簡介
爆 炸 復 合 材 料 可 以 承 受 多 次 和 多 種 形 式 的 壓 力 加 工( 如軋制、 衝壓、 旋壓、 鍛壓、 擠壓和拉拔等) , 機械加工 ( 如切割、 切削、 校平、 校直和成形等) , 以及熱處理、 焊接和爆炸成形等後續加工, 而不致分層和開裂。許多爆炸複合材料在經過適當的機械加工 ( 如平板)和熱處理 ( 如退火) 後就是產品。 如果將其坯料進行後續的壓力加工, 就能夠獲得更大或更小、 更長或更短、 更厚或更薄、更粗或更細以及異型的複合材料。 例如, 將爆炸焊接的鈦- 鋼和不鏽鋼- 鋼的複合板坯進行軋制, 便能獲得更長、 更寬、 更薄的複合中板及薄板。爆 炸 復 合 材 料 可 以 是 雙 層 、 三 層 和 多 層 。 三 層 如鈦- 鋼- 不鏽鋼、 鈦- 鋼- 鎳, 不鏽鋼- 鋼- 鎳等。 這類複合材料的兩側有不同的表面性能。爆炸複合材料的形狀和形式很多, 如複合板材、 複合帶材、 複合箔材、 複合管材、 複合棒材、 複合線材、 複合型材、 複合鍛件和複合粉末。 還可以用這些複合材料製成複合零件、 複合部件和複合設備 。
爆炸複合的優點及其工程套用
爆炸複合是去廿年發展起來的一門新技術,它可使絕大多數金屬材料相互複合在一起形成兩種或多種金屬(合金)性能的複合材料,從而大大擴展了現有金屬(合金)的性能及套用範圍,並可節約稀貴金屬。爆炸複合的優點主要表現在:①它可使熔點、強度、熱膨脹係數等性能差異極為懸殊的金屬組合實現複合。如鋁廠鋼、鉛/鋼這兩種金屬組合。這兩種組合金屬的熔點、強度、熱膨脹·係數等性能差異極為懸殊,用其它連線技術幾乎是不可能把它們連線在一起的,或者即使把它們連線在一起,其結合質量也是難以保證的。而採用爆炸複合技術卻是成功的。這是其它連線技術無法比擬的。②由於爆炸複合是在極短的時間心微秒量級)內完成的,因此其複合界面幾乎沒有擴散或者僅有程度很小的擴散。所以可以避免脆性金屬化合物的生成,可實現鈦/鋼等金屬組合的複合。③爆炸複合的工程套用是新穎而獨特的。它對異形件的複合獨具特長,如它可對金屬管材進行外包與內包複合。此外對基材的最大厚度沒有限制;還可進行一次多層複合等 。
爆炸焊接的理論研究
把握爆炸焊的機理,對於有效控制爆炸焊接品質和指導工程實踐具有重要意義,但到目前為止仍沒有能全面、準確地定量化描述和預測爆炸焊接的參數以及金屬結合特徵的理論。為了揭示爆炸焊接的機理,Philipchuk提出了爆炸熔化焊接理論,他認為爆炸焊接的本質是金屬的熔化焊接,高速金屬射流的動能在瞬間為交界面金屬的熔化提供了充足的熱能,從而使交界面處金屬得以熔化而形成焊接。之後,Hammerschmich等提出了該理論的另一種解釋,即其本質是界面處的金屬在極短的時間內達到遠高於金屬熔點的溫度,隨後又快速冷卻並使金屬得以結合。但是該理論不能解釋非常薄的金屬板的爆炸焊接,因此該理論存在缺陷 。
Crossland提出的爆炸壓力焊接理論認為足夠時間的爆炸壓力會使金屬在交界面處產生大的塑性變形,金屬射流會使金屬產生擴散從而達到實現結合。我國學者史長根通過研究認為,爆炸焊接是一種特殊的壓力焊,界面高壓高溫為兩表面的固相結合創造了兩個前提條件,而復板表面載荷的特點以及碰撞結合過程決定了爆炸焊接滿足壓力焊接的三階段理論 。
