1 引言

爆炸焊接是一种固态焊接，它是以低爆速炸药爆炸时产生的冲击波使两层或多层同种或异种材料高速倾斜碰撞而焊合在一起的方法^[1-2]。由于板与板之间焊接面积较大，用一般焊接方法很难实现焊合，而用爆炸焊接法则很容易实现。近十年来，该技术在国防、造船、石油化工、冶金等行业得到了广泛应用。但是，作为爆炸焊接的能源，炸药的性能将直接影响爆炸焊接的质量。在爆炸焊接过程中，所使用炸药的爆速须控制在一定范围内，才能得到优质的焊接界面。根据常用金属材料声速统计，爆炸焊接的炸药爆速要小于2400 m·s^-1，而一般工业炸药的爆速通常在2800~5500 m·s^-1之间^[3]，远不能满足金属爆炸焊接用炸药的要求。

目前，国内外在爆炸焊接工艺中，为了降低炸药的爆速，通常是采用粉状类硝铵炸药，如粉状乳化炸药、膨化硝铵炸药等，在爆炸焊接现场通过人工筛混的办法外加食盐、珍珠岩等稀释剂制得低爆速膨化铵油爆炸焊接炸药^[4-8]。这种方法所制得的炸药贮存稳定性差，且该方法不能保证炸药各组份混合的均匀性和爆轰的稳定性，严重影响爆炸焊接的质量，而且现场混药劳动强度大，不利于安全生产。此外，岳宗洪等在轮碾机内将膨化硝酸铵与复合油相、木粉、食盐、空心玻璃微球等混合^[9]，虽然制造出的炸药爆炸性能稳定，但该工艺生产效率低，已被淘汰。上述爆炸焊接炸药中主要选用食盐作为稀释剂，食盐并不参加爆炸化学反应，遗留在爆炸焊接现场周围，严重污染作业区域环境，因此，本研究选用超细矿物粉作为稀释剂，并将其与硝酸铵、微晶蜡、膨化剂和水混溶形成浆液，然后采用真空膨化干燥工艺制备成低爆速膨化铵油爆炸焊接炸药。该炸药生产工艺简单，产品性能可靠，这对于改善爆炸焊接炸药的性能，提高金属爆炸焊接质量，保护爆区环境都有现实意义。

2 实验 2.1 样品制备 2.1.1 原料

硝酸铵，工业级，安徽淮南化工股份有限公司；微晶蜡，南阳微晶蜡精细化工厂；十八伯胺醋酸盐, 济南法恩工贸有限公司；稀释剂，自制；水为自来水。

2.1.2 仪器

SHZ-D(Ⅲ)循环水式真空泵(巩义市予华仪器有限责任公司)，500 mL缓冲瓶(盐城市华鸥实业有限公司)，2000 mL抽滤瓶(盐城市华鸥实业有限公司)，保温油浴锅(常州国华电器有限公司)。

2.1.3 炸药的制备

炸药的配制：准确称取硝酸铵66 g，微晶蜡4 g，十八伯胺醋酸盐0.06 g，稀释剂30 g，加入9 ml水加热至115~125 ℃，倒入由电热保温油浴锅进行保温的抽滤瓶中，在真空度为-0.07~-0.09 MPa的压力下脱水干燥5 min，搅拌分散出料，冷却至45 ℃后过40目筛，即得低爆速膨化铵油爆炸焊接炸药。

2.2 实验方法

热安全性测试：采用美国TA公司的SDT-2960型DSC-TG联用差示扫描量热分析仪。

颗粒形貌表征：用日本Nikon偏光显微摄影仪观察炸药颗粒的结构特征。

机械感度测试：摩擦感度试验采用GJB772A-1997方法602.1，仪器采用WM-1型摩擦感度仪；撞击感度试验采用GJB772A-1997方法601.1，采用卡斯特落锤仪。

