爆炸焊接不銹鋼/鋁復合板界面形態研究

周 楠，蔣 敬，李 浩，唐松澤，陶秋辰

(南京森林警察學院 刑事科學技術系， 南京 210023)

?

爆炸焊接不銹鋼/鋁復合板界面形態研究

周 楠，蔣 敬，李 浩，唐松澤，陶秋辰

(南京森林警察學院 刑事科學技術系， 南京 210023)

采用爆炸焊接法和ANSYS/AUTODYN有限元程序對雙層不銹鋼/鋁板的復合制備開展了實驗和數值研究，在此基礎上，采用體視顯微鏡和金相顯微鏡進一步觀察了復合板的界面結合形態并分析其形成機理。研究結果表明：爆炸焊接法可有效地制備雙層不銹鋼/鋁復合板；不銹鋼與鋁板間形成規律的波狀結合界面，且界面結合質量良好；結合界面處的顯微硬度明顯提高，有利于復合板防護性能的提高。

爆炸焊接；雙層復合板；結合界面；數值仿真；顯微硬度

爆炸焊接法是利用炸藥爆炸時釋放的化學能產生的高溫、高壓和高速沖擊波作用在焊件上并發生猛烈撞擊，在接觸面的撞擊點上產生射流，射流沖刷作用清除了表面氧化膜和吸附層，使潔凈的金屬表面相互接觸并在高壓下緊密結合形成金屬鍵，隨著炸藥的連續爆炸，界面向前推移，形成連續的爆炸結合面[1]。

關于爆炸焊接的研究始于20世紀60年代初[2]，隨后，以美、日、英等國為代表的多個國家的科研機構和公司均對爆炸焊接進行了廣泛研究，主要集中在爆炸焊接的可焊窗口理論和工程實踐，并采用爆炸焊接方法制得了復合板、復合管等產品[3-5]。在國內，大連造船廠的陳火金等[6]于1968年采用爆炸焊接技術成功制備了國內第一塊雙金屬復合板；此后，國內多家單位就不同金屬間的爆炸焊接和大面積金屬層合板的制備開展了大量的實驗研究工作，針對爆炸焊接亦開展了相關參數化研究[7-9]。至本世紀，爆炸焊接技術的應用領域已從傳統金屬材料擴展到金屬與陶瓷材料、金屬與非晶材料以及超導材料的焊接制備應用中，并取得了突破。

通過上述分析可以看出：當焊接材料、板材形狀不同時，仍需對其焊接參數以及窗口設計開展相關研究。本文就雙層不銹鋼/鋁復合板的爆炸焊接制備開展實驗研究，此外，采用體視顯微鏡進一步觀察復合板的界面結合形態并分析其形成機理。

1 復合板的實驗制備

在復合板的爆炸焊接實驗制備中，常用的裝配方式分為平行法和傾斜法，如圖1所示。較平行法而言，傾斜法可在一次實驗中獲得不同初始狀態下的爆炸焊接動態參數，同時也利于觀察材料結合界面的連續變化，在實驗研究中常采用傾斜法；然而在實際生產過程中，大量實踐證明，平行法在大面積復合板的爆炸焊接制備過程中裝配工藝簡單，且能獲得理想的焊接效果，滿足使用需求，所以，針對焊接面積較大的復合板常采用平行法，本文亦采用平行法。平行法爆炸焊接過程如圖2所示。按圖中所示的裝置順序安裝板材并鋪設炸藥，炸藥由電雷管于一端起爆，復板在炸藥的爆轟作用下，與基板發生碰撞，并形成牢固的結合界面。

圖1 爆炸焊接過程示意圖

Vp：復板撞擊速度； VD：炸藥爆速；Vc：碰撞點移動速度；Vf：來流速度； β：碰撞角圖2 平行法爆炸焊接示意圖表1 復合板的組合方式及厚度分布

ItemLayerthickness/mm304LSteelLY12AluminumTotalthickness/mm11.04.022.03.033.02.044.01.05.0

