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(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院， 山西 太原 030024；2.蘇州北美國際高級中學(xué)， 江蘇 蘇州 215104)

1944 年Carl 在實踐中偶爾的發(fā)現(xiàn)了爆炸焊接技術(shù)，1959 年，在美國Phillpchuk 成功的利用爆炸焊接技術(shù)焊接了鋼-鋁，并在不斷地研究下，成功的應(yīng)用到了工業(yè)生產(chǎn)中[1]。隨后美國日本德國前蘇聯(lián)都投入了大量的研究，促進了爆炸焊接大范圍的工程上應(yīng)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(fù)合板[2]，隨著爆炸焊技術(shù)的不斷改進和成熟，能夠焊接的復(fù)合板種類越來越多，應(yīng)用的范圍也越來越大，現(xiàn)在層狀復(fù)合板因其優(yōu)異的性能被廣泛的應(yīng)用在石油化工、壓力容器、船舶制造、航空航天及核工業(yè)等領(lǐng)域。

1 爆炸焊接層狀復(fù)合板簡介

隨著科學(xué)技術(shù)的進步與發(fā)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(jīng)濟性的要求，所以復(fù)合板應(yīng)運而生。在此形勢下，制造業(yè)以節(jié)能、節(jié)省資源為出發(fā)點，不斷向制品輕量化、高性能化發(fā)展。隨之人們對基礎(chǔ)材料的要求也多樣化、高級化。傳統(tǒng)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(yè)的發(fā)展要求[3]。復(fù)合板是兩種及以上金屬板材通過一定的工藝方法結(jié)合到一起，這樣可以綜合兩種板材的性能，得到性能優(yōu)異的復(fù)合板，一些常見的金屬復(fù)合板及其應(yīng)用如表1 所示[4]。

制作復(fù)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(yōu)缺點。層狀復(fù)合板主要是實現(xiàn)兩種性能有一定差異的板材的結(jié)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(shù)，延伸率等，還要考慮復(fù)合板的尺寸，焊接設(shè)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(fù)合板的特性及應(yīng)用

爆炸焊接復(fù)合板是利用炸藥爆炸產(chǎn)生的沖擊力，使得復(fù)板在很高速下沖擊基板，在沖擊作用下，兩塊板的結(jié)合界面處金屬會產(chǎn)生融化，產(chǎn)生金屬間化合物，發(fā)生元素相互擴散，來達到穩(wěn)固結(jié)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(fù)合板可以實現(xiàn)同種或異種材料的結(jié)合，且界面結(jié)合質(zhì)量良好；制作的復(fù)合板不受尺寸的限制；能夠?qū)崿F(xiàn)兩層及以上金屬板的結(jié)合，對加工的設(shè)備及條件要求較低，易于實現(xiàn)。

圖1 平行放置法爆炸焊接示意圖

2 焊接工藝參數(shù)的選擇與確定

要使兩種材料通過爆炸焊接的工藝實現(xiàn)復(fù)合，爆炸焊接參數(shù)的選擇必須在相應(yīng)的可焊范圍內(nèi)，并且在可焊范圍內(nèi)存在最佳焊接參數(shù)。材料的物理性質(zhì)差別越大，焊接參數(shù)的選取就越困難。影響爆炸焊接質(zhì)量的參數(shù)主要分為兩個方面，一個是靜態(tài)參數(shù)，一個是動態(tài)參數(shù)。

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

動態(tài)參數(shù)是指在爆炸焊接過程中動態(tài)變化的參數(shù)，爆炸焊接中三個基本的參數(shù)為爆炸速度Vp，碰撞點移動速度Vc，碰撞角β，在某一個恰當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)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(qū)域?？珊感詤^(qū)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(chǎn)生的最小速度，當(dāng)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(tài)屈服極限，不能夠?qū)崿F(xiàn)連接；聲速限Vc，max是聲音在材料中的傳播速度，當(dāng)Vc小于聲速限時是才能保證產(chǎn)生射流；下線速度Vp，min，當(dāng)復(fù)板的速度足夠大時才能使材料產(chǎn)生塑性變形，產(chǎn)生射流達到穩(wěn)固結(jié)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(dāng)速度無限大時，會導(dǎo)致界面區(qū)產(chǎn)生融化，導(dǎo)致金屬化合物的生成，所以Vp不應(yīng)超過Vp，max。根據(jù)圖 2 的可焊接性窗口可知兩個參數(shù)確定后，另外一個也就知道，所以一般用三個參數(shù)中任意兩個組合均可在平面坐標系中構(gòu)建爆炸焊接可焊性區(qū)域。

