周 楠，蔣 敬，李 浩，唐松澤，陶秋辰

(南京森林警察學(xué)院 刑事科學(xué)技術(shù)系， 南京 210023)

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爆炸焊接不銹鋼/鋁復(fù)合板界面形態(tài)研究

周 楠，蔣 敬，李 浩，唐松澤，陶秋辰

(南京森林警察學(xué)院 刑事科學(xué)技術(shù)系， 南京 210023)

采用爆炸焊接法和ANSYS/AUTODYN有限元程序?qū)﹄p層不銹鋼/鋁板的復(fù)合制備開(kāi)展了實(shí)驗(yàn)和數(shù)值研究，在此基礎(chǔ)上，采用體視顯微鏡和金相顯微鏡進(jìn)一步觀察了復(fù)合板的界面結(jié)合形態(tài)并分析其形成機(jī)理。研究結(jié)果表明：爆炸焊接法可有效地制備雙層不銹鋼/鋁復(fù)合板；不銹鋼與鋁板間形成規(guī)律的波狀結(jié)合界面，且界面結(jié)合質(zhì)量良好；結(jié)合界面處的顯微硬度明顯提高，有利于復(fù)合板防護(hù)性能的提高。

爆炸焊接；雙層復(fù)合板；結(jié)合界面；數(shù)值仿真；顯微硬度

爆炸焊接法是利用炸藥爆炸時(shí)釋放的化學(xué)能產(chǎn)生的高溫、高壓和高速?zèng)_擊波作用在焊件上并發(fā)生猛烈撞擊，在接觸面的撞擊點(diǎn)上產(chǎn)生射流，射流沖刷作用清除了表面氧化膜和吸附層，使?jié)崈舻慕饘俦砻嫦嗷ソ佑|并在高壓下緊密結(jié)合形成金屬鍵，隨著炸藥的連續(xù)爆炸，界面向前推移，形成連續(xù)的爆炸結(jié)合面[1]。

關(guān)于爆炸焊接的研究始于20世紀(jì)60年代初[2]，隨后，以美、日、英等國(guó)為代表的多個(gè)國(guó)家的科研機(jī)構(gòu)和公司均對(duì)爆炸焊接進(jìn)行了廣泛研究，主要集中在爆炸焊接的可焊窗口理論和工程實(shí)踐，并采用爆炸焊接方法制得了復(fù)合板、復(fù)合管等產(chǎn)品[3-5]。在國(guó)內(nèi)，大連造船廠的陳火金等[6]于1968年采用爆炸焊接技術(shù)成功制備了國(guó)內(nèi)第一塊雙金屬?gòu)?fù)合板；此后，國(guó)內(nèi)多家單位就不同金屬間的爆炸焊接和大面積金屬層合板的制備開(kāi)展了大量的實(shí)驗(yàn)研究工作，針對(duì)爆炸焊接亦開(kāi)展了相關(guān)參數(shù)化研究[7-9]。至本世紀(jì)，爆炸焊接技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域已從傳統(tǒng)金屬材料擴(kuò)展到金屬與陶瓷材料、金屬與非晶材料以及超導(dǎo)材料的焊接制備應(yīng)用中，并取得了突破。

通過(guò)上述分析可以看出：當(dāng)焊接材料、板材形狀不同時(shí)，仍需對(duì)其焊接參數(shù)以及窗口設(shè)計(jì)開(kāi)展相關(guān)研究。本文就雙層不銹鋼/鋁復(fù)合板的爆炸焊接制備開(kāi)展實(shí)驗(yàn)研究，此外，采用體視顯微鏡進(jìn)一步觀察復(fù)合板的界面結(jié)合形態(tài)并分析其形成機(jī)理。

1 復(fù)合板的實(shí)驗(yàn)制備

在復(fù)合板的爆炸焊接實(shí)驗(yàn)制備中，常用的裝配方式分為平行法和傾斜法，如圖1所示。較平行法而言，傾斜法可在一次實(shí)驗(yàn)中獲得不同初始狀態(tài)下的爆炸焊接動(dòng)態(tài)參數(shù)，同時(shí)也利于觀察材料結(jié)合界面的連續(xù)變化，在實(shí)驗(yàn)研究中常采用傾斜法；然而在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，大量實(shí)踐證明，平行法在大面積復(fù)合板的爆炸焊接制備過(guò)程中裝配工藝簡(jiǎn)單，且能獲得理想的焊接效果，滿足使用需求，所以，針對(duì)焊接面積較大的復(fù)合板常采用平行法，本文亦采用平行法。平行法爆炸焊接過(guò)程如圖2所示。按圖中所示的裝置順序安裝板材并鋪設(shè)炸藥，炸藥由電雷管于一端起爆，復(fù)板在炸藥的爆轟作用下，與基板發(fā)生碰撞，并形成牢固的結(jié)合界面。

