卞 超， 王鳳英， 卜杉杉， 楊曉波， 燕 翔

(中北大學(xué) 化工與環(huán)境學(xué)院， 太原 030051)

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鈦-鋼板爆炸焊接的影響因素及炸藥配方

卞 超， 王鳳英， 卜杉杉， 楊曉波， 燕 翔

(中北大學(xué) 化工與環(huán)境學(xué)院， 太原 030051)

摘要：爆炸復(fù)合用炸藥是影響爆炸焊接效果的最主要因素，不同的材料和工藝參數(shù)對(duì)炸藥的爆速、比沖量和能量有不同的影響，其中炸藥的密度直接影響復(fù)板斜碰撞基板的速度和角度。選用低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼Q345B和工業(yè)純鈦TA2為實(shí)驗(yàn)材料，通過理論計(jì)算與實(shí)驗(yàn)研究，得到了一種較為適合鈦-鋼板爆炸焊接用的炸藥配方，并對(duì)鈦-鋼爆炸焊接影響因素進(jìn)行了探討。

關(guān)鍵詞：爆炸焊接； 基板； 復(fù)板； 爆轟參數(shù)； 炸藥配方； 鈦-鋼板

1引 言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的快速發(fā)展，新材料的應(yīng)用已成為國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要影響因素。為了滿足工業(yè)需要，材料的性能也在不斷的更新優(yōu)化。爆炸復(fù)合材料是近幾年新興的特殊功能材料，它綜合多種材料的優(yōu)點(diǎn)同時(shí)又克服了單一材料功能的不足，因此得到了廣泛應(yīng)用。力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果表明，復(fù)合材料界面的抗拉強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度均介于基、復(fù)板材料的抗拉強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度之間，既符合不同金屬冶金結(jié)合的強(qiáng)度規(guī)律，又能夠高于基、復(fù)板材料本身的抗拉強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度。

然而，影響爆炸焊接工藝的因素有很多，焊接材料的類型、屬性以及實(shí)驗(yàn)材料的厚度，實(shí)驗(yàn)所用炸藥的類型、密度和爆速，初始安裝角度，基、復(fù)板間隙距離，比裝藥量(單位面積裝藥質(zhì)量與復(fù)板質(zhì)量的比值)等都會(huì)影響到焊接質(zhì)量。一般針對(duì)特定的兩種或多種金屬進(jìn)行的爆炸焊接工藝參數(shù)的研究都是相對(duì)唯一的，某一套工藝參數(shù)不具有大眾化，它只適用于特定的某些材料，所以爆炸焊接參數(shù)問題具有復(fù)雜性〔1-2〕。本文通過對(duì)爆轟參數(shù)的理論研究以及炸藥配方的實(shí)驗(yàn)論證研究各參數(shù)對(duì)鈦-鋼板爆炸焊接的影響，探究并且優(yōu)化焊接工藝。

2爆炸焊接實(shí)驗(yàn)

2.1爆炸焊接的影響因素

爆炸焊接參數(shù)的選擇是在爆炸焊接實(shí)驗(yàn)和生產(chǎn)實(shí)踐中面臨的首要問題，結(jié)合界面的外觀形貌、結(jié)合強(qiáng)度以及力學(xué)性能是由爆炸焊接參數(shù)決定的，所以爆炸焊接參數(shù)的選擇直接關(guān)系到能否焊接成功及焊接質(zhì)量。爆炸焊接參數(shù)主要包括可焊性窗口、碰撞速度和碰撞角。

2.1.1可焊性窗口的確定

可焊接性窗口是爆炸焊接工藝參數(shù)的限制窗口，對(duì)于平板爆炸焊接，在平行安裝時(shí)，炸藥爆速vd與碰撞點(diǎn)移動(dòng)速度vc相等。在裝藥參數(shù)不同的情況下，爆炸復(fù)合界面將呈現(xiàn)波狀結(jié)合、形成均勻連續(xù)的熔化層和金屬與金屬的直接結(jié)合三種不同的形態(tài)，獲得均勻合理的波狀結(jié)合需要滿足一定的碰撞條件。

