炸藥覆蓋層厚度對爆炸焊接的影響

陳代果，姚 勇，鄧勇軍，蘇留鋒

(1.西南科技大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，四川 綿陽 621000；2.中國科學(xué)院材料力學(xué)行為和設(shè)計(jì)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)，安徽 合肥 230026)

引 言

爆炸焊接復(fù)合材料因具有性能優(yōu)異、成本低廉、類型廣泛等優(yōu)點(diǎn)，在航空航天、石油化工、機(jī)械制造等工業(yè)領(lǐng)域有著不可替代的作用[1-3]。目前，人們對爆炸焊接的研究主要集中在炸藥參數(shù)[4-5]、焊接界面微觀結(jié)構(gòu)[6-7]、復(fù)合板力學(xué)性能[8-9]等方面，而對爆炸焊接中炸藥的能量利用率、爆炸粉塵污染等問題研究較少。現(xiàn)有爆炸焊接炸藥的上表面裸露在空氣中，炸藥爆轟釋放的能量大部分以沖擊波的形式傳入空中，造成大量的能量浪費(fèi)以及噪聲污染。史長根等[10]設(shè)計(jì)了一種雙立式爆炸焊接以提高炸藥的能量利用率；繆廣紅等[11]提出了蜂窩結(jié)構(gòu)炸藥并將其應(yīng)用在雙面爆炸焊接中。雖然雙面焊接技術(shù)極大地提高了炸藥的能量利用率，但在實(shí)際生產(chǎn)中均面臨著復(fù)合板飛散防護(hù)的問題[12]。楊明等[13]使用水泥板對炸藥上端進(jìn)行了約束，顯著提高了炸藥的能量利用率。

為提高爆炸焊接中炸藥的能量利用率以及減噪降塵，本研究采用膠體水材料對爆炸焊接炸藥的上表面進(jìn)行覆蓋，以SUS304不銹鋼板和Q235鋼板分別作為復(fù)板和基板進(jìn)行了爆炸焊接實(shí)驗(yàn)，系統(tǒng)研究了不同的覆蓋層厚度對復(fù)板碰撞速度以及焊接界面微觀形貌的影響。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)所用炸藥為蜂窩鋁結(jié)構(gòu)乳化炸藥，將乳化炸藥均勻填充至蜂窩鋁結(jié)構(gòu)的空腔中制得，其中乳化炸藥由質(zhì)量分?jǐn)?shù)85%乳膠基質(zhì)和15%玻璃微球混合而成，密度為0.8g/cm3，乳膠基質(zhì)配方(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為：NH4NO3，75%；NaNO3，10%；H2O，8%；C18H38，4%；C24H44O6，2%；C12H26，1%。炸藥厚度為10mm，長度和寬度與復(fù)板一致，蜂窩結(jié)構(gòu)布置方向如圖1所示。蜂窩鋁結(jié)構(gòu)是自然界最穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)之一，因此蜂窩結(jié)構(gòu)炸藥可以顯著提高炸藥的力學(xué)性能，保證炸藥在覆蓋物重力作用下穩(wěn)定均勻地爆轟。

圖1 蜂窩鋁結(jié)構(gòu)乳化炸藥Fig.1 Aluminum honeycomb emulsion explosive

實(shí)驗(yàn)采用膠體水作為炸藥上端覆蓋層材料。膠體水由質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%高吸水性樹脂(SAP)和99%水混合而成，密度約為0.8g/cm3，將膠體水應(yīng)用于炸藥覆蓋層材料主要有以下優(yōu)勢：(1)約束炸藥爆轟邊界，提高爆轟速度并約束爆轟產(chǎn)物膨脹，從而增加炸藥爆轟對復(fù)板的作功能力；(2)取材廣泛、價(jià)格便宜、爆炸后無飛石等安全隱患；(3)爆炸后膠滴水氣化并拋撒在空中，能吸收爆炸產(chǎn)生的粉塵煙霧，改善爆炸作業(yè)環(huán)境。

實(shí)驗(yàn)基板為Q235鋼，尺寸為20mm×150mm×300mm；復(fù)板為304不銹鋼，尺寸為2mm×150mm×300mm，其物理和機(jī)械性能參數(shù)如表1所示。

表1 基板和復(fù)板的材料特性參數(shù)[13]Table 1 The material characteristic parameters of base plate and flyer plate[13]

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

圖2為實(shí)驗(yàn)裝置圖，與傳統(tǒng)爆炸焊接不同的是在炸藥上端設(shè)置有覆蓋層。

圖2 設(shè)有覆蓋板的爆炸焊接裝置示意圖Fig.2 Schematic diagram of explosive welding setup with a tamper

