雙層爆炸復合中覆板最小可焊厚度的分析

張仲一，郭子如，周佐玉，王自軍，方中華，魏善太，何志偉，劉 偉

(1.安徽理工大學化學工程學院，安徽 淮南232001；2.湖北金蘭特種金屬材料有限公司，湖北 赤壁 437300；3.安徽江南化工股份有限公司,合肥 230022)

爆炸焊接亦稱爆炸復合，是一種利用炸藥爆炸產生的能量，使同種或者異種材料發生高速斜碰撞，形成金屬間冶金結合的高能加工技術，由爆炸焊接法制備的金屬復合材料由于其具備獨特的功能性以及可加工性，已得到廣泛地應用[1-2]。在爆炸焊接使用炸藥方面，吳衛明等[3]對爆炸焊接所使用炸藥的性能進行了探討，結合“爆炸焊接窗口”以及工程實例對用于爆炸焊接的炸藥爆速、密度、爆轟狀態等參數進行計算，得到了爆炸焊接中炸藥爆速的上、下限，密度的取值范圍以及提高炸藥能量利用率的途徑。侯國亭等[4]研究了爆炸焊接機理，提出了“脈沖熔池壓力焊”界面成波的觀點，認為爆炸焊接結合界面波是由射流沖刷的脈沖熔池和爆轟荷載共同作用的結果。閆建文等[5]應用AUTODYN非線性顯式動力學分析軟件，模擬了基、覆板爆炸焊接復合過程，得到了不同炸藥量下爆炸焊接過程中的壓力時程，結合理論公式，分析炸藥量、爆轟荷載、碰撞速度和界面波之間的關系，及炸藥量對爆炸焊接界面波的影響。

目前，薄或脆性復合材料的應用越來越多，特別是一些特殊的裝置或者精密的設備，如何便捷而又有效地實現這類復合材料的爆炸焊接亦是目前需要考慮的問題。因此，在實際的爆炸焊接過程中，覆板的最小可焊厚度也是爆炸焊接實踐中需要考慮的一個問題，筆者針對這一問題予以了分析。

1 爆炸焊接用炸藥

1)爆炸焊接對其所用炸藥的爆炸性能有著特殊要求，由于需要在復板上布置炸藥，所以要求爆炸焊接用炸藥具有易于攤鋪、布藥的特點，根據“爆炸焊接窗口”理論，所用炸藥應為低爆速炸藥，炸藥的爆速一般在2 000 m/s左右[6]。

2)炸藥布藥量是爆炸焊接的一個非常重要的初始參數，在其他條件都確定的情況下，由于布藥量的大小決定著布藥厚度，所以它在某種程度上也影響著炸藥的爆速vd，與此同時，隨著布藥量的增大，爆炸載荷以及基覆板的碰撞速度vp當然也會隨之增大。

3)爆炸焊接基覆板的結合界面一般分為3種：即大波狀結合界面、小波狀結合界面以及微波狀結合界面。大波狀結合界面波高100～150 μm，波長一般在300 μm左右，結合界面有比較寬的過渡區域(約30 μm左右)并有縫隙存在；小波狀結合界面類似于大波狀結合界面，波高約為50 μm，波長約100～150 μm，縫隙稍小；微波狀結合界面幾乎看不到分界面，可以認為這類結合界面為完全焊合。大波狀結合界面并不是最佳的結合界面，小波狀結合和微波狀結合界面才是高質量的結合界面[7]。

爆炸焊接結合界面到底是屬于哪一種波型是根據波長λ來劃分的，通常對于波長λ的計算可采用如下的公式[8]：

(1)

式中：vp為基覆板的碰撞速度；d為覆板厚度；c為覆板金屬的體積聲速；vc為碰撞點移動速度，在平行法爆炸焊接系統中也即炸藥的爆速vd。

由式(1)可知，對于確定的爆炸焊接系統，炸藥爆速及板材種類及厚度是確定的，基覆板碰撞速度vp能很大程度上影響波長λ，在爆炸焊接可焊窗口之內，碰撞速度越小，則結合界面的波長越小越趨近于微波狀結合界面，結合質量也就越高。

