爆炸焊接复合材料

爆炸焊接和爆炸复合材料金属爆炸焊接是介于金属物理学、爆炸物理学和焊接工艺学之间的一门边缘学科，爆炸焊接又是用炸药作能源进行金属间焊接和生产金属复合材料的一种很有实用价值的高新技术。

它的最大特点是在一瞬间能将相同的、特别是不同的和任意的金属组合，简单、迅速和强固地焊接在一起。

它的最大用途是制造大面积的各种组合、各种形状、各种尺寸和各种用途的双金属及多金属复合材料。

1 爆炸焊接的过程将炸药、雷管、覆板和基板在基础（地面）上安装起来。

当置于覆板之上的炸药被雷管引爆后，炸药的爆炸化学反应经过一段时间的加速便以爆轰速度在覆板上传播。

随着爆轰波的高速推进和爆炸产物的急骤膨胀，炸药化学能的大部分便转换成高速运动的爆轰波和爆炸产物的动能。

随后该动能的一部分传递给覆板，从而推动覆板向基板高速运动。

在两板之间的空气迅速和全部排出的同时，覆板和基板随即在接触点上依次发生撞击。

在这个过程中，在两板间的接触面上，借助波的形成，一薄层金属由于倾斜撞击和切向应力的作用而发生强烈的塑性变形。

在此过程中又借助于金属塑性变形的热效应将覆板高速运动的动能的90％～95％转换成热能。

如此大量的热能在近似绝热的情况下促使塑性变形后的金属的温度升高。

当此温度达到其熔点以后，就会使紧靠界面的一薄层塑性变形的金属发生熔化。

剩余的热能还会使部分塑性变形的金属发生回复和再结晶，并使双金属整体的温度升高。

由金属物理学的原理可知，在爆炸焊接过程中，由于不同金属间的高的浓度梯度，界面上的高压、高温和高温下金属的塑性变形及熔化等条件的存在及其综合作用，必然导致基体金属原子间的相互扩散。

这样，当界面上那一薄层塑性变形的和熔化了的金属迅速冷凝后，便在界面上形成了包括金属塑性变形特征、熔化特征和原子间相互扩散特征的结合区。

此结合区就是2种金属之间的焊接过渡区，亦称焊接接头。

众所周知，爆炸焊接双金属的结合区在一般和正常的情况下还具有波形特征（图2）。

此波形的形成与爆炸载荷在金属中和界面上的波动传播有关，并且不同强度和特性的金属材料，在不同强度和特性的爆炸载荷作用下，发生不同强度和特性的相互作用──冲击碰撞，便在结合界面上形成不同形状和参数（波长、波辐和频率）的波形。

有关于爆炸焊接与爆炸复合材料的探讨作者：刘春娟来源：《科技资讯》 2012年第35期刘春娟(中电投宁夏能源铝业集团公司检修分公司宁夏吴忠 751603)摘要:本文主要论述了金属材料爆炸焊接在实际应用中的特点与性能,并分析了采用爆炸焊接方法生产出的复合材料的使用价值和品种类型,同时预测了该项技术与材料的发展空间,以期能够为相关的理论研究提供些许参考意见。

关键词:爆炸焊接复合材料性能应用中图分类号:T46 文献标识码:A 文章编号:1672-3791(2012)12(b)-0074-01爆炸焊接,顾名思义,就是利用爆炸技术进行的材料之间的焊接,使用的能源就是炸药,可以在最短的时间内把同一种类、不同种类的金属焊接在一起,且速度非常快,焊接的效果非常牢固,它经常用于制造面积较大的双金属材料,在多金属复合材料的生产工艺中也广泛使用。

1 爆炸焊接的具体程序爆炸焊接时要按照一定的步骤进行才能保证焊接的质量。

例如要焊接一块钛板和一块钢板,要先将钛板和钢板进行支撑,中间留有一定的距离,将炸药均匀放置在腹板表面,引爆炸药之后复板以极快的速度朝着基板进行倾斜撞击,借助这种撞击的力度使复板之间原来拥有的动能迅速地迸发出来,在撞击的表面上形成一种焊接能,使两种金属牢固的连接在一起。

