应用爆炸焊接方法生产不锈钢复合板.pdf

I 爆 破 嚼磅／ 锯钿 微 缘 爆炸焊接方法生产不锈钢复合板 印文栋 山西省太原市0 3 0 0 0 3 ● ■ -- _ ’ -一 摘要 随着科学技 术的迅速发展 ，越 来越 多的地方需要使用由不锈钢 材、各种 稀有金属、有 色金属加工 成 的 各 种耐腐蚀、耐 高温、耐磨的板材、棒材或管材来 制造一些特殊的设备或构件 ，这 些设备和构件 ，如 果全部 使用优质材料 ，则必然使 成本大大提 高。如 果能在普通的金属上覆上一层特殊性能的材料， 制成双金属材料， 最为理 想。但是，采用通常的轧制 法、熔化焊接等方法生产双金 属 材 料 ，将 有很 大 的 限 制 的困难 ，而爆炸焊接方法为此开辟 了新 的途径。本文介绍 了太原钢铁公 司应用爆炸焊接法生产不锈钢 复合板，该 复合板可取代纯不锈钢 复合板 ，使成本降 低4 0 , -- 5 0 ％ 。 关键词 爆炸焊接 ，不锈钢复合板。 1 爆炸焊接机理 爆 炸焊接就是利用炸药爆轰作为能源， 在所选择金属板的表面包覆不 同性能 的金属 板材的工艺方法。称前者为基板，后者为复 板。一般来说 ，选用耐腐蚀性或耐热性较好 的具有特殊性能的板材作为复板 ，而且厚度 要比基板薄得多。爆炸焊接装置通常采用图 1 示意的形式 ，l由基板和复板 、起爆装置 、 主炸药及缓冲层等几个部分组成。 按基板复板的安装形式分 爆炸焊接可 分为平行法与角度 法两种。如图 1 a 和 b 平行法中基板与复板保持平行 ，两板之间的 间隙都一样 。角度法中基板 与复板之间的 间 隙是随位 置而 变的 ，不 同位置的复合条件有 一 定差别 ，因此此法对大面积的爆炸焊接不 适用 。 根据图 l的装置，当炸药爆炸后 ，爆炸 l 9 9 3 07 01 产物形成高 压脉冲载荷， 直接作用在复板上， 复板被加速 ，同时发生弯曲变形 ，在几个微 秒的时间内复板就达到约 1 O 0 0 m／ s 的速度向 下 运动 ，从 起 始 端 依次 与基 板相 碰 时产 生很 大压力，其值大 大超过金属动态屈服限 ，因 而碰撞区产生了高速塑性变形 ，同时伴随着 剧烈的热效应 同时 ，碰撞面 金属板的物理 性类似于流体 。这样 ，在两金属板的表面将 形成两股运动方向相反的金属射流。一般是 在碰撞点前的 自由射流 也称再进入射流 向 未结合的空间高速喷出 ，它冲刷 了金属 内表 面的表面膜 ，使金属露出了新鲜表面，为两 块 金属板的复合提供 了条件。另一股是在碰 撞 点之后的 凸角射流 也称凝固射流 ，它被 凝固在两金属板之间，形成两种金属的冶金 结 合 。 由于金属板的种类不 同，炸药的品种与 单位面积的装药量的 不 同 ，贝 会程 刁 、 的 用 应 一 维普资讯 印文栋应用爆炸焊接方法生产不锈钢复合板 匡 霎 匡 三三三耋 量 妻 至 薹三三至 、 。 。。 。’I--__--． __一 J ＼ 爆 轰方 向 a 射 流 b a 平行 法 b 角度法 1 一 雷管 2 一 炸药 3 一 缓冲层 4 一 复板 5 一 基板 图 1 爆炸焊接装置示意 图 炸药躁速 、复板运动规律 、碰撞压力和形成 不 同的射流运动，最后的焊接结果也会有很 大区别 ．