鄧 偉，陸 明，田曉潔

(1.中國人民解放軍63981部隊，湖北 武漢 430311； 2.解放軍理工大學野戰(zhàn)工程學院，江蘇 南京 210007；3.中國海洋大學工程學院，山東 青島 266100)

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爆速對爆炸焊接鋁/不銹鋼復合管界面及結(jié)合性能的影響

鄧 偉1,2，陸 明2，田曉潔3

(1.中國人民解放軍63981部隊，湖北 武漢 430311； 2.解放軍理工大學野戰(zhàn)工程學院，江蘇 南京 210007；3.中國海洋大學工程學院，山東 青島 266100)

通過在粉狀乳化炸藥中添加不同比例的密度調(diào)節(jié)劑，配制了爆速范圍為1 450～2 550 m/s的低爆速炸藥；采用該爆速炸藥進行了鋁/不銹鋼復合管爆炸焊接實驗，結(jié)合最小碰撞速度理論，對實驗結(jié)果及其界面微觀結(jié)構(gòu)和結(jié)合強度進行了測試和分析，確定該復合管爆炸焊接的合適爆速約為1 950～2 150 m/s，其結(jié)合質(zhì)量能夠滿足后續(xù)加工要求；同時發(fā)現(xiàn)界面由介于直線與波形之間的波狀形態(tài)組成，且呈現(xiàn)不太規(guī)則的扁平波狀結(jié)合，經(jīng)分析，炸藥爆速、復合管的爆炸焊接環(huán)境和爆炸產(chǎn)物飛散條件對界面結(jié)合波形及熔化層厚度有很大影響。

爆炸力學；爆轟速度；爆炸焊接；鋁/不銹鋼復合管；結(jié)合質(zhì)量

兩種不同材質(zhì)和性能的金屬管通過爆炸焊接復合而成的雙金屬復合管，由于兼具了基管和復管材料的優(yōu)勢，因此具有廣闊的應用前景。如鋁/不銹鋼復合管，其中的鋁復管通過氧化生成的α-Al2O3陶瓷層[1]，能對核能設備管起到防腐蝕和防核輻射滲透的作用，因此其異型件在核能設施領域應用廣泛。

當基材和復材之間的間距一定時，炸藥爆速直接影響基材、復材碰撞駐點移動速度和碰撞速度的大小[2]，進而影響到爆炸焊接的質(zhì)量好壞。目前，關(guān)于炸藥爆速對復合板爆炸焊接質(zhì)量影響的研究報道較多，如文獻[3]選取裝藥密度約為0.8 g/cm3、爆速約為2 800 m/s的巖石硝胺粉狀乳化炸藥，成功實現(xiàn)了鋁/鋁復合板的對稱爆炸焊接，文獻[4]采用爆速2 400～2 500 m/s的低爆速炸藥成功進行了鈦/鋼復合板的爆炸焊接實驗，文獻[5]探討了爆炸焊接裝藥量對復合板界面性能的影響等。目前管材的爆炸復合也有了初步研究，如文獻[6]用準一維流模型給出管中爆轟產(chǎn)物流動方程，并給出了工藝參數(shù)之間的關(guān)系，文獻[7]進行了鈦/鋼復合管最佳焊接間隙選取的實驗，文獻[8-9]重點分析了鐵/鈦、鋁/鈦爆炸焊接復合管界面的結(jié)合質(zhì)量，而文獻[10]則采用數(shù)值模擬方法分析了裝藥量對復合管爆炸焊接質(zhì)量的影響，但目前復合管爆炸焊接研究中，關(guān)于炸藥爆速與復合管界面微觀結(jié)構(gòu)的關(guān)系以及爆速對宏觀結(jié)合質(zhì)量影響的相關(guān)實驗研究卻相對較少。

本文中通過在粉狀乳化炸藥中添加不同比例密度調(diào)節(jié)劑得到不同的炸藥爆速，進行鋁/不銹鋼復合管爆炸焊接實驗，并結(jié)合最小碰撞速度理論以及界面微觀結(jié)構(gòu)和力學性能的測試和分析，以確定該復合管合理的炸藥爆速范圍，以及不同爆速下的界面結(jié)合性能和承受較大塑性變形的能力，為后續(xù)制備更加復雜形狀的復合管成形提供初步的研究。

