孫澤瑞, 史長根, 吳曉明, 高立, 史和生, 林孫朗

(1. 陸軍工程大學，南京 270000;2. 南京潤邦新金屬材料公司, 南京 210803)

0 前言

近年來，隨著金屬復合材料在石油化工、精密儀器及海洋船舶中的應用日益廣泛，與之對應的復合焊接技術(shù)得到了飛速發(fā)展，如爆炸焊、電磁脈沖焊、激光焊等[1]。爆炸焊由于其獨特的經(jīng)濟優(yōu)勢及理想的結(jié)合強度，目前已成為金屬復合材料制造領(lǐng)域的一種常用焊接工藝。不同于傳統(tǒng)的平行法，雙立式爆炸焊一次爆炸成形兩塊復合板，提高了能量利用效率，減輕了沖擊波對周圍環(huán)境的不利影響，是目前爆炸焊研究的一個新方向[2]。

鄭遠謀[3]指出爆炸復合材料除在其結(jié)合區(qū)和基材內(nèi)部發(fā)生程度不同的微觀殘余塑性變形外，還會在它們的外部發(fā)生程度不同的宏觀塑性變形。同時，雙立式爆炸焊由于其更封閉的裝藥形式，所成形復合板的宏觀變形程度相對平行法更大。復合板的宏觀變形存在以下危害：①所變形復合板需要進一步的校平后才能使用，提高了生產(chǎn)成本；②對于變形程度較大的復合板，校平時易造成板面斷裂，甚至導致產(chǎn)品報廢。因此，雙立爆炸焊生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的宏觀變形問題是不可忽視的。在以前，爆炸焊的研究重點往往集中在界面特征[4]及工藝參數(shù)[5]上，對爆炸焊所成形復合板的宏觀變形問題研究很少。

在雙立爆炸焊中，覆板在炸藥的作用下與基板發(fā)生碰撞并焊合[6]，隨后復合板以一定速度與兩側(cè)防護裝置發(fā)生二次撞擊。作為整個工藝的動力源，炸藥在此過程中對板材不同位置的作用存在一定差異，這種差異不但表現(xiàn)在結(jié)合界面形貌隨爆轟距離由平直界面逐漸過渡到波紋界面，而且表現(xiàn)在焊后復合板存在一定的宏觀變形。作為影響復合板結(jié)合質(zhì)量的重要因素，裝藥質(zhì)量比的變化也會對復合板的宏觀變形程度造成一定影響。另外，由于雙立爆炸焊復合板與防護裝置的二次撞擊，防護裝置性質(zhì)及其表面情況同樣會影響復合板的最終變形情況。因此，雙立復合板的宏觀變形主要受到以下三個要素影響：炸藥、裝藥質(zhì)量比及防護裝置。

為解決雙立爆炸焊由于板材宏觀變形帶來的工藝不穩(wěn)定問題，文中對雙立法制備的大面積TA2/Q235B復合板進行了相關(guān)理論分析與對比試驗。文中首先利用特征線法[7]研究了雙立式爆炸焊過程中爆轟產(chǎn)物的飛散情況，并給出了沖量隨位置的分布曲線，并進行了四組爆炸焊對比試驗來綜合探究復合板宏觀變形的影響因素，最后提出了減少復合板宏觀變形的措施。文中揭示了雙立復合板的宏觀變形規(guī)律，有助于后續(xù)采取相應措施減少復合板的宏觀變形，從而促進雙立爆炸焊的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。

1 炸藥作用分析

1.1 一維爆轟產(chǎn)物運動分析

不同于爆炸焊中基覆板表面的瞬時焊合，復合板變形從炸藥爆炸開始，到整個界面完成焊合后的一段時間內(nèi)都持續(xù)存在，故對復合板彎曲變形的研究要綜合考慮整個過程。炸藥起爆后，爆轟產(chǎn)物向四周飛散，在飛散過程中產(chǎn)生各種稀疏波與膨脹波，各應力波相互作用，形成不同的復合波形區(qū)。在復合波區(qū)的作用下，不同爆轟距離上的板材所承受的壓力是時刻變化的。雙立法爆炸焊由于其封閉的裝藥結(jié)構(gòu)，其起爆點無法像傳統(tǒng)的平行法爆炸焊一樣設置在板材中央位置，一般設置在邊界中點，如圖1a所示。邊界中點起爆兼具左端起爆和中間起爆的特征，由于三維模型中爆轟產(chǎn)物的運動情況相當復雜，為此，將其分別投影到xz和yz兩平面內(nèi)從而將其簡化為二維模型，二維模型中分別對應左端起爆(x方向)及中間起爆(y方向)，分別如圖1b和圖1c所示。這樣，利用二維左端起爆與中間起爆模型分別研究雙立式爆炸焊所成形復合板沿x和y方向的沖量分布。

