全國爆破技術(shù)人員統(tǒng)一培訓內(nèi)容(2上)

全國工程爆破技術(shù)人員統(tǒng)一培訓內(nèi)容中國工程爆破協(xié)會編

汪旭光主編

（2011）爆破設(shè)計與施工

（12上）第十二章特種爆破12.1爆炸加工12.2聚能爆破12.3油氣井燃燒爆破技術(shù)12.4地震勘探爆破12.5高溫凝結(jié)物解體爆破12.6金屬破碎切割爆破12.7冰體爆破12.8農(nóng)林爆破12.1爆炸加工爆炸加工是指利用炸藥爆炸的瞬態(tài)高溫和高壓，使物料高速變形、切斷、相互復合（焊接）或物質(zhì)結(jié)構(gòu)發(fā)生相變的一種加工方法，例如爆炸焊接、爆炸成形、爆炸硬化與強化、爆炸消除殘余應力、爆炸合成金剛石等。與傳統(tǒng)的機械加工、物理或化學方法相比，爆炸加工具有無可比擬的優(yōu)點，故近年來發(fā)展很快，前景無可估量！一、爆炸復合所謂爆炸復合就是利用炸藥的爆轟作為能源，在所選擇的金屬板材或管材的表面包覆上一層不同性能的金屬材料的加工方法，前者叫基板，后者叫做復板。爆炸復合有兩種基本形式：一種是爆炸焊接，這種復合工藝使兩種金屬材料的結(jié)合部位有一般的熔化現(xiàn)象。若將爆炸焊接部位放在顯微鏡下觀察，可以看到有細微的波浪狀結(jié)構(gòu)，如作金相分析，可以看到兩種金屬已彼此滲入到各自的組織中，因此爆炸焊接后的強度是很大的。另一種工藝是爆炸壓接，它與爆炸焊接的區(qū)別是，結(jié)合的部位兩種金屬組織沒有發(fā)生熔化焊接現(xiàn)象。僅僅是依靠強大的爆炸壓力把兩者壓合、包裹而牢牢地壓合在一起。炸藥層與復板之間的緩沖層，主要是起保護復板的作用，使其在炸藥爆炸時不會遭受到表面燒傷。常用作緩沖層的材料有：橡皮、瀝青和油氈等，如圖12-1所示。圖12-1爆炸焊接裝置示意圖1—起爆用的雷管；2—炸藥層；3—緩沖層；4—復板；5—基板；6—基礎(chǔ)?；A(chǔ)常采用砂或泥土，在特殊情況下也可采用厚鋼板作基礎(chǔ)?；搴蛷桶逯g必需要留有一定的間隙，間隙的作用是保證復板在炸藥爆炸后，能達到足夠的碰撞速度，并保證在基板和復板之間能產(chǎn)生金屬噴射流。按基板與復板的安裝方式，分為平行法與角度法兩種（參見圖12-2）。平行法要求基板與復板之間保持嚴格的平行。兩者之間的間隙大小都要一樣。而角度法中基板與復板間的間隙隨位置的逐漸變化而變化。故這種安裝方式宜使用密度較大和爆速較高的炸藥。但是，由于間隙的大小隨位置而變化，故不同位置的焊接質(zhì)量亦有差異，這對大面積的焊接是不適宜采用的。圖12-2基板與復板的安裝方式a—平行法；b—角度法圖12-3是爆炸焊接過程的示意圖。從圖中可以看出，當炸藥爆轟后，爆炸產(chǎn)物形成高壓脈沖載荷直接作用在復板上，復板被加速，在若干微秒的時間內(nèi)復板的沖擊速度就可達到每秒幾百米以上，從起爆點開始，復板依次與基板碰撞。當兩金屬板相碰撞時，產(chǎn)生很高的沖擊壓力，大大超過了金屬的動態(tài)屈服極限。因而在碰撞區(qū)內(nèi)產(chǎn)生了高速的塑性變形，同時還伴隨著劇烈的熱效應。此時，碰撞面的金屬板的物理性質(zhì)類似于流體。這樣，在兩金屬板的內(nèi)表面將形成兩股運動方向相反的金屬噴射流。圖12-3爆炸焊接過程示意圖1—基板；2—復板；3—緩沖層；4—炸藥層；5—雷管

一股是在碰撞點前的自由射流，向尚未焊接的空間高速噴出。它沖刷了金屬內(nèi)表面的表面膜，使被沖刷的金屬表面露出有活性的新鮮的金屬面，為兩塊金屬板的焊接提供了良好的條件。另一股往碰撞點后運動的射流，叫凝固射流，它被凝固在兩金屬板之間，形成兩種金屬的冶金結(jié)合過程。

1．影響爆炸焊接效果的因素爆炸焊接參數(shù)分為初始參數(shù)、動態(tài)參數(shù)和結(jié)合區(qū)參數(shù)三類。

1）初始參數(shù)它包括炸藥的性能和重量；金屬材料的物理機械性能和尺寸以及金屬材料的安裝位置和狀態(tài)。

炸藥的重量與性能：在爆炸焊接中，單位面積裝藥量λ是一個重要的初始參數(shù)，它表示爆炸焊接所需要的能量，它可用式來表示：式中λ——單位面積裝藥量，g/cm2；

m——復板的質(zhì)量，g，若在裝藥與復板之間裝設(shè)了緩沖層的話，則m也包括了緩沖層的質(zhì)量在內(nèi)；

R——比值（單位面積裝藥質(zhì)量與復板質(zhì)量之比）。

單位面積裝藥量已知后，則一次爆炸焊接所需總裝藥量為：

式中Q——一次爆炸焊接的總裝藥量，g；

A——一次爆炸焊接的總面積，cm2。炸藥的性能主要是指它的爆速μD，絕熱指數(shù)γ或爆熱

E0和裝藥密度ρ0。在實際爆炸焊接施工中，可以使裝藥密度穩(wěn)定在一個變化不大的范圍內(nèi)。爆炸焊接所使用炸藥的爆速有一定限制一般規(guī)定的爆速的最大值不要超過金屬材料聲速的1.2倍。但是，為了獲得穩(wěn)定爆轟，炸藥厚度必須介于臨界厚度和極限厚度之間。絕熱指數(shù)γ對于民用炸藥，一般取2.0~2.5。復板和基板的物理機械性能：在實際爆炸焊接施工中，復板和基板的品種和規(guī)格是根據(jù)工程結(jié)構(gòu)的用途和設(shè)計的要求，在爆炸焊接以前已經(jīng)確定好了的。因此，金屬的物理機械性能、厚度和密度也相應是確定了的。在計算爆炸焊接參數(shù)時，經(jīng)常采用的材料常數(shù)是體積聲速

vS，它是與爆炸焊接效果有關(guān)的一個重要物理量。復板和基板的安裝狀態(tài)：基板和復板的安裝狀態(tài)是由兩板間的預置角α和間距s來確定。間距的作用是保證在復板加速到所要求的碰撞速度時所需要的距離，以產(chǎn)生足夠的沖擊壓力。同時，間距也為碰撞時產(chǎn)生的自由金屬射流提供一條無阻礙的通道，防止射流受阻而殘留在結(jié)合區(qū)內(nèi)。

設(shè)置一定的預置角度是為了在使用高爆速炸藥爆炸時，把碰撞點移動速度控制在亞聲速范圍內(nèi)?；蛘邽榱诉_到最佳的結(jié)合區(qū)流動狀態(tài)，使碰撞點移動速度處在（1/2~1/3）材料聲速之間。通過改變預置角，可起到調(diào)節(jié)碰撞點速度的作用。在實際爆炸焊接中，預置角“一般是很小的，而在大板的焊接裝置中，以采用平行法為宜。圖12-4爆炸焊接動態(tài)參數(shù)示意圖

2）動態(tài)焊接參數(shù)圖12-4是表示爆炸焊接動態(tài)參數(shù)示意圖。爆炸焊接的動態(tài)參數(shù)包括：復板的動態(tài)彎折角θ、碰撞角β、復板碰撞速度vp、復板相對于碰撞點S的速度vi和碰撞點移動速度vcp以及復板的碰撞能IE。它們之間的關(guān)系可用下列諸式表示：式中vd—炸藥的爆速；

m—復板的質(zhì)量。其它符號的意義見圖12-4中的說明。

3）結(jié)合區(qū)參數(shù)在爆炸焊接中，一般來說結(jié)合區(qū)可分為下面三種類型：金屬與金屬的直接結(jié)合；形成均勻連續(xù)的熔化層；波狀結(jié)合。三種結(jié)合型式中，以波狀結(jié)合最為常見。爆炸焊接結(jié)合區(qū)參數(shù)，它表征了結(jié)合區(qū)的外貌特征和復合材料的性質(zhì)，表示爆炸焊接的最終結(jié)果。結(jié)合區(qū)界面參數(shù)包括：界面波的波高和波長、結(jié)合強度和熔化層厚度。根據(jù)試驗結(jié)果證明，波長隨著碰撞角β的增加而增加。當碰撞角相同時，波長隨復板厚度tf的變化而變化。它們之間存在著下面的關(guān)系。式中：λ——結(jié)合區(qū)波長；

b、c——系數(shù)；

A——結(jié)合區(qū)的波高。當波高與波長的比值為0.281時，形成的波是最穩(wěn)定的。爆炸焊接的三類結(jié)合參數(shù)之間是互相聯(lián)系的。當初始參數(shù)確定后，動態(tài)參數(shù)和結(jié)合區(qū)參數(shù)也就相應確定了。因此爆炸焊接效果和質(zhì)量主要取決于合理的選取初始焊接參數(shù)。

