水下爆炸焊接和压实＊

李晓杰，孙 伟，闫鸿浩，王小红

（1.大连理工大学工业装备结构分析国家重点实验室，辽宁 大连 116024；2.北京大学湍流研究国家重点实验室，北京 100871）

炸药在水中爆炸，高温高压的爆炸产物强烈地压缩和推动周围的介质，使周围介质的压力、密度和温度突跃式的升高，形成水下冲击波。水下冲击波与空气冲击波相比，由于传输介质的差异性，在载荷作用上有它们各自的特点。水下冲击波具有传播速度快、峰值压力高、冲量较大、持续时间短等特点，这决定了水下冲击波有其独特的应用范围［1－2］。

对于水下爆炸的研究可追溯到19世纪60年代，海战的需要始终是这项研究最主要的驱动力。就军事作用而言，水下爆炸理论对于研制和优化水下兵器具有重大的作用，直到现在，水下冲击波理论的研究主要还是为了国防事业。研究水下冲击波，有助于研制、改进水下兵器。对水下冲击波的传播进行理论分析，根据水下结构物的强度和动态响应过程，可以研究结构物承受水下冲击载荷的限度，对需要保护的目标进行有效防护，这样可以提高船体结构抗冲击性能，并提高其战斗力和生命力，这是现代船舶研究的重大课题［3］。对于经济建设，水下爆炸冲击波也在许多领域得到了应用。水下工程爆破被广泛应用于海港建设、航道疏浚整治、新建桥梁和水中建筑物的水下岩石基础爆破开挖；利用水下爆炸冲击波的巨大能量进行水下爆炸切割；采用水压爆破法拆除建筑物；利用水下冲击波进行物理勘测等［4］。

由于在国防事业和经济建设中的巨大作用，使得水下爆炸理论得到了充分的重视和发展，水下爆炸冲击波的形成和传播、气泡脉动规律、冲击波与介质面相互作用等力学和材料学的基础研究形成了一套完整的理论，数值计算和计算机模拟被成功应用到水下爆炸分析中。鉴于水下冲击波的广泛应用和水下爆炸理论的成熟，有必要探索水下冲击波更细致、更全面的应用开发，为现代工业创造价值。

近年来，学者们研究了水下冲击波在工业、生活方面的应用。天然纤维如黄麻、棉花经过水下冲击波加载后，水分含量和吸湿亲水性能得到改善。木材经过水下冲击波加载后，渗透率、干燥性能和抗火性能得到增强。传统食品热处理方法会导致食物变色和营养流失，通过水下冲击波加工，由于加载过程的瞬时性，保证了食物的营养不流失，并且柔软性提高［5］。在工业应用探索方面，利用水下爆炸冲击波，成功焊接了铝板与ZrO2陶瓷［6］、不锈钢与金属玻璃［7］、铜板与钨板［8］等。

本文中开展了水下爆炸加工的研究和分析，提出了水下冲击波的2种工业应用：水下爆炸焊接法焊接脆性和薄性材料；水下冲击波压缩粉末混合物多孔介质。实验结果显示，这2种方法将是具有应用潜力的水下爆炸加工法。

