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第35卷 第3期 2018年9月 爆 破 BLASTING Vol. 35 No. 3 Sep. 2018 doi10. 3963/ j. issn. 1001 -487X. 2018. 03. 020 玻璃微球含量对乳化炸药爆速的 影响及蜂窝炸药研究* 李雪交 1, 汪 泉 1, 黄文尧1, 毕志雄1, 马宏昊2, 沈兆武2 (1.安徽理工大学化学工程学院, 淮南232001; 2.中国科学技术大学近代力学系材料力学行为和设计重点实验室, 合肥232007) 摘 要 针对传统爆炸复合炸药的缺点, 采用玻璃微球作为稀释剂, 通过改变玻璃微球含量, 研究其对乳化 炸药密度与爆速的影响, 通过乳化炸药制备蜂窝结构炸药, 用于金属板的爆炸焊接。T2铜板和Q235钢板分 别作为覆层和基层, 其相应尺寸分别为2 mm 150 mm 300 mm和20 mm 150 mm 300 mm, 选用两种爆 速(2596 m/ s和3089. 5 m/ s)的蜂窝结构炸药作为爆炸复合炸药, 进行铜-钢爆炸焊接, 然后利用微观形貌分 析观察复合板结合性能。实验结果表明 玻璃微球含量大于5%小于35%时, 炸药密度和爆速均随着玻璃微 球含量的增加而降低; 玻璃微球含量为40%时, 发生拒爆现象。炸药爆速随着炸药密度的降低而下降。铝 蜂窝板可以降低乳化炸药临界直径, 爆速也有所提高。爆速低的蜂窝结构炸药进行爆炸焊接,T2/ Q235复合 板界面呈小波状, 结合性能良好。 关键词 玻璃微球;爆速;蜂窝炸药;爆炸焊接 中图分类号 TQ560. 4 文献标识码 A 文章编号 1001 -487X(2018)03 -0120 -05 Percentage of Glass Microsphere on Emulsion Explosive Property and Honeycomb Explosive LI Xue-jiao1,WANG Quan1,HUANG Wen-yao1,BI Zhi-xiong1,MA Hong-hao2,SHEN Zhao-wu2 (1. College of Chemical Engineering,Anhui University of Science & Technology,Huainan 232001,China; 2. CSC key Laboratory of mechanical Behavior and Design of Materials,Department of Modern Mechanics,University of Science and Technology of China,Hefei 232007,China) Abstract In view of the shortcomings of traditional explosive used to carry out explosive welding,glass micro- sphere was used as diluent. Effect of glass microsphere on detonation velocity and density of emulsion explosive was studied by changing percentage of glass microsphere,which was convenient for preparation of honeycomb explosive and carried out explosive welding of metallic plates. The cover and base plates used in this study were respectively made of T2 copper and Q235 steel,whose corresponding dimensions were 2 mm 150 mm 300 mm and 20 mm 150 mm 300 mm. Honeycomb explosives with the detonation velocity of 2596 m/ s and 3089. 