爆炸焊接理论与技术新进展.pdf

2 0 0 7 年6 月爆炸焊接理论与技术新进展史长根等 爆炸焊接理论与技术新进展 史长根王洋尤峻 解放军理工大学工程兵工程学院 江苏南京，2 1 0 0 0 7 [ 摘要] 爆炸焊接理论与技术取得了四个方面的进展 1 发现并重新定义了三种结合界面大波状、小波状和 微波状，其中以微波状为最佳。首次发现在一个复合板中，界面波呈一定的规律分布。 2 针对爆炸焊接熔焊机理的 局限性，首次提出并验证了“爆炸焊接是一种特殊压力焊”的新观点． 3 为了得到无熔化的良好界面，必须选取焊 接下限，按照新的复板模型，得到了新的焊接下限，比传统下限小2 0 ％，并适宜于工程应用。 4 首次测试并研究了 爆炸焊接荷载下地基的应力应变规律。通过地基参数的优化分析，得到了最适宜于爆炸焊接的沙土地基 含水量 1 7 ．o o ％、密度1 ．7 4 9 ／c m 3 。 [ 关键词] 爆炸焊接结合界面压力焊下限 [ 分类号] T G 4 5 6 ．6 目前，有关爆炸焊接的许多问题尚未得到解决，如图1 a 所示，大波状结合是一种宽过渡结 如界面波的结合形式及其分布规律、可焊性窗口的 合，它具有如下三个特征 应用及下限的获得、地基对爆炸焊接质量的影响等。 1 波长和波幅最大。 这些问题的解决对于提高爆炸焊接质量，降低加工 2 在界面上有较宽的过渡区域。在过渡区域 成本具有非常重要的意义。中，各种元素的含量比基材和复材中各元素的含量 1 界面波的结合形式均要低，由于过熔，其中还存在一定的缝隙缺陷 各 1 ．1 传统的观点元素含量为O ，大大削弱了界面的结合强度。 许多文献都把爆炸焊接界面划分为如下三种形 3 大波状结合是由装药量过大引起的，在基 式口’2 ] 连续的熔化层结合、波状结合和直接结合 第材中形成了许多“空洞” 元素含量大大降低 ，空洞 一类结合是一种失效的结合 。人们往往对如何获得对焊接质量是不利的。尽管大波状界面的结合强度 波状结合进行了详细的研究而忽略了对直接结合的是较低的，但结合性能仍满足标准 J I S G 3 6 0 1 9 7 。 研究。1 ．2 ．2 小波状结合 1 ．2 三种结合界面[ 3 ’4 ]如图1 b 所示，小波状界面也是一种过渡结 通过运用J X A 一8 8 0 0 M E P M A 对复合板的结合合。 界面进行了全面的测试，发现前人所述的“直接结 1 波长和波幅较大 比大波状要小 。 合”也是波状的。实际上“直接结合”是一种微波状结 2 在界面上，过渡区域较窄。过渡区域是由基 合，其结合强度是最高的。此外，前人提及的“波状结 材和复材两种材料共同组成，其中的各元素含量都 合”有大波状和小波状两种截然不同的形式。根据工 介予两种金属之间，几乎没有缝隙缺陷。 程应用的要求，把结合界面重新划分为大波状、小波 3 基材基体上，“空洞”的数量较少，界面的结 状和微波状。合强度介于两种金属之间，并且比大波状结合强度 1 ．2 ．1 大波状结合高。 ；射i 即j 弘；弘；√a 和i 弘i ≯；√；J i 纠i 印；√j 即；和i 和；J i 即；和j 和i 和j 即；即i 印i 即i 弘i 即i 弘；√；p j 和j 弘i 弘j p ；和i 和；√j 印i 和i 扣；≯j 和；和；和i 和i 和j 印j 和；J E x p l o s i V eD e m o l i t i o no faS e V e n S t o r e yF r a m e w o r kB u i l d i n g L iY a o g u a n g T e c h n i c a lC e n t e ro fF e n x iM i n i n gG r o u p S h a n x iJ i e x i u ，0 3 2 0 0 0 [ A B S T R A C T ]As e v e n s t o r e yf r a m e w o r kb u i l d i n gw a sd e m o l i s h e du s i n gd i r e c t i o n a lb l a s t i n gt e c h n i c ．