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1、164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，因为爆炸焊接中产生的热量
2、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。165(c)平行-夹角安装法 (d) 双夹角安装法图 10.1 爆炸焊
3、接实施方法及过程图 10.2 多层爆炸焊接的两种方法166图 10.3 常见焊件布置、布药、介质条件、产品结构形式爆炸焊接按安装方式平行法角度法平行-角度法双角度法按布药形式一面布药两面布药一层布药获得两块复合板按 能 量 传 递 介 质在大气中进行大水中进行在低真空容器中进行按产品形式平 板外接法内覆法167168(a)(h) 搭接； (i)、(j) 对接图 10.4 爆炸焊搭接和对接接头形式169爆炸焊接适合于复合面连接，可焊面积范围为 6.5cm228m 2。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、
4、缝焊，适合于一些特殊过渡接头的焊接，如图 10.4 所示。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
5、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170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
6、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
7、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171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
8、，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 0.002 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
9、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拆除。172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%H 2SO4 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%HNO 3 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
10、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
11、。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、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 10.2173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
12、度（g/cm 3） 安装间距5 1/32/3t510 1/21t10 2/32t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 Vc、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 pmin10 a 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对 同 种 金 属对 异 种 金 属aabapEVV20)/1(min式中： a、 b两种金属密度，kg/m 3；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/mm 2。表 10.3 列
13、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)453(22REVp式中：R=m c/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。1742、碰撞点移动速度 Vc 取决于引爆速度和安装条件夹 角 安 装平 行 安 装)arcsin/si(DPpc VV式中：V p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
14、度。表 10.3 爆炸焊接的最低冲击速度Vpmin(m/s)金 属 组 合 密 度（ kg/m2）体 积 声 速（ m/s）假 设 屈 服 点（ N/mm2） 估算 实测 附 注Al+Al 2700 6400 35 416061Al+6061Al 2700 6400 276 319 270 覆板厚 6.35mmCu+Cu 8960 4900 150 68 200130240覆板厚 1.1mm90 连接极限值120 低碳钢+不锈钢125 覆板厚25mm165 覆板厚 10mm钢+钢 7870 6000 200 85130 覆板厚 10mm钛 115+钛1154500 6100 250 182 2
15、20钼+钼 10200 6400 400 123Al+Ti 270045006400610035250236Al+钢 27007870640060003520035470158372 460 覆板厚 3mmTi+钢 4500787061006000250200144 200 覆板厚 3mmNi+钢 890078705800600015020081 200 覆板厚 3mm1753、动态碰撞角 d 按下式求得 夹 角 安 装平 行 安 装DPpdVarcsini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 21K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 1.0铜及铜合金 1.5铝及铝合金钢或不锈钢 2.0低强度钢 1.3中