1 水下爆炸焊接

传统爆炸加工已经广泛应用于爆炸焊接、爆炸压实、爆炸成型和爆炸硬化，并且取得了广泛的工业应用和经济利益［9］。水下爆炸加工可以分为3个过程：炸药在水中爆轰，爆轰波传入水中；爆轰波在水中传播，形成水下冲击波；待加工材料在水下冲击波瞬时高压的作用下，金属箔材形成焊接。由于水的密度约为空气的800倍，相比于空气冲击波，水下冲击波具有传播速度快、峰值压力高等特点。炸药在空气中爆炸，会产生2 000～4 000℃的高温，这可能会破坏待加工的产品。当炸药在水中爆炸时，由于水相对于空气的不可压缩性，水的温度不会显著上升，水下爆炸能很少转变为热能而消耗，大部分用于推动水的运动。由此可见，水下爆炸焊接与传统爆炸焊接相比具有以下优点：（1）对于变形能力差的脆性板材，如钨板、非晶材料、金属玻璃和陶瓷材料，如果炸药爆轰波直接作用于板材，很容易导致材料的破碎，而水下爆炸焊接法由于水作为传压介质，水的可压缩性小，本身消耗的变形能少，传压性能好，可以得到均匀的水下冲击波压力，且压力值在炸药爆轰压力下可调，可以实现完整均匀的焊接复合；（2）对于厚度很薄的金属箔，传统爆炸焊接法产生的高温可能直接烧毁金属箔材，水下爆炸焊接法则可以避免热影响；（3）在陆地焊接进行金属箔材焊接时，往往需要添加介质缓冲层、固定或镶嵌金属箔材等特殊处理，水下爆炸焊接则可以直接焊接。另外陆地焊接时，由于基板通常放置在硬质地面上，焊接后的板材发生很大的变形，箔材很可能因为弯折而断裂；在水下时，由于基复板上下都是水层，很好地缓冲了压力波，箔材未有大变形，保持了金属箔材的完整性。水下冲击波的独特性能，使得水下爆炸焊接法能够焊接塑性能力差的脆性材料和厚度很薄的金属箔片，这2种材料用常规的爆炸焊接法很难进行焊接。

利用水下爆炸焊接法，成功实现了铝箔（0.3mm）与铁、铜箔（0.5mm）与铁、铜箔（0.5mm）与NiTi形状记忆合金（1mm），以及铜箔（0.5mm）与锌板（0.8mm）的焊接。实验装置如图1（a）所示，以铜箔（0.5mm）与NiTi形状记忆合金（1mm）为例，基复板尺寸为100mm×200mm，铝箔作为架高放入基复板四角保持基复板1mm间隔，用塑料密封袋密封，由于间隙内空气较少，未进行真空处理。基复板与炸药间的水层厚度为10mm，炸药厚度为30mm，爆速约为3 000m／s。炸药在水中起爆，爆轰波驱动水介质，飞板和基板在水下冲击波的作用下，形成焊接。

图1 水下爆炸焊接和压实实验装置Fig.1Experimental setup for underwater explosive welding and compaction

2 水下爆炸压实制备弥散强化涂层

利用水下冲击波对粉末材料进行压实，制备耐磨、耐高温和耐腐蚀的高性能涂层。当水下冲击波载荷扫过粉末混合物多孔介质时，内部的孔隙为反应物充分混合提供了空间。首先，在冲击形变过程中，粉末材料剧烈地变形，孔隙消失，颗粒形貌发生改变；紧接着由于能量局部沉积的作用，冲击波加载过程中的巨大能量完成了粉末间的机械混合，初始空隙为混合物反应提供条件；此外，机械形变另一个直接的效应就是除去了粉末颗粒表面的氧化膜和其他杂质。众所周知，这种膜将严重地阻碍化学反应。剧烈地机械形变使这层表面膜受到破坏。事实可见，这大大提高颗粒间的反应速率。最后，在粉末材料冲击波压缩过程中，由于反应的时间尺度为几十到几百纳秒，机械能不能及时耗散，或耗散很少，局部的温升将为粉末颗粒间发生反应提供必要的热环境。

本文中提出一种利用水下爆炸冲击波压实粉末混合物，在纯铜表面制备弥散强化涂层的方法。首先，利用机械合金化对Al2O3颗粒和铜粉进行机械混合，在高能球磨的作用下，铜粉颗粒反复变形、破碎，团聚的Al2O3颗粒被打散，最终均匀弥散分布到铜颗粒中，形成了Cu－Al2O3纳米晶混合颗粒。然后，将氢气还原后的Cu－Al2O3混合粉末预压实到纯铜表面，在低于铜熔点的温度下在氢气氛围中进行粉末预烧结。这样，在铜的表面形成一层密度为理论密度60%～70%的多孔Cu－Al2O3弥散强化涂层。接着，将烧结体放入水下爆炸压实装置如图1（b）中，在水下冲击波的作用下，颗粒间产生塑性变形以及颗粒相互碰撞、孔隙坍缩，强烈的机械变形导致颗粒表层的破坏以及颗粒表面的沉热和熔化并发生相互反应，多孔烧结体变成密实的致密体［10－11］。传统爆炸压实作用于脆性材料时常常会导致压实材料的破裂，水下冲击波的均匀性保证了烧结体不会由于应力集中而产生裂纹等影响压实体的质量。并且，在水下冲击波的作用下，Cu－Al2O3弥散强化涂层将与铜基体紧密结合，保证了涂层与基体的结合强度。最后，将致密体在真空炉中热处理，消除体内残余应力，局部存在的闭合微裂纹可以进一步热扩散结合。

