爆炸焊接基復(fù)板間隙中的氣體沖擊波*

李曉杰，王宇新，王小紅，閆鴻浩，曾翔宇，王 健

（大連理工大學(xué)運(yùn)載工程與力學(xué)學(xué)部工程力學(xué)系工業(yè)裝備結(jié)構(gòu)分析國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 大連 116024）

爆炸焊接技術(shù)業(yè)已廣泛用于金屬?gòu)?fù)合板等各種金屬?gòu)?fù)合材料的開(kāi)發(fā)與制造，目前我國(guó)的爆炸金屬?gòu)?fù)合材料年產(chǎn)量已達(dá)60萬(wàn)噸，近世界產(chǎn)量的一半，在化工設(shè)備、能源、鐵路、冶金礦山、艦船、航空航天、核工業(yè)等行業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。隨著爆炸焊接產(chǎn)品的大量應(yīng)用，下游產(chǎn)業(yè)對(duì)爆炸復(fù)合板的質(zhì)量與規(guī)格要求越來(lái)越高，復(fù)合金屬板的板面已達(dá)到十幾米長(zhǎng)、四五米寬，這使得對(duì)爆炸焊接的生產(chǎn)技術(shù)要求也越來(lái)越高，有時(shí)甚至是嚴(yán)苛的。在超長(zhǎng)、超寬板幅的爆炸復(fù)合板生產(chǎn)中，常常會(huì)出現(xiàn)局部未復(fù)合、鼓泡、邊緣局部未復(fù)合、復(fù)合板尾端結(jié)合強(qiáng)度下降、尾端復(fù)板拉斷，甚至造成尾端基板邊角斷裂等問(wèn)題。由于造成爆炸復(fù)合板缺陷的原因很多，有生產(chǎn)技術(shù)、材料與工裝準(zhǔn)備、炸藥和炸藥布置、爆破現(xiàn)場(chǎng)控制、熱處理等多方面的原因，因此人們從對(duì)基復(fù)板平整度[1]、復(fù)板拼焊工藝[2-7]、原材料預(yù)檢、基復(fù)板預(yù)處理[8-9]等生產(chǎn)技術(shù)進(jìn)行了深入的研究與嚴(yán)格的工藝控制。對(duì)于爆炸焊接所用炸藥，近年來(lái)也進(jìn)行了大量研發(fā)，形成了以現(xiàn)有粉狀乳化炸藥、膨化硝銨和多孔粒狀硝銨為基礎(chǔ)的系列專(zhuān)用低爆速炸藥[10-15]。同時(shí)，針對(duì)大規(guī)模工業(yè)化的爆炸焊接技術(shù)也進(jìn)行了深入的研究與改進(jìn)[16-26]，通過(guò)改善炸藥爆轟傳播形態(tài)與方式、復(fù)合板裝配結(jié)構(gòu)、復(fù)板抗燒傷涂層，以及對(duì)炸藥進(jìn)行覆蓋、在真空或惰性氣體保護(hù)環(huán)境下爆炸焊接等，確保了大板幅爆炸復(fù)合板的生產(chǎn)質(zhì)量。

在爆炸焊接時(shí)，人們發(fā)現(xiàn)基復(fù)板間隙中的空氣對(duì)大板幅復(fù)合板的焊接質(zhì)量有較大的影響，通過(guò)改變炸藥爆轟傳播方式使空氣順利排出[16-19]，或用真空或惰性氣體替換間隙中的空氣[25-28]，都可以改善爆炸焊接質(zhì)量。已有研究[29-30]發(fā)現(xiàn)，對(duì)于活性較強(qiáng)材料爆炸焊接時(shí)，如鈦、鎂、鋯等，其碰撞界面噴射出的微射流會(huì)在空氣中發(fā)生燃燒。這使得人們從材料學(xué)角度自然想到，使用真空或惰性氣體保護(hù)，防止射流燃燒，但對(duì)大板幅復(fù)合板影響的力學(xué)機(jī)理仍然未見(jiàn)詳細(xì)研究。本文中，通過(guò)分析研究爆炸焊接基復(fù)板間隙中氣體運(yùn)動(dòng)，建立沖擊波傳播理論模型，進(jìn)而通過(guò)對(duì)各種條件下的氣體沖擊波計(jì)算，闡述爆炸焊接基復(fù)板間氣體沖擊波“管道效應(yīng)”的機(jī)理，說(shuō)明選擇爆炸焊接保護(hù)氣體的原則，以期為氣體保護(hù)爆炸焊接技術(shù)、真空爆炸焊接技術(shù)的進(jìn)一步開(kāi)發(fā)奠定理論基礎(chǔ)。