在爆炸焊接中,研究金屬復板的運動規律對於揭示爆炸焊的機理、正確確定焊接參數、提高複合板的焊接品質和複合率具有重要意義。當炸藥起爆後,產生的爆轟波作用到復板上使其發生彎曲、運動和加速。隨著對於復板運動規律研究的深入,人們提出了一系列的公式對其進行描述。目前這些計算公式大致有三種類型。Gurney根據簡單的能量關係首先提出了描述一維復板運動的半經驗公式,Stanford研究所的研究人員對此作了改進。半經驗公式的優點是公式結構簡單,通過實驗方法確定係數後,在經驗範圍內可與實驗結果相接近。但是它只能給出復板最大速度Vpm、爆速Vd和單位面積炸藥量與單位面積復板的質量比R的關係,並沒有給出復板加速運動的全過程和運動參數,也沒有反映爆炸產物多方指數方程的指數下γ對復板運動的影響 。
在相同的假設的基礎上,許多學者用二維簡化公式定量的描述復板的運動規律,二維簡化公式能夠給出偏轉角θk和復板運動速度Vpm等復板運動中的極值,並且能給出運動速度和偏轉角在二維坐標系中的變化規律,同時也可以給出爆速、炸藥密度和多方指數γ對復板運動的影響。因此,二維簡化公式較一維平板運動公式更進了一步,並比半經驗公式和一維平板公式更能揭示復板的運動規律。界面波的形成機理是爆炸焊接中的另一理論問題,搞清界面波的形成條件和機理就能夠預測焊接品質並能得到焊接參數與界面波紋形狀、大小之間的關係。關於波的形成機理可以歸納為復板流侵徹機理(刻入機理)、Helm-holtz不穩定流機理、渦脫落機理和應力波機理。Bahrani,Black與Crossland等是復板流侵徹機理的代表者這種機理能描述波的形成及其發展,其不足之處在於假定基板不發生射流,這是不符合實際的;Helmholtz不穩定流機理的代表者是Hunt與Robinson,他們認為波的形成是由於流體中的Helmholtz不穩定性,但是這種理論不能解釋對稱碰撞時出現的界面波;Cowan和Holtzman提出的渦脫落機理認為射流在基、復板碰撞中起了一個橫向障礙物的作用,射流後面產生了類似卡門渦街的脫落與波狀流動,但是該理論不能解釋無射流時波的形成,也沒說明射流的來源;Godunov等提出的應力波機理於其他幾種理論完全不同 。
該理論認為波的形成不一定需要射流,在沒有產生複合的情況下也可以形成波,而波的形成歸因於應力波的作用。此外,我國的鄭哲敏教授認為爆炸焊接波狀界面的形成機理應該屬於流體彈塑性模型中的穩定性問題,提出熱塑失穩與波狀界面失穩並存的觀點,認為當碰撞壓力小時,形成的是平直界面;隨著復板流速度和碰撞角的增大,界面上將會出現兩種失穩形態,形成波狀結合界面。而鄭遠謀則認為波形成的流體力學理論不能成立,他認為波狀結合面的形成是爆炸荷載以波的形式向前傳遞並作用在復板上,使復板產生波狀塑性變形的結果,並提出了綜合作用機理,認為爆炸焊接綜合了壓力焊、熔化焊和擴散焊的3種機理,並具有射流的特點 。
雖然人們提出了多種解釋爆炸焊接的理論,並對爆炸焊接中復板的運動規律和結合面的結合形式給出了諸多解釋以揭示爆炸焊接機理,但由於爆炸焊接過程的瞬態性、複雜性以及試驗和儀器的欠缺,目前的各種理論都只能描述或解釋爆炸焊接的部分現象,而不能十分全面、正確的描述其整個過程,因此,爆炸焊接理論仍有待進一步的研究和完善 。
爆炸焊接的試驗研究與數值模擬
長期以來,分析爆炸焊接的試驗結果是人們研究爆炸焊接機理的主要手段,而隨著計算機技術的發展,採用計算機對爆炸焊接過程進行數值模擬的研究方法已經被廣泛套用於爆炸焊接研究 。
通過進行試驗研究和數值模擬可以探索爆炸焊接的機理,從而為更有效的控制爆炸焊接提供依據,也可以得到同種或異種金屬、金屬與非金屬得到優質產品的最佳工藝參數,並且採用數值模擬可以節省試驗次數,提高研究效率 。
