鈦-鋼板爆炸焊接的影響因素及炸藥配方

卞 超， 王鳳英， 卜杉杉， 楊曉波， 燕 翔

(中北大學 化工與環境學院， 太原 030051)

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鈦-鋼板爆炸焊接的影響因素及炸藥配方

卞 超， 王鳳英， 卜杉杉， 楊曉波， 燕 翔

(中北大學 化工與環境學院， 太原 030051)

摘要：爆炸復合用炸藥是影響爆炸焊接效果的最主要因素，不同的材料和工藝參數對炸藥的爆速、比沖量和能量有不同的影響，其中炸藥的密度直接影響復板斜碰撞基板的速度和角度。選用低合金高強度結構鋼Q345B和工業純鈦TA2為實驗材料，通過理論計算與實驗研究，得到了一種較為適合鈦-鋼板爆炸焊接用的炸藥配方，并對鈦-鋼爆炸焊接影響因素進行了探討。

關鍵詞：爆炸焊接； 基板； 復板； 爆轟參數； 炸藥配方； 鈦-鋼板

1引 言

隨著我國經濟建設的快速發展，新材料的應用已成為國民經濟發展的重要影響因素。為了滿足工業需要，材料的性能也在不斷的更新優化。爆炸復合材料是近幾年新興的特殊功能材料，它綜合多種材料的優點同時又克服了單一材料功能的不足，因此得到了廣泛應用。力學性能測試結果表明，復合材料界面的抗拉強度和剪切強度均介于基、復板材料的抗拉強度和剪切強度之間，既符合不同金屬冶金結合的強度規律，又能夠高于基、復板材料本身的抗拉強度和剪切強度。

然而，影響爆炸焊接工藝的因素有很多，焊接材料的類型、屬性以及實驗材料的厚度，實驗所用炸藥的類型、密度和爆速，初始安裝角度，基、復板間隙距離，比裝藥量(單位面積裝藥質量與復板質量的比值)等都會影響到焊接質量。一般針對特定的兩種或多種金屬進行的爆炸焊接工藝參數的研究都是相對唯一的，某一套工藝參數不具有大眾化，它只適用于特定的某些材料，所以爆炸焊接參數問題具有復雜性〔1-2〕。本文通過對爆轟參數的理論研究以及炸藥配方的實驗論證研究各參數對鈦-鋼板爆炸焊接的影響，探究并且優化焊接工藝。

2爆炸焊接實驗

2.1爆炸焊接的影響因素

爆炸焊接參數的選擇是在爆炸焊接實驗和生產實踐中面臨的首要問題，結合界面的外觀形貌、結合強度以及力學性能是由爆炸焊接參數決定的，所以爆炸焊接參數的選擇直接關系到能否焊接成功及焊接質量。爆炸焊接參數主要包括可焊性窗口、碰撞速度和碰撞角。

2.1.1可焊性窗口的確定

可焊接性窗口是爆炸焊接工藝參數的限制窗口，對于平板爆炸焊接，在平行安裝時，炸藥爆速vd與碰撞點移動速度vc相等。在裝藥參數不同的情況下，爆炸復合界面將呈現波狀結合、形成均勻連續的熔化層和金屬與金屬的直接結合三種不同的形態，獲得均勻合理的波狀結合需要滿足一定的碰撞條件。

實現波狀結合的首要條件是要產生金屬射流，而形成射流，碰撞區的壓力要超過材料的動態屈服強度，兩碰撞表面產生塑性流動，并且碰撞點的移動速度要小于材料的體積聲速。當碰撞點移動速度大于臨界碰撞速度時，會形成高強度的波狀結合。臨界速度表達式〔3-5〕：

(1)

式中： Re為雷諾數，取8.6；Hv,f，Hv,b,分別為復板和基板的維氏硬度，Pa；ρf，ρb分別為復板和基板的密度，g/cm3。

對于一般的平行爆炸焊接裝置，可調節的工藝參數基本就是炸藥的品種、炸藥厚度δ0、爆速vd、質量比R、基復板間隙h0等參數，可焊性窗口可以是動態碰撞速度vp和碰撞點移動速度vc坐標下四條曲線構成的區域，也可以是由動態碰撞角和碰撞點移動速度vc坐標下四條曲線構成的區域，圖1是vp-vc爆炸焊接可焊性窗口。

