【《爆炸焊接的原理与应用概述》3900字】

爆炸焊接的原理与应用概述目录TOC\o"1-3"\h\u3347爆炸焊接的原理与应用概述 1234051.1爆炸焊接的基本原理 152631.2界面波的形成机理 4101821.3爆炸焊接的特点和优点 5288581.4爆炸焊接的应用 5爆炸焊接法是指利用炸药爆炸的冲击波将两种或两种以上的材料连接起来的方法，通常用于物理和化学性能相差较大的金属间的焊接。1944年美国科学家卡尔[1]在铜弹片与靶材的撞击实验中，观察到了金属之间发生剧烈碰撞时的固相冶金结合的现象。1957年，美国科学家菲尔普·杰克成功实现了铝和钢的爆炸焊接，并将其应用到金属构件的连接中，标志着爆炸焊接复合材料正式进入商业化生产阶段[2]。爆炸焊接技术在国外已有七十余年的研究历史，产业化时间也近五十年，其中最具代表的生产厂家是美国的DMC和日本的旭化成。美国DMC一直处于爆炸焊接复合材生产领域的龙头位置，其钛/钢复合板的幅面可达25㎡，不锈钢/钢复合板的幅面可达到30㎡。日本旭化成因场地的限制，钛/钢复合板的幅面可达15㎡，不锈钢/钢复合板的幅面可达20㎡。我国爆炸焊接实验研究始于60年代末期，一直到1972年西北有色金属研究院十二室（“天力公司”前身）开发出第一块钛-钢复合板并成功应用于岳阳石化工程，标志着爆炸焊接技术在我国已进入稳定发展阶段[3]。经过近半个世纪的科学研究和实际生产实践，我国在爆炸焊接方面技术毅然处于国际先进水平，天力公司和宝钛集团等生产的钛/钢、不锈钢/钢、铝/钛、铜/钛、银/铜、铝/铝/钢、铝/钛/钢、铝/铝/钛/镍/不锈钢等复合板（管）材料可以与美国的DMC公司相媲美。韩国斗山重工、TSM公司等装备公司均在中国采购大批量钛/钢复合板和不锈钢/钢复合板作为PTA项目用换热器、冷凝器等设备的原材料，打破了以往DMC和旭化成对该市场的垄断。特别是增加了许多新的领域，使得爆炸焊接技术在石油化工、、压力容器、制药、造船、核工业、航空、航天、军工装备等领域都有了广泛的应用[4-6]。1.1爆炸焊接的基本原理爆炸焊接过程常用的装配图主要有两种，一种是平行法放置，一种是倾斜法，其爆炸焊接过程示意图如图1.1所示。爆炸焊接是一个瞬时过程，其爆炸焊接瞬间过程如图1.2所示。爆炸焊接的能量源为置于覆板之上的炸药，根据材料和使用性能不同，所用的炸药类型不一样，当炸药被雷管引爆后，由于爆速很高，瞬间产生在覆板上巨大能量使覆板向下加速运动[7]，随后高速撞击位于地面的基板。这是一个瞬时过程，在此过程中，由于在覆板和基板的结合界面处受到切应力的作用，结合界面两侧的金属会发生剧烈塑性变形，有的晶粒会被拉长、打碎甚至纤维化。距离结合界面越近，材料受到的切应力就会越大，变形程度越剧烈。沿着结合界面向材料基体，切应力会变弱，塑性变形程度也越来越弱[8]。图1.1爆炸焊接装配示意图1－雷管；2－炸药；3－覆板；4－基板；5－基础(地面)；α－安装角；h－间隙距离Fig.1.1Genernalviewofassemblyogexplosivewelding1-Detonator;2-Explosive;3-Coverplate;4-Baseplate;5-Foundation(ground);α-Installationangle;h-Clearancedistance图1.2倾斜法爆炸焊过程的瞬间形态示意图1-雷管；2-炸药；3-覆板；4-基板；5-地面；Vd-炸药的爆轰速度；1/4Vd-爆炸产物的速度；Vp-覆板的下落速度；Vcp-碰撞点s的移动速度，即焊接速