爆炸焊接和爆炸复合材料

1爆炸焊接和爆炸复合材料金属爆炸焊接是介于金属物理学、爆炸物理学和焊接工艺学之间的一门边缘学科，爆炸焊接又是用炸药作能源进行金属间焊接和生产金属复合材料的一种很有实用价值的高新技术。它的最大特点是在一瞬间能将相同的、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。1爆炸焊接的过程将炸药、雷管、覆板和基板在基础（地面）上安装起来。当置于覆板之上的炸药被雷管引爆后，炸药的爆炸化学反应经过一段时间的加速便以爆轰速度在覆板上传播。随着爆轰波的高速推进和爆炸产物的急骤膨胀，炸药化学能的大部分便转换成高速运动的爆轰波和爆炸产物的动能。随后该动能的一部分传递给覆板，从而推动覆板向基板高速运动。在两板之间的空气迅速和全部排出的同时，覆板和基板随即在接触点上依次发生撞击。在这个过程中，在两板间的接触面上，借助波的形成，一薄层金属由于倾斜撞击和切向应力的作用而发生强烈的塑性变形。在此过程中又借助于金属塑性变形的热效应将覆板高速运动的动能的90％～95％转换成热能。如此大量的热能在近似绝热的情况下促使塑性变形后的金属的温度升高。当此温度达到其熔点以后，就会使紧靠界面的一薄层塑性变形的金属发生熔化。剩余的热能还会使部分塑性变形的金属发生回复和再结晶，并使双金属整体的温度升高。由金属物理学的原理可知，在爆炸焊接过程中，由于不同金属间的高的浓度梯度，界面上的高压、高温和高温下金属的塑性变形及熔化等条件的存在及其综合作用，必然导致基体金属原子间的相互扩散。这样，当界面上那一薄层塑性变形的和熔化了的金属迅速冷凝后，便在界面上形成了包括金属塑性变形特征、熔化特征和原子间相互扩散特征的结合区。此结合区就是2种金属之间的焊接过渡区，亦称焊接接头。众所周知，爆炸焊接双金属的结合区在一般和正常的情况下还具有波形特征（图2）。此波形的形成与爆炸载荷在金属中和界面上的波动传播有关，并且不同强度和特性的金属材料，在不同强度和特性的爆炸载荷作用下，发生不同强度和特性的相互作用──冲击碰撞，便在结合界面上形成不同形状和参数（波长、波辐和频率）的波形。实际上，用爆炸焊接法生产的爆炸复合材料的冶金结合，就是在上述结合区金属的塑性变形、熔化和扩散等冶金过程中形成的。由此推论，爆炸焊接是以炸药为能源的压焊、熔焊和扩散焊“三位一体”的一种金属焊接的新工艺及新技术。也许，正因为如此，爆炸焊接作为一种新的焊接技术具有非常好的焊接性。上述就是爆炸焊接的金属物理学原理。2爆炸焊接的特点爆炸焊接和用爆炸焊接技术生产的金属复合材料有如下特点和优点：（1）爆炸焊接工艺的实施需要一些专用设备和金属材料、炸药和爆炸场地（采石场），以及一些辅助工具，就可以进行任意组合和相当尺寸的金属复合材料的生产。（2）爆炸焊接工艺要求参加此项工作的人员必须安全教育和进行专门的培训。（3）爆炸焊接的能源是廉价的炸药与生产金属复合材料的其他技术相比，其成本低，经济效益显著。（4）板与板，板与管，管与管，管与管板，管与棒，板与棒，棒与棒，粉末与粉末，粉末与板，管和棒，丝与丝，比与板和管以及异形件都可以爆炸焊接。（5）覆层材料和基层材料都可以根据实际需要而任意选择。2（6）覆层材料和基层材料的厚度及其厚度比，也可以根据实际需要任意选择。以复合板为例，覆板材料的厚度可为0.01～50mm，基板的厚度可为0.01～500mm。基板和覆板的厚度比可为1:1～10:1。（7）单块复合板的面积可达数十m3，质量可达数十t，用其制造的设备可达数百t。（8）爆炸焊接的覆层和基层材料之间为冶金结合，其结合（抗剪）强度数据高于或相当于两者中强度较低者的抗拉强度数据。（9）爆炸复合材料可以承受多次和多种形式的压力加工（如轧制、冲压、旋压、锻压、挤压和拉拢等），机械加工（如切割、切削、校平、校直和成形等），以及热处理、焊接和爆炸成形等后续加工，而不致分层和开裂。（10）许多爆炸复合材料在经过适当的机械加工（如平板）和热处理（如退火）后就是产品。