爆炸焊接最佳药量窗口及其参数的确定.pdf

2 0 1 1 年6 月爆炸焊接最佳药量窗口及其参数的确定刘鹏等 3 5 爆炸焊接最佳药量窗口及其参数的确定’ 刘鹏陆明史长根庞敬军 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】介绍了最佳药量窗口的设想，结合爆速试验结果。推导出了起爆端最小装药厚度计算公式。依据不等 厚度布药工艺，给出了爆轰末端装药厚度的计算原则。根据“结合界面不产生过熔”的原则。提出了下临界复板厚 度的确定公式，由此完善了最佳药量窗口各参数的计算方法。实践表明最佳药量窗口具有一定的实用价值。 [ 关键词] 爆炸焊接最佳药量窗口可焊性窗口装药厚度 [ 分类号] T C , 4 5 6 ．6 引言 众所周知，爆炸焊接“可焊性窗口”理论是目前 爆炸焊接技术中用来确定爆炸焊接动态参数的基本 方法，也是爆炸焊接生产中指导确定炸药装药量的 主要理论依据，是爆炸焊接理论的基础【I j 。但“可 焊性窗口”理论对于指导爆炸焊接生产实践也存在 缺陷，主要表现在【2 】一是该窗口是根据满足金属 可焊性碰撞条件 产生金属射流、临界碰撞角、不产 生过熔结合及最大碰撞点移动速度等 的动态参数 来建立的，它给出的是金属可焊性的动态参数变化 范围，没有直接给出实际工程应用中人们最为关心 的爆炸焊接装药量，没有涉及到炸药的布药工艺方 法；二是在焊接质量方面，“可焊性窗口”回答的问 题是哪些条件下“可焊”，没有就如何降低炸药装药 量并实现最佳焊接质量给出指导性原则。 本文立足于最佳药量窗口概念和不等厚度布药 工艺，介绍了最佳药量窗口的设想，给出了装药厚度 上、下限的计算方法，并结合具体的爆炸焊接实例进 行试验论证，以供读者参考。 1 最佳药量窗口的设想 尽管在“可焊性窗口”给出的动态参数变化范 围内，任选一点来计算装药量均可实现成功的爆炸 焊接，但大量研究结果表明，当选取可焊性窗口下限 确定炸药装药量时，由于实际上减小了基复板碰撞 速度而避免了结合界面过熔，有利于获得焊接质量 最好的微波状结合界面。另外，出于稳定基复板间 的碰撞载荷、提高焊接质量以及降低炸药用量的考 虑，爆炸焊接生产中，也广泛采用不等厚度布药工 艺。因此，最佳药量窗口的基本指导思想是用可焊 性窗口下限来确定起爆端最小炸药厚度，利用不等 厚度布药工艺理论确定爆轰末端最小药厚。 其基本设想如图1 所示‘2 1 。 蔷 警 鞍 复板厚度珥 图1 最佳药量窗口示意图 图1 中各点、线的物理意义如下 1 A 点的纵坐标为炸药起爆所需的临界装药 厚度，横坐标 ％ 为临界装药厚度条件下使复合板 起爆端的焊接质量最佳时的复板厚度。 2 B 点的纵坐标是合理的最大复板厚度 巩 所对应的最小起爆端药厚。 3 D 点和C 点的纵坐标分别是当采用“不等 厚度布药”工艺时，在确保复合板最佳焊接质量的 条件下，与复板厚度％和巩相对应的爆轰末端最 小药厚。 4 A B 连线和D C 连线分别是I 在复板厚度％ 与％区间内，通过取若干个典型复板厚度值进行试 验，在确保复合板最佳焊接质量的前提下，所确定的 起爆端和爆轰末端的最小药厚试验数据点的连线。 5 区域p 为爆轰末端的最小药厚变化区。给 出该变化区域主要考虑到沿着爆轰的传播方向， “不等厚度布药”的药厚变化是与复合板的长度有 关的。因此，复合板越长，爆轰末端药厚越接近区 收稿日期2 0 1 0 - 1 2 - 2 1． 作者简介刘鹏 1 9 7 9 一 ．男，在读博士生。主要研究方向为金属材料的爆炸加m 。E - e u a l 1 p 9 7 2 0 1 1 y a h o o ．∞ 万方数据 3 6 爆破器材E x p l o s i v e M a t e r i a l s 第4 0 卷第3 期 域口的下限E D c 线，反之则爆轰末端药厚越接 近区域口的上限。 6 A F 线表示当复板厚度小于Ⅳn 时，起爆端 装药厚度仍采用临界起爆药厚。乩为下临界复板 厚度，表示临界起爆装药厚度条件下能实现爆炸焊 接的最小复板厚度，当复板厚度小于日a 时，复合板 结合界面将发生过熔。 7 D E 线是当复板厚度小于风时的爆轰末端 药厚。由于炸药起爆后的传爆药厚可以小于炸药的 起爆药厚，为了抑制在爆轰传播过程中基、复板之间 的碰撞荷载的不断增强，自起爆端“等厚度布药”区 段之后直至爆轰末端，仍可按照“不等厚度布药”工 艺的原则确定药厚。 2 最佳药量窗口参数的确定 2 ．