繆廣紅，馬宏昊，沈兆武，余 勇

(1.安徽理工大學理學院，安徽 淮南 232001； 2.中國科學技術大學近代力學系，安徽 合肥 230027)

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不銹鋼-普碳鋼的雙面爆炸復合

繆廣紅1,2，馬宏昊2，沈兆武2，余 勇2

(1.安徽理工大學理學院，安徽 淮南 232001； 2.中國科學技術大學近代力學系，安徽 合肥 230027)

為了解決現(xiàn)行爆炸復合裝藥方式落后及炸藥爆炸的能量利用率極低的問題，使用了一種保證裝藥質量的蜂窩結構炸藥，并將該蜂窩結構炸藥應用于一次起爆可復合二塊復合板的雙面爆炸復合技術。進行了7 mm厚的蜂窩結構炸藥用于3 mm厚的不銹鋼板和16 mm厚的Q235鋼板的雙面爆炸復合實驗；并計算得到了復板碰撞速度的上下限及2組實驗中復板的碰撞速度。由于受到蜂窩材料和雙面復板的多向約束，炸藥的臨界厚度顯著降低，乳化炸藥在5 mm厚度時仍可以穩(wěn)定爆轟。研究結果表明：和現(xiàn)行的單面爆炸復合相比，在復合相同數(shù)量復合板的情況下，采用蜂窩結構炸藥的雙面爆炸復合技術中，炸藥的使用量節(jié)省了77%，炸藥的能量利用率得到顯著提高；計算與實驗結果一致性較好。

爆炸力學；雙面爆炸復合；蜂窩結構炸藥；不銹鋼；Q235鋼；能量利用率

爆炸復合是利用炸藥爆炸瞬間產生的大功率能量，使被加工的復板材料產生塑性變形、運動、與基板撞擊、熔化并達到原子間結合的一種技術[1]。目前，僅利用炸藥一側能量的單面爆炸復合技術，已經進行了很多深入的計算和研究[2-4]。由于僅利用了炸藥一側的能量，所以大部分能量以沖擊波的形式釋放在空間，導致能量利用率極低；爆炸產生的噪聲，即使在5公里之外仍能達到80～90 db。該技術還存在如下問題：裝藥方式落后、工作量大，粉塵污染嚴重、損害操作人員身心健康，厚度和平整程度完全依靠經驗、無法保障炸藥的密度、均勻性和產品質量。

本文中結合一種保證裝藥質量的蜂窩結構炸藥，在現(xiàn)行平行式裸露裝藥的爆炸復合結構基礎上，在裸露裝藥上方平行對稱的加上一組待復合的復板和基板，采用一次起爆復合二塊復合板的雙面爆炸復合方法，以不銹鋼板和Q235鋼板為研究對象進行雙面爆炸復合試驗，并通過理論計算得到爆炸復合窗口及復板的碰撞速度，預測雙面爆炸復合的實驗結果。

1 實驗材料及參數(shù)的計算

1.1 基復板材料

實驗選擇3 mm厚的304不銹鋼作為復板，16 mm厚的Q235普碳鋼作為基板。表1中列出了復合材料的力學性能，其中：ρ為密度，σ為極限強度，c為聲速。

表1 爆炸復合材料的主要力學性能

1.2 蜂窩結構炸藥

本文中選用與黃蜂蜂窩結構類似的蜂窩鋁材料，如圖1所示。將炸藥(本文中所用炸藥為含5%玻璃微球的乳化炸藥)填充至蜂窩材料的空腔中，形成爆炸復合專用的蜂窩結構炸藥，如圖2所示。藥高由蜂窩材料的厚度直接控制。爆炸復合采用如圖3所示的雙面爆炸復合方法布置。黃蜂蜂窩結構為自然界中最穩(wěn)定的結構之一，由于受到結構穩(wěn)定的蜂窩材料和雙面復板的多向約束，炸藥的臨界厚度顯著降低。乳化炸藥在無約束情況下，臨界直徑為14～16 mm[5]。對蜂窩結構炸藥在雙面爆炸復合中的臨界厚度進行測試，得到炸藥厚度為3和4 mm時，爆轟可分別傳至距起爆端10和17 cm處，在厚度為5 mm時，炸藥可穩(wěn)定爆轟。這節(jié)約了炸藥量，并拓寬了乳化炸藥和其他炸藥的應用空間。

圖3 雙面爆炸復合結構Fig.3 Structure of double sided explosive cladding

利用滑移爆轟下復板的一維格尼(Gurney)公式[6]計算復板的碰撞速度：

(1)

式中：vd為兩側被拋擲金屬板的速度，r1、r2為單位面積炸藥的質量和復板的質量比，e0為格尼能。

單面復合爆炸中，r2=0，復板碰撞速度計算公式為：

(2)

式中：vs為復板獲得的速度，r單位面積上炸藥與復板的質量比。

雙面爆炸復合中，上下側的復板完全相同，則質量比r1=r2=r，因此：

(3)