實(shí)現(xiàn)波狀結(jié)合的首要條件是要產(chǎn)生金屬射流，而形成射流，碰撞區(qū)的壓力要超過材料的動(dòng)態(tài)屈服強(qiáng)度，兩碰撞表面產(chǎn)生塑性流動(dòng)，并且碰撞點(diǎn)的移動(dòng)速度要小于材料的體積聲速。當(dāng)碰撞點(diǎn)移動(dòng)速度大于臨界碰撞速度時(shí)，會(huì)形成高強(qiáng)度的波狀結(jié)合。臨界速度表達(dá)式〔3-5〕：

(1)

式中： Re為雷諾數(shù)，取8.6；Hv,f，Hv,b,分別為復(fù)板和基板的維氏硬度，Pa；ρf，ρb分別為復(fù)板和基板的密度，g/cm3。

對(duì)于一般的平行爆炸焊接裝置，可調(diào)節(jié)的工藝參數(shù)基本就是炸藥的品種、炸藥厚度δ0、爆速vd、質(zhì)量比R、基復(fù)板間隙h0等參數(shù)，可焊性窗口可以是動(dòng)態(tài)碰撞速度vp和碰撞點(diǎn)移動(dòng)速度vc坐標(biāo)下四條曲線構(gòu)成的區(qū)域，也可以是由動(dòng)態(tài)碰撞角和碰撞點(diǎn)移動(dòng)速度vc坐標(biāo)下四條曲線構(gòu)成的區(qū)域，圖1是vp-vc爆炸焊接可焊性窗口。

圖1　爆炸焊接可焊性窗口示意圖Fig.1　Explosive weldability window

為了達(dá)到塑性變形，在碰撞點(diǎn)的沖擊壓力要超過材料的屈服應(yīng)力以達(dá)到?jīng)_擊速度，即可焊性窗口的下限〔6〕。

(2)

式中：最小碰撞點(diǎn)移動(dòng)速度vc,min和材料維氏硬度Hv呈函數(shù)關(guān)系； ρ為材料密度，g/cm3；β是碰撞角；常數(shù)k1取0.6~1.2(材料表面潔凈)。

2.1.2碰撞速度和碰撞角

Wittman提出了對(duì)于最大沖擊速度要保持低于一定的值，避免形成界面過度融化層，也可以找到碰撞角度和碰撞點(diǎn)速度的關(guān)系，如下式：

(3)

(4)

式中：N取0.11；Tm為融化溫度，K；k為熱導(dǎo)率W/(m·K)；Cp為比熱容，J/(kg·K)；ρ為材料密度，g/cm3；h為厚度，cm；C0為聲速，cm/s；動(dòng)態(tài)碰撞角β用弧度表示。

在爆炸過程中，碰撞速度vp，炸藥爆速vd和碰撞角度β存在一定的關(guān)系，如公式(5)所示。通常，當(dāng)β<10°可以把公式(5)簡(jiǎn)化為公式(6)。

(5)

vp=vd·sinβ

(6)

公式(6)中的vp實(shí)際上是由加速飛板運(yùn)動(dòng)的炸藥的屬性決定的。所以，為了形成射流，碰撞點(diǎn)的速度需要低于聲速，高爆速炸藥(如爆速為6000m/s～8000m/s的塑性炸藥)是不能實(shí)現(xiàn)爆炸焊接的。

2.2實(shí)驗(yàn)材料

2.2.1鈦、鋼材料參數(shù)

實(shí)驗(yàn)使用的材料是低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼Q345B和工業(yè)純鈦TA2，基板為低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼Q345B(厚16mm)、復(fù)板為純鈦TA2(厚3mm)。表1、表2為其化學(xué)成分〔7〕。

表1　工業(yè)純鈦TA2的主要化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)

