金屬爆炸焊的研究現狀及發展趨勢

韓小敏，王少剛，黃　燕

（南京航空航天大學材料科學與技術學院，江蘇南京210016）

金屬爆炸焊的研究現狀及發展趨勢

韓小敏，王少剛，黃燕

（南京航空航天大學材料科學與技術學院，江蘇南京210016）

介紹金屬爆炸焊接技術的基本原理及發展歷程，綜述近年來國內外爆炸焊接技術在異種金屬連接以及數值模擬等方面的研究進展，并展望爆炸焊接技術的未來研究發展動向。

爆炸焊接；研究現狀；發展動向

0　前言

爆炸焊接亦稱爆炸復合，它是利用炸藥產生的能量，使被焊金屬面發生高速傾斜碰撞，在表面形成具有塑性變形、熔化、擴散以及波形特征的薄層過渡區，從而使金屬之間形成牢固結合的工藝過程。爆炸焊接是在1944年由美國的L.R.Carl提出，1957年，美國的Phillipchuk利用爆炸焊接技術成功實現了鋼-鋁之間的連接，人們逐漸認識到了爆炸焊接技術的潛在實用性。此后，美國、日本、英國、德國、前蘇聯等國技術人員相繼開展了大量的理論和試驗研究，使爆炸焊接技術日趨走向成熟。20世紀60年代末，我國大連造船廠的陳火金等人采用爆炸焊接方法成功制備出第一塊爆炸復合板，到20世紀80年代，有關爆炸焊接技術的理論研究和工程應用在國內得到了快速發展，目前已廣泛應用于石油化工、壓力容器、船舶制造、航空航天及核工業等領域[1-2]。

1　爆炸焊接的原理及過程

爆炸焊接是一個以炸藥為能源的動態焊接過程，金屬爆炸焊接裝置示意如圖1所示[1]，通常可分為傾斜安裝和平行安裝兩種方式。當置于復板上的炸藥被雷管引爆后，在炸藥推動下復板將以一定角度高速與基板相互碰撞。由于撞擊壓力大大超過金屬的動態屈服極限，因而在碰撞區產生急劇的塑性變形，同時釋放出大量的熱。此時碰撞點處金屬的物理性質類似于流體，在金屬板內表面將形成兩股運動相反的金屬射流。一股是在碰撞點前的自由射流，此射流向未結合的空間高速噴出，沖刷金屬內表面的表面膜起清潔表面的作用，為兩種金屬的結合提供了條件；另一股是在碰撞點之后的凸角射流，被凝固在兩金屬板之間，從而使基復板金屬形成牢固的冶金結合。

2　爆炸焊接技術的試驗研究

爆炸焊接技術因可以直接對同種或異種材料進行焊接而被廣泛應用于工業生產中，到目前為止，采用爆炸焊接已經成功實現了許多物理和化學性能相同、相近及相差懸殊的材料之間的復合。爆炸焊接的最大用途是生產金屬復合材料，隨著研究工作的不斷深入和實際生產的需要，利用爆炸焊接制造的產品也不斷涌現[2]。近年來，隨著科學技術的發展及爆炸焊接理論的進一步完善，國內外在異種金屬爆炸焊接的試驗研究方面也不斷取得新的進展，涉及的爆炸金屬組合包括鈦-鋼、銅-鋼、鋁-鋼、鋁-銅、鈦-鎂、鎂-鋁等，復合板的層數也從兩層、三層，逐步發展到多層的蜂窩結構，其面積可達十幾到幾十平方米。

