水下爆炸焊接和壓實＊

李曉杰，孫 偉，閆鴻浩，王小紅

（1.大連理工大學工業裝備結構分析國家重點實驗室，遼寧 大連 116024；2.北京大學湍流研究國家重點實驗室，北京 100871）

炸藥在水中爆炸，高溫高壓的爆炸產物強烈地壓縮和推動周圍的介質，使周圍介質的壓力、密度和溫度突躍式的升高，形成水下沖擊波。水下沖擊波與空氣沖擊波相比，由于傳輸介質的差異性，在載荷作用上有它們各自的特點。水下沖擊波具有傳播速度快、峰值壓力高、沖量較大、持續時間短等特點，這決定了水下沖擊波有其獨特的應用范圍［1－2］。

對于水下爆炸的研究可追溯到19世紀60年代，海戰的需要始終是這項研究最主要的驅動力。就軍事作用而言，水下爆炸理論對于研制和優化水下兵器具有重大的作用，直到現在，水下沖擊波理論的研究主要還是為了國防事業。研究水下沖擊波，有助于研制、改進水下兵器。對水下沖擊波的傳播進行理論分析，根據水下結構物的強度和動態響應過程，可以研究結構物承受水下沖擊載荷的限度，對需要保護的目標進行有效防護，這樣可以提高船體結構抗沖擊性能，并提高其戰斗力和生命力，這是現代船舶研究的重大課題［3］。對于經濟建設，水下爆炸沖擊波也在許多領域得到了應用。水下工程爆破被廣泛應用于海港建設、航道疏浚整治、新建橋梁和水中建筑物的水下巖石基礎爆破開挖；利用水下爆炸沖擊波的巨大能量進行水下爆炸切割；采用水壓爆破法拆除建筑物；利用水下沖擊波進行物理勘測等［4］。

由于在國防事業和經濟建設中的巨大作用，使得水下爆炸理論得到了充分的重視和發展，水下爆炸沖擊波的形成和傳播、氣泡脈動規律、沖擊波與介質面相互作用等力學和材料學的基礎研究形成了一套完整的理論，數值計算和計算機模擬被成功應用到水下爆炸分析中。鑒于水下沖擊波的廣泛應用和水下爆炸理論的成熟，有必要探索水下沖擊波更細致、更全面的應用開發，為現代工業創造價值。

近年來，學者們研究了水下沖擊波在工業、生活方面的應用。天然纖維如黃麻、棉花經過水下沖擊波加載后，水分含量和吸濕親水性能得到改善。木材經過水下沖擊波加載后，滲透率、干燥性能和抗火性能得到增強。傳統食品熱處理方法會導致食物變色和營養流失，通過水下沖擊波加工，由于加載過程的瞬時性，保證了食物的營養不流失，并且柔軟性提高［5］。在工業應用探索方面，利用水下爆炸沖擊波，成功焊接了鋁板與ZrO2陶瓷［6］、不銹鋼與金屬玻璃［7］、銅板與鎢板［8］等。

本文中開展了水下爆炸加工的研究和分析，提出了水下沖擊波的2種工業應用：水下爆炸焊接法焊接脆性和薄性材料；水下沖擊波壓縮粉末混合物多孔介質。實驗結果顯示，這2種方法將是具有應用潛力的水下爆炸加工法。