1 起爆端最小装药厚度 以往爆炸焊接装药量下限的计算过程是【3 】首 先依据D e r i b a s 等人提出的再入射流下临界角经验 公式而得到基、复板最小碰撞速度t ，晌，而后将得到 的移咖代人A ．K ．A z i z 的一维平板运动近似解析解 公式，算得最小单位面积炸药质量与单位面积复板 质量的比值R 疵，进而根据复板质量算得最小装药 量。 需要指出的是A ．K ．A z i z 的一维平板运动近 似解析解公式是在不考虑基复板间隙时复板能加速 到的最大运动速度，而实际爆炸焊接过程中，基复板 间隙是有限的，复板并不能加速到最大速度即与基 板发生碰撞。因此，在计算时需要考虑一个间隙系 数七，即 l 1 静椭 忱一ll 口幽 1 ．2 j } l ，d | 暑一f 1 I 1 着尺曲 1 尼 1l 同时，已有的大量研究工作表明【】，乳化炸药 的爆速与装药厚度的倒数大致呈线性关系 ％ D 1 一- ”F 2 ，‘ 式中D 炸药极限爆速或理想爆速； ％装药厚度为h 时炸药的爆速， a 与炸药性质有关的常数。 另外，因R 血为最小单位面积炸药质量与单位 面积复板质量的比值，可表示为 一 ．L R 血 譬睾 3 式中p D 、p 广吩别为炸药密度和复板密度； _ I I ”J I ，分别为炸药厚度和复板厚度。 将式 2 和式 3 代入式 1 即可求得炸药厚度 h a2 1 i 面历F 丽赢 而面厂 式 4 中，炸药厚度_ 『I 。的计算共涉及到P D 、P ，、 k 、钞血、口、D 和后等7 个参数，其中p D 、p f 、h f 为已知 参数，”血可根据D e r i b a s 等人的再入射流下临界角 经验公式算得，而a 和D 可通过爆速试验数据用最 小二乘法对式 2 进行线性回归得到，间隙系数后 可参照文献[ 9 ] 的基复板间隙与复板最大运动速度 爆轰末端装药厚度的计算方法是依据不等厚度 布药工艺方法，在起爆端装药厚度的基础上，减去一 振动荷载还无法进行理论计算，因此，不等厚度布药 工艺方法主要依据经验公式来确定1 | ，针对不同 的复板厚度，给出不等厚度布药的合理药厚减小值。 当复合板为lm 标准长度时，一般有 △I 后H 5 f 1 ．0 1 ．2 。H 。 6 m m 式中△‘不等厚度布药首、末端的药厚差； 根据“可焊性窗口”理论，基复板碰撞速度过大 计算式【1 2 1 ．下临界复板厚度的数值解由下式算得 l 1 5 ”- 亏R 忱一ll 唧“心机I 矗韩石l ≤洋[ 舞] l ／． 6 万方数据 2 0 1 1 年6 月爆炸焊接最佳药量窗口及其参数的确定刘鹏等 卜有量纲系数，一般取0 ．0 3 9 ； c 比热； k 复板厚度； 所复板密度； 吼复板声速。 将复板物理性能参数及炸药性能参数代人式 6 即可得到下临界复板厚度的数值解。实践表明 此下临界复板厚度值很小，一般在几十微米。 3 计算实例及验证试验 根据以上最佳药量窗口设想及计算方法，下面 以T I O 工具钢为例进行最佳药量窗口的绘制。T 1 0 工具钢的性能参数见表l 。 表1 工具钢T 1 0 的物理机械性能 采用2 。岩石粉状乳化炸药，其爆速试验结果见 表2 ，临界起爆爆速为1 5 1 9m ／a ，临界起爆药厚为9 m m 。利用式 2 对爆速试验结果进行了非线性数 据拟合，拟合结果见图2 。结果表明，试验数据与公 式拟合结果吻合很好，其均方差R M S E 只有4 5 ．6 7 ， 相关系数R 达到了0 ．9 9 ，这说明2 。岩石粉状乳化炸 药爆速值与装药厚度的倒数近似满足线性关系，其 爆速拟合结果为％ 4 1 5 1x 1 5 ．2 1 ／h 。 表2 炸药爆速试验 序号 I2345 炸药厚度／姗 1 4 ．31 7 ．82 2 ．82 9 ．03 6 ．5 爆速试验值／ m 3 以 2 7 0 22 9 1 13 1 5 8 3 3 6 43 6 2 6 爆速计算影 m 8 “ 2 6 6 02 9 3 5 3 2 0 1 3 4 0 43 5 5 8 ， ．竹 目 ≮ 潮 唆 炸药厚度／m m 图2 试验数据拟合结果 参照文献[ 9 ] 中基复板问隙与复板最大运动速 度的试验结果，若基复板间隙为6m i l l ，取间隙系数 k 0 ．6 5 ，将以上T 1 0 工具钢物理、机械性能参数及 炸药参数分别代入式 4 、 5 、 6 ，最终可得T 1 0 工具钢的最佳药量窗口，如图3 所示。 