爆炸焊接兩板安全間距分析和試驗研究*

史長根 康麗霞 蔣國良

①解放軍理工大學工程兵工程學院(江蘇南京，210007) ②總參陸航部裝備發(fā)展辦公室(北京，100012)

引言

爆炸焊接技術(shù)及爆炸復合材料已廣泛應(yīng)用于航空、航天、石油、化工、造船、電力、食品、五金等機械制造各個領(lǐng)域之中[1-4]。爆炸焊接屬裸露平面布藥，一般一次只生產(chǎn)一塊金屬復合板，又由于爆炸作業(yè)沖擊波巨大，布藥和起爆不能同時進行，起爆時，作業(yè)人員都必須撤離作業(yè)現(xiàn)場，因此一次作業(yè)大概需要30～40min[5]。按此爆炸焊接作業(yè)方法，每天大約只能進行10次作業(yè)，也就是說只能生產(chǎn)10塊復合板，因此，作業(yè)效率低且增加了生產(chǎn)成本。如果一次爆炸焊接多塊復合板，往往會造成各個沖擊波的相互干擾，會對復合板的質(zhì)量造成影響，甚至產(chǎn)生不復合現(xiàn)象。因此，爆炸焊接廠家在生產(chǎn)作業(yè)時，嚴禁多塊復合板同時進行爆炸焊接作業(yè)。通過理論和實驗，提出了一個多點多塊金屬板材同時爆炸焊接方法。即在保證金屬板材爆炸焊接質(zhì)量的前提下，一次可生產(chǎn)多塊金屬復合板，既節(jié)省了時間，又提高了生產(chǎn)效率。

多塊金屬板材爆炸焊接時，可能會形成爆轟波和沖擊波的互相干擾。這種干擾有兩種情況：由于雷管的起爆存在時差，一塊板爆轟產(chǎn)生的沖擊波會對另一塊板的炸藥或爆轟波產(chǎn)生影響，從而影響另一塊板的復合質(zhì)量；此外，由于起爆網(wǎng)絡(luò)線路的原因，如果其中一發(fā)雷管未能起爆，造成其它塊復合板的爆炸沖擊波對該塊爆炸裝置的間隙、炸藥、藥盒等產(chǎn)生沖擊破壞。

解決爆轟波和沖擊波的相互干擾問題，主要是保證兩板之間有合適的距離，如距離過大，一是浪費導線等器材，二是在有限的爆炸場地，一次爆炸的塊數(shù)將減少，影響爆炸焊接的作業(yè)效率。雷管未能起爆而造成破壞，解決方法就是要設(shè)計合理的起爆網(wǎng)絡(luò)，保證所有布設(shè)的雷管同時起爆。

1 毫秒延期雷管的起爆時差

雷管的起爆時差指的是通電后各雷管起爆的延期時間與最先起爆雷管延期時間之差。首先要確定毫秒雷管的起爆延期時間誤差，根據(jù)延期時差、炸藥爆轟速度與沖擊波速度的關(guān)系等確定每塊板的位置和相互距離。爆炸焊接多塊復合板時，顯然要使起爆時差越小越好，因此實驗的毫秒延期雷管的段別為1段。

采用圖1所示的電路可測試出爆炸焊接雷管的起爆時差。采用HG202C—Ⅲ型電子測時儀，起爆電壓為12V。實驗中采用了頻率為納秒級的數(shù)據(jù)存儲示波器，具有外觸發(fā)接口，可以雙通道采集信號。在實際測試過程中發(fā)現(xiàn)采用內(nèi)觸發(fā)時誤觸發(fā)的比例很高。這是因為觸發(fā)電平設(shè)置不當。觸發(fā)電平設(shè)置偏低時，信號電纜引入的外界干擾噪聲電平可能會使采集器提前觸發(fā)而記錄不到真正的信號。觸發(fā)電平設(shè)置偏高時，實際被測信號的電平可能達不到所設(shè)的觸發(fā)電平而導致不觸發(fā)。本實驗由于儀器及電纜內(nèi)阻對分壓電路有影響，所以量程預(yù)報偏差必然很大。為了減少自動觸發(fā)的誤觸發(fā)，采用外觸發(fā)電路。

圖1 雷管起爆時差測試線路圖

表1為測試雷管的起爆延期。根據(jù)每發(fā)雷管的起爆延期可知，毫秒延期雷管的起爆時差最大為7μs。

表1 毫秒延期雷管的起爆時差

測量時外接電阻的電阻絲采用的康銅絲漆包線是精密絕緣電阻絲，電阻絲的電阻值誤差量不超過±5%。誤差主要來自儀器的系統(tǒng)誤差、傳輸電路的干擾噪音帶來的隨機誤差等。為了彌補誤差帶來的不確定性，取目前爆炸焊接毫秒延期雷管的起爆時差Δt為10 μs。

2 炸藥爆速確定

對于大面積爆炸焊接復合板，其爆炸焊接用炸藥的爆速應(yīng)該在1500～2500 m/s,而目前使用的乳化炸藥爆速在3500 m/s以上，因此應(yīng)對乳化炸藥的配方進行優(yōu)化試驗[6]。具體實驗數(shù)據(jù)見表2。

表2 不同配比時乳化炸藥在不同藥厚下的爆速 (m·s-1)

