陳 艷，馬宏昊,2，沈兆武，楊 明，田啟超

(1.中國科學院材料力學行為和設計重點實驗室，中國科學技術大學，安徽 合肥 230026；2.中國科學技術大學火災科學國家重點實驗室，安徽 合肥 230026)

引 言

爆炸焊接是一種通過炸藥爆炸產生的高能爆轟波形成的強大沖擊力，使金屬與金屬產生高速撞擊，并瞬間在撞擊部位的表面出現高壓高溫狀態，使金屬表面氧化層瞬間熔化，在爆轟波的沖擊作用下，阻礙接合的物質呈噴射排出，因此在達到清潔撞擊部位表面的同時，使兩種金屬的表面在極高的壓力下接合在一起，在理論上能夠達到原子間結合力的技術[1-2]。與其他焊接技術相比，爆炸焊接的優點主要有黏接強度高、熱影響區小及直接連接各種類似金屬和不同金屬組合的能力[3]。作為傳統平板爆炸焊接的特殊應用，薄箔(<1mm)的爆炸焊接在耐腐蝕性、耐磨性和輻射防護等領域具有廣闊的應用前景[4]。然而，因為箔厚度太小，脆性大，在焊接過程中容易出現箔本身被破壞、焊接部位翹曲、無法焊接等問題。

傳統的爆炸焊接不適用于厚度小于1mm的薄金屬板以及脆性金屬、或諸如鎢和陶瓷之類的材料。早期關于薄箔爆炸焊接的研究主要集中在保護箔片免受損壞。幾種材料組合，如鎢箔和銅板(0.5mm)[5]、非晶薄箔和不銹鋼板(38μm)[6]、銅箔和鋼板(0.5mm)[7]等已通過水下爆炸焊接技術成功研究。也有采用一步爆炸粘合方法制造薄多層Ti/Al層(0.5mm)壓板的研究[8]。同時，傳統的爆炸焊接也用于通過在炸藥和箔之間采用抗磨層來連接各種金屬箔[9]。然而，這些方法具有成本高和焊接質量差的缺點，使得實際應用變得困難。與厚板焊接相比，薄箔的爆炸焊接所需的能量非常低。然而，爆炸焊接中通常使用的炸藥臨界厚度較大(約為10mm)，不僅降低了炸藥的能量利用率，而且由于能量過剩也容易損壞箔。因此，降低炸藥的臨界厚度是改善焊接質量和提高經濟效益的理想方式。 Leonid A等[10-11]研究表明RDX粉末和小蘇打的爆炸混合物，以及PETN和小蘇打的爆炸混合物具有較低的臨界厚度，可用于箔的爆炸焊接。

爆炸焊接常用炸藥為粉狀乳化炸藥、改性銨油炸藥以及泰乳炸藥等固體炸藥，在這些炸藥中加入RDX等高能炸藥能提高炸藥的爆轟性能，制得高猛度炸藥，但是這類固體炸藥的臨界厚度一般都較大，適用于一般的爆炸焊接。工業乳化炸藥是一種具有油包水結構的含能材料，由于其具有污染小、安全性好、成本低等特點，在爆炸焊接中應用最為廣泛[12]。乳化炸藥主要由乳膠基質和敏化劑兩部分組成，通常將氯化鈉和砂土等惰性添加劑加入乳化炸藥中，以滿足低爆速要求[13]。這些混合炸藥的爆速為2～4km/s，臨界厚度約為10mm，因此很難焊接薄板。本研究將RDX粉末引入乳化炸藥中，通過爆轟速度、臨界厚度和猛度測試以及水下爆炸實驗，研究了RDX含量對混合炸藥爆轟性能的影響，以期為降低混合炸藥的臨界厚度提供參考。

1 實 驗

1.1 實驗材料

混合炸藥由質量分數分別為0、5%、10%、15%和20%的RDX粉末和乳化炸藥組成。RDX粉末粒徑為50～100μm，堆積密度為1.01g/cm3。乳化炸藥由乳膠基質和敏化劑組成，乳膠基質密度為1.31g/cm3，其配方(質量分數)為：NH4NO3，75%；NaNO3，10%；C18H38，4%；C24H44O6，2%；C12H26，1%；H2O，8%。 由于乳膠基質不具有爆轟敏感性，因此在乳膠基質中加入空心玻璃微球(Glass Microspheres, GM)作為敏化劑，在爆炸過程中起到“熱點”的作用。研究表明[14]，過量的玻璃微球將起到惰性添加劑的作用。為了滿足爆炸焊接的低爆速要求，將質量分數為25%的玻璃微球加入到乳膠基質中，同時作為“熱點”和惰性添加劑。 所用玻璃微球堆積密度為0.25g/cm3，平均粒徑為55μm。

