钛-钢板爆炸焊接的影响因素及炸药配方

卞 超， 王凤英， 卜杉杉， 杨晓波， 燕 翔

(中北大学 化工与环境学院， 太原 030051)



钛-钢板爆炸焊接的影响因素及炸药配方

卞 超， 王凤英， 卜杉杉， 杨晓波， 燕 翔

(中北大学 化工与环境学院， 太原 030051)

摘要：爆炸复合用炸药是影响爆炸焊接效果的最主要因素，不同的材料和工艺参数对炸药的爆速、比冲量和能量有不同的影响，其中炸药的密度直接影响复板斜碰撞基板的速度和角度。选用低合金高强度结构钢Q345B和工业纯钛TA2为实验材料，通过理论计算与实验研究，得到了一种较为适合钛-钢板爆炸焊接用的炸药配方，并对钛-钢爆炸焊接影响因素进行了探讨。

关键词：爆炸焊接； 基板； 复板； 爆轰参数； 炸药配方； 钛-钢板

1引 言

随着我国经济建设的快速发展，新材料的应用已成为国民经济发展的重要影响因素。为了满足工业需要，材料的性能也在不断的更新优化。爆炸复合材料是近几年新兴的特殊功能材料，它综合多种材料的优点同时又克服了单一材料功能的不足，因此得到了广泛应用。力学性能测试结果表明，复合材料界面的抗拉强度和剪切强度均介于基、复板材料的抗拉强度和剪切强度之间，既符合不同金属冶金结合的强度规律，又能够高于基、复板材料本身的抗拉强度和剪切强度。

然而，影响爆炸焊接工艺的因素有很多，焊接材料的类型、属性以及实验材料的厚度，实验所用炸药的类型、密度和爆速，初始安装角度，基、复板间隙距离，比装药量(单位面积装药质量与复板质量的比值)等都会影响到焊接质量。一般针对特定的两种或多种金属进行的爆炸焊接工艺参数的研究都是相对唯一的，某一套工艺参数不具有大众化，它只适用于特定的某些材料，所以爆炸焊接参数问题具有复杂性〔1-2〕。本文通过对爆轰参数的理论研究以及炸药配方的实验论证研究各参数对钛-钢板爆炸焊接的影响，探究并且优化焊接工艺。

2爆炸焊接实验

2.1爆炸焊接的影响因素

爆炸焊接参数的选择是在爆炸焊接实验和生产实践中面临的首要问题，结合界面的外观形貌、结合强度以及力学性能是由爆炸焊接参数决定的，所以爆炸焊接参数的选择直接关系到能否焊接成功及焊接质量。爆炸焊接参数主要包括可焊性窗口、碰撞速度和碰撞角。

2.1.1可焊性窗口的确定

可焊接性窗口是爆炸焊接工艺参数的限制窗口，对于平板爆炸焊接，在平行安装时，炸药爆速vd与碰撞点移动速度vc相等。在装药参数不同的情况下，爆炸复合界面将呈现波状结合、形成均匀连续的熔化层和金属与金属的直接结合三种不同的形态，获得均匀合理的波状结合需要满足一定的碰撞条件。

实现波状结合的首要条件是要产生金属射流，而形成射流，碰撞区的压力要超过材料的动态屈服强度，两碰撞表面产生塑性流动，并且碰撞点的移动速度要小于材料的体积声速。当碰撞点移动速度大于临界碰撞速度时，会形成高强度的波状结合。临界速度表达式〔3-5〕：

(1)

式中： Re为雷诺数，取8.6；Hv,f，Hv,b,分别为复板和基板的维氏硬度，Pa；ρf，ρb分别为复板和基板的密度，g/cm3。

对于一般的平行爆炸焊接装置，可调节的工艺参数基本就是炸药的品种、炸药厚度δ0、爆速vd、质量比R、基复板间隙h0等参数，可焊性窗口可以是动态碰撞速度vp和碰撞点移动速度vc坐标下四条曲线构成的区域，也可以是由动态碰撞角和碰撞点移动速度vc坐标下四条曲线构成的区域，图1是vp-vc爆炸焊接可焊性窗口。

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

为了达到塑性变形，在碰撞点的冲击压力要超过材料的屈服应力以达到冲击速度，即可焊性窗口的下限〔6〕。

(2)

式中：最小碰撞点移动速度vc,min和材料维氏硬度Hv呈函数关系； ρ为材料密度，g/cm3；β是碰撞角；常数k1取0.6~1.2(材料表面洁净)。

2.1.2碰撞速度和碰撞角

Wittman提出了对于最大冲击速度要保持低于一定的值，避免形成界面过度融化层，也可以找到碰撞角度和碰撞点速度的关系，如下式：

(3)

(4)

式中：N取0.11；Tm为融化温度，K；k为热导率W/(m·K)；Cp为比热容，J/(kg·K)；ρ为材料密度，g/cm3；h为厚度，cm；C0为声速，cm/s；动态碰撞角β用弧度表示。

在爆炸过程中，碰撞速度vp，炸药爆速vd和碰撞角度β存在一定的关系，如公式(5)所示。通常，当β<10°可以把公式(5)简化为公式(6)。

(5)

vp=vd·sinβ

(6)

公式(6)中的vp实际上是由加速飞板运动的炸药的属性决定的。所以，为了形成射流，碰撞点的速度需要低于声速，高爆速炸药(如爆速为6000m/s～8000m/s的塑性炸药)是不能实现爆炸焊接的。