如果将其坯料进行后续的压力加工，就能够获得更大或更小、更长或更短、更厚或更薄、更粗或更细以及异型的复合材料。例如，将爆炸焊接的钛－钢和不锈钢－钢的复合板坯进行轧制，便能获得更长、更宽、更薄的复合中板及薄板。（11）爆炸焊接后，表面、基体和整体材料都有不同程度的硬化和强化。这种硬化有利于覆层材料耐蚀性能和耐磨性能的提高。这种强化有利于复合材料的强度设计。（12）爆炸复合材料可以是双层、三层和多层。三层如钛－钢－不锈钢、钛－钢－镍，不锈钢－钢－镍等。这类复合材料的两侧有不同的表面性能。（13）爆炸复合材料的形状和形式很多，如复合板材、复合带材、复合箔材、复合管材、复合棒材、复合线材、复合型材、复合锻件和复合粉末。还可以用这些复合材料制成复合零件、复合部件和复合设备。（14）爆炸焊接法还能使金属与陶瓷、塑料和玻璃等非金属焊接在一起而组成复合材料。（15）爆炸焊接可以在地面、坑道、矿井、真空、高空、水下和宇宙中进行。（16）用爆炸焊接或爆炸焊接+压力加工工艺获得的复合材料有更好的使用性能。例如，镀铂钛材作为外加电流的防腐装置的阳极在大型船舶和海洋工程中有大量的应用〔1〕。然而，用电镀法制作的镀铂钛的铂镀层与基体钛结合不牢，会产生脱铂现象。用爆炸焊接+轧工艺获得的铂－钛阳极，能满足其技术条件的要求。快速寿命试验表明镀铂钛材的试样在水和盐酸中煮沸1次即起皮，2次有脱落，3次铂镀层脱光。而用爆炸+轧制工艺获得的试样，煮沸30次后仍未脱落。由此可见爆炸焊接工艺比电镀工艺优越得多。（17）爆炸焊接的理论基础，主要建立在金属物理学、爆炸物理学和焊接工艺学的基本原理之上，爆炸焊接的理论和实践也为它们增添了新的篇章。不言而喻，爆炸焊接如此多的特点和优点，既是它独立存在的原因，又是它获得广泛应用和迅速发展的动力。相信随着时间的推移，爆炸焊接的特点和优点将会越来越充分地显现出来。应用科学和技术科学百花园中的这朵鲜花，将会绽开得更加绚丽多彩。3爆炸焊接的应用爆炸焊接和用爆炸焊接技术生产的金属复合材料的应用范围可归纳为如下几个方面。（1）爆炸焊接提供了一种新的焊接工艺和技术气焊、电焊、氩弧焊、扩散焊、摩擦焊、激光焊、超声波焊、电子束焊和等离子弧焊等各有特点和优点，都有一定的意义和应用价值。然而，这些工艺也有某些缺点和局限性。例如，有些需要昂贵的设备、复杂的工艺和苛刻的技术。特别是异种金属间的焊接更是复杂的课题，这些工艺所能焊接的金属组合和被焊材料的尺寸是相对有限的，焊接接头的强度与基体材料的强度比较起来并不都能令人满意。3相比而言，爆炸焊接有许多优越之处。如上所述，爆炸焊接不仅为简单、迅速、有效地进行高质量、大面积和多种形式的金属（特别是不同金属）间的焊接提供了一种不可替代的新工艺，而且它还是一种能快速上马、迅速应用、投资少和经济效益显著的新技术。大量事实说明，爆炸焊接是焊接技术的一大发展。（2）爆炸焊接提供了一种新的复合材料的生产工艺金属复合材料的生产方法很多，如叠轧不地、堆焊法、浇注法、电镀法、涂层不地、共挤压法、共拉拔法、气相沉积法和粉末冶金法等。而爆炸焊接为任意金属组合的复合材料的生产，提供了一种简单、价廉、迅速、有效和适用范围广泛的新工艺及新技术。（3）爆炸复合材料提供了一套新的复合结构材料系统该复合结构材料系统的组成之一见表1。此外，还有三金属、四金属以及多金属复合材料。表中，纯金属还包括它们的合金，“钢”也包括普通钢、合金钢和低合金钢，不锈钢的种类也有100多种。表1双金属复合材料覆层材料基层材料钛钢、不锈钢、铜、铝、镍、锆、铪、铌、钽、钨、钼、金、银、镁、铍或锂等不锈钢钢、铜、铝、镍、锆、铌、钽、钼、银、因瓦合金、因科镍或哈斯特洛依等铜钢、铝、镍、锆、铌、钽、钨、钼、金、银、镁、锡、铀、钍、锌、铍、超导合金、因瓦合金或可伐合金等铝钢、镍、锆、铌、钽、银、铍、锂、镁、锌或可伐合金等镍钢、锆、铪、铌、钽、钨、钼、铑、金、银、镁、因科镍、因瓦合金或可伐合金等钨钢、钒、铍、铌、钽、锆或钼等钼钢、铌、钽或锆等铌钢、锆或钽等钽钢、金或钴等锆钢或钴等因科镍钢、锆、钼或哈斯特洛依等，还有铅－钢品种和规格繁多、形状和尺寸各异的金属爆炸复合材料，如钛－钢，不锈钢－钢，铜－钢、铝－钢、镍－钢、铜－铝、金－银金（铜）镍－铜镍、钛－钢－不锈钢等双金属和多金属的板、管、管板、板管、管棒、带材、箔材、线材、型材、锻件、粉末和异型件等，为生产和科学技术提供了一整套具有特殊物理和化学性能及有广泛用途的复合结构材料系统。