水下_空气爆炸复合复板断裂机制研究_周大鹏.pdf

问题探讨水下/空气爆炸复合复板断裂机制研究周大鹏(中煤科工集团淮北爆破技术研究院有限公司，安徽 淮北 235000)摘要:当复板材料厚度小于 2 mm 时，空气爆炸复合加工过程中容易出现复板断裂问题，而水下爆炸复合技术则在很大程度上避免了上述问题，表现出较广的应用范围和良好的加工质量。然而，水下/空气爆炸复合复板断裂的机理尚不清楚，限制了爆炸复合技术的大规模工业应用。基于此，开展薄复板的水下/空气爆炸复合试验，研究爆炸冲击作用下复板从加速到撞击基板全过程的受力和运动状态，从材料力学角度揭示复板拉伸变形机制，并得出复板断裂的影响因素。研究发现，空气中爆炸复合复板的拉伸率是水下爆炸复合的 810 倍，炸药爆速、复板和基板之间的板间距是复板断裂的主要影响因素。研究成果为提高爆炸复合加工质量提供了理论指导和数据支撑。关键词:水下爆炸复合;材料力学;复板;断裂中图分类号:TQ560;O389文献标志码:A文章编号:16743970(2023)01001706收稿日期:20221102基金项目:2022 年安徽省重点研究与开发项目高新领域高新技术专项(2022a05020021);2021 年重庆研究院自立创新引导科研项目(2021YBXM52)作者简介:周大鹏(1977)，男，安徽萧县人，博士，副研究员，主要从事民用爆破器材、特种爆破、流体机械等相关工作。Email:457189847 qqcom。引用格式:周大鹏水下/空气爆炸复合复板断裂机制研究 J 煤矿爆破，2023，41(1):1722ZHOU DapengStudy on fracture mechanism of cladding plate in underwater/air explosive claddingJ Coal MineBlasting，2023，41(1):1722Study on fracture mechanism of cladding plate in underwater/air explosive claddingZHOU Dapeng(CCTEG Huaibei Blasting Technology esearch Institute Co，Ltd，Huaibei 235000，China)Abstract:When the thickness of the fly plate is less than 2 mm，the cladding plate is easy to break down during theprocess of explosive cladding in air The underwater explosive cladding technology can avoid the problems above to a greatextent，and it can be applied in a wide range and has good processing quality However，the fracture mechanism of claddingplate is still unclear in underwater/air explosive cladding，which limits the largescale industrial application of explosivecladding technology Therefore，tests of the underwater/air explosive cladding with thin cladding plates are carried out，thestress and motion state of the cladding plate during the whole process from acceleration to impact on the substrate under theimpact of explosion are studied，the tensile deformation mechanism with the material mechanics is revealed，and the impactfactors are obtainedThe results show that the tensile rate of the cladding plate in air is 810 times of that under water，thedetonation velocity and spacing between substrate and cladding plate are the main factors of the fracture of cladding plateThe research results provide theoretical guidance and data support for improving the quality of explosive cladding processingKey words:underwater explosive cladding;material mechanics;cladding plate;fracture71第 41 卷第 1 期2023 年 3 月Coal Mine BlastingVol.41 No.1Mar.20230引言爆炸复合技术是一种通过炸药爆炸对复板进行加速，使其高速撞击基板，进而使基板和复板实现结合的一种焊接加工方式。这种技术可以实现金属之间的复合，是一种快速发展的层状材料复合技术16。水下爆炸复合技术是将爆炸复合装置置于水下，利用水取代空气作为爆轰能量的传播介质，实现材料的焊接复合的层状复合材料加工技术710。在水下爆炸复合技术研究方面，日本熊本大学开展较早，并且取得多项成果。