1 爆炸焊接基復(fù)板間氣體沖擊波問(wèn)題與理論

如圖1所示，爆炸焊接時(shí)炸藥從左端以vd速度爆轟，爆轟產(chǎn)物驅(qū)動(dòng)復(fù)板飛過(guò)兩板之間的間隙，向基板斜撞擊；兩板之間碰撞會(huì)產(chǎn)生微射流，噴射在上游的間隙中。由于射流是從基復(fù)板待結(jié)合表面剝離下來(lái)的，帶走了表面氧化物等污染物，使結(jié)合面得到潔凈的焊接必要條件；根據(jù)射流的力學(xué)解析可見(jiàn)，射流的發(fā)生使得基復(fù)板碰撞點(diǎn)附近的金屬產(chǎn)生了近100～102GPa 的高壓、106～1010s?1的極高應(yīng)變率和強(qiáng)烈的塑性變形，從而產(chǎn)生了焊接所需的高壓、高溫、大變形、清潔結(jié)合表面的必要條件，形成了爆炸焊接。如前所述，兩板碰撞產(chǎn)生的微射流，是噴射在上游間隙中的。由于通常爆炸焊接是在大氣開(kāi)放環(huán)境中的，因此基復(fù)板的間隙中是常壓p0的空氣，文獻(xiàn)[29-30]中用高速攝影觀(guān)測(cè)到微射流會(huì)在間隙中發(fā)生燃燒。由于大量的觀(guān)測(cè)和數(shù)值模擬已經(jīng)表明，噴射出的焊接微射流是霧化的[31-33]，因此對(duì)于鈦、鎂、鋯這些活性材料，爆炸焊接射流的霧化金屬粒子會(huì)在間隙空氣中發(fā)生燃燒也是顯而易見(jiàn)的。對(duì)于尺寸較小的復(fù)合板，射流很快會(huì)噴出間隙之外，不會(huì)對(duì)基復(fù)板的焊接產(chǎn)生過(guò)大的影響。然而對(duì)于較大板幅的爆炸焊接，由于流程增加，射流要順利從間隙中排出就并不順暢了，活性金屬形成的射流在空氣中燃燒會(huì)產(chǎn)生氧化物并殘留在焊接界面上；射流燃燒也會(huì)加熱間隙中的氣體，使氣體膨脹推舉復(fù)板，從而影響爆炸焊接。這也正是采用小試板實(shí)驗(yàn)無(wú)法完全反映大板幅爆炸焊接問(wèn)題的原因之一。因此，有必要建立反映爆炸焊接基復(fù)板間隙中氣體運(yùn)動(dòng)行為的理論模型，對(duì)其進(jìn)行詳細(xì)分析。

依然采用如圖1所示的二維模型，復(fù)板與基板焊接碰撞點(diǎn)從左向右移動(dòng)時(shí)，如同移動(dòng)的活塞一樣驅(qū)趕其前方間隙中的氣體發(fā)生壓縮并一起運(yùn)動(dòng)，氣體運(yùn)動(dòng)速度等于爆速vd。間隙中已經(jīng)壓縮運(yùn)動(dòng)的氣體會(huì)進(jìn)一步驅(qū)動(dòng)其前方的氣體，因此在間隙中形成一道向右傳播的氣體沖擊波。這個(gè)現(xiàn)象對(duì)工程爆破研究人員并不陌生，在不耦合裝藥的炮孔中這一現(xiàn)象稱(chēng)為管道效應(yīng)[34-35]。這個(gè)氣體沖擊波的傳播會(huì)超前于爆轟波，因此在碰撞點(diǎn)前方的焊接設(shè)置將會(huì)受其影響，一般會(huì)導(dǎo)致飛板被頂起以及炸藥密度的改變，而這些現(xiàn)象都會(huì)使焊接參數(shù)發(fā)生變化，進(jìn)而影響最終的爆炸焊接效果。

圖1 爆炸焊接基復(fù)板間氣體沖擊波示意圖Fig.1 Schematic of air shock wave between the base and cladding platesduring explosive welding

設(shè)氣體沖擊波的波速為D，波前為未擾動(dòng)區(qū)，氣體運(yùn)動(dòng)速度為零，其壓力為常壓p0，氣體密度為ρ0，溫度為T(mén)0，質(zhì)量?jī)?nèi)能為E0，聲速為c0，波后對(duì)應(yīng)量分別為速度vd、p、ρ、T、E、c，則波前波后參量滿(mǎn)足以下沖擊波關(guān)系式：

式(1)為沖擊波的質(zhì)量、動(dòng)量和能量方程，若要求解還必須引入氣體的狀態(tài)方程和熱力學(xué)關(guān)系。對(duì)氣體采用多方氣體方程，可得到其比內(nèi)能E和聲速c如下：