2．爆炸焊接前的清理工作復板和基板表面的清潔是影響爆炸焊接質(zhì)量的重要因素。雖然在爆炸焊接過程中所形成的金屬射流，起到清洗基板和復板表面膜的作用，但是它能清洗表面膜的厚度必竟是有限的。因此，在爆炸焊接前對金屬板表面進行清刷是非常必要的。實踐證明，金屬板的初始表面光潔度越高、越新鮮，爆炸焊接質(zhì)量也就越高，常采用的清理方法有以下幾種：

1）砂輪打磨，這是一種最廣泛使用的方法，主要用于鋼表面的清理。

2）噴丸和噴砂，用于要求不高的鋼表面清理。

3）酸洗，常用于銅及其合金表面的清理。

4）堿洗，主要用于鋁及其合金表面的清理。

5）砂布或鋼絲刷打磨，主要用于不銹鋼和鈦合金的表面清理。

6）車、刨、銑、磨，用于要求較高的厚鋼板（或鋼鑄件）以及異形零件的表面清理。不管采用哪種方法清理，最好是當天清理，當天就進行爆炸焊接，對于光潔度要求較高的工藝，如果當天不能進行爆炸焊接，就應用油封，保護已清理好的表面，待第二天爆炸時，再用丙酮或苯將油封洗凈。（二）爆炸壓接爆炸壓接是利用炸藥爆炸所產(chǎn)生的強大壓力，將兩種金屬材料壓合、包裹和接合在一起的工藝。因此，機械壓縮過程是壓接的基本形式。爆炸壓接工藝已在我國電力工業(yè)部門架設(shè)高壓輸電線時，成功地用它來連接電力線。這種壓接工藝的原理如圖所示。首先將兩根電力線的線頭，從相對方向插入壓接管中。兩根電力線的線頭（接頭）根據(jù)連接方式分為：對接，即兩根插入壓接管的線頭端面相對接觸；搭接，即一根電力線的接頭以一定長度搭在另一根電力線的接頭上；插接，即將兩根電力線的接頭的金屬導線打開，相互插入。電力線的接頭按上述三種方式之一連接好后，在壓接管外周敷設(shè)兩層炸藥，最后用雷管起爆。圖爆炸壓接原理圖1—鋼絞線（對接）；2—壓接管；3—二層炸藥；4—雷管在用爆炸壓接法壓接電力線時，其施工工藝可分為：

1．切割管線和檢查

1）在切割管線之前，應對它們作一次詳細全面的檢查。檢查內(nèi)容包括：對電力線應檢查是否有斷股、缺股、折疊、線股纏繞不良和銹蝕嚴重等缺陷；對壓接管應檢查是否有開裂和嚴重砂眼、其內(nèi)、外徑是否符合標準。如發(fā)現(xiàn)有上述缺陷，應及時處理或更換。否則，會直接影響接頭的機械強度和電氣性能。

2）切線時，應先在線的切口兩側(cè)用細繩綁扎牢固，以防切割后線頭散股。切口平面要與線軸垂直，切口要整齊。切割后，可用鋼銼刀整理切割面上的毛刺，以利穿線。

2．清洗管線管線可用汽油清洗，也可用10%的堿洗液（水占90%，工業(yè)用堿占10%）清洗。用堿液清洗時，將管線放入溫度為40~60o值的堿洗液中5~6分鐘，然后取出，再用清水沖凈管線表面殘存的堿液，并將線頭朝上放置，涼干水分。對帶有防腐油的鋼絞線和鋁絞線的鋼芯，可用磷酸三鈉液煮洗。煮洗時，將磷酸三鈉溶液（每升水加入80克磷酸三鈉）倒入長罐中，加熱至沸騰狀態(tài)，再將管線放入長罐中浸煮，并不斷地加水，使油溢出，10~15分鐘后取出，將線頭朝上放置，涼干，或用噴燈烤干。清洗線的長度不得小于爆炸壓接長度的1.5倍。

3．浸沾保護層在爆炸壓接中，往往由于壓接管表面不夠光滑和平整，以致爆炸時所產(chǎn)生的高溫高壓高速的氣流將壓接管表面燒傷。防止這種表面燒傷的方法是在壓接管表面浸沾保護層。制作保護層的材料有：橡皮、塑料、黑膠布、松香、石蠟等涂料。使用泰乳炸藥進行爆炸壓接時，多采用松香和石蠟配制的涂料，它們的配制比例是1:1（重量比）。涂料熔化浸治前，要將壓接管兩端用廢紙、棉紗頭或特制木塞堵死。嚴禁涂料進入管內(nèi)而影響壓接質(zhì)量。保護層的厚度以1.5~2.0mm為宜。對于鋼絞線壓接管，一般可不浸沾松香石蠟涂料，而在壓接管外包纏1~2層黑膠布或塑料帶即可。包纏時，力求緊密、均勻。

4．裁藥和包藥使用片狀的泰乳炸藥進行爆炸壓接時，應根據(jù)浸沾過保護層的壓接管的外圓周尺寸的大小來裁藥，裁藥的尺寸力求準確。裁藥時須用快刀在平整的木板或橡皮板上劃裁。嚴禁用剪刀剪裁或在鋼板上用刀劃裁。用黑膠布或塑料帶包纏藥包時，一定要將藥片緊緊地貼在壓接管上，在藥片的接縫處不得留有間隙，更不能將藥片疊起來包纏。如用橡膠粘接，應在藥片的接縫處均勻地涂抹上膠水，等待稍微涼干后，將藥片緊貼在壓接管上，用手在接縫處輕輕壓牢。藥片包貼完后，藥包的長度應在規(guī)定的范圍內(nèi)，否則，應切除多余的部分。

5．穿線 爆炸壓接中的穿線工藝，是一項細致的工作，稍有疏忽，將對接頭的壓接質(zhì)量產(chǎn)生很大影響。穿線應仔細檢查壓接管的規(guī)格是否和被壓接的線的型號一致，壓接管內(nèi)是否有油、水、泥土等污物。穿線時，必須按照線頭的連接方式和要求的尺寸進行穿線。如果是對接時兩線頭的對接點必須位于壓接管長度的中心點，而且兩線頭的端面，必須緊密接觸。如果連接方式是搭接或插接時，兩線頭可稍微穿出壓接管口以外。

6．放炮放炮前，應將包好藥包的壓接管連同鋼芯鋁絞線或鋼絞線用支架或其它方式牢固地支承起來。藥包在離地表的距離不得小于1米，以防止爆炸時，地面反射波的作用，使壓接管變彎，同時也避免爆炸時飛石傷人。當一切起爆準備工作做完，并檢查無誤，同時一切人員撤離現(xiàn)場到達安全地點后，方準起爆。

7．整理爆炸壓接后，應將殘存在壓接管上的石蠟松香擦凈。并在鋼芯鋁絞線和鋼絞線接頭的鋸口兩端涂上紅丹，以防銹蝕。

下面是我國各供電局在采用爆炸壓接時，不同連接方法設(shè)計和施工示意圖。

1．對接式爆炸壓接圖對接式爆炸壓接示意圖1—鋼絞線；2—壓接管；3—藥包；4—雷管

2．插接式爆炸壓接圖插接式爆炸壓接示意圖（尺寸：mm）1—鋼絞線；2—壓接管；3—藥包；4—雷管

3.搭接式爆炸壓接。圖搭接式爆炸壓接示意圖（尺寸：mm）1—鋼芯鋁絞線；2—壓接筒；3—藥包；4—墊條；5—雷管以上三種連接方式的爆炸壓接所采用的炸藥均為泰乳（太乳）炸藥，采用其它炸藥時，其裝藥參數(shù)應經(jīng)過試驗來確定。二、爆炸成形爆炸成形是利用炸藥爆炸所產(chǎn)生的沖擊波的沖擊作用和高壓氣體的膨脹作用，通過傳壓介質(zhì)作用到金屬毛料（如金屬板材和筒材）上，使金屬毛料加工成符合設(shè)計要求（即形狀、尺寸、精度和光潔度符合要求）的零部件。傳壓介質(zhì)一般多采用水介質(zhì)，這是由于水的傳壓性能好，加工出來的零部件表面光潔度高，同時水的來源很方便和成本低廉。有時也采用油、砂、滑石粉和空氣作為傳壓介質(zhì)，但加工出來的零部件的質(zhì)量遠遠不如水。根據(jù)金屬加工的零部件的形狀不同，可將金屬爆炸成形分為爆炸拉深成形和爆炸脹形成形兩種加工方法。（一）爆炸拉深成形法這種加工方法是利用炸藥爆炸的沖擊壓力將金屬板材拉深成凹形零件的方法。這種加工方法使用的裝置如圖12-5所示。爆炸拉深成形一般分為自由拉深成形和有模拉深成形。圖12-5爆炸拉深成形裝置圖1—藥包；2—水；3—護筒（用金屬、塑料或瀝青紙加工成的）；4—卡具；5—模具；6—金屬板材（毛料）；7—排氣孔；8—壓邊圈自由拉深成形的裝置很簡單（見圖12-6），沒有模具只有拉深環(huán)。這種加工工藝完全依靠控制加工工藝參數(shù)來獲得零部件的外形，全憑經(jīng)驗，易受偶然因素的影響。這種加工方法只適用于加工形狀簡單而精度又要求不高的零部件。圖12-6自由拉深成形裝置1—藥包；2—傳壓介質(zhì)（水）；3—護筒；4—壓邊螺栓；5—壓邊圈；6—毛料；7—拉深環(huán)；8—支座有模拉深成形又分為自然排氣拉深成形（見圖12-7）和模腔抽成真空的拉深成形兩種。在爆炸拉深成形過程中，模腔中的空氣必須排出，則會在板材拉深成形過程中，空氣受壓，溫度上升，容易燒傷零部件表面。另外在零部件成形卸壓后，被壓縮的氣體開始膨脹，使零部件表面鼓起而造成廢品。圖12-7自然排氣有模拉深成形1—藥包；2—傳壓介質(zhì)（水）；3—護筒；4—壓邊螺栓；5—壓邊圈；6—毛料；7—自然排氣模