爆速测试：由于工业炸药主要用于炮孔中装药爆炸，其爆速的测试方法是将不同直径的炸药卷按照国标GB/T 13228-1991方法测试炸药的爆速。但对于爆炸焊接的炸药，常用的方法是将炸药按一定厚度平铺于复板(如不锈钢板、铝板等)上爆炸，因此，为了准确测得低爆速膨化铵油爆炸焊接炸药使用中不同布药厚度的传爆速度，实验模拟在长24 cm、宽12 cm、厚度3 mm的钢板上，在钢板的四周用厚度为3 mm的纸板围成一个方框，将所制得的炸药倒入方框中，均匀平铺不同药厚，再将雷管垂直插入左侧，离雷管10 cm处插入探针1，与探针1间距为5 cm处插入探针2，并将探针1和探针2与WBS-2爆速测试仪的信号线连接，其爆速测试装置俯视图见图 1，当雷管通电起爆后，即可测得炸药在钢板上的传爆速度。

2.3 铝/钢爆炸焊接试验 2.3.1 爆炸焊接材料

基板为钢板，尺寸为240 mm×120 mm×18 mm。复板为铝板，尺寸为240 mm×120 mm×4 mm。

2.3.2 金属材料的表面处理

由于钢板表面不光洁，铝板在大气中易形成氧化膜。需要用电砂轮按从粗到细将金属表面打磨、抛光，最后用酒精进行擦洗。

2.3.3 铝/钢爆炸焊接试验

在爆炸碉堡内，以砂土为基础，按照表 1铝/钢的爆炸焊接参数，依次按图 2分别把基板、间隙物、复板、药框和炸药安装起来，再把电雷管插到炸药中起爆，即将铝板与钢板焊接。用汕头市超声仪器研究所有限公司CTS-22A超声波探伤仪检测爆炸焊接质量。

3 结果与讨论 3.1 炸药的热安全性

实验采用美国TA公司的SDT-2960型DSC-TG联用差示扫描量热分析仪。参比物为α-Al₂O₃，保护气体为N₂，流动速度为80 mL·min^-1，升温区间为：室温~600 ℃，低爆速膨化铵油爆炸焊接炸药的样品量为5 mg。实验测得5，10，20，40 K·min^-1四种升温速率下的DSC-TG，得到炸药的热失重开始温度、结束温度、热失重率和放热峰值温度，见表 2。

由表 2可知，提高升温速率可以使反应的起始温度、终止温度和峰值温度增高。由于快速升温，使得反应尚未来得及进行，便进入更高的温度，致使反应滞后。因此，样品的温度滞后于样品池的升温。仪器加热速率越高，样品温度低于样品池温度的情况越明显。样品在实验最低升温速率5 K·min^-1时，其初始分解温度只有227.2 ℃，远高于膨化温度。因此，该炸药各组分在混合膨化时具有良好的热安全性。

3.2 炸药颗粒的微观结构

采用日本Nikon偏光显微摄影仪观察低爆速膨化铵油爆炸焊接炸药颗粒特征见图 3，从图 3中可以清晰地观测到炸药颗粒外部形状极不规则，颗粒内部有微孔、气隙结构，且炸药中硝酸铵与微晶蜡和稀释剂紧密结合，混合均匀性好。

硝酸铵、微晶蜡、膨化剂和粉状稀释剂与水，在115~125 ℃的高温下混合时，虽然硝酸铵与微晶蜡仍不相溶，但混合物中膨化剂十八伯胺醋酸盐的分子亲水基团和亲油基团具有表面活性作用，膨化作用良好。此外，稀释剂具有一定的吸附功能，使微晶蜡和硝酸铵水溶液混合成均匀的浆状液。当这种浆状混合液在温度为115~125 ℃，真空度为-0.07~-0.09 MPa压力下，浆状混合液高度“沸腾”，混合液中的水份快速蒸发逸出，带走大量的热量。此时，硝酸铵由不饱和溶液变为过饱和溶液，在膨化剂作用下，硝酸铵快速膨胀结晶，由于硝酸铵结晶放出大量的结晶热，反过来又使剩余水份蒸发，水份的蒸发溢出将在硝酸铵晶体中留有大量的通道，使得结晶的硝酸铵呈多孔膨松状。同时，微晶蜡和粉状稀释剂在膨化剂作用下也附着在这种多孔膨松状的硝酸铵晶体的内外表面。图 3表明，炸药各组份混合不仅均匀，而且颗粒形状极不规则，颗粒内部含有空隙，加上颗粒之间的空隙，为炸药的可靠起爆和传爆提供“热点”，因而该炸药具有较好的起爆感度和传爆感度。

