復合板爆炸焊工藝研究現狀及展望

李星昆， 何建萍

(上海工程技術大學 材料工程學院， 上海 201620)

爆炸焊是通過炸藥爆炸產生能量，短時間內復板與基板發(fā)生碰撞變形，進而達到原子間結合，形成永久固相結合的一種焊接技術[1]。隨著工業(yè)技術的不斷進步，對材料的綜合性能要求也越來越高，這就不得不提到金屬復合板材料。這種材料通常由不同金屬或合金焊接而成，具有單一金屬難以具備的綜合性能。例如，同時具有低密度、耐腐蝕、耐沖擊、較高的抗拉強度等綜合性能。目前已有一大批爆炸焊制備的復合板應用到各行各業(yè)中：Al/Cu復合板主要用于生產各種電氣產品，如電連接器[2-4]；Ti/Al復合板以高比強度主要用于航空器件[5-6]；Al/Mg異種材料主要應用于汽車輕量化和航空航天等[7-8]；Cu/Fe復合材料由于其優(yōu)異的導熱、延展性能和高比強度，常用于核工業(yè)[9]；Cu/Ti/Fe和Gr/Fe復合板以其優(yōu)異的耐腐蝕性能常用于化學反應器的腔室制作[10]；Ti/Fe復合板具有較好的經濟效益和耐腐蝕性，常用于火電廠濕煙囪改造工程[11]；超過260多種板材已通過爆炸焊工藝獲得了優(yōu)良的焊接接頭[12]。由此可見爆炸焊制作的復合板對于工業(yè)生產至關重要。

當前大面積復合板爆炸焊研究主要集中于以下幾個方面：特殊材料的爆炸焊工藝及缺陷控制研究；工藝參數對焊縫成形、微觀組織及力學性能的影響。由于爆炸焊接過程具有瞬時性和復雜性，人們在通過實驗及相關設備來觀察、研究爆炸焊接過程時，效果十分有限[13]。相對而言，基于計算機的復合板爆炸焊數值模擬，可縮短工藝試驗周期，降低成本，同時還可以較好地分析焊接過程。因此基于數值模擬分析的爆炸焊工藝研究成為當今國內外學者的研究熱點[14]。

筆者結合近幾年的文獻，從爆炸焊工藝實驗和數值模擬分析的角度，著重回顧了大面積復合板的成形質量、微觀組織和力學性能的研究進展，總結、歸納了當前研究的一些短板，并對未來的深入研究方向做了展望。

1 復合板爆炸焊成形質量研究

復合板爆炸焊接在不同的工藝條件下會產生不同的焊接接頭界面，爆炸焊成形界面主要有4種：脫落型界面、平坦型界面、波浪型界面和撕裂型界面[15]。當爆炸焊能量不足以使基復板之間建立有效連接時，就會形成脫落性界面，該平面典型的特征是焊縫不連續(xù)，基板與復板部分結合。平坦型界面的特點是界面上可以看到平直、清晰的結合線。結合線2側的金屬成分急劇變化，基體金屬直接接觸和結合，沒有明顯的塑性變形或熔化等微觀組織形態(tài)。波浪型界面的特點是接頭的結合區(qū)會轉變?yōu)橛幸?guī)律的波浪形；實驗研究表明波浪型界面同時具備原子間結合和機械咬合的作用而擁有優(yōu)異的力學性能[16]。當焊接工藝參數超過爆炸焊工藝窗口后，往往形成撕裂型界面。顯微組織分析可發(fā)現結合界面存在大量空洞、裂紋等焊接缺陷。經驗數據表明工藝參數是影響焊接界面成形的重要因素。

