钛／钢双立式爆炸焊接参数优化

赵林升，史长根，葛雨珩，侯鸿宝，尤 峻，史和生

（1.中国人民解放军理工大学，南京210007；2.南京润邦金属复合材料有限公司，南京210007）



钛／钢双立式爆炸焊接参数优化

赵林升1，史长根1，葛雨珩1，侯鸿宝1，尤 峻1，史和生2

（1.中国人民解放军理工大学，南京210007；2.南京润邦金属复合材料有限公司，南京210007）

摘 要：为解决大面积钛／钢爆炸焊接窗口窄，在结合区易出现“过熔”和“射流堆积”等微观缺陷的问题，开展了双立爆炸＋轧制综合制造技术，进行了低爆速爆炸焊接用炸药试验优化，发明了一种最低临界爆速爆炸焊接用炸药，设计确定了刚性防护板和柔性防护墙构成的双立综合防护结构及参数，研究了钛／钢爆炸焊接装药厚度窗口.结果表明，双立钛／钢复合板结合界面成波状结合，几乎不存在金属熔化、漩涡等微观缺陷.

关键词：爆炸焊接；钛／钢复合板；防护结构；可焊窗口；结合界面

钛／钢复合板综合了钛材耐蚀、质轻和钢板强度高等优点，且能够节约稀有金属、降低成本，兼有性能和成本上的双重优势，目前已经在机械、航空航天、轮船、建筑、核能和石油化工等工业领域得到推广和广泛应用［1－3］.

由于钛钢的爆炸焊接窗口较窄，钛钢复合板（特别是大面积钛钢复合板）的制备技术和生产工艺仍存在一定问题，尤其在结合率和复合板性能上仍达不到某些领域的特殊要求［4］.目前国内外的生产厂家和学者主要研究采用改变装药工艺的方法来改善大面积钛钢复合板爆炸复合后结合率偏低和结合质量不高的问题［5－8］，但效果并不理想.双立爆炸＋轧制综合制造技术在制备大面积、超薄钛钢复合板时，避免了大面积布药带来的不利影响，能有效提高复合板结合质量，且在节能环保、降低生产成本方面具有突出优势.

双立爆炸焊接一次作业可以生产2块复合板，和现行的平行法相比，不仅提高了炸药的能量利用率，削减了爆炸冲击波对周围环境的不利影响，而且易于控制爆炸焊接的工艺参数，形成标准的工艺流程［9］.目前，双立爆炸焊接已成功制备了不锈钢／钢［10］、铜／钢、铝／钢等金属复合板，但钛钢等较难复合材料的双立爆炸焊接还存在一些问题.在前期的大面积钛钢复合板双立爆炸焊接试验中，获得的复合板复合率达到98%，边部均无破坏和开裂，但板面存在较大的弯曲变形情况，复层表面有局部被烧灼破坏的现象（如图1所示），且试验中采用的柔性防护墙并没有起到良好的防护作用，复合板在撞毁沙袋后仍飞出较远距离，给双立式爆炸焊接的生产试验带来较大危险，钛钢的双立爆炸焊接工艺和防护还需进一步的研究.

本文采用双立法及其综合防护结构，在最低临界爆速爆炸焊接用炸药的装药条件下对钛／钢复合板进行爆炸复合，研究钛／钢复合板在双立爆炸焊接装药工艺参数及其防护下的结合情况，对推动钛钢的双立爆炸焊接，实现低碳环保、大规模标准化生产具有重大意义.

图1 大面积双立钛钢复合板

1 双立式爆炸焊接爆轰机理

平行式和双立式爆炸焊接的装置如图2（a）和2（b）所示.双立式爆炸焊接采用立式的对称安装结构，炸药在2块复板之间形成封闭式的装药形式，炸药由雷管引爆后爆轰产生的冲击波使左右两侧竖立的2块复板均发生弯曲和塑性变形并分别与两侧同样平行竖立的2块基板产生碰撞并焊接，焊接后的2块复合板以较大的速度向两侧运动，并与两侧的防护结构发生碰撞后停止.

双立法和平行法在装药结构上有明显的区别，传统的爆轰作用机理和工艺参数体系已不再适用于双立爆炸焊接.在前期双立爆炸焊接爆轰机理的研究中，假设炸药具有足够大的面积，爆轰产物的膨胀速度与距离呈线性关系，并忽略炸药爆轰侧向和起爆端稀疏波的影响，复板材料视为不可压缩物质，建立双立式爆炸焊接一维爆轰模型，对双立爆炸焊接的炸药爆轰机理和复板运动规律进行研究.