式中：γ 為氣體絕熱指數(shù)。顯然在式(1)中沖擊波波前參數(shù)是已知的，波后質(zhì)點(diǎn)速度也已知為vd，而所關(guān)心的參數(shù)是沖擊波速度D和沖擊波壓力p，因此將式(2)的E代入式(1)，經(jīng)整理，得：

將式（3）中的前兩式代入第3式，即削去波后未知的p和ρ，并用式(2)聲速c0將p0和ρ0替代后，可得到如下關(guān)于D的一元二次代數(shù)方程：

解之，得：

顯然，式(5)取負(fù)號(hào)解小于0，不合理，因此取正號(hào)。將解得的D再代回到式(1)的動(dòng)量方程中，求解出壓力p，得：

式(6)即為爆炸焊接基復(fù)板間氣體沖擊波參數(shù)的解析解。實(shí)際情況要比式(6)模型復(fù)雜得多，首先是高溫高壓氣體不再滿(mǎn)足理想氣體假設(shè)，沖擊波會(huì)使波后氣體電離[36-38]，表觀(guān)上造成絕熱指數(shù)γ 值下降，使沖擊波速度和壓力下降；再者，爆炸焊接的霧化射流噴入波后的高溫高壓空氣中，金屬粒子與空氣中的氧、水、氮、二氧化碳等產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，改變波后氣體成分，增加其內(nèi)能和質(zhì)量密度，又會(huì)造成沖擊波強(qiáng)度提高；沖擊波后高壓還會(huì)擠壓抬升復(fù)板和裝藥，使波后的空間增大，又使沖擊波強(qiáng)度下降。盡管如此，式(6)作為基本模型仍可以反映爆炸焊接基復(fù)板間氣體流動(dòng)的主要趨勢(shì)，可用以計(jì)算分析沖擊波的基本運(yùn)動(dòng)狀況。

從資料中查出常用各種氣體的分子量M和絕熱指數(shù)γ 值，其他氣體參數(shù)均取標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)(273.15 K,101.325 k Pa),按理想氣體計(jì)算得到。即取壓強(qiáng)p0=101.325 k Pa，氣體摩爾體積為22.414 L/mol，則ρ0=M/22.414，聲速按式(2)計(jì)算,得到各種氣體參數(shù)，列入表1；再用式(6)和爆炸焊接的炸藥爆速，解得基復(fù)板間氣體沖擊波的參數(shù)值，分別列入表1和圖2中。其中表1中的沖擊波參數(shù)是爆速為2 400 m/s的情況，圖2(a)為爆炸焊接爆速vd與氣體沖擊波速度D的關(guān)系，圖2(b)為爆速vd與氣體沖擊波壓力p的關(guān)系。

表1 爆炸焊接氣體沖擊波參數(shù)(v d=2 400 m/s)Table1 Parameters for gas shock wave in explosive welding at v d=2 400 m/s

從圖2可見(jiàn)，空氣和氮?dú)獾臎_擊波性能相差很小；氬氣和二氧化碳的沖擊波壓力相近，大于空氣和氮?dú)庵担瑲鍤獠ㄋ佥^二氧化碳更高；在所有氣體中氦氣的沖擊波壓力最低，僅為空氣和氮?dú)鈮毫Φ?16～20)%，為氬氣和二氧化碳的(11～13)%；氦氣的沖擊波速度最高，比空氣、氮?dú)飧?14～30)%，更利于板間氣體的排出。從圖1可見(jiàn)，當(dāng)vdt為已經(jīng)完成爆炸焊接長(zhǎng)度時(shí)，(D?vd)t約為空氣沖擊波的超前量，因此(D?vd)/vd則為空氣沖擊波超前比率。由圖2可見(jiàn)，在常用的爆炸焊接爆速2 000～3 500 m/s范圍內(nèi)，空氣沖擊波超前比率(D?vd)/vd為(22.9～21.3)%，壓力高達(dá)6.5～19.3 MPa，可見(jiàn)板間“管道效應(yīng)”會(huì)對(duì)爆炸焊接產(chǎn)生較大影響。

圖2 基復(fù)板間的氣體沖擊波強(qiáng)度Fig.2 Theintensity of gasshock wave between the base and cladding plates