3 结果与讨论

3.1 焊接结果

焊接所得复合板结合紧密，基复板表面无任何毁损或烧伤。100mm×200mm的复合板，边缘效应为2～4mm，合格的焊接比例超过95%。图2为NiTi形状记忆合金与铜箔的光学显微图。由图2可见，焊接界面完整，无裂缝或裂纹。一种典型的带有涡旋的正弦波状界面，表明了实验参数的正确性和良好的焊接强度。从界面情况可知，基本没有脆性金属间化合物产生。常规爆炸焊接常见的缺陷如缝隙、空洞物、过渡区域和微裂纹等基本在图中没有出现，可见结合强度的优良性。

3.2 压实结果

图3（a）是涂层在扫描电镜下的显微组织图片，可以看出涂层表面上无明显的裂痕和孔洞，混合粉末在高温烧结和水下冲击波作用下变成致密度较高的致密体。由于晶界处自由能较高，容易被腐蚀，在图中表现为灰暗部分；颗粒内部较稳定，不容易发生侵蚀，为图中的明亮部分。

图2 水下爆炸焊接NiTi形状记忆合金－铜箔复合板界面Fig.2Interface of NiTi alloy－copper foil combination by underwater explosive welding

图3 涂层和界面在扫描电镜下的显微组织Fig.3SEM images for coating and interface zones

从图3（a）中可以看出，铜颗粒分布较均匀，纳米Al2O3颗粒弥散分布在铜晶粒的晶界和亚晶界处。在粉末烧结过程中，由于晶界处的纳米Al2O3颗粒起到了扎定的作用，会有效地保持了机械合金化所得的细晶粉末没有因为再结晶而长大，使得弥散强化层内部颗粒细小、均匀，同时使得覆层具有很高的高温强度。

图3（b）显示了弥散强化覆层和基体的结合情况。从图中可以看出，覆层组织均匀，界面结合完整，界面处弥散铜粉在烧结与水下冲击波压实作用下，与铜基体紧密结合。进一步分析涂层的性能，实验测试了涂层与基体的显微硬度。

硬度分布如图4所示，从图中可以看出Cu－Al2O3弥散强化涂层的平均硬度明显高于基体硬度，仔细观察硬度分布，颜色较深的区域即Al2O3的含量较高的区域，硬度值明显高于其他部分。由此可见，正是Al2O3在晶界处和亚晶界处的弥散分布，起到了扎定位错的作用，有效抑制了位错的运动和扩展，使得涂层具有了高硬度。高硬度另一方面又说明了高耐磨性，显示了涂层良好的机械性能。

由此可见，水下爆炸焊接和水下冲击波压实是2种很具潜力的水下爆炸加工方法，水下爆炸焊接拓展了爆炸焊接的应用范围，对厚度很薄的材料和脆性材料有很好的焊接效果。随着水下冲击波理论的逐渐完善，我们急需探索水下冲击波更广泛的应用范围，这篇论文为水下冲击波应用提供了2种途径。

图4 界面上的维氏硬度分布Fig.4Variation of Vickers hardness across the interface

4 结 论

结合水下冲击波的独特性能，探索和提出了水下冲击波的2种工业应用：水下爆炸焊接法焊接脆性和薄性材料；水下冲击波压缩粉末混合物多孔介质制备高性能涂层。

（1）焊接界面结合完整，典型正弦波状界面显示了焊接方法的合理性和焊接强度的优良性。

（2）涂层组织均匀，强化颗粒弥散分布，界面结合紧密，高硬度显示出涂层优良的机械性能。

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