当左右两边采用相同的基复板时，根据一维爆轰驱动的Gurney公式［11］，可得到描述双立式爆炸焊接的爆轰驱动复板运动速度近似式：

式中：Vpd为双立式爆炸焊接条件下的复板碰撞速度；R为装药的质量比；γ为炸药的有效多方指数；Vd为炸药爆速.

平行法爆炸焊接爆轰驱动的一维Gurney复板运动速度公式为

式中：E0为格尼能；Vps为平行法复板碰撞速度.

假设平行法与双立法具有相同的装药量和复板厚度，由式（1）和（2）分析可得，双立式爆炸焊接在相同装药参数下复板可获得更高的碰撞速度，能量利用率得到了提高，如当质量比R＝0.5时，双立式爆炸焊接的复板碰撞速度达到了平行法的1.42倍，也就是说，在相同的碰撞要求下，双立式可以使用更少的装药量，而且封闭式装药还能降低炸药的临界爆炸厚度，为低厚度的临界爆速炸药的使用提供了可能.

1—安装装置（地基）；2（2′）—基板；3（3′）—间隙；4—复板；5—炸药；6—起爆装置图2 爆炸焊接装置示意图

2 最低临界爆速爆炸焊接用炸药

爆炸焊接生产实践表明，金属钛与碳钢复合板的爆炸焊接与其他金属复合板的爆炸焊接相比（如铜／普碳钢、不锈钢／普碳钢、工具钢／普碳钢等），具有较大的难度和特殊性.钛钢复合材料可焊性窗口较小，在爆炸焊接中容易形成金属间化合物、气孔、绝热剪切带等缺陷，发生钛板延展、边界破裂和后续加工难等影响复合板结合质量的问题，对爆炸焊接的工艺参数要求较高［12］.

为解决钛钢爆炸焊接难的问题，作者在理论研究及大量试验的基础上，遵循爆炸焊接最小作用量原理［13］，发明了最低临界爆速爆炸焊接用炸药.此最低临界爆速炸药采用现行的乳化炸药作为主原料，按质量分数30%的炸药和70%的盐、珍珠岩、锯末等混合而成，在装药厚度为6 mm时，其最低临界稳定爆速约为610 m／s.

最低临界爆速爆炸焊接用炸药具有爆速低等特点，在钛钢复合板的爆炸焊接中，可以有效地拓宽钛钢复合板的爆炸焊接窗口（表1），便于对钛钢的爆炸焊接装药参数进行控制，进而有利于提高材料爆炸焊接界面的结合质量，很好地解决了钛钢复合板结合界面的质量问题.

表1 钛／钢爆炸焊接工艺参数

3 双立爆炸焊接的防护设计

在双立式爆炸焊接中，由于没有地基的作用，在基复板碰撞结合的瞬间，复板中的大部分动能将转化为复合板界面的结合能和变形能，从而使焊接界面发生金属的塑性变形、熔化和射流等，除了小部分能量引起复合板的宏观变形外，复板动能中剩余的能量将转化为复合板的动能，使焊接后复合板继续以较大速度（理论上能达到100 m／s以上）向两侧运动，给双立式爆炸焊接工作带来巨大的危险，成为双立式爆炸焊接技术推广的一大阻碍.所以，防护装置的研究设计是双立式爆炸焊接技术推广应用的关键.

在前期双立爆炸焊接防护的研究基础上［14］，作者综合柔性防护墙良好的吸能缓冲特性和刚性防护装置优良的抗冲击性能，提出了一种由刚性防护和柔性防护相结合的综合防护结构（图3）来解决双立防护问题.其中，刚性防护板主要是承受高速运动复合板的冲击力，防止冲击震动对周围环境的硬性破坏以及为人员设备安全提供安全保障；柔性防护墙主要起到缓冲和消波作用，使得复合板与刚性墙的巨大冲击作用迅速衰减.与以往的防护装置相比，此综合防护结构具有结构简单、安装方便、防护效果好、可永久使用等优点.

图3 双立爆炸焊接及综合防护示意图

4 钛钢的双立爆炸焊接及防护试验

根据双立式爆炸焊接的爆轰机理，在合理设置双立式爆炸焊接工艺参数的条件下，采用最低临界爆速爆炸焊接用炸药，并结合双立式爆炸焊接复合板侧向飞散的特点，在优化设计的综合防护结构防护作用下，对钛／钢、不锈钢／钢进行了双立爆炸焊接实爆试验.