目 蘧 碴 襁 毁 图3T 1 0 工具钢最佳药量窗口 利用以上计算方法得到的装药厚度值，对不同 厚度的T 1 0 ／Q 2 3 5 复合板进行试验，结果表明，所得 复合板焊合率均大于9 8 ％，且宏观变形小，具体试 验参数见表3 。考虑到在实际爆炸焊接生产中，环 境空气湿度、装药密度和装药厚度存在的误差以及 炸药质量存在的分散性和不稳定性等因素，对炸药 爆速会产生一定的影响。因此，为严格保证可焊性 窗口下限要求的爆速值，往往不能严格按照装药厚 度下限进行装药，而是要适当加大装药厚度。参照 文献[ 1 3 ] 的经验做法．通常是在计算的炸药厚度下 限值的l O ％范围内适当增大炸药厚度。 表3 计算药厚与试验药厚的试验对比 由表3 试验结果可见，利用本文提出的装药厚 度下限计算值和实际生产中采用的装药厚度值基本 吻合，且对于不同厚度尺寸的复合板均取得了理想 的焊接效果。 4 结论 以装药厚度和复板厚度两个参数作为参量建立 的最佳药量窗口是可行的，因其融合了可焊性窗口 下限理论及不等厚度布药工艺。有利于减少炸药用 量并提高复合板的焊接质量，因此能很好地指导爆 炸焊接生产实践。可分别依据式 4 、 5 、 6 计算 起爆端最小装药厚度、爆轰末端装药厚度以及下临 界复板厚度，最终确定最佳药量窗口中的参数。 万方数据 3 8 爆破器材E x p l o s i v e M a t e r i a l s 第4 0 卷第3 期 参考文献 [ 1 】郑远谋．爆炸焊接和金属复合材料及其工程应用 [ M ] ．长沙中南大学出版社，2 0 0 2 1 1 3 - 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l u l v i o r0 fW a t e r - i n O i lT y p eE m u l s i o nE x p l 0 6 i v eC o n t a i n i 雌G l a s sb l i e r o b a l o o n so fS e l e c t e dS i r e s [ C ] ．P r o c e e d ． i n 铲0 ft h eT e n t hS y m p 0 6 i u mO i lD e t o n a t i o n ，1 9 9 3 7 4 1 - 7 4 8 ． 【8 ] 宋锦泉．乳化炸药爆轰特性研究[ D ] ．北京北京科技 大学，2 0 0 0 ． [ 9 ] L 1 JM ，L I I JP ，uLl l e ．s e 眦h0 1 1t h em o t i o n , - o d d0 f f l y i I I gp l a t ei ne x p l o s i v ew d d i n g [ J ] ．A d v a n c e dM a t e r i a l s R e s e a r c h ，2 0 1 0 1 0 8 - 1 1 1 1 1 5 2 1 1 5 7 ． [ 1 0 ] 董刚，周春华，史长根，等．爆炸焊接不等厚度布药工 艺[ J ] ．焊接，2 0 0 4 6 3 5 - 3 8 ． [ 1 1 】周春华，史长根，蔡立艮。等．爆炸焊接布药工艺的 研究[ j ] ．焊接技术，2 0 0 2 ，3 1 6 1 7 ．1 8 ． 【1 2 ] 邵炳璜，张凯．爆炸焊接原理及其工程应用[ M ] ．大 连大连理工大学出版社。1 9 8 7 2 9 6 ． [ 1 3 ] 郑哲敏，杨振声，等．爆炸加工[ M ] ．北京国防工业 出版社，1 9 8 1 ．4 0 2 ．．4 0 3 ． R e s e a r e l ao nO p t i m u mC h a r g eW i n d o wi nE x p l o s i v eW e l d i n g L I I JP e n g 。L I Jb l i n g ， H IC h l m 髓r e n ，P A N GJ i n g i u n E n g i n e e r i n gI m t i t u t eo fr , 喀i ．