實驗制備雙層不銹鋼/鋁復合板的厚度組合如表1所示，共為4組，總厚度為5 mm。在爆炸焊接中，炸藥的裝藥量一般由質量比R(單位面積上的炸藥質量和復板質量之比)來確定，即

R=C/Mf

式中：C,Mf分別表示單位面積上的炸藥質量和復板質量，即ρehe/ρfhf；ρe為炸藥密度；ρf為復板密度；he為炸藥厚度；hf為復板厚度。對于常用的硝銨類炸藥，可通過質量比R與碰撞速度Vp和爆速VD之間關系獲得單位面積上的炸藥質量[10]。

采用平行法進行爆炸焊接時，基、復板之間需要預置一定的間距δ，板間距的設置不僅使復板在炸藥的爆轟驅動下經過一段距離的飛行能加速到碰撞速度Vp，同時還為射流的形成和板間空氣的排出提供了空間。基復板間距δ可以由經驗公式確定[11]:

以復合板S3Al2為例，鋼基板和鋁復板的幾何尺寸分別為660 mm×390 mm×3 mm和720 mm×440 mm×2 mm，計算所得爆炸焊接參數如表2所示。

表2 復合板S3Al2實驗制備爆炸焊接參數

2 結合界面形態分析

目前，較為常用的爆炸焊接界面波形成機理的理論模型主要有以下4種[12-13]：壓痕機理、流動不穩定性機理、漩渦機理和應力波機理。其中，漩渦機理更好地揭示了焊接界面的形成機理。在漩渦機理中，認為爆炸焊接中界面的金屬流動可以用流體動力學中流體圍繞一個障礙物流動時流束的分離與再匯來解釋。液流在越過撞擊點流動時，撞擊接觸區類似一固體障礙物，基復板間形成的射流先分離然后匯合，在撞擊后產生卡門渦街，最終形成波狀界面，這種渦街與觀察到的界面波形極為相似。波狀結合界面機理如圖3所示。

在實驗分析中，分別采用體視顯微鏡和金相顯微鏡對復合板的結合界面形貌進行觀察。在雙層鋼/鋁復合板的爆炸焊接中，鋁板作為飛板，在炸藥的爆轟驅動下，與鋼基板發生碰撞，形成規律的波狀結合界面，圖4給出了雙層板S3AL2(鋼板厚度為3 mm、鋁板厚度為2 mm) 和雙層板S4AL1結合界面在體視顯微鏡和金相顯微鏡觀察下的結合形貌，與漩渦機理給出的波狀結合界面形貌吻合良好，均形成規律的波狀結合界面，具有較高的焊接質量。

圖3 漩渦機理波狀結合界面

從爆轟物理學可知，由炸藥爆炸所形成的載荷主要包括3部分：爆轟波、爆炸產物和爆熱。在爆炸焊接過程中，爆熱沒有直接貢獻，主要起作用的是爆轟波和爆炸產物的能量。爆轟波是一種具有一定波長、波幅和頻率的波，在炸藥爆炸后，具有巨大能量的爆轟波和爆轟產物驅動飛板撞擊基板，飛板與基板相互作用，在結合界面處形成鋸齒波形，進而形成牢固的結合界面，這一焊接區域也是不同金屬間的過渡層。由于爆轟波具有一定的波長、波幅和頻率，因此金屬復合板結合界面處形成的界面波形也有一定的波長、波幅和頻率，此界面波形成的過程就是在爆炸載荷作用下金屬發生不可逆的、波狀的塑性變形的過程[12]。

圖4 雙層板結合界面形貌

3 數值仿真研究

為深入研究爆炸復合板結合界面形態及其形成機理，進一步采用ANSYS/AUTODYN 3D有限元程序和光滑粒子動力學法(SPH算法)開展數值仿真研究。以雙層板S3AL2為例，鋁復板和鋼基板分別采用SPH法建立二維計算模型，尺寸分別為200 mm×2 mm和200 mm×3 mm，粒子直徑為10 μm；為反映應變、應變率和溫度的影響，基、復板材料均采用Johnson-Cook本構關系，通過爆炸參數計算賦予鋁復板初始撞擊速度和碰撞角，基板背面施加非反射固定約束，所得計算結果如圖5所示。

