爆炸焊接乳化炸药的设计及应用

王宁雄,黄 平,段永健

(1.攀枝花恒威化工有限责任公司,四川攀枝花617012;2.攀枝花学院,四川 攀枝花617000)

0 引言

爆炸焊接是一种特种金属焊接加工方式,是结合爆炸、材料、加工技术的一种交叉边缘科学。起爆炸药,瞬间产生爆轰波,传递到覆板并转化为冲击波,覆板高速冲向基板,两个金属面高速碰撞,并在接触面处产生高压,表面形成流体并流走,表面膜被去除,同时金属表面紧密接触相互熔化咬合而形成复合材料[1-2]。目前,随着现代工业的发展,耐腐蚀、耐高温、耐磨的复合材料管、板件等多种零部件被越来越多的工程所需求,极大地推动了金属复合爆炸焊接技术发展,扩大了现有金属材料的应用市场[3]。

1 爆炸焊接乳化炸药设计机理

1.1 混合炸药配方设计原理

混合炸药配方设计应把氧平衡、爆炸性能及成本综合考虑[4]。因此,工业炸药配方设计的约束条件一般有氧平衡、变量和、成本、变量上下限和数学模型目标函数。

1)氧平衡原理:工业炸药配方设计为零氧平衡或接近于零氧平衡时,爆炸产生的热量最大,做功效果最好,有毒气体含量最少,因此本配方设计为接近于零的负氧平衡[5]。

通常炸药主要成分有碳(C)、氢(H)、氧(O)、氮(N)四种元素。反应结果如下:

设所选择的i 种物质的氧平衡为ai,i=1,2,……,n,则氧平衡的约束条件为:

式中K 为设计炸药的氧平衡,一般K≤0。

2)变量和:是炸药组成的各组分的百分数,其总和应为100%。

即变量和应满足:∑xi=100

3)炸药成本的约束条件:

设所选择的 i 种物质的成本为pi,i = 1,2,……,n,成本的约束条件为:

式中p 为设计炸药每吨原材料成本。包含该焊接炸药设计配方。

4)数学模型目标函数[6]:

爆速、猛度、作功能力等炸药性能指标与炸药爆热成正比,关系如下:

炸药选择 n 种 C、H、O、N 的原料构成组分集合,这些物质的表达式即炸药的分子式为[5]:

摩尔质量为mi,1 kg 的炸药中,组分i 的摩尔数为10xi/mi,i=1,2,……,n。

根据炸药爆炸理论,在微弱负氧平衡条件下炸药CaiHbiOciNdi爆炸反应方程式为:

式(7)中 a,b,c,d 分别为1 kg 炸药中 C、H、O、N 各元素的摩尔数,则有:

若i 组分的定容生成热为ΔHf(i),i=1,2,……,n,则:

显然QV是配方(x1,x2,……,xn)的线性函数,即:QV=F(x1,x2,……,xn)

5)炸药配方设计数学模型求解

经过多次研究和查阅相关资料,爆炸焊接乳化炸药水相为硝酸铵和水,乳化剂用LZ2735,可燃剂用柴油和机油,其中x1,x2, x3,x4分别表示硝酸铵、水、乳化剂、可燃剂在炸药中的比例。将它们的有关参数代入式(8)、(9)、(10)、(11)有如下表达式:

将a,b,c,d 等参数代入式(12),得到炸药配方设计的数学模型目标函数:

通过计算变量的上下限,即炸药的原材料配比在这个范围内:

此时QV爆热最大值炸药配方为(x1,x2,……,xn)。

乳化炸药优化配方的确定和试验研究,从理论上讨论各组分对乳化炸药性能和成本的影响,进一步缩小各组分合理的上下限范围[2],得到一些较好的炸药理论计算配方,并根据生产实际进行适当调整,得到生产上实际使用的配方。配方根据原材料的变化,可以进行适当的调整。

1.2 配方设计与生产工艺调整

1)配方设计:乳化基质(硝酸铵79% ～82%,硝酸钠3.5% ～ 3.9%,水 8% ～ 11%,一体化油相材料5% ～7%),乳化基质55% ～86%,玻璃微球14% ～45%混制成专用乳化炸药。玻璃微球细度全部过60 目筛。本设计中降低乳化基质中硝酸钠和水含量,乳化基质中不含尿素,大大提高了乳化炸药的做功能力和起爆感度。

2)工艺调整:由于采用具有一定硬度的物理敏化玻璃微球,其含量远高于常规炸药,加入过程中易破坏油膜,导致水油分层,产生拒爆,因此必须对一体化油相材料进行相应调整,才能同时保证乳化炸药的爆炸性能和稳定性。限定一体化油相材料及其制备方法,对一体化油相材料的组分、加料顺序、保温温度等进行了大量尝试,乳化剂、机油、石蜡和微晶蜡按顺序混合,介于70 ～75℃保温,使乳化基质质量大大提升,从而提高了油膜的稳定性。

