一种平板状爆炸焊接用炸药❋

朱福元 郭子如 张仲一 吴卫明 何志伟

①淮南舜泰化工有限公司(安徽淮南，232046)

②安徽理工大学化学工程学院(安徽淮南，232001)

引言

爆炸焊接是一种将炸药爆炸产生的能量作为能源，使同种或者异种材料发生高速碰撞，而形成金属间冶金结合的金属加工技术[1]。 利用爆炸焊接法制备的金属复合材料具备独特的功能性以及可加工性，已广泛地应用于多个领域[2-3]。

爆炸焊接对于其所用炸药有着特殊的要求，所用炸药须为易于摊铺、易于布药的低爆速炸药[4]。因此，国内外的许多学者都对爆炸焊接用炸药进行了研究。 Silvestrov 等[5]把直径 58 μm、密度为 0.15 g/cm3的中空玻璃微球加入到乳胶基质中，制得低爆速的乳化炸药，炸药的密度在0.5 ～1.0 g/cm3之间，爆速在 2 000 ～ 3 000 m/s 之间。 Maranda 等[6]使用硝酸铵和铝粉混合物，外加玻璃微球或脲醛树脂泡沫球制得含铝硝酸铵炸药，根据各组分配比不同，炸药密度在0.5 ～0.9 g/cm3之间，爆速在1 100～1 600 m/s 之间。

安立昌[7]在2＃抗水岩石硝铵炸药中加入消焰剂、密度调节剂，制出符合爆炸焊接用的炸药，其密度为 0.8 g/cm3时，爆速在 1 900 ～ 2 200 m/s 之间。王勇等[8]将工业食盐与玻璃微珠以不同的质量比混合为混合稀释剂，并与膨化铵油炸药混合，得到爆炸焊接专用的混合膨化铵油炸药，用含35%(质量分数)稀释剂的混合膨化铵油炸药(密度0. 7 g/cm3、爆速 2 600 m/s)对 SS304 不锈钢和 16MnR 进行了爆炸焊接试验，焊接质量良好。

上述研究都是通过向原始炸药中加入各种添加剂以调整炸药性能，使之满足爆炸焊接的要求。

爆炸焊接除了对于炸药的性能有着独特的要求外，还需要所用炸药易于摊铺。 板状炸药的尺寸由于是事先裁剪好的，所以不会出现摊铺不均匀的情况。 若能将炸药制成柔性平板状，可以较为方便地进行薄覆板的爆炸焊接。 本文中，研究了一种低密度柔性平板状炸药，以期能够应用在薄板的爆炸焊接中。

1 薄板爆炸焊接对炸药性能的要求

目前，对于超薄板材和脆性板材的爆炸焊接研究大多是采用水下爆炸焊接方法。 Manikandan等[9]利用水下爆炸焊接法进行钨箔与铜板的焊接，试验设置的钨箔厚度为0. 1 ～0. 5 mm，铜板为3 mm，当钨箔厚度为0.5 mm 时，获得了良好的焊接结果。 Narayan 等[10]在一个浸水的容器内利用水下爆炸焊接进行锡与铜的爆炸焊接，锡板和铜板的厚度均为0.5 mm，焊接质量良好。

在炸药的爆炸过程中，爆炸产物的初始压力可以表示为[11]

式中:ρ0为炸药的初始装药密度；D为炸药爆速；γ为多方指数。

炸药密度越低，其爆轰压力也就越低，这样就减少了炸药爆炸对于薄覆板的破坏和毁伤。 除了炸药爆轰对薄覆板的破坏以外，普通密度(如0.7 ～1.2 g/m3)的低爆速炸药实际是不可能进行薄覆板的焊接。 因为在爆炸焊接过程中，覆板与基板的碰撞速度是一个非常重要的参数，研究爆炸焊接中炸药爆轰驱动覆板运动速度的一维计算公式格尼(Gurney)公式[12]和Aziz 一维平板运动公式[13]可以发现，二者均可以表达为炸药爆速和单位面积上炸药与覆板的质量比R的函数，其形式为