5 m/ s were used to carry out explosive welding of copper to steel. Bonding quality of the clad plates was observed by micromorphology a- nalysis. The results showed that when the percentage of glass microsphere was greater than 5% and less than 35%, detonation velocity and density of emulsion explosive decreased with the increase of percentage of glass microsphere. Emulsion explosive misfired when the percentage of glass microsphere was 40%. Detonation velocity of emulsion ex- plosive decreased with the decrease of density of explosive. Aluminum honeycomb panel could decrease critical diam- eter of emulsion explosive and increase detonation velocity. The interface of T2/ Q235 clad plate was presented wave by honeycomb explosive with lower detonation velocity,and the clad plate possesses good bonding property. Key words glass microsphere;detonation velocity;honeycomb explosive;explosive welding 万方数据 收稿日期2018 -04 -23 作者简介李雪交(1986 -) , 男, 讲师, 主要从事含能材料与爆炸复 合方向的研究, (E-mail)xjli@ aust. edu. cn。 基金项目国家自然科学基金(11502001) ;安徽省高校自然科学研 究项目(KJ2018A0090) ; 安徽省自然科学基金青年项目 (1808085QA06) 目前金属复合板材主要加工方法包括轧制法、 焊接法和爆炸焊接法, 其中爆炸焊接法是应用较为 广泛的一种复合工艺[ 1-3]。爆炸焊接是以炸药为能 源, 通过基覆层的高速碰撞界面金属产生冶金结合, 可用于板、 管、 棒、 箔材的爆炸复合, 如钛-钢[ 4]、 不锈 钢-钢[ 5]、 锆-钢[6]、 镁-铝等金属板的爆炸焊接[7], 钛- 铝[ 8]、 铝-不锈钢等金属管的爆炸焊接[9], 镁-铝[10]、 蒙乃尔-铜等金属棒的爆炸焊接[ 11]。 硝铵炸药和粉状乳化炸药是较为常用的爆炸焊 接炸药[ 12-14]。但硝铵炸药存在吸湿性强、 密度不均 等缺点, 而且硝铵炸药临界直径较大, 爆炸焊接时炸 药能量利用率不高。Kaya等采用Elbar-5炸药进行 不锈钢/钢爆炸焊接实验[ 15]。Fronczek等利用铵油 炸药进行A1050铝合金与AZ31镁合金爆炸焊 接[ 16]。Raghukandan等采用硝化铵油炸药爆炸焊接 炸药, 进行铜-钢爆炸焊接[ 17]。 针对传统爆炸焊接炸药存在的缺点, 采用玻璃 微球作为敏化剂和稀释剂, 改变其含量, 分别得到乳 化炸药密度、 爆速与玻璃微球含量的关系曲线。 然 后采用铝蜂窝板作为炸药药框, 研制蜂窝结构炸药, 探究蜂窝板对乳化炸药临界直径和爆速影响, 再选 用两种不同爆速乳化炸药进行铜-钢爆炸焊接, 然后 借助金相显微镜进行微观形貌分析, 研究爆速对复 合板界面结合性能的影响。 1 乳化炸药形貌 实验采用的玻璃微球尺寸为70 ~200 μm, 壁厚 1 ~ 2 μm,密度0. 13 g/ cm3。乳化基质密度 1. 32 g/ cm3, 其组分如表1所示。 表1 乳化基质组分 Table 1 Constituent of emulsion matrix 组分NH4NO3NaNO3H2O C18H38C24H44O6C12H26 质量分数/ %731010421 玻璃微球含量不同时乳化炸药形貌会发生改 变, 选取四种不同玻璃微球含量的乳化炸药观察其 形貌, 如图1所示。 图1 不同玻璃微球含量的乳化炸药形貌 Fig. 1 Emulsion explosive morphology with different content glass microspheres 图1(a) 、 (b) 、 (c)和(d)分别为玻璃微球含量 为5%、15%、25%和35%的乳化炸药形貌。由图1 可知, 乳化基质由连续相向非连续相过渡。当玻璃 微球含量为5%时, 玻璃微球被乳化基质包含其中, 炸药基本为乳化基质的形貌, 呈乳胶状。玻璃微球 含量增加到25%时, 乳化炸药边缘处出现开裂, 而 当玻璃微球含量从5%增加到35%时, 此时玻璃微 球由被乳化基质包含其中, 过渡为乳化基质被玻璃 微球包含其中, 乳化炸药外观形貌最终呈粉末状。 