e e rC o r p 6 ，P L AU n i v e r s i t yo fS c i e n c e ＆T e c h n o l o g y J i a n g s uN a n j i l l g ，2 1 0 0 0 7 [ A B S T R A C T ] O p t i m u mc h a r 弘w i n d o wW l u ti n t r o d u c e di n t h i sp a p e r ，a n de o m b i n 既 w i t ht h er e s u l to fe x p l 0 6 i v ev d o e i t y e x p e r l m e l l t 8 ，f o r m u l ao fm i n i l l l l l l 咀c h l u 萨t h i c k n e s sa td e t o n a t i o nb e g i n n i n ge n d 哪d e d u c e d ．A c c o r d i n gt ot h et e c h n o l o g y o fd y n a m i t ea r r a n g ee x p l o e i v ew i t hu n e q u a lt h i e k n e 翻B 。c o m p u t i n gp r i n c i p l e 6 c h l t r 萨t h i c k n e s sa td e t o n a t i o nt e r m i n a le n d W l e l t eb r o u g h tf o 朋a r d ．O nt h eb a s i so ft h ep r i n c i p l et h a ti n t e r f a c e 啪’tb eo v 盯m e l t e d 。f o r m u l ao fm i n i m u mc r i t i c a lf l y i n g p l a t et h i c k n e s s 嘲p r o p 0 8 e d ．T h e r e f o r e 。t h ep a r m e t e r so fo p t i m mc h a r g ew i n d o wW e l t 七c o m p l e t e d ．P 删∞s h o w st h a t o p t i m u mc l l a r g ew i n d o wi so fc e r t a i np r a c t i c a lv a l u e 8 ． 【K E YW O R D S ] e x p l 0 6 i v ew e l d i n g ，o p t i m u mc h a r g ew i n d o w ，w e l d a b l ew i n d o w ，c h l l I g et h l c k n 嘲 ，自．。●} O ’o e - c ■’o 蠢 o 薯’O ‘ o ’c } O ‘’O ‘} O ’o ‘- O 宣- a O ’o ‘’o ’O o 自．c } O ‘} o e 叼■} O o ‘ o 蠢’o ‘- O 苜叼■，O ’o 蠢- O ’o ‘’O 电．c } O ‘’o 自- c ’O ’o ‘} o o ’O 取 l 用传爆药起爆油包水乳化炸药 日本专利J P2 0 0 12 2 0 2 8 0 ，2 0 0 1 年8 月1 4 日， 共3 页 日文 在起爆这种在2 5 ℃时具有粘度为4 0 2 0 0 0 P a s 的油包水乳化炸药时，不用6 号雷管，而用一 种具有非密闭爆速为≥3 5 0 0 m ／s 的炸药作为传爆 药。 2 加水的硝酸铵炸药 ’ 日本专利J P2 0 0 12 3 3 6 9 2 ，2 0 0 1 年8 月2 8 日。 共4 页 日文 这种炸药是铵油炸药加水。具有爆后安全和成 本低的优点。 3 含水梯恩梯型炸药的制法 俄国专利R I J2 1 4 4 5 2 4 ，2 0 0 0 年1 月2 0 日 俄 文 在制造这种炸药时，将尿素投入，其数量为氧化 剂质量的4 5 ％一1 0 ％；投入石油产物，其数量为总 炸药质量的1 ．0 ％一3 ．5 ％；再将粒状梯恩梯投入稠 化的氧化剂溶液中，粒状梯恩梯的数量对每份质量 的石油产物来说可减少4 ．5 5 ．O 个质量单位。这 种炸药对钻眼有较大的效率，这是由于增加了爆热 和物理安定性。同时也降低了高能猛炸药的含量。 4 岩石爆破炸药的安定性 ～I e t a l l ．G o m o r u d n ．P r o m s t ． 冶金与采矿工 业 ，2 0 0 0 ， 4 。6 2 - 6 3 俄文 研究了岩石爆破炸药的安定性。这种炸药来源 于弹药的回收。讨论了这种炸药安定性研究的方法 和方向。 钟一鹏译自美国化学文摘 V 0 1 ．1 3 5 。N o ．1 2 2 0 0 1 万方数据