爆炸焊接布药工艺与微观结合界面形貌分析.pdf

第”卷第1 期 2 0 1 0 年3 月 爆破 B L A S T I N G V 0 1 ．2 7N o ．1 M a r ．2 0 1 0 D O I 1 0 ．3 9 6 3 ／j ．i s s n ．1 0 0 1 - 4 8 7 X ．2 0 1 0 ．0 1 ．0 2 1 爆炸焊接布药工艺与微观结合界面形貌分析 蔡立艮，卢红标，周春华，唐建，方虎生 中国人民解放军理S E 大学工程兵“ 1 - 程学院，南京2 1 0 0 0 7 摘要爆炸焊接是复舍材料加工的1 项高新技术，不同的爆炸焊接布药工艺对复合板的质量有很大影 响。通过对传统的均匀布药工艺和新不等厚度布药工艺进行爆炸焊接试验和理论分析，发现传统的均匀布 药工艺所得到的焊接大波状结合界面明显、复合板质量不好，而新不等厚度布药新工艺可以使炸药产生的爆 轰压力逐渐减少，并和材料本身振动产生的惯性力协调作用，得到基本一致的微小波状结合界面，同时降低 震动和噪声。结论表明新工艺对工业生产和爆炸焊接试验有很好的指导作用。 关键词爆炸焊接；不等厚度布药；界面 中图分类号T D 2 3 5 ．3 7 2文献标识码A文章编号1 0 0 1 - 4 8 7 X 2 0 1 0 0 1 0 0 7 8 0 4 A r r a n g i n gE x p l o s i v eT e c h n o l o g yo fE x p l o s i v eW e l d i n ga n d M i c r o - a n a l y s i so fB o n g i n gI n t e r f a c e s C A IL i g e n ，L U 胁n g b i a o ，Z H O UC h u n - h u a ，T A N GJ i a n ，F A N GH u - s h e n g E n g i n e e r i n gI n s t i t u t eo fE n g i n e e r i n gC o r p s ，P L AU n i vo fS e i T e c h ．，N a n j i n g2 1 0 0 0 7 ，C h i n a A b s t r a c t E x p l o s i v ew e l d i n gi sas p e c i a lt e c h n o l o g yo fc o m p o s i t e sa n dt h ei n f l u e n c eo fd i f f e r e n tt e c h n o l o g yo n q u a l i t yo fe x p l o s i v ec l a d d i n gp l a t ei sg r e a t ．A f t e ra n a l y z i n ge q u a la n du n e q u a lt h i c k n e s sd y n a m i t e - d i s t r i b u t i n g ，t h el a t - t e re n h a n c e dw h o l eb o n d i n gq u a l i t yo fe x p l o s i v ec l a d d i n gp l a t e ，t h eb l a s t i n gp r e a s u r eo fd y n a m i t ei sr e d u c i n ga n dt h e l i b m t i o n so fi n e r t i ai si n c r e a s i n g ．B yt h i sm e a n s ，m i c r o w a v ec o m b i n i n gi n t e r f a c ei s g a i n e da n dl o w e r e dd i s a d v a n t a - g e o u se f f e c to ne n v i r o n m e n ta r o u n d ．T h en e wt e c h n o l o g yh a v eb e t t e rd i r e c t i o n0 1 1i n d u s t r yp r o d u c ea n de x p l o s i v e w e l d i n ge x p e r i m e n t ． K e yw o r d s e x p l o s i v ew e l d i n g ；u n e q u a lt h i c k n e s sd y n a m i t e - d i s t r i b u t i n g ；i n t e r f a c e 0 引言 爆炸焊接是以炸药为能源进行材料复合的高新 技术。爆炸焊接复合板已经广泛地应用于石油、化 工等许多工业领域，并带来了巨大的经济效益和社 会效应。爆炸焊接中布药方式的确定直接影响了复 合板的界面结合质量，传统的焊接工艺均采用均匀 布药方式，所得复合板的界面结合波，沿着爆轰方向 由微波状、小波状到大波状⋯，而机械性能测试和 收稿日期2 0 0 9 0 9 1 4 作者简介蔡立艮 1 9 7 7 一 ，男，讲师，博士，研究方向为爆炸焊接技 术．E - m a i l z e h z e h 7 8 0 1 1 1 1 6 3 ．t o m 。 检验表明，大波状结合界面中含有大量空洞等微观 缺陷，只有微小波状结合界面是最佳的结合界 面‘引。旨在研究比较均匀布药和不等厚度布药方 式下所得复合板结合界面的不同特征，以指导实际 生产中的布药工艺。 1 试验方法 1 ．