度；Va-气体的排出速度；Α-安装角；β-碰撞角；γ-弯折角Fig.1.2Genernalviewofinstantmorphometrywhenexplosiveweldingbymeansofthemethodsofangle1-detonator;2-explosive;3-cladding;4-baseplate;5-ground;Vd-detonationvelocityofexplosive;1/4Vd-velocityofexplosiveproduct;Vp-thefallingspeedofthecoverplate;Vcp-themovingspeedofthecollisionpoints,thatis,theweldingspeed;Va-thedischargespeedofthegas;Α-installationangle;β-collisionangle;γ-bendingangle当爆炸焊接过程完成后，会在结合界面处形成连续且均匀分布的界面波，原理界面波向着基体靠近，其组织结构呈现梯度分布直至到基体中。在发生塑性变形的过程中，炸药爆炸产生的大部分爆炸能又会瞬间转换成热能，这是一个热力学过程。在爆炸焊接的整个过程中，有95%以上的爆炸能会转换为热能。当这些巨大的热能分布在金属材料表面时，由于过程非常短，所以可以近似为一个绝热过程，会使高速碰撞下熔点较低的金属表面发生熔化或者部分熔化，当金属发生融化后，会在材料表面下凹，在短暂的过程中来不及融化的金属在材料表面上凸，形成一个连续的过程，便形成了连续的界面波和漩涡区域，旋涡区域一般沿着爆炸焊接方向位于一个波形的末端。在此近似绝热的条件下，金属材料表面会形成一层很薄的结合层，在结合层内部会发生元素的相互扩散，有可能形成金属间化合物或者脆性相，引起结合界面处组织不均匀和结构发生变化[9-13]。由于爆炸焊接是在瞬时高速和高温下覆板和基板相互撞击完成的，瞬时温度非常高，在其结合界面上会发生物理和化学过程，即冶金结合的过程。比如说在结合界面处会产生剧烈塑性变形，熔化块、漩涡、表面微裂纹等缺陷和原子间的扩散现象等。不同的金属材料就是在这些冶金过程中实现冶金结合的。由于在爆炸焊接界面上近似于一个绝热的过程，高温和高压使其结合界面组织和结构不均匀，从而导致结合界面处的力学性能、硬度值也不均匀。因而爆炸焊接是集熔化焊、扩散焊、压力焊等三种方法为一体的解决异种金属之间焊接的新技术[14-17]。如图1.3所示的可焊性工业窗口，学者El-Sobky[18]采用图解法，给出了在爆炸焊接过程中的每个参数的上下限范围，只有在此范围内进行可行性操作，才可以得到合格的爆炸焊接产品。绘制如图所示的这种图解时，他们主要把结合界面波形的形成作为优质爆炸焊接的指标，只有得到连续且均匀的波形，复合板结合界面才有较高的结合强度，从而满足使用要求。但是在某些工业条件的情况下，结合强度很低的结合界面也会有波形的出现，但这些波形均表现出不连续、波形大小不一的情况，而且在爆炸焊接完成后由于应力的作用在界面上发生分离，严重影响复合板的服役寿命。应力波的作用是EI-Sobky[18]提出的，因此需要通过试验证明来验证，波的形成被认为是一个合理的准则，以用来确定各参数的范围，也就是控制优质焊接件的工艺条件，从而在碰撞区内不至于产生与应力波重合等副作用。因此，这些个合理工业参数组成的闭合区域，被学者称为“爆炸焊接工艺窗口”，如图1.3所示。