1 水下爆炸焊接

傳統爆炸加工已經廣泛應用于爆炸焊接、爆炸壓實、爆炸成型和爆炸硬化，并且取得了廣泛的工業應用和經濟利益［9］。水下爆炸加工可以分為3個過程：炸藥在水中爆轟，爆轟波傳入水中；爆轟波在水中傳播，形成水下沖擊波；待加工材料在水下沖擊波瞬時高壓的作用下，金屬箔材形成焊接。由于水的密度約為空氣的800倍，相比于空氣沖擊波，水下沖擊波具有傳播速度快、峰值壓力高等特點。炸藥在空氣中爆炸，會產生2 000～4 000℃的高溫，這可能會破壞待加工的產品。當炸藥在水中爆炸時，由于水相對于空氣的不可壓縮性，水的溫度不會顯著上升，水下爆炸能很少轉變為熱能而消耗，大部分用于推動水的運動。由此可見，水下爆炸焊接與傳統爆炸焊接相比具有以下優點：（1）對于變形能力差的脆性板材，如鎢板、非晶材料、金屬玻璃和陶瓷材料，如果炸藥爆轟波直接作用于板材，很容易導致材料的破碎，而水下爆炸焊接法由于水作為傳壓介質，水的可壓縮性小，本身消耗的變形能少，傳壓性能好，可以得到均勻的水下沖擊波壓力，且壓力值在炸藥爆轟壓力下可調，可以實現完整均勻的焊接復合；（2）對于厚度很薄的金屬箔，傳統爆炸焊接法產生的高溫可能直接燒毀金屬箔材，水下爆炸焊接法則可以避免熱影響；（3）在陸地焊接進行金屬箔材焊接時，往往需要添加介質緩沖層、固定或鑲嵌金屬箔材等特殊處理，水下爆炸焊接則可以直接焊接。另外陸地焊接時，由于基板通常放置在硬質地面上，焊接后的板材發生很大的變形，箔材很可能因為彎折而斷裂；在水下時，由于基復板上下都是水層，很好地緩沖了壓力波，箔材未有大變形，保持了金屬箔材的完整性。水下沖擊波的獨特性能，使得水下爆炸焊接法能夠焊接塑性能力差的脆性材料和厚度很薄的金屬箔片，這2種材料用常規的爆炸焊接法很難進行焊接。

利用水下爆炸焊接法，成功實現了鋁箔（0.3mm）與鐵、銅箔（0.5mm）與鐵、銅箔（0.5mm）與NiTi形狀記憶合金（1mm），以及銅箔（0.5mm）與鋅板（0.8mm）的焊接。實驗裝置如圖1（a）所示，以銅箔（0.5mm）與NiTi形狀記憶合金（1mm）為例，基復板尺寸為100mm×200mm，鋁箔作為架高放入基復板四角保持基復板1mm間隔，用塑料密封袋密封，由于間隙內空氣較少，未進行真空處理。基復板與炸藥間的水層厚度為10mm，炸藥厚度為30mm，爆速約為3 000m／s。炸藥在水中起爆，爆轟波驅動水介質，飛板和基板在水下沖擊波的作用下，形成焊接。

圖1 水下爆炸焊接和壓實實驗裝置Fig.1Experimental setup for underwater explosive welding and compaction

2 水下爆炸壓實制備彌散強化涂層

利用水下沖擊波對粉末材料進行壓實，制備耐磨、耐高溫和耐腐蝕的高性能涂層。當水下沖擊波載荷掃過粉末混合物多孔介質時，內部的孔隙為反應物充分混合提供了空間。首先，在沖擊形變過程中，粉末材料劇烈地變形，孔隙消失，顆粒形貌發生改變；緊接著由于能量局部沉積的作用，沖擊波加載過程中的巨大能量完成了粉末間的機械混合，初始空隙為混合物反應提供條件；此外，機械形變另一個直接的效應就是除去了粉末顆粒表面的氧化膜和其他雜質。眾所周知，這種膜將嚴重地阻礙化學反應。劇烈地機械形變使這層表面膜受到破壞。事實可見，這大大提高顆粒間的反應速率。最后，在粉末材料沖擊波壓縮過程中，由于反應的時間尺度為幾十到幾百納秒，機械能不能及時耗散，或耗散很少，局部的溫升將為粉末顆粒間發生反應提供必要的熱環境。

