爆炸焊接和金属复合材料

2007-04-08 17:36:00  作者：jql  来源：   文字大小：【大】【中】【小】 评分等级：0
    爆炸焊接和金属复合材料


    郑远谋　黄荣光　陈世红

    　　摘　要　简述了金属爆炸焊接的过程和它的金属物理学本质，总结了它的特点和应用，介绍了用爆炸焊接法生产的金属复合材料的品种和分类，展望了爆炸焊接和金属爆炸复合材料的发展前景，指出了它们有重要的技术和经济价值，应当在我国有一个大的发展。
    　　关键词　爆炸焊接， 金属复合材料
    　　中图分类号　TG456.6， TG353.85


    EXPLOSIVE WELDING AND METAL COMPOSITE MATERIAL
    Zheng Yuanmou　Huang Rongguang
    (New Technology Research Institute of Heishan City, Guangdong province)
    Chen Shihong
    (Navigational Fairs Administration of Guangzhou City, Panyu Branch)


    　　Abstract　The paper declares the course of metal explosive welding and its essence of metal physics, summarizes its character and usage, and the paper introduces the variety and assortment of metal composite material by explosive welding. The way of explosive welding and metal composite material have a good prospect. The article points out its important technique and economic value, and it should have a good development in our country.
    　　Key words　explosive welding, metal composite material

    　　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。

    14a.gif (6084 bytes)

    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
    1 detonator,　2 charge,　3 cladding plate,　4 base plate,
    5 base(ground), Vd detonation velocity of charge,
    1/4Vd velocity of explosive product,
    Vp cladding plate velocity,
    Vcp velocity of the impact point S, namely welding velocity
    图1　角度法爆炸焊接瞬态过程示意图
    Fig.1　An instantaneous schematic diagram of explosive
    welding process(preset angle configuration)

    　　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。



    15f.gif (14469 bytes)

    1 titanium-steel　×50,　 2 nickel-titanium　×200,　 3 aluminum-steel　×50,　4 stainless steel-copper　×50,
    5 nickel-stainless steel　×50,　 6 stainless steel-steel　×50,　 7 copper-titanium　×150,　 8 copper-copper　×50,
    9 aluminum-copper　×15,　10 Au-AgAuNi　×50,　11 AgAuNi-CuNi　×50,
    12 silver-copper　×150,　13 aluminum-aluminum ×50
    图2　一些爆炸焊接双金属结合区的波形形貌（均缩小1倍）
    Fig.2　Wave form of some explosive welding bimetals in the bonding zone (all reducing 1 time)

     

    　　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。爆炸焊接之所以能够在一瞬间焊接几乎所有的金属材料组合，爆炸复合材料之所以具有很高的结合性能，其原因也许就在这里。这就是爆炸焊接的物理学的本质。

     

     