图1.3爆炸焊接工艺窗口Fig.1.3Theprocesswindowofexplosivewelding1.2界面波的形成机理对于爆炸焊接的机理，国内外大量学者对其进行了深入的探究，这些研究取得的成果在一定程度上表明了爆炸焊接过程的本质，但是爆炸焊接过程非常复杂，且是一个瞬时的过程，在其结合界面发生的反应和变化太过于复杂，涉及的知识面广。但是这些研究均没有完全分析出结合界面波形的形成机理，爆炸焊接结合界面硬化机理也尚不清楚。目前较为认可的主要的几种界面结合理论有，如A.S.Bahrani[19]的压痕机理、A.H.Holtzman[20]的流动不稳定性机理(Helmholtz失稳)等。特别是在高速冲击产生的巨大的切应力作用下，金属材料界面波形的形成机理和连续性过程还探究的不彻底。目前被学者普遍接受的理论是：波状结合、直接结合和连续的熔化层结合是爆炸焊接界面主要的三种形态，结合界面形成类似正弦波形的连续且均匀的细波状结合是较为理想的结合方式。爆炸焊接完成后的复合板结合界面一般是连续性且分布均匀的波形，如图1.4所示，这种波形形成的主要是因为在爆炸焊接工艺中，由于覆板运动的速度特别大，会产生瞬时高温，使某些熔点低的金属部分熔化，形成金属射流，在材料表面下凹，来不及熔化的金属在表面向上凸起，形成一个瞬时过程，产生漩涡组织和波状结合界面。金属射流的不断运动本身也是对材料在结合之前进行的自清洗过程，有利于减少夹杂物的产生减少缺陷形成。由于在高速的撞击下，来不及融化的金属在结合界面处发生剧烈塑性变形，产生金属射流，呈现漩涡组织，漩涡组织的存在会使复合板在界面处容易形成缺陷，影响其使用性能，但同时漩涡会提高结合界面处的结合强度。图1.4典型结合区的波形形貌Fig.1.4Wavepatternoftypicalbondingpad1.3爆炸焊接的特点和优点爆炸复合焊接作为一种比较新的工艺和技术，应用领域广泛，且复合板具有多种优异的性能，其主要具有如下的许多特点和优点[23-24]：(1)爆炸焊接是以高爆速的炸药作为能源，将炸药爆炸产生的动能转换为结合界面的热能，使其金属材料表面发生熔化或者部分熔化，最终形成具有连续性且均匀分布的波状结合界面，生产效率高。(2)爆炸焊接过程的工艺流程简单，操作简便，一般不需要性能良好的设备，对场地要求较低，是一种高效、自动且效益高的新工艺和新技术。(3)使用爆炸焊接方法，能够完成多种金属材料之间的焊接，尽管这些材料在物理和化学性能相同、相近或相差悬殊，爆炸焊接均可完成。大规格且形状复杂的板材、管材和棒材均可进行相互爆炸焊接，为异种金属实现优质结合，提供了不可替代的工艺和方法。1.4爆炸焊接的应用爆炸复合板的三个主要应用领域：(1)运输储藏工业领域在石油化工行业，输送管道经常在地下数十米的环境中，长时间与具有腐蚀性的土壤或是管道内部溶液相接触，这就要求制造管道的材料必须具有极好的耐腐蚀性能。单一得材料如不锈钢、铝以及钛等金属具有较好的耐腐蚀性能，可以满足实际要求。但是，在实际应用中，综合考虑可靠性和成本因素，不锈钢和钛合金等作为运输管道原材料价格昂贵，制造成本较高。因此具有高强度和高耐蚀性的钛-钢爆炸复合板，可以代替单一材料作为运输管道的原材料，既能满足规定性能要求，且能减少贵金属的制造成本，降低预算。(2)船舶制造业领域舰船在服役过程中，钢质甲板和上层建筑的焊接层面长期暴露在海洋环境下的腐蚀介质中，长期受到海水冲刷，海水中具有大量的Cl-，而Cl-对金属的腐蚀性很强，所以在后续服役中容易产生腐蚀失效，降低其服役寿命。当使用钛-钢、铝-钢以及不锈钢-碳钢等爆炸复合板来制造船体之后，船体结构既具有基材的高韧性，又具有复材的耐蚀性和高强度，解