2.2实验材料

2.2.1钛、钢材料参数

实验使用的材料是低合金高强度结构钢Q345B和工业纯钛TA2，基板为低合金高强度结构钢Q345B(厚16mm)、复板为纯钛TA2(厚3mm)。表1、表2为其化学成分〔7〕。

表1　工业纯钛TA2的主要化学成分(质量分数/%)

表2　低合金高强度结构钢Q345B的主要化学成分

通过查阅文献〔8〕可知，这两种材料的物理化学性能如表3所示。

表3　TA2和Q345B的材料参数

运用公式(1)、公式(2)、公式(6)，通过理论可计算得出TA2/Q345B理论爆炸焊接窗口参数，如表4所示。

表4　TA2/Q345B理论爆炸焊接窗口参数

2.2.2炸药配方

选取硝酸铵乳化炸药(硝酸铵(84%)、水(10%)和油加乳化剂(6%))，分成5组，标号1～5，再分别加入不同的敏化剂。第6组选用铵油炸药(ANFO)，药厚为30mm的纯膨化铵油炸药的爆速大约为3300m/s，如表5所示。

表5　焊接实验及炸药的密度

一般爆炸焊接专用炸药的爆速为2000m/s～3000m/s。爆速过高，会产生严重的复板边缘撕裂现象，有时甚至会将复合板边缘复板大面积撕掉。一般爆炸焊接炸药的密度为0.7g/cm3~0.8g/cm3〔9〕，而纯膨化铵油的密度为0.44g/cm3。因此，需要调整膨化铵油炸药的爆速和密度。本文按照膨化硝铵与柴油质量比94∶6的比例混合制成铵油炸药。通过对实验中的炸药进行相关的测试与理论计算，得出爆炸焊接窗口理论参数，如表6所示。

表6　爆炸焊接窗口理论参数

由表5和表6可知：实验中6种炸药的密度差别不大，第1、4和6组实验的炸药密度在0.760g/cm3~0.804g/cm3之间，但是它们的爆速却相差甚远，由3768m/s到2370m/s。一般爆炸焊接专用炸药的爆速范围在2000m/s～3000m/s〔10〕，但是表6中前5种炸药的爆速均超过这个范围，这可能会导致焊接材料过度熔化。

2.3实验方案

实验采用平行布置法，如图2所示。

图2　爆炸焊接实验装置示意图Fig.2　Schematic representation of the explosive welding process

通过退火的方法降低高强度钢的硬度并且调整钢板的平整度。对钛板进行表面打磨、抛光，如图3所示。

图3　打磨光滑后的钛板Fig.3　The titanium plates after being polished

将待焊接的钢板打磨光滑的一面朝上平整地放在岩沙地基上，同时把钛板打磨光滑的一面朝下轻轻的安放在间隙垫上并调整使其位置与下面的钢板位置对齐，使用油刷在钛板上表面均匀涂上一层黄油，以防止表面在爆炸焊接过程中被烧伤。称量一定量事先计算好的炸药，将药框放在钛板上面，矩形药框以起到约束炸药的作用。起爆炸药的雷管放在飞板一端。基、复板间留有一定间隙使爆炸焊接中复板获得一定的加速度。起爆后，炸药爆炸产生的能量驱动复板运动，初始驱动加速度较大，当复板达到最大的飞行速度时，开始做减速运动，飞行速度渐渐变小。

3实验结果及分析

实验结果显示，铵油炸药进行爆炸焊接的效果最好，经切割处理的工件如图4所示。

图4　ANFO炸药爆炸焊接效果Fig.4　The explosion welding effect of ANFO

使用该炸药配方进行爆炸焊接的复合板焊接结合界面呈现均匀的波状，这是因为复板在爆炸作用下发生塑性变形，与基板发生连续的高速斜碰撞，基板发生了形变，并在碰撞点前形成突起并与射流相互作用，从而形成了周期性波状界面。

实验中所使用炸药的基础成分均为硝酸铵，由于添加剂不同，炸药的密度不同，所达到的碰撞点移动速度也不相同，焊接效果也会有差异。为了进一步明确复合板的结合强度(剪切强度)，对所得的复合板焊接处上三个不同的部位进行剪切强度的实验。剪切强度实验结果如表7所示。

表7　TA2/Q345B爆炸复合板剪切强度实验结果

从表中可以看出，试件1~3各项参数相近，剪切强度相差不大；试件4、5各项参数相近，剪切强度也相差不大；然而试件6具有相对较高的剪切强度，分别比前5个试件的剪切强度提高了35.59%、40.35%、46.79%、11.89%、11.11%。由此可见，用铵油炸药进行爆炸焊接的试件剪切强度最高，复合板的结合强度最大。实验中基复板距离都相同，但由于炸药密度不同，致使爆炸焊接中复板斜碰撞基板的速度和角度都有所不同，这导致了复合板结合性能的明显差别。

4结 论

(1)炸药密度的不同，导致了爆炸焊接中复板斜碰撞基板的速度和角度都有所不同，从而导致了复合板结合性能的明显差别。

(2)在碰撞角度一定的情况下，动态碰撞速度vp是界面波波形参数的一个重要影响因素。

(3)实验得到一种适合钛-钢板爆炸焊接的炸药配方，可为同种类型爆炸焊接提供参考。

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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

中图分类号：TD235. 2

文献标识码：A

doi：10.3969/j.issn.1006-7051.2016.01.016

作者简介：卞 超(1989-)，男，硕士，主要从事爆炸焊接相关的研究。E-mail: bianchao587@163.com

收稿日期：2015-11-25

文章编号：1006-7051(2016)01-0073-04