爆炸焊接的原理與應用概述目錄TOC\o"1-3"\h\u3347爆炸焊接的原理與應用概述 1234051.1爆炸焊接的基本原理 152631.2界面波的形成機理 4101821.3爆炸焊接的特點和優(yōu)點 5288581.4爆炸焊接的應用 5爆炸焊接法是指利用炸藥爆炸的沖擊波將兩種或兩種以上的材料連接起來的方法，通常用于物理和化學性能相差較大的金屬間的焊接。1944年美國科學家卡爾[1]在銅彈片與靶材的撞擊實驗中，觀察到了金屬之間發(fā)生劇烈碰撞時的固相冶金結合的現象。1957年，美國科學家菲爾普·杰克成功實現了鋁和鋼的爆炸焊接，并將其應用到金屬構件的連接中，標志著爆炸焊接復合材料正式進入商業(yè)化生產階段[2]。爆炸焊接技術在國外已有七十余年的研究歷史，產業(yè)化時間也近五十年，其中最具代表的生產廠家是美國的DMC和日本的旭化成。美國DMC一直處于爆炸焊接復合材生產領域的龍頭位置，其鈦/鋼復合板的幅面可達25㎡，不銹鋼/鋼復合板的幅面可達到30㎡。日本旭化成因場地的限制，鈦/鋼復合板的幅面可達15㎡，不銹鋼/鋼復合板的幅面可達20㎡。我國爆炸焊接實驗研究始于60年代末期，一直到1972年西北有色金屬研究院十二室（“天力公司”前身）開發(fā)出第一塊鈦-鋼復合板并成功應用于岳陽石化工程，標志著爆炸焊接技術在我國已進入穩(wěn)定發(fā)展階段[3]。經過近半個世紀的科學研究和實際生產實踐，我國在爆炸焊接方面技術毅然處于國際先進水平，天力公司和寶鈦集團等生產的鈦/鋼、不銹鋼/鋼、鋁/鈦、銅/鈦、銀/銅、鋁/鋁/鋼、鋁/鈦/鋼、鋁/鋁/鈦/鎳/不銹鋼等復合板（管）材料可以與美國的DMC公司相媲美。韓國斗山重工、TSM公司等裝備公司均在中國采購大批量鈦/鋼復合板和不銹鋼/鋼復合板作為PTA項目用換熱器、冷凝器等設備的原材料，打破了以往DMC和旭化成對該市場的壟斷。特別是增加了許多新的領域，使得爆炸焊接技術在石油化工、、壓力容器、制藥、造船、核工業(yè)、航空、航天、軍工裝備等領域都有了廣泛的應用[4-6]。1.1爆炸焊接的基本原理爆炸焊接過程常用的裝配圖主要有兩種，一種是平行法放置，一種是傾斜法，其爆炸焊接過程示意圖如圖1.1所示。爆炸焊接是一個瞬時過程，其爆炸焊接瞬間過程如圖1.2所示。爆炸焊接的能量源為置于覆板之上的炸藥，根據材料和使用性能不同，所用的炸藥類型不一樣，當炸藥被雷管引爆后，由于爆速很高，瞬間產生在覆板上巨大能量使覆板向下加速運動[7]，隨后高速撞擊位于地面的基板。這是一個瞬時過程，在此過程中，由于在覆板和基板的結合界面處受到切應力的作用，結合界面兩側的金屬會發(fā)生劇烈塑性變形，有的晶粒會被拉長、打碎甚至纖維化。距離結合界面越近，材料受到的切應力就會越大，變形程度越劇烈。沿著結合界面向材料基體，切應力會變弱，塑性變形程度也越來越弱[8]。圖1.1爆炸焊接裝配示意圖1－雷管；2－炸藥；3－覆板；4－基板；5－基礎(地面)；α－安裝角；h－間隙距離Fig.1.1Genernalviewofassemblyogexplosivewelding1-Detonator;2-Explosive;3-Coverplate;4-Baseplate;5-Foundation(ground);α-Installationangle;h-Clearancedistance圖1.2傾斜法爆炸焊過程的瞬間形態(tài)示意圖1-雷管；2-炸藥；3-覆板；4-基板；5-地面；Vd-炸藥的爆轟速度；1/4Vd-爆炸產物的速度；Vp-覆板的下落速度；Vcp-碰撞點s的移動速度，即焊接速度；Va-氣體的排出速度；Α-安裝角；β-碰撞角；γ-彎折角Fig.1.2Genernalviewofinstantmorphometrywhenexplosiveweldingbymeansofthemethodsofangle1-detonator;2-explosive;3-cladding;4-baseplate;5-ground;Vd-detonationvelocityofexplosive;1/4Vd-velocityofexplosiveproduct;Vp-thefallingspeedofthecoverplate;Vcp-themovingspeedofthecollisionpoints,thatis,theweldingspeed;Va-thedischargespeedofthegas;Α-installationangle;β-collisionangle;γ-bendingangle當爆炸焊接過程完成后，會在結合界面處形成連續(xù)且均勻分布的界面波，原理界面波向著基體靠近，其組織結構呈現梯度分布直至到基體中。在發(fā)生塑性變形的過程中，炸藥爆炸產生的大部分爆炸能又會瞬間轉換成熱能，這是一個熱力學過程。在爆炸焊接的整個過程中，有95%以上的爆炸能會轉換為熱能。當這些巨大的熱能分布在金屬材料表面時，由于過程非常短，所以可以近似為一個絕熱過程，會使高速碰撞下熔點較低的金屬表面發(fā)生熔化或者部分熔化，當金屬發(fā)生融化后，會在材料表面下凹，在短暫的過程中來不及融化的金屬在材料表面上凸，形成一個連續(xù)的過程，便形成了連續(xù)的界面波和漩渦區(qū)域，旋渦區(qū)域一般沿著爆炸焊接方向位于一個波形的末端。在此近似絕熱的條件下，金屬材料表面會形成一層很薄的結合層，在結合層內部會發(fā)生元素的相互擴散，有可能形成金屬間化合物或者脆性相，引起結合界面處組織不均勻和結構發(fā)生變化[9-13]。由于爆炸焊接是在瞬時高速和高溫下覆板和基板相互撞擊完成的，瞬時溫度非常高，在其結合界面上會發(fā)生物理和化學過程，即冶金結合的過程。比如說在結合界面處會產生劇烈塑性變形，熔化塊、漩渦、表面微裂紋等缺陷和原子間的擴散現象等。不同的金屬材料就是在這些冶金過程中實現冶金結合的。由于在爆炸焊接界面上近似于一個絕熱的過程，高溫和高壓使其結合界面組織和結構不均勻，從而導致結合界面處的力學性能、硬度值也不均勻。因而爆炸焊接是集熔化焊、擴散焊、壓力焊等三種方法為一體的解決異種金屬之間焊接的新技術[14-17]。如圖1.3所示的可焊性工業(yè)窗口，學者El-Sobky[18]采用圖解法，給出了在爆炸焊接過程中的每個參數的上下限范圍，只有在此范圍內進行可行性操作，才可以得到合格的爆炸焊接產品。繪制如圖所示的這種圖解時，他們主要把結合界面波形的形成作為優(yōu)質爆炸焊接的指標，只有得到連續(xù)且均勻的波形，復合板結合界面才有較高的結合強度，從而滿足使用要求。但是在某些工業(yè)條件的情況下，結合強度很低的結合界面也會有波形的出現，但這些波形均表現出不連續(xù)、波形大小不一的情況，而且在爆炸焊接完成后由于應力的作用在界面上發(fā)生分離，嚴重影響復合板的服役壽命。應力波的作用是EI-Sobky[18]提出的，因此需要通過試驗證明來驗證，波的形成被認為是一個合理的準則，以用來確定各參數的范圍，也就是控制優(yōu)質焊接件的工藝條件，從而在碰撞區(qū)內不至于產生與應力波重合等副作用。因此，這些個合理工業(yè)參數組成的閉合區(qū)域，被學者稱為“爆炸焊接工藝窗口”，如圖1.3所示。