一般来说 ，牢 固的焊接结合区可分 为以下三种类型 1 金属与金属的直接结 合 ；2 形成均匀连续的熔化层 ；3 波状 结合。试验证明波状结合的焊接质量最佳。 要得到波状结合的焊接界面 ，必须根据 不同的基板来选择不同的品种和数量的炸药 及选用不 同的安 装位置等 ，也就是必须合理 的选择爆炸焊接参数。如果焊接参数选择不 当，就会 大大降低焊接质量。 爆炸焊接是个很复杂的过程，整个过程 中包含了炸药的爆轰问题，复板与基板高速 碰撞 ，高温高压下金属流动 以及波的形成等 问题。至今尚无彻底解决这些问题的被公认 的理论 。因此，焊接参数的选择主要靠大量 的试验来进行 。人们在 九十多次的爆炸焊接 试验 中，已获得各种不锈钢与碳素钢爆炸焊 接 不锈 钢 ／钢 为 主 ，钢 ／ 铜 、钢 ／钛 、钢／ 铝复合兼而有之，有近二十 多 个 品种 的产 品 5 9 2 爆炸焊接参数选择 ’‘ 在爆炸焊接试验和生产中，首先应正确 选择和确定爆炸焊接参数 ，实践证明，合理 地选择爆炸焊接参数是实现焊接 、获得 良好 焊接质量的关键。 焊接的主要参数，按爆炸焊接装置 、过 程和结果 ，可将焊接参数分为初始参数 、动 态参数和结合参数三类。 2 ． 1 初始焊接参数 图 2是爆炸焊接装置及焊接初始参数示 意图。 焊接初始参数包括炸药的性质和质量， 材料的物理机械性能尺寸 ，以及两种和两种 以上材料的安装装置的形状 ，上述三方面的 参数一般称为爆炸焊接初始条件三要素。 在爆炸焊接中，单位面积装药 量 M。 是 一 个重要的初始参数 ，它表示焊接所需的能 量。炸药装药性质主要是指它的爆速 、绝热 指数或爆热和装药密度P 。实际在 布 药操作 中，可 以使装药密度稳定在一个变化不大的 范围内。 维普资讯 6 a 爆 破 ⋯ _／ ／ ／_6 2 5 4 ／ ／ 一 ， ． 厂 ／ ， ， 一箍 ． 二ij 彳 f 的 _ _____ r b a 确 度 法布置图 b 平 面法布置图 l 一 雷管 2 一 装药 3一 复板 4一 基板 5一预置 角 6一 间隙 7 一 基础 图 2 爆炸焊接装置及初始 参数 爆炸焊接所用炸药的爆速有一定限制 ， 一 般采用炸药装药爆速的最大值应超过材料 声速的1 ． 2 倍 ，对于良好的焊 接 来说，应满 足 下 列 不等 式 ，即 即 p 一j C 一 j p p C p p b C b 式中p 一 j 、p 、p 分别为爆轰 产 物C J 面 、复 板和 基 板材 料 的密 度 Cj 、C 、 C 分别 为爆轰产 物C, - , I 面． 复板和基板材料 内传播的声速 2 ． 2 动态焊接参数 图 3是爆 炸 焊 接 的动 态参 数 示意 图． ， 动 I V 一 复板碰 撞速 度 V 一 复板 相对S点 的速 度 V 一 碰 撞 点 移动 速度 S 一 碰撞点 0 一 偏转 角 p 一碰撞 角 图 3 爆炸焊接动态参数示意 图 态参数包括复板的动态偏转角0 、碰撞角13 、 复板碰撞速度V 、复板相对于碰撞点S 的速 度V 和 碰 撞 点移 动 速 度V ，此 外 还 有复 板 的碰撞能E E k 1 ／ 2 MV 2 ． 结合区参数 爆炸 焊 接 结合 区 参数 表 明 了结 合 区界面 特征和焊接材料的性质，表示焊接的最终结 果。结合区界面参数包括界面波的波幅和波 长；结合强度及熔化层厚度。