2 基復(fù)板間氣體沖擊波對(duì)爆炸焊接的影響

2.1 基復(fù)板間空氣沖擊波對(duì)爆炸焊接的影響

為進(jìn)一步討論基復(fù)板間空氣沖擊波高壓對(duì)爆炸焊接的影響，還可以建立一個(gè)簡(jiǎn)單的模型，即不考慮復(fù)板的抗彎能力，僅考慮復(fù)板和裝藥的質(zhì)量慣性作用。由圖1可見(jiàn)，空氣沖擊波的壓強(qiáng)作用在復(fù)板上，會(huì)推動(dòng)復(fù)板與炸藥一起向上運(yùn)動(dòng)，向上位移x又會(huì)造成氣體體積空間V的增大，使壓強(qiáng)下降。根據(jù)氣體等熵膨脹關(guān)系式pVγ=p0V0γ，可得出膨脹過(guò)程的瞬時(shí)壓強(qiáng)為p[Δ/(Δ+x)]γ，其中Δ為爆炸焊接初始間隙值。當(dāng)復(fù)板厚度為δm、密度為ρm，裝藥厚度δe、密度為ρe時(shí)，可計(jì)算出單位面積復(fù)板和炸藥的總質(zhì)量m=ρmδm+ρeδe，由牛頓第二定律可得運(yùn)動(dòng)方程如下：

式（7）是二階常微分方程，可將其用數(shù)值方法求解。首先將式（7）化為如下一階常微分方程組：

式中：v為復(fù)板和炸藥的運(yùn)動(dòng)速度。

對(duì)于從一端起爆焊接長(zhǎng)度L的復(fù)合板，空氣沖擊波和爆轟波到達(dá)板另一端的時(shí)間分別為L(zhǎng)/D、L/vd，其時(shí)間差值就是空氣沖擊波作用于板端部的時(shí)間tm=L/vd?L/D，即空氣沖擊波到達(dá)至爆轟波到達(dá)使焊接完成的時(shí)間段。再用初始條件(t,v,x)=(0,0,0)，以歐拉預(yù)估-校正法求解式(8)，就可以解出復(fù)板向上的速度v與位移x。

作為實(shí)例，計(jì)算取爆炸焊接復(fù)板厚度δm=3 mm 的鈦板,密度ρm=4.51 g/cm3；裝藥厚度δe=25 mm,裝藥密度ρe=0.8g/cm3, 爆炸焊接間隙Δ=10 mm。以上節(jié)得到的各種氣體沖擊波參數(shù)，首先固定爆速vd=2 400 m/s，計(jì)算出復(fù)板端部運(yùn)動(dòng)與板長(zhǎng)L的關(guān)系，如圖3所示，其中圖3(a)為復(fù)板向上運(yùn)動(dòng)位移與板長(zhǎng)的關(guān)系，圖3(b)為復(fù)板上翹運(yùn)動(dòng)速度與焊接板長(zhǎng)的關(guān)系。進(jìn)而再固定復(fù)合板長(zhǎng)度L=4 m，針對(duì)空氣與氦氣，計(jì)算不同爆速時(shí)復(fù)板的端部運(yùn)動(dòng)，如圖4所示。

圖3復(fù)板端部運(yùn)動(dòng)與板長(zhǎng)的關(guān)系(v d=2 400 m/s)Fig.3 Relation between the motion of thecladding plate tail and the plate length at v d=2 400 m/s

由圖3可見(jiàn)，復(fù)板受板間隙中氣體驅(qū)動(dòng)在焊接之前已經(jīng)發(fā)生位移，向上位移量x與焊接的板長(zhǎng)、焊接間隙中的氣體成分有關(guān)。在空氣中爆炸焊接長(zhǎng)度為2 m 時(shí)，復(fù)板向上位移是2.8 mm，僅為藥厚(δe=25 mm)的12%，對(duì)爆炸焊接的影響不大；但當(dāng)焊接長(zhǎng)度到4 m 時(shí)，復(fù)板向上位移為10 mm，高達(dá)藥厚的40%，這對(duì)爆炸焊接影響很大。另外，由圖3(b)可見(jiàn)，板長(zhǎng)4 m 時(shí)板尾向上速度已達(dá)56.7 m/s，這不止是對(duì)爆炸焊接參數(shù)有影響，復(fù)板如此大的向上速度與位移會(huì)壓迫在其上方布置的炸藥，而爆炸焊接常用的硝銨粉狀炸藥都有壓死問(wèn)題，這樣大的復(fù)板運(yùn)動(dòng)會(huì)壓死炸藥，造成板尾炸藥局部熄爆問(wèn)題。可見(jiàn)，這是通常中心起爆可焊接長(zhǎng)度4 m 的鈦鋼復(fù)合板，而制造焊接長(zhǎng)度8 m 的鈦鋼復(fù)合板難度較大的重要原因。由固定L=4 m 的圖4可以看出，復(fù)板尾部上翹位移隨爆速變化不大，略有下降：爆速?gòu)? 500～4 000 m/s，板尾位移為11.9～9.4 mm；爆速?gòu)? 400～4 000 m/s，板尾位移更平緩，從10.1～9.4 mm, 僅下降0.5 mm。板尾速度隨爆速呈線(xiàn)性上升，由37.6 m/s 上升至93.2 m/s，上升了2.4倍。根據(jù)爆炸焊接理論，炸藥爆速高時(shí)，復(fù)合板焊接界面沉積的熱量增加較多，所以綜合來(lái)看，長(zhǎng)板爆炸焊接時(shí)宜采用較低爆速炸藥，爆速范圍在2 200～2 700 m/s為宜。