3.3 炸药的机械感度

作者将地蜡与硝酸铵混合膨化所制得的炸药摩擦感度和撞击感度均为0^[11]。而实测硝酸铵与微晶蜡和稀释剂共同膨化所制得的低爆速膨化铵油爆炸焊接炸药的摩擦感度、撞击感度分别为4%和8%。这是由于该炸药中所加入的稀释剂为过400目筛的无机矿物粉，本身也具有一定的吸油和吸附硝酸铵水溶液的功能，在膨化的过程中，稀释剂与膨化硝酸铵颗粒同样附着微晶蜡，由于微晶蜡具有粘度低，软化点高，润滑、韧性好等性能，赋予炸药颗粒极优的外部润滑性，因而该炸药的摩擦感度和撞击感度较低，满足粉状类硝铵炸药机械感度的要求。

3.4 布药厚度对炸药爆速的影响

为了满足爆炸焊接质量，爆炸焊接时，根据基板和复板的材质和厚度不同，炸药在复板上的布药厚度也不同。因此，测试不同布药厚度的爆速比常规测试不同装药直径的爆速对金属板爆炸焊接更具有实用价值。实验测得布药厚度对低爆速膨化铵油爆炸焊接炸药爆速的影响结果见表 3。

从表 3可以看出，当布药厚度从30 mm增大到60 mm时，炸药的爆速值从1976 m·s^-1增大到2293 m·s^-1，当布药厚度大于70 mm以后，布药厚度对炸药的爆速影响不大。根据炸药爆轰反应的Z-N-D模型可知，炸药爆速与化学反应区放出的能量和支持前沿冲击波C-J面的压力有关。随着炸药的布药厚度增加，单位化学反应区内所放出的能量增大，侧向飞散的能量减少，支持前沿冲击波的能量增多，C-J面的压力增大，因而炸药的爆速随着布药厚度的增大而增大。当炸药的布药厚度增大到一定值时，炸药爆炸侧向飞散对支持前沿冲击波C-J面的压力几乎没有影响，因而炸药的爆速变化不大，基本趋于稳定。

3.5 铝/钢板爆炸焊接超声波探伤分析

超声波探伤是检测爆炸焊接质量优劣的理想手段。其基本原理是利用超声波能透入金属材料的深处，并由一界面进入另一界面时，在两界面发生反射的特点来检查基板和复板之间是否有缺陷的一种方法，当超声波束自复板表面由探头通至金属内部，遇到缺陷与复板底面时就分别发生反射，反射回来的超声波被探头接收，通过仪器内部的电路处理，在仪器的荧光屏上就显示出不同高度和有一定间距的波形。探伤人员则根据波形的变化特征，判断基板与复板之间是否有缺陷。图 4为实验测得铝/钢复合板的超声波探测波形图，从图中可以看出，超声波探测出具有一定规律的波形，说明铝/钢爆炸复合板的复合率达99%。

4 结论

(1) 低爆速膨化铵油爆炸焊接炸药是将硝酸铵与微晶蜡、膨化剂和稀释剂在一定温度下与水混溶后，再通过真空脱水膨化和干燥制得，配方设计合理，生产工艺简单，安全可靠。

(2) 炸药的显微结构观察表明各组份混合均匀性好，炸药颗粒内部和颗粒之间的空隙有利于提高起爆感度和传爆感度。

(3) 炸药的摩擦感度、撞击感度分别为4%和8%，满足粉状类硝铵炸药机械感度的要求。

(4) 炸药爆速在1900~2400 m·s^-1之间，铝/钢爆炸焊接超声波探伤表明爆炸复合率达99%，能满足金属板材爆炸焊接用低爆速炸药的要求。