第３１卷第１期 ２０１１年２月 江 西 冶 金 Ｖｏ１．３１，Ｎｏ．１ Ｆｅｂｒｕａｒｙ ２０１１ ＪＩＡＮＧＸＩ ＭＥＴＡＬＬＵＲＧＹ 文章编号：１００６—２７７７（２０１ １）０１－００２２—０４ 爆炸焊接金属复合的探讨与试验 胡晓洪，唐鹏善 （新余钢铁集团有限公司，江西新余３３８００１） 摘 要： 采用硝铵炸药爆炸对以Ｑ２３５碳钢板为基板、３０４不锈钢板为复板的两种金属材料进行复合探索试验。试 验结果表明：在进行爆炸焊接作业时，要调 好炸药爆速、控制装药密度及厚度，才能取得较好的焊接效果。 关 键 词：爆炸焊接；复合；爆速；爆温 中图分类号：ＴＤ２３５．２１ ３；ＴＧ４５６．６ 文献标志码： Ｃ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ａｎｄ Ｔｅｓｔ ｏｎ Ｍｅｔａｌ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ Ｔｈｒｏｕｇｈ Ｅｘｐｌｏｓｉｖｅ Ｗｅｌｄｉｎｇ ＨＵ Ｘｉａｏｈｏｎｇ，ＴＡＮＧ Ｐｅｎｇｓｈａｎ （Ｘｉｎｙｕ Ｉｒｏｎ ａｎｄ Ｓｔｅｅｌ Ｇｒｏｕｐ Ｃｏ．Ｉｘｄ．，Ｘｉｎｙｕ ３３８００１ Ｊｉａｎｇｘｉ，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｔｅｓｔ ｆｏｒ ｔｈｅ ｍｅｔａｌ ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ ｗｈｉｃｈ ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｑ２３５ ｃａｒｂｏｎ ｓｔｅｅｌ ｐｌａｔｅｓ ｗｉｔｈ ｃｏｍｐｏｕｎｄ ｐｌａｔｅ ｏｆ ３０４ ｓｔａｉｎｌｅｓｓ ｓｔｅｅｌ ｐｌａｔｅｓ ｉｓ ｍａｄｅ ｔｈｒｏｕｇｈ ｂｏｍｂｉｎｇ ｏｆ ａｍｍｏｎｉｕｍ ｎｉｔｒａｔｅ ｅｘｐｌｏｓｉｖｅ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔ ｓｈｏｗｓ ｔｈａｔ ｇｒｅａｔ ｅｆｆｅｅｔ ｏｆ ｅｘｐｌｏｓｉｖｅ ｗｅｋｔｉｎｇ ｃａｎ ｂｅ ａ— ｃｈｉｅｖｅｄ ｗｈｅｎ ｔｈｅ ｅｘｐｌｏｓｉｖｅ ｓｐｅｅｄ，ｃｈａｒｇｅ ｄｅｎｓｉｔｙ ａｎｄ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ ａｒｃ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ ｗｅｌ１． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： ｅｘｐｌｏｓｉｖｅ ｗｅｌｄｉｎｇ；ｃｏｍｐｏｕｎｄ；ｅｘｐｌｏｓｉｖｅ ｓｐｅｅｄ；ｅｘｐｌｏｓｉｖｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ 爆温，否则，有可能复合不到位或烧伤击穿被复合金 ｌ 前言 爆炸焊接是利用炸药爆炸所产生的能源，在所 选择的金属板或管材表面包裹一层不同性能金属材 料的作业过程。