟件，模擬了基、覆板爆炸焊接復(fù)合過(guò)程，得到了不同炸藥量下爆炸焊接過(guò)程中的壓力時(shí)程，結(jié)合理論公式，分析炸藥量、爆轟荷載、碰撞速度和界面波之間的關(guān)系，及炸藥量對(duì)爆炸焊接界面波的影響。

目前，薄或脆性復(fù)合材料的應(yīng)用越來(lái)越多，特別是一些特殊的裝置或者精密的設(shè)備，如何便捷而又有效地實(shí)現(xiàn)這類(lèi)復(fù)合材料的爆炸焊接亦是目前需要考慮的問(wèn)題。因此，在實(shí)際的爆炸焊接過(guò)程中，覆板的最小可焊厚度也是爆炸焊接實(shí)踐中需要考慮的一個(gè)問(wèn)題，筆者針對(duì)這一問(wèn)題予以了分析。

1 爆炸焊接用炸藥

1)爆炸焊接對(duì)其所用炸藥的爆炸性能有著特殊要求，由于需要在復(fù)板上布置炸藥，所以要求爆炸焊接用炸藥具有易于攤鋪、布藥的特點(diǎn)，根據(jù)“爆炸焊接窗口”理論，所用炸藥應(yīng)為低爆速炸藥，炸藥的爆速一般在2 000 m/s左右[6]。

2)炸藥布藥量是爆炸焊接的一個(gè)非常重要的初始參數(shù)，在其他條件都確定的情況下，由于布藥量的大小決定著布藥厚度，所以它在某種程度上也影響著炸藥的爆速vd，與此同時(shí)，隨著布藥量的增大，爆炸載荷以及基覆板的碰撞速度vp當(dāng)然也會(huì)隨之增大。

3)爆炸焊接基覆板的結(jié)合界面一般分為3種：即大波狀結(jié)合界面、小波狀結(jié)合界面以及微波狀結(jié)合界面。大波狀結(jié)合界面波高100～150 μm，波長(zhǎng)一般在300 μm左右，結(jié)合界面有比較寬的過(guò)渡區(qū)域(約30 μm左右)并有縫隙存在；小波狀結(jié)合界面類(lèi)似于大波狀結(jié)合界面，波高約為50 μm，波長(zhǎng)約100～150 μm，縫隙稍??；微波狀結(jié)合界面幾乎看不到分界面，可以認(rèn)為這類(lèi)結(jié)合界面為完全焊合。大波狀結(jié)合界面并不是最佳的結(jié)合界面，小波狀結(jié)合和微波狀結(jié)合界面才是高質(zhì)量的結(jié)合界面[7]。

爆炸焊接結(jié)合界面到底是屬于哪一種波型是根據(jù)波長(zhǎng)λ來(lái)劃分的，通常對(duì)于波長(zhǎng)λ的計(jì)算可采用如下的公式[8]：

(1)

式中：vp為基覆板的碰撞速度；d為覆板厚度；c為覆板金屬的體積聲速；vc為碰撞點(diǎn)移動(dòng)速度，在平行法爆炸焊接系統(tǒng)中也即炸藥的爆速vd。

由式(1)可知，對(duì)于確定的爆炸焊接系統(tǒng)，炸藥爆速及板材種類(lèi)及厚度是確定的，基覆板碰撞速度vp能很大程度上影響波長(zhǎng)λ，在爆炸焊接可焊窗口之內(nèi)，碰撞速度越小，則結(jié)合界面的波長(zhǎng)越小越趨近于微波狀結(jié)合界面，結(jié)合質(zhì)量也就越高。

傳統(tǒng)的“爆炸焊接窗口”理論是目前爆炸焊接中用來(lái)確定動(dòng)態(tài)參數(shù)的基本方法，不過(guò)“爆炸焊接窗口”只說(shuō)明了在什么情況下“可焊”，而沒(méi)有考慮到如何達(dá)到最佳的焊接效果。由式(1)可知，想要讓爆炸焊接結(jié)合界面是以微波狀結(jié)合，則需要減小碰撞速度vp。所以當(dāng)取可焊性窗口下限來(lái)確定炸藥布藥量時(shí)，有利于獲得高質(zhì)量的微波狀結(jié)合界面[9]。