1—炸藥；2—緩沖層；3—復板；4—基板；5—雷管；6—基礎b平行放置圖1　爆炸焊接裝置示意

2.1鈦-鋼的爆炸焊接

鈦具有密度小、比強度高、耐腐蝕性和高低溫性能好等優異的綜合性能，是航空航天及海洋化工等領域中重要的結構材料。為了節約鈦資源和降低生產成本，對鈦-鋼復合材料的需求應運而生。采用鈦-鋼復合材料制備的設備其內層鈦耐腐蝕，外層鋼具有高強度、良好的抗疲勞和耐壓性，是現代化學工業和壓力容器中不可缺少的結構材料。由于鈦與鋼之間在高溫時會生成多種金屬間化合物，因此難以采用常規的熔化焊方法進行焊接。N.V.Rao等[3]采用平行放置法對厚4 mm的純鈦與厚28 mm的低合金高強度鋼進行爆炸焊接，并研究其界面微觀結構和力學性能。結果表明，其界面呈波狀結合，在靠近鋼側界面的組織沿碰撞方向被拉長，且越靠近界面處晶粒越細小。在界面的波峰處存在著少量的熔化層，其成分介于鈦與低合金高強度鋼之間。在界面處不可避免地存在著一些TiFe2和TiNi2等中間相。對界面處進行元素含量分析顯示，界面處存在明顯的擴散層，其厚度約為5 μm。力學性能測試表明，結合界面處的硬度最高，且隨著與界面距離的增大而減小，這主要是由于界面處產生劇烈的碰撞而引起的硬化效應所造成的。

對金屬進行熱處理能夠改善其顯微組織及力學性能。M.Yadegari等人[4]研究了熱處理對Ti-304L界面微觀結構和結合強度的影響。以爆炸速度3500m/s的炸藥為能源，基復板間距為4.5mm，對Ti-304L復合板進行爆炸焊接。由于鈦在高溫時易氧化，故在氬氣保護下對復合板進行熱處理，分別在700℃、800℃、900℃保溫1 h，然后隨爐冷卻，升溫速率0.2℃/s，冷卻速度0.1℃/s。結果表明，在700℃時，界面處有σ相和FeTi2相生成，隨著溫度的升高，在界面處還生成其他金屬間化合物相，如λ、FeTi、NiTi、NiTi2等，溫度越高，形成的脆性帶越寬。復合板的剪切強度隨溫度升高而降低，且都低于初始試樣，這是由于界面處脆性相的生成所致。I.N.Maliutina等[5]人的研究表明，添加中間層（青銅-鉭）可有效避免鈦-不銹鋼復合板界面處因金屬間化合物形成而引起的開裂（見圖2），其極限強度可大大提高，達1 000 MPa。

圖2　添加青銅-鉭中間層的鈦-不銹鋼爆炸復合板結合界面

2.2銅-鋼的爆炸焊接

銅及其合金具有良好的導電性和導熱性、耐腐蝕性等，廣泛應用于電氣、電子、化工和交通等領域。由于銅資源有限，價格相對昂貴，在一些大型設備或構件中使用單一的銅合金，導致產品的成本高或者結構設計不合理，銅-鋼復合板在工業生產中的應用，既可滿足結構的使用性能要求，又能大大降低生產成本。Maliutina I N等[6]研究了青銅-不銹鋼爆炸復合板（不銹鋼厚度200 μm）在不同溫度下界面相變的機理。采用爆炸復合制得青銅-不銹鋼復合板，在空氣中分別采用500℃、600℃、700℃和800℃保溫1 h的工藝進行熱處理。結果表明，復合板具有明顯的波狀結合界面，波長為11.04 μm，在界面處存在約800 nm的擴散層。當熱處理溫度達到600℃時，靠近界面的青銅側發生再結晶形成直徑6μm的等軸晶粒；當溫度達到700℃時，晶粒直徑長大到30 μm，800℃時晶粒粗化達117 μm。在800℃時，由于Fe和Cu的擴散系數不同，導致形成了混合區空洞。在整個熱處理過程中，不銹鋼側的組織并沒有發生明顯變化，這是由于加熱溫度未達到其再結晶溫度。