式中:vp为覆板的碰撞速度；D为炸药爆速。

根据爆炸焊接窗口理论，爆炸焊接的顺利完成要求覆板的运动速度必须处于爆炸焊接碰撞速度的下限和上限之间。 又由文献[14]可以知道，为了获得更好的微波状焊接结合界面，需要尽量地减小碰撞速度vp，也就是当炸药爆轰驱动覆板运动速度等于爆炸焊接碰撞速度的下限时，可以得到更好的焊接效果。

单金属或两种相似金属爆炸焊接碰撞速度下限计算公式[15]为

式中:σb为金属材料的极限抗拉强度，Pa；ρ为金属材料的密度，kg/m3。

将式(2)与式(3)联立起来，得

在炸药的爆速与基、覆板参数确定的情况下，可以得出一个最小的质量比Rmin，即为最小装药质量比，也是最佳的装药质量比。

在确定最佳质量比的条件下分析薄板的爆炸焊接。Rmin是单位面积上的最佳布药质量与覆板质量的比值，在覆板厚度变小的同时，由于Rmin确定，覆板上布药的厚度或者炸药密度需要降低。 对于一定品种的炸药，药厚的最小值即为该种炸药能够发生稳定爆轰的临界厚度。 若药厚小于临界厚度，则炸药不能正常起爆。 炸药的厚度受到该种炸药临界厚度的约束，不能无限制地减小。 若所用炸药的密度低，单位面积的炸药质量也就更低，也就对应着更小的覆板厚度。 因此，低密度炸药用于薄板的爆炸焊接，既可降低对薄的覆板的毁伤，不需要采用繁琐的水下法进行焊接，又可以实现薄覆板的爆炸焊接。

2 新型柔性平板状炸药的制备

2.1 乳化基质的配方设计

根据零氧平衡来进行炸药配方设计[16-17]。 原材料为硝酸铵、硝酸钠、尿素、水、机油和 Span80。对于有多种组分的混合炸药，其氧平衡COB计算式[18]如下:

式中:hi为混合炸药中各组分的氧平衡；Hi为混合炸药中各组分的质量分数。

采用一种零氧平衡的乳胶基质配方，按照m(硝酸铵)∶m(硝酸钠)∶m(尿素)∶m(水)∶m(机油)∶m(Span80) =72.1∶10.0∶1.0∶11.0∶3.9∶2.0 配置乳胶基质。 乳胶基质的制备流程如图1 所示。

2.2 柔性平板状炸药的制备

由图1 所示的步骤制备得到乳化基质。 将乳化基质与泡沫树脂混合，得到一种如图2 所示的柔性平板状炸药。

图1 乳胶基质制备流程图Fig.1 Preparation process of emulsion matrix

图2 柔性平板状炸药Fig.2 Flexible plate explosive

尝试了5 种乳化基质与泡沫树脂的质量比制备柔性平板状炸药，每种配方下炸药的密度如见表1。

表1 5 种配方下炸药的密度Tab.1 Density of five explosives

3 性能测试及分析

3.1 临界厚度

柱状炸药爆轰存在直径效应，最小可爆轰直径就是临界直径。 类似地，对于平板装药也存在着临界厚度[19]。 试验中，在炸药样品下方垫上一块铝板后引爆炸药样品。 若炸药可以正常爆轰，则会在下方的铝板上留下痕迹。 通过改变炸药样品的厚度，观察该厚度下炸药样品能否正常爆轰，即可确定该炸药的临界厚度。 选取密度为0.23 g/cm3和0.19 g/cm3的炸药样品来进行临界厚度的试验，制备的炸药样品长、宽分别为200、100 mm，厚度有16、17、18 mm 3 种，每种厚度及密度的炸药样品进行3 次试验。 不同厚度炸药样品爆轰情况的试验结果如表2 所示。