自然排氣的有模爆炸拉深成形法所需的裝置很簡單，只需在模具上鉆幾個排氣孔。自然排氣有模爆炸拉深成形加工法，它的成形精度較自由拉深成形要高些。也能加工形狀復雜的零部件，但它只適用于加工黑色金屬和厚鋁板。對于大批量加工精度要求較高和相對厚度比較小的零部件，不能采用自然排氣的有模爆炸拉深成形加工法，而只能采用模腔抽成真空的爆炸拉深成形加工法。模腔中的氣壓至少要降低到667Pa（5mm汞柱）的壓力。

影響爆炸拉深成形效果的因素很多，其中包括：藥形、藥位、藥量、傳壓介質(zhì)的邊界條件、水深和真空度等。對這些因素選取得是否恰當，不只影響拉深成形零部件的質(zhì)量和生產(chǎn)率，還會影響模具的使用壽命。藥形：藥包的形狀決定了爆炸所產(chǎn)生的沖擊波的形狀。在低藥位的情況下，也就決定了作用在金屬毛料上的載荷大小和分布情況。為了有效地控制金屬毛料的流動和變形。必需正確選擇符合零部件外形特點和技術(shù)要求的藥包形狀。常用的藥包形狀有：球形、柱形、錐形和環(huán)形（見圖12-8）。圖12-8常用的藥包形狀a—球形藥包；b—柱形藥包；c—錐形藥包；d—環(huán)形藥包

球形藥包爆炸后所產(chǎn)生的沖擊波為球面沖擊波，在低藥位時作用在金屬毛料上的載荷是不均勻的。中央部位載荷最大，邊緣部位載荷較小。所以零部件成形后，頂部較薄。因此，它只適用于成形深度不大，變薄要求不嚴的球底封頭零件。柱形藥包制作容易，是生產(chǎn)中采用最多的一種藥包。長柱形藥包由于長度與直徑之比大于1.0，端面沖擊波與側(cè)面沖擊波的強度相差較大，不宜在爆炸拉深成形法中采用，大都在爆炸脹形成形法中采用。短柱藥包（指藥包長度與藥包直徑之比等于或小于1.0），常常用來代替球形藥包。錐形藥包爆炸后，頂部沖擊波較弱，兩側(cè)較強。常用于變薄量要求較嚴的橢球底封頭的爆炸拉深成形。錐角常為90o~120o。

環(huán)形藥包一般用于大型封頭零件的爆炸拉深成形。這是因為環(huán)形藥包的直徑d為?？谥睆紻的80~85%，因此藥包比較接近凹模圓角，利于凸緣毛料流入模腔，減少變薄量。同時，采用環(huán)形藥包，藥位可低些，毛料向下運動的分速度較大，因而減輕了成形后的圓角脫離現(xiàn)象。當成形深度相同的零件，環(huán)形藥包的用藥量要比球形藥包少一些。藥位：一般常指藥包中心至毛料表面的垂直高度h，并稱之為吊高。藥包在水中爆炸后所形成的強沖擊波隨著波陣面的推進及擴散，其壓力及傳播速度迅速下降。由此可見，藥位h不僅影響作用在毛料上的載荷大小，也影響其載荷的分布。在采用球形、柱形和錐形藥包時，相對藥位（即藥位與?？谥睆街龋┮话憧稍?.2~0.5范圍內(nèi)選取。采用環(huán)形藥包時，藥位可稍低一些，相對藥位一般在0.2~0.3間選取。藥位的選取主要取決于零件的材質(zhì)和相對厚度。材料的強度高而相對厚度又大的零部件成形時，藥位可低一些。反之，則應高一些。藥量：當藥位一定的情況下，藥量決定著作用在毛料上的載荷大小。藥量確定的方法一般采用類比法和估算法。根據(jù)功能平衡準則，得出藥量的估算公式如下：式中Y——金屬板頂點撓度，mm；

D——?？谥睆?，mm；

W——藥量，g；

δ——毛料厚度，mm；

h——藥位，mm；

K——系數(shù)，等于δS2/δS1；

δS1——低炭鋼的屈服應力；

δS2——成形零件的材料屈服應力。傳壓介質(zhì)的邊界條件：護筒的材質(zhì)強度對拉深件的成形深度和外形平滑度有很大的影響。一般來說，隨著護筒材質(zhì)強度的增加和直徑的增大，毛料的成形深度和外形平滑度也隨之增加，這主要是筒壁正壓反射波增強了作用在毛料上的載荷，同時筒徑增大后，也延緩了卸載波作用的時間。水深：藥包中心至水面的距離。水深一方面可以確定水從自由面卸載所需要的時間；另外一方面對于高壓氣體作用在毛料上的能量和時間產(chǎn)生很大影響。水越深，高壓氣體作用在毛料上的能量和時間也越多。但水深達到一定值后，這種影響趨于平穩(wěn)。此時的水深叫做臨界水深。對于薄板零件成形，臨界水深一般取(1/2~1/3)的模口直徑。真空度：當薄板毛料進行爆炸拉深成形時，由于變形速度快，模腔中的空氣來不及排出，殘余氣體突然受到壓縮，溫度升高，容易燒傷零件，另外當載荷消失后，被壓縮的氣體自行膨脹、反頂零件而形成反凸形，破壞零件表面的光潔度。試驗表明，模腔中具有小于5mm水銀柱高的真空度，即可獲得外形良好的零件。壓邊力：壓邊力的大小直接影響到零件的質(zhì)量，例如成形深度、頂端變薄量、和產(chǎn)生內(nèi)外皺等。隨著壓邊力增加，則增加爆炸拉深零件的膨脹形比。因而變薄量增加，成形深度減小，但有利于防止發(fā)生內(nèi)外皺。減小壓邊力，恰好與上述情況相反。在實際工作中，壓邊力的大小應視具體的零件而定。（二）爆炸脹形成形法利用炸藥爆炸產(chǎn)生的沖擊波和高壓氣體將金屬筒狀旋轉(zhuǎn)體毛料加工成各種筒形零件的加工方法。其加工過程如圖12-9所示。圖12-9爆炸脹形成形加工示意圖1—密封圈；2—上壓板；3—藥包；4—毛坯；5—爆炸模；6—下壓板；7—墊木；8—抽氣孔

大多數(shù)脹形件的毛料都有焊縫，在爆炸成形過程中焊縫最易開裂。因此，毛料在焊接后和在爆炸脹形之前，要進行熱處理，以消除焊接時產(chǎn)生的內(nèi)應力。不經(jīng)過熱處理的毛料容易破裂，而且由于各部位應力不均勻，會造成零件質(zhì)量不均衡。在進行爆炸脹形加工過程中，為保證零件的加工質(zhì)量，必須正確選擇加工工藝參數(shù)。這些參數(shù)包括：藥包形狀、藥包位置、炸藥用量、介質(zhì)種類、反射板間隙等。

1．藥包形狀用于爆炸脹形的藥包形狀應根據(jù)零件的幾何形狀來確定，原則上應符合毛料各部位變形量的需要，并使模具受載最合理，同時藥包的制作應力求簡單。對于筒形旋轉(zhuǎn)體脹形零件，一般都采用圓柱形藥包。圓柱形藥包的長度，應視具體零件而定，對長而且變形區(qū)也較長的零件，應采用細長藥包；對長度較短或變形區(qū)較短的零件，應采用短柱形藥包。下面是爆炸脹形加工時，常采用的幾種藥包形狀。圖12-10幾種常用于爆炸脹形的藥包形狀

2．藥包位置對筒狀旋轉(zhuǎn)體脹形體而言，藥包總是掛在旋轉(zhuǎn)軸上。其吊掛高低位置，應視具體情況而定，其原則是：（1）藥包爆炸所產(chǎn)生的沖擊能量的分布應與毛料要求的變形量分布一致。即藥包應放在毛料要求變形量最大的部位。（2）載荷對毛料軸向壓力不應過大，以防止零件在成形過程中失穩(wěn)。（3）用自然排氣方法時，要考慮對排氣有利。（4）僅根據(jù)第一條原則來確定藥位，有時藥包距水面太近，其能量利用率很低，在這種情況下需要適當調(diào)整藥位。以上幾條在實際應用中，經(jīng)常會產(chǎn)生矛盾，必須根據(jù)具體情況加以調(diào)整。