B yc o m ． p o s i n gac i r c u i to fp l a s t i c c o a t e dd e t o n a t o ra n de l e c t r i cd e t o n a t o r ，r e a s o n a b l ed i v i s i o ni nc o m b i n a t i o nw i t hd e l a yi n - t e r v a lf i r i n gs e q u e n c e ，a n de l a b o r a t e l yd e s i g n e db l a s t i n gp a r a m e t e r s ，b l a s t i n gn e t w o r ka n ds a f e t yp r o t e c t i o n ，t h e e x p e c t e dr e s u l to fd e m o l i t i o nb l a s t i n gw a sa c h i e v e d ． [ K E Yw O R D s ]e x p l o s i v ed e m o l i t i o n ，f r a m e w o r k ，d i r e c t i o n a lc o u a p s e 万方数据 2 8 爆破器材E x p l o s i v eM a t e r i a l s第3 6 卷第3 期 以在一块复合板中获得微波状和小波状的结合界 面，避免大波状界面的出现。通过测试，发现了界面 波的整体分布规律同炸药的不稳定爆轰和边界稀疏 效应之间的关系 图2 。为了获得最佳分布的结合 界面，提出并验证了“爆炸焊接装药必须选取下限” 的原则。 图2 界面波的分布规律 T 1 0 一2 0 G 2 爆炸焊接的结合机理[ 3 J ’‘] 在基复板之间存在严重的塑性变形、熔化和扩 散等其它特征，以前一些研究者认为爆炸焊接是熔 化焊、扩散焊、压力焊三位一体的焊接技术。 如图3 所示，认为爆炸焊接不是熔化焊接。 a 大波状； b 小波状； c 微波状 图1爆炸焊接的三种结合界面的元素面扫描 S A 2 6 6 3 0 4 1 ．2 ．3 微波状结合 如图1 c 所示，微波状界面没有过渡区域和缝 隙缺陷，基材的基体上也没有“空洞”。其界面是一种 金属到另一种金属的急骤过渡。微波状结合是最佳 的结合。 由于过熔，大、小波状结合界面不可避免会产生 或多或少的缺陷。以往人们热衷于“波状结合” 大波 和小波 使得装药量过大，而界面结合质量反而下 降。运用最少的装药量获得最佳的结合界面是追求 的目标。 1 ．3 界面波的分布规律[ 3 3 在一块复合板的整个结合界面上，不可能全部 得到微波状结合，但通过控制装药量和布药工艺，可图3 过分熔化形成的缝隙和不结合区 万方数据 2 0 0 7 年6 月爆炸焊接理论与技术新进展史长根等 1 尽管界面有熔化的特征，但熔化是局部的， 它是爆炸焊接产生的结果，不是爆炸焊接结合的原 因。 2 由熔化产生的界面缝隙和“空洞”大大削弱 了界面的结合强度和焊合率。 3 过分的熔化将形成“连续的熔化层结合”， 使焊接失效。在爆炸焊接中，界面熔化效应应尽量消 除。所以爆炸焊接不是一种熔化焊接。 原子扩散是非常微小的 表1 ，扩散不是界面 结合的原因，而是界面高压产生的结果。扩散焊接是 压力焊的一种形式，所以扩散焊接也不能解释爆炸 焊接界面的结合机理。 表11 C r l 8 N i 9 T i A 3 界面元素定量分析 元素 复板 1 23 过渡区 45 基板 678 F e6 6 ．1 06 6 ．9 56 7 ．5 3 M n1 ．4 51 ．3 7 1 ．0 4 C r1 9 ．0 11 8 ．6 51 8 ．0 3 N i1 3 ．3 61 3 ．0 81 3 ．0 0 CO ．0 7 8O ．0 7 3O ．0 6 8 S i O ．7 7O ．6 50 ．6 3 8 0 ．2 3 8 0 ．3 5 O ．9 80 ．9 5 1 0 ．0 49 ．8 9 8 ．0 27 ．9 l O ．2 4 2 0 ．2 3 8 O ．4 60 ．6 7 9 6 ．4 49 7 ．0 59 7 ．1 4 O ．9 1O ．8 40 ．8 2 1 ．2 51 ．O OO ．9 6 O ．9 8O ．6 8O ．6 5 O ．3 3 6O ．2 9 70 ．2 8 3 O ．1 6O ．1 3 0 ．1 5 2 ．1 界面形成的两个条件 2 ．1 ．1 清洁而新鲜的表面 理想的光滑、清洁和相互平行的表面接近时，不 需要消耗能量，也能够自行产生足以形成焊接接头 的金属键，而且这种接头的强度，并不低于完好的金 属的强度。在爆炸焊接过程中，焊接界面处的塑性变 形破碎并消除了表面的氧化膜、吸附膜等污垢 射 流 ，从而使两种金属都露出清洁而新鲜的表面，为 界面上原子间的紧密结合扫清了障碍，此外界面结 合区内的气体也在碰撞的瞬间被排出。因此爆炸焊 接的界面在形成原子结合前是清洁而新鲜的。 2 ．1 ．