爆炸加工

爆炸加工是指以炸藥（或火藥和可燃氣體）為能源把金屬毛坯加工成型或焊接在一起的加工工藝。爆炸加工過程是炸藥化學能轉化為機械能的過程。 常用的炸藥為TNT、硝銨炸藥、導爆索和塑膠（或橡膠）炸藥等。由於炸藥爆炸是快速過程，所以與常規加工方法（例如液壓、衝壓）相比，爆炸加工具有壓力大、變形速度大、加工時間短，因而功率亦大等特點，所以是一種高能率加工方法。

基本介紹

• 中文名：爆炸加工
• 套用範圍：爆炸加工套用範圍較廣
• 爆炸成型：拉深、 脹形、 卷邊、翻口
• 爆炸焊接：使兩塊金屬間形成牢固的結合面

套用案例

例如，把直徑一米的毛坯加工成為封頭,用水壓機生產時,作用於毛坯的平均壓力為幾十個大氣壓 （1大氣壓=101325帕），成型時間為十幾秒；而在爆炸成型時，作用於毛坯的平均壓力為幾千個大氣壓，成型時間約為 1/100秒。由於毛坯成型所需能量在兩種情形下基本相等，所以爆炸成型的平均有效功率就比常規方法大10倍。

套用範圍

爆炸加工套用範圍較廣，主要有爆炸成型、爆炸焊接、爆炸硬化、高速模鍛等幾個方面。

爆炸成型

鈑金零件的拉深、 脹形、 卷邊、翻口、沖孔、壓梗、彎曲和校形等，都可用爆炸成型來完成。這是爆炸加工套用最成熟的一個方面。圖1為幾種爆炸成型裝置的示意圖，分別表示用爆炸成型方法製造拉深件（如封頭）、脹形件（如噴氣發動機的噴管）和平板件（如波紋板）。

炸藥一般放置水中，不和毛坯直接接觸。爆炸壓力通過水傳遞。有時為了防止毛坯起皺，也用砂作傳壓介質以增加毛坯表面的摩擦阻力。一般不用空氣作傳壓介質，因它的傳壓能力太小。在有模爆炸成型時，由於毛坯變形速度較快,通常應將模腔內空氣抽空,否則空氣受壓縮產生的高壓會使零件破壞。如果模具設計合理，工藝參數(包括藥形、藥量、藥位、水深、壓邊力等)選擇恰當，只要引爆炸藥，就能在瞬間(1米封頭約需1毫秒)形成一個與模壁貼合良好的零件。

爆炸成型原理

以圓板自由拉深加工工藝為例。圓板中心點位移與時間關係的試驗結果如圖2所示。從圖中可以看出，爆炸成型時間很短，有兩次加速過程，這就是爆炸成型中所謂"二次載入"的典型現象。機理如下：炸藥起爆後，激波在水中傳播，達到板殼內壁時發生反射。板殼在激波作用下迅速變形，向外運動，這是第一次載入。反射波最初表現出剛性反射的壓縮性質，而後表現為稀疏性質。同時入射波又劇烈地衰減，因此，在板殼附近水中某處開始呈現拉伸狀態。水不能承受拉力，因而產生空泡，阻止壓力的下降，這稱為空化現象。此後，空化區不斷在水中擴張，因空化而被拉斷的水利用已獲得的動能向外作等速運動，趕上前方由於受變形阻力影響而減速的板殼，並不斷給板殼補充動量使其繼續運動。在某一時刻，空化區終止發展。與此同時，空化區內側的水體在高壓的爆炸氣體推動下向外加速膨脹，追上一部分正在運動的空化水。最後在某時刻，內外兩個速度不同的大水體進行碰撞，外水體和板殼的速度突然增加，這就是第二次載入。從此以後，板殼在變形阻力作用下，逐漸減速直至完成變形。就整個變形過程而言，碰撞後的變形量和變形時間都大於碰撞前。