3．藥量爆炸脹形所需的用藥量與零件的大小、毛料的種類、材質(zhì)、厚度和狀態(tài)以及爆炸的邊界條件等因素有關(guān)。爆炸脹形所需的用藥量可按功能平衡原理，即毛料由初始狀態(tài)到貼模成形這一過程中所作的變形功等于炸藥用于爆炸勝形的有效能這一原理來計算，即：式中

Q——用藥量，kg；

σ——毛料在動載作用下的屈服極限，近似取靜載荷屈服極限的兩倍；

——毛料圓周方向上的平均應變；

S0——毛料的初始面積；

δ——毛料的初始厚度；

q——每公斤炸藥的能量；

η——炸藥的能量利用率，一般為13~15%；

K1——傳壓介質(zhì)系數(shù)。水K1=1.0；砂K1=4.0；

K2——工藝系數(shù)，抽成真空成形時K2=1.0；水井中成形時K2=0.8~0.9。

4．反射板反射板的作用是在爆炸脹形過程中，毛料的某些部位距離藥包太遠，所受的載荷不足以使毛料成形，設(shè)置反射板是增大脹形的壓力。反射板一般裝置在毛料的上面，因此它的參數(shù)影響毛料在成形過程中的排氣和成形狀態(tài)。例如，反射板重量太輕時，零件形成收口；反射板與脹形裝置間的間隙太小，則會造成憋氣；反射板的直徑若小于?？谥睆?，下落時會砸傷零件。三、爆炸合成（一）概述爆炸沖擊波作用時產(chǎn)生高壓和溫升，其作用時間很短，在材料中產(chǎn)生很高的應變率，這樣就會使由活性物質(zhì)組成的混合物產(chǎn)生化學反應，也可能使純物質(zhì)發(fā)生相變。通過爆炸的方法合成新材料一直是一個前沿的熱門研究課題，這方面研究最多和最成功的是一些超硬材料如金剛石和致密相氮化硼的爆炸合成。最早通過爆炸沖擊波合成的化學合成物是鋅一鐵素體。其后不久在具有理想配合比的鈦碳混合粉末的爆炸燒結(jié)中觀察到碳化鈦的形成。隨后發(fā)現(xiàn)當用三硝基苯甲硝胺對乙炔碳黑和鎢或鋁粉等的混合物進行爆炸壓制后，生成了碳化鎢或碳化鋁等金屬碳化物。鈦酸鋇是廣泛用來制造壓力傳感器的材料，對氧化鈦和碳酸鋇的混合物進行爆炸沖擊可以合成鈦酸鋇。通過爆炸沖擊作用于相應組分還可用來合成超導化合物，已有研究表明，爆炸合成的超導合金的轉(zhuǎn)變溫度比用普通方法制成的合金要低，而且爆炸合成的超導材料的轉(zhuǎn)變范圍也要大一些。氮化硅是用于高溫的一種非常重要的材料，它可以用來制造燃氣輪機的渦輪葉片和輪盤等。在對氮化硅進行爆炸沖擊時，也會發(fā)生相變。當沖擊壓力達到40GPa時，a-會轉(zhuǎn)變?yōu)?。同普通方法制成的材料相比，爆炸合成的材料具有獨特的性質(zhì)。比如，爆炸合成的粒度約1mm的碳化鎢顆粒的硬度為HV3500左右，而用普通方法制成的碳化鎢為HV2000。

(二)爆炸合成金剛石由石墨高壓相變合成金剛石已有多年的歷史，主要包括靜壓法和爆炸沖擊波動態(tài)加壓法。爆炸法合成金剛石始于50年代初，1960年美國斯坦福研究所在經(jīng)爆炸沖擊作用過的石墨中發(fā)現(xiàn)了微量金剛石的存在。經(jīng)過多年的研究改進，于1967年首先由杜邦公司投入生產(chǎn)。隨后其他國家波蘭、西德、法國、英國和日本等相繼采用爆炸法合成金剛石微粉。中國于1971年首次用爆炸法合成出金剛石微粉，隨后又用爆炸法成功燒結(jié)出大顆粒金剛石聚晶。最早用爆炸法得到的金剛石是微米和亞微米微粉，這種金剛石純度較高，具有很好的抗氧化性能及耐石墨化性能，同時還是燒結(jié)大顆粒聚晶的良好原料。

1988年出現(xiàn)了通過炸藥爆轟方法制備納米金剛石微粉的新技術(shù)，這種方法不用外加碳源，直接由炸藥中的碳相變稱金剛石，這種方法被稱為金剛石合成技術(shù)的第三次飛躍。與靜壓法相比，爆炸法合成金剛石不需要大噸位壓力機械設(shè)備，投資少，產(chǎn)量高，方法簡便，成本低。根據(jù)爆炸作用及相變機理，可以進一步將爆炸法合成金剛石分為三種方法。

1．沖擊波法沖擊波法是指將沖擊波作用于試樣，使試樣在沖擊波產(chǎn)生的瞬間高溫高壓下相變成金剛石。試樣包括石墨、灰口鑄鐵及其他碳材料。利用沖擊波爆炸合成金剛石的裝置有多種，一是平面飛片法，即利用飛片積儲能量，然后高速拍打石墨試樣獲取高溫和高壓。二是收縮爆炸法，則是利用收縮爆轟波，使大量爆炸能量集中于收縮中心區(qū)。造成很大的超壓和高溫，來提供石墨相變所需要的條件。圖12-12所示為平面飛片法爆炸裝置示意圖。經(jīng)平面波發(fā)生器及主裝藥產(chǎn)生的沖擊波驅(qū)動金屬飛片，高速驅(qū)動的飛片拍打試樣，在試樣中產(chǎn)生高溫高壓，使碳材料相變稱金剛石。為了便于回收，也可以不用砧體而在沙坑中直接爆炸。圖12-12平面飛片加載裝置示意圖目前采用的爆炸裝置中多為收縮爆炸法。產(chǎn)生典型的柱面收縮方法有多種手段:如柱面收縮的炸藥透鏡法，對數(shù)螺旋面法，金屬錨瞬時爆炸引爆法等。但這種裝置或是輔助用藥量較多，或者引爆技術(shù)比較復雜，或者附屬設(shè)備投資較大，不適合于規(guī)?；a(chǎn)。圖12-13（a）所示為一種柱面收縮爆炸裝置。引爆頭被激發(fā)后，爆轟波通過傳爆藥層使藥柱上側(cè)四周同時激發(fā)，形成一個向心和向下的準柱面收縮波。如果將這種裝置和飛片法結(jié)合起來，就形成了如圖12-13（b）所示的綜合爆炸裝置。由于從兩個角度利用爆炸的能量。因而，同樣藥量下，金剛石的產(chǎn)量大致可以提高一倍。圖12-13收縮爆炸法a---準柱面收縮裝置；b—綜合裝置法在沖擊波法合成金剛石中，為了提高轉(zhuǎn)化率，防止逆向石墨化相變發(fā)生，通常在樣品中混入金屬粉如Pe、Ni、Co、Sn合金粉等，以降低樣品溫度，提高沖擊壓力和石墨樣品的冷卻速度。此外也可以采用水下沖擊的方法，提高石墨樣品的冷卻速度。一般認為沖擊波條件下石墨向金剛石轉(zhuǎn)變是非擴散直接相變。沖擊波合成的金剛石是顆粒度在0.1至幾十微米之間的多晶微粉，含有大量的微觀晶格缺陷，具有較高的燒結(jié)活性，多為立方晶型，純度高，質(zhì)量好，強度、硬度和絕緣性能明顯比靜壓合成金剛石好。解決沖擊波合成大顆粒金剛石是當今國內(nèi)外需要攻克的難題。沖擊波壓力、溫度及作用時間是影響金剛石粒度和裝化率的重要因素。其中溫度的作用更為明顯，提高溫度可以促進金剛石的成核和生長，但如果冷卻措施不力，卸載后溫度仍然很高，會使合成的金剛石發(fā)生石墨化。對于作用時間尚有不同的認識，有些學者認為沖擊壓力的持續(xù)時間是金剛石成核和生長的有效時間，但也有人認為真正起作用的沖擊波上升前沿這段時間。為增大金剛石粒度，可以采用多次沖擊的方法合成聚晶金剛石，使金剛石聚晶粒度達100微米以上，但隨著沖擊次數(shù)的增加，金剛石聚晶變脆。

2．爆轟波法

1982年，前蘇聯(lián)首先提出采用爆轟波法合成金剛石，這種方法是指將可相變的石墨與高能炸藥直接混合，起爆后利用炸藥爆轟產(chǎn)生的高溫高壓直接作用于石墨，利用爆轟波的高溫高壓直接作用合成金剛石，爆轟波過后產(chǎn)物飛散而快速冷卻得到金剛石。這種方法中，作用于石墨的不是一般的沖擊波，而是帶化學反應的爆轟波。爆轟波法與沖擊波法比較相似。這兩種條件下都是非擴散直接相變。