炸药爆炸时，其化学能在爆炸反应 的瞬间转化为热能，并依靠热能转化为对外界做功 的机械能。炸药爆炸对外做功按其特点分为两种形 式，即猛度与爆力。猛度是指炸药爆炸对药包临近 属。因此，在选用炸药时，要考虑其爆速是否合适、 爆炸性能是否稳定、使用是否方便；同时，还必须严 格控制炸药的装药密度和厚度。总之，爆炸焊接是 一个复杂过程，影响复合效果的因素很多，如炸药性 能、金属的物理化学性能以及力学性能等。 ２爆炸焊接金属复合爆炸探讨 ２．１ 炸药性能 介质产生局部压缩、粉碎或击穿作用；爆力是指炸药 爆炸在介质内部产生的对介质整体压缩、破坏和抛 移作用。这两种做功形式集中表现为冲击压缩。 一目前使用的工业炸药品种较多，其化学组成、爆 炸性能都有所不同。即使对同一种炸药而言，如果 密度不同，其性能也会不一样。 为了方便调整炸药爆速、控制装药密度以及装 般爆速越高、装药密度越大，猛度作用就越强 烈。爆炸焊接金属复合必须要有适当的爆炸猛度和 收稿日期：２０１０—０３—２１ 作者简介：胡晓洪（１９６０一），男，江西萍乡人，高级Ｔ程师，从事非金属材料管理工作 第３１卷第１期 胡晓洪，唐鹏善：爆炸焊接金属复合的探讨与试验 药厚度，通常选用粉状硝铵炸药。因此，下文仅对硝 铵炸药的爆速、爆温和所使用的复合板金属种类进 行探讨。 ２．１．１爆速和爆温的计算 复合板金属采用的材料是Ｑ２３５碳钢和３０４不 锈钢，根据复合板的体积、声速、熔点以及热传递速 度，炸药爆炸时ｃ—Ｊ面上爆炸产物的温度一般为 １８００～２０００ｏＣ。 根据爆炸理论，爆速（Ｄ）和爆温（ｔ）的计算公式 如下： Ｄ＝￣／２（Ｋ 一１）Ｑ （１） ＴＣ 一Ｊ一 Ｋ １上 （２）＼－／ （３） 乙 Ｃ ＝ａ＋ｂｔ （４） 式中： Ｄ一爆速，ｍ／ｓ； Ｋ一绝热指数，一般工业炸药为３； Ｑ 一炸药定容爆炸热能，Ｊ； ｃ—Ｊ面上爆炸产物温度（炸药爆炸时Ｃ —Ｊ面上爆炸产物的温度一般只能为１８００ ～２０００ｏＣ。），ｏＣ； ｃ，，＿＿０℃至ｔ℃内爆炸产物的平均热容量，Ｊ／℃。 ｃ．，是温度函数，作为近似计算，可以认为热容 量ｃ 和温度之间是线性关系，即：Ｃ ＝ａ＋ｂｔ，ａ、ｂ 的定法是由卡斯特经验式决定： 对双原子气体： Ｃ ＝２０．１＋１８．８×１０ Ｉ４ｆ，，Ｊ／ｔｏｏｌ・℃ 对Ｈ２Ｏ：Ｃ ＝１６．７＋９０×１０叫ｆ，Ｊ／ｔｏｏｌ・ｃｃ 对ＣＯ２：ｃ ＝３７．７＋２４．３×１０一 ｆ，Ｊ／ｔｏｏｌ・℃ 对四原子气体： Ｃ ，＝４１．８＋１８．８×１０～ｔ，Ｊ／ｔｏｏｌ・℃ 对Ｃ：ｃ ＝２５．１２，Ｊ／ｔｏｏｌ・℃ 硝铵炸药爆炸反应的方程式如下： ４ＮＨ４ＮＯ３＝２ＮＯ２＋３Ｎ２＋８Ｈ２Ｏ＋１２３Ｊ／ｔｏｏｌ（５） 计算其热容量： 对Ｈ２０： ８ ｘ ｆ １６．７＋９０ ｘ １０ Ｉ４ｔ）＝１３３．６＋７２０ ｘ １０ ｔ 对Ｎ２： ３×ｆ２０．１＋１８．８×１０一 ｔ）＝６０．３＋５６．４×１０—４ｔ 对ＮＯ，：比照双原子气体，则为：２×（２０．１＋１８． ８×１０一 ｔ１＝４０．１＋３７．６×１０一 ｔ 所有爆炸产物热容量之和：ｃ ：２３４．