爆炸焊接的原理与规律解析

平板爆炸焊接平行布置是工程中最常见的爆炸焊接形式。放置在上面的金属板称为覆板或飞板，下面的称为基板。在覆板上敷设一定厚度的炸药；为防止炸药爆炸时产物的高温烧伤覆板板面，通常在覆板上涂装防护层。基板与覆板间用支撑物保持相等宽度间隙，工程上称之为架高或炸高；间隙的作用是提供加速距离，以使覆板在爆炸驱动下达到一定可焊程度。

当炸药在一端被引爆后，炸药中的爆轰波以爆速D沿覆板板面传播。爆轰波传播过后，波后的高压爆轰气体剧烈膨胀，压力驱动覆板快速弯折加速向下运动，直到与基板发生倾斜碰撞。倾斜碰撞的结果会在基板与覆板之间产生一股金属射流，射流可以带走板材结合接触部分的氧化物与污物，起到焊接“自清理”作用。在碰撞点附近的极高压力与变形量以及高速变形产生积累的热量共同作用，使基板与覆板之间完成冶金结合，形成爆炸焊接。

1.爆炸焊接中波纹的形成

爆炸焊接的典型特点是金属接合区的波浪形剖面，如图5-3所示。在爆炸焊接的特殊条件下，已焊接材料的分界面是接触间断面，把抛掷板件的动能转化为塑性变形功的最有利形式之一，就是波纹形成的过程。它反映了残余变形较严格的周期性和规律性。

波纹形成的条件如下。

（1）板件碰撞应发生于亚声速状态，即接触点速度Vk应当低于相互碰撞板件材料中的声速。

（2）接触点邻近区域中的压力应显著高于相互碰撞板件材料的强度，这个条件可用如下不等式做解析表达：

式中，H1和H2分别为相互碰撞两个板件的硬度。

图5-3　爆炸焊接中的波浪形剖面

（3）碰撞角γ应大于某个最小值γmin=6°～7°。

2.爆炸焊接中射流的形成

爆炸焊接中碰撞的方式类似于形成平面射流的平板斜碰撞，但在进行爆炸焊接的相关参数Vk、γ范围内，一般不会形成稳定的射流。在接触点前方并不形成密实的聚能射流，而是形成离散粒子的气团，虽然其生成机制与密实射流相同。离散射流的初始厚度大约相当于金属板表面微不平度的高差，因此在爆炸焊接的典型碰撞状况下没有理由预期会形成密实的聚能射流。

3.爆炸焊接中接合的形成(www.xing528.com)

爆炸焊接接合的必要条件主要包括以下三个方面：待焊接表面的自清理、爆炸焊接参数区域的下界条件以及爆炸焊接参数区域的上界条件。

1）待焊接表面的自清理

爆炸焊接中存在自清理过程，其原因是离散的聚能气流的形成。在发生强烈塑性变形的同时，待接合板件表面层发生活化，这也是形成牢固接合所必需的。图5-4所示为接合区中离散聚能射流的流动示意图。

图5-4　接合区中离散聚能射流的流动示意图

H—细晶粒结构层；E—拉长晶粒结构层；a—被抛掷板件；
b—不动板件；c—离散聚能流；d—氧化物和吸附气体组成的表面

2）爆炸焊接参数区域的下界条件

目前计算下界的经验公式中应用最广泛和最有根据的是

式中，HV为材料的维氏硬度。具有不同硬度的两种金属材料进行焊接时，要采用较软金属的硬度值；两种性质相差很大的材料焊接时，应采用两种材料硬度的平均值。

3）爆炸焊接参数区域的上界条件

斜碰撞板件的速度增大时，接合区中塑性应变强度上升，释热功率增强，可能使板件表面层熔化，然后通过热传导，热量向金属板内传输，导致熔化区的凝固。卸载过程与这些热物理过程同时发生，随着接触点远去，高压缩应力区转变为拉伸应力区。如果在所考察点处这个转变发生在熔化物凝固之前，焊接接合将受到破坏。因此，爆炸焊接区的上界可由如下条件规定：

式中，t1为所考察点处压缩应力的存在时间；t2为熔化金属的凝固时间。