繆廣紅，馬宏昊，沈兆武，余 勇

(1.安徽理工大學(xué)理學(xué)院，安徽 淮南 232001； 2.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)近代力學(xué)系，安徽 合肥 230027)

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不銹鋼-普碳鋼的雙面爆炸復(fù)合

繆廣紅1,2，馬宏昊2，沈兆武2，余 勇2

(1.安徽理工大學(xué)理學(xué)院，安徽 淮南 232001； 2.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)近代力學(xué)系，安徽 合肥 230027)

為了解決現(xiàn)行爆炸復(fù)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(zhì)量的蜂窩結(jié)構(gòu)炸藥，并將該蜂窩結(jié)構(gòu)炸藥應(yīng)用于一次起爆可復(fù)合二塊復(fù)合板的雙面爆炸復(fù)合技術(shù)。進(jìn)行了7 mm厚的蜂窩結(jié)構(gòu)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(fù)合實(shí)驗(yàn)；并計(jì)算得到了復(fù)板碰撞速度的上下限及2組實(shí)驗(yàn)中復(fù)板的碰撞速度。由于受到蜂窩材料和雙面復(fù)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(shí)仍可以穩(wěn)定爆轟。研究結(jié)果表明：和現(xiàn)行的單面爆炸復(fù)合相比，在復(fù)合相同數(shù)量復(fù)合板的情況下，采用蜂窩結(jié)構(gòu)炸藥的雙面爆炸復(fù)合技術(shù)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(jì)算與實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致性較好。

爆炸力學(xué)；雙面爆炸復(fù)合；蜂窩結(jié)構(gòu)炸藥；不銹鋼；Q235鋼；能量利用率

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

本文中結(jié)合一種保證裝藥質(zhì)量的蜂窩結(jié)構(gòu)炸藥，在現(xiàn)行平行式裸露裝藥的爆炸復(fù)合結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，在裸露裝藥上方平行對(duì)稱的加上一組待復(fù)合的復(fù)板和基板，采用一次起爆復(fù)合二塊復(fù)合板的雙面爆炸復(fù)合方法，以不銹鋼板和Q235鋼板為研究對(duì)象進(jìn)行雙面爆炸復(fù)合試驗(yàn)，并通過理論計(jì)算得到爆炸復(fù)合窗口及復(fù)板的碰撞速度，預(yù)測(cè)雙面爆炸復(fù)合的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

1 實(shí)驗(yàn)材料及參數(shù)的計(jì)算

1.1 基復(fù)板材料

實(shí)驗(yàn)選擇3 mm厚的304不銹鋼作為復(fù)板，16 mm厚的Q235普碳鋼作為基板。表1中列出了復(fù)合材料的力學(xué)性能，其中：ρ為密度，σ為極限強(qiáng)度，c為聲速。

表1 爆炸復(fù)合材料的主要力學(xué)性能

1.2 蜂窩結(jié)構(gòu)炸藥

本文中選用與黃蜂蜂窩結(jié)構(gòu)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(fù)合專用的蜂窩結(jié)構(gòu)炸藥，如圖2所示。藥高由蜂窩材料的厚度直接控制。爆炸復(fù)合采用如圖3所示的雙面爆炸復(fù)合方法布置。黃蜂蜂窩結(jié)構(gòu)為自然界中最穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)之一，由于受到結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的蜂窩材料和雙面復(fù)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(duì)蜂窩結(jié)構(gòu)炸藥在雙面爆炸復(fù)合中的臨界厚度進(jìn)行測(cè)試，得到炸藥厚度為3和4 mm時(shí)，爆轟可分別傳至距起爆端10和17 cm處，在厚度為5 mm時(shí)，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(yīng)用空間。

圖3 雙面爆炸復(fù)合結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of double sided explosive cladding

利用滑移爆轟下復(fù)板的一維格尼(Gurney)公式[6]計(jì)算復(fù)板的碰撞速度：

(1)

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

單面復(fù)合爆炸中，r2=0，復(fù)板碰撞速度計(jì)算公式為：

(2)