HOKAMOTO1112、MOI等1314 和 SAAVANAN 等1516 实现了水下爆炸复合不同材质不同厚度材料试验的研究，例如 0.1 mm厚的铜箔和不锈钢，0.1 mm 厚的铝箔与不锈钢，金属玻璃与不锈钢、铝箔(0.1 mm)和陶瓷 ZrO2等。国内大连理工大学、中国科技大学在水下爆炸复合技术方面也开展了十多年的研究。孙伟等89、LIANG等10，17 实现了铜箔(1 mm 厚)和 TiNi(0.5 mm厚)合金的水下爆炸复合、多层金属复合，Zr60Ti17Cu12Ni11金属玻璃和铝的复合。YU 等18 实现了钢铝复合管的水下爆炸复合试验。水下爆炸复合技术经过多年的研究，展现了其表面质量好、能直接复合金属箔材(1 mm)、能复合钨等难复合材料等优点。同时，噪声振动小、环境污染小。它能直接复合1 mm 复合材料的特点，使其在薄型层状复合材料的加工方面有很好的应用前景。1爆炸复合的复板断裂问题空气中爆炸复合技术在生产薄型材料(2mm)时容易出现材料拉断的质量问题(图 1)，导致其生产的复合材料的复板厚度一般不小于 2 mm，复合薄板时需要先爆炸复合再进行轧制，会引起成本增加、结合强度降低等问题。水下爆炸复合可以直接复合 1 mm 以下厚度的复板(图 2)，一些实验甚至完成了 0.1 mm 厚度复板材料的水下爆炸复合，体现了其在复合薄型材料和脆硬材料、难加工材料方面的优势。这些特性未从理论上进行系统探究，本文将从材料力学和动力学角度对这种现象进行分析。图 1空气中爆炸复合复板断裂(厚度 1+10+1;1+5+1;0.5+5+0.5 mm)图 2水下爆炸双面复合铜铝复合材料2爆炸复合过程中复板动力学分析2.1爆炸复合引起复板断裂机理分析从材料力学角度分析，每种材料都有其抗拉强度 b，表示其在拉断过程中最大的应力。或者说该区域的应变 超过了其最大应变值。b=FbS0(1)其中:b为抗拉强度，Pa;Fb为最大拉力，N;S0为截面积，m2。材料应变率 为拉伸量与原始长度的比值，(t)=L t()L0L0(2)式中:(t)为应变率的时间函数;L t()为长度的时间函数，m;L0为初始长度，m。最大应变率max出现在L t()max时，即拉断时，=b。根据式(1)、式(2)可知，材料断裂与以下因素有关:1)材料抗拉强度b与材料本身性能有关;2)材料拉伸率 与材料的拉伸长度有关，与材料的拉伸力Fb有关;3)材料截面积S0与材料的截面积有关，针对板材直接与板材厚度 b 有关。爆炸复合复板断裂，从材料力学的角度来说也是上述 4 个方面的原因造成的。下面从复板受力与变形的角度来分析其过程及影响因素。2.2爆炸复合材料结合条件两种材料进行爆炸复合，其复板与基板的运动81Vol.41 No.1Mar.2023Coal Mine Blasting第 41 卷第 1 期2023 年 3 月参数需满足爆炸焊接参数。其中，不同材料能爆炸焊接在一起的碰撞速度vp必须大于一个最小值vpmin。李晓杰等19 结合实际的实验结果，建立了不同材质的双金属爆炸下限模型，并计算出多种常见金属材料复合时的最小碰撞速度vpmin。根据最小碰撞速度理论可知，在爆炸复合过程中，炸药爆炸对复板表面产生冲击，引起复板高速撞击基板实现复板和基板的结合，碰撞速度需要达到一个最小值vpmin，低于这个值材料无法实现复合，并且这个值与材料本身有关。2.3爆炸复合过程中各参数之间的关系图 3 是空气中爆炸复合装置图。由图可知，布置在复板上的炸药爆炸产生冲击波使复板朝基板方向运动，直至其撞击到基板表面。炸药的爆炸是沿着爆轰方向以一定的速度vD(爆速)传播的，复板与基板之间有间隙 d。从炸药爆炸引起复板运动，到复板撞击基板经过时间 t。根据李晓杰的理论，爆炸复合实现复板和基板的结合需要达到一定的撞击速度vc。炸药爆炸在复板表面产生的压力为FE，则复板加速开始到撞击基板的过程可以由以下方程描述:在 t 时间内炸药爆炸长度LE为LE=vDt(3)复板运动距离为d=t0vf(t)dt(4)其中，vf(t)为复板朝基板运动的速度的函数，m/s。以复板其中一小块的速度变化进行研究，则有Vf(t)=t0FE(t)mdt(5)Vf(t)=t0PE(t)bdt(6)其中:PE(t)为炸药爆炸作用在单位面积复板表面的冲击压强，N;m 为单位面积复板的质量，与材料密度、复板厚度 b 成正比。从复板开始变形到与基板结合的过程中复板出现了拉伸现象，复板拉伸后的实际长度为 L，根据三角形原理(图 3)，复板的拉伸量 L 为:L=LLE(7)L=d2+LE2(8)=LLEL=d2+LE2LEL(9)图 3空气中爆炸复合装置以图 3 中复板结合点到炸药爆轰点处的一段复板为考察对象，可知其拉伸量是炸药爆速vD、复板与基板之间的距离 d、复板运动速度vf、材料密度、复板厚度 b 的函数。从材料力学角度来说，复板的断裂就是复板的拉伸率超过了复板的最大拉伸率。不同的参数组合引起不同的复板拉伸率，大的复板拉伸率的参数组合更容易引起复板出现断裂。2.4复板加速过程炸药爆炸在复板上产生强大的冲击作用，使复板进行挤压。由于复板与基板之间存在板间距 b，复板实现从 0 加速到超过vpmin的加速过程。假定炸药爆炸过程中作用在复板局部小块上的力大小为FE(t)，则根据能量守恒，b0FEs()ds=12m Vpt()2(10)b0t012FEt()mt2dtds=12m Vpt()2(11)两边同时取单位面积，可知:b0t012PEt()bt2dtds=12b Vpt()2(12)Vpt()=f(FE，b，t)(13)根据式(5)可知，t 是 d 的函数，则式(13)可表示为Vpt()=f(FE，b，d)(14)其中:FEt()为炸药的爆炸引起的小块复板表面压力的变化函数;PEt()为炸药的爆炸引起的小块复91第 41 卷第 1 期2023 年 3 月Coal Mine BlastingVol.41 No.1Mar.20