圖1 雙立式爆炸焊模型分解示意圖

為了探究爆轟產(chǎn)物一維飛散作用規(guī)律，文中采用文獻[7]中所提到的特征線法。特征線法將炸藥爆轟過程中產(chǎn)生的膨脹波或稀疏波的運動規(guī)律在時程圖中表示出來，通過聯(lián)立波形方程得到不同復合波區(qū)爆轟產(chǎn)物的狀態(tài)參數(shù)。

在應用特征線法對爆轟產(chǎn)物飛散規(guī)律進行分析前，為簡化問題，下面做出如下假設：

(1)爆轟產(chǎn)物的膨脹飛散過程認為成一維等熵流動過程；

(2)假設炸藥在一瞬間達到穩(wěn)定爆轟過程；

(3)忽略空氣影響。

爆轟產(chǎn)物以特征線時程圖如圖2所示。在左端起爆情況下，炸藥起爆后，從起爆點o分別向左右兩側(cè)發(fā)出兩道順行稀疏波，①和①’，同時，爆轟波陣面會發(fā)出一束與爆轟波傳播方向相反的逆行膨脹波②，在爆轟波從左向右傳播過程中，板材處于①和②組成的復合波區(qū)Ⅰ內(nèi)。當爆轟波到達終點a后，右端真空會產(chǎn)生一簇向左側(cè)傳播的真空稀疏波③，隨著爆轟波的傳播，爆轟產(chǎn)物處于①和③的組成的復合波區(qū)Ⅱ內(nèi)。左端起爆爆轟產(chǎn)物的特征線時程圖如圖2a所示。

中間起爆后爆轟波分別向兩端部傳播，故應力波的傳播情況相對來說更加復雜，在爆轟波傳播過程中的順行稀疏波(①和①’)和逆行膨脹波(②和②’)及來自真空端的稀疏波③和③’同樣存在。不同的是，由于順行稀疏波與逆行膨脹波的同時作用，在起爆點附近存在一段相對靜止區(qū)Ⅲ。此外，在來自爆轟結(jié)束端的真空稀疏波(③和③’)與爆轟波陣面反向傳播的②和②’相遇后，產(chǎn)生了新的復合波區(qū)Ⅳ。當左右兩端真空處的稀疏波③和③’匯合時，靜止區(qū)Ⅲ消失，復合波區(qū)Ⅴ形成并逐漸擴大，以5b/D的速度延伸至整個覆板。因此，在中間起爆情況下，共存在5個復合波區(qū)。中間起爆爆轟產(chǎn)物特征線時程圖如圖2b所示。

根據(jù)文獻[7]，聯(lián)立各特征線方程，可以得到各復合波區(qū)的狀態(tài)參數(shù)，見表1。

圖2 爆轟產(chǎn)物特征線時程圖

表1 各復合波區(qū)狀態(tài)參數(shù)[7]

1.2 沖量計算公式推導

對爆炸焊來講，采用瞬時物理量如壓力來表征復合板的宏觀變形是不夠全面的。在關(guān)于炸藥性能的研究中，前人提出了炸藥毀傷效應[8]，即衡量炸藥爆炸產(chǎn)生的沖擊波對于目標的作用大小。在合理的爆炸焊工藝參數(shù)下覆板在沖擊波的作用下不會損壞，但復合板所遭受的彎曲變形可理解為弱化的沖擊波毀傷效應，故理論上炸藥毀傷效應是適用于爆炸焊的。在文中引入爆炸沖擊波毀傷衡量準則中的“沖量準則”[9]，即通過沖量這一過程量來研究炸藥對復合板的宏觀變形的影響。目前所用的沖量計算方法主要是超壓積分法,常采用梯形公式等方法進行數(shù)值積分從而近似得到其數(shù)值解，即通過作用在單位長度上的壓力對時間的積分來確定其具體位置的沖量大小。沖量i可以用式(1)表達[10]：

(1)