圖4 復(fù)板尾部運(yùn)動(dòng)與爆速的關(guān)系(L=4 m)Fig.4 Relation between the motion of the cladding plate tail and the detonation velocity at L=4 m

2.2 基復(fù)板間氣體成分對(duì)爆炸焊接的影響

根據(jù)金屬材料學(xué)知識(shí)可知，對(duì)于鈦、鋯、鎂、鋁等活性金屬進(jìn)行爆炸焊接時(shí)，將復(fù)板間隙中的氣體更換為惰性的氣體成分，會(huì)起到氣體保護(hù)焊的作用。常規(guī)焊接的保護(hù)氣體有二氧化碳CO2、氮?dú)釴2、氬氣Ar、氦氣He 等，視需焊接的材料和焊接工藝所定，因此在前文也對(duì)這些氣體分別進(jìn)行了計(jì)算。對(duì)爆炸焊接而言，更換基復(fù)板間隙中的氣體成分不僅是起到防止金屬氧化的目的，從表1和圖2～4均可見(jiàn)，氣體成分會(huì)對(duì)爆炸焊接基復(fù)板間的沖擊波運(yùn)動(dòng)有很大的影響。由圖3可見(jiàn)，二氧化碳、氮?dú)鈿夥障聫?fù)板的位移曲線(xiàn)與空氣氣氛下的幾乎重合，氮?dú)鈿夥障碌膹?fù)板上翹運(yùn)動(dòng)速度曲線(xiàn)與空氣氣氛下的相同，二氧化碳?xì)夥障碌膹?fù)板上翹運(yùn)動(dòng)速度曲線(xiàn)比空氣氣氛下的略高一些，因此使用這兩種氣體進(jìn)行爆炸焊接除防止材料氧化、改善界面結(jié)合質(zhì)量外，對(duì)基復(fù)板間的沖擊波效應(yīng)沒(méi)有改善，對(duì)提高焊接板長(zhǎng)度沒(méi)有太大作用。由于氬氣密度最高，所以其沖擊波壓力最高，在氬氣氣氛下復(fù)板的向上位移比在空氣氣氛下還高(140～180)%，所以除爆炸焊接較短、較窄或較厚復(fù)板外，不宜使用氬氣進(jìn)行保護(hù)。輕質(zhì)的氦氣沖擊波壓力最低，而沖擊波速度最高，圖3中4 m 處復(fù)板的上翹位移僅為5.4 mm,不到空氣氣氛下的一半。由圖4的爆速與上翹位移關(guān)系可見(jiàn)，爆速為1 500～4 000 m/s、氦氣保護(hù)時(shí)，板尾位移變化范圍為8.3～4.0 mm，上翹速度為13.2～26.6 m/s，均比空氣氣氛下的小很多。特別是爆速高于2 400 m/s之后，板尾位移僅為5.4～4.0 mm，不到空氣氣氛下的一半。所以對(duì)爆炸焊接進(jìn)行氣氛保護(hù)焊時(shí)，應(yīng)優(yōu)選輕質(zhì)又惰性的氦氣，不僅可以阻止焊接界面氧化，更有利于焊接較大規(guī)格的復(fù)合板。

2.3 爆炸焊接時(shí)復(fù)合板寬度對(duì)間隙氣體運(yùn)動(dòng)的影響

大量的工程實(shí)踐表明，爆炸焊接窄板比寬幅板要容易得多，我們?cè)?jīng)用一頭起爆方式焊接過(guò)寬200 mm、長(zhǎng)7～8 m 的復(fù)合板窄條，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)板尾與起爆端有過(guò)大的差異。在上文中所討論的基復(fù)板間氣體沖擊波運(yùn)動(dòng)解析解(6)是基于平面二維模型的，理論上只適于無(wú)限寬的復(fù)合板，這與實(shí)際工程尚有差別，因此有必要對(duì)爆炸焊接的“板寬效應(yīng)”進(jìn)行探討。爆炸焊接的板寬效應(yīng)是氣體流動(dòng)與復(fù)板作用的三維問(wèn)題，要完全從理論上求解十分繁雜；針對(duì)這樣的工程問(wèn)題，沒(méi)有必要精確求解，而是更需要從理論上理解其影響過(guò)程和影響程度。如圖5所示，對(duì)于寬度w的復(fù)合板，爆炸焊接時(shí)基復(fù)板間隙中的氣體會(huì)從板邊兩側(cè)噴出進(jìn)入大氣中，在板間氣體中會(huì)傳播一道卸載稀疏波，由板邊部向中心傳播。受稀疏波的影響，靠近板邊緣的氣體沖擊波強(qiáng)度和速度都會(huì)下降，波陣面變?yōu)樾毕蚝蠓降幕⌒危词艿较∈璨ㄓ绊懙闹胁繘_擊波仍以D傳播(如圖5(a)、(b)所示)。當(dāng)稀疏波影響區(qū)域完全覆蓋至板中心時(shí)，中部沖擊波強(qiáng)度和速度開(kāi)始降低，速度逐漸降低至vd，形成一道如圖5(c)所示的在碰撞點(diǎn)前方穩(wěn)定傳播的弧形沖擊波。