圖1　爆炸焊接可焊性窗口示意圖Fig.1　Explosive weldability window

為了達到塑性變形，在碰撞點的沖擊壓力要超過材料的屈服應力以達到沖擊速度，即可焊性窗口的下限〔6〕。

(2)

式中：最小碰撞點移動速度vc,min和材料維氏硬度Hv呈函數關系； ρ為材料密度，g/cm3；β是碰撞角；常數k1取0.6~1.2(材料表面潔凈)。

2.1.2碰撞速度和碰撞角

Wittman提出了對于最大沖擊速度要保持低于一定的值，避免形成界面過度融化層，也可以找到碰撞角度和碰撞點速度的關系，如下式：

(3)

(4)

式中：N取0.11；Tm為融化溫度，K；k為熱導率W/(m·K)；Cp為比熱容，J/(kg·K)；ρ為材料密度，g/cm3；h為厚度，cm；C0為聲速，cm/s；動態碰撞角β用弧度表示。

在爆炸過程中，碰撞速度vp，炸藥爆速vd和碰撞角度β存在一定的關系，如公式(5)所示。通常，當β<10°可以把公式(5)簡化為公式(6)。

(5)

vp=vd·sinβ

(6)

公式(6)中的vp實際上是由加速飛板運動的炸藥的屬性決定的。所以，為了形成射流，碰撞點的速度需要低于聲速，高爆速炸藥(如爆速為6000m/s～8000m/s的塑性炸藥)是不能實現爆炸焊接的。

2.2實驗材料

2.2.1鈦、鋼材料參數

實驗使用的材料是低合金高強度結構鋼Q345B和工業純鈦TA2，基板為低合金高強度結構鋼Q345B(厚16mm)、復板為純鈦TA2(厚3mm)。表1、表2為其化學成分〔7〕。

表1　工業純鈦TA2的主要化學成分(質量分數/%)

表2　低合金高強度結構鋼Q345B的主要化學成分

通過查閱文獻〔8〕可知，這兩種材料的物理化學性能如表3所示。

表3　TA2和Q345B的材料參數

運用公式(1)、公式(2)、公式(6)，通過理論可計算得出TA2/Q345B理論爆炸焊接窗口參數，如表4所示。

表4　TA2/Q345B理論爆炸焊接窗口參數

2.2.2炸藥配方

選取硝酸銨乳化炸藥(硝酸銨(84%)、水(10%)和油加乳化劑(6%))，分成5組，標號1～5，再分別加入不同的敏化劑。第6組選用銨油炸藥(ANFO)，藥厚為30mm的純膨化銨油炸藥的爆速大約為3300m/s，如表5所示。

表5　焊接實驗及炸藥的密度

一般爆炸焊接專用炸藥的爆速為2000m/s～3000m/s。爆速過高，會產生嚴重的復板邊緣撕裂現象，有時甚至會將復合板邊緣復板大面積撕掉。一般爆炸焊接炸藥的密度為0.7g/cm3~0.8g/cm3〔9〕，而純膨化銨油的密度為0.44g/cm3。因此，需要調整膨化銨油炸藥的爆速和密度。本文按照膨化硝銨與柴油質量比94∶6的比例混合制成銨油炸藥。通過對實驗中的炸藥進行相關的測試與理論計算，得出爆炸焊接窗口理論參數，如表6所示。

表6　爆炸焊接窗口理論參數

由表5和表6可知：實驗中6種炸藥的密度差別不大，第1、4和6組實驗的炸藥密度在0.760g/cm3~0.804g/cm3之間，但是它們的爆速卻相差甚遠，由3768m/s到2370m/s。一般爆炸焊接專用炸藥的爆速范圍在2000m/s～3000m/s〔10〕，但是表6中前5種炸藥的爆速均超過這個范圍，這可能會導致焊接材料過度熔化。

