爆炸焊接：基本形式与参数详解

爆炸焊接采用两种基本的工艺形式：待焊接板件相互形成一定角度α的布置，以及焊接件相互平行的布置，如图5-5所示。

炸药层爆轰时在膨胀爆炸产物的高压力作用下，被抛掷板件各个段落相继获得量级为数百米每秒的速度V0，相对于其原始位置发生转动，并与相夹一定碰撞角度γ的不动板件碰撞。碰撞过程中两者的接触点沿不动件表面以速度Vk移动。由于高速碰撞接触区内产生高压，对待接合表面能进行及时清理，提高其活性并形成接合。爆炸焊接得到的两板接合界面具有典型的波纹形状，然而迎面碰撞的接合不会形成波纹。

图5-5　爆炸焊接形式

（a）待焊接板件相互成一定角度的布置；（b）待焊接板件相互平行的布置
1—被抛掷板件；2—不动板件；3—抛掷用炸药装药；4—起爆系统；5—基座

1.爆炸焊接过程的运动学参数

爆炸焊接过程的运动学参数主要包括板件抛掷速度V0、抛掷板件单元的转动角β、碰撞角γ、接触点运动速度Vk。

以下为这些参数的计算方式：

在板件初始相互平行布置的情况下：Vk=D，γ=β

在板件之间有一定夹角的布置情况下：Vk=Dsin β/sin γ，γ=α＋β

板件抛掷速度V0：

抛掷板件单元的转动角β：

以上各式中，D为爆轰速度；r为载荷系数；k为与装药有关的常数。

2.爆炸焊接过程的动力学参数

1）碰撞压力p

（1）正面碰撞近似。

如果已知材料的冲击绝热线为冲击波速度与粒子速度之间的线性关系式，则未知的碰撞压力可以由（p，u）平面上两条冲击绝热线的相交点确定。板件界面处粒子速度u则由下面二次代数方程式的解确定：(www.xing528.com)

式中，a1、a2和b1、b2为相碰撞两个板件材料的冲击绝热系数。引入记号：

则可得出

（2）流体动力学计算模型。

在与接触点相固结的坐标系中，板件碰撞的过程等价于两股射流的定常碰撞。两股理想不可压缩流体对称碰撞时，按流体动力学近似计算的滞止点处最大压力，可由如下伯努利公式确定：

引用文献中计算得到的碰撞面上压力分布的参数形式的关系式：

式中，t为参数；x为碰撞面上从接触点K起算的位置坐标。

2）接合区内压缩应力的作用时间

亚声速斜碰撞情形中，离接触点一定距离处工件中拉伸应力将替代高压缩应力。接合区中拉伸应力出现的时间t1可以由式（5-11）确定：

式中，G为板件材料的剪切模量。实际计算中往往假设

通过变更装药高度和焊接间隙值来变动Vk，从而可以控制时间t1。

3）接合区的温度

爆炸焊接时金属接合的过程伴随着接合区内温度的急剧升高，金属的加热主要起因于其在接触区内的塑性变形。对板件加热具有决定性作用的因素是：动态压缩中金属的绝热加热，由于板件之间空气快速压缩以及板与板之间的摩擦对金属的预加热。接合区内温度的实验测量结果表明，爆炸焊接中发生加热的金属表面层厚度为10～70 μm，加热温度达到700～1 450℃。