2 表面相互接近达到原子间距 为了获得A 和B 两种金属的焊接接头，必须使 两个表面靠得足够近，使得两表面原子达到引力作 用范围之内 几个埃 。在平衡位置时引力和斥力相 互平衡，也就是说原子之间相互作用的能量是最低 的。待焊接的两个新鲜表面必须接近到原子的平衡 间距以内。在爆炸焊接过程中，由炸药爆轰提供的高 压足以使待焊接的两种金属，在其整个甚至几倍名 义表面积范围之内形成真实接触。也就是说，处于表 面层的每个原子都会与对应表面层的原子达到原子 间距，并由于界面高温的激活以及表面缺陷的存在 而易于形成键合。 2 ．2 爆炸焊接是一种特殊的压力焊[ 7 ] 任何压力焊接过程都存在三个阶段第一阶段 是物理接触的形成阶段 “ ；第二阶段是接触表面 的激活 如 ；已经使物理接触面实现结合后，金属材 料通过结合面向周围扩散的阶段叫做第三阶段 昂 。爆炸焊接满足压力焊接的三阶段理论氏≥￡。≥ 岛。因此爆炸焊接是一种特殊的压力焊。 3 爆炸焊接下限 为了获得最佳分布的结合界面，爆炸焊接装药 必须选取下限，而焊接上限的研究显得意义不大。如 果得到真正的焊接下限，将会大大提高焊接质量和 减少装药量。 大最的界面微观测试表明，复板不可视为不可 压缩的流体，而是在不同层面经受不同性质变形的 粘弹塑性体。在爆炸焊接过程中，爆炸荷载产生的弯 矩必须大予复板的动态极限弯矩。也就是 ‰≥矾 1 爆轰波头和反应区的压力分别是‘3 1 乡Ⅳ一赢J D 。D 2 2 础一扛[ 扁可詈『㈥ 式中扎多方指数； 艿炸药厚度； D 炸药爆速。 由式 2 和式 3 可以得到爆炸荷载产生的最大 弯矩 ‰。 篇[ 2 c o s 鲁[ 扁孵吾] ] 4 ， 而复板的动态极限弯矩为 Ⅳ。一如鲁鲁一丢％ 2 一萼盯∥ 5 式中 复板厚度。 由式 1 、式 4 和式 5 可以得到焊接下限 』篇[ 2 c o s 鲁[ 僖旷- 吾] ] ≥1 s 啪2 【a ≥乱 6 此下限比传统下限要小2 0 ％并适合于工程应 用。 4 地基特性及优化[ s ] 在爆炸焊接强冲击荷载作用下，地基表现为具 有固定组成的三相物质，其变形机理随地基深度不 同而变化。地基表层 O ～2 0 c m 具有流体弹塑性，中 层 2 0 ～6 0 c m 呈弹粘塑性，下层 大于6 0c m 表现 为线性弹性体。 万方数据 3 0 爆破器材E x p I o s i v eM a t e r i a l 3第3 6 卷第3 期 用预埋于地基不同深度的压电晶体传感器，在 爆炸焊接现场成功测出了应力达1 3M P a 的完整波 形。地基的应力波峰值随深度呈指数关系衰减，而且 衰减速率与地面超压作用时间、地基类型等相关。沙 土地基中应力波波速D 与土壤质点运动速度“关 系为D 2 0 5 ．1 6 7 ．8 5 “；而粘土地基为D 一 1 2 4 ．6 9 3 6 ．7 2 5 甜。 均匀密致散粒结构的沙土地基，在爆炸焊接强 冲击荷载作用下，含水量和密度都无明显变化。沙土 的波阻抗比粘土地基大，冲击波反射系数小，边界效 应小，有利于焊接质量的提高。这表明压密后的沙土 是一种优良的地基。通过地基参数优化分析得出，沙 土地基的含水量为1 7 ．0 0 ％，密度为1 ．7 4 9 ／c m 3 ，因 此能得到较高的焊合率。 参考文献 lZ h em i nZ h e n g ，Z h e n s h e n gY 8 n g ． E x p l o s i o nW o r k i n g [ M ] ．1 9 8 1 ．4 6 9 ～4 7 1 20 x f o r d ，C l a r e n d o n ． E x p l o s i v eW e l d i n go fM e t a l sa n d I t sA p p l i c a t i o n [ M ] ．1 9 8 2 ．1 9 7 ～2 0 1 3 C h a n gg e nS h i ． T h eF o r m a t i o no ft h eI n t e r f a c eM i c r o s t r u c t u r ea n dA p p I i c a t i o nR e s e a r c hi nE x p l o s i v e W e l d i n g [ D ] ．2 0 0 0 4W a n gY a o h u a ，S h iC h a n g g e n ，T h r e eB o n d i n gI n t e r f a c e o fS A 2 6 6 - 3 0 4I nE x p l o s i v ew e l d i n g [ J ] ．