爆炸焊接乳化炸藥的設(shè)計(jì)及應(yīng)用

王寧雄,黃 平,段永健

(1.攀枝花恒威化工有限責(zé)任公司,四川攀枝花617012;2.攀枝花學(xué)院,四川 攀枝花617000)

0 引言

爆炸焊接是一種特種金屬焊接加工方式,是結(jié)合爆炸、材料、加工技術(shù)的一種交叉邊緣科學(xué)。起爆炸藥,瞬間產(chǎn)生爆轟波,傳遞到覆板并轉(zhuǎn)化為沖擊波,覆板高速?zèng)_向基板,兩個(gè)金屬面高速碰撞,并在接觸面處產(chǎn)生高壓,表面形成流體并流走,表面膜被去除,同時(shí)金屬表面緊密接觸相互熔化咬合而形成復(fù)合材料[1-2]。目前,隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展,耐腐蝕、耐高溫、耐磨的復(fù)合材料管、板件等多種零部件被越來(lái)越多的工程所需求,極大地推動(dòng)了金屬?gòu)?fù)合爆炸焊接技術(shù)發(fā)展,擴(kuò)大了現(xiàn)有金屬材料的應(yīng)用市場(chǎng)[3]。

1 爆炸焊接乳化炸藥設(shè)計(jì)機(jī)理

1.1 混合炸藥配方設(shè)計(jì)原理

混合炸藥配方設(shè)計(jì)應(yīng)把氧平衡、爆炸性能及成本綜合考慮[4]。因此,工業(yè)炸藥配方設(shè)計(jì)的約束條件一般有氧平衡、變量和、成本、變量上下限和數(shù)學(xué)模型目標(biāo)函數(shù)。

1)氧平衡原理:工業(yè)炸藥配方設(shè)計(jì)為零氧平衡或接近于零氧平衡時(shí),爆炸產(chǎn)生的熱量最大,做功效果最好,有毒氣體含量最少,因此本配方設(shè)計(jì)為接近于零的負(fù)氧平衡[5]。

通常炸藥主要成分有碳(C)、氫(H)、氧(O)、氮(N)四種元素。反應(yīng)結(jié)果如下:

設(shè)所選擇的i 種物質(zhì)的氧平衡為ai,i=1,2,……,n,則氧平衡的約束條件為:

式中K 為設(shè)計(jì)炸藥的氧平衡,一般K≤0。

2)變量和:是炸藥組成的各組分的百分?jǐn)?shù),其總和應(yīng)為100%。

即變量和應(yīng)滿足:∑xi=100

3)炸藥成本的約束條件:

設(shè)所選擇的 i 種物質(zhì)的成本為pi,i = 1,2,……,n,成本的約束條件為:

式中p 為設(shè)計(jì)炸藥每噸原材料成本。包含該焊接炸藥設(shè)計(jì)配方。

4)數(shù)學(xué)模型目標(biāo)函數(shù)[6]:

爆速、猛度、作功能力等炸藥性能指標(biāo)與炸藥爆熱成正比,關(guān)系如下:

炸藥選擇 n 種 C、H、O、N 的原料構(gòu)成組分集合,這些物質(zhì)的表達(dá)式即炸藥的分子式為[5]:

摩爾質(zhì)量為mi,1 kg 的炸藥中,組分i 的摩爾數(shù)為10xi/mi,i=1,2,……,n。

根據(jù)炸藥爆炸理論,在微弱負(fù)氧平衡條件下炸藥CaiHbiOciNdi爆炸反應(yīng)方程式為:

式(7)中 a,b,c,d 分別為1 kg 炸藥中 C、H、O、N 各元素的摩爾數(shù),則有:

若i 組分的定容生成熱為ΔHf(i),i=1,2,……,n,則:

顯然QV是配方(x1,x2,……,xn)的線性函數(shù),即:QV=F(x1,x2,……,xn)

5)炸藥配方設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型求解

經(jīng)過(guò)多次研究和查閱相關(guān)資料,爆炸焊接乳化炸藥水相為硝酸銨和水,乳化劑用LZ2735,可燃劑用柴油和機(jī)油,其中x1,x2, x3,x4分別表示硝酸銨、水、乳化劑、可燃劑在炸藥中的比例。將它們的有關(guān)參數(shù)代入式(8)、(9)、(10)、(11)有如下表達(dá)式:

