1、爆炸焊接第十章 爆炸焊接第一节 概 述 爆炸焊接是利用炸药爆炸产生的冲击力造成焊件迅速碰撞，使两个金属件的待焊表面实现连接的方法。 爆炸焊接可将用传统方法不能焊接在一起的不同类金属焊接在一起。例如，钢和铝、钛和钢、铜和钢、钢和铅、铅和铝，用爆炸焊接就可焊在一起。因为在有些情况下，如果用传统的焊接方法，施加的热会引起两种金属熔化并形成一种脆性合金，使焊接无效。金属焊接中的困难，如铅的低熔点，用爆炸焊接就能消除。许多不同金属的无数次爆炸焊接试验都得到了良好的结果。 爆炸焊接的焊缝比熔接焊接的接缝强度高，且热处理材料可以用爆炸焊接而不引起性能的降低。 爆炸焊接基本上是一个“冷”焊过程，因为爆炸焊接中
2、产生的热量可忽略不计且快速散失。这种特点使爆炸方法适用于焊接硬化加工过的和热处理过的材料而不影响它们的性质。有些高强度和高硬度材料，如硬化工具钢、钨铬钴硬质合金和铍，因其撞击低强度而不适于爆炸焊接。第二节 爆炸焊接方法 爆炸焊接实施的方法通常有五种：平行安装法、夹角安装法、平行夹角安装法、双夹角安装法和双面敷药法，如图10.1和图10.2所示。 按照爆炸焊接时焊件的布置方式、布药方式、能量传递介质条件及产品结构条件不同，爆炸焊接实施方法略有差异，图10.3为常见的焊件布置、布药、介质条件、产品结构形式及由此带来的不同实施方法。 (c)平行-夹角安装法 (d) 双夹角安装法图10.1 爆炸焊接实
3、施方法及过程 图10.2 多层爆炸焊接的两种方法平行法角度法按安装方式平行-角度法双角度法一面布药按布药形式两面布药爆炸焊接一层布药获得两块复合板在大气中进行按能量传递介质大水中进行在低真空容器中进行内覆法外接法平 板按产品形式图10.3 常见焊件布置、布药、介质条件、产品结构形式(a)(h) 搭接； (i)、(j) 对接图10.4 爆炸焊搭接和对接接头形式爆炸焊接适合于复合面连接，可焊面积范围为6.5cm228m2。基板厚度不受限制，覆板厚度范围为0.02532mm，可制成各种双层及多层复合板、管、棒材。爆炸焊接也可用搭接、对接形式实现点焊、缝焊，适合于一些特殊过渡接头的焊接，如图10.4所
4、示。第三节 爆炸焊接原理爆炸焊接的原理不同于冶金焊接。冶金焊接是通过将两片金属的原子作用到紧密接触使原子相互间的法向吸引力变得相互作用而产生连接而实现的。此时如果金属表面覆盖的氧化、硝化和吸收气体的自然膜不从表面去除，那么即使在非常高的压力下金属也不能焊接上。爆炸焊接将两个金属面以高速和一定的角度相互碰撞，并在接触面处产生高压，通过这种行为，表面部分变成流体并流走，表面膜去除了，金属表面可以紧密接触。图10.5 爆炸焊接过程中波浪形旋涡状锁合面的形成爆炸焊接的形成过程见图10.5所示。当炸药引爆时，瞬间释放的化学能直接传递到覆板并转化为冲击波，使覆板以极高的速度Vp冲向基板，两金属板表面以极高
5、速度相互碰撞。于是，一方面碰撞机械能转化为热能使界面区温度升高至产生局部熔化，另一方面冲击压力和温升破碎了界面上氧化膜，为两金属板表面连接准备了条件。同时引爆过程中所产生的冲击横波除使覆板弯曲变形外，还使相互接触的界面产生两股运动方向相反的金属射流。在碰撞点前方，自由金属射流向未结合的空间高速喷射出来时冲刷着金属表面，除去金属表面上的氧化膜及所有吸附物，使新的金属表面随后相互接触，在温度和压力作用下形成牢固的金属键合；而在碰撞点之后，两股运动方向相反的金属射流相互展平而形成旋涡状锁合。 试验证明，当碰撞速度Vp高于某一个临界值，连接界面上出现许多微小波浪形旋涡状锁合面时爆炸焊结合最为牢固。这时