本文中提出一種利用水下爆炸沖擊波壓實粉末混合物，在純銅表面制備彌散強化涂層的方法。首先，利用機械合金化對Al2O3顆粒和銅粉進行機械混合，在高能球磨的作用下，銅粉顆粒反復變形、破碎，團聚的Al2O3顆粒被打散，最終均勻彌散分布到銅顆粒中，形成了Cu－Al2O3納米晶混合顆粒。然后，將氫氣還原后的Cu－Al2O3混合粉末預壓實到純銅表面，在低于銅熔點的溫度下在氫氣氛圍中進行粉末預燒結。這樣，在銅的表面形成一層密度為理論密度60%～70%的多孔Cu－Al2O3彌散強化涂層。接著，將燒結體放入水下爆炸壓實裝置如圖1（b）中，在水下沖擊波的作用下，顆粒間產生塑性變形以及顆粒相互碰撞、孔隙坍縮，強烈的機械變形導致顆粒表層的破壞以及顆粒表面的沉熱和熔化并發生相互反應，多孔燒結體變成密實的致密體［10－11］。傳統爆炸壓實作用于脆性材料時常常會導致壓實材料的破裂，水下沖擊波的均勻性保證了燒結體不會由于應力集中而產生裂紋等影響壓實體的質量。并且，在水下沖擊波的作用下，Cu－Al2O3彌散強化涂層將與銅基體緊密結合，保證了涂層與基體的結合強度。最后，將致密體在真空爐中熱處理，消除體內殘余應力，局部存在的閉合微裂紋可以進一步熱擴散結合。

3 結果與討論

3.1 焊接結果

焊接所得復合板結合緊密，基復板表面無任何毀損或燒傷。100mm×200mm的復合板，邊緣效應為2～4mm，合格的焊接比例超過95%。圖2為NiTi形狀記憶合金與銅箔的光學顯微圖。由圖2可見，焊接界面完整，無裂縫或裂紋。一種典型的帶有渦旋的正弦波狀界面，表明了實驗參數的正確性和良好的焊接強度。從界面情況可知，基本沒有脆性金屬間化合物產生。常規爆炸焊接常見的缺陷如縫隙、空洞物、過渡區域和微裂紋等基本在圖中沒有出現，可見結合強度的優良性。

3.2 壓實結果

圖3（a）是涂層在掃描電鏡下的顯微組織圖片，可以看出涂層表面上無明顯的裂痕和孔洞，混合粉末在高溫燒結和水下沖擊波作用下變成致密度較高的致密體。由于晶界處自由能較高，容易被腐蝕，在圖中表現為灰暗部分；顆粒內部較穩定，不容易發生侵蝕，為圖中的明亮部分。

圖2 水下爆炸焊接NiTi形狀記憶合金－銅箔復合板界面Fig.2Interface of NiTi alloy－copper foil combination by underwater explosive welding

圖3 涂層和界面在掃描電鏡下的顯微組織Fig.3SEM images for coating and interface zones

從圖3（a）中可以看出，銅顆粒分布較均勻，納米Al2O3顆粒彌散分布在銅晶粒的晶界和亞晶界處。在粉末燒結過程中，由于晶界處的納米Al2O3顆粒起到了扎定的作用，會有效地保持了機械合金化所得的細晶粉末沒有因為再結晶而長大，使得彌散強化層內部顆粒細小、均勻，同時使得覆層具有很高的高溫強度。

圖3（b）顯示了彌散強化覆層和基體的結合情況。從圖中可以看出，覆層組織均勻，界面結合完整，界面處彌散銅粉在燒結與水下沖擊波壓實作用下，與銅基體緊密結合。進一步分析涂層的性能，實驗測試了涂層與基體的顯微硬度。

硬度分布如圖4所示，從圖中可以看出Cu－Al2O3彌散強化涂層的平均硬度明顯高于基體硬度，仔細觀察硬度分布，顏色較深的區域即Al2O3的含量較高的區域，硬度值明顯高于其他部分。由此可見，正是Al2O3在晶界處和亞晶界處的彌散分布，起到了扎定位錯的作用，有效抑制了位錯的運動和擴展，使得涂層具有了高硬度。高硬度另一方面又說明了高耐磨性，顯示了涂層良好的機械性能。