    2　爆炸焊接的特点
    　　爆炸焊接这门新工艺和新技术之所以能够独立存在，并在不长的时间内获得迅速的发展和较为广泛的应用，主要原因就在它具有如下许多特点和优点。
    2.1　学科上的特点
    　　金属爆炸焊接是界于金属物理学、爆炸物理学和焊接工艺之间的一门边缘学科。这三门学科的基本理论为它的研究和发展提供了必要的理论基础。爆炸焊接理论的建立也会为金属材料科学、爆炸物理学和焊接科学增添新的篇章。
    2.2　能源上的特点
    　　任何金属的焊接都需要某种形式的能源。爆炸焊接的能源是炸药的化学能。这种化学能在爆炸焊接过程中，在炸药-爆炸-金属系统内将发生多次和多种形式的能量的转换、吸收、传递和分配，最后形成金属间的焊接结合。在时间上这个过程以微秒计。
    2.3　工艺上的特点
    　　爆炸焊接工艺和操作很简单。它不需要昂贵的设备和十分熟练的技术。实际上只要有炸药、金属材料和一块开阔地（爆炸场），以及为数不多的辅助设备和工具，在稍有技术训练和实践经验人员的操作下，就能够进行爆炸焊接试验和生产。而且其范围和规模还可以随着市场的扩大、工作人员的增加和机械化程度的提高而迅速扩大。
    2.4　焊接上的特点
    　　据资料介绍，用爆炸焊接法已经焊接了300多对物理和化学性能相同、相近及相差悬殊的金属组合。板与板、板与管、管与管、管与管板、管与棒，以及异型件都可以爆炸焊接。形状复杂的蜂窝结构、数十层和数百层金属箔材爆炸焊接成功了。金属与玻璃、塑料和陶瓷也能爆炸焊接在一起。原则上说来，爆炸焊接为大面积、高质量和多种形式地，简单、迅速和有效地焊接相同金属、特别是不同金属，提供了一个不可替代的工艺和方法。
    2.5　焊接过渡区上的特点
    　　爆炸焊接双金属和多金属的结合区是基体金属之间的成分、组织和性能的过渡区。在一般情况下它具有金属的塑性变形、熔化、扩散和波形的明显特征。这种过渡区通常很窄，一般在0.01～1mm范围内。这个尺寸虽小，但它却是强固地连接基体金属的纽带。这个纽带的形成、它的组织和性能直接地与工艺参数有关，也直接地影响基体金属之间的结合强度和使用性能。因此，爆炸焊接过渡区（结合区）形成原因、经过和结果的研究，是这门学科理论研究的重要组成部分。
    2.6　性能上的特点
    　　爆炸复合材料的结合强度通常与基材中较弱者的强度相当。正因为如此，这类复合材料如钛—钢和不锈钢—钢等复合板经受得住后续的校平、转筒、切割、焊接、冲压、旋压、锻压、挤压、拉拔、轧制和热处理，以及爆炸成形等而不会分层和开裂。
    　　爆炸载荷作用后，基体金属会有一定程度硬化和强化。然而，它们的一些特殊的物理和化学性能，例如耐蚀材料的耐蚀性能、导电材料的导电性能、热双金属的热力学性能、磁学性能、声学性能、超导性能和核性能等通常不变。也就是说保持了它们原有的使用性能。

     

     

    3　爆炸焊接的应用
    　　爆炸焊接的应用能够归纳为如下几个方面，这些应用也是它的一大特点。
    3.1　提供了一门新的焊接工艺和技术
    　　各种新能源的利用大大促进了焊接技术的发展，爆炸焊属于这个领域中新开辟的一个。作为焊接科学分类上属于特种焊范畴的爆炸焊，提供了又一种相同的、特别是不同的金属材料焊接的新工艺和新技术。大量事实说明，爆炸焊接是焊接科学的一大发展。
    3.2　提供了一种新的复合材料的生产工艺
    　　到目前为止，金属复合材料的生产方法是很多的。例如，叠轧法、熔铸法、堆焊法、电镀法、涂层法、粉末冶金法、气相沉积法、共挤压法和共拉拔法等。而爆炸焊接法为任意金属组合的复合材料的生产，提供了又一种不可多得的新工艺和新技术。特别是爆炸焊接和轧制等常规压力加工技术联合起来之后，其效果和效益将是其他生产金属复合材料的方法难以比拟的。
    3.3　提供了一套新的金属复合结构材料系统
    　　如果以文献为依据，这种复合结构材料系统的组成可如表1至表4所列。

     

    表1　双金属复合结构材料
    Table 1　Bimetal composite structure material

     
    组元之一 组　元　之　二
    钛 钢、不锈钢、铜、铝、镍、锆、铪、铌、钽、钨、钼、金、银、镁、铍和锂等
    不锈钢 钢、铜、铝、镍、锆、铌、钽、钼、银、因瓦合金、因科镍和哈斯特洛依等
    铜 钢、铝、镍、锆、铌、钽、钨、钼、金、银、镁、锡、铀、钍、锌、铍、超导合金、因瓦合金和可伐合金等
    铝 钢、镍 、锆 、铌、钽、银、铍、锂、镁、锌和可伐合金等
    镍 钢、锆、铪、铌、钽、钨、钼、铑、金、银、镁、因科镍、因瓦合金和可伐合金等
    钨 钒、铍、铌、钽、锆、钼和钢等
    钼 铌、钽、锆和钢等
    铌 锆、钽和钢等
    钽 金、钴和钢等
    锆 钴和钢等
    因科镍 锆、钼、钢、不锈钢和哈斯特洛依等，此外还有铅—钢


