爆炸焊接制备铜/不锈钢复合板：不同含能混合物对界面形态与力学性能的影响机理研究

《Welding in the World》：Copper/stainless steel cladding by explosive welding: effect of the energetic mixture

本刊推荐研究人员针对铜/不锈钢异种材料焊接难题，开展爆炸焊接(EXW)工艺中含能混合物对界面形貌与力学性能影响的研究。通过对比ANFO与AN-E+EPS两种混合物的焊接效果，发现高爆速混合物可形成更平滑的界面波形与更优的机械性能，为核聚变装备、电力连接器等关键部件制造提供了无需昂贵中间层的解决方案。

　　

在工业制造领域，如何将不锈钢的卓越耐腐蚀性与铜的优异导电导热性结合于单一部件，一直是工程技术界的重大挑战。核聚变设备的线圈端子、高效热交换器、高可靠性电气连接器等尖端装备，都迫切需要实现这两种物理性质迥异金属的可靠连接。然而，传统的熔焊工艺如钨极氩弧焊(GTAW)和熔化极气体保护焊(GMAW)，由于铜和不锈钢在熔点、热导率和热膨胀系数方面的显著差异，极易产生裂纹、气孔、残余应力和变形等缺陷。爆炸焊接(Explosive Welding, EXW)作为一种固态焊接技术，通过可控爆轰产生的高速碰撞实现材料连接，能最大限度减少热输入，从而规避了熔焊工艺的固有难题。

为深入探究含能混合物特性对铜/不锈钢复合板质量的影响机制，研究团队在《Welding in the World》发表了最新成果。他们设计了两组焊接实验：LD系列采用爆速为2420 m·s^-1的ANFO基混合物，HD系列采用爆速达3320 m·s^-1的硝酸铵乳化剂与发泡聚苯乙烯微球(AN-E+EPS)混合物。通过系统分析界面形态、微观结构、显微硬度和拉伸剪切性能，揭示了爆轰参数对焊接质量的调控规律。

关键技术方法包括：采用全重叠平行配置焊接3 mm厚C12200铜板与AISI 304/316不锈钢板；通过光学显微镜、扫描电镜(SEM)结合能谱仪(EDS)和电子背散射衍射(EBSD)进行微观表征；利用显微硬度计和配备数字图像相关(DIC)系统的万能试验机进行力学性能测试。

3.1 焊接参数

通过Gurney方程计算碰撞点速度(V_c)与冲击速度(V_p)，发现HD混合物虽爆速更高，但因爆炸比(R=0.44)显著低于LD系列(R=1.00)，其冲击动能(ΔKE=1.54 MJ·m^-2)反而降低约75%。

Zakharenko理论模型验证了两组参数均满足有效焊接条件，且HD混合物使铜飞板表面塑性变形更轻微，获得了更光滑的焊缝表面。

3.2 焊缝界面形态

两组试样的界面均呈现典型波形结构，波界面因子(WIF=0.87)和阻抗失配参数(IMP=0.052)理论预测与实验结果一致。

HD系列的波幅(64 μm)和波长(171 μm)较LD系列(157 μm, 430 μm)减少约40%，证明波形几何参数主要受冲击动能控制。涡流区分析显示其由铜基体与散布的铁颗粒组成，EDS检测到Cu含量超过70 at.%，EBSD则发现涡流区内存在再结晶细晶组织，印证了该区域经历极端塑性变形与快速热循环。

3.3 焊缝力学性能

显微硬度图谱显示不锈钢侧硬化效应更为显著，LD系列界面硬度值(HV_0.05)高达538，远超基材的188 HV_0.2。

拉伸剪切试验中所有试样均断裂于铜基体而非焊缝区，LD系列最大载荷(13.1 kN)略高于HD系列(11.5 kN)，DIC应变场证实焊缝强度优于母材。这种强度差异归因于高冲击动能引发的更强烈加工硬化。

本研究通过精准调控含能混合物参数，实现了铜/不锈钢的高质量爆炸焊接，明确了爆轰特性对界面形貌与力学性能的定量影响规律。尤其重要的是，研究揭示了通过优化含能混合物可同步提升组件整体强度的机制，为异种材料焊接工艺创新提供了理论依据和工程实践方案。该技术不仅避免了昂贵中间层的使用，更在核能装备、电力电子等高端制造领域展现出广阔应用前景。