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1、爆炸焊接的钛钢复合材料的组织与性能（陕西航空职业技术学院）引言爆炸焊（explosive welding,简称EXW）是一种固态焊接，它是以炸药为能源，利用炸药爆炸时产生的冲击波使两层或多层同种或异种材料高速倾斜碰撞、而焊合在一起的方法。由于这种方法的动力学特点，在焊接界面上产生局部高温和高压，温度和塑性变形的共同作用而能够使界面结合处的强度等于或大于母体金属的的强度。爆炸焊最早是由卡尔（L.R.Carl）在1944年首先提出来的。他再一次炸药的爆炸试验中，偶尔发现很小的两片黄铜，由于受到爆炸的冲击而焊合在一起了，于是他提出了利用爆炸和超声波技术把金属焊接在一起的设想。十几年后，美国的菲利普杰
2、克（V.Philipchuk）第一次把爆炸焊技术引入到实际工业中。我我国对爆炸寒的研究始于20世纪60年代，1968年大连造船厂试制成功了国内第一块爆炸焊复合板；此后西北有色金属研究院、洛阳船舶材料研究所开展了爆炸焊制备复合材料的工艺研究，随之投入了实际应用；大连理工大学、中科院力学所展开了爆炸焊冲击力学的研究；中南大学开展了爆炸复合材料物理冶金（如界面问题、材料动态行为等）的研究以及新型爆炸复合材料的研制。河南科技大学与河南省耐磨材料工程技术研究中心进行了陶瓷与普通碳钢的爆炸焊实验，并取得了很好的效果。爆炸韩能是物理性能（熔点、热膨胀特性、硬度等）有明显差异、用普通焊接方法无法实现焊接的金属
3、焊合在一起，并且能获得高强度的焊接接头，从从而引起工业界的极大兴趣。到1970年，文献已报导了260种以上由同种或异种金属组合的成功焊接实例，近十年中，这方面的报导又有所增加。爆炸焊方法的早期研究主要是针对平面焊接以及包覆，但是爆炸焊的商业应用价值使这一技术扩展到管道衬层、曲面包覆、管子对接焊、过渡管接头焊接以及许多其他方面的应用。自20世纪80年代以来，爆炸焊的理论和实验技术得到了长足的发展，特别是在应用技术上有了创新，在化工、石油、制药、造船、军事，甚至核工业、航空航天等领域都有广泛应用。爆炸焊的过程爆炸焊是一个动态的过程，当两金属板以一定的角度相对碰撞时产生很大的压力，这种压力将大大超过
4、金属的动态屈服极限，因而碰撞区产生了急剧的塑性变形，同时伴随着剧烈的热效应。此时，碰撞面金属板的物理性质类似与流体，这样在两金属板的内表面将形成两股运动方向相反的金属喷射流。一股是在碰撞点前的自由射流向未结合的空间高速喷出，它冲刷了金属内表面的表面膜，使金属，使金属露出了有活性的清洁表面，为两种金属的结合提供条件；另一股是在碰撞点之后的凸角射流，它被凝固在两金属板之间，形成两金属的冶金结合。爆炸焊的特点爆炸焊有以下优点：爆炸焊不仅可以在同种金属而且可以在异种金属之间形成高强度的冶金结合焊缝。例如Ta、Zr、Ti、Pb等与碳钢、合金钢、不锈钢的焊接，由于两种材料的物理性能相差很大，用一般焊接方法
5、很难实现焊合，但是用爆炸焊法则很容易实现。可以焊接的尺寸范围很宽，可焊面积可以小到几平方厘米，也可大到十几平方米。爆炸焊时，若基板固定不动，则其厚度不受限制；复板的厚度为0.0332mm，即包复比很高。可以进行双层、多层复合板的焊接，也可用于各种金属的对接、搭接与点焊。爆炸焊工艺比较简单，不需要复杂设备，能源丰富，投资少，应用方便。爆炸焊不需要填充金属，结构设计采用复合板可以节约贵重的稀缺金属。焊接表面不需要很复杂的清理，只需去除较厚的氧化物、氧化皮和油污。爆炸焊材料性能优良、成本低廉，现已成功地研究了上百种爆炸焊材料，并在工业工程领域得到了非常广泛的应用。爆炸焊还存在如下几方面的问题：爆炸焊
6、大多在野外、露天进行，机械化程度低，劳动条件差，并受气候条件限制。爆炸时所产生的噪声和气浪对周围环境有一定影响，虽然可以进行水下、真空中或埋在沙子下进行爆炸，但要增加一定成本。爆炸焊需要大量的炸药、雷管等爆炸物品，本身具有一定的危险性。被焊金属材料必须具有足够的韧性和抗冲击能力以承受爆炸力的剧烈碰撞，虽然可以对焊接材料进行加热或冷却，使材料韧性提高后再实施热态爆炸或冷态爆炸焊，但要增加成本。 钛钢复合板的爆炸焊 钛具有比重小、强度高、耐腐蚀和高低温性能好等诸多优点，是航空、航海、航洋、化工、电力和冶金方面重要的结构材料。钛钢复合板不仅能成倍的降低成本，而且可以克服单一钛结构的许多缺点。用钛钢复
7、合板制造的设备，内层钛耐腐蚀，外层钢有高温度，两者复合，具有良好的导热性，可以在更苛刻的环境下工作。目前，钛钢复合板在石油化工和压力容器中已有越来越多的应用。（1） 钛钢复合板爆炸焊的工艺安装和工艺参数 大面积钛钢复合板爆炸焊的工艺安装方法，与大面积不锈钢钢复合板爆炸焊的工艺安装方法相同。通常钛做复板，钢做基板。常用大面积和大厚钛钢复合板爆炸焊部分工艺参数如表1和表2所示。可以根据复合板的大小和厚度选择合适的工艺参数。一般，在批量生产前，要先用小板进行试验，以确定最佳的工艺参数。表1 大面积钛钢复合板爆炸焊工艺参数No钛，尺寸/mm钢，尺寸/mm炸药品种装药量/（gcm-）两板间距/mm保护层