    表2　三金属复合结构材料
    Table 2　Three-metal composite structure material

     
    层次 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14
    第一层 钛 钛 不锈钢 钛 钛 钛 铝合金(1) 金 铝 铝 铌 铌 镁 铂
    第二层 钢 钢 钢 铜 铝 钛合金 铝合金(2) 银金(铜)镍 银 铁 钒 钒 钢 铑
    第三层 钛 不锈钢 不锈钢 铝 铜 钛 铝合金(1) 铜　镍 不锈钢 镍 不锈钢 铁 不锈钢 铂


    表3　四金属复合结构材料
    Table 3　Four-metal composite structure material

     
    层次 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
    第一层 钛 钛 钛 钛 铜 铜 铜 铜 铝 铝 铝
    第二层 铜 铜 铜 铜 锆 铌 钽 钽 铁 钛 银
    第三层 铝 铝 铌 铌 钽 钽 锆 铌 铜 铜 钽
    第四层 钢 不锈钢 钢 不锈钢 铝 铝 铝 铝 镍 钢 不锈钢


    表4　五金属复合结构材料
    Table 4　Five-metal composite structure material

     
    层次 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
    第一层 铜 铜 铝 铜 铜 铜 铜 铜 铜 铝合金 铝合金
    第二层 铝 铝 铜 铌 铌 铌 钽 铌 钽 铝 铝
    第三层 黄铜 铜 铝 铝 锆 钽 铝 铝 铌 钛 钛
    第四层 铝 铝 铜 钽 钽 锆 铌 钽 锆 铜 镍
    第五层 钛 铜 铝 不锈钢 钢 铝 钢 不锈钢 不锈钢 钢 不锈钢

    　　应当指出，上述所有结构金属还包括它们的合金，“钢”也包括不同品种的普通钢、合金钢和低合金钢，不锈钢的种类还有数十种至百多种，双金属和多金属还可颠倒它们各层的位置，此外还不仅仅是五层。困此，上述金属组合的品种和数量远不只这些。目前，其总数可能有数百和上千种。实际上，可以说只要试验、生产和科学技术中需要，任意金属组合的复合材料都可以用爆炸焊接的方法制造出来。
    　　上述金属爆炸复合材料按性质和用途来分类应有如下的一些：
    　　1、充分利用金属化学性能的复合材料。例如，钛、锆、铌、钽、钨、钼、铜、铝、贵金属和不锈钢等，它们在相应的化学介质中有良好的耐蚀性，它们与普通钢组成的复合板已广泛地应用在化工和压力容器中。
    　　2、充分发挥金属物理性能的复合材料。例如，热双金属（热—力学性能），电力、电子和电化学用双金属（电学性能），音叉双金属（声学性能），蜗轮叶片双金属（耐汽蚀性能），枪（炮）管用双金属（耐烧蚀性能），贵金属复合接点材料（耐电蚀性能），复合超导材料（超导性能），复合磁性材料（磁学性能），以及原子能复合材料（核性能）等。
    　　3、充分增强和提高金属力学性能的复合材料。例如复合纤维增强材料（抗拉强度显著提高），复合装甲材料（各层具有不同的硬度可显著提高材料抗拒破甲的能力），复合刀具材料（刀刃部分硬度特高），减摩复合材料（内层材料耐摩擦磨损、外层材料承压强度高），比强度和比刚度更高的轻型复合材料（如钛-铝、钛-锂、铝-锂、铝-镁和铝-铍）等。
    　　4、其他特殊用途的复合材料。例如三层复合钎料，它的中间为与被焊结构件相同的材料，两侧为钎料。钎焊后除将多接头的结构件（如汽车散热器）牢牢地焊成一体外，还起加固作用。又如核燃料材料铀和钍的数量少、体积小和强度低，为了提高其刚度和其他目的，将其与铜组成复合材料后作为重离子的靶子而使用之。在美国为了降低或取消三种硬币中银的含量而大量使用爆炸焊接的银铜镍复合材料。
    　　金属爆炸复合材料按形状和形式来分类可有如下一些：板-板，管-管，管-板，管-管板，板-管板，管-棒，板-棒，棒-棒，丝与丝、板或管，金属粉末与金属板，金属异形件，以及复合带材、箔材和型材等。可以说，凡是现有压力加工技术能够生产出来的各种形状和形式的金属材料，爆炸焊接法原则上也能够生产出来。
    　　总之，金属爆炸复合材料的形状和形式很多、性质和用途很广。它们为充分发挥和综合利用、增强和提高金属材料的化学、物理和力学性能展现了一幅无限广阔的前景。
    3.4　过渡接头
    　　还有一种爆炸焊接的产品——异种金属的过渡管接头、板接头和棒接头也是很有技术和经济价值的。例如锆-2合金+不锈钢管接头的两端分别与同种管材用常规焊接方法焊接起来之后，放入原子反应堆内的锆合金管就可以发挥其优良的核性能，而在堆外则使用廉价的不锈钢管即可。与此相似还有锆2.5铌-不锈钢和钼-不锈钢管接头。此外，还有电冰箱内用的铜-铝过渡管接头，宇宙飞船上用的钛-不锈钢管接头，现代铝生产和造船工业中使用的铝-钢板接头等等。诸如此类的异种金属的过渡接头，不仅解决了不同金属的焊接问题，而且节省了贵重材料和降低了成本。不言而喻，这类过渡接头在变不同金属的焊接为相同金属的焊接之后，又开发了大量的金属复合材料。爆炸焊接为制备任意两种或多种材料的过渡接头开辟了广阔的道路。一些形状和结构的异种金属的过渡接头如图3所示。