M a t e r i a l sS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y ，1 9 9 8 ，6 4 3 5 ～4 2 5Y u a n m o uZ h e n g ． S t u d yo nB o n d i n gZ o n ei nS t a i n l e s s S t e e l ／C a r b o nS t e e le x p l o s i v eW e l d i n gC o m p o s i t eP I a t e [ J ] ．R e s e a r c ho nI r o n S t e e l ，1 9 9 8 ， 1 3 0 ～3 4 6L iY a n ，e t c ．h l t e r f a c eM i c r o s t r u c t u r eo fL 2 ／1 6 M n R Li n E x p l o s i v eW e l d i n g [ 刀．J o u r n a lo fL u o y a n gi nS t i t u t eo f T e c h n o l o g y ，1 9 9 8 ， 1 1 2 ～1 5 7 史长根，等．爆炸焊接压力焊机理研究[ J ] ．解放军理工大 学学报，2 0 0 2 ，3 5 5 5 ～5 8 8 L ．Z h i X i o n g ，e t c ． M e c h a n i c a lP r o p e r t i e so fS o i l su n d e r E x p l o s i v eW e l d i n g [ J ] ． J ．a g r i c ．E n g n g ．R e s ． 2 0 0 1 ，8 0 2 I2 1 7 ～2 2 2 N e wA c h i e v e m e n t so nt h eT h e o r yA n dT e c h n o l o g yo fE x p l o s i V eW e I d i n g S h iC h a n g g e n ，W a n gY a n g ，Y o uJ u n 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 A U S T J i a n g s h uN a n j i n g ，2 1 0 0 0 7 [ A B S T R A C T ]T h e r ea r ef o u rn e wa c h i e v e m e n t so nt h et h e o r ya n dt e c h n 0 1 0 9 yo fe x p l o s i v ew e l d i n g ． 1 w eh a v e f o u n da n dd e f i n e dt h r e ek i n d so f b o n d i n gi m e r f a c e sl b i gw a v y ，8 m a l lw a v ya n dm i c r o 啪v y ，a n dt h em i c r ow a v yi n t e r f a c ei st h eb e s t ，i nac l a d d i n gp l a t e ，i ti sf b rt h ef i r s tt i m et of i n dt h a tt h ef o r mo fi n t e r f a c ep r e s e n t sr e g u I a rd i s t r i b u t i o n ． 2 A l t h o u g ht h ei n t e r f a c eh a st h ef e a t u r e so fm e l t ，d i f f u 8 i o na n dp r e s 8 u r ew e l d i n gi nt h em e a nt i m e ，t h e s e a ma n d “h 0 1 e ”b r o u g h tb yt h em e l tw e a k e nt h eb o n d i n gs t r e n g t ho fi n t e r f a c eg r e a t l y ，a n dt h ee f f e c to fr r L e l to ni n ． t e r f a c em u s tb ee l i m i n a t e di ne x p l o s i v ew e l d i n g ，s oe x p l o s i v ew e l d i n gi sn o tam e l tw e l d ．