根據(jù)表2爆炸焊接炸藥不同的配方，選用乳化炸藥為主原料，加30%～40%無機鹽，可使配方炸藥的爆速控制在1500～2500 m/s，具體的炸藥爆速根據(jù)不同的炸藥配方確定。

3 復合板間距確定

為了保證多塊復合板同時起爆，節(jié)約場地空間，多塊復合板一般分兩排或多排平行對稱設(shè)置。而炸藥爆轟在近場沖擊波速度為:

式中 vD——炸藥的爆速；

γ——炸藥爆轟產(chǎn)物的多方指數(shù)。

根據(jù)起爆點的位置計算出兩板間距，相鄰兩塊板并排平行布置，而相對兩塊板相對平行布置。

3.1 中心起爆復合板間距確定

設(shè)兩板長分別為a1和a2，寬分別為b1和b2。如果起爆點在板中心位置，則寬度一半即為兩相鄰板爆轟干擾最易發(fā)生的位置，而長度一半即為兩相對板爆轟干擾最易發(fā)生的位置。因此兩相鄰板間距x為：

兩相對板間距y為：

3.2 端部中心起爆復合板間距確定

同理，按端部中心起爆，兩相鄰板間距x為：

若只有兩排復合板同時起爆，兩相對板間距y為：

y=u·Δt

若有三排或更多排，則

y1=u·Δt

3.3 實例應(yīng)用

304/20G鋼板： (2+20)mm×2000mm×6000mm金屬板共8塊，一次起爆實現(xiàn)爆炸焊接。分兩排，一排4塊，采用毫秒延期電雷管，炸藥的爆速為1000 m/s左右。采用中心起爆，兩相鄰板和兩相對板間距均可設(shè)計為3 m。

316L/16MnR鋼板： (4+30)mm×2000mm×5000mm金屬板共8塊，一次起爆實現(xiàn)爆炸焊接。分兩排，一排4塊，采用毫秒延期電雷管，炸藥的爆速為2000 m/s左右。采用端部中心起爆，兩相鄰板和相對板均可設(shè)計為5 m。

4 起爆網(wǎng)絡(luò)線路聯(lián)結(jié)

多點多塊金屬板材同時爆炸焊接時，如采用并聯(lián)起爆網(wǎng)絡(luò)，出現(xiàn)單個或多個雷管失效、支線路斷路或炸藥不能起爆等原因，均可造成該塊板不能實現(xiàn)爆炸焊接。如出現(xiàn)此種情況，其余金屬板材仍正常實現(xiàn)爆炸焊接，由于受炸藥爆轟沖擊波的影響，則未起爆的金屬板材上方的炸藥就會被沖壞，從而造成很大的浪費和損失。因此多點多塊金屬板材同時爆炸焊接時，須采用串聯(lián)起爆網(wǎng)絡(luò)。在串聯(lián)起爆網(wǎng)絡(luò)中，如出現(xiàn)上述幾種原因，則所有雷管一般均不起爆，可通過線路檢查排除故障，從而實現(xiàn)多點多塊金屬板材同時爆炸焊接。在串聯(lián)起爆中，由于雷管電阻值的差異，常會發(fā)生個別瞎火現(xiàn)象。一般選定同廠、同批的雷管組成網(wǎng)路，其阻值、起爆時差等性能比較相近，這樣可以避免瞎炮的產(chǎn)生。

實踐證明，采用串聯(lián)起爆網(wǎng)絡(luò)必須注意的是：起爆前須使起爆器完全充電，而且起爆線路不宜超過200 m。如充電不完全或起爆線路過長，由于串聯(lián)線路的雷管和電線的電阻存在一定的差異，均有可能造成某發(fā)雷管的電壓達不到起爆電壓，從而不能起爆，此時會出現(xiàn)如并聯(lián)起爆網(wǎng)絡(luò)同樣的問題。

5 結(jié)論

(1)多點多塊金屬板材同時爆炸焊接方法，根據(jù)毫秒延期雷管起爆時差、炸藥爆速、炸藥爆轟波和沖擊波的波速關(guān)系，確定多塊復合板的位置和間距，按串聯(lián)起爆網(wǎng)絡(luò)的起爆規(guī)律可實現(xiàn)多塊金屬板材同時爆炸焊接。

(3)多點多塊金屬板材同時爆炸焊接時須采用串聯(lián)起爆網(wǎng)絡(luò)，起爆時必須使起爆器完全充電，而且起爆導線總長不宜超過200 m。

[1] 閆鴻浩.爆炸焊接技術(shù)應(yīng)用與擴展[J].爆破，2005，22(3)：13-15.

[2] 鄭遠謀.爆炸焊接和爆炸復合材料的原理及應(yīng)用[M].長沙：中南大學出版社，2007:2-7.

[3] 邵炳璜,張凱.爆炸焊接原理及其工程應(yīng)用[M].大連：大連理工大學出版社，1987:1-5.

[4] Explosive Welding of Metals and Its Applications[M] . Oxford: Clarendon,1982.

[5] 史長根，洪津,蔣國良，等.爆炸焊接危害機理分析[J].爆破器材，2009,38(3)：28-30.

[6] 史長根，馮建,史和慶，等.高碳高鉻萊氏體鋼爆炸焊接高耐磨復合材料:中國，ZL200610039525.1[P].2009-06-17.