6、界面上无均匀连续熔化层，熔化的界面结合物仅保留在微小的旋区。如果所连接两种金属配比能形成固溶体，旋涡区具有良好延性，即使两种金属配比会出现脆性金属间化合物或出现缺陷，因旋涡非常微小，也危害不大。碰撞速度太低，旋涡区不存在，界面上很少或不发生熔化，形成平坦结合面，容易因碰撞条件微小变化而出现未结合缺陷。碰撞速度过大，旋涡增大，甚至形成连续的熔化界面，容易形成缩孔等缺陷，使焊缝致密性、强度和延性也降低。 爆炸焊接是在500至1000英尺/秒（150300m/s）的相对速度下得到的。它和金属的性质有关，撞击速度过高，接触面去除的金属在被另一种金属阻止住之前没有足够的时间移走，则结果就不会发生焊接。相
7、反，如果撞击速度过低则接触面就不会达到相互作用。 图10.6 两个低碳钢零件爆炸焊接 图10.7 铜零件(上)和钢零件爆炸 交界面的金相照片 焊接交界面的金相照片 图10.8 黄铜 (上和下)与铜(中) 图10.9 黄铜(上)、铜(中)和钢(下) 复合爆炸焊接的金相照片 复合爆炸焊接的金相照片要焊接的金属的撞击在炸药的起始端开始并在形成焊接时沿接缝波动。结果，就得到一个波状接触面，它比传统连接的平整接触面优越，因有较大的连接面积，裂缝扩大的可能性最小，且结构接缝对热循环失效的抵抗力增加，因为金属接缝中的应力，在热膨胀中有很大的差别，它分布在一个较大的体积内。在典型的焊接接触面处，波纹高约0.0
8、02英寸（0.05mm），长约0.006英寸（0.15mm）。一些典型金属焊缝的金相照片如图10.610.9所示。第四节 爆炸焊工艺 一、焊前准备 爆炸焊过程中冲击波及金属射流虽有清除氧化膜作用，但只限于厚110m氧化膜，因此焊前表面清理仍是十分重要的。表10.1列出常用清理方法。基板和覆板的固定和支托应保证基板刚度、平行焊件表面之间的间距均匀性或预置角。基板较薄时，应采用质量较大的砧座作支托，以减小挠曲，焊前还应校直基板，保证其与砧座均匀接触。覆板较厚时，采用边缘支托即可；若覆板较薄，应采用金属波纹条做支托物，以防挠曲度太大。管子或圆筒连接时，应用芯轴或外套筒支托基层件。芯轴应设计成焊后易于
9、拆除。 表10.1 爆炸焊前焊件表面清理方法方 法配方和操作要领用 途砂轮打磨钢表面清理喷砂、喷丸钢表面清理酸 洗5%15体积%H2SO4溶液5体积% H2SO4溶液铜表面清理铜合金表面清理碱 洗(1)5% NaOH溶液，60，脱脂60s；(2)冷水冲洗；(3)5体积%HNO3溶液，中和10s；(4)水冲洗；(5)10体积%HNO3+0.25%HF混合液，除氧化膜5s；(6)水冲洗；(7)干燥。铝及铝合金表面清理砂布或钢丝刷打磨不锈钢或钛合金表面清理车、铣、刨、磨高要求厚钢板、锻件、异型零件表面清理应选择引爆速度适中、稳定可调、使用方便、价格低廉、安全无毒的炸药。一般应使炸药引爆速度低于被焊金
10、属内部声速的120%。采用专门的设备和缓冲层材料。在有间距夹角或最小平行间距安装时，也可用高引爆速度的炸药。 炸药的引爆速度取决于成分、密度、堆敷厚度、炸药中惰性填料数量。密度与加工形态有关。一般随密度和厚度的增大，引爆速度增加。为了获得优良结合性能，引爆速度应接近覆层材料中的声速。引爆速度过高使碰撞角变小，冲击力过大，造成结合部位撕裂；过低则不能维持足够的冲击力，结合强度不高。因此装药时应注意保证厚度和密度均匀性。 合适的引爆方式也很重要。端部引爆、边缘线引爆、中心引爆、四周引爆是常用方式。为避免雷管周围出现不结合的圆形区域，可把雷管延伸到要求复合的金属区以外或附加一个炸药包。 为防止烧伤、
11、压痕、起皮、撕裂等缺陷，炸药与覆层之间要用橡胶、沥青、油灰、软塑料、有机玻璃、马粪纸、油毡等材料作缓冲层。平行安装时，间距是决定碰撞点弯折角的唯一因素，其大小对界面的波浪形尺寸有一定影响。通常根据覆板的厚度和密度确定初始安装间距，如表10.2所示，一般取0.51t为宜，引爆速度高时取下限（t为覆板厚度）。夹角安装时，通常采用高引爆速度炸药，一般预置角取510，引爆速度高时取上限。 表10.2 平行安装间距的选取原则覆板密度（g/cm3）安装间距51/32/3t5101/21t102/32t 二、工艺参数 影响碰撞区最终状态及爆炸焊接过程能量耗散条件的可控参数主要有冲击速度Vp、碰撞点移动速度V
