图1　爆炸焊接装置及焊接过程
1-炸药;2-缓冲区;3-复板;4-基板;5-基础;6-起爆器；7-爆炸产物;8-再入射流;s-基复板安装间距;VD-炸药爆速;VP-复板运动速度;VCP-碰撞点运动速度;c-碰撞点

1.1　实现焊接的必要条件（边界条件）

　　爆炸焊接属于冷焊，要实现良好的焊接必须具备以下3个条件：
　　(1)碰撞速度要超过某一最小值，产生的碰撞压力要大于材料的动态屈服极限，在碰撞点附近产生流体区。Whitman等人［1］提出的最小碰撞速度vpmin＝（σb/ρ）1/2。
　　(2)形成足够稳定的再入射流，产生自清理过程。产生再入射流，必须具备2个条件，一是动态碰撞角β必须大于某一临界值；二是碰撞点运动的速度要小于声音在该材料中的传播速度。Crossland等人［1］提出最小碰撞角βmin=k0(Hv/ρvcp2)1/2
　　(3)碰撞点运动的速度要大于某一临界值，界面才能呈波状结合特征，否则界面平直、结合强度低。Cowan等人［1］提出最小碰撞点运动速度vcpmin=［2Re(Hv1＋Hv2)/(ρ1+ρ2)］1/2
式中
　　　　　　ρ—材料密度；
　　　　　　Hv—硬度；
　　　　　　σb—材料拉伸强度；
　　　　　　Re—雷诺数；
　　　　　　k0—材料表面状态系数。

1.2　爆炸焊接参数及其相互关系
　　爆炸焊接参数包括焊接前的初始参数（静态参数）和焊接过程的运动学参数（动态参数），初始参数对焊接质量的影响是通过运动学参数来实现的。初始参数包括炸药的爆速vD、安装间距s、初始安装角α等；运动学参数包括复板的运动速度vP、碰撞点运动速度vCP、复板的弯折角γ或碰撞角β等。根据Wyle等人［1］提出的焊接过程几何模型可得出焊接参数间的以下3个关系式：

β＝α＋γ
vP =2vDsin(γ/2)
vCP =vDsinγ/sinβ

　　按Deribas等人［1］提出的物理模型，运动学参数与初始参数间有如下关系：

vP=1.2vD［(1+32R/27)1/2-1］/［(1+32R/27)1/2+1］

　　另外，由长期的试验和实践经验得出以下两个关系式［1］：

1/β=a0+b0/R
s=0.2(He+Hf)

式中　R单位面积炸药质量与复板质量的比值；
　　　　　　a0、b0—试验常数；
　　　　　　He 、Hf—炸药和复板的厚度。

1.3　不锈钢-钢爆炸焊接参数
　　利用焊接的边界条件和焊接参数间的关系式，采用计算机辅助设计，并通过试验修正，可得到合理的爆炸不锈钢复合板的爆炸焊接参数。对于300系不锈钢与低碳钢的大面积爆炸焊接，成熟的爆炸焊接工艺与参数为：α＝0°（平行法安装）；采用低爆速炸药（vD=2000～3500m/s），点状起爆或线性起爆；vP＝300m/s,vcp=2400m/s,β=7.2°。

2　爆炸不锈钢复合板的材料选用和性能分析

2.1　材料的选用和交货状态
　　石油、化工行业使用的爆炸不锈钢复合板，其复层不锈钢大多采用304、321、316L等300系不锈钢，也采用0Cr13、0Cr13Al、SMO254（Cr20Ni18Mo6Cu）、2205(0Cr22Ni5Mo3N)、G817（0Cr13Ni5Mo）等特种用途的不锈钢;基板大多采用Q235A、Q235B、20G、20R、3C、16MnR，偶尔也用SB42和15CrMoR等低碳钢。复层厚度一般为2mm或3mm,某些管板为5～12mm；基层厚度大于8mm,板面尺寸不小于1500mm×6000mm；复层不锈钢板有拼板和整板两种情况。爆炸不锈钢复合板的交货状态一般为正火态，某些特殊材料为中温退火态，管板一般为爆炸态。
2.2　界面分析
2.2 .1界面的复合状态
　　界面复合状态通常采用全面积100％超声波探伤检验的方法进行检验，对于复层不锈钢未经拼焊的大面积爆炸不锈钢复合板，其未复合区域一般出现在起爆点（垂直碰撞）和边缘部位（边界效应）。对于复层不锈钢经过拼焊的大面积爆炸不锈钢复合板，焊接应力造成的复板瓢曲，可通过改进爆炸焊接工艺，使之获得与前一种爆炸不锈钢复合板同样的复合状态。图2是大面积爆炸不锈钢复合板界面复合率的统计分布曲线，从中可以看出，复合率超过99％的爆炸不锈钢复合板占总数的98％以上，其交货态复合率均为100％。

图2　界面复合率统计分布曲线

　　表1是国内外标准中规定的不锈钢复合板界面复合状态。由表1、图2可知，爆炸不锈钢复合板界面复合状态完全能满足国内外标准的要求。

　　表1　国内外标准对不锈钢复合板界面复合状态的要求

图3　爆炸不锈钢复合板界面结合特征

2.2.2 界面结合强度
　　用剪切强度和拉脱强度（按GB/T6396进行）评定界面的结合强度。表2是几种爆炸不锈钢复合板的拉脱强度，表3是国内外标准对不锈钢复合板剪切强度的要求。图4是大面积爆炸不锈钢复合板剪切强度的分布曲线，由表3和图4可知，爆炸不锈钢复合板剪切强度的稳定值在240～360MPa之间，远高于国内外有关标准的要求；由表2可知，爆炸不锈钢复合板的拉脱强度同基板的拉伸强度相当。可见，爆炸不锈钢复合板的界面，不仅结合强度高，而且焊接牢固。

表2　几种爆炸不锈钢复合板的拉脱强度　MPa

表3　国内外标准对不锈钢复合板剪切强度的要求　　　　　　MPa　

图4　剪切强度分布曲线

　　表4　爆炸不锈钢复合板拉伸性能统计分析结果

图5　爆炸不锈钢复合板冲击功分布曲线

2.3.3　冷弯性能
　　不锈钢复合板的冷弯性能表征了通过爆炸焊接获得的复合板的变形能力和界面结合强度。内外弯试验（按GB/T2975、6396进行）结果表明，经过合理的热处理后，爆炸不锈钢复合板弯曲试样的内外表面均完好，无裂纹，界面无分层。
2.3.4　晶间腐蚀性能
　　对不锈钢复合板的复层进行晶间腐蚀试验（按GB/T3280、4237进行），结果表明，不锈钢复合板没有晶间腐蚀倾向。

3　爆炸不锈钢复合板在石化设备上的应用

3.1　应用状况
　　爆炸不锈钢复合板在石化设备中主要用作耐蚀容器的壳体和管板。表5列出了不锈钢复合板在石化设备上的部分用例，从中可以看出，最早生产的爆炸不锈钢复合板已使用了十几年。对克拉玛依炼油厂常减压蒸馏装置减压塔、天津炼油厂溶剂罐、济南炼油厂常减压蒸馏装置减压塔所用的爆炸不锈钢复合板进行了质量跟踪，未发现分层、鼓包等现象，内件与内壁连接的焊缝也完好、无裂纹，附近的复合板仍保持着良好的结合状态。

　　　　　表5　爆炸不锈钢复合钢板在石化设备上的部分用例