表2　低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼Q345B的主要化學(xué)成分

通過查閱文獻(xiàn)〔8〕可知，這兩種材料的物理化學(xué)性能如表3所示。

表3　TA2和Q345B的材料參數(shù)

運(yùn)用公式(1)、公式(2)、公式(6)，通過理論可計(jì)算得出TA2/Q345B理論爆炸焊接窗口參數(shù)，如表4所示。

表4　TA2/Q345B理論爆炸焊接窗口參數(shù)

2.2.2炸藥配方

選取硝酸銨乳化炸藥(硝酸銨(84%)、水(10%)和油加乳化劑(6%))，分成5組，標(biāo)號(hào)1～5，再分別加入不同的敏化劑。第6組選用銨油炸藥(ANFO)，藥厚為30mm的純膨化銨油炸藥的爆速大約為3300m/s，如表5所示。

表5　焊接實(shí)驗(yàn)及炸藥的密度

一般爆炸焊接專用炸藥的爆速為2000m/s～3000m/s。爆速過高，會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的復(fù)板邊緣撕裂現(xiàn)象，有時(shí)甚至?xí)?fù)合板邊緣復(fù)板大面積撕掉。一般爆炸焊接炸藥的密度為0.7g/cm3~0.8g/cm3〔9〕，而純膨化銨油的密度為0.44g/cm3。因此，需要調(diào)整膨化銨油炸藥的爆速和密度。本文按照膨化硝銨與柴油質(zhì)量比94∶6的比例混合制成銨油炸藥。通過對(duì)實(shí)驗(yàn)中的炸藥進(jìn)行相關(guān)的測(cè)試與理論計(jì)算，得出爆炸焊接窗口理論參數(shù)，如表6所示。

表6　爆炸焊接窗口理論參數(shù)

由表5和表6可知：實(shí)驗(yàn)中6種炸藥的密度差別不大，第1、4和6組實(shí)驗(yàn)的炸藥密度在0.760g/cm3~0.804g/cm3之間，但是它們的爆速卻相差甚遠(yuǎn)，由3768m/s到2370m/s。一般爆炸焊接專用炸藥的爆速范圍在2000m/s～3000m/s〔10〕，但是表6中前5種炸藥的爆速均超過這個(gè)范圍，這可能會(huì)導(dǎo)致焊接材料過度熔化。

2.3實(shí)驗(yàn)方案

實(shí)驗(yàn)采用平行布置法，如圖2所示。

圖2　爆炸焊接實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig.2　Schematic representation of the explosive welding process

通過退火的方法降低高強(qiáng)度鋼的硬度并且調(diào)整鋼板的平整度。對(duì)鈦板進(jìn)行表面打磨、拋光，如圖3所示。

圖3　打磨光滑后的鈦板Fig.3　The titanium plates after being polished

將待焊接的鋼板打磨光滑的一面朝上平整地放在巖沙地基上，同時(shí)把鈦板打磨光滑的一面朝下輕輕的安放在間隙墊上并調(diào)整使其位置與下面的鋼板位置對(duì)齊，使用油刷在鈦板上表面均勻涂上一層黃油，以防止表面在爆炸焊接過程中被燒傷。稱量一定量事先計(jì)算好的炸藥，將藥框放在鈦板上面，矩形藥框以起到約束炸藥的作用。起爆炸藥的雷管放在飛板一端。基、復(fù)板間留有一定間隙使爆炸焊接中復(fù)板獲得一定的加速度。起爆后，炸藥爆炸產(chǎn)生的能量驅(qū)動(dòng)復(fù)板運(yùn)動(dòng)，初始驅(qū)動(dòng)加速度較大，當(dāng)復(fù)板達(dá)到最大的飛行速度時(shí)，開始做減速運(yùn)動(dòng)，飛行速度漸漸變小。

3實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，銨油炸藥進(jìn)行爆炸焊接的效果最好，經(jīng)切割處理的工件如圖4所示。