1.2 爆速和臨界厚度測量

圖1為爆速和臨界厚度測量裝置示意圖。

圖1 爆轟速度和臨界厚度測量示意圖Fig.1 Schematic diagram of detonation velocity and critical thickness measurements

測量時混合炸藥被放置在20mm厚的鋼板上。為了測量混合炸藥的臨界厚度，在雷管區域建造一個爆轟波發生器，用厚度為10mm、長度為50mm的裝藥來產生穩定的爆轟波(10mm的厚度可以達到爆轟，50mm的裝藥區長度能夠使爆轟波穩定傳播到待測試裝藥區)。待測炸藥尺寸為150mm×80mm，厚度δ為變量。

采用測時法測定混合炸藥的爆速，即通過記錄兩個探針之間的時間間隔來測量爆速(計時器為2BS-110，時間分辨率為0.1μs)。每次實驗使用5個探針，測定平均爆速。在改變炸藥厚度的過程中，臨界厚度可以通過爆速和鋼板上的標記來確定。

1.3 水下爆炸實驗及爆炸參數計算

為更好地了解混合炸藥的爆炸性能，在直徑(D)為5.0m、深(H)為5.0m的鋼制水箱中進行水下爆炸實驗。當在有限水域進行水下爆炸實驗時，為消除水域邊界與底部對測試的影響，將包含30g混合炸藥的球形藥包和傳感器(PCB-W ICP138A25型壓力傳感器，與PCB-482 A22恒流源配合使用)放置在水下3m處，從藥包中心(爆炸中心)到兩個傳感器中心的距離分別為R1=1.0m，R2=1.2m。數據由Tektronix 4104數字示波器(Tektronix，Inc.USA)收集和存儲，實驗裝置示意圖見圖2。

圖2 水下爆炸實驗裝置示意圖Fig.2 Schematic diagram of the underwater explosion test device

水下爆炸沖擊波沖量(I)可由式(1)計算[15]：

(1)

式中：I為沖擊波沖量，kPa·s；p(t)為距離爆源R處沖擊波壓力時程曲線，Pa；θ為沖擊波衰減時間，s，數值上等于沖擊波壓力從pm衰減到pm/e的時間，其中e為數學常量，數值約為2.71828。

水下爆炸比沖擊波能Es由公式(2)計算[15]：

p2(t)dt

(2)

式中：Es為比沖擊波能，MJ/kg；R為藥包中心距傳感器中心的距離，m；W為藥包的裝藥質量，kg；ρW為水的密度，kg/m3；CW為水中的聲速，m/s。

水下爆炸比氣泡能Eb由公式(3)計算[15]：

(3)

(4)

式中：Eb為比氣泡能，MJ/kg；Tb為氣泡的第一次脈動周期，s；C為實驗條件下測得的校正系數[14]，數值為0.332，s-1；ph為藥包處的靜水壓，Pa。

水下爆炸總能量(E)由式(5)計算[15-16]：

E=Ks(μEs+Eb)

(5)

(6)

(7)

式中：E為水下爆炸總能量，MJ/kg；Ks為藥包形狀修正參數，本研究中藥包球形形狀較為完好，故取1.00；μ為水下沖擊波的壓力損失系數，pC-J為爆轟過程中的C-J壓力，GPa，ρ為炸藥的密度，kg/m3；D為不同成分混合炸藥的實測爆速，m/s；對于C-J壓力計算，比熱容γ取值為3。

1.4 猛度測試

炸藥的猛度通過鉛柱的壓縮量表示。實驗在空中爆炸罐中進行，從下到上放置保護鋼板、鉛柱、鋼墊片、待測炸藥、起爆雷管，組成一套測試系統。其中鉛柱的直徑和高度分別為40mm和60mm，鋼墊片的直徑和高度分別為41mm和10mm；混合炸藥用量為50g。

2 結果與分析

2.1 爆轟速度和臨界厚度

由于裝藥過程中裝藥厚度的精度問題，在臨界厚度附近裝藥厚度差為0.2mm，故臨界厚度取恰好能爆轟的裝藥厚度和剛好未爆轟的裝藥厚度的平均值以及±0.1mm的誤差來表示，爆速取恰好能爆轟時的速度。RDX含量與裝藥臨界厚度和爆速的關系曲線見圖3。

圖3 RDX含量對臨界厚度和爆速的影響Fig.3 Effect of RDX content on critical thickness and detonation velocity

圖3表明，臨界厚度隨著RDX含量的增加而顯著降低，原因可以解釋為RDX粉末在爆炸過程中既作為敏化劑又作為能量添加劑。研究表明[17]，臨界厚度的爆轟失效是由于在前導沖擊波后釋放的熱量不足以分解和點燃未反應的物質以繼續維持爆轟反應。與未加RDX的乳化炸藥相比，RDX粉末可以增加由于絕熱剪切引起的熱點數量，這增加了混合炸藥的反應速度，從而減少了與側向稀疏波相關的能量損失。此外，RDX的能量密度高于普通乳化炸藥，它也增加了反應熱，可用于繼續維持爆轟反應。