式中：t1與t2分別為爆炸過程的初始時間與截止時間;P(t)為某一時刻板材所受壓力。

根據(jù)C-J爆轟理論，爆轟波陣面上的壓力PH和聲速CH分別用式(2)及式(3)表示：

(2)

(3)

式中：ρ0為炸藥的初始密度;D為炸藥的平均爆速;γ為爆轟氣體的有效多方指數(shù)。

絕熱氣體等熵流動能量方程如式(4)所示：

Pρ-γ=const=A

(4)

理想氣體聲速C公式如式(5)所示：

(5)

聯(lián)立式(4)及式(5),C可用下式(6)表示：

(6)

在γ和A都為常數(shù)的情況下，C與ρ之間存在下列關(guān)系：

(7)

將式(4)代入式(7)，P與C之間存在如式(8)所示關(guān)系：

(8)

聯(lián)立式(2)，(3)，(8)，則P(t)可用式(9)表達：

(9)

式(9)中，在ρ0，γ和D已知的情況下，P(t)隨復合波區(qū)內(nèi)的C變化而變化，不同復合波區(qū)內(nèi)C的表達式見表1。

將式(9)代入式(1)，則任意位置的i可表示如式(10)所示：

(10)

1.3 沖量分布曲線

根據(jù)式(10)，結(jié)合圖2a中左端起爆時爆轟產(chǎn)物的飛散情況，左端起爆情況下任意x位置時覆板所受沖量ix可用下式(11)表示：

(11)

根據(jù)圖2b,板材在Y方向上所受炸藥沖量可分為三段討論，分別如下：①當爆轟位置處于0≤y≤b/4時，覆板隨時間推移依次經(jīng)歷復合波區(qū)Ⅰ，Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ，此段沖量表達如式(12)所示。②當爆轟位置處于a/4≤y≤3/8b時，覆板隨時間推移依次經(jīng)歷復合波區(qū)Ⅰ，Ⅳ，Ⅴ，此段沖量表達如式(13)所示。③當爆轟位置處于3/8b≤y≤b/2時，覆板隨時間推移依次經(jīng)歷復合波區(qū)Ⅰ，Ⅱ，Ⅳ，Ⅴ，此段沖量表達如式(14)所示。

(12)

(13)

(14)

令a=b=2，ρ0=0.8 g/cm3，D=2 200 m/s，γ=1.8。根據(jù)式(11)～式(14)利用MATLAB求得板材沿x和y方向的沖量分布曲線，如圖3所示。在炸藥爆轟過程中，其對板材的作用沖量分布是不均勻的。在左端起爆情況下，沖量曲線呈倒勾狀分布。沖量從起爆點(1×105Pa·s)逐漸增加，并在1.5 m附近達到最大值(8.5×105Pa·s)，后逐漸下降至2 m端部(2.8×105Pa·s)。由于在左端起爆情況下炸藥爆炸時覆板所經(jīng)歷的復合波區(qū)并不復雜，因此其沖量曲線較為平滑，并且僅在3/4a時取得峰值。在中間起爆情況下沖量曲線呈現(xiàn)雙峰狀分布。由于中間起爆情況下起爆點附近靜止區(qū)Ⅲ及左右兩端真空的存在，起爆點及邊界附近的沖量(約1×105Pa·s)很小，僅占±0.6 m附近沖量(5.4×105Pa·s)的1/6。同時，相對于左端起爆來說，中間起爆時由于覆板所經(jīng)歷的復合波區(qū)更為復雜，故炸藥作用沖量不均勻性更加明顯。

圖3 沖量分布曲線

2 雙立爆炸焊復合板變形試驗

除炸藥作用沖量外，裝藥質(zhì)量比和防護裝置特征對雙立成形復合板變形的影響同樣不可忽略，為探究三者的綜合影響，該文作者進行了四組大板面TA2/Q235B雙立式爆炸焊對比試驗。試驗1～2中所取炸藥、覆板、基板的質(zhì)量比為1∶0.36∶3.19，試驗3～4中比值為1∶0.40∶7.40，試驗1～4中雙立爆炸焊防護裝置分別采用柔性沙土、剛性石壁、剛性鋼板及彈性橡膠+剛性鋼板綜合防護?，F(xiàn)場布置圖如圖4所示,試驗參數(shù)及復合板變形情況如表2所示。