实践证 明，较 好的焊接界面是 由精细的周期性排列的波纹 组 成 。 爆 炸焊 接 三个 参 数 之 间是 相互 联系 的 ， 当 初 始 参 数确 定后 ，动态参数和结合 区参 数就相应确定了。因此，焊接的效果和质量 主 要取 决 于合 理 的 选择 初始 焊 接 参数 。 爆炸焊接参数选择得是否合理 ，要看能 维普资讯 印文栋 应用爆 炸焊接方 法生 产不锈 钢复合板 否获 得 优质 焊 接和 高 的结 合 强度 。为 了使 结 合面有较高的结合强度 ，选择的焊接参数必 须 满 足 在碰 撞时 产 生 射流 ；结合 区出现 均 匀 细小的周期波形 ，消除或尽量减少结合 区中 的 熔 化 。 选择焊接参数的主要方法有 以下三 种， 即 1 近似估算法； 2 经验 估算法； 3 半圆柱试验 法； 2 ． 5 ． 1 近似估算法 就是利用近似解析公式求得焊接参数的 方 法 。复 板 运 动速 度 V， 和 复 板来 流速 度 V 是材料性质决定的重要焊接参数。 首先根据爆炸焊接的碰撞压力是复板速 度 的 函数 关 系求 出V， 和 V， 然后 按斯 蒂威 S ． W ． S t i v e r s 的公式确定V， 。即 V p V p i ， 0 ． 1 △V p AV p V p m。 一 V p mi 再 按 公 式 V o [ ] 击 求 出波 纹 的 临界 速度 V 值 。 式 中Re 雷诺数 ， 一般取l 0 ． 61 ． 8 9 ； H。 ，H z复 、基 板的 维 氏硬 度 N／ m ； p。 ， P 复 、基 板的密度 k g ／ i n。 ； 良好焊接的V 值，可按下列关系确定。 即 V ≥2 5 0 0 Vf V 5 0 2 0 0 0 ≤ V 2 0 0 0 Vf V 2 0 0 V 为 碰撞 点移 动速 度 V， 和 V r 确定之后 ，根据焊接参数之 间 的关系 下式 确定动态偏转角e 值。即 V p s i n [ 3 Vf c o s O ／ 2 e 确定后 即可求出所需的单 位 量M 。 。 爆 炸焊 接 的 另一个 初始 参 数是 两 金属 板 的 间距 S，原 则 上 按复 板 加速 到 最 大速 度所 需要的距离来确定 。通常可按下面的经验公 式计算 S 一0 ． 2 t t f 【 丰 1 t 。 为 装药厚 度 ； t r 为复 板厚 度 。 2 ． 5 ． 2 经验估算法 它是 在 大 量实 践 的基 础 上 总结 出来 的 ， 在实际生产 中简便可靠。它直接计算出单位 面积装药量M。 和基板与复板之 间的间距S M。 K t ， P ， 式中K是与炸药性质及材料有关的常数 一般取1 ． 3 v 1 ． 5 ； t ， 复 板厚 度 ； P ， 复 板密 度 。 s 0．1 76 V a ‘ 式 中 M。 单 位 面积 装 药量 ； V a 炸药爆速 ； M 单 位面 积 复 板的 质量 。 实践证明经验估算法在大规模生产 中， 可获得 良好的焊接质量。在我国爆炸焊接中 已得到广泛的应用 ，我们在试验过程 中也多 次 采用 了这 种方 法 。 2 ． 5 ． 5 半 圜柱试验法 由于半圆柱表面有不 同的焊接参数和结 合情况 ，因此 ，它是分析各焊接参数之间的 关 系 及 变化 规 律 的 有用工 具 。