12、c、动态碰撞角d。 1、冲击速度Vp，研究表明，只有Vp足够大，使冲击压力pmin10a时（a为两金属强度高者的屈服点），爆炸焊才能获得可靠连接强度。由此得最低冲击速度 式中：a、b两种金属密度，kg/m3； Va、Vb两种金属中声速，m/s； a、Ea强度高的那种金属屈服点及杨氏模量，N/mm2。 表10.3列出按上式得出的估算值及实际测量的最低冲击速度，实际采用的冲击速度远远高于这些数值，最高已达400600m/s。 VP实际数值取决于炸药的爆炸动能，有许多经验公式，著名的格氏修正公式如下 式中：R=mc/mp单位面积炸药质量/单位面积覆板质量； 二维引爆修正系数； E爆炸动能。2、碰撞点
13、移动速度Vc取决于引爆速度和安装条件 式中：Vp引爆速度，m/s； 安装夹角，度； 碰撞角，度。 为了保证碰撞点前缘出现塑性金属射流，碰撞点移动速度Vc应小于金属中声速。当其他条件相同时，夹角安装采用比平行安装更高的引爆速度。 表10.3 爆炸焊接的最低冲击速度金属组合密 度（kg/m2）体积声速（m/s）假设屈服点（N/mm2）Vpmin(m/s)附 注估算实测Al+Al2700640035416061Al+6061Al27006400276319270覆板厚6.35mmCu+Cu8960490015068200130240覆板厚1.1mm钢+钢787060002008590连接极限值120
14、低碳钢+不锈钢125覆板厚25mm165覆板厚10mm130覆板厚10mm钛115+钛11545006100250182220钼+钼102006400400123Al+Ti270045006400610035250236Al+钢27007870640060003520035470158372460覆板厚3mmTi+钢4500787061006000250200144200覆板厚3mmNi+钢890078705800600015020081200覆板厚3mm3、动态碰撞角d按下式求得 显然，d有一个由Vpmin和声速决定的最小值，只有达到这一最小值，才能获得满意的爆炸焊接头质量。 由上述可知，爆
15、炸焊工艺参数的数值随炸药性能、用量和焊件安装几何尺寸而变化，目前很难完全从理论上确定和预测。但上述准则及经验公式将有助于通过焊接试验确定在各种应用条件下的工艺参数数值。 4、爆炸爆接所需的单位面积装药量为式中： 2覆板厚度； 2覆板密度； K与炸药和覆板材料有关的系数（参见表10.4）。 表10.4 计算单位面积药量的系数K复板材料基板材料K所用炸药铝及铝合金铝及铝合金1.02号岩石粉状铵梯炸药铜及铜合金1.5钢或不锈钢2.0铜及铜合金低强度钢1.3中强度钢1.4高强度钢1.5银银镉合金1.31.5不锈钢钢1.31.5钢铜及其合金1.31.5 三、缺陷及质量检验 爆炸焊接的缺陷主要有：局部未焊
16、合，在覆板较厚时特别易出现在边界区；基板或覆板的烧伤、压痕、起皮、撕裂；内覆法时基材在强脉冲冲击下变形、破裂；接合强底低等。防止上述缺陷的途径是调整工艺参数，改进支托和起爆方式，改善基、覆板缓冲保护，表面处理，校平等。 （a）剪切试样；（b）剪切试验法；（c）拉剪试样 （d）拉伸分离试样；（e）拉伸分离试验法图10.10 爆炸焊接头强度试样及试验方法爆炸焊接的外观检验与一般焊缝检验相同，用目视、磁粉、着色检验及变形测量等。无损检验一般只能用超声波法，根据焊件具体要求进行全面积、局部或矩形网格检验。金属密度差异很大的接头且具有大波浪形界面时，也可采用X射线检验。结合强度检验采用图10.10所示的