试验材料的尺寸及力学性能如表2所示，工艺参数如表3所示.

表2 试验材料尺寸及其力学性能

表3 试验工艺参数

钛钢复合板双立式爆炸焊接试验装置安装和防护分别如图4（a）和4（b）所示，图4（c）和4（d）分别为爆炸后的防护效果图和双立爆炸后获得的钛钢复合板.由图4可以看出：爆炸后防护装置和复合板的移动范围皆在安全距离以内；刚性防护装置有一定的偏转，但没有受到破坏和明显变形，大部分沙袋基本保存完好，可实现多次重复使用；经外观检查，复板外延被全部切除，复合板表面无烧蚀，且均无破坏和开裂，而且经超声波探伤检测，各复合板的复合率均达98%以上，且各项性能指标符合国家标准要求.

图4 钛钢的双立爆炸焊接试验

5 双立钛钢复合板结合界面

图5（a）、（b）和（c）、（d）分别为双立式爆炸焊接钛钢复合板在起爆端附近50、150 mm采样点的金相组织照片，图中下层为不易腐蚀的复材TA2钛，上层为基材Q235b普通碳素结构钢，爆轰方向如图中所示.由图5（a）、（b）的金相图可以看出，双立钛钢复合板的基复板材料在周期性的波状结合界面中实现了金属间的直接结合，且界面波形大小随着距起爆端距离的增大而增大，界面波的波长500～750 μm，波高为100～250 μm，这与爆炸焊接理论基本相符合［15－16］.由图5（c）、（d）放大的的金相图观察可以看到，双立钛钢复合板结合界面钢一侧的金属晶粒被显著拉长，并沿界面平行排列成细长流线，成为流动变形层，界面处没有黑色线条，也未产生Ti－Fe脆性金属间化合物，但在某些界面波的波头和波尾处有少量的漩涡和金属熔化块等微观缺陷产生.

金相测试分析表明，双立钛钢复合板界面结合情况较好，采用双立爆炸法和最低临界装药工艺对钛钢复合板的结合质量具有明显的改善.

图5 双立式爆炸焊接钛钢复合板界面微观组织

6 结 论

1）双立式爆炸焊接应用在钛钢复合板生产中，有效地克服了平行法爆炸焊接存在的不足，并节省了大约2／3的炸药量，提高了生产效率，有利于实现产品的质量控制和机械化、标准化生产模式的形成.

2）最低临界爆速爆炸焊接用炸药拓宽了钛钢复合板的爆炸焊接窗口，便于对钛钢的爆炸焊接装药参数进行控制，很好地解决了钛钢复合板制备中结合面的质量问题.

3）由刚性防护装置和柔性防护墙构成的综合防护结构能够承受爆轰波和高速运动复合板的冲击，且刚性防护装置和复合板没有发生破坏和变形，可以多次重复使用，有效地解决了双立爆炸焊接的防护问题.

参考文献：

［1］ 闫力.钛钢复合板的特点及应用领域［J］.中国钛业，2011（3）：12－14. YAN Li. Behaviotsard applications of Ti／Steel composite sheets［J］. China Titanium Industry，2011 （3）：12－14.

［2］ AKBARI⁃MOUSAVI S A A，BARRETT L M，AL⁃HASSANI S T S. Explosive welding of metal plates［J］. Journal of Materials Processing Technology，2008，202 （1／2／3）：224－239.

［3］ KACZMAR J，PIETRZA K. The production and appli⁃cation of metal matrix composite materials［J］. Journal of Materials Processing Technology，2000，106（3）：58－67

［4］ KAHRAMAN N，GVLENC B，FINDIK F. Joining of Ti／stainless steel by explosive welding and effect on interface［J］. Journal of Materials Processing Technology，2005，169（2）：127－133.

［5］ 关尚哲，刘润生，张俊峰，等.大板幅钛钢复合板控制界面熔化研究［J］.中国钛业，2013（1）：15－20. GUAN Shangzhe，LIU Runsheng，ZHANG Junfeng，et al. Study on interface molting control of large area Ti⁃steel clad plate［J］. China Titanium Industry，2013 （1）：15－20.

［6］ 张杭永，郭新虎，刘继雄，等.大面积钛钢复合板的爆炸焊接工艺及其组织与性能研究［J］.中国钛业，2013（3）：27－30. ZHANG Hangyong，GUO Xinhu，LIU Jixiong，et al. Study of explosive welding technology，microstructure，and property on large area titanium／steel clad plate［J］. China Titanium Industry，2013（3）：27－30.