將a,b,c,d 等參數(shù)代入式(12),得到炸藥配方設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)模型目標(biāo)函數(shù):

通過(guò)計(jì)算變量的上下限,即炸藥的原材料配比在這個(gè)范圍內(nèi):

此時(shí)QV爆熱最大值炸藥配方為(x1,x2,……,xn)。

乳化炸藥優(yōu)化配方的確定和試驗(yàn)研究,從理論上討論各組分對(duì)乳化炸藥性能和成本的影響,進(jìn)一步縮小各組分合理的上下限范圍[2],得到一些較好的炸藥理論計(jì)算配方,并根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整,得到生產(chǎn)上實(shí)際使用的配方。配方根據(jù)原材料的變化,可以進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。

1.2 配方設(shè)計(jì)與生產(chǎn)工藝調(diào)整

1)配方設(shè)計(jì):乳化基質(zhì)(硝酸銨79% ～82%,硝酸鈉3.5% ～ 3.9%,水 8% ～ 11%,一體化油相材料5% ～7%),乳化基質(zhì)55% ～86%,玻璃微球14% ～45%混制成專用乳化炸藥。玻璃微球細(xì)度全部過(guò)60 目篩。本設(shè)計(jì)中降低乳化基質(zhì)中硝酸鈉和水含量,乳化基質(zhì)中不含尿素,大大提高了乳化炸藥的做功能力和起爆感度。

2)工藝調(diào)整:由于采用具有一定硬度的物理敏化玻璃微球,其含量遠(yuǎn)高于常規(guī)炸藥,加入過(guò)程中易破壞油膜,導(dǎo)致水油分層,產(chǎn)生拒爆,因此必須對(duì)一體化油相材料進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整,才能同時(shí)保證乳化炸藥的爆炸性能和穩(wěn)定性。限定一體化油相材料及其制備方法,對(duì)一體化油相材料的組分、加料順序、保溫溫度等進(jìn)行了大量嘗試,乳化劑、機(jī)油、石蠟和微晶蠟按順序混合,介于70 ～75℃保溫,使乳化基質(zhì)質(zhì)量大大提升,從而提高了油膜的穩(wěn)定性。

3)進(jìn)一步對(duì)玻璃微球的用量及細(xì)度進(jìn)行嘗試。乳化炸藥反應(yīng)機(jī)理主要由不均勻灼燒機(jī)理、混合反應(yīng)機(jī)理構(gòu)成,在沖擊波的作用下受到?jīng)_擊波強(qiáng)烈壓縮時(shí),首先個(gè)別點(diǎn)的溫度升得很高,形成“起爆中心”或“熱點(diǎn)”發(fā)生化學(xué)反應(yīng),然后再傳到整個(gè)炸藥層[7],因此玻璃微球(即敏化劑)含量很重要,是起爆中心和熱點(diǎn),同時(shí)限定了玻璃微球的細(xì)度過(guò)60 目篩,也是在控制“起爆中心”或“熱點(diǎn)”,均是為了生產(chǎn)出臨界直徑小、性能穩(wěn)定優(yōu)異及爆炸焊接效果好的薄板爆炸焊接用膏狀乳化炸藥。

1.3 炸藥性能參數(shù)

表1 炸藥性能參數(shù)

2 爆炸焊接技術(shù)路線

技術(shù)路線主要包含三大部分,分別為乳化炸藥的制備、爆炸焊接及產(chǎn)品的處理,具體技術(shù)路線如圖1 所示。

圖1 爆炸焊接技術(shù)路線

3 爆炸焊接實(shí)例

3.1 鈦、不銹鋼爆炸焊接

1)爆炸焊接工藝要求

鋼板的材質(zhì)為Q235A, 尺寸為75×245×12mm;鈦板材質(zhì)為 TA2,尺寸為80×250×2 mm,Wc=4.6 g/cm2(計(jì)算),引爆方式為中心引爆法。爆炸前,板表面采用角相磨光機(jī)進(jìn)行打磨,然后使用丙酮進(jìn)行潔凈處理,為防止鈦板表面灼傷嚴(yán)重,鈦板表面鋪設(shè)4 ～6 mm 厚的黃油,采用平行法布炸藥,乳化炸藥為乳化基質(zhì)與玻璃微球,配比為8 ∶2,爆速在2 350 m/s,爆炸焊接工藝參數(shù)如表2 所示。