圖4　ANFO炸藥爆炸焊接效果Fig.4　The explosion welding effect of ANFO

使用該炸藥配方進(jìn)行爆炸焊接的復(fù)合板焊接結(jié)合界面呈現(xiàn)均勻的波狀，這是因?yàn)閺?fù)板在爆炸作用下發(fā)生塑性變形，與基板發(fā)生連續(xù)的高速斜碰撞，基板發(fā)生了形變，并在碰撞點(diǎn)前形成突起并與射流相互作用，從而形成了周期性波狀界面。

實(shí)驗(yàn)中所使用炸藥的基礎(chǔ)成分均為硝酸銨，由于添加劑不同，炸藥的密度不同，所達(dá)到的碰撞點(diǎn)移動(dòng)速度也不相同，焊接效果也會(huì)有差異。為了進(jìn)一步明確復(fù)合板的結(jié)合強(qiáng)度(剪切強(qiáng)度)，對(duì)所得的復(fù)合板焊接處上三個(gè)不同的部位進(jìn)行剪切強(qiáng)度的實(shí)驗(yàn)。剪切強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表7所示。

表7　TA2/Q345B爆炸復(fù)合板剪切強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)結(jié)果

從表中可以看出，試件1~3各項(xiàng)參數(shù)相近，剪切強(qiáng)度相差不大；試件4、5各項(xiàng)參數(shù)相近，剪切強(qiáng)度也相差不大；然而試件6具有相對(duì)較高的剪切強(qiáng)度，分別比前5個(gè)試件的剪切強(qiáng)度提高了35.59%、40.35%、46.79%、11.89%、11.11%。由此可見，用銨油炸藥進(jìn)行爆炸焊接的試件剪切強(qiáng)度最高，復(fù)合板的結(jié)合強(qiáng)度最大。實(shí)驗(yàn)中基復(fù)板距離都相同，但由于炸藥密度不同，致使爆炸焊接中復(fù)板斜碰撞基板的速度和角度都有所不同，這導(dǎo)致了復(fù)合板結(jié)合性能的明顯差別。

4結(jié) 論

(1)炸藥密度的不同，導(dǎo)致了爆炸焊接中復(fù)板斜碰撞基板的速度和角度都有所不同，從而導(dǎo)致了復(fù)合板結(jié)合性能的明顯差別。

(2)在碰撞角度一定的情況下，動(dòng)態(tài)碰撞速度vp是界面波波形參數(shù)的一個(gè)重要影響因素。

(3)實(shí)驗(yàn)得到一種適合鈦-鋼板爆炸焊接的炸藥配方，可為同種類型爆炸焊接提供參考。

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Study of explosive formula and factors on explosive welding of titanium-steel plate

BIAN Chao， WANG Feng-ying， BU Shan-shan， YANG Xiao-bo， YAN Xiang

(School of Chemical Engineering and Environment, North University of China, Taiyuan 030051, China)

ABSTRACT：The most important factor which affected the explosive welding was the composite explosive. Different materials and process parameters had different influence on the detonation velocity, specific impulse and energy of explosive. The density of explosive directly affected the speed and angle of oblique collision between flyer plate and substrate. High strength-low alloy steel Q345B and industrial pure titanium TA2 were chosen as experimental materials. The factors of explosive welding of titanium and steel were discussed and a preferable explosive formula was obtained through theoretical calculation and experiments.

KEY WORDS:Explosive welding; Substrate; Flyer plate ; Detonation parameters; Explosive formula; Titanium-steel plate

中圖分類號(hào)：TD235. 2

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

doi：10.3969/j.issn.1006-7051.2016.01.016

作者簡(jiǎn)介：卞 超(1989-)，男，碩士，主要從事爆炸焊接相關(guān)的研究。E-mail: bianchao587@163.com

收稿日期：2015-11-25

文章編號(hào)：1006-7051(2016)01-0073-04