爆炸焊接层状复合板的研究及发展★

孙洪敏， 吴志生， 刘夏瑜， 刘金浩， 李 岩， 张凯闻， 邱 皓

(1.太原科技大学材料科学与工程学院， 山西 太原 030024；2.苏州北美国际高级中学， 江苏 苏州 215104)

1944 年Carl 在实践中偶尔的发现了爆炸焊接技术，1959 年，在美国Phillpchuk 成功的利用爆炸焊接技术焊接了钢-铝，并在不断地研究下，成功的应用到了工业生产中[1]。随后美国日本德国前苏联都投入了大量的研究，促进了爆炸焊接大范围的工程上应用，20 世纪60 年代末，我国大连造船厂的陈火金等人采用爆炸焊接方法成功制备出第一块爆炸复合板[2]，随着爆炸焊技术的不断改进和成熟，能够焊接的复合板种类越来越多，应用的范围也越来越大，现在层状复合板因其优异的性能被广泛的应用在石油化工、压力容器、船舶制造、航空航天及核工业等领域。

1 爆炸焊接层状复合板简介

随着科学技术的进步与发展，人们对材料的性能提出了更高的要求，单一的材料的特点不再能满足人们对于性能和经济性的要求，所以复合板应运而生。在此形势下，制造业以节能、节省资源为出发点，不断向制品轻量化、高性能化发展。随之人们对基础材料的要求也多样化、高级化。传统的单组元金属材料或受自然资源局限，或因综合性能不足，难以满足制造业的发展要求[3]。复合板是两种及以上金属板材通过一定的工艺方法结合到一起，这样可以综合两种板材的性能，得到性能优异的复合板，一些常见的金属复合板及其应用如表1 所示[4]。

制作复合板的工艺方法有很多，比如轧制，钎焊，扩散焊等，各种制备方法各有优缺点。层状复合板主要是实现两种性能有一定差异的板材的结合，在进行焊接时要考虑两种材料的可焊性，元素的互溶性，热膨胀系数，延伸率等，还要考虑复合板的尺寸，焊接设备的工况和可操作性，所以在焊接时有一定的难度。

表1 常见金属复合板的特性及应用

爆炸焊接复合板是利用炸药爆炸产生的冲击力，使得复板在很高速下冲击基板，在冲击作用下，两块板的结合界面处金属会产生融化，产生金属间化合物，发生元素相互扩散，来达到稳固结合的目的，焊接时板材放置如图1 所示[5]。利用爆炸焊制作层状复合板可以实现同种或异种材料的结合，且界面结合质量良好；制作的复合板不受尺寸的限制；能够实现两层及以上金属板的结合，对加工的设备及条件要求较低，易于实现。

图1 平行放置法爆炸焊接示意图

2 焊接工艺参数的选择与确定

要使两种材料通过爆炸焊接的工艺实现复合，爆炸焊接参数的选择必须在相应的可焊范围内，并且在可焊范围内存在最佳焊接参数。材料的物理性质差别越大，焊接参数的选取就越困难。影响爆炸焊接质量的参数主要分为两个方面，一个是静态参数，一个是动态参数。

静态参数主要包括装药质量比R，基板与复板之间的距离h，预置角α。R 是指炸药的质量和复板质量的比值，当装药量太少时会造成炸药的冲击量太小不能实现结合，炸药量太大时会造成，结合界面的金属融化，形成金属间化合物影响界面的结合质量，也会造成能量浪费；基板与复板的距离h，h 是影响界面结合形状的重要因素，当h 较大时结合界面区域呈波纹状，可以提高两块板的结合面积，提高结合强度，当h 较小时结合界面呈直线状，结合强度差；预置角α，是预安装是基板与复板之间的夹角，可以通过调节预置角来控制碰撞点的移动速度倾斜安装时一般设为1°～2°，平行安装时一般设为零。

动态参数是指在爆炸焊接过程中动态变化的参数，爆炸焊接中三个基本的参数为爆炸速度Vp，碰撞点移动速度Vc，碰撞角β，在某一个恰当的范围内变化时，爆炸焊接才能够成功，这个范围称为爆炸焊接的可焊性区域。可焊性区域如图2 所示。

图2 爆炸焊接可焊窗口

流动限速度Vc，min是保障射流产生的最小速度，当实际的碰撞点移动速度Vc，p小于Vc时，碰撞点的压力小于材料的动态屈服极限，不能够实现连接；声速限Vc，max是声音在材料中的传播速度，当Vc小于声速限时是才能保证产生射流；下线速度Vp，min，当复板的速度足够大时才能使材料产生塑性变形，产生射流达到稳固结合的目的，所以爆炸速度Vp要大于下线速度；上线速度Vp，max，当速度无限大时，会导致界面区产生融化，导致金属化合物的生成，所以Vp不应超过Vp，max。根据图 2 的可焊接性窗口可知两个参数确定后，另外一个也就知道，所以一般用三个参数中任意两个组合均可在平面坐标系中构建爆炸焊接可焊性区域。

3 爆炸焊接的结合界面及影响因素

在爆炸焊接时，当不同种类的两种板材结合时会产生不同程度的元素扩散，生成不同的金属间化合物，不同的界面形貌。不同的工艺参数，热处理工艺对界面结合产生的影响，下面将进行具体的分析。