圖5 復(fù)合板寬度與間隙氣體沖擊波關(guān)系Fig.5 Relationship of explosive clad plate width and shock waves in the gap

為了進(jìn)一步研究氣體沖擊波受板寬效應(yīng)影響問(wèn)題，建立了如圖5(d)所示點(diǎn)起爆的爆炸焊接模型。圖5(d)中爆轟波(近似為基復(fù)板碰撞線(xiàn))和板間沖擊波均以起爆點(diǎn)為圓心，以圓形擴(kuò)散傳播；板邊的稀疏波前鋒從邊緣以聲速c向未受擾動(dòng)的沖擊波傳播；在t時(shí)刻，三者構(gòu)成如圖中的三角關(guān)系。因此，用余弦定理可得：

式中：θ 為聲波線(xiàn)的對(duì)頂角。對(duì)應(yīng)圖5(d)中關(guān)系，還可得中線(xiàn)與爆速線(xiàn)的張角α 的三角關(guān)系w=2vdtsinα,并注意到已焊接的板長(zhǎng)L=vdt；而且在θ=α 時(shí)，板邊的稀疏波就開(kāi)始影響板間氣體沖擊波。將這些條件代入式(9)，可解得板間氣體沖擊波受板邊稀疏卸載影響的臨界長(zhǎng)寬比為：

仍用沖擊波關(guān)系式(2)、(6)和表1的氣體參數(shù)解的沖擊波數(shù)據(jù)，代入式(10)可求得表2中的參數(shù)。表2中為不同爆速、各種氣體條件下板寬影響的臨界長(zhǎng)寬比，代表了板寬效應(yīng)的影響程度。L/w值越大代表板邊引起的卸載波向中心傳播越慢，板間氣體沖擊波影響范圍越大；反之，L/w值小則代表板邊卸載快，板間氣體沖擊波影響范圍減小。可見(jiàn)在焊接常用的爆速2 000～3 500 m/s范圍內(nèi)，板寬效應(yīng)受爆速的影響不大：空氣、氮?dú)狻⒍趸嫉葰怏w條件下L/w的變化均小于3%；氬氣條件下L/w的變化在1%左右；氦氣條件下L/w的變化最大，也小于7.5%。板寬效應(yīng)受氣體種類(lèi)影響很大，空氣中的板寬效應(yīng)與氮?dú)庵械南嗤欢趸贾械陌鍖捫?yīng)卸載最慢，比空氣中的大(13.1～13.5)%；氬氣與氦氣中的邊部卸載最快，氬氣中的L/w值比空氣中的小(19.0～20.3)%，氦氣中的L/w值比空氣中的小(27.2～23.8)%。因此，從板寬效應(yīng)來(lái)看，爆炸焊接時(shí)板間更換氣體以氬氣、氦氣最優(yōu)，二氧化碳最差，氮?dú)馀c空氣相同。

表2 各種氣體爆炸焊接的板寬效應(yīng)Table 2 Plate width effects of various gases in explosive welding

2.4 真空爆炸焊接基復(fù)板間的空氣沖擊波管道效應(yīng)