在時效處理過程中，固溶體中細小彌散相的析出可以使材料的強度顯著提高，因此時效處理是許多有色金屬熱處理強化的重要途徑。G.S.Zhang等人[7]研究了時效處理對鈹青銅-碳鋼復合板力學性能的影響。為了提高爆炸焊接時鈹青銅的塑性，焊前先對其進行780℃的固溶處理，待爆炸焊接后，分別進行300℃、310℃、320℃、330℃和340℃時效2 h、3 h、3.5 h、4 h。復合板力學性能測試表明，在320℃時效3h硬度達到最大值35.8 HRC，在該時效工藝條件下，復合板的剪切強度變化不明顯，但其結合強度顯著降低。在時效處理前復合板具有良好的內外彎曲性能，時效處理后其內彎曲性能變化不明顯，但外彎曲性能顯著降低。

2.3鋁-鋼的爆炸焊接

鋁-鋼復合材料有效地結合了鋼的高強度與鋁優良的抗大氣腐蝕性能，同時保證良好的深沖性能，在航空航天、機械、化工、醫療、食品等許多領域中得到廣泛應用。W.Deng等人[8]研究了鋁-不銹鋼爆炸復合管的界面結構，并從復合管的爆炸工藝及爆炸加載過程進行分析。采用內爆法制得復合管（內外管間距1 mm），發現爆炸后外管的直徑并沒有變化，在界面處存在著少量的熔化層，其厚度隨著爆炸方向減小。界面呈微小的波狀結合，但沒有明顯的周期性，界面波長和波峰從起始端到末端均是先增大然后減小。這是由于在爆炸焊接過程中，內管的外徑在爆炸載荷作用下擴張至外管的內徑從而實現爆炸復合。在此過程中消耗了一部分炸藥的能量，使得內外管碰撞時的能量減少，導致界面波不呈明顯的周期性。由于管件爆炸焊接時相對封閉的環境導致高壓爆炸產物不易消散，與材料長時間作用，易導致形成平直狀的界面。隨著爆炸載荷的逐漸增大以及末端邊界效應的影響，使界面波長及波峰呈先增大后減小的趨勢。

在爆炸焊接過程中，合理選擇工藝參數是實現高質量焊接的首要條件。P.Muneshwar等人[9]研究了不同工藝對鋁-不銹鋼復合板爆炸焊接質量的影響。采用純鋁作為中間過渡層以減少界面處金屬間化合物的形成。首先利用爆炸焊接制得純鋁-不銹鋼板，然后再與AA2219進行爆炸復合，爆炸焊接工藝參數如表1所示。結果表明，在該工藝條件下，薄板的焊合率約為70％，在未焊合區，純鋁與AA2219界面處存在著微小的空洞，而與不銹鋼的界面處則不存在這些缺陷。對焊合良好的區域進行剪切試驗，其強度與純鋁的相近為84.1 MPa，且所有斷裂均發生純鋁與不銹鋼的界面處。對厚板采用不同種類的炸藥進行焊接，其中3號試板的中心區域連接質量相對較好，焊合區的剪切強度可達90MPa，在純鋁與AA2219處發生斷裂，而拉伸斷裂則發生在不銹鋼界面處。

表1　鋁-不銹鋼復合板的爆炸焊接參數[9]

2.4鋁-銅的爆炸焊接

鋁和銅的導電性能良好，從經濟角度出發，電力工業中在許多情況下可以用鋁來代替銅。以鋁代銅是電力工業中的一項重要技術措施，因此銅-鋁的過渡連接是推廣使用鋁導線，節約銅導線的重要課題。采用爆炸焊接技術制備鋁-銅過渡接頭，不僅設備及工藝簡單，且性能優良[2]。M.Acarer[10]利用爆炸焊接技術制備鋁-銅過渡接頭，并測試分析其導電性能、電化學腐蝕性能及力學性能。通常，進行異種金屬爆炸焊接時，在界面處難以避免金屬間化合物的形成。研究結果顯示，獲得的鋁-銅過渡接頭形成了少量的金屬間化合物CuAl2，但其對力學性能并沒有產生明顯影響。雖然金屬間化合物的形成可能導致過渡接頭的電阻率升高和導電率降低，但由于其含量較少，并沒有明顯影響。測得鋁-銅接頭的電阻率和電導率分別為24.1 Ω/cm和0.416 ms/cm，介于銅和鋁之間。還測定了Al-Cu過渡接頭的極化曲線，并分析了電化學腐蝕后的形貌。