T h ed i f f u s i o nw e I d i n gi s ak i n do ff o r mo fp r e s s u r ew e l d i n g ，a n dt h ed i f f u s i o ni sn o tt h er e a s o no ft h eb o n d i n go fi n t e r f a c eb u tt h er e s u l to f i n t e r f a c eh i g hp r e s s u r e ．S ot h ed i f f u s i o nw e l d i n gc a n n o te x p l a i nt h eb o n d i n gm e c h a n i s mo fi tt o o ．T h ee x p e r i m e n t a n dt h e o r ym a k ec l e a rt h a te x p l o s i v ew e l d i n gi sas p e c i a lp r e s s u r eo n e ． 3 T og e tag o o di n t e r f a c ew i t hn om e l t ，e x p l o s i v ec h a r g em u s tb es e l e c t e do nt h el o w1 i m i to fw e l d i n gw i n d o w s ． I ne x p l o s i v ew e l d i n g ，t h ed r i v ep l a t es h o u I d b et r e a t e da st h ev i s c o u sa n d p l a s t o e l a s t i cb o d y ，n o ti n c o m p r e s s i b l en u i d ．T h eb e n d i n gm o m e n tu n d e rt h ee x p l o s i v e w e l d i n g1 0 a d i n gm u s tb eg r e a t e rt h a nt h a tu n d e rd y n a m i cl i m i to fd r i v e rp l a t e ．A c c o r d i n gt ot h ec o n d i t i o n ，t h el o w - e rl i m i to fe x p l o s i v ew e l d i n gi so b t a i n e d ．I ti sa b o u t2 0 ％l e s st h a nt h a to b t a i n e db yt r a d i t i o n a lc a l c u l a t i o n ，a n d s u i t a b l ef o re n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n ． 4 I ti sf o rt h ef i r s tt i m et ot e s ta n ds t u d ys o i la n v 订c h a r a c t e r i s t i c sa n dc h a n g e r e g u l a r i t yu n d e re x p l o s i v ew e l d i n gi m p a c tl o a d i n g ，T h r o u g hs o i la n v i lp a r a m e t e ro p t i m i z a t i o na n a l y s i s ，i ti st h e b e s tf o re x p l o s i v ew e l d i n gw i t hs a n d ys o i lo fw a t e rc o n t e n t1 7 ．o O ％a n dd e n s i t y1 ．7 4 9 ／c m 3 ． [ K E YW O R D S ]e x p l o s i v ew e l d i n g ，b o n d i n gi n t e r f a c e ，p r e s s u r ew e l d i n g ，l o wl i m i t 万方数据