圖4 雙立式爆炸焊試驗示意圖

表2 雙立式爆炸焊試驗

3 結(jié)果與討論

3.1 宏觀變形影響因素

3.1.1裝藥質(zhì)量比

裝藥質(zhì)量比即炸藥、覆板與基板之間的質(zhì)量比值，其一定程度上衡量了炸藥驅(qū)動板材做功能力的大小。裝藥質(zhì)量比是決定爆炸焊界面形貌的一個關(guān)鍵參數(shù)，研究發(fā)現(xiàn)隨著炸藥與覆板比值的增加，覆板與基板的碰撞速度增加，從而導致界面波紋尺寸增大[11]。實際上裝藥質(zhì)量比不只決定了基覆板的焊接參數(shù)，同時其也對焊合后復合板的宏觀變形產(chǎn)生了一定影響，如圖5所示為TA2/Q235B復合板變形示意圖[12]。在裝藥質(zhì)量比為1∶0.36∶3.19的大板面薄板試驗中，試驗1～2中所得到的復合板變形更加明顯和不均勻，如圖5a和5b所示。而試驗3～4(裝藥質(zhì)量比為1∶0.40∶7.40)所得到的復合板其變形整體上呈內(nèi)彎狀，如圖5c和5d所示。在炸藥、基板與覆板面積相同的情況下，決定裝藥質(zhì)量比的參數(shù)為材料的密度和厚度。隨著板材厚度的增加，裝藥質(zhì)量比增大，板材的橫截面積增大，從而導致材料所受到的應力減小，材料更不容易產(chǎn)生屈服。當裝藥質(zhì)量比較小時，板材自身強度較低，因此其變形更加明顯，也更易受到其他變形因素的影響。

3.1.2炸藥作用沖量

在前文中作者得到了板材沿x和y方向所受炸藥沖量的分布曲線。沖量曲線反映了炸藥對板材作用不均勻性所導致的板材變形。圖5a表明試驗1制備的復合板在x方向上呈現(xiàn)倒勾狀變形，在y方向上呈現(xiàn)雙峰狀變形，其變形情況基本遵循理論沖量分布曲線。在試驗1中，裝藥質(zhì)量比較小，因此板材的強度較低，在受到炸藥作用時，板材更容易產(chǎn)生塑性變形。同時，由于此試驗中采用的柔性沙土防護，防護裝置在阻止復合板飛行的過程中更多的是緩沖作用，故此試驗所制備的復合板表現(xiàn)出炸藥沖量變形特征。然而，在四組試驗中僅試驗1復合板變形遵循沖量分布曲線變形規(guī)律，因此其條件是較苛刻的和較理想化的。

3.1.3防護裝置特征

與傳統(tǒng)平行法爆炸焊不同，雙立爆炸焊由于所成形復合板向兩側(cè)飛出，需在裝置兩側(cè)設置防護裝置，因此復合板與防護裝置之間存在二次撞擊。在二次碰撞時防護裝置的特征同樣會對復合板變形產(chǎn)生一定的影響，這種影響一方面來自于防護裝置表面特征，另一方面取決于防護裝置的性質(zhì)。在試驗2中，由于剛性石壁表面凹凸不平，大面積薄板在與其進行二次撞擊后產(chǎn)生若干凹凸坑，此時復合板變形表現(xiàn)出防護表面變形特征。這種凹凸坑的存在給后續(xù)復合板的直接使用造成了相當大難度，因此，實際生產(chǎn)中應盡量保持防護裝置表面平整。當防護裝置為柔性防護時(試驗1)，結(jié)果表明，此時防護裝置對復合板變形幾乎無影響，但柔性防護裝置防護效果較差，無法有效阻止復合板的運動。試驗3～4分別采用了鋼板與橡膠+鋼板防護，可以看到，在相同的裝藥質(zhì)量比下，采用柔性+剛性綜合防護時(試驗4)，其復合板的內(nèi)彎角度相比于單純剛性防護(試驗3)更小。這是因為彈性橡膠在二次撞擊時吸收了一部分沖擊能量。

3.2 影響因素的主次關(guān)系

圖5表明，在不同條件下，雙立爆炸焊制備的TA2/Q235B復合板呈現(xiàn)出不同的變形特征，其受到裝藥質(zhì)量比、防護裝置特征及炸藥作用沖量的綜合影響。同時，找到變形影響因素之間的主次關(guān)系，將進一步加深對變形機理的理解，從而更好地采取相應措施減少雙立爆炸焊復合板的宏觀變形。