1 實 驗

1.1 不同爆速炸藥的配制

目前爆炸焊接領域廣泛采用的是工業(yè)粉狀乳化炸藥，但由于該炸藥的爆速對于雙金屬復合板(管)的爆炸焊接來說相對較高，因此，為了滿足爆炸焊接質(zhì)量的要求，通常是在粉狀乳化炸藥中添加不同比例的密度調(diào)節(jié)劑來降低爆速[11]。

實驗采用的密度調(diào)節(jié)劑為氯化鈉，采用BSZ-1智能單段爆速儀對不同配比的炸藥進行爆速測定，藥柱直徑根據(jù)復合管爆炸焊接實驗中的復管直徑來確定，密度在自然堆積狀態(tài)下確定。表1所示為不同體積配比的6種混合炸藥的爆速，每種混合炸藥進行3次爆速測試，并取平均值作為該配比下的炸藥爆速。表中Re為藥柱直徑，φ(NaCl)為氯化鈉體積分數(shù)，v為實測炸藥爆速，va為平均爆速。

表1 不同配比的粉狀乳化炸藥爆速測試結(jié)果

1.2 實驗材料及方法

爆炸焊接實驗中，基管為不銹鋼管(316L)，復管為純鋁管(1060)，其基本力學性能及結(jié)構(gòu)尺寸見表2。表中ρ為密度，σs為屈服強度，σb為抗拉強度，μ為泊松比，Hv為維氏硬度，r為內(nèi)徑，l為長度，s為壁厚。

表2 鋁復管和不銹鋼基管的基本力學性能及尺寸

圖1 復合管爆炸焊接裝置示意圖與實物圖Fig.1 Schematics of explosive welding installation

焊接實驗采用內(nèi)爆法，即將復管置于基管內(nèi)部，炸藥則填充于復管的內(nèi)孔中。由于復管是在炸藥爆炸載荷的作用下與基管發(fā)生高速碰撞而復合在一起的，因此在爆炸焊接過程中，為防止基管碰撞時變形損壞，需將它置于具有一定剛強度的模具內(nèi)。為確保爆炸焊接后的復合管能很容易從模具中取出，模具采用文獻[12]所給出的結(jié)構(gòu)，整個復合管爆炸焊接系統(tǒng)的裝配結(jié)構(gòu)示意圖及實物圖分別如圖1(a)、(b)所示。

根據(jù)復管壁厚情況，參照復合管爆炸焊接工藝[2]，基管、復管之間的間隙采用1 mm；基管、復管裝配前，先用超聲波清洗鋁管和不銹鋼管的內(nèi)外表面，再用丙酮進行清洗。

1.3 實驗結(jié)果

采用表1中5種配比的混合粉狀乳化炸藥1～5進行爆炸焊接實驗，得到對應序號的鋁/不銹鋼復合管1～5。經(jīng)觀測，復合管的外表面均未出現(xiàn)宏觀開裂等嚴重缺陷；將復合管沿軸線方向剖開，可以觀察到不同炸藥爆速下的復合管內(nèi)表面及剖面情況，如圖2所示。

由圖2可知，復合管1其復管表層發(fā)生燒傷、穿透，損壞面積約50%，復合管2其復管表層發(fā)生燒傷，損壞面積約30%，復合管3未發(fā)現(xiàn)明顯缺陷，復管內(nèi)表層附有大量爆炸產(chǎn)物，復合管4未發(fā)現(xiàn)明顯缺陷，且表層清潔，復合管5基管、復管間存在明顯的縫隙。這一結(jié)果表明：配制的3種混合炸藥1、2、5，其爆速均不能滿足鋁/不銹鋼復合管爆炸焊接質(zhì)量的要求，混合炸藥3、4焊接的復合管無明顯缺陷。

圖2 5種爆速下復合管內(nèi)表面及剖面基本情況Fig.2 Inner surface and section of the composite tubes in five kinds of detonation velocity

2 結(jié)果與分析

2.1 爆速的影響分析

根據(jù)金屬材料性質(zhì)計算的“可焊性窗口”下限最小碰撞速度vp,min可由下式表示[2]：

(1)