该过程包含有化学反应和物理反应两种过程,当复板和基板在高温、高压、高速与瞬时撞击的情况下发生反应,在接触面上实际上就是完成了一个冶金的过程。

当钛板和钢板待焊面上一薄层的金属产生塑性变形的时候,同时会发生金属间的熔化和原子间的扩散等反应,不同性质的金属就实现了融合。

2 爆炸焊接技术的特点爆炸焊接技术的特点主要体现在以下几个方面。

第一点,爆炸焊接所属的学科范围比较复杂,同时属于金属物理学、爆炸物理学,也是一种操作性比较强的焊接工艺。

在爆炸焊接技术研究的过程中,学科的理论建设为技术的创新提供了依据,也为技术的拓展奠定了基础。

同时爆炸焊接工艺在实践中的发展也促进了学科的建设。

爆炸不锈钢复合板工艺及应用目前不锈钢复合板的生产方法主要有3种：爆炸法、轧制法和爆炸－轧制法。

我国目前主要采用爆炸法生产复合板，该方法生产工艺简单，使用的能源丰富，所生产的复合板性能好，已被广泛应用于石油、化工、制药、船舶、水电等行业，产生了很好的经济效益和社会效益。

1 爆炸焊接机理及工艺爆炸焊接是一种高能率的加工技术，是一种以炸药的爆轰为能源，将两层或多层相同的或不同的金属材料结合为整体材料（复合板）的材料加工工艺。

图1是爆炸焊接装置及焊接过程示意图。

当炸药被引爆后，复板在炸药爆炸释放的能量驱动下加速，当速度稳定时，与基板发生碰撞，从而在碰撞点形成足够的再入射流，靠再入射流清理待结合金属表面的氧化物、氮化物、气体薄膜及附着的水分等，使金属露出活性表面。

同时，金属碰撞产生的高压使金属活性表面紧密接触，通过原子间的作用力，实现两种金属间的可靠连接。

图1 爆炸焊接装置及焊接过程1-炸药;2-缓冲区;3-复板;4-基板;5-基础;6-起爆器；7-爆炸产物;8-再入射流;s-基复板安装间距;VD-炸药爆速;VP-复板运动速度;VCP-碰撞点运动速度;c-碰撞点1.1 实现焊接的必要条件（边界条件）爆炸焊接属于冷焊，要实现良好的焊接必须具备以下3个条件：(1)碰撞速度要超过某一最小值，产生的碰撞压力要大于材料的动态屈服极限，在碰撞点附近产生流体区。

Whitman等人［1］提出的最小碰撞速度vpmin＝（σb/ρ）1/2。

(2)形成足够稳定的再入射流，产生自清理过程。

产生再入射流，必须具备2个条件，一是动态碰撞角β必须大于某一临界值；二是碰撞点运动的速度要小于声音在该材料中的传播速度。

Crossland等人［1］提出最小碰撞角βmin=k0(Hv/ρvcp2)1/2(3)碰撞点运动的速度要大于某一临界值，界面才能呈波状结合特征，否则界面平直、结合强度低。

Cowan等人［1］提出最小碰撞点运动速度vcpmin=［2Re(Hv1＋Hv2)/(ρ1+ρ2)］1/2式中ρ—材料密度；Hv—硬度；σb—材料拉伸强度；Re—雷诺数；k0—材料表面状态系数。

