超薄鈦/ 鋼復合板爆炸工藝的試驗與研究

張寶軍 趙毅霞

（1、西安天力金屬復合材料股份有限公司，陜西 西安710201 2、陜西汽車集團有限責任公司，陜西 西安710200)

爆炸焊接又稱為爆炸復合，是一種將炸藥爆炸瞬間產生的能量作為能源對金屬進行焊接的一種高新技術[1～4]。鈦鋼復合板綜合其金屬組元各自的優點，可以獲得單一金屬所不具有的物理和化學性能，如優良的耐蝕性和強度高等優點，鈦鋼復合板已經在機械、航空航天、輪船、建筑、核能和石油化工等工業領域得到推廣和應用。鈦作為鈦/鋼復合板設備中與介質接觸面，能充分發揮鈦的耐蝕性；不銹鋼具有優良的力學性能。鈦/不銹鋼焊接構件不但可以滿足工業對鈦的需求，還能發揮二者的共同點，大大降低化工設備固定投資成本。但是，在實際生產中，對于復層1mm 左右的薄復層材料，爆炸復合較難實現，本文主要研究討論配比為1/3×～mm 的TA2/304 材料的爆炸工藝。

1 試驗準備

1.1 材料

表1 試驗材料規格及性能

1.2 炸藥參數

炸藥：民用生產型炸藥A#、B#，密度0.75-0.82 g/cm3、2100～2400 m/s，藥高H 為20-24mm。

2 試驗工藝與過程

2.1 工藝流程

下料→打磨組配→爆炸復合→UT→取樣→試樣退火→校平→性能測試。

2.2 方法過程

分別采用A#和B#炸藥，試板編號分別為：SY-1#（A#藥）、SY-2#（B#藥）。下料后，將鈦板和不銹鋼打磨干凈組配好；選一處較堅硬的地基，處理平整；將組配好的試板放置于炮臺上，要求基板與地基嚴密貼合，四邊塞實；間隙選用4.0mm 鈦間隙；爆炸UT 探傷；熱處理校平后取樣檢測。

3 檢驗與測量

3.1 結合與表面

爆炸復合后，宏觀檢查，結合良好。由于復合板厚度較薄，用手摸鈦面可以發現部分間隙，沿爆轟波方向有移動，位移最大的有15mm。另外，邊緣上復層有被間隙頂裂現象存在。經超聲探傷檢驗，結合強度良好。

3.2 復合板厚度測量

在復合板面上，從邊沿到中心隨機測量8 個點，使用板厚千分尺對復合前后基、復板和復合板的厚度進行測量，數據表明：整板邊沿處厚度相對較薄，中心處相對較厚；另外，爆炸后復合板厚度范圍為3.80～3.90mm，減薄大約0.08mm。

4 熱處理與性能檢驗

按照GB8546-2007《鈦- 不銹鋼復合板》要求，對SY-1#、SY-2#復合板取樣，并在箱式電阻爐內進行熱處理，退火工藝為540℃/1.5h。經拉剪試驗測試后，由表2 可知，SY-1#有一試樣復層斷裂，而SY-2#試樣拉剪強度達到了246Mpa，這說明：B#炸藥利于該規格復合板的爆炸復合。

表2 TA2/304 拉剪試驗結果

5 界面與波紋分析

5.1 界面波紋及金相分析

采用物理方法剝開SY-2#試樣鈦層，觀察其結合面波紋，如圖1，基本成波，比較均勻。

圖1 SY-2#試樣結合面波紋照片

對SY-1#、SY-2#兩個試樣的界面波形（波幅、波長）進行了檢測，結果見表3。

表3 TA2/304 試樣界面參數測量（mm）

SY-1# 大都在0.16～021mm，平均0.178mm；而SY-2# 大都在0.21～0.26mm，平均0.246mm，結合強度較高，符合理想波幅比0.2～0.3mm 的范圍。

圖2、圖3 是復合板的界面金相，兩者的波形相差甚遠。在A#炸藥作用下，SY-1#試樣界面波紋較平直，有起伏但是雜亂無章，不均勻，說明：相同工藝下，A#炸藥的做功能力不夠。相比之下，SY-2#試樣界面波紋較理想，其波幅較大，波長較小，但界面上有明顯的熔化塊存在[5]。

圖2 SY-1#板界面波形

圖3 SY-2#板界面波形

5.2 薄復層成波機理分析

爆炸焊接過程，1mm 超薄復板與≥4mm 復板運動過程截然不同：首先，爆炸過程中，薄復板不容易保持其形狀。其次，薄復板質量較小，很快能都達到高速；并對爆轟壓力的響應也是很迅速的，以至在氣體和復板的界面處的壓力可能有適量的瞬時下降。

因此，薄板的加速不如厚板的加速那樣均勻導致薄板在飛行中呈現振蕩和顫動。此外，薄板對減速力的相應也很迅速。復板獲得沖擊壓力的持續時間取決于其厚度，厚復板獲得的沖擊壓力持續時間較長[6-7]，這就是它們不需要薄板那樣高的沖擊速度。復板越薄則從其表面上反射出來的沖擊波到達焊接界面越快，這就有可能導致還未完成焊接過程，界面還未完成冷卻過程，復板由于反射作用而界面破裂。這是由于炸藥調整后猛度增加，爆速減小的結果。但其沖擊能力增大導致的界面熔化塊的產生是實際生產不希望看到的，還需大量實踐驗證和進一步研究。

6 結論

6.1 采用爆炸焊接方法，采取B#炸藥，間隙h1mm，藥高h=H mm，能夠實現TA2/304（1/3×750×1000mm）爆炸復合制備。

6.2 通過工藝參數調整，1/3 薄復層鈦鋼復合板結合質量理想：拉剪強度從226Mpa 提高到了246Mpa 以上；波幅比在0.21～0.26mm。