爆炸焊接層狀復合板的研究及發展★

孫洪敏， 吳志生， 劉夏瑜， 劉金浩， 李 巖， 張凱聞， 邱 皓

(1.太原科技大學材料科學與工程學院， 山西 太原 030024；2.蘇州北美國際高級中學， 江蘇 蘇州 215104)

1944 年Carl 在實踐中偶爾的發現了爆炸焊接技術，1959 年，在美國Phillpchuk 成功的利用爆炸焊接技術焊接了鋼-鋁，并在不斷地研究下，成功的應用到了工業生產中[1]。隨后美國日本德國前蘇聯都投入了大量的研究，促進了爆炸焊接大范圍的工程上應用，20 世紀60 年代末，我國大連造船廠的陳火金等人采用爆炸焊接方法成功制備出第一塊爆炸復合板[2]，隨著爆炸焊技術的不斷改進和成熟，能夠焊接的復合板種類越來越多，應用的范圍也越來越大，現在層狀復合板因其優異的性能被廣泛的應用在石油化工、壓力容器、船舶制造、航空航天及核工業等領域。

1 爆炸焊接層狀復合板簡介

隨著科學技術的進步與發展，人們對材料的性能提出了更高的要求，單一的材料的特點不再能滿足人們對于性能和經濟性的要求，所以復合板應運而生。在此形勢下，制造業以節能、節省資源為出發點，不斷向制品輕量化、高性能化發展。隨之人們對基礎材料的要求也多樣化、高級化。傳統的單組元金屬材料或受自然資源局限，或因綜合性能不足，難以滿足制造業的發展要求[3]。復合板是兩種及以上金屬板材通過一定的工藝方法結合到一起，這樣可以綜合兩種板材的性能，得到性能優異的復合板，一些常見的金屬復合板及其應用如表1 所示[4]。

制作復合板的工藝方法有很多，比如軋制，釬焊，擴散焊等，各種制備方法各有優缺點。層狀復合板主要是實現兩種性能有一定差異的板材的結合，在進行焊接時要考慮兩種材料的可焊性，元素的互溶性，熱膨脹系數，延伸率等，還要考慮復合板的尺寸，焊接設備的工況和可操作性，所以在焊接時有一定的難度。

表1 常見金屬復合板的特性及應用

爆炸焊接復合板是利用炸藥爆炸產生的沖擊力，使得復板在很高速下沖擊基板，在沖擊作用下，兩塊板的結合界面處金屬會產生融化，產生金屬間化合物，發生元素相互擴散，來達到穩固結合的目的，焊接時板材放置如圖1 所示[5]。利用爆炸焊制作層狀復合板可以實現同種或異種材料的結合，且界面結合質量良好；制作的復合板不受尺寸的限制；能夠實現兩層及以上金屬板的結合，對加工的設備及條件要求較低，易于實現。

圖1 平行放置法爆炸焊接示意圖

2 焊接工藝參數的選擇與確定

要使兩種材料通過爆炸焊接的工藝實現復合，爆炸焊接參數的選擇必須在相應的可焊范圍內，并且在可焊范圍內存在最佳焊接參數。材料的物理性質差別越大，焊接參數的選取就越困難。影響爆炸焊接質量的參數主要分為兩個方面，一個是靜態參數，一個是動態參數。

靜態參數主要包括裝藥質量比R，基板與復板之間的距離h，預置角α。R 是指炸藥的質量和復板質量的比值，當裝藥量太少時會造成炸藥的沖擊量太小不能實現結合，炸藥量太大時會造成，結合界面的金屬融化，形成金屬間化合物影響界面的結合質量，也會造成能量浪費；基板與復板的距離h，h 是影響界面結合形狀的重要因素，當h 較大時結合界面區域呈波紋狀，可以提高兩塊板的結合面積，提高結合強度，當h 較小時結合界面呈直線狀，結合強度差；預置角α，是預安裝是基板與復板之間的夾角，可以通過調節預置角來控制碰撞點的移動速度傾斜安裝時一般設為1°～2°，平行安裝時一般設為零。

動態參數是指在爆炸焊接過程中動態變化的參數，爆炸焊接中三個基本的參數為爆炸速度Vp，碰撞點移動速度Vc，碰撞角β，在某一個恰當的范圍內變化時，爆炸焊接才能夠成功，這個范圍稱為爆炸焊接的可焊性區域?？珊感詤^域如圖2 所示。

圖2 爆炸焊接可焊窗口

流動限速度Vc，min是保障射流產生的最小速度，當實際的碰撞點移動速度Vc，p小于Vc時，碰撞點的壓力小于材料的動態屈服極限，不能夠實現連接；聲速限Vc，max是聲音在材料中的傳播速度，當Vc小于聲速限時是才能保證產生射流；下線速度Vp，min，當復板的速度足夠大時才能使材料產生塑性變形，產生射流達到穩固結合的目的，所以爆炸速度Vp要大于下線速度；上線速度Vp，max，當速度無限大時，會導致界面區產生融化，導致金屬化合物的生成，所以Vp不應超過Vp，max。根據圖 2 的可焊接性窗口可知兩個參數確定后，另外一個也就知道，所以一般用三個參數中任意兩個組合均可在平面坐標系中構建爆炸焊接可焊性區域。

3 爆炸焊接的結合界面及影響因素

在爆炸焊接時，當不同種類的兩種板材結合時會產生不同程度的元素擴散，生成不同的金屬間化合物，不同的界面形貌。不同的工藝參數，熱處理工藝對界面結合產生的影響，下面將進行具體的分析。