    1 lap pipe point (A-type),　 2 lap pipe point (B-type),　 3 lap pipe point (C-type),　4 butt pipe point,
    5 scarf pipe point,　 6 lap pipe stick point,　 7 butt pipe point (Falan-shape),　 8 butt plad point (A-type),
    9 butt plad point(B-type),　 10 lap plad point (A-type),　 11 scarf plad point,　 12 lap plad point (B-type),
    13 lap bott-type plad point,　 14 butt stick point
    图3　一些形状和结构的异种金属过渡接头
    Fig.3　Different sort of metal transition point of some shape and structure

    　　应当指出，爆炸焊接也有其缺点、不足和局限性。首先，在掌握炸药这种危险性物质的使用规律之前，人们往往存在一定的恐惧感。这是阻碍这门学科发展的心理障碍。其次，爆炸声响和震动是不受人们欢迎的。第三，这种工艺的实施多在野外进行，难免受气候和天气的影响。第四，难以实现自动化。在机械化程度不高的今天体力劳动的强度还是比较大的。第五，难于应用到有突变截面的材料的焊接，大厚度复层的对接也比较难。第六，对于复合板的爆炸焊接来说面积不能无限大。第七，对于强度高和塑性低的材料焊接强度较低，冲击韧性低的材料在常温下爆炸焊接容易脆裂。第八，这门学科的理论基础还存在严重的不足。特别是在爆炸载荷下金属材料在高压、高速、高温和瞬时塑性变形过程中的性态还研究得不够，结合界面的微观组织和性能也研究得不够充分，等等。因而，爆炸焊接的机理还未彻底揭露。然而，这些问题不仅终究会被解决，而且与上述优点比较起来毕竟是次要的。