金属复合板爆炸焊接生产工艺
一：爆前准备
（1）复板：爆炸复合板复板常规材料有：钛基合金，镍基合金，哈氏合金，不锈钢，双相不锈钢，铜，铝等材料为主。

规格由客户的要求而定制，大多数复板需要拼焊。

焊接的方法有：氩弧焊，等离子焊，电弧焊。

业内通常用氩弧焊焊接，在焊接过程中注意事项有：氩气的纯度要求在百分之99.99，焊接电流根据复板的厚度以及复板的材质而定。

焊接过程中焊缝的正负面都需用保护罩托保，防止焊缝氧化，确保焊接质量。

（2）基板：将制备好的基板先用砂轮去除氧化皮，而后用千页轮抛光，要使表面光滑而无瑕疵。

（3）配板：将拼焊好的复板校平抛光后配在规定的基板上。

复合板爆炸要求，复板必须大于基板。

二：爆炸场地
复合板爆炸场地要求在野外作业，距离居民房屋十公里以外，场地要求土质松软，不得有石头，防止爆炸过程中板面受损。

三：爆炸焊接
根据复合板材料的规格来修复地面的大小（业内称炮台）炮台修好后，将预备好的基板铺平，清理复合面的污垢。

根据工艺来铺垫间隙，而后将复板放置间隙之上。

铺好炸药，插入电雷管，准备施爆。

四：爆后处理
将爆炸成形的复合板清理干净，进行超声波探伤，探伤不合格的部位标记，之后进行修复。

之后进行热处理.热处理的温度根据材料的性能而定。

复合板热处理之后进行校平，校平后二次探伤，防止在校平过程中开裂。

最后将探伤合格的复合板进行切割,抛光.然后成品检验，合格后包装发货。

爆炸金属（不锈钢）复合板技术要求概述技术投资分析：爆炸焊接技术（习惯称爆炸复合）是以炸药为能源，通过炸药爆轰产生的高压脉冲载荷，推动一种材料(复层)高速倾斜碰撞另一种材料(基层)，其加载应力远远高于金属材料的屈服强度，加载过程的瞬间性（一般为微量级），材料受载的局部性，交织发生在作用点的微小的邻近区域并且高速地移动等方法，实现两种金属的冶金结合，结合区呈现为波状的冶金结合。

与轧制、堆焊、浇铸等焊接技术相比爆炸焊接技术的优点在于：广泛的材料适应性的可焊性，适用于大多可塑性金属或合金，目前已有340种金属或合金的组合被验证是可焊的,不管材料是变形或铸态，任何规划形状的平面和圆柱面的，处于什么热处理状态都可进行爆炸焊接，在某些程度讲爆炸焊接技术是金属大面积的面连接唯一的焊接方法，即使熔点差别很大的铝(660℃)和钽(2996℃)；热膨胀系数差别很大的钛(8.35x10-6mm/mm℃)和不锈钢(18x10-6mm/mm℃)；硬度差别很大的铅(HB=4-6)和钢(HB=50)都可实现焊接。

不仅适用于相溶性金属的组合，而且适用于非相溶性金属的组合，也适用于易产生脆性金属间化合物的金属及合金，良好的导热性，低的界面电阻，结合区无热影响区构成良好的接头性能，瞬间的热过程使界面没有或仅有少量的溶化。

以爆炸焊接技术发展的项目无论在品种，规格，产量，质量，市场，成本，和效益上明显的优势。

技术的应用领域前景分析：复合材料按行业用途的需求划分：1）化工、石化、冶金，制盐，设备制造等传统行业的需求最大,随着经济全球化的发展和中国的崛起，现代制造业的重心正不断向中国转移。

需求10-15万吨2）电力，汽轮机，船舶领域需求：约5-8万吨。

3）陆地运输,建筑,办公设备行业:5.4万吨4）其它领域需求：包括军事2.6--4万吨。

效益分析：项目实施后，年销售收入达13240万元，利润2468.6万元，投资利32.54%投资利税率53.57%，内部收益33%，投资回收期限2.14.年（所得税后），盈亏平衡点47.85%。