3．爆轟產(chǎn)物法利用炸藥爆轟的方法合成納米金剛石被譽為金剛石合成技術(shù)的第三次飛躍。爆轟合成超微金剛石（UltrafineDiamond，簡稱UFD）與沖擊波法和爆轟波法不同，它是利用負氧平衡炸藥爆轟后，炸藥中過剩的沒有被氧化的碳原子在爆轟產(chǎn)生的高溫高壓下重新排列、聚集、晶化而成納米金剛石的技術(shù)，所以又稱為爆轟產(chǎn)物法。由于爆轟過程的瞬時性決定了UFD的納米小尺寸。目前，僅在隕石中發(fā)現(xiàn)有和UFD相似的物質(zhì)。UFD的制備過程較為簡單，圖12-14為UFD的爆炸合成裝置示意圖。負氧平衡的混合炸藥在高強度的密閉容器中爆炸，為了減少爆炸過程中伴生物石墨和無定形碳等的生成，同時防止UFD發(fā)生氧化和石墨化，爆炸前在容器中充惰性保護氣或（和）在藥柱外包裹具有保壓和吸熱作用的水、冰或熱分解鹽類等保護介質(zhì)。爆炸后，收集固相爆轟產(chǎn)物（爆轟灰），先過篩去除雜物，然后用氧化劑進行提純處理，除去其中的石墨、無定形碳等非金剛石碳相以及金屬雜質(zhì)等，經(jīng)蒸餾水洗滌并烘干即可得到較純凈的UFD。圖12-14爆炸合成裝置示意圖雖然只用TNT可以生成游離碳，但由于TNT的爆轟壓力不高，因而還不能生成金剛石。用TNT與RDS的混合物就可以生成金剛石。實驗結(jié)果表明，TNT含量在50%~70%時，金剛石的產(chǎn)率較高。爆炸需要在密閉的容器中進行，容器中要充填惰性介質(zhì)以保護生成的金剛石不被氧化。作為惰性介質(zhì)，開始時是采用一些氣體。實驗結(jié)果表明，用的結(jié)果優(yōu)于其他幾種氣體，而采用惰性氣體（如氦、氬）時，幾乎不生成金剛石。試驗結(jié)果表明，采用水做保護介質(zhì)時，金剛石的得率最高，且操作工藝最簡單，因而在實際生產(chǎn)中經(jīng)常采用水做保護介質(zhì)，國內(nèi)外甚至發(fā)展了水下連續(xù)爆炸的方法。如上所述，在合成金剛石的過程中，TNT之類的負氧平衡炸藥主要提供碳源。按化學反應式計算，當使用TNT/RDS（50%/50%）混合炸藥時，游離碳的生成量最多為14%，也就是說，即使全部游離碳都轉(zhuǎn)化為金剛石（這實際上是不可能的），其收率也只能是炸藥用量的14%。為了探索提高金剛石收率的可能性，研究者們嘗試向炸藥中添加有機物的方法。曾試探過多種有機物，其中有一些可以使含金剛石粉的收率有所提高，因而金剛石收率也略有增加，但并不明顯。有人認為，添加有機物后爆轟產(chǎn)物中游離碳的含量增加還有保護金剛石的作用。金剛石收率提高不明顯的原因是，添加惰性有機物后，炸藥的爆轟壓力下降，這對金剛石的生成是不利的。爆轟合成納米金剛石屬于納米級微粉，只有立方金剛石，沒有六方金剛石，UDF大都呈規(guī)整的球形，粒徑范圍為1~20nm，平均粒徑4~8nm，顆粒之間由于嚴重的硬團聚通常形成微米和亞微米尺寸的團聚體。其晶格常數(shù)比宏觀尺寸金剛石大，具有較大的微應力。UDF比表面積大，一般300~400m2/g，最大可達450m2/g，其化學活性高，具有很強的吸附能力，表面吸附有大量的羥基、羰基、羧基、醚基、酯基及一些含氮的基團，形成了相對疏松的表面結(jié)構(gòu)。元素分析表明其元素組成為碳（85%），氫（1%），氮（2%），氧（10%）。不同合成條件對UFD的晶粒尺寸、結(jié)構(gòu)以及性質(zhì)都有影響，可以根據(jù)不同的要求選擇合適的合成條件。也可以通過表面處理對其進行物理、化學改性，以滿足不同的應用要求。

納米金剛石用途很廣泛。例如用作玻璃、半導體、金屬和合金表面超精細加工拋光粉的添加劑；作為磁柔性合金成分制備磁盤和磁頭；用作生長大顆粒金剛石的籽晶；用作強電流接觸電極表面合金成分；制備半導體器件和集成電路元件（金剛石和類金剛石薄膜異向外延，金剛石半導體晶體管，可見和紫外波段發(fā)光二極管，藍光和紫外光發(fā)光材料，集成電路的高熱導率散熱層）以及用于軍事隱身材料等。

(三)爆炸合成致密相氮化硼致密相氮化硼是另一類重要的超硬材料。氮化硼的分子結(jié)構(gòu)與碳一樣，低密度相是與石墨一樣的六方層狀結(jié)構(gòu)的石墨相氮化硼（GBN）；致密相分為立方結(jié)構(gòu)的閃鋅礦型氮化硼（CBN）和六方結(jié)構(gòu)的纖鋅礦型氮化硼（WNB）。立方氮化硼和六方氮化硼，其硬度約低于金剛石，但其熱穩(wěn)定性及對鐵基金屬安定性優(yōu)于金剛石。在機械加工中，氮化硼超硬材料有著特殊的用途，其用量逐年增加。合成致密相氮化硼的方法包括上面提到的沖擊波法和爆轟法。其工藝與用石墨合成金剛石類似。沖擊波法合成的致密相氮化硼通常只含有纖鋅礦型氮化硼，而在爆轟波法中由于GBN發(fā)生相變的相變溫度較高，所形成的致密相中除纖鋅礦型氮化硼外，還有比較穩(wěn)定的立方氮化硼。一般認為，GBN向WNB的相變是通過沿C軸方向的壓縮，使硼原子與氮原子發(fā)生微小位移，形成六方密排堆積結(jié)構(gòu)，是一種非擴散、非熱的馬氏體轉(zhuǎn)變機制。GBN向高密相氮化硼的轉(zhuǎn)化率強烈依賴于原始GBN的結(jié)晶特性，結(jié)晶度越好，轉(zhuǎn)化率越高。用國產(chǎn)的結(jié)晶度為5.0的GBN，最高轉(zhuǎn)化率可以超過50%。在爆轟波法中，炸藥的爆轟參數(shù)對氮化硼的相變過程有直接影響。爆壓越高，轉(zhuǎn)化率越高。裝藥的形狀也影響產(chǎn)物中致密相氮化硼的得率，這是由于炸藥形狀影響了壓力卸載過程，卸載過程中也會發(fā)生與金剛石類似的石墨化現(xiàn)象，即產(chǎn)物中的致密相氮化硼向低密度相氮化硼的逆轉(zhuǎn)變。卸載越慢，石墨化過程越長，產(chǎn)物中的致密相越少。與爆炸合成金剛石類似，爆炸合成的致密相氮化硼是顆粒度在0.1至幾十微米之間的多晶微粉，含有大量的微觀晶格缺陷。爆炸法合成的纖鋅礦型氮化硼WNB，具有很高的韌性和燒結(jié)活性。它相當容易轉(zhuǎn)變?yōu)镃BN，又易于和CBN共同燒結(jié)成強度和硬度達到CBN水平的新型超硬材料。用它制造的切削刀具和磨削刀具，由于其獨特的高韌性，在抗沖擊、抗斷裂、抗撓曲強度等方面都要超過CBN，是目前開發(fā)新型抗沖擊多晶超硬材料最重要的基本材料。

四、爆炸硬化爆炸硬化是利用直接敷貼在金屬表面的板狀炸藥的爆炸所產(chǎn)生的沖擊波，猛烈沖擊金屬表面使其增加表面硬度的方法。根據(jù)試驗證明，爆炸硬化效果最好的金屬是高錳鋼。（一）爆炸硬化原理礦用高錳鋼是一種含錳10~14%、炭1.4%、硅0.8%、磷小于0.1%、硫小于0.005%的Fe-C-Mn

合金鋼。它具有較高的抗張和抗沖擊強度，在沖擊和研磨載荷作用下，具有較高的耐磨性，但是用這種鋼鑄造的工件，脆性較大，經(jīng)過“水韌”處理后，雖然它的韌性提高了，但是它的初始表面硬度較低，布氏硬度一般只有180~220左右，所以這種工件在使用初期，磨損速度非?？?。高錳鋼的另一特性是它的冷加工特性，即這種工件在使用過程中，由于不斷受到?jīng)_擊和研磨載荷的作用，它的硬度和耐磨性會隨著使用時間的增加而增加。

為了發(fā)揮高錳鋼工件的冷加工特性，又能克服它初期硬度較低和容易磨損的缺點，在工件使用以前，對它的表面進爆炸預硬化處理，是解決上述問題的有效途徑。爆炸硬化是利用敷貼在金屬表面上的薄層高猛度炸藥的爆炸所產(chǎn)生的爆轟波和爆炸氣體生成物，對金屬表面進行猛烈的沖擊，使在金屬中激發(fā)出強烈的沖擊波，金屬在強大沖擊壓縮應力作用下，形成致密金屬層而引起金屬硬度的增加。這是爆炸硬化的宏觀解釋。圖12-15是金屬爆炸硬化過程的示意圖。將爆炸硬化后的高錳鋼切片，放在掃描電鏡和透視電鏡下進行微觀觀察和分析后，可以認為：高錳鋼工件在復雜的爆炸應力作用下，引起晶粒內(nèi)產(chǎn)生高密度的位錯，位錯的大量增殖和堆積形成滑移，大量滑移引起高錳鋼的塑性變形，同時大量孿晶的出現(xiàn)也導致塑性變形的強化，而塑性變形強化的結(jié)果，表現(xiàn)為高錳鋼硬度的提高，這就是高錳鋼在爆炸載荷作用下硬度提高的內(nèi)在原因。圖12-15爆炸硬化過程示意圖1—待硬化金屬；2—已硬化金屬；3—炸藥片；4—雷管（二）影響爆炸硬化效果的因素影響金屬爆炸硬化效果的因素很多，但歸納起來，主要有下面幾種：