由于氣體絕熱指數(shù)γ 為常數(shù)，聲速只與溫度相關(guān)（c02=γp0/ρ0=RT0/M，普適氣體常數(shù)R=8.3145 J/(mol·K))，由式(3)可見(jiàn)沖擊波壓力與氣體密度呈正比關(guān)系。因此，在固定溫度的負(fù)壓條件下爆炸焊接時(shí)，沖擊波壓力僅隨氣體密度變化而變化。如果在10 kPa 的粗真空壓力下爆炸焊接，空氣密度降低到1/10，板間空氣沖擊波壓力也降低到1/10(參見(jiàn)表1)。因此，按前節(jié)計(jì)算方法，可以計(jì)算出(0.1～1.0)atm 下的板間沖擊波壓力與爆速關(guān)系，如圖6(a)所示；同時(shí)計(jì)算出固定板長(zhǎng)在4 m 下使用25 mm 厚炸藥焊接3 mm 厚鈦板的板尾上翹位移值，如圖6(b)所示。由圖6可見(jiàn)，無(wú)論是板間沖擊波壓力還是板尾位移都隨氣壓降低而減小，在常用爆速2 000～3 500 m/s范圍內(nèi)，以0.1 atm 氣壓為例，沖擊波壓力變?yōu)?.65～1.93 MPa，板間沖擊波管道效應(yīng)影響可以降低到1/10，復(fù)板尾部上翹位移僅1 mm 左右，這對(duì)爆炸焊接影響甚微。由此可見(jiàn)，在真空容器中爆炸焊接不僅僅可以防護(hù)爆炸對(duì)環(huán)境的沖擊[26,39]，還可以焊接更大規(guī)格、更高質(zhì)量的爆炸復(fù)合板。

圖6 不同氣壓下爆炸焊接基復(fù)板間管道效應(yīng)的強(qiáng)度Fig.6 Intensity of channel effect in explosive welding between base and clad platesat various atmospheric pressures

3 氦氣保護(hù)爆炸焊接實(shí)驗(yàn)

根據(jù)前面的理論分析，綜合各種影響因素，除真空爆炸焊接外，將板間氣體更換成氦氣為最佳。為此，選用較常用的鈦鋼、鋁鎂組合進(jìn)行了氦氣保護(hù)爆炸焊接實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，詳細(xì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果參見(jiàn)文獻(xiàn)[27-28,40]。鈦鋼復(fù)合實(shí)驗(yàn)選用純鈦TA2復(fù)板，Q235基板；鋁鎂組合復(fù)板為1060純鋁，基板用AZ31B鎂合金。兩組復(fù)板厚度均為2 mm，長(zhǎng)度均為2 m，寬度均為300 m；基板鋼厚度為10 mm，鎂合金厚度為30 mm。盡管實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中采用了窄板條，但為了模擬大尺寸寬板爆炸焊接情況，特意在基復(fù)板兩側(cè)采用鋼板進(jìn)行了預(yù)堵塞，防止氣體泄漏產(chǎn)生邊部卸載；起爆均采用端部起爆方式(相當(dāng)于中部起爆焊接4 m 長(zhǎng)薄板)。采用爆速為2 300 m/s的硝銨炸藥，進(jìn)行充氦氣與空氣的爆炸焊接對(duì)比實(shí)驗(yàn)。

經(jīng)對(duì)整體爆炸焊接的界面波進(jìn)行金相觀(guān)測(cè)可見(jiàn)，氦氣中的界面波從頭至尾大小比較均勻，空氣中的板尾部波紋明顯增大。在實(shí)驗(yàn)件的尾部1.6 m 左右處取樣的焊接界面金相照片對(duì)比如圖7所示，可見(jiàn)氦氣保護(hù)對(duì)爆炸焊接界面都起到了改善作用。圖7(a)氦氣焊接的鈦鋼界面中很難發(fā)現(xiàn)金屬間化合物相，只有微小裂紋出現(xiàn)在Q235側(cè)的漩渦中部，而圖7(b)中則可見(jiàn)到含有較大裂紋的大塊金屬間化合物相。從圖7(c)氦氣焊接的鋁鎂界面也很難發(fā)現(xiàn)金屬間化合物相，界面漩渦的熔化區(qū)比圖7(d)中的小一半。由此說(shuō)明，氦氣保護(hù)爆炸焊接不僅可以防止焊接界面金屬氧化，也可以降低板間氣體沖擊波管道效應(yīng)的影響，穩(wěn)定爆炸焊接參數(shù)，確保整板焊接界面質(zhì)量一致。

圖7 氦氣保護(hù)與空氣中爆炸焊接鈦鋼界面金相對(duì)比((a),(c)氦氣保護(hù);(b),(d)空氣)Fig.7 Metallographic of the explosively-welded titanium-steel interface shielded by helium compared with one in air((a),(c)in helium; (b), (d)in air)

4 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)爆炸焊接基復(fù)板間氣體沖擊波的研究，建立了理論模型，推導(dǎo)獲得了氣體沖擊波管道效應(yīng)的理論公式。以此為基礎(chǔ)，探討了基復(fù)板間氣體沖擊波對(duì)爆炸焊接的影響，以及該影響與氣體成分、復(fù)合板寬度的關(guān)系；最后以氦氣保護(hù)爆炸焊接了鈦鋼、鋁鎂組合進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，獲得結(jié)論如下。

