2002年10月October 2002钢 铁 研 究Research on Iron &S teel第5期(总第128期)N o.5 (Sum128)爆炸焊接条件下炸药爆轰过程的分析和研究(一)———爆轰过程的宏观特性郑远谋(甘肃省白银市银铝实业公司)摘 要 研究了爆炸焊接条件下炸药爆轰的宏观过程。
这个过程包括发生、发展、持续和消亡4个阶段。
探讨了爆炸焊接边界效应的力学-能量原理,提出了解决此边界效应的有效措施。
关键词 爆炸焊接 炸药 爆轰 边界效应ANA LYSIS OF EXP LODING PR OCESS IN EXP LOSIVEWE LDING CON DITIONS———APPARENT FEATURES OF EXP LODING PR OCESSZheng Y uanm ou(S ilver and Aluminum Industry C o.,Baiyin City ,G ansu Prov.)Synopsis This paper studies apparent features of exploding process in explosive welding con 2ditions.The exploding process consists of four steps ,i.e arising ,developing ,continuing and end 2ing.The mechanical and energy principle to cause boundary effect is discussed and then measures to overcome the effect are put forward.K eyw ords explosive welding explosive exploding boundary effect联系人:郑远谋,高级工程师,甘肃省(730900)白银市银铝实业公司1 前 言用探针法测定了炸药爆速沿爆轰方向的分布[1],指出,这种分布象任何物质的运动规律一样,有一个发生、发展、持续和消亡的过程。
然而,在该文的讨论中也明确地指出了现有过程缺少消亡阶段。
也就是炸药在爆完的瞬间,其速度是怎样从每秒几千米突然降低到零的。
这个问题是经典的和传统的爆炸物理学中至今尚未明确提出和很好解决的课题。
本文在实验的基础上,试图讨论之,并以此解决爆炸焊接中的一些理论和实际问题。
本文讨论的问题拟称为爆轰过程的宏观特性。
2 试验方法(1)用三合板订做药框(包括底面)和2号岩石硝铵炸药,在3mm ×500mm ×800mm 的铝板上进行爆轰试验。
试验前将铝板置于钢板之上。
(2)用一般的工艺和工艺参数爆炸焊接(3+20)mm ×2000mm ×2000mm 的钛-钢复合板,此时钛板的长、宽尺寸较钢板大一点。
(3)用一般的工艺和工艺参数爆炸焊接几块(2+25)mm ×150mm ×600mm 的钛-钢复合板,此时钛板和钢板的长、宽尺寸一样。
(4)用一般的工艺和工艺参数爆炸焊接镍-不锈钢、铝-不锈钢、铝-钢和铜-铝等复合板,测量它们的复板、基板和复合板相应位置上的厚度,并计算它们的减薄率和绘制分布曲线。
(5)用文献[2]提供的工艺和工艺参数爆炸焊接锆-2+不锈钢复合管。
3 试验结果和分析(1)用试验方法(1)获得的结果如图1所示。
・93・图1 铝板上的爆轰试验(半幅照片)由图可见,炸药爆炸以后,在铝板表面留下了类似于爆炸复合材料结合区的特有的波形。
这种波形自起爆点(左上)开始沿爆轰方向逐渐增大,并在局部位置波形大小有反复。
爆轰结束的位置(右端)铝板被氧化和烧伤而成了黑色。
(2)用试验方法(2)获得相应尺寸的钛-钢复合板,将钛板和钢板用尖刃工具撬开后,可见其结合面上也有波形(图2)。
这种波形从起爆点开始沿爆轰方向也逐渐增大。
之后,在一定范围内波形大小趋于稳定(图2中c 、d 和e 的右半部)局部位置的波形大小亦有反复。
在爆轰结束的地方波形显得更大一些。
图2 钛-钢复合板(中心起爆)的钢侧结合界面上的波形(爆轰方向自左至右)注:距起爆中心的距离:(a )0～80mm (b )80～200mm (c )200～650mm (d )650～1000mm (e )爆轰结束附近 (3)用试验方法(3)获得的结果如图3所示。
由图可见,这4块复合板的起爆位置(左上)均未结合好,两侧、尤其是前端(右下)打伤和打裂严重。
(4)用试验方法(4)获得的结果如图4和图5所示。
由图4可见,爆炸焊接后,复板、基板和复合板的厚度都变薄了,尤其是前端、特别是爆轰结束的位置更厉害。
而且,金属的强度越低和塑性越高,其变薄程度越严重。
(5)用试验方法(5)获得的结果如图6所示。
由图可见,在经几次试验之后,两半模具的内孔成图3 钛-钢复合板外部的宏观形貌(爆轰方向自左上至右下)・04・图4 几种复合板的减薄率沿爆轰方向的分布注:图(a)～(c)中的“0”表示爆轰结束位置(a)铜-铝复合板,厚度1.2+5.0mm,图中1和2表示二次试验的(b)1.铝-钢复合板,厚度22+40mm;2.铝-不锈钢复合板,厚度12+18mm(c)铜-铝复合板,厚度1.2+3.0mm,图中1～4表示4次试验的(d)镍-不锈钢复合板,厚度2.5+10mm,图中1为镍板,2为不锈钢板,3为复合板图5 铝-钢复合板的铝复板沿爆轰方向(a)和 垂直爆轰方向(b)上的减薄率分布曲线注:复合板厚度1.15+40mm 2.12+30mm了葫芦状;由此获得的锆-2+不锈钢复合管的外形也成了葫芦状。