在工藝參數(shù)相同的情況下：

(4)

取r=0.37，則有vd/vs=1.59。這說明，在工藝參數(shù)相同的情況下，雙面爆炸復合的碰撞速度是單面爆炸焊接的1.59倍，為達到相同的碰撞速度，雙面爆炸復合的炸藥量更少。

1.3 雙面爆炸復合窗口的理論計算

由爆炸復合理論可知，爆炸復合參數(shù)主要有3個：復板碰撞速度、動態(tài)碰撞角、爆速。而這3個參數(shù)之間又滿足一定的幾何關系。因此，3個變量中只有2個變量是獨立的。下面以復板的碰撞速度和炸藥爆速為設計參量進行相應的計算。

(1) 最小復板碰撞速度的計算。

采用等效正碰撞激波模型，最小復板碰撞速度計算公式為[7]：

(5)

式中：cf為復板中的聲速；ρf為復板材料的密度；pmin為實現(xiàn)復合所需的最小沖擊壓力，對于不銹鋼Q235的復合，可取pmin=4.5 GPa。結合式(5)和表1計算可得vmin=197 m/s。

(2) 最大復板碰撞速度的計算。

采用H.K.Wylie等[8]提出的最大復板碰撞速度計算公式：

(6)

式中：df為復板厚度；e為材料在可焊條件下，復板單位面積所具有的最大能量。對于不銹鋼/鋼的復合，取e=7.54 MJ/m2，實驗中復板厚度為3 mm，由(6)式計算vmax=798 m/s。

(3) 炸藥爆速的選擇。

碰撞射流形成的理論駐點壓力須遠大于材料強度，使材料表面達到流動狀態(tài)，順利形成金屬射流。這一限制規(guī)定了平行復合時的碰撞點移動速度vp須達到最小值vp,min，該最小值稱為流動限。Ezra等認為碰撞點壓力應大于材料靜強度的10～12倍，爆炸復合的碰撞才進入流動狀態(tài)[9]，即：

(7)

式中：系數(shù)a的取值范圍為4.47

聲速限限制了射流形成過程中的能量。當碰撞點移動速度vp大于材料的體積聲速時，射流就不可能產生。所以為了保證形成射流，vp一般不應大于材料聲速的1.2倍，最好是小于材料聲速。聲速限的計算公式為[9]：

(8)

式中：cmin為材料體積聲速；當材料不同時，取組合材料中體積聲速的最小值。在平行法爆炸復合中，碰撞點移動速度等于炸藥的爆速，所以炸藥爆速的應低于鋼中的聲速，即vD,max=5 200 m/s。

2 雙面爆炸復合實驗

實驗中選擇3 mm厚的不銹鋼板為復板，16 mm厚的Q235鋼為基板，所用炸藥爆速為4 900 m/s，雙面爆炸復合裝置深埋于砂土中，實驗共分2組。表2列出了2組實驗的參數(shù)，其中：h為間隙；d為炸藥厚度；l1f、l2f、l3f分別為復板3個方向上的尺寸；l1b、l2b、l3b分別為基板3個方向上的尺寸。

表2 爆炸復合材料的主要力學性能

利用(3)式對雙面復合結果進行預測。由于沒有乳化炸藥的格尼能e0數(shù)據，利用e0≈0.6Qv計算該參數(shù)[10]，Qv為炸藥爆熱。乳化基質組分的相關數(shù)據列于表3，其中w為質量分數(shù)，利用文獻[11]的計算方法，得到乳化炸藥的爆熱為2 966.84 kJ/kg。利用所得到的爆熱和表2中的質量比，計算得到二組復板的碰撞速度：v1=898 m/s,v2=787 m/s。

表3 乳化基質的組分

由2組復板的碰撞速度可以看出，僅第2組復板的碰撞速度落在爆炸復合窗口內。按照表2中的工藝參數(shù)進行爆炸復合實驗。由于爆炸復合裝置深埋在砂土中，炸藥兩側的基復板所受到的約束情況一致，爆炸復合質量相對也是一致的，所以任取2塊復合板中的一塊取樣做金相分析即可，圖4和圖5為第2組復合板經線切割所取試樣的金相圖。

圖4 第2組爆炸復合板界面波形Fig.4 Interface wave of sample experiment 2

圖5 第2組爆炸復合板界面單個波形Fig.5 Single interface wave of sample experiment 2

第1組實驗中，由一維格尼公式計算得到的復板碰撞速度為898 m/s，超過了可焊窗口的最大極限速度798 m/s，碰撞速度過高。實驗結果為2塊復板均與2塊基板分離，分析原因：由于碰撞速度已超過爆炸復合上限，對應的爆炸復合能量也就過大，復合界面沉積的熱量過高，爆炸復合結束后界面仍處于熱軟化狀態(tài)，反射的稀疏波就會拉開復合界面，造成爆炸復合失效，即造成復板與基板的分離。