實(shí)驗(yàn)時(shí)對結(jié)合區(qū)動(dòng)態(tài)參數(shù)進(jìn)行測量，測量原理如圖3所示，其中爆轟速度采用測時(shí)法進(jìn)行測量，共使用4個(gè)等離子探針，相鄰兩探針間的距離如表2所示，并通過2BS-110爆速儀記錄相鄰探針間的時(shí)間間隔，實(shí)驗(yàn)結(jié)果取各段平均爆速。

圖3 動(dòng)態(tài)參數(shù)測量原理示意圖Fig.3 Schematic diagram of dynamic parameter measurement principle

結(jié)合區(qū)動(dòng)態(tài)參數(shù)由3個(gè)相同的PVDF壓電傳感器進(jìn)行測量，其相對位置如圖3所示。炸藥引爆后爆轟波快速向前運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生的沖擊波和爆轟產(chǎn)物持續(xù)推動(dòng)復(fù)板向下飛行，在復(fù)板與基板的碰撞過程中傳感器A、B、C被依次觸發(fā)，由示波器(Tektronix MDO4104C時(shí)間分辨率為1ns)記錄觸發(fā)時(shí)間。因此碰撞點(diǎn)移動(dòng)速度vc可以表達(dá)為[14]：

(1)

式中：s1和t1分別為傳感器A和B之間的水平距離與觸發(fā)時(shí)間間隔；s2和t2為傳感器B和C之間的水平距離與觸發(fā)時(shí)間間隔。

碰撞角β則可以由式(2)進(jìn)行計(jì)算[14]：

(2)

式中：h為傳感器B與A或C之間的垂直距離。

在計(jì)算得到vc和β后, 碰撞速度vpe可以表示為[14]：

vpe=2vcsin(β/2)

(3)

實(shí)驗(yàn)共分為4組，所用初始參數(shù)列于表2。

為觀測結(jié)合界面的微觀形貌，爆炸完成后，在中心位置處切取30mm×30mm的樣品，平行于爆轟波傳播方向的截面用砂紙打磨至5μm，接著采用0.5μm金剛石研磨膏進(jìn)行拋光，然后用4mL硝酸和96mL無水乙醇組成的腐蝕液進(jìn)行腐蝕，最后用金相顯微鏡(Leica DM4M)觀測其微觀形貌。

表2 爆炸焊接實(shí)驗(yàn)初始參數(shù)Table 2 Initial parameters for explosive welding experiment

2 爆炸焊接窗口

在爆炸焊接中，焊接質(zhì)量取決于動(dòng)態(tài)參數(shù)的選擇[15]。碰撞點(diǎn)移動(dòng)速度、碰撞速度和碰撞角為主要的動(dòng)態(tài)參數(shù)，這3個(gè)參數(shù)中由于幾何關(guān)系的存在而只有兩個(gè)參數(shù)為獨(dú)立變量。因此任意兩個(gè)參數(shù)均可在同一平面內(nèi)構(gòu)成可焊性區(qū)域，即爆炸焊接窗口。本研究選用碰撞點(diǎn)移動(dòng)速度和碰撞角來計(jì)算爆炸焊接窗口。

2.1 碰撞速度下限

為保證基板和復(fù)板的碰撞壓力超過材料屈服強(qiáng)度，使界面金屬產(chǎn)生塑性流動(dòng)和金屬射流，復(fù)板的碰撞速度必須大于碰撞速度下限，同種或相似金屬爆炸焊接產(chǎn)生金屬射流的最小碰撞速度為[16]：

(4)

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

2.2 碰撞速度上限

為避免焊接過程中能量過大造成金屬界面出現(xiàn)連續(xù)融化層，Wittman[17]給出了碰撞速度上限：

(5)

式中：vp max為碰撞速度上限，m/s；N為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，對于不銹鋼和鋼取0.062[16]；Tm為復(fù)板的熔化溫度，℃；c為復(fù)板體積聲速，m/s；vc為碰撞點(diǎn)移動(dòng)速度，即平行法中炸藥的爆速，m/s；K為復(fù)板導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·℃)；cp為復(fù)板熱容，J/(kg·℃)；h為復(fù)板厚度, m。

2.3 碰撞點(diǎn)移動(dòng)速度下限

為形成良好的波形結(jié)合界面，碰撞點(diǎn)移動(dòng)速度必須大于碰撞點(diǎn)移動(dòng)速度下限vcmin，vcmin可以通過以下公式求得[19]:

(6)

式中：Re為雷諾數(shù)，對于鋼取10.6；H1和H2分別為復(fù)板和基板的維氏硬度，Pa。

2.4 碰撞點(diǎn)移動(dòng)速度上限

為保證射流的形成，Abrahamson[20]提出碰撞點(diǎn)移動(dòng)速度上限應(yīng)為碰撞角的函數(shù)，碰撞點(diǎn)移動(dòng)速度上限計(jì)算公式為：