表2 爆炸焊接工藝參數(shù)

2)結(jié)果與討論

超聲波探傷:結(jié)果表明,1#～6#試樣未結(jié)合面積為2.7 ～3.2 cm2,均小于復(fù)合板面積的 2%,單個(gè)未結(jié)合區(qū)的最大長(zhǎng)度2 cm,最大面積1.4 cm2。

力學(xué)性能:試驗(yàn)結(jié)果見表3。

金相檢驗(yàn):爆炸焊接后的實(shí)物照片見圖2,金相照片見圖3。2#樣和4#樣微區(qū)成分區(qū)域見圖4 所示,其接合面微區(qū)成分見表4 和表5。

表3 力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果

圖2 爆炸焊后的實(shí)物照片

圖3 1# ～6#樣接合面照片

圖4 2#、4#電子圖像

表4 2#樣微區(qū)成分 %

表5 4#樣微區(qū)成分 %

討論:從試驗(yàn)結(jié)果可以看出,1#～6#試樣的探傷和力學(xué)性能檢驗(yàn)結(jié)果達(dá)到了《鈦-不銹鋼復(fù)合板》(GB/T 8546-2017)1 類鈦-鋼復(fù)合板的要求,適合于有耐蝕和強(qiáng)度要求的爆炸復(fù)合板,爆炸焊間隙1#～6#試樣實(shí)際試驗(yàn)時(shí)取值分別為0.4 cm 和0.6 cm;炸藥量實(shí)際試驗(yàn)時(shí)取值分別為920 g、1 020 g和1 120 g,爆炸焊質(zhì)量?jī)?yōu)良,說(shuō)明這兩個(gè)參數(shù)在一定范圍內(nèi)取值都可以。從金相照片看,1#～6#試樣鈦-鋼的界面非常明顯,部分界面上存在黑色的區(qū)域。進(jìn)一步對(duì)2#樣和4#樣鈦-鋼界面處黑色區(qū)域進(jìn)行電子探針檢測(cè),從微區(qū)成分看,是Fe、Ti 含量比較高的點(diǎn),推測(cè)是鈦、鋼經(jīng)過(guò)高溫熔化而融合,而Fe 和Ti 中某個(gè)元素含量較高,另一種含量較低的點(diǎn),推測(cè)為擴(kuò)散區(qū);遠(yuǎn)離界面的地方,則沒(méi)有擴(kuò)散或熔化發(fā)生,因此從電子探針檢測(cè)的微區(qū)成分看,保持了原有的化學(xué)成分。

3.2 鈦、鋁復(fù)合板的研究

1)乳化基質(zhì)與玻璃微球配比為8 ∶2 時(shí),爆速在2 350 m/s。爆炸焊接數(shù)據(jù)參見表6。

表6 部分工藝試驗(yàn)數(shù)據(jù)

2)試驗(yàn)性能指標(biāo)及實(shí)驗(yàn)過(guò)程及樣品圖片

性能指標(biāo):采用薄板爆炸焊接用膏狀乳化炸藥、調(diào)整藥量、爆炸成型工藝、裝置,制備鈦鋁復(fù)合板,鈦鋁復(fù)合板復(fù)合率達(dá)98%,彎折6 次不脫層,焊接牢固。

炸藥樣品圖見圖5,復(fù)合板樣品見圖6 所示。

圖5 玻璃微球含量45%、20%時(shí)炸藥狀態(tài)圖

圖6 鈦鋁復(fù)合板樣品圖

4 結(jié)論

本文根據(jù)爆炸焊接的機(jī)理,設(shè)計(jì)了低爆速爆炸焊接專用乳化炸藥,采用制備的炸藥進(jìn)行了鈦鋼、鈦鋁爆炸焊接實(shí)踐,也對(duì)薄板爆炸焊接進(jìn)行了嘗試,爆炸效果較好。隨著人們對(duì)特種材料的高要求,特種金屬加工將起到不可替代的作用,爆炸焊接朝著超厚、超薄、超大、材料多樣化(如脆性材料)的方向發(fā)展,本質(zhì)安全、高效、低成本的炸藥市場(chǎng)需求會(huì)更大[8]。