3)进一步对玻璃微球的用量及细度进行尝试。乳化炸药反应机理主要由不均匀灼烧机理、混合反应机理构成,在冲击波的作用下受到冲击波强烈压缩时,首先个别点的温度升得很高,形成“起爆中心”或“热点”发生化学反应,然后再传到整个炸药层[7],因此玻璃微球(即敏化剂)含量很重要,是起爆中心和热点,同时限定了玻璃微球的细度过60 目筛,也是在控制“起爆中心”或“热点”,均是为了生产出临界直径小、性能稳定优异及爆炸焊接效果好的薄板爆炸焊接用膏状乳化炸药。

1.3 炸药性能参数

表1 炸药性能参数

2 爆炸焊接技术路线

技术路线主要包含三大部分,分别为乳化炸药的制备、爆炸焊接及产品的处理,具体技术路线如图1 所示。

图1 爆炸焊接技术路线

3 爆炸焊接实例

3.1 钛、不锈钢爆炸焊接

1)爆炸焊接工艺要求

钢板的材质为Q235A, 尺寸为75×245×12mm;钛板材质为 TA2,尺寸为80×250×2 mm,Wc=4.6 g/cm2(计算),引爆方式为中心引爆法。爆炸前,板表面采用角相磨光机进行打磨,然后使用丙酮进行洁净处理,为防止钛板表面灼伤严重,钛板表面铺设4 ～6 mm 厚的黄油,采用平行法布炸药,乳化炸药为乳化基质与玻璃微球,配比为8 ∶2,爆速在2 350 m/s,爆炸焊接工艺参数如表2 所示。

表2 爆炸焊接工艺参数

2)结果与讨论

超声波探伤:结果表明,1#～6#试样未结合面积为2.7 ～3.2 cm2,均小于复合板面积的 2%,单个未结合区的最大长度2 cm,最大面积1.4 cm2。

力学性能:试验结果见表3。

金相检验:爆炸焊接后的实物照片见图2,金相照片见图3。2#样和4#样微区成分区域见图4 所示,其接合面微区成分见表4 和表5。

表3 力学性能试验结果

图2 爆炸焊后的实物照片

图3 1# ～6#样接合面照片

图4 2#、4#电子图像

表4 2#样微区成分 %

表5 4#样微区成分 %

讨论:从试验结果可以看出,1#～6#试样的探伤和力学性能检验结果达到了《钛-不锈钢复合板》(GB/T 8546-2017)1 类钛-钢复合板的要求,适合于有耐蚀和强度要求的爆炸复合板,爆炸焊间隙1#～6#试样实际试验时取值分别为0.4 cm 和0.6 cm;炸药量实际试验时取值分别为920 g、1 020 g和1 120 g,爆炸焊质量优良,说明这两个参数在一定范围内取值都可以。从金相照片看,1#～6#试样钛-钢的界面非常明显,部分界面上存在黑色的区域。进一步对2#样和4#样钛-钢界面处黑色区域进行电子探针检测,从微区成分看,是Fe、Ti 含量比较高的点,推测是钛、钢经过高温熔化而融合,而Fe 和Ti 中某个元素含量较高,另一种含量较低的点,推测为扩散区;远离界面的地方,则没有扩散或熔化发生,因此从电子探针检测的微区成分看,保持了原有的化学成分。

3.2 钛、铝复合板的研究

1)乳化基质与玻璃微球配比为8 ∶2 时,爆速在2 350 m/s。爆炸焊接数据参见表6。

表6 部分工艺试验数据

2)试验性能指标及实验过程及样品图片

性能指标:采用薄板爆炸焊接用膏状乳化炸药、调整药量、爆炸成型工艺、装置,制备钛铝复合板,钛铝复合板复合率达98%,弯折6 次不脱层,焊接牢固。

炸药样品图见图5,复合板样品见图6 所示。

图5 玻璃微球含量45%、20%时炸药状态图

图6 钛铝复合板样品图

4 结论

本文根据爆炸焊接的机理,设计了低爆速爆炸焊接专用乳化炸药,采用制备的炸药进行了钛钢、钛铝爆炸焊接实践,也对薄板爆炸焊接进行了尝试,爆炸效果较好。随着人们对特种材料的高要求,特种金属加工将起到不可替代的作用,爆炸焊接朝着超厚、超薄、超大、材料多样化(如脆性材料)的方向发展,本质安全、高效、低成本的炸药市场需求会更大[8]。