由圖3中還可以看出，隨著RDX含量的增加，臨界厚度的下降速率逐漸降低。這可能是因為在RDX粉末含量低時主要以敏化劑的形式影響臨界厚度，在乳化炸藥中，敏化劑的作用主要是為乳化炸藥提供熱點，維持爆轟波的穩定傳播，而當RDX含量增加時，熱點數量達到飽和，RDX粉末主要起到能量添加劑的作用，故臨界厚度的下降速率在逐漸變低。

從圖3還可以看出，隨著RDX含量的增加，爆速并無明顯變化。根據C-J理論，爆轟反應中爆速和釋放的化學能可通過式(8)解釋[18]：

D2=2(γ2-1)Q

(8)

式中：D為爆速，m/s；γ為氣體的熱容比；Q為炸藥爆炸時釋放的化學能，J/kg。

爆速與RDX含量之間的正相關關系表明，隨著RDX含量的增加，反應區釋放的化學能增加。然而，對于不同的RDX含量，爆速基本不變，約為2500m/s。這可能是由于臨界厚度隨著RDX含量的增加而減小，這會以負面方式影響爆速。

2.2 炸藥水下爆炸性能參數

綜合式(1)～式(7)，計算得到水下爆炸的各項爆炸性能參數。表1是距離爆炸中心1.0m處和1.2m處傳感器測得數據的計算結果。圖4為5種不同RDX含量的混合炸藥在1.0m處的水下爆炸沖擊波壓力—時程曲線。

表1 混合炸藥距爆炸中心1.0m和1.2m處水下爆炸的爆炸性能參數Table 1 Underwater explosion parameters of mixed explosives at 1.0m and 1.2m from the explosion center

圖4 混合炸藥在1.0m處的水下爆炸沖擊波壓力—時程曲線Fig.4 Typical pressure—time curves of mixed explosives at the distance of 1.0m

從表1可以看出，混合炸藥的超壓峰值、沖擊波沖量、比沖擊波能、比氣泡能和總能量都隨著RDX含量的增加而增加。與未添加RDX相比，添加質量分數5%、10%、15%和20%的RDX時，在距離爆炸中心1.0m處，沖擊波超壓峰值分別增加3.8%、7.4%、12.7%和17.3%，沖擊波沖量分別增加2.4%、3.8%、5.5%和8.9%，比沖擊波能分別增加8.9%、16.2%、29.4%和38.9%，比氣泡能分別增加6.2%、15.7%、18.2%和19.4%，總能量分別增加7.2%、16.8%、22.2%和26.4%。分析原因認為，RDX粉末單位質量的反應熱和能量更高，這使得混合炸藥的能量輸出更高[19-20]，各項參數的增加比例與RDX含量增加的趨勢基本一致，這就使得該混合炸藥用于金屬箔的爆炸焊接時，降低炸藥厚度(減少藥量)的同時，能量并不會降低太多，既能保護爆炸焊接過程中箔的完好，又能保證爆炸焊接所需的能量，以達到良好的焊接效果。

2.3 炸藥的猛度

采用公式(9)計算混合炸藥的猛度：

(9)

式中：α為炸藥猛度；Δh為鉛柱高度的壓縮量，mm；h0為壓縮前鉛柱的高度，mm。

Δh和α與RDX含量的關系曲線如圖5所示。

圖5 不同RDX含量下炸藥的猛度Fig.5 Brisance of explosives with different RDX contents

由圖5可以看出，隨著RDX含量的增加，猛度增加。這表明RDX粉末顯著增加了爆轟過程中釋放的化學能。通過比較不同RDX含量的α值還可以發現，當RDX含量較低時，對α的影響更為顯著。該結果與臨界厚度測試結果類似。

3 結 論

(1)隨著RDX含量的增加，乳化炸藥的臨界厚度顯著減小。對于RDX質量分數為5%、10%、15%和20%的混合炸藥，臨界厚度分別為(4.6±0.1)、(4.1±0.1)、(3.7±0.1)和(3.3±0.1)mm，可用于金屬箔的爆炸焊接。

(2)當裝藥厚度達到臨界厚度時，不同RDX含量的乳化炸藥的爆速基本不變，約為2500m/s。

(3)混合炸藥水下爆炸的所有能量輸出參數均隨著RDX含量的增加而增加。這是因為添加RDX后，增加了反應區中釋放的化學能，提高了混合炸藥的能量輸出。

(4)猛度實驗結果表明，混合炸藥的猛度隨著RDX含量的增加而增加，而當RDX含量較低時，這種增加趨勢更為顯著。