1．炸藥炸藥是影響金屬爆炸硬化效果的主要因素，選用的炸藥應滿足以下幾點要求

1）選用的炸藥應具備高密度、高爆速、高爆轟壓力和高猛度的要求，炸藥的傳爆性能穩(wěn)定和臨界直徑要小。

2）炸藥要具有良好的柔軟性和可塑性，能適應工件的不同形狀、尺寸和敷藥方向的要求，便于剪裁和敷貼。

3）炸藥爆轟后的爆轟壓力應超過高錳鋼的雨貢紐彈性極限。

4）用藥量要少，硬化效果要好，炸藥爆轟后不會在金屬表面產(chǎn)生龜裂。

5）操作簡單安全，成本低。

2．藥量藥量可用單位面積裝藥厚度來表示，如果采用以黑索金為主要成分的塑性板狀炸藥和橡膠板狀炸藥時，裝藥厚度就是藥片厚度。在確定藥片厚度時應考慮炸藥傳爆的穩(wěn)定性（即表面以下深度（mm）藥片厚度應超過它的臨界直徑）、金屬的硬化效果和經(jīng)濟效果。根據(jù)試驗資料表明，金屬硬化效果是隨著藥片厚度的增加而增加。但從全面考慮來看，若采用黑索金塑性極狀炸藥，藥片厚度為4mm即單位面積裝藥量為0.3~0.5g/cm2時能較好地滿足上述要求，對于采用其它品種的炸藥應通過試驗來確定。

3．爆炸硬化次數(shù)在分析爆炸硬化次數(shù)對硬化效果的影響時，既要考慮金屬表面硬度和硬化深度的增加，也要考慮經(jīng)濟上的合理性。當每次爆炸的裝藥量相同（即藥片厚度相同）時，爆炸硬化效果是隨著爆炸次數(shù)的增加而增加，但是爆炸次數(shù)達到三次以后，爆炸硬化效果（即表面硬度和硬化深度）上升很小，但硬度上升1度所消耗的炸藥卻呈幾倍的增加。因此爆炸次數(shù)以兩次為宜。另外，當藥量相同時，分兩次爆炸的硬化效果與單次爆炸硬化的效果相比，無論在表面硬度還是硬化層深度，都有明顯的提高。這是因為小藥量分次爆炸時，第一次爆炸硬化后，金屬表面硬度增大了，金屬組織更致密了，金屬的波阻抗更大，以后的爆炸是在前次爆炸硬化基礎(chǔ)上進行的，所以爆炸硬化效果比大藥量單次爆炸提高得更明顯。

4．金屬表面的光潔度金屬表面的粗糙程度、表面層內(nèi)存在的大量夾雜物、縮孔、微裂紋以及鑄件經(jīng)過“水韌”處理后表面脫炭層。在爆炸硬化時，都會影響沖擊波的傳播，消耗能量，最終影響爆炸硬化效果。因此，在工件爆炸硬化之前，必須用砂輪或電刷子打磨金屬工件的表面，使它露出新鮮的金屬。根據(jù)首鋼礦山公司的資料，打磨后再爆炸硬化的工件比未打磨而進行爆炸硬化的工件，硬度提高11%。

5．裝藥參數(shù)裝藥參數(shù)是指敷貼在金屬表面的藥片的幾何尺寸。在確定裝藥參數(shù)時，必須根據(jù)硬化工件的表面形狀、尺寸、工件各部位的磨損情況、高錳鋼的冷加工特性以及工藝的經(jīng)濟性來綜合考慮。由于工件各部位的磨損程度不同和工件在使用過程中它的硬度會隨時間的增加而增加。所以在爆炸硬化時，不需要在工件的全部表面上敷貼炸藥，這樣會造成炸藥的浪費。因此，必須針對具體情況來確定裝藥參數(shù)。爆炸硬化工藝以使用塑性板狀炸藥操作最為簡便。先按照工件要求爆炸硬化部位的幾何形狀和尺寸，展開成平面，然后根據(jù)平面的形狀和大小制成樣板，再根據(jù)樣板的形狀和大小將板狀炸藥，剪裁成和樣板一樣的藥片。最后用粘結(jié)劑將裁好的藥片粘貼在工件需要硬化的部位。粘貼藥片時，一定要使藥片與金屬表面貼緊，不要留有空隙和氣泡。藥片貼好后，可用火雷管、電雷管或?qū)П芷鸨?2.2聚能爆破

1.

概述聚能效應就是極大地提高爆炸的局部作用。利用一端有凹槽——聚能槽的裝藥可以獲得這種效應，當這種裝藥從一端起爆時，在凹槽軸向的猛度效應要比普通裝藥作用下的猛度效應大得多。實驗確定，如果在聚能槽表面覆蓋一層較薄的金屬罩，則聚能裝藥的穿甲作用就能提高很多倍。表普通裝藥和聚能裝藥的穿甲作用裝

藥

規(guī)

格障

礙

物障礙物的變形特征實柱形裝藥，高180mm，直徑65mm，同上，有錐形凹槽，無罩

同上，凹槽上有2mm厚的銅罩200mm厚裝甲板同上同上凹痕凹坑，深度22mm穿孔有凹槽的裝藥的局部作用提高，已經(jīng)早在18世紀就發(fā)現(xiàn)了，但是長久以來沒有引起人們的重視。一直到第二次世界大戰(zhàn)，才得到廣泛的實際應用，如1936年德國對西班牙的侵略戰(zhàn)爭中首次采用聚能破甲彈。從此，在軍事工業(yè)中廣泛采用聚能裝藥來制造手雷、槍榴彈、火箭彈、無坐力炮彈、坦克炮彈以及各種用途的導彈。稍后，民用工程中也開始應用這種技術(shù)，1945年前后，美國用制成的聚能藥包在鋼筋混凝土中穿鑿炮眼，用一380g的80%吉里那特硝化甘油聚能藥包在鋼筋混凝土中穿鑿了一個直徑25mm深度達1.0m左右的炮眼。在本世紀40年代末前蘇聯(lián)用壓縮銨梯炸藥制成聚能藥包，在礦山用來破碎不合格的大塊和把它裝于炮眼底，用來提高炮眼利用率，均取得很好的效果。此后，聚能爆破在民用工程中的應用范圍越來越廣闊。例如，在石油開采中，廣泛采用聚能射孔彈來擊穿井壁，使在井壁周圍的巖石中形成長短不同的裂逢，以增加油流的通道和油流的流量。在金屬板材加工中用于穿孔和切割板材，如在打撈沉船時用它來切割船體。在荒山野地架通訊線路時，采用聚能藥包在地里穿孔，以加速埋桿架線作業(yè)的進度?？傊勰芩幇捎谒哂写┩改芰颓懈钅芰?、體積小、攜帶方便和作用迅速等特點，因此，在軍用和民用工業(yè)中的應用必將日益廣泛。

2.聚能原理與射流形成過程

2.1聚能原理聚能藥包爆炸后，為什么爆炸釋放出來的能量能在某一局部的地點集中呢？為了說明這種現(xiàn)象，我們先來觀察圖12-16中一組實驗的結(jié)果。圖12-16不同裝藥結(jié)構(gòu)的爆破結(jié)果實驗所采用的藥包的幾何尺寸是一樣的，但裝藥結(jié)構(gòu)不一樣，將所有的藥包裝置在厚度相同的同一種材質(zhì)的鋼板上，爆破后可以看出，（a）種藥包在板上僅炸出一個很淺的凹坑。（b）種藥包雖然它的裝藥重量比（a）藥包少；但由于在下端有一個錐形孔穴，爆炸后在板上炸出了一個深幾毫米的坑。（c）種藥包是在錐形孔穴表面嵌裝一個金屬錐形襯套（叫做藥型罩），這種藥包爆炸后在鋼板上炸出一個深達幾十毫米的孔。這種利用藥包一端的孔穴（呈圓錐面、圓形拋物面、半球等形狀）來提高局部破壞作用的效應，稱為聚能效應，這種現(xiàn)象叫做聚能現(xiàn)象。