圖1.3爆炸焊接工藝窗口Fig.1.3Theprocesswindowofexplosivewelding1.2界面波的形成機理對于爆炸焊接的機理，國內外大量學者對其進行了深入的探究，這些研究取得的成果在一定程度上表明了爆炸焊接過程的本質，但是爆炸焊接過程非常復雜，且是一個瞬時的過程，在其結合界面發(fā)生的反應和變化太過于復雜，涉及的知識面廣。但是這些研究均沒有完全分析出結合界面波形的形成機理，爆炸焊接結合界面硬化機理也尚不清楚。目前較為認可的主要的幾種界面結合理論有，如A.S.Bahrani[19]的壓痕機理、A.H.Holtzman[20]的流動不穩(wěn)定性機理(Helmholtz失穩(wěn))等。特別是在高速沖擊產生的巨大的切應力作用下，金屬材料界面波形的形成機理和連續(xù)性過程還探究的不徹底。目前被學者普遍接受的理論是：波狀結合、直接結合和連續(xù)的熔化層結合是爆炸焊接界面主要的三種形態(tài)，結合界面形成類似正弦波形的連續(xù)且均勻的細波狀結合是較為理想的結合方式。爆炸焊接完成后的復合板結合界面一般是連續(xù)性且分布均勻的波形，如圖1.4所示，這種波形形成的主要是因為在爆炸焊接工藝中，由于覆板運動的速度特別大，會產生瞬時高溫，使某些熔點低的金屬部分熔化，形成金屬射流，在材料表面下凹，來不及熔化的金屬在表面向上凸起，形成一個瞬時過程，產生漩渦組織和波狀結合界面。金屬射流的不斷運動本身也是對材料在結合之前進行的自清洗過程，有利于減少夾雜物的產生減少缺陷形成。由于在高速的撞擊下，來不及融化的金屬在結合界面處發(fā)生劇烈塑性變形，產生金屬射流，呈現漩渦組織，漩渦組織的存在會使復合板在界面處容易形成缺陷，影響其使用性能，但同時漩渦會提高結合界面處的結合強度。圖1.4典型結合區(qū)的波形形貌Fig.1.4Wavepatternoftypicalbondingpad1.3爆炸焊接的特點和優(yōu)點爆炸復合焊接作為一種比較新的工藝和技術，應用領域廣泛，且復合板具有多種優(yōu)異的性能，其主要具有如下的許多特點和優(yōu)點[23-24]：(1)爆炸焊接是以高爆速的炸藥作為能源，將炸藥爆炸產生的動能轉換為結合界面的熱能，使其金屬材料表面發(fā)生熔化或者部分熔化，最終形成具有連續(xù)性且均勻分布的波狀結合界面，生產效率高。(2)爆炸焊接過程的工藝流程簡單，操作簡便，一般不需要性能良好的設備，對場地要求較低，是一種高效、自動且效益高的新工藝和新技術。(3)使用爆炸焊接方法，能夠完成多種金屬材料之間的焊接，盡管這些材料在物理和化學性能相同、相近或相差懸殊，爆炸焊接均可完成。大規(guī)格且形狀復雜的板材、管材和棒材均可進行相互爆炸焊接，為異種金屬實現優(yōu)質結合，提供了不可替代的工藝和方法。1.4爆炸焊接的應用爆炸復合板的三個主要應用領域：(1)運輸儲藏工業(yè)領域在石油化工行業(yè)，輸送管道經常在地下數十米的環(huán)境中，長時間與具有腐蝕性的土壤或是管道內部溶液相接觸，這就要求制造管道的材料必須具有極好的耐腐蝕性能。單一得材料如不銹鋼、鋁以及鈦等金屬具有較好的耐腐蝕性能，可以滿足實際要求。但是，在實際應用中，綜合考慮可靠性和成本因素，不銹鋼和鈦合金等作為運輸管道原材料價格昂貴，制造成本較高。因此具有高強度和高耐蝕性的鈦-鋼爆炸復合板，可以代替單一材料作為運輸管道的原材料，既能滿足規(guī)定性能要求，且能減少貴金屬的制造成本，降低預算。(2)船舶制造業(yè)領域艦船在服役過程中，鋼質甲板和上層建筑的焊接層面長期暴露在海洋環(huán)境下的腐蝕介質中，長期受到海水沖刷，海水中具有大量的Cl-，而Cl-對金屬的腐蝕性很強，所以在后續(xù)服役中容易產生腐蝕失效，降低其服役壽命。當使用鈦-鋼、鋁-鋼以及不銹鋼-碳鋼等爆炸復合板來制造船體之后，船體結構既具有基材的高韌性，又具有復材的耐蝕性和高強度，解