它 是通 过 金属 复板和半圆柱形试样在爆炸焊接时具有不 同 焊接参数来做出的。因此 ，在一次试验中可 以观察到较多的结合形态，它是 分析各焊接 参数 之 间 关 系及 变化 规 律 的一 种 手段 。图 4 是半柱试验装置示意图。 面积装药 3 生产复合板的具体操作 在上述爆炸焊接理论的指导下，四年多 维普资讯 爆 破 萋 圣 三 薹 三二 三 量 三 i ～～～ ～一 j 图4 半圆柱试验装置示意图 l 一 基板 2 一 金属半柱体 3一 复板 4 一 炸药 5一 雷 管 来 ，我们在公司大关山矿建 成了露天和地下 爆 场 ，通 过 试验 ，总结 出 了一 套切 宴 可 行的 爆炸焊接生产 不锈钢复合板 的 新 工 艺 ，具 体 为 ．1 小块试验 参数确定 t 在接到不锈钢复合板的生产合同后 ， 先利用近似公式法或经验法确 定大致的爆炸 焊接参数范围，然后剪切好与合 同中材质相 同的基 、复板 ，进行小块试验 。试验方法可 用 半 圆 柱法 较 好 。经 过 几次 试 验后 ，即 可确 定这批合 同准确 的生产了爆炸焊接参数。 5 ． 2 钢板 的配对和打磨 从轧钢厂运回合格的复 、基 板，在 运输 过程 中，特别要注意不要使钢板产生变形 ， 变形较大的板材是无法保证焊接质量的 一入 库后钢板 要先配好对 ，对每一对复 、基板都 进行测量，不合格的钢板要从 中挑出，配好 对的钢板编好号后 ，可送打磨车间用砂轮机 进行打磨抛光，使复 、基板的焊接面露出新 金属面 。一 般情况下 ，每天打磨多少块 ，可 I { l 爆炸生产 能力确定，不要集中在施爆前几 天 ，就将钢板都打磨好待用 。因为几天前打 磨好的钢板，停放后会产生氧化层 ，影 响 接质量的。钢板的结合面越清洁，越光滑焊 接的质量就越好。 5 ． 5 装药准 备 在钢板配好对后 ，应 立即根据相应的钢 板与框架结合确定药框的尺寸 ，对于不锈钢 复合板来说 ，用木材做药框既经济又满足现 场的要求，但需十 分注意木框的顺序号与钢 板号的一致 ，为了防止混号 ，可派专人主镎 此 项 工作 。 5 ． 4 爆破器材 的准 备 首先应检查使用的炸药，必须按设计选 用爆速合适 、稳定和使用方便 的炸药，使用 时 要 严格 控制 好炸 药 的密度 和 药 柱 的厚 度 ， 在检查炸药质量没有问题并核对所需数量无 误后，还要对导爆管 、雷管和起爆器等进行 认真的检查 ，以确保爆炸时的安全 ，达到复 合 标 准 的要 求 。 5 ． 5 基础 基础是放置钢板的底垫 ，也是影响爆炸 焊接质量的重要因素之一 。对于大面积的不 锈 钢 的爆 炸焊 接 ，基础 可用 平整 的砂 土 垫层 为宜。砂土垫座具有成本低 、可塑性好 无 反弹影 响 可反复使用等 优点。为了控制好 板 形砂 垫 基础 可 预 置一 定 倾角 ，且 砂 垫面 要 离 出地 面 0 ． 5 米 。 5 ． 6 支撑物和复合板保护层 爆炸时 ，复板首先被爆轰波压力所形成 的冲击波加速，如果复板与基板的间距有足 够大 ，则复板就可以以最大的速度与基板碰 撞 ，即能保证焊接质量。在大面积复合时 ， 为了克服钢板的重量，要在复 、基板间放置 支撑物，一 般选用木块或 铝箔为佳 ，支撑物 的截面 要尽可能小点，其高度 可 由 试 验确 定。 