2.5鈦-鎂、鎂-鋁的爆炸焊接

鎂合金是最輕的金屬結構材料，具有密度低和良好的力學性能，廣泛應用于汽車、電子等工業領域。但是由于其耐蝕性能較差，在很大程度上限制了其在工業生產中的應用。如果能在其表面涂覆一層耐蝕性較好的鈦或鋁合金，則可以綜合兩種不同材料的性能優勢，大大提高其耐蝕性能，擴大鎂合金的應用范圍。鈦合金和鎂合金的熔點和熱膨脹系數等物理性能相差較大，采用普通的焊接方法難以實現兩者之間的有效連接。文獻[11-12]采用水下爆炸焊接技術成功實現了鈦-鎂（TP270-AZ31）的連接，其爆炸焊接裝置示意如圖3所示。研究了不同焊接參數下添加中間層（AZ31薄板）和無中間層對鈦-鎂爆炸焊接界面的影響。結果表明，采用添加鎂中間層進行爆炸焊接，可以得到平直或輕微波動的界面。由于中間層可減少碰撞時的動能損失，減小熱效應的影響，從而顯著減少熔化層形成，可實現鈦-鎂之間的有效連接。進一步研究表明，界面的結合形態與傾斜角α、距離D及中間層的添加有關，復合板的顯微硬度分別沿界面兩側減小。

N.Zhang等人[13]利用爆炸焊接技術制備AZ31BAA6061復合板，分析不同退火工藝對其界面組織和性能的影響。結果表明，鎂-鋁復合板之間結合良好。隨著退火溫度的升高，復合板的拉伸強度不斷提高，當溫度升高到某一數值時，其拉伸強度會突然降低，但其延伸率并沒有發生突變。產生這種現象的原因是：退火溫度過高時界面處金屬間化合物的生成所致。分析顯示，當退火溫度超過250℃時，在界面處有Al3Mg2和Al12Mg17生成。

圖3　鈦-鎂水下爆炸焊接裝置示意

2.6其他結構的爆炸焊接

近年來，爆炸焊接技術的應用范圍不斷擴大，爆炸焊接不僅可以實現物理和化學性能相差較大的金屬連接，還能實現金屬與非金屬之間的連接，理論上講只要具有一定韌性的材料都可以進行爆炸焊接。文獻[14-16]利用爆炸焊接技術實現了鎢-銅、鈮-鎳和銅-鉭等的連接并達到了預期效果。M.Q. Jiang[17]等人成功實現了金屬玻璃（Vit 1）與黃銅之間的爆炸連接（見圖4a），進一步擴大了金屬玻璃的應用。隨著人們對爆炸焊接技術研究的不斷深入，爆炸復合材料的結構也從原先簡單的板、管、棒之間的結合發展到更復雜的結構形狀，最近有研究人員采用爆炸焊接技術制備出了空心結構及蜂窩結構等[18-19]，如圖4b、圖4c所示。

圖4　利用爆炸焊接技術制備的復合結構

3　爆炸焊接的數值模擬

由于爆炸焊接過程的瞬時性及危險性，因此直接對其進行研究有一定難度，采用計算機數值模擬可以方便地了解爆炸焊接過程，優化焊接參數，對于提高焊接質量具有重要意義。近年來，隨著計算機技術的快速發展，國內外研究人員對爆炸焊接數值模擬進行了大量研究，進一步促進了爆炸焊接技術的應用和發展。