針對爆炸焊界面形貌，不同學者通過設計工藝試驗，研究爆炸焊接成形規(guī)律。如，Arab等[17]6采用爆炸焊工藝，主要展開了基復板間距對爆炸焊接鋁合金和CoMnCrFeNi高熵合金成形質量的影響。研究中，復板與基板的間距為1 mm時，焊接界面處出現了約1.8 μm的過渡層，獲得了平坦型界面結合。但當間距拉大到2 mm和3 mm時，界面出現了局部熔化，連接界面呈現由平坦型往波浪型界面轉變的特征。劉瑞等[18]采用爆炸焊工藝，針對基復板間距對鈦-鋼薄板焊接成形的關系展開了研究。研究結果表明：隨著基復板間距增大，焊接界面由小波浪型向大波浪型界面轉變，最后變?yōu)樗毫研秃缚p界面。Loureiro等[19]260采用了爆炸焊工藝，研究了炸藥比率和炸藥敏化劑對鋁-銅復合板焊接的影響。實驗結果表明：隨著炸藥比率(即爆炸載荷)的增加，由Cu-Al中間相組成的焊縫熔融區(qū)面積會增加，焊縫波浪型界面有所擴大，變?yōu)榇蟛ɡ诵徒缑妫徊捎每招牟Ａ⑶蜃鳛槊艋瘎┑谋Z速度較為穩(wěn)定，易獲得均勻一致的波浪型界面。Liang等[20]121采用水下爆炸焊方法，研究了炸藥厚度與焊縫成形的關系。研究選擇了非晶材料和鋁板進行焊接，用水作為緩沖層來傳遞爆炸能量和保護復板。試驗結果表明：當炸藥厚度為30 mm時，形成了平坦型焊接接頭，界面處出現了7 μm厚的擴散層；隨著炸藥厚度的增加，并未獲得波浪型界面，而是形成撕裂狀界面。Ren等[21]針對鋼和鎢合金的爆炸焊展開研究，計算了可焊性窗口，通過工藝試驗發(fā)現：隨著爆炸載荷的增加，焊接界面從平坦型向波浪型轉變；當爆炸載荷超過計算窗口上邊界后，在焊接界面處有一個熔化區(qū)，并伴有可能在界面處擴展的微裂紋。董剛等[22]采用爆炸焊工藝，研究了鋪藥方式與焊接界面波的關系。研究表明：炸藥厚度相同的情況下，獲得的界面呈現波形不一致，末端波形尺寸嚴重大于前端波形；炸藥厚度不同時，即梯形布藥可以有效消除爆炸焊碰撞壓力不均勻的情況，使界面波形尺寸基本保持一致。

2 復合板微觀組織和力學性能研究

1959年美國人Philipchuk首次通過爆炸焊技術將鋁板和鋼板焊接在一起，這一事件標志著爆炸焊成功進入了工程應用[23]。之后，法國、英國、德國和前蘇聯等傳統(tǒng)工業(yè)強國針對該技術進行了廣泛研究。當前主要針對鎂鋁合金、高溫鎳基合金和鈦合金等新型材料展開焊接工藝研究，以期獲得優(yōu)質的焊縫接頭。

很多學者對不同材料焊接的微觀組織和力學性能作了研究。張婷婷等[24]分析了由爆炸焊制備鎂-鋁復合板微觀組織特征，結果表明：在鎂板一側出現了呈45°方向的絕熱剪切帶，該區(qū)域由細小的等軸晶組成；焊縫中心形成了金屬間化合物，顯微硬度最高；焊縫2側均出現了明顯的加工硬化。拉剪試驗結果表明：斷裂沿波狀結合面方向，強度約為93.3 MPa。陳凱等[25]通過爆炸焊工藝對鎳基合金和低碳鋼進行了研究。結果表明：波狀界面旋渦區(qū)主要由表層等軸晶和內部樹枝晶組成，并在其中夾雜一些氣孔和微裂紋。顯微硬度顯示：其結合面附近由于發(fā)生強烈的塑性變形，鎳基合金一側的硬度明顯提高，約為母材的3倍。Zu等[26]采用爆炸焊工藝對鈦-鋼復合板焊接進行了研究，其研究結果表明：當形成波狀界面時，其界面會形成一些不連續(xù)、形狀不規(guī)則的金屬間化合物(FeTi和Fe2Ti)；剪切試驗表明，其強度為334 MPa。

此外，部分學者從工藝參數層面探討復合板焊接的微觀組織及力學性能的影響規(guī)律。如Zeng等[27]采用爆炸焊工藝，研究了氣態(tài)介質對鈦-鋼爆炸焊接復合板界面組織和力學性能的影響。研究結果表明：在氦氣保護下的焊縫界面出現了少量固溶體，沒有發(fā)現裂紋；在氣態(tài)介質為空氣的焊接中，一部分固溶體被氧化，形成脆性雜質，且在冷卻過程中因內應力而形成裂紋；另外，氦氣保護下的試樣(393.8 HV)高于空氣保護下的試樣(320.2 HV)，抗剪強度從約420 MPa增加到約490 MPa，抗拉強度從500 MPa增加到550 MPa?？梢?，氦氣可以明顯提高鈦-鋼復合板焊接接頭質量。Arab等[17]5采用爆炸焊工藝，針對基復板間距對鋁板和高熵合金板(CrMnFeCoNi)焊接的成形質量的影響展開了研究。研究結果表明：當基復板間距為1 mm，被焊件可以獲得優(yōu)質的焊縫接頭；金相照片顯示鋁板、過渡層和高熵合金在原子尺度上連接在一起，沒有任何裂紋和缺陷；但當基復板間距的增加到2 mm和3 mm時，裂紋開始出現在高熵合金一側，寬度達到10 μm；顯微硬度測試結果顯示過渡層硬度為120 HV，鋁板側出現了一定的加工硬化，高熵合金側硬度無明顯變化。Loureiro[19]266針對銅-鋁爆炸焊展開了研究，顯微組織分析表明：爆炸載荷越大，焊縫界面的空洞和裂紋現象越嚴重，且焊接界面處出現了金屬皮剝離現象，以不規(guī)則小顆粒的形式鑲嵌在焊縫中；另外，鋁的塑形變形程度大于銅一側；顯微硬度測試顯示鋁一側的硬度大于銅一側。梁漢良等[20]116采用爆炸焊方法，探究鋪藥厚度與鋁-非晶合金的焊接接頭微觀組織和力學性能的關系。研究發(fā)現：當鋪藥厚度為20 mm時，焊縫呈現平直型界面，基板與復板間形成了7 μm的過渡層；隨著鋪藥厚度的增加，過渡層增加為10 μm，同時裂紋開始在過渡層萌生，并向非晶合金一側擴散；電子衍射分析焊縫處，顯示由晶格結構和不明顯的環(huán)組成的混合相，在非晶合金側，圖像僅具有光環(huán)，表明其在焊接后仍然保持了非晶結構；顯微硬度測試表明鋪藥厚度與其硬度變化無明顯規(guī)律，焊縫2側均出現了一定的加工硬化現象。