式中：K為常數(shù)，取值在0.6～1.2之間，當金屬待結(jié)合表面得到很好的預處理時，可取0.6；Hv為復管材料的維氏硬度；ρf為復管材料的密度。

將表2中鋁材的Hv、ρf代入式(1)中，計算得出可靠焊接所需的鋁復管理論最小碰撞速度vp,min=309 m/s。

在內(nèi)爆法的復合管爆炸焊接中，復管內(nèi)單位長度裝藥量的爆轟荷載對該長度圓周壁上的作用效果呈軸對稱均勻分布，因此，可將單位復管長度上的裝藥量等效為單位面積裝藥量C，由此可計算出C與復管單位面積質(zhì)量mf的比值R[13]：R=C/mf。根據(jù)自然堆積狀態(tài)下的粉狀乳化炸藥密度為0.8g/mm3，氯化鈉密度為0.4g/mm3，鋁復管內(nèi)徑為11mm，可得到表1中5種配比的混合炸藥的R值(見表3)。

在間隙一定的情況下，R與炸藥爆速vd和碰撞速度vp之間的關(guān)系可由以下經(jīng)驗公式表示[12]：

(2)

將式(2)變換得到：

(3)

將表1中炸藥1～5實測的炸藥爆速vd值和計算值R代入式(3)中，得到5種不同爆速下的理論碰撞速度vp1～vp5，如表3所示。

表3 與表1對應的不同序號炸藥計算得到的鋁復管碰撞速度

由vp1～vp5可知：(1)由于炸藥5碰撞速度vp5=228 m/s遠低于最低理論碰撞速度vp，min=309 m/s，因此，不能實現(xiàn)鋁/不銹鋼復合管的爆炸焊接(圖2中的復合管5結(jié)合界面上出現(xiàn)了明顯縫隙也證實了這一點)；(2)炸藥2碰撞速度vp2=422 m/s比vp，min=309 m/s大了36%，這在理論上能夠?qū)崿F(xiàn)可靠的爆炸焊接，但由于實驗中的鋁復管壁厚僅1 mm，且在爆炸焊接過程中，首先還要擴徑至與基管內(nèi)徑相同后才會發(fā)生相互碰撞，這就意味著碰撞時的鋁壁厚將變得更薄，再加上鋁的強度又較低，因此，若爆轟壓力過高、碰撞速度過大(炸藥1更是如此)，鋁管壁則很容易破裂或被擊穿而導致復合管質(zhì)量不能滿足使用的要求，圖2中復合管1、2就證實了這一點。(3)炸藥3碰撞速度vp3=380 m/s、炸藥4碰撞速度vp4=321 m/s都高于vp，min=309 m/s，在理論上都能夠?qū)崿F(xiàn)可靠的爆炸焊接，直觀結(jié)果觀察也證實了這一點，但炸藥3中粉狀乳化炸藥比例高于炸藥4，結(jié)果在內(nèi)壁留下大量不易清理的爆炸產(chǎn)物，影響后續(xù)塑性成形的表面質(zhì)量，而復合管4內(nèi)表面附著爆炸產(chǎn)物相對較少，易于后續(xù)加工。

根據(jù)上述實驗的直觀觀察和理論分析可知，滿足鋁/不銹鋼復合管可靠爆炸焊接的炸藥爆速應為1 950 m/s左右至2 150 m/s左右。但采用爆速2 150 m/s左右的炸藥，其作用后的復合管內(nèi)壁上殘留大量不易清除的爆炸產(chǎn)物，會影響后續(xù)塑性成形加工。

2.2 結(jié)合界面波形掃描分析

圖2中復合管3、4的表面和剖面未見直觀缺陷，為進一步了解炸藥3、4爆炸焊接的復合管結(jié)合界面上的微觀結(jié)構(gòu)，對實驗得到鋁/不銹鋼復合管3、4試樣沿爆轟方向的前、中、末端結(jié)合界面進行了電鏡掃描，為消除爆轟初始階段起爆端和末端的端效應影響，先對試樣的前端和末端各截取10mm。圖3、4分別為復合管3、4結(jié)合界面的電鏡掃描圖像。