藥包的一端有了錐形孔穴后，為什么能產(chǎn)生聚能現(xiàn)象呢？為了解釋這種現(xiàn)象，我們先來研究一個完整的圓柱形藥包爆炸后，爆炸產(chǎn)物的飛散過程。當這種藥包爆炸后，爆炸產(chǎn)物沿近似垂直于藥柱表面的方向，向四周飛散。作用在鋼板表面上的僅僅是從藥柱一端飛散出的爆炸產(chǎn)物，它的作用面積等于藥柱一端的端面面積，見圖12-16（a）和12-17（a）。但是，一端帶有錐形孔穴的圓柱形藥包則不同，它爆炸后錐形孔穴部分的爆炸產(chǎn)物飛散時，先向藥包軸線集中，匯聚成一股速度和壓力都很高的氣流，稱為聚能氣流，見圖12-17（b）。爆炸產(chǎn)物的能量集中在較小面積上，大大提高了聚能效應。這就是為什么藥包一端有了錐形孔穴后能提高破壞作用的原因。在錐形孔穴的聚能過程中有下面兩個因素在起控制作用。圖12-17爆炸產(chǎn)物的聚能過程一方面，爆炸產(chǎn)物質(zhì)點以一定速度沿近似垂直于錐形孔穴表面的方向向藥柱軸線匯聚，使能量集中；另一方面，高壓的爆炸產(chǎn)物在沿軸線匯聚時，形成更高的壓力區(qū)，這種高壓迫使爆炸產(chǎn)物向周圍低壓區(qū)膨脹，使能量分散。由于上述兩個因素的綜合作用，氣流不能無限地集中，而在離藥柱端面某一距離F處達到最大的集中，以后又迅速散開。聚能氣流中的能量是由兩部分組成的。一部分為氣流的位能，另一部分為動能。能量集中程度可以用單位體積能量，即能量密度E來作比較。能量密度可用下式來表示：

上式中的p、ρ、u、n分別為爆轟波陣面中的壓力、密度、質(zhì)點速度和多方指數(shù)。若取代入上式則得：

式中ρ0、D代表炸藥的密度和爆速，等式右側(cè)第一項為位能，占總能量的3/4；第二項為動能，占總能量的1/4。而氣流在聚能過程中，動能是能夠集中的，而位能不但不能集中，反而起分散作用。如果設(shè)法把能量盡可能轉(zhuǎn)換成動能形式，就能大大提高能量的集中程度。提高動能的辦法是在錐形孔穴的表面嵌一個形狀相同的銅罩（見圖12-17（c））。這樣爆炸產(chǎn)物在推動罩壁向軸線運動過程中將能量傳遞給銅罩。由于銅的可壓縮性很小，因此內(nèi)能增加很少，能量的極大部分表現(xiàn)為動能形式，這樣就可避免由于高壓膨脹引起的能量分散而使能量更加集中，形成一股速度和動能比氣體射流更高的金屬射能。銅罩在聚能爆破中，下面二個因素對提高射流的穿透作用起著有利的作用。

1)罩壁在軸線外匯聚碰撞時，發(fā)生能量重新分配。罩內(nèi)表面銅層的速度比閉合的速度高1至2倍，使能量密度進一步提高，形成金屬射流，罩的其余部分則形成速度較低的桿。

2)金屬射流各部分的速度是不同的，端部速度高，尾部速度低，因此射流在向前運動過程中將被拉長。當然，金屬射流在延伸拉長過程中不會像聚能氣流那樣膨脹分散，仍保持著原來的能量密度。

2.2射流的形成過程根據(jù)用脈沖x光照相技術(shù)對聚能藥包爆炸過程的照片分析，可以用圖12-14來說明聚能藥包爆轟時射流的形成過程。將聚能藥包的藥型罩分成1、2、3、4四個微元部分，如圖12-18（a）所示。當炸藥爆轟后，爆炸產(chǎn)物先后依次作用在藥型罩的各段微元上，迫使微元作軸對稱運動。圖12-18（b）表示爆轟波陣面到達藥形罩微元2的末端，它正在向軸線作閉合運動，微元3有一部分正在軸線處碰撞，徽元4則已經(jīng)在軸線處碰撞完畢。微元4碰撞后，分成射流和桿兩部分，由于兩部分的運動速度相差很大（相差達10倍），很快就要分離開來，但此時微元3正好接踵而來，填補了微元4空出來的位置，而且在那里發(fā)生碰撞。這樣就出現(xiàn)了藥型罩的不斷閉合，不斷碰撞、不斷形成射流和桿的連續(xù)過程。圖12-18射流形成過程圖12-18（c）表示藥型罩的變形過程已經(jīng)完成。這時藥型罩變成射流和桿的兩大部分，各微元的排列的次序，就桿來說，和爆炸前罩微元的排列次序是一致的，對射流而言，次序則倒過來了。微元向軸線閉合運動時，由于同樣的金屬質(zhì)量收縮到直徑較小的區(qū)域，因此罩壁必然要增厚。這樣一來，罩內(nèi)表面的速度必然要大于外表面的速度，在軸線處碰撞，罩內(nèi)壁部分得到極大的速度而成為射流，外壁部分則因速度小而成為桿。藥型罩除了形成射流和桿以外，還有一部分形成碎片，這主要是錐底部分形成的。此外，由于藥型罩碰撞的不對稱，也會產(chǎn)生偏離軸線的碎片。射流的形成過程是很復雜的，為了認識這一過程，作了合理的簡化以后，可用經(jīng)典的流體力學理論來進行描述。

3.聚能藥包的構(gòu)成及影響因素在民用爆破中使用聚能爆破時，主要是利用它的強大的聚能射流來破碎和切割像巖石、混凝土和金屬這樣一類的堅硬物料，或者在其中穿鑿炮孔。為了提高聚能爆破的效果，要求聚能藥包應具有足夠的聚能威力。但是，聚能威力的大小是受到多種因素的影響。因此，在制作和使用聚能藥包時，必須對這些因素進行逐個的分析。

1)炸藥的性能炸藥是聚能爆破的能源，因此炸藥的性能是影響聚能威力的根本因素。當聚能藥包爆炸時，它釋放出來的能量迅速傳給藥型罩，迫使藥型罩向軸線上高速壓合和碰撞，產(chǎn)生高速運動的射流。但是藥型罩壓合和碰撞的速度主要取決于炸藥的爆轟壓力，根據(jù)理論分析和試驗的結(jié)果表明，聚能威力隨著爆轟壓力的增加而增加。按照流體力學理論，炸藥的爆轟壓力是爆速和裝藥密度的函數(shù)，可用下式表示。式中：Pcj——炸藥的爆轟壓力；

ρ0——炸藥的裝藥密度；

D——炸藥的爆速。從上式可以看出，炸藥的爆速和裝藥密度均對炸藥的爆轟壓力的大小產(chǎn)生直接的影響，而爆速的影響要比裝藥密度大得多。因此，為了提高藥包的聚能威力，必需選用爆速較高、猛度較大的炸藥。在炸藥選定后，應盡量提高藥包的裝藥密度。

2）藥型罩藥型罩的作用是將炸藥的爆炸能量轉(zhuǎn)換成罩的動能，用金屬射流代替氣體射流，從而提高聚能藥包的聚能威力。因此，在制作聚能藥包時，必須對制作藥型罩的材料、藥型罩的形狀和它的幾何參數(shù)，作正確的選取和設(shè)計。

(1)藥型罩的材料在選取制作藥型罩的材料時，必須滿足以下幾點要求：材料的可壓縮性要??；密度要大；塑性和延展性要好；和在形成射流過程中不會產(chǎn)生汽化。根據(jù)大量試驗的結(jié)果證明，選用紫銅制作藥型罩的效果最好，其次是鑄鐵、鋼和陶瓷。

(2)藥型罩的形狀在選取藥型罩的形狀時，應考慮它的聚能效果要好，形狀簡單和加工方便。根據(jù)已經(jīng)試驗的結(jié)果來看，藥型罩的形狀是多種多樣的，即有：軸對稱型（圖12-19（a））：如圓錐形罩、半球形罩、半橢球形罩、拋物線形罩、雙曲線形罩和喇叭形罩等；面對稱型（楔形罩）（圖12-19（b））：這類罩有直線形聚能罩和環(huán)形線形聚能罩。前者炸藥爆炸時能產(chǎn)生一長條形聚能射流，多用于切割金屬板材；后者能產(chǎn)生一圓環(huán)形線形聚能射流，多用于切斷金屬管材，中心對稱型（圖12-19（c））：這種球形聚能藥包，中心有球形空腔和球形罩，球形罩外表敷裝炸藥，若讓它同時起爆，在空腔中心點可獲得極大的能量集中。圖12-19各種形狀的藥型罩（a）—軸對型；（b）—面對稱型；（c）—中心對稱型1—藥型罩；2—炸藥在民用爆破工程中，軸對稱型罩應用得最廣泛，其次是面對稱型聚能罩，中心對稱型罩由于它加工復雜，未見其應用在軸對稱罩中最常用的是錐形罩和喇叭形罩。錐形罩形狀簡單和加工方便，故在民用爆破工程中多被采用。喇叭形罩雖然形狀較復雜，加工精度要求較高，但是它的聚能效果較好，它與錐形罩相比，有以下一些優(yōu)點：能增長藥形罩母線的長度，從而能提高藥型罩的動能；能增加藥包的裝藥量；喇叭罩實際上是一個變錐角的藥型罩，如圖12-20所示。頂部錐角小，底部錐角大，有利于提高射流頭部的速度，增加射流速度梯度，便于金屬射流的拉長。圖12-20喇叭形藥型罩

(3)藥型罩的錐角按照定常、理想、不可壓縮的流體力學理論，推導出計算射流速度vj和射流質(zhì)量mj的公式如下：為了進一步分析方便，假說炸藥為瞬時爆轟，并且藥型罩的壁面同時平行地向軸線壓合，這時可α=βδ=0，因而有從上兩式可以看出，射流速度vj