4)柱狀炸藥爆轟存在直徑效應(yīng)，最小可爆轟直徑就是臨界直徑，類(lèi)似地，對(duì)于平板裝藥存在著臨界厚度[10]。對(duì)于普通雷管敏感的工業(yè)炸藥而言，其臨界厚度一般為20 mm[11]。爆炸焊接所用的是低爆速炸藥，爆炸焊接炸藥的種類(lèi)一般是銨油炸藥、粉狀乳化炸藥以及加入膨松性、多孔狀物質(zhì)為密度調(diào)節(jié)添加劑的低爆速乳化炸藥。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)定，某些爆炸焊接用銨油炸藥、粉狀乳化炸藥以及加入膨松性孔狀物質(zhì)為敏化劑和添加劑的低爆速乳化炸藥的臨界厚度[10,12-13]如表1所示。

表1 幾種常用爆炸焊接炸藥臨界厚度Table 1 Critical thickness of several commonly used explosive welding explosives

2 覆板最小可焊厚度

2.1 理論分析

根據(jù)Aziz一維平板爆轟驅(qū)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)公式[14]

(2)

式中：vd為炸藥爆速；R為單位面積炸藥與覆板的質(zhì)量比。根據(jù)式(2)可以看出影響碰撞速度的主要因素就是質(zhì)量比R，對(duì)于Aziz公式建立數(shù)學(xué)模型并對(duì)R進(jìn)行求導(dǎo)得

(3)

可以發(fā)現(xiàn)vp的導(dǎo)函數(shù)(對(duì)R求導(dǎo))是恒大于零的，所以碰撞速度vp是關(guān)于質(zhì)量比的單調(diào)增函數(shù)，即R減小，vp減小，反之R增大，vp增大。

1.1 試驗(yàn)試劑 硝酸銀(AgNO3)、二水合檸檬酸三鈉(C6H5Na3O7·2H2O)、氯化鈉(NaCl)、三羥甲基氨基甲烷(Tris)均為分析純，購(gòu)買(mǎi)于江蘇強(qiáng)盛功能化工股份有限公司；BPA及其類(lèi)似物，分析純，購(gòu)買(mǎi)于上海百靈威科技；試驗(yàn)用水均為超純水。BPA核酸適配子ssDNA，其序列為5’-CCGGTGGGTGGTCAGGTGGGATAGCGTTCCGCGTATGGCCCAGCGCATCACGGGTTCGCACCA-3’，購(gòu)買(mǎi)于上海生工公司。

對(duì)于可焊性窗口下限也即碰撞速度下限，采用下述公式計(jì)算。單金屬或2種相似金屬爆炸焊接產(chǎn)生射流的最小碰撞速度為[15]

(4)

式中：σb為金屬材料的極限抗拉強(qiáng)度，Pa；ρ為金屬材料的密度，kg/m3。

由于維氏硬度HV與材料的極限抗拉強(qiáng)度成線(xiàn)性關(guān)系，所以式(4)可以變換為

(5)

式中：HV為維氏硬度；ρ為金屬材料的密度；KC為系數(shù)，一般取0.6～1.2。

根據(jù)上述分析，為了得到高質(zhì)量的微波狀界面，令

(6)

由此得到的質(zhì)量比Rmin即為最佳的裝藥質(zhì)量比，也是最小裝藥質(zhì)量比。根據(jù)Rmin分析覆板的最小可焊厚度，由于Rmin是單位面積上的最佳布藥量與覆板質(zhì)量的比值，覆板厚度理論上可以無(wú)限減小，為了保持比值不變，覆板上布藥厚度也要不斷減小或者炸藥密度需要降低。對(duì)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，以此來(lái)確定理論上的覆板最小可焊厚度。

2.2 應(yīng)用計(jì)算及分析

以不銹鋼—鋼的爆炸焊接為例，采用表1的炸藥，根據(jù)式(6)來(lái)計(jì)算理論上的覆板最小可焊厚度，相關(guān)金屬板材的材料特性參數(shù)如表2所示。

表2 不銹鋼-鋼的材料特性參數(shù)Table 2 Stainless steel-steel material characteristics parameters