(7)

利用公式(4)～(7)可以計(jì)算得到SUS304/Q235的爆炸焊接窗口，計(jì)算所需材料特性參數(shù)見表1，計(jì)算結(jié)果見圖4，其中圖4還顯示了本實(shí)驗(yàn)所用參數(shù)。

圖4 SUS304/Q235爆炸焊接窗口和實(shí)驗(yàn)參數(shù)Fig.4 Explosive welding window of SUS304/Q235 and experimental parameters

3 結(jié)果與討論

3.1 復(fù)板碰撞速度

實(shí)驗(yàn)所用焊接炸藥上端設(shè)置有覆蓋層，根據(jù)Gurney公式可以得到在這種裝藥結(jié)構(gòu)下復(fù)板碰撞速度的計(jì)算公式為[21]：

(8)

式中：vpg為復(fù)板的碰撞速度；E為格尼能；N為覆蓋層質(zhì)量；C為炸藥質(zhì)量；M為復(fù)板質(zhì)量。

A由式(9)確定：

(9)

實(shí)驗(yàn)所用炸藥為乳化炸藥，目前并沒有其準(zhǔn)確的格尼能參數(shù)，文獻(xiàn)[22]基于能量守恒原理給出了格尼能的計(jì)算式：

(10)

式中：γ為爆炸產(chǎn)物的多方指數(shù)，對于乳化炸藥取2.5：vd為炸藥爆速。

將式(10)代入式(8)和式(9)可計(jì)算得到各組實(shí)驗(yàn)復(fù)板的碰撞速度，然而Gurney公式所預(yù)測的碰撞速度是復(fù)板的最終運(yùn)動(dòng)速度，基于拉格朗日原理，F(xiàn)lis[23]給出了滑移爆轟下復(fù)板的加速歷史：

(11)

實(shí)驗(yàn)獲得的典型波形(Test No.3)如圖5所示，圖中顯示清晰的上升沿，可以準(zhǔn)確地確定傳感器的觸發(fā)時(shí)間間隔t1、t2。測量結(jié)果見表3，其中表3還列出了實(shí)驗(yàn)測量的爆速(vd)、碰撞點(diǎn)移動(dòng)速度(vc)、碰撞角(β)、碰撞速度(vpe)以及計(jì)算所得的格尼速度(vpg)和碰撞速度(vpc)。

表3 爆炸焊接實(shí)驗(yàn)和理論計(jì)算結(jié)果Table 3 The results of experimental and theoretical calculation for explosive welding

圖5 動(dòng)態(tài)參數(shù)測量的典型波形Fig.5 Typical waveform for dynamic parameter measurement

對于本研究所用平行法爆炸焊接，一般認(rèn)為炸藥的爆速與碰撞點(diǎn)移動(dòng)速度一致[5]。由表3可知，試驗(yàn)測得的碰撞點(diǎn)移動(dòng)速度與爆速誤差不超過4%，驗(yàn)證了實(shí)驗(yàn)的可靠性。而4組實(shí)驗(yàn)測得的碰撞速度明顯小于格尼公式計(jì)算的碰撞速度，平均誤差高達(dá)21%，這主要是由于格尼公式所預(yù)測的碰撞速度是復(fù)板的最終運(yùn)動(dòng)速度，在本實(shí)驗(yàn)中炸高只有8mm，不足以將復(fù)板速度加速到最大值，因此計(jì)算時(shí)考慮復(fù)板的加速過程很有必要。而考慮加速歷史后4組實(shí)驗(yàn)計(jì)算的碰撞速度和實(shí)驗(yàn)值吻合良好，平均誤差為6.7%，而實(shí)驗(yàn)測得的碰撞速度略低于理論計(jì)算值主要是由于在理論計(jì)算中忽略了空氣阻力以及支持柱的影響。

圖6為炸藥爆速和碰撞速度與覆蓋層厚度的關(guān)系曲線。從圖6可以看出，炸藥爆速隨覆蓋層厚度的增加而增加，但增加率逐漸下降，相比于裸露裝藥，覆蓋層厚度為15mm時(shí)，爆速增加8.8%，而當(dāng)覆蓋層厚度為45mm時(shí)，爆速則增加13.0%。當(dāng)炸藥厚度小于極限厚度時(shí)，炸藥爆速會受邊界稀疏波的影響，而炸藥上端覆蓋層能減少稀疏波對爆轟的影響，因此炸藥爆速隨覆蓋層厚度的增加而增加。與爆速曲線一致，復(fù)板碰撞速度也隨覆蓋層厚度的增加而增加。相比于裸露裝藥，覆蓋層厚度為15、30和45mm時(shí)，復(fù)板碰撞速度分別增加38.9%、 57.5%、 71.9%，表明覆蓋層的使用可顯著提高炸藥對復(fù)板的作功能力。事實(shí)上，炸藥上端的覆蓋層不僅可減少空中稀疏波對炸藥爆轟的影響，還能約束爆轟產(chǎn)物的運(yùn)動(dòng)，從而提高炸藥的能量利用率。由于炸藥將更多能量用于對復(fù)板作功，因此傳入空氣中的能量大大減小，有利于減小爆炸噪音。此外膠體水在爆炸過程中氣化并拋撒在空氣中，會吸收大量粉塵和煙霧，改善爆炸焊接的作業(yè)環(huán)境。