傳統的“爆炸焊接窗口”理論是目前爆炸焊接中用來確定動態參數的基本方法，不過“爆炸焊接窗口”只說明了在什么情況下“可焊”，而沒有考慮到如何達到最佳的焊接效果。由式(1)可知，想要讓爆炸焊接結合界面是以微波狀結合，則需要減小碰撞速度vp。所以當取可焊性窗口下限來確定炸藥布藥量時，有利于獲得高質量的微波狀結合界面[9]。

4)柱狀炸藥爆轟存在直徑效應，最小可爆轟直徑就是臨界直徑，類似地，對于平板裝藥存在著臨界厚度[10]。對于普通雷管敏感的工業炸藥而言，其臨界厚度一般為20 mm[11]。爆炸焊接所用的是低爆速炸藥，爆炸焊接炸藥的種類一般是銨油炸藥、粉狀乳化炸藥以及加入膨松性、多孔狀物質為密度調節添加劑的低爆速乳化炸藥。

根據實驗測定，某些爆炸焊接用銨油炸藥、粉狀乳化炸藥以及加入膨松性孔狀物質為敏化劑和添加劑的低爆速乳化炸藥的臨界厚度[10,12-13]如表1所示。

表1 幾種常用爆炸焊接炸藥臨界厚度Table 1 Critical thickness of several commonly used explosive welding explosives

2 覆板最小可焊厚度

2.1 理論分析

根據Aziz一維平板爆轟驅動的運動公式[14]

(2)

式中：vd為炸藥爆速；R為單位面積炸藥與覆板的質量比。根據式(2)可以看出影響碰撞速度的主要因素就是質量比R，對于Aziz公式建立數學模型并對R進行求導得

(3)

可以發現vp的導函數(對R求導)是恒大于零的，所以碰撞速度vp是關于質量比的單調增函數，即R減小，vp減小，反之R增大，vp增大。

1.1 試驗試劑 硝酸銀(AgNO3)、二水合檸檬酸三鈉(C6H5Na3O7·2H2O)、氯化鈉(NaCl)、三羥甲基氨基甲烷(Tris)均為分析純，購買于江蘇強盛功能化工股份有限公司；BPA及其類似物，分析純，購買于上海百靈威科技；試驗用水均為超純水。BPA核酸適配子ssDNA，其序列為5’-CCGGTGGGTGGTCAGGTGGGATAGCGTTCCGCGTATGGCCCAGCGCATCACGGGTTCGCACCA-3’，購買于上海生工公司。

對于可焊性窗口下限也即碰撞速度下限，采用下述公式計算。單金屬或2種相似金屬爆炸焊接產生射流的最小碰撞速度為[15]

(4)

式中：σb為金屬材料的極限抗拉強度，Pa；ρ為金屬材料的密度，kg/m3。

由于維氏硬度HV與材料的極限抗拉強度成線性關系，所以式(4)可以變換為

(5)

式中：HV為維氏硬度；ρ為金屬材料的密度；KC為系數，一般取0.6～1.2。

根據上述分析，為了得到高質量的微波狀界面，令

(6)

由此得到的質量比Rmin即為最佳的裝藥質量比，也是最小裝藥質量比。根據Rmin分析覆板的最小可焊厚度，由于Rmin是單位面積上的最佳布藥量與覆板質量的比值，覆板厚度理論上可以無限減小，為了保持比值不變，覆板上布藥厚度也要不斷減小或者炸藥密度需要降低。對于一定品種的炸藥，藥厚的最小值即為該種炸藥能夠發生穩定爆轟的臨界厚度，若藥厚小于臨界厚度則炸藥不能正常起爆，以此來確定理論上的覆板最小可焊厚度。

