不同真空度对采用煤粉型低速乳化炸药的T2铜/Q235钢爆炸焊接效果的影响

《Vacuum》：Influence of vacuum degrees on the explosive welding effects of T2 copper/Q235 steel by cenosphere type of low-velocity emulsion explosives

　　

朱荣康|龚月|魏晓|程阳帆

安徽科技大学化学与爆破工程学院，淮南232001，中国

摘要

为了探究真空度对使用浮珠型低速乳化炸药进行爆炸焊接的影响，我们在1、0.7和0.4个大气压的三种不同真空度下对T2铜/Q235钢板进行了实验和数值模拟。系统分析了真空度对界面波形特征、能量传递效率以及微观结构演变的影响。结果表明，增加真空度可以抑制冲击波的传播并减弱空气冲击波，从而提高能量向飞板的传递效率并减少能量损失。因此，更多的动能转化为界面塑性变形，导致界面波形从细密变为粗糙。在高真空条件下形成的金属喷射流具有更强的自清洁和冲刷作用，能够更有效地清除界面处的高温熔融物质。同时，由于绝热空气压缩导致的外部热输入减少，使得界面能够获得更高的瞬时冲击内能，同时产生更窄的热影响区和更致密的过渡层。此外，复合板的最终抗拉强度随着真空度的增加而逐渐提高。本研究展示了真空和浮珠型低速乳化炸药在提高异种金属爆炸焊接质量方面的协同效应。

引言

爆炸焊接是一种固态连接技术，它利用可控爆炸的能量将一块金属板加速撞击到另一块金属板上，从而形成冶金结合[1]、[2]。这项技术已广泛应用于军事、航空航天、建筑施工和能源设备等相关领域，因为它能够实现异种金属的高强度连接，并且热影响区较小[3]、[4]。作为爆炸焊接的唯一能量来源，炸药的爆炸性能直接决定了飞板的撞击速度和撞击角度，从而控制着界面微观结构和焊接质量[5]、[6]。在这些参数中，爆炸速度是选择用于焊接应用的炸药的主要标准。过高的爆炸速度（D > 6000 m·s^-1）容易在界面处形成厚熔融层和脆性的金属间化合物，从而严重降低复合板的机械性能[7]。先前的研究表明，在2000-3000 m·s^-1的爆炸速度范围内可以实现高质量的焊接界面[8]。因此，精确控制爆炸速度和开发低速炸药对于实现高质量爆炸焊接至关重要。

乳化炸药由于其高安全性、低成本和易于调节的爆炸性能，已成为理想的爆炸焊接能源材料[9]。目前，主要通过加入惰性稀释剂或高孔隙率敏化剂来降低爆炸速度。玻璃微球是最常用的添加剂之一。Sil’vestrov等人[10]通过加入大量玻璃微球制备了一种爆炸速度为2000-3000 m·s^-1的低速乳化炸药，并成功应用于小直径管道和钢环的焊接。Tian等人[11]同时使用玻璃微球作为敏化剂和稀释剂，当玻璃微球含量达到25%时，乳化炸药的爆炸速度降至2500 m·s^{-1-3，得到了低速配方。除了玻璃微球，还研究了其他添加剂。Xia等人[13]使用NaCl作为稀释剂，开发了一种爆炸速度为2200～2400 m·s-1的低速乳化炸药，并成功应用于铝/钢的焊接。在选择低速乳化炸药的添加剂时，环境可持续性已成为一个新兴趋势。粉煤灰是燃煤电厂产生的主要固体废物，其大规模积累引发了严重的环境问题[14]、[15]。浮珠是粉煤灰中存在的轻质空心微球，具有低成本、低密度和稳定的物理化学性质等优点[16]、[17]。用浮珠替代传统的玻璃微球作为敏化剂和稀释剂，不仅有效提供了热点并降低了爆炸速度，还促进了粉煤灰的资源利用。我们研究小组的初步研究[18]证实，用浮珠敏化的乳化炸药表现出稳定的爆炸性能。由于浮珠本身也是惰性材料，因此在制备用于爆炸焊接的低速乳化炸药方面也有应用潜力。}

在爆炸焊接过程中，焊接环境中的气体介质是影响焊接质量的另一个关键因素[19]。在爆炸焊接过程中，如果界面空气未能完全排出，会导致绝热压缩，产生高温，从而导致界面熔化和缺陷。此外，气体冲击波可能引起管道效应，导致复合板尾部变形甚至失效[20]。为了解决这些问题，研究人员探索了各种焊接环境。Zeng等人[21]发现低密度氦气可以促进更稳定的界面波形的形成，并有效抑制氧化物的生成。Jáňa等人[22]研究了真空条件下的复合板焊接质量，报告称真空环境减少了氧化物的积累和界面裂纹。Li等人[23]通过数值模拟和实验表明，真空条件有效抑制了爆炸焊接过程中间隙气体冲击波的生成。

本研究重点关注了不同真空度对使用浮珠型低速乳化炸药进行T2铜/Q235钢界面形成机制的影响。通过微观结构分析、机械测试和数值模拟相结合的方法，系统研究了T2/Q235复合板爆炸焊接后的界面特性和机械性能，为在低速乳化炸药中利用粉煤灰浮珠以及发展真空爆炸焊接技术提供了理论支持和实践指导。

章节摘录

实验材料与结构表征

使用激光粒度分析仪（Mastersizer 2000，Malvern，英国）和扫描电子显微镜（VEGA3，TEScould，捷克共和国）对浮珠（河南巩义鸿乐矿物制品有限公司生产）的粒度分布和微观结构进行了表征。结果如图1和图2所示。浮珠的中位粒径（D₅₀）为79 μm。图2(b)显示了破碎后的浮珠形态，清楚地展示了它们的空心结构。

T2/Q235复合板界面的金相分析

为了研究不同真空度下T2/Q235复合板的界面微观结构，从复合板的中心区域提取了矩形试样。经过研磨和抛光后，使用金相显微镜观察了T2/Q235界面。相应的金相图像如图7所示，在1、0.7和0.4个大气压的真空条件下，T2/Q235复合板形成了起伏的界面形态。

结论

本研究开发了一种浮珠型低速乳化炸药，并通过实验和数值模拟系统研究了真空度对T2铜/Q235钢复合板爆炸焊接行为的影响。主要结论如下：

增加真空度减少了周围空气介质，抑制了冲击波的传播，降低了能量损耗，从而使更多的爆炸能量

作者贡献声明

朱荣康：撰写——原始稿件、方法论、正式分析。龚月：撰写——审阅与编辑、可视化、验证。魏晓：调查、数据管理。程阳帆：撰写——审阅与编辑、监督、资源提供

数据可用性声明

本研究中使用和分析的数据集可在合理请求下从相应作者处获得。

利益冲突声明

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致谢

本工作得到了国家自然科学基金（编号：12572409；12272001；52304201）的支持，作者们感谢这些基金会的财政支持。