圖5 結合界面數值模擬結果

從圖中可以看出：在已焊接部分，復合板結合界面處形成規律的波狀結合形貌，具有良好的結合質量。數值結果較好地再現了雙層復合板爆炸焊接制備實驗過程中的射流現象和界面波形貌，與實驗結果具有較好的一致性。需要指出的是：此部分數值研究工作的開展將在改變初始參數的基礎上進一步豐富與完善。

4 顯微硬度分析

在爆炸焊接過程中，由于沖擊載荷的作用，復合板的結合界面處及附近材料會發生明顯的塑形變形，這種塑形變形除了增加爆炸復合材料的宏觀強度外，還將導致相應位置微觀區域顯微硬度的增加，這就是在爆炸載荷作用下復合材料的爆炸焊接強化和硬化，其實質是在巨大的爆炸載荷作用下，金屬間的界面和內部發生了不同形式和不同程度的塑形變形及組織變化，由此導致加工硬化和硬度的增加，這也是爆炸焊接中必然發生的一種物理-力學現象。

爆炸復合材料結合區的顯微硬度分布實際上是表征對應位置上金屬材料的塑性變形，為分析爆炸復合板沿厚度方向上的硬度分布，采用小負荷維氏硬度計對不同組合復合板的維氏硬度(Hv)進行了分析，得到復合板剖面的維氏硬度分布曲線如圖6所示。從圖中可以看出：對于雙層板S3AL2，結合界面處硬度值較鋼板材料平均提高了108.3%，而相較于鋁板材料提升更為顯著，達338.5%；對于雙層板S4AL1的硬度值變化可得類似結論，即結合界面處硬度值較鋼板材料和鋁板材料分別提高了51.8%和351.8%。所以，對于不同組合的復合板而言，在結合界面附近處材料的硬度變化更加明顯，出現明顯的上升和下降，復合板結合界面處的硬度值最大，隨著距結合界面處距離的增大，復合板的硬度值不斷降低；當鋼板厚度變小時，復合板結合界面處的硬度值提升更為顯著。

圖6 典型雙層板剖面維氏硬度分布曲線

從上述分析可以看出：爆炸復合板中材料硬度的最大值出現在其結合界面處，這主要是由于該位置處的金屬塑形變形程度最嚴重；同時，隨著距結合界面距離的增加，界面兩側金屬的塑性變形程度逐漸降低，這也直接導致硬度逐漸降低，但結合界面及其附近區域的硬度均高于基體金屬材料的硬度值。由于材料的硬化程度與焊接能量有關，所以提高焊接能量可增大加工硬化程度；同時，由于材料的硬度與屈服強度成正比，因此爆炸焊接復合板剖面上的強度也呈現規則變化，有利于提高材料防護性能。結合復合板結合界面形態分析可知：當復合板間形成連續的波狀結合時，復合板具有較高的硬度和結合強度。因此，控制復合板間形成良好的波狀結合界面有利于制備具有較高結合強度的爆炸復合板。

5 結論

本文就雙層不銹鋼/鋁復合板的爆炸焊接制備開展了實驗研究，復合板各層的厚度分布不同，但其總厚度保持不變，在此基礎上，進一步采用體視顯微鏡和金相顯微鏡觀察了復合板的界面結合形態，并對其形成機理和顯微硬度進行了分析。通過本文的研究，得到如下結論：

1) 爆炸焊接法可有效地制備雙層不銹鋼/鋁異種金屬復合板。通過繪制雙層復合板可焊窗口，可獲得有效焊接參數，進而形成良好的焊接質量。

2) 雙層不銹鋼/鋁復合板之間形成規律的波狀結合界面，界面結合質量良好，結合界面強度得到有效提高。

3) ANSYS/AUTODYN 3D有限元程序和SPH算法可有效再現焊接過程中的結合機理，有利于焊接初始參數的優化。

需要指出的是：在更多層復合板的爆炸焊接中，應綜合采用理論計算和實驗研究的方法對焊接參數不斷優化，這也是下一階段將要重點開展的研究工作。

[1] 邵丙璜,張凱.爆炸焊接原理及其工程應[M].大連:大連工學院出版社,1987.