爆炸焊接和金属复合材料爆炸焊接是用炸药作能源进行金属间焊接的一门新兴的边缘学科和很有实用价值的高新技术。

它的最大特点是在一瞬间能够将相同的、特别是不同的和任意的金属组合简单、迅速和强固地焊接在一起。

它的最大用途是制造大面积的各种组合、各种形状、各种尺寸和各种用途的双金属及多金属复合材料。

本文综述爆炸焊接的过程和本质、特点和应用，以及发展前景。

1 爆炸焊接的过程和本质以爆炸复合板为例，爆炸焊接的过程能够这样地来描述：如图1所示，置于地面之上的两块金属板（例如钛板和钢板）以一定的间隙距离支撑起来，当均匀布放在复板上面的炸药被雷管引爆之后，爆轰波和爆炸产物的能量便在其上传播并将一部分传递给它，使复板向下运动并加速，随后高速向基板倾斜撞击。

借助该撞击过程将复板高速运动的动能在撞击面上转变成金属之间的焊接能，使它们强固地焊接在一起。

1 雷管，2 炸药，3 复板，4 基板，5 基础（地面），Vd 爆轰速度，1/4Vd 爆炸产物速度，Vp 复板下落速度，Vcp 碰撞点S的移动速度、即焊接速度由于复板和基板在高压、高速、高温和瞬时下倾斜撞击，在它们的接触面上将发生许多的物理和化学过程、即冶金过程，例如界面两侧一簿层金属的塑性变形、熔化和原子间的扩散等。

不同的金属材料就是在这些冶金过程中实现冶金结合的。

爆炸焊接的焊接过渡区——结合区还具有波形特征（图2）。

不同的金属组合在不同的工艺条件下它们的波形形状和波形参数也不同。

据分析和研究，这种波形与在金属中和界面上波动传播的爆炸载荷密切相关，并且是爆炸焊接过程中能量转换和金属间结合的基础。

图2 一些爆炸焊接双金属结合区的波形形貌（均缩小1倍）如上所述，爆炸焊接结合区具有金属的塑性变形、熔化和扩散的特征。

在常规的焊接工艺中，这些特征分别为单一的压力焊、单一的熔化焊和单一的扩散焊所特有。

这就是说，爆炸焊的机理“综合”或称“融合”了压力焊、熔化焊和扩散焊三种机理。

由此能够推论爆炸焊是压力焊、熔化焊和扩散焊的“三位一体”的一种焊接新技术。

一种高纯铌-无氧铜复合板材的爆炸焊接制造
方法
嘿，朋友们！今天咱就来唠唠高纯铌-无氧铜复合板材的爆炸焊接制造方法。

你说这高纯铌和无氧铜，一个硬实一个软乎，要把它们俩弄一块儿还真不是件容易事儿呢！但咱有办法呀，就是这神奇的爆炸焊接。

想象一下啊，就像一场特别的“婚礼”，高纯铌和无氧铜是两位主角，爆炸就是那个把他们紧紧结合在一起的神奇力量。

先得把这俩材料准备好，摆放得恰到好处，然后“嘭”的一声，它们就在瞬间拥抱在一起啦！
这爆炸可不能瞎搞，得控制好力度和时机。

太轻了不行，那可结合不牢固；太重了也不行，那不就搞砸了嘛！就好像做饭火候得掌握好，火大了糊了，火小了不熟，一个道理。

然后呢，爆炸完了还不算完事儿。

还得仔细检查检查，看看这“小两口”结合得咋样。

有没有啥缝隙啊，结合得牢不牢固啊。

要是有问题，那可得赶紧想办法解决。

你说这制造方法神奇不神奇？就这么一炸，两种完全不同的材料就紧密地合二为一了。

这就像是变魔术一样！而且这种复合板材用处可大了去了，在好多领域都能大显身手呢。

咱再想想，要是没有这种爆炸焊接的方法，那得费多大劲儿才能让高纯铌和无氧铜好好在一起呀。

这就是科技的力量，就是人类的智慧呀！咱们能想出这么巧妙的办法来，多了不起呀！
总之，高纯铌-无氧铜复合板材的爆炸焊接制造方法真的是太有意思啦！它让看似不可能的结合变得轻而易举，为我们的生活和各种产业带来了巨大的帮助。

所以说呀，咱们可得好好研究研究，让它发挥更大的作用，给我们带来更多的惊喜和好处，难道不是吗？。