17、试样和试验方法。必要时进行焊缝金相分析，显微硬度测定，以及疲劳性能、导电性、气密性、高低温性能等试验。第五节 爆炸焊接的应用情况 复合双金属平板、管、棒材已经获得应用的实例有：（a）高温化学反应器中覆铜不锈钢蒸发器；（b）覆铜不锈钢、覆铜镍低碳钢水或核废物容器；（c）覆钛低碳钢制含铬离子城市废水处理容器；（d）铜-不锈钢、铜-低碳钢-不锈钢、低碳钢-不锈钢制热性能、韧性、外观均优良的烹饪用器；（e）双硬度防弹板；（f）Hastelloy B-低碳钢制工具、挖掘机及工厂设备的超硬耐磨件；（g）热起动器用黄铜-铁镍合金双金属带；（h）爆炸焊接后从38mm厚轧制成0.5mm厚的金合金-镍装饰金属箔。
18、（i）耐腐蚀、抗高温的双金属、三金属管及异型管。图10.11为双金属管爆炸焊接法。图10.11 双金属管爆炸焊接 图10.12 特殊接头爆炸焊接 表10.5 已实现爆炸焊接的金属材料组合 应用于异种金属过渡接头的如汇流排铝-铜过渡接头、上层建筑为铝船体为钢的铝-钢过渡接头、电气化铁道的铜-钢路轨等。图10.12为特殊接头的爆炸焊接法。可用于爆炸焊接的金属种类很多，表10.5列出了已经实现了爆炸焊接的许多金属材料的组合。第六节 应急修复钢板与钢管的无损爆炸焊接 一、概述 因地震灾害损坏的水管和气管必须紧急修复。目前用于修复钢管的方法是将整个管子挖出来，去除被损坏的部分。但是该方法需要建筑机械和电
19、气工具。然而在某些情况下，由于道路的毁坏，建筑机械可能到达不了工作现场，由于电力线也可能被切断而电气工具不可能正常进行工作。为此，一种容易携带并在没有任何外来动力源的情况下也能工作的烟火装置便被制造出来。图10.13为烟火装置的示意图，爆炸焊接技术用于该装置。一块钢板由爆炸力驱动并被焊接到钢管上。通过对一系列实验结果的分析，找到了可牢固焊接并对钢管无损伤的条件。图10.13 烟火装置示意图 二、实验 通过实验确定将钢板焊接到钢管上的条件。用具有中等气体压力的钢管用作基础钢管。钢管内径205mm、外径215mm和厚5mm。试验前，将钢管的焊接面抛光。由炸药推动焊接到钢管上的钢板由SS400钢组成
20、。钢板尺寸为25mm100m和厚1.5mm。钢板和钢管之间的距离称为“炸高”。炸高是爆炸焊接的一个重要因素。实验采用了一种乳胶炸药。因为乳胶炸药容易处理，并且比用于爆炸焊接的粉末炸药安全。图10.14显示试验方案，炸高和药量是可变的。用两块定位卡板支撑固定钢板和炸药在任一炸高上。这两块卡板对爆炸焊接似乎没有影响。可用药量来调整炸药的厚度。通过离子隙法测定炸药的爆轰速度。离子隙置于雷管端部50mm、70mm和90mm处，离子隙的信号贮存在数字式示波器内，测量每个缩减的离子隙之间的时间周期。然后由离子隙之间的时间和距离计算出爆轰速度。图10.14 实验方案 实验之后，从外侧观察焊接的情况，并用普通
21、的直尺测量钢管内侧的凹部。 三、结果和讨论 焊接的结果见图10.15。钢管的凹痕表示其损伤。焊接的成功或失败与炸高和炸药量有关。炸高为0mm时，任何量的炸药也不能保障成功焊接。用20g炸药，炸高为2mm时，焊接失败。当炸高大于2mm时，几乎任意量的炸药都可使焊接成功。实验结果表明：炸药数量愈少；对钢管的损伤愈小；炸高大于2mm时，损伤变为常数；将厚4mm宽5mm的聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）条状物放在乳胶炸药内中心位置，以降低中心处炸药的能量，使钢板在到达钢管前的弯曲状况得到改善，并降低了对钢管的损伤（见图10.16）。 图10.15 焊接结果和对钢管的损伤图10.16 钢板的弯曲情况（炸药：25g）