2.2 應用計算及分析

以不銹鋼—鋼的爆炸焊接為例，采用表1的炸藥，根據式(6)來計算理論上的覆板最小可焊厚度，相關金屬板材的材料特性參數如表2所示。

表2 不銹鋼-鋼的材料特性參數Table 2 Stainless steel-steel material characteristics parameters

表3 不銹鋼-鋼覆板最小可焊理論厚度Table 3 Minimum thickness of flyer plate in stainless steel-steel explosive welding

由理論計算結果可知：一般不銹鋼-鋼爆炸焊接的覆板理論最小可焊厚度是很小的，約在1.5 mm左右。

式(3)是同種金屬或者相似金屬的下限計算公式，而不同種金屬(雙金屬)的爆炸焊接下限計算不同于單金屬或2種相似金屬的計算。在雙金屬爆炸焊接中，只有2種金屬同時產生射流才可能發生焊接，因此碰撞壓力必須達到2種金屬中較高的可焊碰撞壓力。因此要根據式(7)、式(8)先計算出單金屬產生射流的最小碰撞速度，然后計算出單金屬的最小可焊壓力，取兩者間較大者作為雙金屬焊接的最小可焊壓力。

(7)

(8)

式中：C0為材料聲速；ρ為材料密度；λ為線性系數，鋁取1.34，鋼取0.454,銅取1.51，鈦取1.146[16]，處理后得出雙金屬的碰撞速度下限為[15]

(9)

對鋁-鋼、鈦-鋼、銅-鋼的碰撞速度下限進行計算，幾種金屬的材料特性參數如表4所示。

表4 金屬板材的材料特性參數Table 4 Material characteristic parameters of sheet metal

由表4的參數及式(4)、式(7)、式(8)、式(9)可以計算得出鋁-鋼、鈦-鋼、銅-鋼的碰撞速度下限，之后按照與不銹鋼-鋼復合板同樣的計算方法先計算出最小質量比R，之后得出覆板的理論最下可焊厚度，計算得到鋁-鋼、鈦-鋼、銅-鋼復合板的碰撞速度下限分別為453、356、274 m/s，對于表1的3種炸藥，計算得出的質量比R和覆板最小厚度如表5所示。

表5 3種復合板的覆板理論最小可焊厚度Table 5 Minimum thickness of flyer plate of three kinds of coosite board

由表5可以看出鋁-鋼、鈦-鋼、銅-鋼爆炸焊接覆板的最小可焊厚度分別在2.5、2.0、1.5 mm上下，整體上的差異并不大。

為了能夠焊接很薄的覆板，在爆炸焊接實踐中，采用在覆板上方放置水袋、水箱等方法來實現薄板爆炸焊接[17]。但是若采用更低密度的炸藥，則可以不采用這種麻煩的焊接工藝。吳衛明等[18-19]研究設計了一種低密度的柔性平板狀炸藥，利用多孔性物質和乳化液進行物理混合，所得炸藥密度可以低至0.2 g/cm3，臨界厚度為20 mm，此時爆速為2 079 m/s，滿足爆炸焊接的要求。根據以上的分析和方法可以計算出上述幾種常見金屬的爆炸焊接覆板最小厚度約在1 mm。因此，這種低密度炸藥可以實現更小厚度的薄板焊接。

3 結論

1)利用爆炸焊接碰撞速度下限確定布藥量有利于得到高質量的微波狀焊接結合界面。

2)利用爆炸焊接碰撞速度下限和覆板的一維平板運動公式可以估算覆板的理論最小可焊厚度。計算得出在不銹鋼-鋼爆炸焊接中這一值為1.5 mm左右，鋁-鋼、鈦-鋼、銅-鋼爆炸焊接覆板的最小可焊厚度分別在2.5、2.0、1.5 mm左右。

3)焊接更薄的覆板，可采用更低密度的炸藥來實現。