１＋８１４ ｘ １０～ｔ，即ａ＝２３４．１，ｂ＝０．０８１４ 由（４）、（５）可得出：Ｃ ＝２３４．１＋０．０８１４ｔ（６） 由（２）式得： 一 １８００～２０００＝（２×３÷４）ｔ ｔ＝１２００～ｌ３３３℃ 由（６）式得：ｃ ＝３３１．７８～３４２．６１Ｊ／ｔｏｏｌ・℃ 由（３）式得：Ｑ ：３９８１３６～４５６６９９．１３ Ｊ 由（１）式得：Ｄ＝２５２４～２７０３ ｍ／ｓ 因此，从理论上认定合适的爆速是２５００～ ２７００ｍ／ｓ。 ２．１．２装药密度 一般情况，密度愈大爆速愈高，复合爆炸装药密 度与复合板物理性能有关： ＝Ｗ・ｔ／ 式中： 入一单位面积装药量，ｋｇ／ｍ ； 一单位面积复板的重量，ｋｇ／ｍ ； Ｒ一与复板和基板物理力学炸药等有关的 系数。 炸药的爆速为２５００～２７００ｍ／ｓ，自然密度为０．５ ～０．６０ｇ／ｃｍ ，根据复板与基板性能，Ｒ的取值范围 为０．８～１．０５。在实际装药过程中将单位面积药量 转化成装药厚度。 ２．２复板与基板的安装 炸药爆炸时，爆轰以爆炸的速度向前传播，爆炸 产物形成高压脉冲荷载作用于复板上，复板在数微 秒内被加速并使其向基板运动的速度可达每秒数百 米。复板从始端开始依次与基板碰撞，因而碰撞区 产生了高速的塑性变形，同时伴有剧烈的热效应。 此时，碰撞面金属板的物理性质类似流体。爆破焊 接示意图见图１，复板的动态折角为０，碰撞角为 ， 碰撞速度为 ，从而形成了两种金属的冶金结合。 卜炸药：２－雷管；３－衬垫；４－复板；５－基板；６－基座 图１爆破焊接示意图 江西冶金 ２０１１年２月 试样ｃ一２：２１６０ｍｍ Ｘ １１００ｍｍ×（１８＋３）ｍｍ， ３爆炸焊接金属复合试验 备好炸药、基板、复板、爆炸场地（含砂基坑）。 ３．１ 试验试样 通过测试发现，炸药的密度降低，爆速也相应下 降。当密度为０．６ｇ／ｃｍ 时，测得爆速为２７０７ｍ／ｓ； 当密度０．５ｇ／ｃｍ 时，测得爆速为２６７０ｍ／ｓ；当密度 为０．７ｇ／ｃｍ 时，测得爆速为３０７６ｍ／ｓ。本次试验所 材质为Ｑ２３５碳钢＋３０４不锈钢； 试样ｃ一３：２１６０ｒａｍ×１１００ｍｍ×（１２＋２）ｍｍ， 材质为Ｑ２３５碳钢＋３０４不锈钢； 试样Ｃ一４：２１６０ｒａｍ×１１００ｒａｍ×（１２＋２）ｍｍ， 材质为Ｑ２３５碳钢＋３０４不锈钢。 ３．２试验步骤 １）爆破场地的准备。在符合安全要求的区域 内，平整土地并挖掘２０ｍ 基坑，基坑内装满河砂并 高出地面２０～３０ ｃｍ，累计砂厚７０ ｃｍ，并在周边采取 一用的炸药为某化工厂所特制的袋装硝铵炸药，该炸 药是按爆炸焊接要求而制造的低速炸药，其爆速为 ２７００ｍ／ｓ，装药密度为０．７ｇ／ｅｍ 。 １）小试件爆炸焊接试验 试样１：５００ｍｍ Ｘ ２５０ｒａｍ×（１２＋２）ｉｒｌｔｎ，材质为 Ｑ２３５碳钢＋３０４不锈钢； 试样２：６００ｍｍ×３００ｍｍ×（２２＋３）ｍｍ，材质为 １６ＭｎＲ＋３０４不锈钢； 试样３：３１０ｍｍ×２２０ｒａｍ×（２５＋１６）ｍｍ，材质为 Ｑ２３５碳钢＋Ｃｕ； 试样４：３１０ｒａｍ×１５０ｒａｍ ｘ（２５＋６）ｍｍ，材质为 Ｑ２３５碳钢＋Ａ１； 定的安全措施。 ２）基板复合面除锈打磨平整并进行防锈处理。 ３）确定复板与基板的间隔距离，并制作间隔件 以保护复板表面。 ４）根据复板与基板的性质计算炸药量。 ５）现场安装。 ６）装药、安装起爆雷管爆破。 ７）爆破作业后进行现场检查，待复合件冷却后 再进行整平、切割等工作。 ８）质量检验。 ３．３试验效果 ２）大试件爆炸焊接试验 试样Ｃ—ｌ：２１６０ｍｍ×１１００ｍｍ ｘ（１２＋２）ｍｍ， ～试验选择爆速约为２７００ｍ／ｓ，装药密度为０．５５ ０．７ｇ／ｃｍ ，装药厚度为２５ｒａｍ±２ｍｍ。爆破复合效 材质为Ｑ２３５碳钢＋３０４不锈钢； 果见图２。 图２爆破复合效果 １）在新钢薄板厂３号轧机上进行轧制试验，分 别进行单张轧制和双张叠轧，无论不锈钢朝哪个方 向，复合后的试样都不会产生分裂。 ２）按照标准ＧＢ／Ｔ ８１６５—１９９７不锈钢复合板和 钢带，主要进行超声波探伤和焊缝金相组织以及力 学性能、工艺性能检验。首先，进行超声波探伤，除 试样Ｃ一２存在复合不完全外，其他试样均无缺陷； 其次，进行焊缝金相检测，试样焊缝为波浪式锯齿组 织，轧制以后锯齿组织变小变平；再次，依据相关国 家标准进行了力学性能检测，其指标见表１。 第３ｌ卷第１期 胡晓洪，唐鹏善：爆炸焊接金属复合的探讨与试验 ’２５。 ２）爆炸焊接后，两种金属的结合部有一般融化 ４ 结语 焊接的现象，两种金属已渗入到彼此组织中，因此， 爆炸焊接后的焊接强度很大。在生产实践中进行爆 １）本次试验存在的主要问题是基板和复板不平 炸焊接时，要选择合适爆速、选择性能稳定日．使用方 整、覆盖在表面的氧化铁皮对焊接质量有影响。因 便的炸药、严格控制炸药的密度和厚度，同时，为了 此，在爆炸焊接前，必须将焊件表面的铁锈清理 保护复板不被烧伤，可在复板与炸药之间加上起缓 干净。 冲作川的垫层（比如沥青） （上接第１１页） 表４系列钢种腐蚀性能 钢氢鼓泡的有限元模拟［Ｊ］．吉林大学学报，２００８，３８ ６ 结论 （１）：６１—６２． Ｉ）降低钢中硫、磷含量，控制合适的钙硫比，提 ［２］Ｐｅｒｅｚ Ｔ Ｅ，Ｑｕｉｎｔａｎｉｌｌａ Ｈ，Ｒｅｙ Ｅ．Ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ Ｃａ／Ｓ ｒａｔｉｏ ＨＩＣ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ｏｆ ｓｅａＰ￣ｌｌｅｓｓ ｌｉｎｅ［Ｊ］．Ｃｏｒｒｏｓｉｏｎ ９８：１２１． 高钢水纯净度，采用合适的控轧工艺及钢板正火或 ［３］ 李经涛，蔡庆伍，莫德敏．舞钢湿硫化氢环境用低合金 正火加回火热处理工艺，是成功开发抗湿硫化氢腐 高强度钢［Ｊ］．宽厚板，２００６，１２（４）：１３—２１． 蚀钢的关键。 ［４］ 杨 洲．硫化氢对石油管线钢应力腐蚀开裂和氢渗透 ２）新钢公司生产的抗湿硫化氢腐蚀钢板力学性 行为的影响［Ｄ］．北京：中同科学院研究生院，２００４：１１ 能优良、组织均匀，抗湿Ｈ Ｓ腐蚀性能好，各项指标 —１２ 均达到国内领先水平。 ［ 参考文献 ］ ［Ｉ］蒋文春，巩建呜，唐建群，陈虎．湿Ｈ Ｓ环境下１６ＭｎＲ