圖1 爆炸成型裝置示意圖

圖2 圓板中心點位移-時間曲線

爆炸成型模型律

爆炸成型的工藝參數常常用模型試驗的方法確定。理論和實驗都表明爆炸成型滿足幾何相似律。只要在模型和原型中採用品種相同的炸藥、傳壓介質和幾何形狀相似的板料，板料在爆炸以後的形狀也相似。成型量y同毛料的特徵長度L、特徵厚度δ和炸藥量Q之間存在確定的函式關係：

薄壁零件的成型滿足更為簡單的能量相似律：

模型試驗必須遵守上述幾何相似律或能量相似律。

爆炸成型的光潔度、精度和模具

在爆炸成型時，零件以很高的速度貼模，零件與模具之間產生較大的碰撞壓力。因此，只要模具內表面光潔度高，零件貼模面光潔度也就較高。同時，大的碰撞力使模具內表面產生大的彈性變形,毛坯經碰撞和輾壓後展開面積有所增加,這樣減少了回彈，增大了精度。爆炸成型貼模是一個多次撞擊的過程，計算模具強度時,一般取動載係數為3。大型零件的成型模具可採用分塊慣性模。

爆炸焊接

又稱爆炸複合，是利用炸藥的壓力使兩塊金屬間形成牢固的結合面的加工工藝。通常用於在碳素鋼表面焊覆一層貴重金屬（如不鏽鋼、鈦、鋯、銅或它們的合金），因而這種工藝可以節約貴重金屬。常規工藝很難把兩種熔點相差懸殊、熱膨脹性能或硬度相差很大的金屬焊接在一起，而用爆炸焊接方法卻能得到質量較好的產品。

爆炸焊接是一種高速碰撞現象。通常將炸藥直接敷在復板金屬表面。為了避免在金屬表面出現傷痕或細裂紋，一般在炸藥和金屬間放置軟橡皮或硬紙板作緩衝層（圖3a、3b）。現用板材焊接來說明爆炸焊接的物理過程。炸藥引爆以後，復板以每秒幾百米的速度撞擊基板，碰撞界面附近材料的壓力劇增至約十萬個大氣壓。部分材料在高壓作用下形成射流。射流噴走,金屬露出潔淨並帶有活性的新鮮表面。在高壓作用下形成兩種金屬的冶金粘接，界面通常呈波紋狀。大量試驗表明兩板之間出現射流是保證焊接成功的必要條件。在選擇炸藥品種、藥量、基板與復板間隙、初始基板與復板夾角等參量時，必須考慮這一要求。帶有小波幅波狀界面的焊接件，往往具有高的焊接強度。對波紋形成的機理，尚未形成較成熟的理論，多數人認為形成波紋是一種界面運動失穩的表現。它是由復板和基板的界面速度存在間斷引起的。還有些人從金相中看到粘接面附近有渦街，認為是材料繞過碰撞點以後產生的卡門渦街。

圖3 爆炸焊接裝置示意圖

爆炸硬化

有些金屬（例如高錳鋼）在炸藥爆炸的高壓作用下，能夠顯著提高表層的硬度，從而增加金屬部件的使用壽命。這種方法已經成功地套用於加工鐵路轍叉、推土機、拖拉機和坦克履帶以及鏟斗的刃口等產品。爆炸硬化的方法是把一層高爆速炸藥放在金屬需要硬化的部位上進行爆炸。連續爆炸2～3次後，可獲得較理想的結果。

高速模鍛

套用火炮的原理，用火藥或高壓空氣發射鍛錘鍛造金屬，錘速大於一般落錘，可以達到每秒幾十米到一、二百米。高速模鍛具有動量大、設備簡單等優點。

爆炸加工工藝還包括爆炸切割、爆炸壓實粉末、爆炸合成金剛石等。

新興爆炸加工技術

爆炸深井整形、水下爆炸焊接、爆炸粉末燒結, 以及爆炸與爆轟合成超硬材料、納米材料爆炸技術甚至已經深人到生物、食品、織物等領域, 如： 水下爆炸衝擊對肉類嫩化、亞麻處理、果類處理。

參考書目

鄭哲敏、楊振聲等編著：《爆炸加工》，國防工業出版社，北京，1981。