2 玻璃微球含量与乳化炸药密度和爆 速的关系 以乳化基质为基, 玻璃微球作为稀释剂, 制备所 需爆速的乳化炸药。选取六种不同含量玻璃微球调 节乳化炸药密度与爆速。采用电测法测量爆速, 通 过2BS-110型爆速仪测量爆轰波经过两点的时间间 隔, 从而得到炸药爆速。每组数据为三次实验的平 均值。试验结果分别如表2和表3所示。 表2 不同含量玻璃微球的乳化炸药密度 Table 2 Density of emulsion explosive with different content glass microsphere 玻璃微球含量/ %515253035 乳化炸药密度/ (gcm -3) 1. 100. 770. 600. 560. 50 121第35卷 第3期 李雪交, 汪 泉, 黄文尧, 等 玻璃微球含量对乳化炸药爆速的影响及蜂窝炸药研究 万方数据 表3不同含量玻璃微球的乳化炸药爆速 Table 3 Detonation velocity of emulsion explosive with different content glass microsphere 玻璃微球含量/ %51525303540 乳化炸药爆速/ (ms -1) 493537792917253121080 2. 1 玻璃微球含量对乳化炸药密度的影响 为研究作为稀释剂的玻璃微球对乳化炸药密度 的影响, 根据表2得到乳化炸药密度随玻璃微球含 量的变化曲线, 如图2所示。 图2 炸药密度与玻璃微球含量的关系曲线 Fig. 2 Relation curve of density of explosive and glass microsphere content 由图2可知, 在玻璃微球含量5% ~ 35%范围 内, 乳化炸药密度随着玻璃微球含量的增大而减小。 随着玻璃微球含量增大, 炸药密度变化趋于平缓。 乳化基质和玻璃微球密度分别为1. 32 g/ cm3和 0. 13 g/ cm3, 随着玻璃微球含量的增加, 炸药密度接 近玻璃微球的密度, 而且乳化炸药从乳胶状变为粉 末状, 炸药间存在空隙, 所以随着玻璃微球含量的增 加, 炸药密度趋于平缓。 2. 2 玻璃微球含量对乳化炸药爆速的影响 采用8#工业雷管作为起爆能, 玻璃微球作为稀 释剂用于调节炸药爆速。根据表3得到乳化炸药爆 速与玻璃微球含量的关系曲线, 进一步分析玻璃微 球含量对乳化炸药爆速的影响, 如图3所示。 图3 乳化炸药爆速与玻璃微球含量的关系曲线 Fig. 3 Relation curve of detonation velocity of emulsion explosive and glass microsphere content 由图3可知, 在5% ~35%范围内, 乳化炸药爆 速随着玻璃微球含量的增加而线性降低, 当玻璃微 球含量为40%时发生拒爆现象。玻璃微球含量从 5%增加到35%时, 玻璃微球从被包含在乳化基质 里面, 过渡为将乳化基质包含在玻璃微球里面, 由于 爆轰波传播受到阻碍, 而且炸药能量密度降低, 所以 乳化炸药爆速随着玻璃微球含量增大而降低。当玻 璃微球含量为40%时, 由于玻璃微球将乳化基质包 含在里面, 形状呈粉末状, 使得雷管起爆能量作用在 玻璃微球产生高温被包含乳化基质的其他玻璃微球 阻隔, 导致起爆能量不足, 从而出现炸药拒爆现象。 2. 3 炸药密度对乳化炸药爆速的影响 乳化炸药密度与爆速均随着玻璃微球含量的增 加而下降。根据表2和表3得到炸药爆速与密度的 关系曲线, 如图4所示。 图4 炸药爆速与密度的关系曲线 Fig. 4 Relation curve of detonation velocity and density of emulsion explosive 由图4可知, 乳化炸药爆速随着密度减小而降 低。随着玻璃微球含量的增加, 炸药密度减小, 单位 体积能量密度降低, 爆轰波传播受到阻碍, 所以炸药 爆速随着密度的降低而减小。 3 铝蜂窝炸药临界厚度 蜂窝板由厚50 μm的铝合金制作而成, 蜂窝孔 隙均呈正六边形, 边长为8 mm, 如图5所示。蜂窝 板具有结构稳定、 质量轻、 强度高等优点, 可保证各 处炸药厚度基本相同。采用铝蜂窝板作为炸药药 框, 将炸药填满蜂窝板孔隙, 制备铝蜂窝炸药, 如图 6所示。 采用两种不同玻璃微球含量的乳化炸药进行爆 炸焊接, 乳化基质与玻璃微球的质量比分别为70 30和8515。为得到乳化炸药及铝蜂窝铝炸药的临 界厚度, 分别选用三种不同厚度的炸药测量其爆速, 实验结果如表4所示。 由表4可知, 爆速为2596 m/ s和3809. 5 m/ s 的蜂窝铝结构炸药的临界厚度分别为9 mm和 221爆 破 2018年9月 万方数据 7 mm。 由于蜂窝板孔隙各向约束, 可提高乳化炸药 传爆能力, 降低炸药临界厚。