第2組實驗中，由一維格尼公式計算得到的復板碰撞速度為787 m/s，未超過可焊窗口的最大極限速度798 m/s，因此結合質量較好。圖4所示結合界面為波長為95～120 μm、波高為25～35 μm連續(xù)的波狀結合界面。圖5是放大的單個波形圖，圖中A所指的波前渦與其他區(qū)域顏色不同，為極薄的熔化層，說明結合界面熔化量較小。一般認為爆炸復合具有3種形式的波狀界面[12]：微波、小波、大波，這里所得到的不銹鋼/Q235鋼結合界面與微波狀界面尺寸(波長一般在100 μm左右，波高在20 μm左右)基本一致。微波狀結合和大(小)波狀結合相比，幾乎沒有過渡區(qū)域、沒有縫隙和疏松狀的“空洞物”等缺陷，因此微波狀結合的第2組爆炸復合具有較高的結合強度。

由第2組實驗可以看出，本文中所使用的高爆速炸藥，可以滿足爆炸復合的要求，爆炸復合產生了結合強度較高的微波狀的結合界面。與傳統(tǒng)的爆炸復合所用的低爆速炸藥相比，爆速越高所對應的爆轟壓力和爆炸產物的能量也就越高，提供給復板的加速度就越大，為使復板達到與使用的低爆速炸藥產生相同的碰撞速度，所用的炸藥量相對也就越少。

乳化炸藥在無約束的情況下，臨界直徑為14～16 mm，因此用于現(xiàn)行的單面爆炸復合時，炸藥厚度應至少為14～16 mm，且一次起爆僅得到一塊復合板。該7 mm厚的蜂窩結構炸藥用于雙面爆炸復合時，一次起爆可復合2塊復合板，在復合相同數(shù)量復合板的情況下，炸藥使用量減少了77%。

3 結 論

(1) 雙面爆炸復合方法中兩復板和蜂窩鋁的多向約束，可以有效的降低炸藥穩(wěn)定爆轟的臨界直徑，乳化炸藥在厚度為5 mm時，仍能穩(wěn)定爆轟；雙面爆炸復合使炸藥爆炸產生的能量絕大部分用于材料的復合，對于不銹鋼/鋼的復合炸藥量節(jié)省了77%，以沖擊波的形式釋放在空間的能量明顯降低，爆炸產生的噪音得到控制，炸藥爆炸的能量利用率更高，節(jié)能減排有利于環(huán)境保護。

(2) 實驗中選用的是高爆速炸藥，爆速越高，對應的爆轟壓力和爆炸產物的能量越高，提供給復板的加速度也就越大，復板達到與使用的低爆速炸藥產生相同的碰撞速度時所用的炸藥量也就相對越少。

(3) 針對不銹鋼/Q235鋼進行的雙面爆炸復合實驗，爆炸復合界面的結合形態(tài)中均勻細小的微波狀結合，其波長為95～120 μm、波高為25～35 μm，由于縫隙較小、空洞較少具有較高的結合強度，結果表明雙面爆炸復合切實可行。

(4) 所采用的爆炸復合參數(shù)計算準確的描繪了不銹鋼/Q235鋼的可悍性窗口，并通過一維格尼公式計算了復板的碰撞速度，不銹鋼/Q235鋼的爆炸復合實驗表明，計算能較好的預測實驗結果。

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(責任編輯 王小飛)

Double sided explosive cladding of stainless steel and ordinary carbon steel

Miao Guang-hong1,2, Ma Hong-hao2, Shen Zhao-wu2, Yu Yong2

(1.SchoolofScience,AnhuiUniversityofScienceandTechnology,Huainan232001,Anhui,China; 2.DepartmentofModernMechanics,UniversityofScienceandTechnologyofChina,Hefei230027,Anhui,China)

In order to resolve the current issue about the backward method of charge and low energy efficiency of explosives, a kind of explosive with the structure of honeycomb is used to ensure the quality of the charge and is applied in double sided explosive cladding in which two plates can be combined in one explosion. A double sided explosive caldding experiment of stainless steel plates with the thickness of 3 mm and Q235 steel plates with thickness of 16 mm is carried out by using the explosive with the thickness of 7 mm. The explosive cladding window of the collision velocity is calculated as well as the collision velocity in two groups of the tests. The critical thichness of the explosive is remarkbly reduced with the explosive astricted by the honeycomb structure and the plates. The emulsion explosive with the thickness of 5 mm detonates stably. The result shows that, compared to the existing explosive cladding method, the consumption of explosives by using this method is reduced by 77% in the case of cladding the same number of combination plates. The calculation prefigure explosive cladding of stainless steel/Q235 steel exactly.

mechanics of explosion; double sided explosive cladding; explosives with structure of honeycomb; stainless steel; Q235 steel; energy efficiency

10.11883/1001-1455(2015)04-0536-05

2013-12-11；

2014-04-03

國家自然科學基金項目(51374189，51174183)

繆廣紅(1985- )，男，博士研究生； 通訊作者： 馬宏昊，hhma@ustc.edu.cn。

O389 國標學科代碼： 13035

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