（1）在爆炸焊接的基復(fù)板間隙中，氣體沖擊波以高于炸藥爆速的速度傳播，超前氣體沖擊波的壓力高達(dá)1～10 MPa 量級(jí)，會(huì)在爆炸焊接形成前使復(fù)板和炸藥同時(shí)移動(dòng)，形成爆炸焊接的管道效應(yīng)。其結(jié)果一是增大了復(fù)合板尾部的基復(fù)板間隙，使爆炸焊接參數(shù)偏離設(shè)計(jì)，造成復(fù)合板尾部焊接參數(shù)偏大；其二是，當(dāng)爆炸焊接所使用的炸藥密度受外界壓力影響變化較大時(shí)，管道效應(yīng)會(huì)使復(fù)合板尾部的炸藥壓實(shí)，致使爆速發(fā)生變化，出現(xiàn)先高后低，甚至壓死現(xiàn)象。因此，基復(fù)板間隙中的氣體管道效應(yīng)是生產(chǎn)長(zhǎng)大復(fù)合板時(shí)尾部焊接質(zhì)量降低或失效的主要原因。

（2）從理論研究來(lái)看，在爆炸焊接長(zhǎng)板時(shí)，對(duì)復(fù)合板實(shí)施長(zhǎng)邊起爆、提高長(zhǎng)板中部爆速、提高中部裝藥量的屋脊型裝藥、減小基復(fù)板中部間隙高度等有利于間隙排氣的爆炸焊接技術(shù)，均可以降低管道效應(yīng)的影響。由起爆點(diǎn)至板尾階梯裝藥方法可在氣體管道效應(yīng)使復(fù)板尾部抬高時(shí)，保證爆炸焊接參數(shù)的一致性。

（3）爆炸焊接的氣體管道效應(yīng)與復(fù)板的寬度、質(zhì)量均相關(guān)。由于基復(fù)板間隙中的空氣可以從板兩側(cè)高速排除，焊接窄板時(shí)管道效應(yīng)影響較小；由于爆炸焊接管道效應(yīng)是氣體沖擊波高壓驅(qū)動(dòng)抬升復(fù)板和炸藥的結(jié)果，所以焊接較厚重的復(fù)板時(shí)管道效應(yīng)的影響也較小。

（4）鑒于在爆炸焊接薄板時(shí)，管道效應(yīng)會(huì)使復(fù)合板尾部的炸藥壓實(shí)、改變爆速，甚至壓死熄爆，所以對(duì)于爆炸焊接，應(yīng)該研究密度、爆速受外界壓力影響較小的抗壓力減敏炸藥。

（5）根據(jù)理論計(jì)算，炸藥爆速低時(shí)管道效應(yīng)影響略大，但該影響在常用焊接的爆速范圍內(nèi)變化有限。為減低復(fù)合板焊接界面沉積的熱量，綜合來(lái)看，對(duì)長(zhǎng)板爆炸焊接時(shí)仍應(yīng)采用較低爆速炸藥，其爆速范圍在2 200～2 700 m/s為宜。

（6）對(duì)爆炸焊接的保護(hù)氣體的研究發(fā)現(xiàn)，二氧化碳、氮?dú)鈿夥障碌臍怏w沖擊波管道效應(yīng)與空氣氣氛下的基本相同；空氣氣氛下的板寬效應(yīng)與氮?dú)鈿夥障碌南嗤趸細(xì)夥障碌男遁d長(zhǎng)度增加了(13.1～13.5)%；使用氮?dú)狻⒍趸急Ｗo(hù)除改善焊接界面的金屬氧化外，對(duì)管道效應(yīng)沒(méi)有改善。由于氬氣密度高、聲速低，氬氣氣氛下管道效應(yīng)最嚴(yán)重，板寬卸載較空氣氣氛下的略好，所以氬氣保護(hù)除改善焊接界面的金屬氧化外，對(duì)管道效應(yīng)有所加重，只利于焊接短窄厚板。理論和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證均表明，爆炸焊接保護(hù)氣體以氦氣最優(yōu)，除可防止爆炸焊接界面氧化外，由于其密度低、聲速高，可以大幅度降低板間氣體沖擊波管道效應(yīng)的影響，提高氣體從板邊緣的卸載速度，進(jìn)而穩(wěn)定爆炸焊接參數(shù)，確保整板焊接質(zhì)量一致。

（7）由理論分析可見(jiàn)，在粗真空爆炸洞中進(jìn)行爆炸焊接，不僅可以消除爆炸沖擊波對(duì)環(huán)境的影響，還可以大大改善管道效應(yīng)，焊接更大規(guī)格、更高質(zhì)量的爆炸復(fù)合板，因此應(yīng)加強(qiáng)真空爆炸焊接裝備的研究。