表3 不銹鋼-鋼覆板最小可焊理論厚度Table 3 Minimum thickness of flyer plate in stainless steel-steel explosive welding

由理論計(jì)算結(jié)果可知：一般不銹鋼-鋼爆炸焊接的覆板理論最小可焊厚度是很小的，約在1.5 mm左右。

式(3)是同種金屬或者相似金屬的下限計(jì)算公式，而不同種金屬(雙金屬)的爆炸焊接下限計(jì)算不同于單金屬或2種相似金屬的計(jì)算。在雙金屬爆炸焊接中，只有2種金屬同時(shí)產(chǎn)生射流才可能發(fā)生焊接，因此碰撞壓力必須達(dá)到2種金屬中較高的可焊碰撞壓力。因此要根據(jù)式(7)、式(8)先計(jì)算出單金屬產(chǎn)生射流的最小碰撞速度，然后計(jì)算出單金屬的最小可焊壓力，取兩者間較大者作為雙金屬焊接的最小可焊壓力。

(7)

(8)

式中：C0為材料聲速；ρ為材料密度；λ為線(xiàn)性系數(shù)，鋁取1.34，鋼取0.454,銅取1.51，鈦取1.146[16]，處理后得出雙金屬的碰撞速度下限為[15]

(9)

對(duì)鋁-鋼、鈦-鋼、銅-鋼的碰撞速度下限進(jìn)行計(jì)算，幾種金屬的材料特性參數(shù)如表4所示。

表4 金屬板材的材料特性參數(shù)Table 4 Material characteristic parameters of sheet metal

由表4的參數(shù)及式(4)、式(7)、式(8)、式(9)可以計(jì)算得出鋁-鋼、鈦-鋼、銅-鋼的碰撞速度下限，之后按照與不銹鋼-鋼復(fù)合板同樣的計(jì)算方法先計(jì)算出最小質(zhì)量比R，之后得出覆板的理論最下可焊厚度，計(jì)算得到鋁-鋼、鈦-鋼、銅-鋼復(fù)合板的碰撞速度下限分別為453、356、274 m/s，對(duì)于表1的3種炸藥，計(jì)算得出的質(zhì)量比R和覆板最小厚度如表5所示。

表5 3種復(fù)合板的覆板理論最小可焊厚度Table 5 Minimum thickness of flyer plate of three kinds of coosite board

由表5可以看出鋁-鋼、鈦-鋼、銅-鋼爆炸焊接覆板的最小可焊厚度分別在2.5、2.0、1.5 mm上下，整體上的差異并不大。

為了能夠焊接很薄的覆板，在爆炸焊接實(shí)踐中，采用在覆板上方放置水袋、水箱等方法來(lái)實(shí)現(xiàn)薄板爆炸焊接[17]。但是若采用更低密度的炸藥，則可以不采用這種麻煩的焊接工藝。吳衛(wèi)明等[18-19]研究設(shè)計(jì)了一種低密度的柔性平板狀炸藥，利用多孔性物質(zhì)和乳化液進(jìn)行物理混合，所得炸藥密度可以低至0.2 g/cm3，臨界厚度為20 mm，此時(shí)爆速為2 079 m/s，滿(mǎn)足爆炸焊接的要求。根據(jù)以上的分析和方法可以計(jì)算出上述幾種常見(jiàn)金屬的爆炸焊接覆板最小厚度約在1 mm。因此，這種低密度炸藥可以實(shí)現(xiàn)更小厚度的薄板焊接。

3 結(jié)論

1)利用爆炸焊接碰撞速度下限確定布藥量有利于得到高質(zhì)量的微波狀焊接結(jié)合界面。

2)利用爆炸焊接碰撞速度下限和覆板的一維平板運(yùn)動(dòng)公式可以估算覆板的理論最小可焊厚度。計(jì)算得出在不銹鋼-鋼爆炸焊接中這一值為1.5 mm左右，鋁-鋼、鈦-鋼、銅-鋼爆炸焊接覆板的最小可焊厚度分別在2.5、2.0、1.5 mm左右。

3)焊接更薄的覆板，可采用更低密度的炸藥來(lái)實(shí)現(xiàn)。