式中：vs為復(fù)板獲得的速度，r單位面積上炸藥與復(fù)板的質(zhì)量比。

雙面爆炸復(fù)合中，上下側(cè)的復(fù)板完全相同，則質(zhì)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(fù)合的碰撞速度是單面爆炸焊接的1.59倍，為達(dá)到相同的碰撞速度，雙面爆炸復(fù)合的炸藥量更少。

1.3 雙面爆炸復(fù)合窗口的理論計(jì)算

由爆炸復(fù)合理論可知，爆炸復(fù)合參數(shù)主要有3個(gè)：復(fù)板碰撞速度、動(dòng)態(tài)碰撞角、爆速。而這3個(gè)參數(shù)之間又滿足一定的幾何關(guān)系。因此，3個(gè)變量中只有2個(gè)變量是獨(dú)立的。下面以復(fù)板的碰撞速度和炸藥爆速為設(shè)計(jì)參量進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)算。

(1) 最小復(fù)板碰撞速度的計(jì)算。

采用等效正碰撞激波模型，最小復(fù)板碰撞速度計(jì)算公式為[7]：

(5)

式中：cf為復(fù)板中的聲速；ρf為復(fù)板材料的密度；pmin為實(shí)現(xiàn)復(fù)合所需的最小沖擊壓力，對(duì)于不銹鋼Q235的復(fù)合，可取pmin=4.5 GPa。結(jié)合式(5)和表1計(jì)算可得vmin=197 m/s。

(2) 最大復(fù)板碰撞速度的計(jì)算。

采用H.K.Wylie等[8]提出的最大復(fù)板碰撞速度計(jì)算公式：

(6)

式中：df為復(fù)板厚度；e為材料在可焊條件下，復(fù)板單位面積所具有的最大能量。對(duì)于不銹鋼/鋼的復(fù)合，取e=7.54 MJ/m2，實(shí)驗(yàn)中復(fù)板厚度為3 mm，由(6)式計(jì)算vmax=798 m/s。

(3) 炸藥爆速的選擇。

碰撞射流形成的理論駐點(diǎn)壓力須遠(yuǎn)大于材料強(qiáng)度，使材料表面達(dá)到流動(dòng)狀態(tài)，順利形成金屬射流。這一限制規(guī)定了平行復(fù)合時(shí)的碰撞點(diǎn)移動(dòng)速度vp須達(dá)到最小值vp,min，該最小值稱為流動(dòng)限。Ezra等認(rèn)為碰撞點(diǎn)壓力應(yīng)大于材料靜強(qiáng)度的10～12倍，爆炸復(fù)合的碰撞才進(jìn)入流動(dòng)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(dāng)碰撞點(diǎn)移動(dòng)速度vp大于材料的體積聲速時(shí)，射流就不可能產(chǎn)生。所以為了保證形成射流，vp一般不應(yīng)大于材料聲速的1.2倍，最好是小于材料聲速。聲速限的計(jì)算公式為[9]：

(8)

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

2 雙面爆炸復(fù)合實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)中選擇3 mm厚的不銹鋼板為復(fù)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(fù)合裝置深埋于砂土中，實(shí)驗(yàn)共分2組。表2列出了2組實(shí)驗(yàn)的參數(shù)，其中：h為間隙；d為炸藥厚度；l1f、l2f、l3f分別為復(fù)板3個(gè)方向上的尺寸；l1b、l2b、l3b分別為基板3個(gè)方向上的尺寸。

表2 爆炸復(fù)合材料的主要力學(xué)性能

利用(3)式對(duì)雙面復(fù)合結(jié)果進(jìn)行預(yù)測(cè)。由于沒有乳化炸藥的格尼能e0數(shù)據(jù)，利用e0≈0.6Qv計(jì)算該參數(shù)[10]，Qv為炸藥爆熱。乳化基質(zhì)組分的相關(guān)數(shù)據(jù)列于表3，其中w為質(zhì)量分?jǐn)?shù)，利用文獻(xiàn)[11]的計(jì)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(zhì)量比，計(jì)算得到二組復(fù)板的碰撞速度：v1=898 m/s,v2=787 m/s。