1爆炸焊接試驗研究
爆炸焊接技術的試驗研究可以歸納為以下幾類:探討爆炸焊接機理,爆炸焊接布藥工藝和所用炸藥的研究以及爆炸焊接工藝參數研究。複合材料界面狀態是衡量複合品質優劣的主要評定因素之一,張建臣通過採用理想不可壓縮流體模型作為一級近似,發現波形的變化趨勢與碰撞角的變化趨勢相一致;波形參數和碰撞角之間存在一定的比例關係,在採用相同模型的情況下,他發現對於異種金屬材料的爆炸複合,其比強度應由來流速度、金屬對中低密度金屬的密度和高強度金屬的極限強度來共同決定。王建民等通過觀察分析不同工藝製備的異種金屬複合板,發現複合板界面波的波形參數受焊接材料與工藝影響,並且隨裝藥量的增加,波長、波高逐漸增加。隋國發等通過建立連續介質模型,對銅銅複合板爆炸焊接結合界面進行了計算分析和試驗對比發現結合區材料產生大量的塑性變形,並且向界面集中,變形集中的區域沿爆轟方向由寬變窄,材料變形量逐漸增大;隨著爆轟速度的增大,界面變形區域擴大,且變形量增大 。
由於在爆炸焊接中能量的來源是炸藥,因此裝藥方式、裝藥厚度等影響著施加於復板上爆炸載荷的強度及其作用特徵。蔡立艮等人研究發現,採用不等厚布藥工藝的產品品質明顯優於傳統的等厚布藥工藝,採用不等厚度布藥新工藝可以使炸藥產生的爆轟壓力逐漸減少,和振動產生的慣性力共同作用,保持基、復板之間的壓力基本不變,得到基本一致的微小波狀的結合界面。並有學者在一維格尼(Gurney)公式的基礎上引進爆炸衝量,推導出合理裝藥厚度D的計算公式,並通過實驗證明該公式在大面積、大厚度複合鋼板中的計算數值和實驗數值基本吻合,但該公式沒有考慮到側向稀疏波和引爆端稀疏波作用的影響,有待進一步修正。
在爆炸焊接中,當復板尺寸等於或小於基板尺寸時,複合板邊界的焊接品質往往較差,甚至會在邊界處產生大面積的脫焊,這就是爆炸焊接的邊界效應。段衛東等根據爆轟產物的一維飛散理論,對邊界效應的影響範圍進行了分析和計算,提出了採用加大復板尺寸、貼上鍍鋅鐵板和使用厚鋼板做藥框的方法來消除或減小邊界效應的措施。爆炸焊接中採用的大都是低爆速炸藥,關於這方面的研究,田建勝等以#2岩石硝銨炸藥為主體,通過加入一定比例的食鹽、膨脹珍珠岩配置成了一種爆速可調的SE型爆炸焊接專用低速炸藥,在銅鋼的焊接中取得了較好的品質。袁勝芳等將硝酸銨與水、複合蠟、膨化劑及稀釋劑按不同比例製成混合液,在一定條件下脫水乾燥製得低爆速爆炸焊接炸藥,並對鋁鋼進行爆炸焊接試驗顯示了良好的適用性 。
爆炸焊接視窗理論是目前爆炸焊接技術中用來確定爆炸焊接動態參數的基本方法,AkbariMousavi通過研究鈦不鏽鋼複合板的爆炸焊接提出了爆炸焊接視窗的計算方法,並通過試驗證明該算法同試驗結果具有很好的一致性。趙錚等人修正了雙金屬爆炸焊接視窗流動限、聲速限、下限和上限的計算方法,並開發了爆炸焊接視窗計算程式,為工程中確定爆炸焊接動態參數提供了方便。而李明等人的研究發現在爆炸焊接中為了取得良好界面,在參數選取時應選取下限參數。同時對多層金屬板爆炸焊接參數進行了試驗研究,採用單面布藥一次完成了雙界面爆炸焊接。還有學者研究了多點多塊金屬板材同時爆炸焊接方法,並提出了不同起爆方式下相鄰板安全間距的計算方法 。
此外,在爆炸焊接的研究方面,焊後處理及檢測也逐漸受到人們的重視,閆鴻浩等人對8Cr13MoV與0Cr19Ni9三層爆炸複合板熱處理過程中的碳擴散進行了計算,確定並驗證了熱處理工藝。而通過對爆炸焊不鏽鋼複合板進行力學性能、金相試驗分析,也證明了爆炸焊不鏽鋼複合鋼板正火後的各項性能均優於退火狀態,提出了爆炸焊不鏽鋼複合鋼板應經正火處理的觀點 。
