残余应力基础理论及应用：爆炸法工艺设计

影响爆炸法消除焊接残余应力效果的基本因素包括炸药性能、药条形状与尺寸、布药方式、引爆方式和每批次引爆药量控制等［14］。根据国内外实践经验，采用沿焊缝条形布药对纵向、横向残余应力的消除均有较理想的效果，对中厚板均可采用。

1）炸药选择

采用沿焊缝条形布药，存在的问题是药条直径必须大于炸药的临界爆炸直径dk（见表5-1，几种炸药在装药密度为0.9～1.0 g/cm3、薄玻璃管内爆炸时的临界直径）。基于前人的加工和实验经验，药条直径在10 mm左右，直径过大，爆炸处理效果接近于沿焊缝均匀布药，消除残余应力效果不明显；直径过小，爆炸能量不足，不能使焊接构件内部发生足够塑性流变，消除残余应力效果同样不明显。因而，爆炸消除残余应力所使用的炸药应具有良好的传爆能力、中等爆炸强度、合适的爆速范围和良好的安全性及稳定性。经过比较决定采用钝化黑索金——一种由黑索金粉末与钝化剂组成的粒状混合炸药，通常由黑索金和蜡等组成，实验中采用的是A3炸药，其化学成分的质量分数为黑索金91%、石蜡9%。黑索金化学分子式为C3H6N6O8，代号RDX。黑索金（晶体）和钝化黑索金性能见表5-2。

表5-1　几种炸药的临界直径［13］

表5-2　黑索金的基本性能［13］

注：表中“—”表示无法测量数据。下同。

2）炸药布置

炸药布置方式主要有平面覆盖布药、蛇形布药和条状布药。不同的布药方式也会对爆炸消除焊接残余应力效果产生影响。

爆炸可使介质产生一定的塑性应变，不同的布药形式可以产生不同规律和量值的塑性应变，从而使焊接区域的残余应力得到不同程度的松弛。实验表明，这些布药形式对消除焊接区域的残余应力均有一定的效果，其中沿焊缝均匀布药不仅耗药量大，而且其消除残余应力的效果不理想；与焊缝平行的多条布药处理是较好的布药方法，采用这种布药方法对纵向、横向残余应力的消除均有较理想的效果，对中厚板均可采用；正弦波（蛇形）布药处理只有显著消除纵向残余应力的效果，适用于薄板及横向残余应力不大的焊接构件；间断布药以及“棋盘式”布药效果较好，但都存在起爆困难的问题。根据工程生产经验，条状布药对消除纵、横向焊接残余应力均有较理想的消除效果。(www.xing528.com)

将钝化黑索金装入内径为8 mm、外径为10 mm的薄壁橡胶管内，再将装好炸药的橡胶管平行布置在焊缝上，药条中心间距20 mm，如图5-13所示。这样装药既有利于炸药稳定传爆，且安装方便、安全，便于在工程实际中应用。

图5-13　装药布置示意图

必要时，对一些要求高、厚度大的钢板采用双面爆炸的方法，可消除焊接残余应力80%以上。引爆方式主要存在先炸面与后炸面的区别，以及同时引爆所有药条与逐次分批引爆的区别。实验表明，后炸面稍优于先炸面，由于压力波在先炸面上反射引起拉伸波，使之出现应力回弹现象。

3）爆炸用药量

通过对大型球罐实验，无论里炸还是外炸，每次爆炸处理20～30 m长的焊缝，用药量经工程验证在2～4 kg时过程是安全可靠的。国外普遍认为的粗略计算公式如下：

式中，r0为安全半径；Q为炸药的用量。

有学者通过研究判断，每次实施爆炸的长度应该以空气冲击波的强度而定，具体可以按照M.Asadovskyi的超压公式计算：

式中，为当量距离（m）；R为爆炸距离（m）；Δpφ为距离爆炸源R处的超压（MPa）；q为炸药的TNT当量（kg）。