圖3 復合管3結(jié)合界面電鏡掃描圖像Fig.3 SEM image of composite tube 3

圖4 復合管4結(jié)合界面電鏡掃描圖像Fig.4 SEM image of composite tube 4

對比觀察兩組復合管的SEM圖像發(fā)現(xiàn)：爆速較大的炸藥(2 150 m/s左右)得到的復合管，其界面結(jié)合波形更大，結(jié)合質(zhì)量可能更好；界面為介于直線與波形之間的波狀形態(tài)組成；界面波的波幅前端較小，沿著爆轟傳播方向增大，至末端時又變小。同時對比復合板結(jié)合界面特征及界面波形貌[3-4]，可以發(fā)現(xiàn)鋁/不銹鋼復合管結(jié)合界面的波幅和波長盡管不太規(guī)則，但總體上仍為微、小波狀結(jié)合，只是波形相對扁平，其最大波峰約為30 μm；在復合管的界面上形成了一定厚度的熔化層，爆速為2 150 m/s左右的炸藥得到的復合管的界面熔化層厚度更大，達到20～30 μm，爆速為1 950 m/s左右的炸藥得到的復合管熔化層厚度約為10～20 μm。根據(jù)界面結(jié)合波的大小與界面縫隙、空洞物等微觀缺陷之間的關(guān)系[2]可知，這兩種界面結(jié)合質(zhì)量優(yōu)良。界面波形分析結(jié)果進一步表明，所確定的炸藥爆速范圍(1 950～2 150 m/s)能滿足復合管爆炸焊接質(zhì)量的要求。

分析認為造成界面波波幅前后變化的原因是：采用內(nèi)爆法的復合管爆炸焊接，炸藥裝在相對密閉的復管內(nèi)，爆炸產(chǎn)生的爆轟產(chǎn)物在徑向方向上不存在飛散，爆轟產(chǎn)物將隨著爆轟波的推移而不斷積累，由此導致作用在復合管軸線方向上的爆轟荷載壓力也隨之增大；而在爆轟末期，爆轟產(chǎn)物能從管的端口及時排除，使得這一增大趨勢受到抑制。根據(jù)界面結(jié)合形貌與爆炸荷載之間的關(guān)系可知[13]，形成的復合管界面波的波幅也將是沿著爆轟傳播方向由小到大，至爆轟末端時又變小。

而結(jié)合界面波形不太規(guī)則、且相對扁平的原因是：爆轟產(chǎn)物在相對密閉空間內(nèi)不能及時排除，相對于裸露裝藥的復合板爆炸焊接過程，管內(nèi)高壓爆炸產(chǎn)物作用于管壁上的時間將相應延長，從而使得復管與基管碰撞結(jié)合后，因受到較長時間的高壓爆轟產(chǎn)物作用而使得界面結(jié)合波的波幅變小，呈現(xiàn)出扁平狀界面波形貌，同時較長時間高溫作用也極易使界面產(chǎn)生熔化層。

2.3 界面結(jié)合質(zhì)量力學性能測試

盡管復合管表面和剖面未見直觀缺陷，且通過復合管結(jié)合界面上的波形結(jié)構(gòu)判斷認為界面結(jié)合質(zhì)量優(yōu)良，但其界面結(jié)合質(zhì)量是否能滿足后續(xù)的塑性加工的要求還有待確定。為此，又對復合管3、4進行了界面結(jié)合的力學性能測試，主要有壓剪測試、壓扁測試和彎曲測試。為消除爆轟初始階段非穩(wěn)定爆轟和爆轟末端稀疏波對結(jié)合質(zhì)量的影響，力學性能測試時選用的試樣為鋁/不銹鋼復合管的中端部分。

抗剪切測試中，分別對2種爆速作用下的復合管中部進行了圓環(huán)取樣，其厚度約2 mm。通過自制剪切裝置(圖5(a))測試后發(fā)現(xiàn)，2種復合管試樣的剪斷部位都發(fā)生在材料強度相對較弱的鋁層上，而在結(jié)合界面上未出現(xiàn)分離現(xiàn)象，說明復合管界面結(jié)合處的剪切強度大于鋁的剪切強度(圖5(b)、(c))。

圖5 鋁/不銹鋼復合管試樣壓剪性能測試Fig.5 Composite tube of Al/316L cutting test

在徑向抗壓扁測試中，當復合管試樣的外徑由19 mm壓扁至9 mm，即壓扁率為52.3%時，兩種復合管其結(jié)合界面宏觀上也未出現(xiàn)開裂現(xiàn)象，微觀照片顯示其結(jié)合界面也未出現(xiàn)微觀缺陷，如圖6所示，參照GB/T 18704-2008《結(jié)構(gòu)用不銹鋼復合管》的相關(guān)標準，已符合標準要求。