［7］ 刘鹏，陆明，冀鑫炜，等.钛钢复合板爆炸焊接装药厚度下限研究［J］.兵器材料科学与工程，2011（3）：14－17. LIU Peng，LU Ming，JI Xinwei，et al. Minimum charge thickness of titanium／steel composite plates in explosive welding［J］. Ordance Material Science and Engineering，2011（3）：14－17.

［8］ 刘润生，张杭永，郭龙创.爆炸焊接装药方式对钛钢复合板组织及性能的影响［J］.钛工业进展，2014 （3）：34－38. LIU Runsheng，ZHANG Hangyong，GUO Longchuang. Effect of dynamite loading modes on microstructure and properties of Ti／steel composite materials in explosive welding［J］. Titanium Industry Progress，2014（3）：34－38.

［9］ 史长根，尤峻.双立式爆炸焊接新方法［J］.爆破器材，2008，37（3）：28－30. SHI Changgen，YOU Jun. New technology of double vertical explosive welding［J］. Explosive Materials，2008，37（3）：28－30.

［10］SHI Changgen，WANG Yu，LI Sijing，et al. Application and experiment on the least⁃action principle of explosive welding of stainless steel／steel［J］.Journal of Iron and Steel Research，International，2014，21 （6）：625－629.

［11］BLAZYNSKIT Z. Explosive welding forming and Compaction［M］. London and New York：Application Science Publishers Ltd，1983：233－246.

［12］王小绪，何勇.爆炸焊接参数对钛钢复合板界面波的影响［J］.南京理工大学学报，2013，37（2）：215－218. WANG Xiaoxu，HE Yong. Influence of parameters of explosive welding on interfacial waves of Ti／steel composite plate［J］. Journal of Nanjing University of Science and Technology，2013，37（2）：215－218.

［13］史长根，赵林升，侯鸿宝，等.爆炸焊接最小作用量原理分析［J］.焊接学报，2014，35（5）：88－91. SHI Changgen，ZHAO Linsheng，HOU Hongbao，et al. Analysis of principle of least action on explosive welding process［J］. Transactions of the China Welding Institution，2014，35（5）：88－91.

［14］史长根，汪育，徐宏.双立式爆炸焊接及防护装置数值模拟和试验［J］.焊接学报，2012，33（3）：109－112. SHI Changgen，WANG Yu，XU Hong. Numerical simulation and experimental research of double vertical explosive welding and its safeguard［J］.Transactions of the China Welding Institution，2012，33（3）：109－112.

［15］郑远谋.爆炸焊接和爆炸复合材料的原理及应用［M］.长沙：中南大学出版社，2007：494－504.

［16］BLAZYNAKIT Z. Explosive Welding Forming and Compaction［M］. London and New York：Application Science Publishers Ltd，1983：206－210.

（编辑 程利冬）

Parameter optimization in double vertical explosive welding of Ti／steel

ZHAO Linsheng1，SHI Changgen1，GE Yuheng1，HOU Hongbao1，YOU Jun1，SHI Hesheng2
（1.PLA University of Science and Technology，Nanjing 210007，China；2.Nanjing Runbun Metal Co.，LTD，Nanjing 210007，China）

Abstract：To solve the technical problem of narrow welding window and avoid the occurrance of micro defects such as＂fusion＂and＂jet pile＂in the bonding zone of large area double vertical explosion welding of Ti／steel，the technology of explosive welding⁃rolling was studied. After experiment and optimization of low detonation velocity explosive，a minimum critical detonation velocity explosive was invented to enlarge the explosive welding window. A compound protective structure made up of rigid protective plates and flexible protective walls was designed to effectively restrict the movement of cladding plates in double vertical explosive welding and protect the cladding plates from damage. The microstructure was observed by optical microscopy （OM）. Results showed that the bonding interface presents periodically wavy connection and almost no micro defects such as fusion and swirl are observed.

Keywords：explosive welding；Ti／steel cladding plate；protective structure；weldability window；bonding interface

通信作者：葛雨珩，E⁃mail：xiru168＠163.com.

作者简介：赵林升（1990—），男，硕士研究生.

基金项目：国家自然科学基金资助项目（51541112）；江苏省成果转化专项基金资助项目（BA2012030）.

收稿日期：2015－06－10.

doi：10.11951／j.issn.1005－0299.20160113

中图分类号：TG456.6

文献标志码：A

文章编号：1005－0299（2016）01－0080－05