1 试验材料 试验用材均为普碳钢Q 2 3 5 基板但3 55 9 4m mx 3 0 0m m 6m m 复板Q 2 3 5 6 0 0m m 3 0 0m m 2 0m m 炸药2 ‘粉状岩石硝铵炸药 万方数据 第2 7 卷第1 期蔡立艮，卢红标，周春华，等爆炸焊接布药工艺与微观结合界面形貌分析 7 9 1 ．2 试验方法 试验中分别采用传统的均匀布药工艺和不等厚 度布药新工艺进行爆炸焊接试验。均匀布药工艺 图1 是1 种从起爆端到末端的布药厚度几乎保持 不变，药量平均分布的布药方法[ 3 1 ；不等厚度布药 工艺 图2 通过不断调整爆炸焊接药量和复板两端 装药厚度口、b ，从而改变炸药的分布情况。 1 ．3 界面测试 为了分析结合界面波在不同布药工艺下的分布 规律，对2 种布药工艺下所得爆炸焊接复合板进行超 声波探伤，从中选取结合率较高的试块分别取样，进 行实验室测试分析。试样选取的位置如图3 所示。 』 自 T 图1 均匀布药结构 图2 不等厚度布药结构 图3 试块取样图 单位m m 取起爆点为坐标系的原点，向右为正方向，在复 合板轴线上沿爆轰方向 正方向 选取1 1 个试样， 试样间隔为4 0l I l l n 。制样分3 个步骤磨光、抛光、 王水腐蚀。 2 试验结果 图4 、图5 分别为均匀布药工艺和不等厚度布 药工艺下所得复合板界面的金相照片。结合区的波 形参数有2 个波长A ，波高A 。测出2 组试样界面 波的波长和波高，根据照片的放大倍数可以计算出 界面波的实际波长和波高，绘制图6 、图7 。 由图6 和图7 可以比较2 种布药方式下复合板 结合界面波波形和波幅的变化规律，得到如下结论 1 均匀布药方式下界面波的波长和波幅沿爆 轰方向逐渐增大，在末端有减小趋势。 2 不等厚度布药方式下界面波的波长和波幅 在大约离起爆点约6 1 7c n l 左右，界面波的波长和 波幅都在依次增大，逐渐生长为小波状，离起爆点 1 7c m 以后，炸药达到稳定爆轰，界面波趋于稳定， 继续呈微小波状结合。 图4 均匀布药工艺下复合板结合界面 图5不等厚度布药工艺下复合板结合界面 4 5 0 4 0 0 3 5 0 目3 0 0 主2 5 0 璐2 0 0 1 5 0 l O o 5 0 图6 界面波波长比较图 图7 界面波波幅比较图 3 在焊接复合板的末端，由于受空气稀疏波的 影响，结合界面波的波长和波幅都将有所减小。 万方数据 爆破2 0 1 0 年3 月 3 理论分析 3 ．1 爆炸焊接复板上表面载荷分布 根据炸药爆轰的特性得出爆炸焊接复板上表面 的载荷分布如图8 ，其焊接参数如图9 所示‘引 图8 爆炸载荷p x 分布图 D 。_ 。_ _ _ _ - _ _ - 图9 复板在3 个不同时刻的位置 复板 若不考虑炸药化学反应区的压力分布，则爆轰 波头的压力P 为 肌2 南0 D 2 1 取爆轰波头为坐标原点，向左为正方向，则爆轰 产物区压力p 菇 为 等 【c o s ／一⋯詈 ] 订 2 式中，y 。为炸药的多方指数；艿为装药厚度；D 为炸 药爆速；当 0 时，即在爆轰波头处，吐盟 l ，当 D p H 詈增加时，鼍} 以罢等的方次随余弦函数迅速衰 减。 则炸药对复板的有效作用距离f 可以用下式表 示 z 2 去2 2 占 3 t g 口 ’’ 爆炸焊接中一般都采用平行装置 ‰ 2 Ds i n 譬 4 当t ，，由B 点运动到c 点，而”。则由A 点运动到 C 点。于是有 t ，。 卫i D 5 2s i n 卫2 通过计算可以求得 P o 一匆H 6 由以上分析可知，采用均匀布药工艺时，如果不 考虑能量损失，复板上每个化学反应区的压力沿着 爆轰方向都逐渐增大。此外，这个反应区的能量又 会使复板产生振动，使复板获得向下的惯性力，因此 沿爆轰方向每个反应区内的压力都会比上一个反应 区高。当采用不等厚度布药新工艺时，沿爆轰方向 的装药量逐渐减少，使炸药产生的爆轰压力逐渐减 少，和振动产生的惯性力共同作用，保持基、复板之 间的压力基本不变，得到基本一致的微小波状的结 合界面。 3 ．2 界面波的计算 爆炸焊接复合板的界面波波长一般根据式 7 进行计算吲 A 掣 号一- 2 7 Z c 、y ． ， 式中，K 为基、复板之间的碰撞速度；d 为复板厚度； c 为金属的体积声速；K 为碰撞点的移动速度，也就 是炸药的爆轰速度。因此，在同一爆炸焊接系统中， 只有基、复板之间的碰撞速度决定波长的大小。 由3 ．1 分析可知，采用均匀布药工艺时，沿爆轰 方向复板上的压力逐渐增大，基复板间的碰撞速度 增大，由式 7 知波长A 增大。采用不等厚度布药 时，根据炸药的爆轰特性，沿爆轰方向装药厚度减 小，炸药的爆轰速度减小，从而得到所需的爆轰压 力，控制基、复板之间的碰撞速度，得到微小波状结 合的焊接复合板。 4 结论 传统的均匀布药工艺下所得到的焊接复合板中 有大波状结合界面，降低了复合板的结合质量[ 6 引。 采用不等厚度布药新工艺可以使炸药产生的爆轰压 力逐渐减少，和振动产生的惯性力共同作用，保持 基、复板之间的压力基本不变，得到基本一致的微小 波状的结合界面。因此在爆炸焊接中，我们考虑炸 药能量的同时，也要同时考虑振动产生的惯性力对 焊接界面的影响。此工艺同时降低了装药量，节约 成本，减小了对周围环境的影响。该技术已在生产 实践中得到广泛的应用，取得了很好的效果。 万方数据 第2 7 卷第1 期蔡立艮，卢红标，周春华，等爆炸焊接布药工艺与微观结合界面形貌分析 8 l 参考文献 [ 1 ] 郑哲敏，杨振声．爆炸加工[ M ] ．北京国防工业出版 社，1 9 8 1 11 2 0 ．11 5 0 ． [ 2 ] 史长根．爆炸焊接界面微观结构的形成[ D ] ．南京解 放军理工大学，2 0 0 0 6 2 - 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