[2] CROSSLAND B.An experimental investigation of explosive welding parameters [J].Metals Technology,1976,3:8.

[3] GRIGNON F,BENSON D,VECCHIO K S,et al.Explosive welding of aluminum to aluminum:analysis,computations and experiments [J].International Journal of Impact Engineering,2004,30:1333-1351.

[4] MOUSAVI S A,SARTANGI P F.Experimental investigation of explosive welding of cp-titanium/AISI 304 stainless steel [J].Materials and Design,2009,30:459-468.

[5] WRONKA B.Testing of explosive welding and welded joints:Wavy character of the process and joint quality [J].International Journal of Impact Engineering,2011,38:309-313.

[6] 李曉杰,孫偉,閆鴻浩,等.水下爆炸焊接和壓實 [J].爆炸與沖擊,2013,33(1):104-107.

[7] 汪旭光.爆破手冊 [M].北京:冶金工業出版社,2010.

[8] 鄭遠謀,黃榮光,陳世紅.爆炸復合材料中金屬的強化 [J].工程爆破,2000,6(1)：25-31.

[9] 王鐵福.爆炸焊接參數的計算機輔助設計 [J].高壓物理學報,2004,18(3):245-239.

[10]舒遠杰,霍冀川.炸藥學概論 [M].北京:化學工業出版社,2011.

[11]DURGUTLU A,GULENC B,FINDIK F.Examination of copper/stainless steel joints formed by explosive welding [J].Materials and Design,2005,26:497-507.

[12]鄭遠謀.爆炸焊接和爆炸復合材料的原理及應用 [M].長沙：中南大學出版社,2007.

[13]張保奇.異種金屬爆炸焊接結合界面的研究 [D].大連:大連理工大學,2005.

(責任編輯 何杰玲)

Study on the Bonding Interface of Stainless Steel/Aluminum Explosive Welded Composite Plate

ZHOU Nan, JIANG Jing, LI Hao, TANG Songze, TAO Qiuchen

(Department of Criminal Science and Technology,Nanjing Forest Police College, Nanjing 210023, China)

The methods of explosive welding and ANSYS/AUTODYN software were used to fabricate two-layer stainless steel/aluminum composite plate, then the stereomicroscope and metallurgical microscope were adopted to investigate the shape of bonding interface and the formed mechanism was also analyzed. The results show that the method of explosive welding can be used to fabricate two-layer stainless steel/aluminum plate successfully. Meanwhile, wave bonding interface was formed between steel plate and aluminum plate, as well as the bonding strength of welded interface was considered sufficient, which offers experimental support for the explosive welding of multi-layer plates. The micro-hardness of the interface was obviously improved, which was beneficial to the improvement of the protective properties of the composite plate.

explosive welding; two-layer composite plate; bonding interface; numerical simulation; micro-hardness

2017-03-08

國家自然科學基金資助項目 (11602113,11672138);痕跡科學與技術公安部重點實驗室開放課題(2016 FMKFKT04);江蘇省自然科學基金資助項目(BK20161055,BK20151353)

周楠(1986—)，男，安徽淮南人，博士，講師，主要從事爆炸沖擊與防護研究，E-mail:nudge@163.com。

周楠,蔣敬,李浩,等.爆炸焊接不銹鋼/鋁復合板界面形態研究[J].重慶理工大學學報(自然科學)，2017(7):91-95.

format：ZHOU Nan, JIANG Jing, LI Hao, et al.Study on the Bonding Interface of Stainless Steel/Aluminum Explosive Welded Composite Plate[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2017(7):91-95.

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2017.07.014

TG456.6

A

1674-8425(2017)07-0091-05