由图5可见,不仅在爆轰方向上有如图4所示的变形规律,而且在垂直爆轰方向上也有类似的规律:复板的两侧边部特别是爆轰结束的位置变薄程度更严重。
减薄率的计算方法是:金属板材的原始厚度减去爆炸焊接变薄后的厚度,再除以原始厚度。
各种厚度数据用相应材料的金相样品在金相工具显微镜下测量,精确度为0.001mm。
4 讨 论4.1 炸药爆轰过程中发生、发展和持续阶段的理论分析及实验验证由于速度很快和强度很高,除仪器测量之外,人们看不见和摸不着炸药的爆轰过程而无法感受。
但是任何物质的运动都会有其轨迹和留下痕迹,炸药的爆轰也不例外。
大量的爆速沿爆轰方向的分布曲线就是其运动轨迹的记录[1]。
而图1至图6即是其高速运动后在金属上留下的痕迹。
由这些痕迹也能够判断炸药爆轰的全过程:发生、发展、持续和消亡。
研究了爆轰过程的微观特性。
从理论分析和实验两个方面论证了爆轰波是一种具有波长、波幅和频率的波的事实。
并且,由于炸药的种类不同,其爆轰后生成的爆轰波的波长、波幅和频率的大小也不同。
正因为如此,具有这种特性的炸药在与金属接触爆炸以后,其爆轰波的能量就同金属的表面、界面和底面相互作用,而生成相应的表面波形、界・14・图6 锆-2+不锈钢复合管爆炸焊接用两半模内孔(a)和该复合管外形(b)的葫芦状变形注:爆轰方向为二半模自上而下;复合管自左至右面波形和底面波形。
由于爆轰过程在各个阶段的能量,即波长、波幅和频率大小的不同,那些波形的波长、波幅和频率大小也不同。
也正因为如此,由那些表面波形、界面波形或底面波形的波长、波幅和频率的不同,就能够判断爆轰波在传播过程中的各个阶段,以及在这些阶段中的宏观特性。
如图1所示,爆轰波在铝板上传播过后留下了大小不同和类似于双金属界面波形的表面波形:起爆点上的金属表面有变化但无波形,不久出现小波形,随后波形逐渐增大直到爆轰结束。
由于铝板的长度较短和药厚较小,铝板上的表面波形的波长大小尚未稳定。
图2则不同,钛-钢复合板结合区的波形,自爆轰开始后,除自小逐渐变大之外,还可辨认出波形大小基本不变的稳定阶段。
由图1和图2所显示的事实不难推论,在足够长的爆轰距离上,爆轰波有一个发生、发展和持续的过程。
接触爆炸后,在金属板上和金属板内波形大小沿爆轰方向的分布,与炸药爆速大小沿爆轰方向的分布,在论证这个问题上有异曲同工之妙。
4.2 炸药爆轰过程消亡阶段的理论分析和实验验证由图1至图6可见,在接触爆炸的情况下,在爆轰结束位置及其附近,发现了铝板被烧伤,界面波形增大,复合板两侧和前端被打伤、打裂以及减薄率异常增大,还有复合管的外形及其相应的模具内孔的葫芦状变形等现象。
与相应单金属和双金属其余位置相比,这些边部位置的严重变形和破断能够说明什么?毫无疑问,唯一地只能说明作用在这个地方的爆炸载荷要大得多。
在爆炸焊接的名词术语中,上述现象和雷管区(雷管放置位置)复合不良的现象称为“边界效应”。
那么,这种效应是怎样产生的?为了讨论这个问题,先应进行爆轰过程的力学-能量分析。
如图7(A)所示,假设药包长度为0g,其内的炸药被雷管引爆以后,经过一段加速(0a),便以稳定速度vd爆轰(ab),直至结束(b)。
但是由于下述原因,这个速度还得沿b-c-d-e-f-g折线下降为零。
图7 接触爆炸后,沿爆轰方向金属板上 的爆速(A)和能量(B)分布示意图在炸药爆炸后,爆轰波的运动是一种物质的运动。
其速度就是爆速,其质量就是相应的那部分爆炸化学反应后而又未膨胀和处于高温高压下的爆炸产物的质量。
理论上分析,这部分产物的质量和参与爆炸化学反应的那部分炸药的质量相同。
炸药爆炸后的巨大能量主要地就是爆轰波提供的:E1=12m1V d2(1)式中 E1———爆轰波的能量m1———爆轰波的质量・24・V d———爆轰波的速度另外,爆炸产物膨胀后,以1Π4Vd的速度紧随爆轰波运动,其能量是:E2=12m2V22=12m2(14V d)2=132m2V d2(2)式中 E2———爆炸产物的能量 m2———爆炸产物的质量假设m2=m1,则:E2=132m1V d2(3)将上述两种能量比较一下,得:E1ΠE2=16(4)由(4)式可知,爆轰波的能量是爆炸产物的能量的16倍。
根据上述分析和计算不难发现,爆炸焊接条件下炸药爆炸后的能量是由爆轰波和爆炸产物这两种物质的高速运动形成的(爆热对爆炸焊接没有直接贡献),并且前者比后者大得多。
而非通常所认为的仅仅是由爆炸产物的膨胀产生的。
这个观点还有文献佐证。
文献[3]指出,在实施爆炸成形工艺的过程中发现,被成形的板坯经受了两次加载,只是第二次的载荷小得多。
文献[4]在试验中发现,在接触爆炸焊接过程中,复板通常经历二次加速过程。
第二次加速虽然不明显,但普遍存在。
文献[5]也报导,在测试爆炸焊接条件下复板的运动轨迹的实验中发现,这种轨迹是一条二次曲线,而非通常所认为的一次曲线。
上述两次加载、二次加速和二次曲线就是由爆轰波和爆炸产物的先后运动及两次作用造成的。