3.1 爆炸焊接层状复合板结合界面研究

C.Borchers[6]等人对中碳钢和低碳钢界面的微观结构和力学性能进行了研究发现在波纹状的结合界面处有局部熔化区出现，如图3，且局部熔化区的硬度高于其他地方，说明界面处有金属间化合物生成；在垂直于焊缝做拉伸实验时断裂发生在在中碳钢侧，没有发生在焊缝处说明结合良好；断口表面的SEM 图片显示，有很多的韧窝，说明断裂为韧性断裂，如图4 所示。

图3 波峰处的局部熔化区 图4 拉伸断口形貌

Hong-bo Xia[7]研究了Ti/Al 的爆炸焊接，在光学显微镜在波峰处有局部熔化区如图5 所示，EDS 扫描发现有金属扩散，但是没有金属间化合物；在结合界面处的线扫描显示有一个2.1 μm 的扩散层；在爆炸力作用下，结合的界面处发生强烈塑性变形，在钛侧和铝侧都出现了位错，由于钛的软化温度高于铝，所以位错数量较多如图6 所示；TEM 显示晶粒内有很多的位错，晶粒被任意性拉长；在位错的作用下界面附近的显微硬度高于其他部位。

图5 结合界面处的局部熔化区

图6 Ti 侧表面的位错情况

Y.B.Yan 等人[8]通过爆炸焊接制备了AZ31B-铝合金7075 复合板，并对其结合界面进行了研究发现结合界面是普遍的波纹状，并在波峰处有局部熔化区如下页图7 所示；因为动态再结晶，在镁合金侧出现了隔热剪切带，隔热剪切带是由等轴晶组成，逐渐转化成孪晶如下页图8 所示，导致镁合金界面附近硬度的增加。

南京航空航天大学的郭老师[9]对Al/316LSS 进行了研究发现，在爆炸开始的地方结合和界面是直线型的，在中间位置逐渐变成波纹状，在后部分又变成直线型；且在后半部分出现了金属间化合物，在进行弯曲试验时，当弯曲角度达到40°时在后半部分的结合界面处出现裂纹，一直扩展到316ss 层。

西安交通大学的zhang 等人[10]观察2205/X65不锈钢时发现，在波峰的金属融化区的结合方式为金属-金属结合，金属-固溶物结合；在巨大撞击力的作用下，X65 进入了2205 侧，所以在2205 侧的Cr含量很高，表明元素有很大的扩散。

图7 结合界面微观图

图8 隔热剪切带的微观图像

3.2 不同热处理对结合界面的影响

太原理工大学的张楠[11]对爆炸焊接的AZ31B/AA6061 复合板进行热处理，观察发现在未进行热处理时，爆炸完成后镁合金一侧的晶粒沿着爆炸方向拉伸成流线型，但是变形不均匀分成三个区域：小等轴晶粒区、粗晶区、基板晶区，在镁合金侧出现了隔热剪切带。

当退火温度在200 ℃时，界面没有任何改变；当退火温度超过250 ℃时，高脆度和硬度的Al-Mg 金属间化合物生成，导致强度急剧下降；当退火温度为300～400 ℃的时候，复合板断裂和分层，导致应力应变曲线迅速的突然地下降。界面晶粒变大和中间扩散层变厚。恰当的退火导致晶粒的回复和再结晶；沿金属间化合物层能够转化传递足够的载荷抵抗断裂和部分分层带来的塑性变形，使得延伸率增加了22.7%。所以说退火的时候控制好金属间化合物层的厚度对于性能提高很重要。

Mohammad Hosein Bina 等人[12]对爆炸焊接的铜-不锈钢进行热处理，处理温度300 ℃，时间8 h，发现在结合界面处出现扩散层，扩散层的出现阻碍了位错的发展，在回复再结晶的时候阻止晶粒的长大；相比较于热处理前，铜和铁的平均硬度有所下降。

3.3 不同工艺参数的对结合界面的影响

Ahmet Durgutlu[13]采用不同的爆炸比和板间距离，板间距离h=0.5 t（t 为覆板的厚度）保持不变时，R 从1.5 变化到2.5 时结合界面从直的变化到波纹状；当h=1.5 t，R=1.5 时结合界面因为波纹状，说明随着R 和h 的增加，两板的撞击力增加，结合界面由直线变成了波纹状，并且波纹幅度不断增加。

4 爆炸焊接新技术的开发

随着层状复合板的应用领域越来越广泛，爆炸焊焊接的工艺应用变得很普遍，虽然爆炸焊接的有很多的优势，但关于爆炸焊的危害及防护方面的研究较少，现行的爆炸焊接生产一般都是单体的分散式野外作业，炸药爆炸产生的强大冲击波、地震波和噪声严重影响了周围房屋的安全和百姓的正常生活, 由于这些原因极大地限制了爆炸焊接技术的应用，所以人们经过不断地探索结合应用开发了双立式爆炸焊接，水下爆炸焊接，爆炸加轧制等多种焊接方法[14]。

双立式爆炸焊接一次可以焊接两块板，极大的提高了能量的利用率，减小了对周围环境的影响，有利于工业化标准化的生产；水下爆炸焊接的冲击载荷分布均匀，水对炸药的缓冲作用降低了爆炸对环境的影响，并且对于硬脆性焊接材料的焊接提供另一条途径；爆炸加轧制可以制备出大面积的，超薄的金属复合板，结合方法减少了炸药的使用量，降低了爆炸焊接带来的危害。