    4　爆炸焊接的展望
    　　本世纪50年代中期，由于航空航天工业的发展，产生了以爆炸成形为主的许多爆炸加工工艺。60年代崛起的爆炸焊接以其独特的优势获得了迅速的发展。这种发展还可以从如下一些并非最新的资料中可见一斑：美国路易斯爆炸加工公司一次用药量达9000kg，由此估计复合板的面积达300m2［1］。英国海军部委托承包商把1600m2的铝簿板爆炸焊接到一个相当于足球场大小的平展甲板上，并进行了相当于4.5km的世界上最长量程的爆炸焊接作业（指线爆——作者注）［2］。巴西工艺研究所1974年建立的爆炸加工厂每年可生产10万t双金属［3］。美国一公司每月可复合300～500m2的产品，为复合直径3m的管板一次使用了700kg炸药［4］。文献［5］报导，特别是在进行重复生产时，记录的生产量每天超过去100t。文献［6］报导，当时美国爆炸复合的双金属产量接近每年5万t，西德2万t和瑞士1万t；该文献报导爆炸复合的双层钢在原子动力装置中应用的5年里增加了三倍；在美国一家生产原子能发电设备的公司为了制造各种热交换器的管板，广泛地使用了爆炸复合钢板；在1972年就制造了大约70个这种类型的重约50t和直径3300mm的管板。用爆炸法制造了面积达16m2和重量达40t的水轮机叶片的耐蚀材料复面的复合坯料［7］。用低碳钢和低合金钢的复合板制造了100～250t重的压力容器［8］。复合了100层以上的箔材［9］，并且用厚度为0.025～0.05mm的钛或不锈钢箔材在一次特殊的爆炸焊接工艺中焊接多至600层，然后进行切割和展开形成蜂窝结构［10］。获得了外径200mm和壁厚(4+20)mm的不锈钢—钢复合石油管道［11］。文献［4］报导在电缆铝壳的包复中，用爆炸焊接法装好了超过5000km长的通讯电缆。大管径的石油管线的接头也可以采用爆炸焊接，这种管线长达数千km，接头多至数十万个；加拿大使用这种技术每天铺设管道5000m，速度快和质量好［12］。加拿大还用此技术焊接了1090km的天然气管道［2］。文献［12］又报导，用爆炸+轧制技术生产的银—磷青铜双金属电触头银层厚0.1mm，节银95%，在电视机高频头中寿命可达5万次以上。还指出，普通钢和65Cr4W3Mo2VNb合金钢的复合刀具，其刃口强度达2400MPa。我国用爆炸+轧制+拉拔工艺研制了Au—AgAu(Cu)Ni—CuNi三层异型触点材料［13,14］。文献［15］报导，15min爆炸焊接一个连接登月仓和燃料箱的钛—不锈钢管接头。采用机械化的爆炸洞，一个铝—钢阳极棒的生产只需要5min；在露天爆炸场以每年10000个的速度修复这种组合的阳极棒［7］。复板的厚度可达50mm［15,16］。用爆炸焊接技术将制造出在1100℃下工作的更高转速的透平叶片［17］。前苏联建成了200kg和正在设计500kg炸药的爆炸洞（室内爆炸场）［7,18］。文献［19］报导，1990年美国复合材料的发货量为117万t，1991年保持此水平。这么多复合材料主要用于汽车、飞机、环保设备和石油化工设备。可以估计，其中必有不少是用爆炸法生产的。由此可见，爆炸焊接新技术的前途是如何的光明和灿烂。
    　　如前所述，爆炸焊接具有近乎神奇的焊接性。这种特性不仅使它作为一种焊接新技术在同种、特别是异种金属材料的焊接中发挥重要的和不可替代的作用；而且作为生产金属复合材料的一种新工艺，在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中发挥同样重要和不可替代的作用。特别是这类材料在用传统的压力加工和机械加工工艺加工及处理后，任意金属组合的复合板材、复合带材、复合箔材、复合管材、复合棒材、复合线材和复合型材，以及各种形状、尺寸和用途的复合零部件，都会随心所欲和一览无余地展现在人们的面前。这样，不言而喻，爆炸焊接和爆炸复合材料的理论和实践，不仅必将大大扩充金属材料焊接的范围和领域、大大扩充金属材料的品种和类型，而且必将为焊接科学和金属材料（包括金属复合材料）科学增添新的篇章。
    　　爆炸焊接是一种能够迅速上马、快速应用、投资少和见效快的新工艺及新技术。爆炸复合材料可以系列化、规模化和工厂化地生产。它们能够构成一整套新的具有各种特殊性能和用途的结构材料和新金属材料系统。不难想象，这类材料在国家建设和科学技术中将发挥多么重要的作用。大量事实说明，爆炸复合材料是金属材料和金属复合材料科学的丰富和发展，以及新的发展方向。因此，爆炸焊接这一新技术和新工艺在我国应当引起更多的重视和获得更大的发展。

    5　结束语
    　　(1) 金属爆炸焊接这一介于金属物理学、爆炸物理学和焊接工艺学之间的边缘学科，既是一项同种、特别是任意异种金属焊接的新技术，又是一种任意金属组合的金属复合材料生产的新工艺，具有重要的技术和经济价值。
    　　(2) 金属爆炸复合材料是金属复合材料科学及其工程应用的重要组成部分和一个新的发展方向。这类材料为节约资源，充分发挥和综合利用，以及显著增强和提高现有金属材料的物理、力学和化学性能展现了一幅无限广阔的前景。因此，值得大力研究、开发、应用和发展。

    作者单位：郑远谋　黄荣光　　鹤山市新技术应用研究所，广东鹤山529721
    　　　　　陈世红　　广州市航务管理局番禺分局，广州番禺511400

    参考文献

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