3 復合板爆炸焊數值模擬研究

研究爆炸焊的結果表明：數值模擬技術在研究其焊接過程、分析界面波成形機理方面起著至關重要的作用。通過對數值模擬展開研究，可以指導工業(yè)生產中的焊接工藝試驗，進而可縮短工藝實驗周期，降低生產成本，方便廣大生產者快速制定焊接工藝，推動爆炸焊的發(fā)展。

Yuan等[28]采用SPH法對Al-AZ31B的爆炸焊過程進行了數值模擬，模擬結果清晰顯示出界面波形和爆炸焊過程中的金屬射流情況。劉江等[29]采用SPH法從二維的角度重現了實驗中的射流和界面波生產現象；分析了塑形變形、結合點應力、以及溫度等參數隨時間的變化規(guī)律。李曉杰等[30]采用SPH方法對鋼板進行了焊接模擬，得到了清晰的爆炸焊接界面波形貌，且試驗誤差與碰撞速度成反比。李繼紅等[31]針對鈦/鋼復合板爆炸焊展開了模擬研究，結果表明大面積復合板焊接時采用中心引爆的方式更為合理。閆建文等[32]采用SPH法數值模擬，針對炸藥鋪覆厚度對焊接質量的影響展開了模擬研究。結果顯示：采用厚度遞減的鋪藥方式有助于使界面波形狀尺寸基本保持一致，同時節(jié)省了炸藥用量。廖廣紅等[33]借助LS-DYNA軟件結合SPH-FEM耦合的方法，對基復板間距對鈦-鋼復合板爆炸焊接質量研究。其研究結果表明：在工藝窗口內，隨著基復板間距的增加，焊接界面由平坦型向大波狀界面轉變，模擬結果和試驗結果基本一致，模擬結果顯示當間距處于6.5～8.5 mm時，焊接質量優(yōu)異。

4 復合板爆炸焊總結及展望

為了獲得焊接接頭成形良好、力學性能優(yōu)異的大面積復合板成形件，已有一大批科研人員從工藝試驗和數值模擬的角度對復合板爆炸焊展開了研究。筆者總結分析了國內外研究動態(tài)，同時就未來亟需解決的關鍵問題給出如下建議：

1) 針對一些特殊異種金屬材料復合板的焊接，爆炸焊接工藝應用前景光明，且展開的研究較為成熟和廣泛，下一步可以圍繞金屬與非金屬復合板的焊接工藝展開研究。

2) 不同工藝參數下的復合板焊接工藝研究表明大部分材料均可獲得4種界面形貌，而非晶材料無法獲得力學性能優(yōu)異的波狀界面。有關波狀界面的產生與材料屬性和工藝參數的關系需展開進一步研究，以獲取其一般規(guī)律。

3) 基復板間距和爆炸載荷對界面形貌有著至關重要的影響；炸藥敏化劑和鋪藥方式可從穩(wěn)定爆炸速度的角度，獲得優(yōu)質的焊接界面成形。

4) 復合板爆炸焊接過程中會產生快速熱塑形變形，接頭2側出現明顯的加工硬化現象，同時也會產生一定熱量，進而使界面附近出現少量元素擴散和金屬間化合物生成。

5) 不同工藝參數下的復合板爆炸焊微觀組織及力學性能的研究表明保護氣可以通過避免接頭處氧化物的生成而提高焊接質量；隨著爆炸載荷增加，氣孔及裂紋等焊接缺陷會在接頭處產生；相同爆炸載荷的情況下，間距過大時焊接質量會變差，且裂紋通常在接頭處出現。

6) 數值模擬研究現狀分析表明基于SPH法的爆炸焊模擬可很好地模擬復合板爆炸焊成形過程，且通過模擬結果可對焊接試驗起到重要的指導作用。