圖6 鋁/不銹鋼復合管試樣壓扁性能測試Fig.6 Composite tube of Al/316L flattening test

在彎曲性能測試中，首先用線切割機制備了4段長40 mm、寬5 mm的條狀試樣(復合管3、4各2段)，并將其壓平，然后在SANS微機控制的電子萬能拉力試驗機上進行彎曲測試(圖7(a))，一組為內(nèi)側(cè)沖壓彎曲，另一組為外側(cè)沖壓彎曲，當兩組試樣的彎曲角度達到60°時均未出現(xiàn)分離現(xiàn)象(圖7(b))。

圖7 鋁/不銹鋼復合管試樣彎曲性能測試Fig.7 Composite tube of Al/316L bending test

上述力學性能測試結(jié)果進一步表明，炸藥爆速為1 950～2 150 m/s制備的鋁/不銹鋼復合管的界面結(jié)合性能和結(jié)合強度完全能承受后續(xù)較大塑性變形的能力。

3 結(jié) 論

(1)根據(jù)最小碰撞速度理論，以及不同爆速下的鋁/不銹鋼復合管爆炸焊接實驗結(jié)果分析，該尺寸的鋁/不銹鋼復合管爆炸焊接的合適爆速為1 950～2 150 m/s，但爆速2 150 m/s左右得到的復合管內(nèi)表面殘留大量不易清理的爆炸產(chǎn)物，會影響后續(xù)加工使用。

(2)實驗得到的鋁/不銹鋼復合管界面由介于直線與波形之間的波狀形態(tài)組成；復合管前端波幅較小，沿著爆轟傳播方向增大，至末端時又變小，復合管結(jié)合界面波形呈現(xiàn)不太規(guī)則的扁平波狀結(jié)合；爆速越大，復合管界面波形越大，熔化層越厚。經(jīng)分析，這主要是因為爆轟產(chǎn)物在相對密閉空間內(nèi)不能及時排除，管徑方向不存在爆炸產(chǎn)物的飛散，使得高溫高壓爆炸產(chǎn)物作用于復管壁上的時間相應延長所致。

(3)實驗得到的鋁/不銹鋼復合管在軸向及徑向載荷作用下，結(jié)合性能良好，未出現(xiàn)開裂現(xiàn)象。塑性變形的結(jié)果表明，鋁/不銹鋼復合管優(yōu)良的界面結(jié)合使后續(xù)加工制備成更加復雜的管件成為可能。

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(責任編輯 曾月蓉)

Influence of detonation velocity on interface and combination performances of Al/316L composite tube by explosive welding

Deng Wei1,2, Lu Ming2, Tian Xiao-jie3

(1.63981UniteofPeople’sLiberationArmy,Wuhan430311,Hubei,China; 2.CollegeofFieldEngineering,Science&TechnologyUniversityofPeople’sLiberationArmy,Nanjing210007,Jiangshu,China; 3.CollegeofEngineering,OceanUniversityofChina,Qindao266100,Shandong,China)

To obtain low detonation velocity explosive, commercial attenuant was blended into the emulsion explosive. The detonation velocity of compound explosive changes from 2 550 m/s to 1 450 m/s. Through analyzing the result of mechanical properties test and microstructure test of the Al/316L composite tubes which were fabricated by explosive welding of compound explosives, the appropriate detonation velocity (1 950～2 150 m/s) for the explosive welding of composite tube is obtained, and the combination quality of the composite tubes meet the subsequent processing requirement. The shape of the interface waveform is between line and wave. Interfacial wave also has poor rule of periodic variation. The reasons are that detonation velocity is important to the process, the explosion product does not scatter in the direction of tube diameter and the time that detonation products inside the tube affect to the flyer tube is longer than the flyer plate in the explosive welding process.

mechanics of explosion; detonation velocity; explosive welding; Al/316L composite tube; combination quality

10.11883/1001-1455(2015)01-0082-07

2013-06-08；

2013-09-07

國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃(863計劃)項目(2013AA09A220)

鄧 偉(1985— )，男，博士研究生;通訊作者： 陸 明,luming569@sohu.com。

O389；TG456.6 國標學科代碼： 13035

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