表2 不同厚度及密度的平板状炸药爆轰情况Tab.2 Detonation behavior of flat explosive with different thickness and density

垫板上的炸药爆炸后，产生高压，垫板背部与钢制底座上的沙土相互挤压摩擦会产生明显的压痕，压痕如图3 所示。

图3 垫板上的压痕Fig.3 Indentation on the plate

若垫板上有明显的压痕，压痕长度与垫板上炸药样品长度相近，则可以证明该炸药在此种密度和厚度的条件下可以完全爆轰。

由表2 可以看出，炸药厚度为18 mm 时能够稳定爆轰，所以初步判断，此种柔性平板状炸药的临界厚度为18 mm。

3.2 临界密度

炸药的临界密度是指在一定的条件下炸药能够稳定爆轰的最小密度[20]，判定是否爆轰的方法同3.1。 选择炸药样品的厚度为20 mm，长、宽同样选择为200、100 mm，每种密度的炸药样品试验3 次，试验结果见表3。

表3 柔性平板状炸药临界密度测试Tab.3 Critical density test of flexible flat explosive

由表3 可以看出，该柔性平板状炸药的临界密度约为0.17 g/cm3。

3.3 爆速

采用爆速仪测定炸药的爆速，实验中选用炸药样品的长、宽分别为500、100 mm，厚度为20 mm。 测试不同密度炸药样品的爆速，结果见表4。

表4 炸药爆速测试结果Tab.4 Test results of detonation velocity

根据表4 试验结果可以看出:该柔性板状炸药在临界密度时的爆速约为1 678 m/s；随着密度的增加，爆速增加；当密度为0.20 g/cm3时，爆速约为2 100 m/s；在密度为0.23 g/cm3时，爆速约为2 149 m/s。 依据爆炸焊接的理论和技术[4]，此爆速范围能够适用于大部分金属的爆炸焊接。

以炸药密度为0.20 g/cm3的样本为例，对该种柔性平板状炸药的爆炸参数进行理论计算。 利用盖斯定律计算炸药爆热；利用卡姆莱特公式计算爆速和爆压；利用卡斯特热容法计算爆温；利用约翰逊的威力摆经验公式[21]计算炸药的做功能力。 理论计算的结果见表5。

表5 柔性平板炸药爆炸参数理论计算值Tab.5 Theoretical calculation of explosive parameters of flexible flat explosive

3.4 薄板焊接厚度分析

为了能研制出一种适用于用传统方法进行薄板焊接的炸药，选择密度较低的泡沫树脂为载体，与配置好的乳化基质进行物理混合，得到密度为0.17 ～0.23 g/cm3的低密度柔性平板状炸药。 经上述试验，确定炸药的临界密度为0.17 g/cm3，临界厚度为18 mm，在该密度和厚度的条件下，炸药能够完全爆轰。 对于几种常见金属间(如铝-钢、钛-钢、铜-钢)的爆炸焊接，根据金属板材的材料特性参数以及炸药性能参数，利用上述方法可以计算得到这几种常见金属的爆炸焊接覆板，最小厚度约在1.0 mm。 而普通的低爆速炸药，若密度为0.6 g/m3，临界厚度为20 mm，覆板可焊接最小厚度为1. 5 mm 以上。相比之下，采用平板状炸药，可以焊接更薄的覆板。

4 结论

1)将硝酸铵、硝酸钠、尿素、水、机油、Span80 等乳化后与泡沫树脂物理混合，得到一种柔性平板状炸药。

2)柔性平板状炸药的临界密度为0.17 g/cm3，临界厚度为18 mm；柔性平板状炸药在0.17 g/cm3时的爆速约为1 678 m/s，在0.20 g/cm3时的爆速约为2 100 m/s。

3)理论分析表明，该柔性平板状炸药在薄板的爆炸焊接中有其优势。