由此可見，水下爆炸焊接和水下沖擊波壓實是2種很具潛力的水下爆炸加工方法，水下爆炸焊接拓展了爆炸焊接的應用范圍，對厚度很薄的材料和脆性材料有很好的焊接效果。隨著水下沖擊波理論的逐漸完善，我們急需探索水下沖擊波更廣泛的應用范圍，這篇論文為水下沖擊波應用提供了2種途徑。

圖4 界面上的維氏硬度分布Fig.4Variation of Vickers hardness across the interface

4 結 論

結合水下沖擊波的獨特性能，探索和提出了水下沖擊波的2種工業應用：水下爆炸焊接法焊接脆性和薄性材料；水下沖擊波壓縮粉末混合物多孔介質制備高性能涂層。

（1）焊接界面結合完整，典型正弦波狀界面顯示了焊接方法的合理性和焊接強度的優良性。

（2）涂層組織均勻，強化顆粒彌散分布，界面結合緊密，高硬度顯示出涂層優良的機械性能。

［1］師華強，宗智，賈敬蓓.水下爆炸沖擊波的近場特性［J］.爆炸與沖擊，2009，29（2）：125－130.

Shi Hua－qiang，Zong Zhi，Jia Jing－bei.Short－range characters of underwater blast waves［J］.Explosion and Shock Waves，2009，29（2）：125－130.

［2］寧心，李曉炎，楊志煥，等.水下沖擊波和空氣沖擊波傳播速度及物理參數的對比研究［J］.解放軍醫學雜志，2004，29（2）：97－99.

Ning Xin，Li Xiao－yan，Yang Zhi－huan，et al.A comparative study on the propagation speed and physical parameters of underwater blast wave and air blast wave［J］.Medical Journal of Chinese People’s Liberation Army，2004，29（2）：97－99.

［3］高建華，陸林，何洋揚.淺水中爆炸及其破壞效應［M］.北京：國防工業出版社，2010.

［4］楊光煦.水下工程爆破［M］.北京：海洋出版社，1992.

［5］Shafiur Rahman G M，Itoh S.A study on processing of natural fibers by underwater shock wave treatment and its characteristics［J］.Fibers and Polymers，2011，12（1）：121－126.

［6］Hokamoto K，Fujia M，Shimokawa H，et al.A new method for explosive welding of Al／ZrO2joint using regulated underwater shock wave［J］.Journal of Materials Processing Technology，1999，85（1／2／3）：175－179.

［7］Hokamoto K，Nakata K，Mori A，et al.Dissimilar material welding of rapidly sodified foil and stainless steel plate using underwater explosive welding technique［J］.Journal of Alloys Compounds，2009，472（1／2）：507－511.

［8］Manikandan P，Lee J O，Mizumachi K，et al.Underwater explosive welding of thin tungsten foils and copper［J］.Journal of Nuclear Materials，2011，418（1／2／3）：281－285.

［9］王忠孝.金屬爆炸加工技術的應用［J］.中國機械工程，1996，7（1）：68－70.

Wang Zhong－xiao.Application of new technology of metal explosive fabrication［J］.China Mechanical Engineering，1996，7（1）：68－70.

［10］趙錚，李曉杰，陶鋼.爆炸壓實法制備納米氧化鋁彌散強化銅［J］.稀有金屬材料與工程，2009，38（增刊1）：365－369.

Zhao Zheng，Li Xiao－jie，Tao Gang.Preparation of nano－alumina strengthening copper by explosive compaction［J］.Rare Metal Materials and Engineering，2009，38（Suppl 1）：365－369.

［11］Tian Bao－hong，Liu Ping，Song Ke－xing，et al.Microstructure and properties at elevated temperature of a nano－Al2O3particles dispersion－strengthened copper base composite［J］.Materials Science and Engineering：A，2006，435－436：705－710.