3 爆炸焊接的結(jié)合界面及影響因素

在爆炸焊接時，當(dāng)不同種類的兩種板材結(jié)合時會產(chǎn)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(shù)，熱處理工藝對界面結(jié)合產(chǎn)生的影響，下面將進行具體的分析。

3.1 爆炸焊接層狀復(fù)合板結(jié)合界面研究

C.Borchers[6]等人對中碳鋼和低碳鋼界面的微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能進行了研究發(fā)現(xiàn)在波紋狀的結(jié)合界面處有局部熔化區(qū)出現(xiàn)，如圖3，且局部熔化區(qū)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(fā)生在在中碳鋼側(cè)，沒有發(fā)生在焊縫處說明結(jié)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(qū) 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(xué)顯微鏡在波峰處有局部熔化區(qū)如圖5 所示，EDS 掃描發(fā)現(xiàn)有金屬擴散，但是沒有金屬間化合物；在結(jié)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(jié)合的界面處發(fā)生強烈塑性變形，在鈦側(cè)和鋁側(cè)都出現(xiàn)了位錯，由于鈦的軟化溫度高于鋁，所以位錯數(shù)量較多如圖6 所示；TEM 顯示晶粒內(nèi)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(jié)合界面處的局部熔化區(qū)

圖6 Ti 側(cè)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(fù)合板，并對其結(jié)合界面進行了研究發(fā)現(xiàn)結(jié)合界面是普遍的波紋狀，并在波峰處有局部熔化區(qū)如下頁圖7 所示；因為動態(tài)再結(jié)晶，在鎂合金側(cè)出現(xiàn)了隔熱剪切帶，隔熱剪切帶是由等軸晶組成，逐漸轉(zhuǎn)化成孿晶如下頁圖8 所示，導(dǎo)致鎂合金界面附近硬度的增加。

南京航空航天大學(xué)的郭老師[9]對Al/316LSS 進行了研究發(fā)現(xiàn)，在爆炸開始的地方結(jié)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(xiàn)了金屬間化合物，在進行彎曲試驗時，當(dāng)彎曲角度達到40°時在后半部分的結(jié)合界面處出現(xiàn)裂紋，一直擴展到316ss 層。

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

圖7 結(jié)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(jié)合界面的影響

太原理工大學(xué)的張楠[11]對爆炸焊接的AZ31B/AA6061 復(fù)合板進行熱處理，觀察發(fā)現(xiàn)在未進行熱處理時，爆炸完成后鎂合金一側(cè)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(qū)域：小等軸晶粒區(qū)、粗晶區(qū)、基板晶區(qū)，在鎂合金側(cè)出現(xiàn)了隔熱剪切帶。

當(dāng)退火溫度在200 ℃時，界面沒有任何改變；當(dāng)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(dǎo)致強度急劇下降；當(dāng)退火溫度為300～400 ℃的時候，復(fù)合板斷裂和分層，導(dǎo)致應(yīng)力應(yīng)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(dāng)?shù)耐嘶饘?dǎo)致晶粒的回復(fù)和再結(jié)晶；沿金屬間化合物層能夠轉(zhuǎn)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(fā)現(xiàn)在結(jié)合界面處出現(xiàn)擴散層，擴散層的出現(xiàn)阻礙了位錯的發(fā)展，在回復(fù)再結(jié)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(shù)的對結(jié)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(jié)合界面從直的變化到波紋狀；當(dāng)h=1.5 t，R=1.5 時結(jié)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(jié)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(shù)的開發(fā)

隨著層狀復(fù)合板的應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛，爆炸焊焊接的工藝應(yīng)用變得很普遍，雖然爆炸焊接的有很多的優(yōu)勢，但關(guān)于爆炸焊的危害及防護方面的研究較少，現(xiàn)行的爆炸焊接生產(chǎn)一般都是單體的分散式野外作業(yè)，炸藥爆炸產(chǎn)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(shù)的應(yīng)用，所以人們經(jīng)過不斷地探索結(jié)合應(yīng)用開發(fā)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(huán)境的影響，有利于工業(yè)化標準化的生產(chǎn)；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(huán)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(fù)合板，結(jié)合方法減少了炸藥的使用量，降低了爆炸焊接帶來的危害。