这个系统中的材料按性质和用途可分类如下。a)充分利用金属化学性能的复合材料钛、锆、铌、钽、钨、钼、铜、铝、镍、贵金属和不锈等，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较为广泛地应用在化工和压力容器中。b）充分发挥金属物理性能的复合材料这类材料包括热双金属（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），涡轮叶片双金属（耐汽蚀性能），枪（炮）管双金属（耐烧蚀性能），贵金属复合触点材料（耐电蚀性能），复合磁性材料（磁学性能），复合超导材料（超导性能），以及复合原子能材料（核性能）等。c)充分增强金属力学性能的复合材料这类材料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（如铝－钛、铝－镁、铝－铍、铝－锂、钛－镁、钛－铍、钛－锂等）。4d)其他特殊用途的复合材料这类材料的代表有3层复合材料。它们的中间为与被焊结构材料相同的材料，两侧为钎料。钎焊后除将多接头的结构件（如汽车散热器）牢固地焊成一体外，还起加强作用。又如核燃料铀和钍的数量少、体积小、强度低，为了提高其刚度和达到其他目的，将其与铜组成复合材料后作为重离子的靶子。在美国，为了降低和取消3种硬币中银的含量而大量地使用了爆炸焊接的银铜镍复合坯料。总之，用爆炸焊接不物爆炸复合材料的品种和数量庞大，形状和类型很多，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、物理及力学性能展现了无限广阔的前景。由此可见，爆炸复合材料是材料科学及其工程应用的一个新的发展方向。在国民经济实现材料领域的可持续发展中，大量生产包括爆炸复合材料在内的各种复合材料将成为一项重要的举措。（4）用爆炸焊接法制造异种金属的过渡连接头用爆炸焊接法能够制造异种金属的搭接、对接和斜接的板接头、管接头及棒接头。也可用爆炸复合板、复合管和复合棒来加工成这类连接头。这种过渡接头的应用实质上是变不同金属的焊接为相同金属的焊接，从而为工程技术中出现的异种金属的过渡连接问题提供一个很好的手段和解决方法。例如，锆–2+不锈钢管接头的两端分别与同种管材用常规焊接工艺焊接起来之后，放入反应堆内的锆–2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。与此相似的还有锆2.5铌－不锈钢、钼－不锈钢和因科镍－不锈钢的管接头。此外，还有电冰箱内使用的铜－铝管接头，宇宙飞船上使用的钛－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，以及电力、电子和电化学工业中使用的钛－铜、钛－铝、钛－不锈钢、铜－钢、铝－钢和铝－不锈钢等导电材料的板（管、棒）接头。上述过渡接头主要用于异种结构材料和异种导电材料的过渡连接。事实证明，爆炸焊接为制备任意两种和多种金属、两层和多层金属，以及多种形状的过渡接头开辟了广阔的道路。（5）爆炸焊接与压力加工工艺相联合这种联合实际上是爆炸焊接的延伸、充实和发展。它为克服爆炸焊接自身在形状和尺寸上的限制，以生产更大和更薄、更长和更短、更粗和更细以及异型的复合材料及零部件又开辟了一条新的途径。同时，这种联合还是传统的压力加工工艺、技术和产品的丰富及发展。大量事实表明，爆炸焊接与多种压力加工工艺以及多种机械加工工艺的联合是历史发展的必然趋势。这种联合能够生产出不同品种、