3.1 爆炸焊接層狀復合板結合界面研究

C.Borchers[6]等人對中碳鋼和低碳鋼界面的微觀結構和力學性能進行了研究發現在波紋狀的結合界面處有局部熔化區出現，如圖3，且局部熔化區的硬度高于其他地方，說明界面處有金屬間化合物生成；在垂直于焊縫做拉伸實驗時斷裂發生在在中碳鋼側，沒有發生在焊縫處說明結合良好；斷口表面的SEM 圖片顯示，有很多的韌窩，說明斷裂為韌性斷裂，如圖4 所示。

圖3 波峰處的局部熔化區 圖4 拉伸斷口形貌

Hong-bo Xia[7]研究了Ti/Al 的爆炸焊接，在光學顯微鏡在波峰處有局部熔化區如圖5 所示，EDS 掃描發現有金屬擴散，但是沒有金屬間化合物；在結合界面處的線掃描顯示有一個2.1 μm 的擴散層；在爆炸力作用下，結合的界面處發生強烈塑性變形，在鈦側和鋁側都出現了位錯，由于鈦的軟化溫度高于鋁，所以位錯數量較多如圖6 所示；TEM 顯示晶粒內有很多的位錯，晶粒被任意性拉長；在位錯的作用下界面附近的顯微硬度高于其他部位。

圖5 結合界面處的局部熔化區

圖6 Ti 側表面的位錯情況

Y.B.Yan 等人[8]通過爆炸焊接制備了AZ31B-鋁合金7075 復合板，并對其結合界面進行了研究發現結合界面是普遍的波紋狀，并在波峰處有局部熔化區如下頁圖7 所示；因為動態再結晶，在鎂合金側出現了隔熱剪切帶，隔熱剪切帶是由等軸晶組成，逐漸轉化成孿晶如下頁圖8 所示，導致鎂合金界面附近硬度的增加。

南京航空航天大學的郭老師[9]對Al/316LSS 進行了研究發現，在爆炸開始的地方結合和界面是直線型的，在中間位置逐漸變成波紋狀，在后部分又變成直線型；且在后半部分出現了金屬間化合物，在進行彎曲試驗時，當彎曲角度達到40°時在后半部分的結合界面處出現裂紋，一直擴展到316ss 層。

西安交通大學的zhang 等人[10]觀察2205/X65不銹鋼時發現，在波峰的金屬融化區的結合方式為金屬-金屬結合，金屬-固溶物結合；在巨大撞擊力的作用下，X65 進入了2205 側，所以在2205 側的Cr含量很高，表明元素有很大的擴散。

圖7 結合界面微觀圖

圖8 隔熱剪切帶的微觀圖像

3.2 不同熱處理對結合界面的影響

太原理工大學的張楠[11]對爆炸焊接的AZ31B/AA6061 復合板進行熱處理，觀察發現在未進行熱處理時，爆炸完成后鎂合金一側的晶粒沿著爆炸方向拉伸成流線型，但是變形不均勻分成三個區域：小等軸晶粒區、粗晶區、基板晶區，在鎂合金側出現了隔熱剪切帶。

當退火溫度在200 ℃時，界面沒有任何改變；當退火溫度超過250 ℃時，高脆度和硬度的Al-Mg 金屬間化合物生成，導致強度急劇下降；當退火溫度為300～400 ℃的時候，復合板斷裂和分層，導致應力應變曲線迅速的突然地下降。界面晶粒變大和中間擴散層變厚。恰當的退火導致晶粒的回復和再結晶；沿金屬間化合物層能夠轉化傳遞足夠的載荷抵抗斷裂和部分分層帶來的塑性變形，使得延伸率增加了22.7%。所以說退火的時候控制好金屬間化合物層的厚度對于性能提高很重要。

Mohammad Hosein Bina 等人[12]對爆炸焊接的銅-不銹鋼進行熱處理，處理溫度300 ℃，時間8 h，發現在結合界面處出現擴散層，擴散層的出現阻礙了位錯的發展，在回復再結晶的時候阻止晶粒的長大；相比較于熱處理前，銅和鐵的平均硬度有所下降。

3.3 不同工藝參數的對結合界面的影響

Ahmet Durgutlu[13]采用不同的爆炸比和板間距離，板間距離h=0.5 t（t 為覆板的厚度）保持不變時，R 從1.5 變化到2.5 時結合界面從直的變化到波紋狀；當h=1.5 t，R=1.5 時結合界面因為波紋狀，說明隨著R 和h 的增加，兩板的撞擊力增加，結合界面由直線變成了波紋狀，并且波紋幅度不斷增加。

4 爆炸焊接新技術的開發

隨著層狀復合板的應用領域越來越廣泛，爆炸焊焊接的工藝應用變得很普遍，雖然爆炸焊接的有很多的優勢，但關于爆炸焊的危害及防護方面的研究較少，現行的爆炸焊接生產一般都是單體的分散式野外作業，炸藥爆炸產生的強大沖擊波、地震波和噪聲嚴重影響了周圍房屋的安全和百姓的正常生活, 由于這些原因極大地限制了爆炸焊接技術的應用，所以人們經過不斷地探索結合應用開發了雙立式爆炸焊接，水下爆炸焊接，爆炸加軋制等多種焊接方法[14]。

雙立式爆炸焊接一次可以焊接兩塊板，極大的提高了能量的利用率，減小了對周圍環境的影響，有利于工業化標準化的生產；水下爆炸焊接的沖擊載荷分布均勻，水對炸藥的緩沖作用降低了爆炸對環境的影響，并且對于硬脆性焊接材料的焊接提供另一條途徑；爆炸加軋制可以制備出大面積的，超薄的金屬復合板，結合方法減少了炸藥的使用量，降低了爆炸焊接帶來的危害。