當裝藥質(zhì)量比較大時，板材強度更高，更能抵抗炸藥沖量和防護撞擊二次撞擊時所帶來的變形影響，因此，裝藥質(zhì)量比在雙立復合板變形中居于主要地位。當裝藥質(zhì)量比較小時，炸藥沖量和防護裝置對復合板所帶來影響不能忽略。由于在雙立爆炸焊中復合板最后與防護裝置發(fā)生碰撞，因此，防護裝置相比于炸藥沖量其影響因子更高。在裝藥質(zhì)量比較小的情況下，當防護裝置為剛性時，撞擊表面的光滑程度決定了復合板的最終變形情況。凹凸不平的防護裝置將使得復合板產(chǎn)生二次變形。當防護裝置為柔性時，此時復合板不產(chǎn)生二次變形，此時復合板變形受炸藥沖量的影響。當防護裝置為彈性+剛性綜合防護時，復合板由于彈性材料的緩沖吸能作用，其變形程度更小。綜上，各影響因素的主次關(guān)系為：裝藥質(zhì)量比>防護裝置特征>炸藥作用沖量。圖6展示了復合板變形各影響因素的主次關(guān)系。

圖6 影響復合板宏觀變形的各因素主次關(guān)系

3.3 減少板材變形的措施

由于雙立爆炸焊制備的大板面復合板存在的宏觀變形問題降低了復合板的使用標準，提高了生產(chǎn)成本。根據(jù)上述研究可知,對于同種材料復合板其主要受到裝藥質(zhì)量比、防護裝置特征及炸藥作用沖量三因素的影響，而炸藥作用沖量對板材的不均勻性由于應力波傳播無法避免，因此減少板材變形的措施可從另外兩因素上著手解決。

3.3.1適當減少裝藥質(zhì)量比

爆炸焊工藝參數(shù)的選取具有一定的范圍，即可焊性窗口的存在。根據(jù)上述結(jié)果可知，在裝藥質(zhì)量比較小時，板材的變形程度較小且更規(guī)則。在實際生產(chǎn)中，可通過減少裝藥質(zhì)量比來解決此問題，如減少裝藥量使得炸藥對板材的作用沖量進一步減少，增加板材厚度提高復合板抗變形能力。此外，裝藥質(zhì)量比的適當減少在降低板材宏觀變形的同時，也一定程度上提高了界面質(zhì)量。在文獻[13]中提到，根據(jù)“最小作用量”原理取裝藥下限進行爆炸焊時，能夠得到結(jié)合質(zhì)量更好的微波狀界面。

3.3.2優(yōu)化防護裝置

為保證雙立式爆炸焊制備復合板在與防護裝置碰撞時不發(fā)生二次變形，實際生產(chǎn)中應采用彈性+剛性綜合防護裝置。利用彈性防護對復合板運動進行緩沖，利用剛性防護有效阻止復合板的運動，從而提高雙立式爆炸焊工藝穩(wěn)定性。同時，防護裝置的表面應盡量保持平整。

3.3.3綜合運用雙立爆炸+軋制技術(shù)

在制備大面積薄復合板時，由于薄板極易變形甚至被破壞，且雙立式爆炸焊封閉的裝藥結(jié)構(gòu)使得炸藥的能量更多集中在板材上，因此雙立式爆炸焊在制備此類材料時存在一定的不足。為解決此類生產(chǎn)問題，可采用雙立爆炸焊+軋制綜合技術(shù)。首先利用雙立爆炸焊制備較厚的大面積復合板，隨后通過軋制技術(shù)減少成形復合板厚度，從而滿足特定的工程需要。

4 結(jié)論

(1)雙立爆炸焊炸藥對板材作用沖量曲線沿x方向呈倒勾狀分布，最大作用點在2/3總長度處取得；沿y方向呈雙峰狀分布，峰值沖量在3/10與3/5處取得。

(2)雙立爆炸焊制備的復合板受裝藥質(zhì)量比、防護裝置特征及炸藥作用沖量綜合影響，且三者影響因子依次遞減。當焊接大面積薄板并采用柔性沙土防護時，復合板變形規(guī)律基本遵循炸藥作用沖量曲線。

(3)復合板的宏觀變形問題可通過適當增加裝藥質(zhì)量比、優(yōu)化防護裝置及推廣雙立爆炸+軋制技術(shù)來進一步解決。