玻璃微球起到稀释剂 的作用, 阻碍爆轰波传播, 而且单位体积能量密度降 低, 所以玻璃微球含量大的乳化炸药爆速比玻璃微 球含量小的低, 而玻璃微球含量大的乳化炸药临界 厚度比玻璃微球含量小的高。 图5 铝蜂窝板 Fig. 5 Aluminum honeycomb panel 图6 铝蜂窝炸药 Fig. 6 Aluminum honeycomb explosive 表4 不同玻璃微球含量蜂窝炸药爆速与临界厚度 Table 4 Critical thickness of honeycomb explosive with different glass microsphere content 厚度/ mm67891011 A蜂窝炸药爆速/ (ms -1) 037933826--- B蜂窝炸药爆速/ (ms -1) ---025822610 注A和B分别为玻璃微球含量为15%和30%蜂窝炸药; “-” 为未进行本组试验。 4 铜-钢爆炸复合板 4. 1 实验材料与装置 采用T2铜板和Q235钢板分别作为覆层和基 层, 尺寸为(2 +20)mm 150 mm 300 mm, 其物理 力学性能如表5所示。 实验分别采用爆速为2596 m/ s和3809. 5 m/ s 的乳化炸药配置蜂窝炸药进行铜-钢爆炸焊接, 玻璃 微球(70 ~200 μm) 含量分别为30%和15%。爆炸 焊接装置采用平行安装结构, 如图7所示。爆炸焊 接后采用金相显微镜观察T2/ Q235爆炸复合板界 面结合性能。 图7 铜-钢爆炸焊接装置示意图 Fig. 7 Schematic diagram of explosive welding set-up of copper to steel 表5 金属材料物理力学性能 Table 5 Physical and mechanical properties of metallic materials 金属材料T/ ℃ ρ/ (gcm -3) HVσs/ MPaσh/ MPaC/(ms -1) T2铜10838. 96100702154674 Q235钢14907. 851462354205924 4. 2 爆炸焊接参数 爆炸焊接在可焊性窗口内均可获得较好的结合 质量, 本文铜-钢爆炸焊接参数如表6所示。 表6 铜-钢爆炸焊接参数 Table 6 Explosive welding parameters of copper-steel clad plate 方法A蜂窝炸药B蜂窝炸药 炸药密度/(gcm -3) 0. 770. 56 单位面积药量/(gcm -2) 1. 471. 35 炸药量/ g661608 爆速/(ms -1) 3089. 52596 炸药厚度/ mm1924 4. 3 铜-钢复合板金相组织 采用两种爆速的乳化炸药进行铜-钢爆炸焊接, 然后距离起爆端200 mm中间位置切割金相试件, 再通过金相显微镜进行微观形貌观察, 探究其界面 结合性能, 如图8所示。 由图8可知, 铜-钢复合板界面呈波状结合, 结 合性能良好。采用A蜂窝炸药作为焊接炸药, 结合 界面波长为410 ~ 520 μm, 波幅为180 ~ 220 μm。 采用B蜂窝炸药作为焊接炸药, 结合界面波长为 80 ~120 μm, 波幅为40 ~ 60 μm。B蜂窝炸药进行 铜-钢爆炸焊接界面呈小波状结合, 而采用A蜂窝结 构炸药界面呈大波状结合。一般采用靠近爆炸焊接 321第35卷 第3期 李雪交, 汪 泉, 黄文尧, 等 玻璃微球含量对乳化炸药爆速的影响及蜂窝炸药研究 万方数据 窗口下限的参数可以获得较好的结合质量, 爆速较 低的B蜂窝炸药得到的铜-钢复合板界面呈小波状, 具有较好的结合性能。 图8 T2/ Q235爆炸焊接复合板 Fig. 8 T2/ Q235 explosive welding clad plate 5 结论 采用玻璃微球作为稀释剂, 研究玻璃微球含量 对炸药密度和爆速的影响, 并选用两种不同爆速的 乳化炸药进行铜-钢爆炸焊接实验。得到结论如下 (1) 玻璃微球含量从5%到35%时, 乳化炸药 爆速、 密度均随玻璃微球含量增加而降低, 而乳化炸 药爆速则随着乳化炸药密度增大而增加。当玻璃微 球含量为40%时, 乳化炸药出现拒爆现象。 (2) 蜂窝板可以降低乳化炸药临界厚度, 蜂窝 铝结构炸药分别爆速为2596 m/ s和3809. 5 m/ s 时, 其相应炸药的临界厚度为9 mm和7 mm。 (3) 铜-钢复合板界面呈波状结合, 具有较好的 结合质量。其中爆速较低的蜂窝炸药爆炸焊接界面 呈小波状结合, 而爆速较高的蜂窝炸药界面呈大波 状结合。 参考文献(References) [1] 汪 育, 史长根, 李焕良, 等.金属复合材料爆炸焊接 综合技术发展新趋势[J].焊接技术,2013,42(7) 1- 6. 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