为了使复板不被爆轰产 物烧伤，要在炸 药与复板间放置保护层 又称缓冲层 ，一般 下转 第8 5 页 维普资讯 彭中华 “ 八、二七” 击早爆事故剖沂与处理 8 5 两 药 包的 微差 间 隔时 间不 宜太 长 ，从 爆破 效 果 上讲 最 好 为5 0 ms 左 右 。另 外 。，主 起 爆 体 位 置不 宜 太靠 近 导峒 。 2 、后排条形药包的回填问题 Ⅱ 一 3药包 早爆 对后 排 充 填 体 也有 影 响 。正 常 爆破 时 ，前 排 和后 排 的 微差 间 隔时 间较大 常取3 0 0 - 5 0 0 ms ，如 果 后排 的充 填体被破坏 ，必将影响后排的爆破效果。笔 者 认 为， 当后排 两药 室 之 间的 回填长 度 为6 m H 寸，导 峒 内宜 再 回填5 -8 m 3 、起爆体的加工 药室开挖后发现部 分硝酸铵炸药已经结 块变硬，尤其值得警惕的是制作起爆体的那 包炸 药 。 因此 ，在制 作 起 爆体 时 ，炸药 包 要 埚塑料纸袋包装捆扎严实 。另外 ，起爆雷管 也应用绝缘胶布包裹好 以防止硝酸铵腐蚀 。 4 、峒室爆破施工中防雷 电问题 不 论 是远 处 雷 电 ，还 是近处 雷 电 ，均可 上接 第6 2 页 『 { { 鸡毛纸 、油毛毡和漆料等制作。通过实践 获知用漆料作保护层 ，既经济方便又能够起 到 保 护作 用 。 5． 了 其 它 复合板的生产所需要的小型工具有导通 器、各种波的测试仪 、起爆 器 、卷 尺 、直 尺 、剪 刀 、刮 板 、胶 带 等 ，为 了工 作 的顺 序 进行 ，必须 有 秩序 地开 展 工 作 ，设 专 门保 管 并及时提供所需的工具和用品。 上述各项工作完结后，通过爆炸焊接件 业 的 领导 和 技术 人 员对 现 场 进行 严格 检 查 ， 能给电爆网路系统带来危险 ，而地球表面对 雷 电的 屏 蔽能 力 是有 限 的 ，地 下峒 室 内的 电 堞网路即使短路也可 以产生感应 电流。为安 全 起见 ，每 当爆 区 附近 出现 雷 电或 雷声 ，一 切 人员 必须 撤 到 安全 地 点 。显 然 ，施工 现 场 很有必要使用雷 电预警仪器 。 来 本 文在编 写 过程 L } J 得到 了吴予 骏 、许 连 坡 的帮 助 ，在 此 表 示感 谢 参考文献 l 刘荆 江 编 ．静 电及其 世 川 。北京 科 学 出版 社 ，l 9 7 8 ．1 1 。 2 谢处 方 、 饶克 谨 ． 电磁 场 与 电磁波 第二版 ，北京 高等教育出版社 ，l 【 8 7 ． 7 。 3 爆破安全规程资料汇编第4 2 6 页。 冶 金工 业部 安 全环 保 研究 院 。 确 认无 误后 即可 准备 进行 复 合施 爆 。 施爆 时 ， 必须 严 格 执行 爆破 安 全规 程 ， 做 到 分工 叫确 ， 安全 作 业 。 4 结语 四年 多来 ，我 们 通 过 技术 攻关 ，进行 了 9 0 多次爆炸焊接的复合工艺试验，掌握了一 套合理爆破 参数和爆炸焊接工艺 ，生产出的 产 品虽 然 也于 今 年 2月 1 8日通 过 了省 级 鉴 定 ，但 是 这项 技 术是 多 学科 的 、年 轻 的 、很 有 攻 关价 值 的新 技 术 ，我们 一 定 要继 续努 力 I 作 ，不断 攀 登技 术 高峰 维普资讯