爆炸焊接技术及工程应用

爆炸焊接技术及工程应用

王宇新1,2，李晓杰1,2，王小红1,2，闫鸿浩1,2

（1. 大连理工大学工程力学系，大连 116024； 2. 工业装备结构分析国家重点实验室，大连 116024）

[摘要] 爆炸焊接作为一种特殊焊接技术广泛应用于生产各种金属复合板材，爆炸焊接复合板材不仅结合强度高，还可以实现多种不同金属材料的大面积复合，从而有效地降低了贵金属材料成本。除了介绍爆炸焊接基本原理、爆

炸焊接窗口和试验技术外，还对当前爆炸焊接新技术和新产品开发作了讨论，同时也介绍了爆炸焊接复合金属材料在不同行业领域的应用以及未来的发展前景。关键词： 爆炸焊接；复合板；焊接窗口；爆炸试验；复合管DOI:10.16080/j.issn1671–833x.2019.12.042

广泛应用，金属复合板产量也迅速增

长。到目前为止，我国金属爆炸焊接复合材料产量占据世界总量50%。

随着爆炸焊接理论和技术研发日臻成熟，金属复合板材应用行业不断拓宽，各类金属复合板产量也在持续增长，在轨道交通、船舶工业、化工业、核工业、航空航天和武器装备等领域发挥了不可替代的作用。本文将对爆炸焊接基本理论、试验方法、新技术和新产品进行介绍，并对爆炸焊接技术的应用前景加以分析。

爆炸焊接理论

1 爆炸焊接基本原理

爆炸焊接属于一种物理焊接技术，是利用炸药爆轰压力驱动复板与基板高速碰撞，碰撞界面的金属材料发生塑性变形和熔化，从而使得两种金属紧密地结合在一起[7–8]。金属爆炸焊接基本原理如图1所示。

两种金属板材爆炸焊接通常是将基板与复板在地面上平行布置，然后炸药均匀铺装在复板上表面，复板与基板需要保持一定的初始间隙。

20世纪50年代，美国开始研究

金属爆炸焊接技术，并由杜邦公司成功实现了大面积金属复合板的爆炸焊接。1958年，日本延冈火药厂、旭化成工业公司、三菱钢铁研究所和神户钢铁公司等企业相继开展了爆炸焊接技术研究与金属复合板加工业务。此后，前苏联、英国、瑞典、德国等也陆续应用爆炸焊接技术开发金属复合材料，促使爆炸焊接技术逐步走向成熟[1–3]。

20世纪60年代，我国也开始对爆炸焊接技术进行理论与试验研究，大连造船厂陈火金在1968年成功研制了第一块金属爆炸复合板。从20世纪70年代开始，国内外很多科研机构和学者相继加入到爆炸焊接技术研究领域中，开发出多种双金属平板爆炸焊接、多层金属爆炸焊接、圆管爆炸焊接、有色金属和稀有金属爆炸焊接等，在理论研究和试验技术上取得了大量科研成果[4–6]，迅速推动了爆炸焊接理论研究与技术应用开发。特别是21世纪以来，全球装备制造业快速发展，爆炸焊接技术得到

王宇新

副教授，计算力学博士，韩国仁荷大学博士后，中国爆破行业协会爆炸加工专委会副秘书长；主要从事爆炸冲击动力学CAE 软件研发和金属爆炸焊接理论与工程应用研究；主持和参与了多项国家自然科学基金项目和企业合作项目，先后研制开发了8套爆炸冲击动力学应用软件，并全部申请获得国家软件著作权证书；科研成果曾获钱令希力学青年教师一等奖，获2项中国爆破行业协会科技进步一等奖（省部级）。

焊接技术

Welding Technology

炸药起爆产生很高的爆轰压力，驱动复板高速冲击基板，在碰撞点处的金属材料发生剧烈塑性变形，其变形近似于流体状态，并形成相互嵌入的界面波和高速喷射的金属微射流[9–10]。爆轰波沿着复板表面向前滑移推进，在滑移爆轰压力作用下，复板与基板不断地碰撞闭合，最后两块金属板材焊接在一起而完成整个爆炸复合过程。

2 爆炸焊接窗口理论

爆炸焊接窗口是指两种金属爆炸复合的可焊参数范围，包括流动限v c min 、上限v p max 、下限v p min 和声速限v c max 4个参数，可以用4条曲线或直线绘制出1个封闭图形区域，如图2所示[11]。

爆炸焊接窗口一般通过半圆柱

法、台阶法和小倾角法等试验方法确

定，也可以应用试验与理论相结合推导出相应的计算公式[12]，爆炸焊接窗口的计算公式在实际工程应用中比较准确，对合理地制定爆炸焊接技术参数具有指导意义，其公式形式如下。（1）焊接下限：使得基板与复板焊接在一起的最小碰撞点速度v p min ，如图2中的ad 线所示，只有当复板冲击基板的速度超过下限值时，才能在碰撞界面处形成微射流，下限计算公式为[13]

：

（1）

式中，ρ为材料密度；H v 为维氏硬度；K c 为经验系数，一般取值范围在0.6~1.2之间，与金属复合界面的粗糙度和金属射流厚度有关。（2）流动限：复板与基板的碰撞点移动速度达到最小值v c min ，才能使碰撞界面的金属熔化和产生塑性流动，否则不能形成射流和界面波，如图2中的ab 线所示。流动限决定了界面波和射流形成的基本条件，计算流动限选择复板与基板材料屈服强度较大、密度较小的参数作为判定条件，流动限计算公式为[14]

：

2）式中，K v 为流动限系数。（3）声速限：复板与基板的碰撞点移动速度（即炸药爆速）必须小于

金属材料声速，否则碰撞界面不能形成射流，如图2中的cd 线所示。两种金属材料声速不同，取二者最小值

作为声速限，计算公式如下：

v c max =min （C 01，C 02） （3）

（4）焊接上限：使复板与基板复合界面不发生开裂的最大碰撞点速度称为焊接上限，如图2中的bc 线所示。焊接上限是以碰撞界面材料发生塑性流动变形所沉积的最大能量作为计算依据，当复板冲击基板速度过高时，碰撞界面沉积能量比较大，当冲击压力卸载时，该处材料还保持着热软化状态，从而导致复合界面过熔失效或开裂。基于冲击动力学和传热理论对碰撞界面的能量沉积过程进行分析，最后得到焊接上限

计算公式：

4）

式中，下标1、2分别代表基板和复板；

h 1和h 2为基板和复板的厚度；f 是与材料性能有关的系数，需要通过爆炸

焊接试验数据拟合才能得到。

由式（1）~（4）可知，为了计算爆炸焊接窗口需要通过试验测试金属材料的密度、硬度和屈服强度等各项指标[15]。

在表1中，给出爆炸焊接的常

图1 爆炸焊接基本原理

Fig.1 Basic principle of explosive welding

图2 爆炸焊接窗口

Fig.2 Windows of explosive welding

复板速度爆轰气体

界面波

金属射流

碰撞角β

爆轰速度v d

土层