表3 乳化基質(zhì)的組分

由2組復(fù)板的碰撞速度可以看出，僅第2組復(fù)板的碰撞速度落在爆炸復(fù)合窗口內(nèi)。按照表2中的工藝參數(shù)進(jìn)行爆炸復(fù)合實(shí)驗(yàn)。由于爆炸復(fù)合裝置深埋在砂土中，炸藥兩側(cè)的基復(fù)板所受到的約束情況一致，爆炸復(fù)合質(zhì)量相對(duì)也是一致的，所以任取2塊復(fù)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(fù)合板經(jīng)線切割所取試樣的金相圖。

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

圖5 第2組爆炸復(fù)合板界面單個(gè)波形Fig.5 Single interface wave of sample experiment 2

第1組實(shí)驗(yàn)中，由一維格尼公式計(jì)算得到的復(fù)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(shí)驗(yàn)結(jié)果為2塊復(fù)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(fù)合上限，對(duì)應(yīng)的爆炸復(fù)合能量也就過大，復(fù)合界面沉積的熱量過高，爆炸復(fù)合結(jié)束后界面仍處于熱軟化狀態(tài)，反射的稀疏波就會(huì)拉開復(fù)合界面，造成爆炸復(fù)合失效，即造成復(fù)板與基板的分離。

第2組實(shí)驗(yàn)中，由一維格尼公式計(jì)算得到的復(fù)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(jié)合質(zhì)量較好。圖4所示結(jié)合界面為波長為95～120 μm、波高為25～35 μm連續(xù)的波狀結(jié)合界面。圖5是放大的單個(gè)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(jié)合界面熔化量較小。一般認(rèn)為爆炸復(fù)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(jié)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(jié)合和大(小)波狀結(jié)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(jié)合的第2組爆炸復(fù)合具有較高的結(jié)合強(qiáng)度。

由第2組實(shí)驗(yàn)可以看出，本文中所使用的高爆速炸藥，可以滿足爆炸復(fù)合的要求，爆炸復(fù)合產(chǎn)生了結(jié)合強(qiáng)度較高的微波狀的結(jié)合界面。與傳統(tǒng)的爆炸復(fù)合所用的低爆速炸藥相比，爆速越高所對(duì)應(yīng)的爆轟壓力和爆炸產(chǎn)物的能量也就越高，提供給復(fù)板的加速度就越大，為使復(fù)板達(dá)到與使用的低爆速炸藥產(chǎn)生相同的碰撞速度，所用的炸藥量相對(duì)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(fù)合時(shí)，炸藥厚度應(yīng)至少為14～16 mm，且一次起爆僅得到一塊復(fù)合板。該7 mm厚的蜂窩結(jié)構(gòu)炸藥用于雙面爆炸復(fù)合時(shí)，一次起爆可復(fù)合2塊復(fù)合板，在復(fù)合相同數(shù)量復(fù)合板的情況下，炸藥使用量減少了77%。

3 結(jié) 論

(1) 雙面爆炸復(fù)合方法中兩復(fù)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(shí)，仍能穩(wěn)定爆轟；雙面爆炸復(fù)合使炸藥爆炸產(chǎn)生的能量絕大部分用于材料的復(fù)合，對(duì)于不銹鋼/鋼的復(fù)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(chǎn)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(hù)。

(2) 實(shí)驗(yàn)中選用的是高爆速炸藥，爆速越高，對(duì)應(yīng)的爆轟壓力和爆炸產(chǎn)物的能量越高，提供給復(fù)板的加速度也就越大，復(fù)板達(dá)到與使用的低爆速炸藥產(chǎn)生相同的碰撞速度時(shí)所用的炸藥量也就相對(duì)越少。

(3) 針對(duì)不銹鋼/Q235鋼進(jìn)行的雙面爆炸復(fù)合實(shí)驗(yàn)，爆炸復(fù)合界面的結(jié)合形態(tài)中均勻細(xì)小的微波狀結(jié)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(jié)合強(qiáng)度，結(jié)果表明雙面爆炸復(fù)合切實(shí)可行。

(4) 所采用的爆炸復(fù)合參數(shù)計(jì)算準(zhǔn)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(jì)算了復(fù)板的碰撞速度，不銹鋼/Q235鋼的爆炸復(fù)合實(shí)驗(yàn)表明，計(jì)算能較好的預(yù)測(cè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

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(責(zé)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(xué)基金項(xiàng)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(biāo)學(xué)科代碼： 13035

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