8、起爆方式1TA1,3x1100x260015MnV,18x1100x2600TNT1.7537沥青+钢板短边引出三角形2TA5，2x1080x1760902,8x1060x1740TNT1.4510沥青+钢板短边延长300mm3TA5，2x1080x213013SiMnV，6x1060x2100TNT1.4510沥青+钢板短边延长300mm4TA1，5x1800x1800Q235，25x1800x1800TNT1.5320沥青3mm短边中部起爆5TA2，3x200x2030Q235，20x2000x2030TNT1.5325沥青3.6mm短边中部起爆6TA1，5x2050x205018MnMo
9、Nb，35x2050x20502#2.82048沥青3.5mm短边中部起爆7TA1，2800x514MnMoV， 2800x652#2.6540沥青4mm短边中部起爆8TA1，5x2850x285014MnMoV，75x2850x28502#2.5510沥青4mm短边中部起爆9TA1，5x2000x200018MnMoNb，35x2000x2002#2.61010沥青3mm短边中部起爆10TA1，5x2850x285014MnMoV，65x2850x28502#2.02.5520沥青3mm短边中部起爆11TA1，5x2000x200018MnMoNb，35x2000x20002#2.52.81
10、020沥青3mm短边中部起爆12TA2，1x1000x2000Q235，14x1000x200025#1.910黄油中部起爆13TA2，2x1000x1500Q235，20x1000x150025#1.53黄油中部起爆14TA2，2x1000x2000Q235，20x1000x200025#2.14黄油中部起爆15TA2，3x1500x300020g，25x1500x300025#2.26水玻璃中部起爆16TA2，4x1500x300016Mn，35x1500x300025#2.48水玻璃中部起爆17TA2，5x1500x300016MnR，35x1500x300025#2.610水玻璃中部起
11、爆18TA2，6x1500x300016MnR,50x1500x300025#2.812水玻璃中部起爆表2 大厚钛钢复合板爆炸焊工艺参数No钛，尺寸/mm钢,尺寸/mm炸药品种装药厚度/mm两板间距/mm保护层引爆1TA1,10x700x1080Q235,75x670x105025#4412黄油+辅助药包,中心起爆2TA2,10x690x1040Q235,70x650x100042#3512水玻璃3TA2,10x730x1130Q235，83x660x105042#4012黄油4TA2,Q235，70x650x100025#5112水玻璃5TA2,Q235，60x570x105025#5513
12、黄油6TA2,16Mn,80x1500x30025#4014水玻璃7TA2,16MnR,100x1500x300025#5014水玻璃注：表中+为再爆点处装药量的增加量。（2） 钛钢爆炸焊复合板结合区的组织钛钢爆炸焊复合板结合区的组织形态如图1、图2所示。由图可知，钛钢爆炸焊复合板结合区通常为波状形状，并且爆炸工艺参数的不同，会引起波形高低，长短的变化。另外，钢侧通常有金属的塑性流变带，而钛侧经常出现绝热剪切带，即金属飞溅。图1 钛-钢爆炸焊复合板结合区的组织形态钢侧， 图2 太钢爆炸焊复合板结合区的组织形态， 钛侧可见飞线（TNT炸药）钢侧可见塑性流变带 钢侧可见塑性流变带（2#炸药） （3
13、）钛-钢爆炸焊复合板的力学性能表3表6给出了几种不同状态钛-钢爆炸焊复合板的力学性能，这些性能指标满足一般实用要求。对于有特出要求的，可以通过调整焊接工艺参数实现。钛-钢爆炸复合钢板的剪切强度如表3所示，不同状态的钛-钢复合板的剪切强度和分离强度如表4所示，不同组合的钛-钢爆炸焊复合板的剪切强度如表5所示，钛-钢爆炸焊复合板的力学性能如表6所示。表3 钛-钢爆炸复合钢板的剪切强度材料及尺寸/mm距起爆点距离/mm界面情况拉剪强度/MPa钛（Contimet30）钢（2+6）x1250x25002直线形界面14719612清晰的波形界面2352941乱波界面176245表4 不同状态的钛-钢复合
14、板的剪切强度和分离强度类 别拉剪强度/MPa弯曲强度/MPa状 态爆炸态退火态爆炸态退火态数 据261190250186表5 不同组合的钛-钢爆炸焊复合板的剪切强度组 合TA1-Q235TA2-Q235TA1-18MnMoNbTA2-18MnMoNbTA2-16MnCu拉剪强度/MPa342341448390421表6 钛-钢爆炸焊复合板的力学性能状态复合板及尺寸/mm拉剪强度/MPa冷弯180HV覆层/粘接层/基层内弯外弯爆炸态TA2-Q235,(3+10)x110x1100397良好断裂347/946/279退火态TA2-20g,(5+37)x900x1800191良好良好215/986/160注：退