圖6 爆速和碰撞速度隨覆蓋層與炸藥質(zhì)量比N/C的變化曲線Fig.6 Change curves in detonation velocity and impact velocity with mass ratio N/C of covering to explosive

3.2 結(jié)合界面微觀形貌

圖7為實(shí)驗(yàn)樣品結(jié)合界面金相組織圖，根據(jù)爆炸焊接窗口(見圖4)，實(shí)驗(yàn)1和實(shí)驗(yàn)2的焊接參數(shù)均位于可焊性窗口以內(nèi)，所以焊接窗口預(yù)測焊接界面將形成帶有波形的冶金結(jié)合。金相分析結(jié)果驗(yàn)證了這種預(yù)測，由圖7(a)和(b)可知，這2組實(shí)驗(yàn)所得的SUS304/Q235結(jié)合界面呈現(xiàn)明顯的波形，幾乎沒有孔洞和裂縫等缺陷。

圖7 SUS304/Q235爆炸焊接界面金相組織圖Fig.7 Metallurgical structure diagrams of the explosive welding interfaces of SUS304/Q235

爆炸焊接結(jié)合界面通常有“直線”和“波形”兩種結(jié)合方式，波形結(jié)合方式通常具有更高的結(jié)合強(qiáng)度[24-25]，因其結(jié)合面積更大，隨著炸藥量的增加，結(jié)合界面開始從平直界面轉(zhuǎn)變?yōu)椴ㄐ谓缑娌⑶也ǚ饾u變大[26]。盡管實(shí)驗(yàn)1和實(shí)驗(yàn)2炸藥量相同，但實(shí)驗(yàn)2波長和波高明顯大于實(shí)驗(yàn)1，這主要是由于覆蓋層的使用使得實(shí)驗(yàn)2復(fù)板的碰撞速度更高，所以界面塑形變形更大。實(shí)驗(yàn)3的焊接參數(shù)靠近于焊接窗口的上限，盡管焊接界面呈現(xiàn)明顯的波形，但在界面處存在孔洞、裂縫等缺陷，這主要是由于復(fù)板碰撞速度過高，能量在碰撞過程中以熱增長的形式釋放而產(chǎn)生了大量融化區(qū)[27]，然而融化區(qū)周圍的材料溫度很低，所以熔化區(qū)以非常快的速度冷凝而形成了孔洞、裂縫等缺陷[5]。實(shí)驗(yàn)4的焊接參數(shù)高于焊接窗口的上限，由圖7(d)可知，界面處形成了連續(xù)的裂紋，并伴隨著孔洞等缺陷，這主要是由于碰撞速度過高，產(chǎn)生的熔化區(qū)太厚，而當(dāng)自由界面反射的拉伸波到達(dá)焊接界面時(shí)，熔化區(qū)還沒有完全凝固，所以界面處被拉開。

4 結(jié) 論

(1)采用膠體水材料作為炸藥上端覆蓋層可以顯著提高炸藥的能量利用率，相比于裸露裝藥，覆蓋層厚度為15、30和45mm時(shí)，復(fù)板碰撞速度分別增加了38.9%、57.5%和71.9%。

(2)膠體水的使用減小了傳入空氣中的能量并能吸收爆炸產(chǎn)生的粉塵煙霧，有利于爆炸焊接的減噪降塵，為爆炸焊接作業(yè)提供一個(gè)健康的環(huán)境。

(3)實(shí)驗(yàn)測得的炸藥爆速和碰撞點(diǎn)移動(dòng)速度一致性良好，格尼速度公式所預(yù)測的碰撞速度較實(shí)驗(yàn)值明顯偏大，而考慮加速歷史所獲得的碰撞速度與實(shí)驗(yàn)值吻合良好。

(4)在焊接窗口以內(nèi)，結(jié)合界面為沒有孔洞、裂縫等缺陷的波形結(jié)合，并且復(fù)板的碰撞速度越大，界面波浪幅值越大，而在靠近和高于焊接窗口上限時(shí)，界面處產(chǎn)生孔洞、裂縫等缺陷。