2.3實驗方案

實驗采用平行布置法，如圖2所示。

圖2　爆炸焊接實驗裝置示意圖Fig.2　Schematic representation of the explosive welding process

通過退火的方法降低高強度鋼的硬度并且調整鋼板的平整度。對鈦板進行表面打磨、拋光，如圖3所示。

圖3　打磨光滑后的鈦板Fig.3　The titanium plates after being polished

將待焊接的鋼板打磨光滑的一面朝上平整地放在巖沙地基上，同時把鈦板打磨光滑的一面朝下輕輕的安放在間隙墊上并調整使其位置與下面的鋼板位置對齊，使用油刷在鈦板上表面均勻涂上一層黃油，以防止表面在爆炸焊接過程中被燒傷。稱量一定量事先計算好的炸藥，將藥框放在鈦板上面，矩形藥框以起到約束炸藥的作用。起爆炸藥的雷管放在飛板一端。基、復板間留有一定間隙使爆炸焊接中復板獲得一定的加速度。起爆后，炸藥爆炸產生的能量驅動復板運動，初始驅動加速度較大，當復板達到最大的飛行速度時，開始做減速運動，飛行速度漸漸變小。

3實驗結果及分析

實驗結果顯示，銨油炸藥進行爆炸焊接的效果最好，經切割處理的工件如圖4所示。

圖4　ANFO炸藥爆炸焊接效果Fig.4　The explosion welding effect of ANFO

使用該炸藥配方進行爆炸焊接的復合板焊接結合界面呈現均勻的波狀，這是因為復板在爆炸作用下發生塑性變形，與基板發生連續的高速斜碰撞，基板發生了形變，并在碰撞點前形成突起并與射流相互作用，從而形成了周期性波狀界面。

實驗中所使用炸藥的基礎成分均為硝酸銨，由于添加劑不同，炸藥的密度不同，所達到的碰撞點移動速度也不相同，焊接效果也會有差異。為了進一步明確復合板的結合強度(剪切強度)，對所得的復合板焊接處上三個不同的部位進行剪切強度的實驗。剪切強度實驗結果如表7所示。

表7　TA2/Q345B爆炸復合板剪切強度實驗結果

從表中可以看出，試件1~3各項參數相近，剪切強度相差不大；試件4、5各項參數相近，剪切強度也相差不大；然而試件6具有相對較高的剪切強度，分別比前5個試件的剪切強度提高了35.59%、40.35%、46.79%、11.89%、11.11%。由此可見，用銨油炸藥進行爆炸焊接的試件剪切強度最高，復合板的結合強度最大。實驗中基復板距離都相同，但由于炸藥密度不同，致使爆炸焊接中復板斜碰撞基板的速度和角度都有所不同，這導致了復合板結合性能的明顯差別。

4結 論

(1)炸藥密度的不同，導致了爆炸焊接中復板斜碰撞基板的速度和角度都有所不同，從而導致了復合板結合性能的明顯差別。

(2)在碰撞角度一定的情況下，動態碰撞速度vp是界面波波形參數的一個重要影響因素。

(3)實驗得到一種適合鈦-鋼板爆炸焊接的炸藥配方，可為同種類型爆炸焊接提供參考。

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Study of explosive formula and factors on explosive welding of titanium-steel plate

BIAN Chao， WANG Feng-ying， BU Shan-shan， YANG Xiao-bo， YAN Xiang

(School of Chemical Engineering and Environment, North University of China, Taiyuan 030051, China)

ABSTRACT：The most important factor which affected the explosive welding was the composite explosive. Different materials and process parameters had different influence on the detonation velocity, specific impulse and energy of explosive. The density of explosive directly affected the speed and angle of oblique collision between flyer plate and substrate. High strength-low alloy steel Q345B and industrial pure titanium TA2 were chosen as experimental materials. The factors of explosive welding of titanium and steel were discussed and a preferable explosive formula was obtained through theoretical calculation and experiments.

KEY WORDS:Explosive welding; Substrate; Flyer plate ; Detonation parameters; Explosive formula; Titanium-steel plate

中圖分類號：TD235. 2

文獻標識碼：A

doi：10.3969/j.issn.1006-7051.2016.01.016

作者簡介：卞 超(1989-)，男，碩士，主要從事爆炸焊接相關的研究。E-mail: bianchao587@163.com

收稿日期：2015-11-25

文章編號：1006-7051(2016)01-0073-04