隨著藥型罩錐角的減小而增加，射流質(zhì)量則隨錐角的減小而減小。根據(jù)試驗的結(jié)果表明，當錐角小于30°時，穿孔性能很不穩(wěn)定，射流的質(zhì)量極小，基本上形不成連續(xù)的射流。當錐角介于30°到70°之間時，射流才具有足夠的質(zhì)量和速度，才能起到破碎和穿孔的作用。小錐角時，射流速度較高，有利于提高穿孔深度，大錐角時射流質(zhì)量提高，穿孔深度變小，但穿孔直徑增大，破碎體積增大。當錐角大于70°以后，破巖深度迅速下降。因此，在選取錐角時，必須根據(jù)聚能爆破的目的來確定。在礦山用聚能藥包來破碎大塊時，可選取較大的錐角，常用的錐角為55°~60°左右。當采用聚能藥包進行穿孔時，可選取較小的錐角。當在聚能藥包中采用隔板時，錐角宜大些；不采用隔板時，錐角宜小些。

(4)藥型罩的壁厚藥型罩的壁厚對射流性能和聚能威力會產(chǎn)生顯著的影響，射流性能和聚能威力隨著壁厚的變化而變化。因此，每一種藥形罩都有一個最佳壁厚，而最佳壁厚又隨著藥型罩的材料、錐角、直徑以及有無外殼而變化。總的來說，藥型罩的最佳壁厚是隨著藥型罩材料的比重的減小而增加，隨錐角的增大而增加，隨罩的直徑的增大和外殼的加厚而增加。為了改善射流性能和提高它的威力，常常采用變壁厚的藥型罩，即采用頂部厚、底部薄或頂部薄、底部厚的藥型罩，前者穿孔淺而且孔口較大，后者孔口較小但穿孔深度較大。但無論是那種藥型罩，厚度變化要適當，否則會降低穿孔深度。采用頂部薄、底部厚的變壁厚藥型罩能提高穿孔深度的原因，主要在于增加了金屬射流頭部的速度，降低射流尾部速度，從而增加了射流的速度梯度，使射流拉長。

3）炸高炸高是指從聚能藥包的底面（即藥型罩底面）到穿孔目的物間的最短距離。炸高對穿孔威力影響很大，一方面隨著炸高的增加，能使射流拉長，從而提高穿孔深度；但是，另外一方面，隨著炸高的增加，射流會產(chǎn)生徑向分散和擺動，延伸到一定程度后產(chǎn)生斷裂現(xiàn)象，使穿孔深度降低。與最大穿孔深度相對應的炸高，稱為有利炸高，它是一個在一定范圍內(nèi)的變化值，在實際運用時，最好選用它的上限值，這樣既能保證穿孔深度，又能減輕藥包的重量。有利炸高與藥型罩的錐角大小、藥型罩的材質(zhì)、炸藥性能以及有無隔板都有關(guān)系。它隨著錐角的增加而增加。另外，采用高爆速炸藥和增大隔板的直徑，都能使藥型罩所受的沖擊壓力增加，從而增大射流速度，并使射流拉長，故使有利炸高得到增加。一般來說，有利炸高對于常用的藥型罩是罩底直徑的1~3倍。

4）隔板隔板是裝在藥型罩頂部和聚能藥包頂面之間的一塊板材，見圖12-21。在聚能藥包中采用隔板，目的在于改變在聚能藥包中傳播的爆轟波波形，控制爆轟方向和爆轟波到達藥型罩的時間，提高爆炸載荷，從而增加射流速度，達到提高聚能威力的目的。圖12-22是爆轟波在裝有隔板的聚能藥包中傳播的示意圖。無隔板的藥包起爆時，它的爆轟波形是從起爆點發(fā)出的球形波，波陣面與罩母線的夾角為φ1。有隔板藥包的爆轟波傳播方向分為兩路，一路由起爆點開始經(jīng)過隔板向藥型罩傳播；另一路由起爆點開始繞過隔板通過隔板下的炸藥向藥型罩傳播，結(jié)果在藥型罩頂部與隔板之間形成不同的爆轟波波形。這時作用于藥型罩上的爆轟波波陣面與罩母線的夾角為φ2，顯然φ1∠φ2。圖12-21裝有隔板的聚能藥包1—隔板；2—聚能穴圖12-22爆轟波傳播示意圖根據(jù)理論分析和試驗結(jié)果表明，作用于藥型罩壁面上某一點的初始壓力與錐角有很大的關(guān)系，初始壓力隨錐角的減小而增加。由于初始壓力的增加，從而使罩微元的壓合速度和射流速度也隨之而增加。實驗表明，有隔板的藥包與無隔板藥包比較，前者射流頭部速度能夠提高25%左右，穿孔深度提高15~30%。為了獲得較好爆轟波形，對隔板材料和尺寸要進行合理的選擇。隔板材料可選用塑料、木料等惰性材料。但是，一般多采用塑料隔板，因為塑料的聲速低，隔爆性能較好，并且比重輕還有足夠的機械強度。但近年來也有用低爆速的炸藥做成活性隔板，由于它本身就是炸藥，對提高爆轟的穩(wěn)定性和穿孔效果的穩(wěn)定性具有明顯的優(yōu)越性。隔板的幾何尺寸對作用在罩壁面上的爆炸載荷、射流速度和穿孔效果均會產(chǎn)生明顯的影響。試驗表明，當隔板直徑包圍藥型罩母線長度的2/3左右時，在距罩頂2/3的母線長度上，射流質(zhì)量和射流速度會得到明顯的提高，因而在保證隔板周圍副藥柱具有必要厚度的前提下，適當增大隔板直徑對提高爆炸載荷是有好處的。當然隔板直徑過大會增加穿孔的不穩(wěn)定性。實踐證明，隔板直徑以不小于藥包直徑的一半為好。隔板的厚度與材料的隔爆性能有關(guān)。隔板厚度需要保證從起爆點沿副藥柱側(cè)面的爆轟波和通過隔板沖擊起爆的軸向爆轟波同時到達藥型罩罩頂。過薄和過厚都沒有好處，過薄會降低隔板的作用，過厚可能產(chǎn)生反向射流，同樣會降低穿孔效果。在設(shè)計隔板時，應全面考慮和合理選擇隔板的材料和幾何尺寸，盡量使爆轟波波形合理，光滑連續(xù)，不出現(xiàn)節(jié)點。以保證藥形罩從頂?shù)降醉樞驂汉?，充分利用罩頂炸藥層的能量。在設(shè)計隔板時，還有一個要考慮的重要因素是從罩頂?shù)礁舭彘g炸藥層的厚度，炸藥層的厚度同樣會影響穿孔效果。藥層過薄則能量不足，穿孔深度淺且穩(wěn)定性差，藥層過厚會增大爆轟波方向與罩母線的夾角，降低隔板的作用，同時也會增加藥包的重量，因而，要在不影響威力的前提下設(shè)法減小藥層厚度。

5）藥包的殼體殼體對穿孔效果的影響是通過殼體對爆轟波波形的影響而產(chǎn)生的。主要表現(xiàn)在爆波形成的初始階段。采用沒有殼體的光藥柱時，使爆轟波波形與藥型罩的壓合得到很好的配合，能保證隔板前的中心爆轟波與通過隔板周圍的側(cè)向爆轟波同時到達罩的頂部，使罩頂受載均衡。當使用有殼藥柱時，爆轟波在殼體壁面上發(fā)生反射，從而使壁面附近爆轟波能量加強，使側(cè)向爆轟波較中心爆轟波提前到達藥型罩壁面，造成罩壁受載的不均衡，迫使罩頂后噴而形成反射流。使整個射流不集中和不穩(wěn)定，導致穿孔深度的減小。但是，另外一方面，有殼藥柱可以減弱稀疏波的作用，有利于提高炸藥能量的利用率。因此，對有殼與無殼的影響要作全面分析。對于無隔板的聚能藥包，可以通過改變錐角來調(diào)整爆轟波波形。

6）藥包形狀和幾何參數(shù)根據(jù)聚能爆破的目的不同，藥包形狀計有：圓柱形、長條形和球形等，其中以圓柱形藥包應用得最廣泛。在確定藥包的結(jié)構(gòu)形狀時，必需綜合考慮各方面的因素，既要使裝藥重量最輕，又要使破巖效果好。這就要求更有效的利用炸藥，選擇合適的裝藥結(jié)構(gòu)。在整個的聚能藥包中，參與形成聚能射流的炸藥，僅僅是靠近藥型罩的一定厚度的炸藥層，這一層炸藥叫做有效炸藥層，見圖12-23（a）中藥包的方格線部分。其它不直接參與聚能效應的那部分炸藥，叫做非有效炸藥，它的作用是使有效炸藥層達到穩(wěn)定爆轟，并使有效炸藥層的能量得到充分利用。根據(jù)聚能藥包中炸藥層的作用不同，同時考慮到藥型罩頂部至軸線閉合距離很短，因此常將圓柱形藥包做成截頭圓錐形，這樣既減輕了裝藥重量，又保證了聚能效果，見圖12-23（b）。圖12-23聚能藥包形狀和幾何參數(shù)聚能藥包的破巖深度與裝藥直徑和長度有關(guān)。隨著裝藥直徑和長度的增加，破巖深度增加。但裝藥直徑的增加是受到限制的，增加裝藥直徑就相應的要增加它的重量。破巖深度與