X.J.Li等人[20]利用光滑粒子流體動力學法（SPH法）研究了波狀界面形成的機制，認為爆炸焊接是一種集壓力焊、熔化焊和擴散焊于一體的焊接新技術。后來X.Wang等人[21]在AUTODYN軟件的基礎上，運用SPH法得到了爆炸焊在大部分情況下屬于固相焊的結論，在模擬過程中成功獲得了射流及界面波，射流的產生主要取決于材料的密度及硬度等。A.Moarrefzadeh[22]采用ANSYS軟件模擬爆炸焊接過程也得到了類似的結論。近年來，隨著科技的進步，水下爆炸焊接也得到了快速發展和應用。水下爆炸焊接時，Gurney方程和Aziz方程不能準確描述復板的飛行速度及加速過程，為此W.Sun等人[23]利用ANSYS/LS-DYNA研究了水下沖擊波及復板的變形過程，得到復板的飛行速度及壓力分布圖，可為后期的研究提供參考。Zhang A等人[24]將SPH法和BEM相結合，模擬水下爆炸焊接的整個過程，各階段的計算結果都與實驗結果相吻合。S.Saravanan等人[25]采用有限元法研究鋁-鋼爆炸焊接過程中的碰撞特征，結果表明，在碰撞點處具有更高的壓力及較低的溫度。

文獻[26]從應力場、溫度場等角度出發，模擬雙層復合板的爆炸焊接，并分析射流及界面，認為碰撞角是影響界面波形成的關鍵參數，界面處的高溫有利于射流和界面波的形成。界面波不僅是爆炸焊接的主要特征，也是爆炸焊接成功的主要標志。S.K.Godunov[27]等人在Maxwell弛豫模型的基礎上，模擬界面波的形成和發展，結果與實驗相一致，同時證明了波狀界面的形成與碰撞點附近處于高壓狀態下的介質的自振動有關。此外，還有研究人員模擬分析了不同基礎對鋁-鎂爆炸焊接的影響，結果表明，鋼質基礎更有利于其爆炸焊接。

4　結論

爆炸焊接技術因具有許多優異的性能而受到廣泛關注，其應用范圍從開始時同種或異種材料的焊接逐漸發展成為集材料表面處理和快速結晶于一體的新型加工工藝。依據目前的研究進展，不難看出爆炸焊接技術的理論研究還相對滯后，與其應用拓展不相協調，有關爆炸焊接的數值模擬研究也不夠系統和全面。此外，對爆炸復合材料的后續加工工藝研究也是該領域的重要研究課題之一。今后應當將計算機技術與爆炸焊接技術相結合，深入研究爆炸載荷作用下材料的動力學行為以及焊接機理等。同時，爆炸復合材料的形狀尺寸不只是局限于板材、管材等之間的簡單復合，應充分發揮爆炸焊接技術在多層復合及異種金屬焊接中的優勢。此外，預計水下爆炸焊接也將成為未來研究的熱點之一。隨著爆炸焊接技術的快速發展及其應用領域的不斷擴大，有關爆炸焊接中的環境保護及自動化程度提高也值得進一步研究，其應用范圍將越來越廣。

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Research progress and development trend of metal explosive welding

HAN Xiaomin，WANG Shaogang，HUANG Yan
（College of Material Science and Technology，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 210016，China）

The basic principle and development of metal explosive welding are introduced briefly in this paper.The research progress of explosive welding is systematically summarized in the bonding of dissimilar metals and numerical simulation both domestic and abroad in recent years.And makes expectation of the development trend of explosive welding in the future.

explosive welding；research progress；development trend

TG456.6

C

1001－2303（2016）04－0112-06

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.04.24

2015-03-02

江蘇高校優勢學科建設工程資助項目

韓小敏（1990—），男，江蘇興化人，在讀碩士，主要從事異種金屬的焊接工藝研究。