2 爆炸焊接的數值模擬
通過數值模擬可方便地了解爆炸焊接過程,最佳化焊接參數,並有效地減少試驗次數,降低試驗成本。目前數值模擬已經成為爆炸焊接的研究的一個方法。國外學者對此進行了大量研究。Akihisa利用二維有限差分方法模擬了爆炸焊接過程中波狀界面的產生過程,認為剪力流和周期性波動是產生波狀界面的重要因素,得出波狀面的波高和波長比與渦流狀區域中心的縱向間距和橫向間距比分別接近於常數0.3和0.2的結論。AkbariMousavi等人對爆炸焊接的數值模擬進行了深入研究,通過採用Wil-liamsburg狀態方程與AUTODYN軟體相結合對採用低爆速ANFO炸藥爆炸焊的全過程進行了模擬,分析了爆炸焊過程中的壓力分布、速度分布、剪下應力分布和塑性應變分布,重點模擬了爆炸焊接射流、平直和波狀界面的形成,並且數值模擬的波形大小和射流速度與試驗結果基本一致,認為並能按焊接要求確定爆炸焊焊接參數。對大面積複合板的工業化生產具有重要的實用價值。Mohammad等人採用ABAQUS有限元方法分析了爆炸焊過程,通過數值模擬探討了爆炸焊工藝參數對界面結合處應力和應變的影響,確定了碰撞區域應變和剪下應力的影響因素,並且通過試驗對數值模擬結果進行了驗證,數值模擬結果發現,有限元格線尺寸對爆炸焊接過程中射流的出現有重要影響,Grignon等人利用Raven軟體對6061T0鋁合金的爆炸過程焊進行了數值模擬,計算表明隨著碰撞角與兩金屬間距離的增大,焊接結合面的結合形式由波形界面逐漸變為平直面,同時物理試驗結果與數值模擬結果的吻合度比較好.
爆炸焊接的套用研究
隨著現代科學技術對特殊合成材料需要的不斷增長以及爆炸焊接產品的套用日益廣泛,爆炸焊接的套用研究也獲得了顯著發展。張建臣通過溫度場模擬分析和試驗測試,對銅鋁複合散熱片進行了結構最佳化,減輕了其質量,提高了性價比,使其在普通微機中的套用普及成為可能。陳曉強等人的研究發現採用爆炸焊接的方法可以對水下的管線進行連線,且其連線強度及緻密性在一定程度上能夠滿足工程套用,但是對要求較高的工程需要在工藝方面進行調整,並且通過對線狀爆炸焊金屬結合界面進行觀察分析確定了線狀爆炸焊結合溝槽工藝可作為特殊的焊接維修方法加以套用。有學者研究了熱交換器中銅管與鋼板的管板爆炸焊接,確定了銅管與鋼板爆炸焊接的工藝參數。李紅富等通過試驗提出了小面積複合板合併焊接、塗黃油保護復板及將起爆點設定在後加工切除點的方法,並用此方法試製了銅/鋼油膜軸承襯板,合格率超過了國家標準。盧湘江等通過試驗確定了深孔探測採樣容器的爆炸焊接密封工藝,並確定了基板與復板、蓋與圓柱基體的最佳連線形式為D型連線。除了上述的工業套用外,爆炸焊接在新型功能材料———非晶態合金研究領域也得到了廣泛的套用。非晶態合金具有優良的光電和磁性能、極好的加工性能、超強的抗腐蝕性、良好的耐磨性,以及優良的軟磁和硬磁性能和優異的催化性能。2003年Keryvin等成功地用爆炸焊接的方法將厚2mm,寬為10mm,長為20mm的Zr55All0-Ni5Cu30BMG板與晶體Ti合金板焊接起來。國內也有許多學者做了相關的研究。閆鴻浩等通過研究給出了焊接過程中出現的技術難點,並針對這些問題提出了相應的對策,最後成功完成了塊體非晶合金的爆炸焊接。孫宇新等通過對非晶薄帶爆炸焊接製備層合非晶複合材料的溫度分析表明先對非晶薄帶塗層然後進行爆炸複合的方法能有效地降低爆炸複合中非晶材料的溫升,並能降低最小焊接碰撞速度 。