圖1 爆炸焊接過(guò)程示意圖

Vp：復(fù)板撞擊速度； VD：炸藥爆速；Vc：碰撞點(diǎn)移動(dòng)速度；Vf：來(lái)流速度； β：碰撞角圖2 平行法爆炸焊接示意圖表1 復(fù)合板的組合方式及厚度分布

ItemLayerthickness/mm304LSteelLY12AluminumTotalthickness/mm11.04.022.03.033.02.044.01.05.0

實(shí)驗(yàn)制備雙層不銹鋼/鋁復(fù)合板的厚度組合如表1所示，共為4組，總厚度為5 mm。在爆炸焊接中，炸藥的裝藥量一般由質(zhì)量比R(單位面積上的炸藥質(zhì)量和復(fù)板質(zhì)量之比)來(lái)確定，即

R=C/Mf

式中：C,Mf分別表示單位面積上的炸藥質(zhì)量和復(fù)板質(zhì)量，即ρehe/ρfhf；ρe為炸藥密度；ρf為復(fù)板密度；he為炸藥厚度；hf為復(fù)板厚度。對(duì)于常用的硝銨類(lèi)炸藥，可通過(guò)質(zhì)量比R與碰撞速度Vp和爆速VD之間關(guān)系獲得單位面積上的炸藥質(zhì)量[10]。

采用平行法進(jìn)行爆炸焊接時(shí)，基、復(fù)板之間需要預(yù)置一定的間距δ，板間距的設(shè)置不僅使復(fù)板在炸藥的爆轟驅(qū)動(dòng)下經(jīng)過(guò)一段距離的飛行能加速到碰撞速度Vp，同時(shí)還為射流的形成和板間空氣的排出提供了空間?；鶑?fù)板間距δ可以由經(jīng)驗(yàn)公式確定[11]:

以復(fù)合板S3Al2為例，鋼基板和鋁復(fù)板的幾何尺寸分別為660 mm×390 mm×3 mm和720 mm×440 mm×2 mm，計(jì)算所得爆炸焊接參數(shù)如表2所示。

表2 復(fù)合板S3Al2實(shí)驗(yàn)制備爆炸焊接參數(shù)

2 結(jié)合界面形態(tài)分析

目前，較為常用的爆炸焊接界面波形成機(jī)理的理論模型主要有以下4種[12-13]：壓痕機(jī)理、流動(dòng)不穩(wěn)定性機(jī)理、漩渦機(jī)理和應(yīng)力波機(jī)理。其中，漩渦機(jī)理更好地揭示了焊接界面的形成機(jī)理。在漩渦機(jī)理中，認(rèn)為爆炸焊接中界面的金屬流動(dòng)可以用流體動(dòng)力學(xué)中流體圍繞一個(gè)障礙物流動(dòng)時(shí)流束的分離與再匯來(lái)解釋。液流在越過(guò)撞擊點(diǎn)流動(dòng)時(shí)，撞擊接觸區(qū)類(lèi)似一固體障礙物，基復(fù)板間形成的射流先分離然后匯合，在撞擊后產(chǎn)生卡門(mén)渦街，最終形成波狀界面，這種渦街與觀察到的界面波形極為相似。波狀結(jié)合界面機(jī)理如圖3所示。

在實(shí)驗(yàn)分析中，分別采用體視顯微鏡和金相顯微鏡對(duì)復(fù)合板的結(jié)合界面形貌進(jìn)行觀察。在雙層鋼/鋁復(fù)合板的爆炸焊接中，鋁板作為飛板，在炸藥的爆轟驅(qū)動(dòng)下，與鋼基板發(fā)生碰撞，形成規(guī)律的波狀結(jié)合界面，圖4給出了雙層板S3AL2(鋼板厚度為3 mm、鋁板厚度為2 mm) 和雙層板S4AL1結(jié)合界面在體視顯微鏡和金相顯微鏡觀察下的結(jié)合形貌，與漩渦機(jī)理給出的波狀結(jié)合界面形貌吻合良好，均形成規(guī)律的波狀結(jié)合界面，具有較高的焊接質(zhì)量。

圖3 漩渦機(jī)理波狀結(jié)合界面

從爆轟物理學(xué)可知，由炸藥爆炸所形成的載荷主要包括3部分：爆轟波、爆炸產(chǎn)物和爆熱。在爆炸焊接過(guò)程中，爆熱沒(méi)有直接貢獻(xiàn)，主要起作用的是爆轟波和爆炸產(chǎn)物的能量。爆轟波是一種具有一定波長(zhǎng)、波幅和頻率的波，在炸藥爆炸后，具有巨大能量的爆轟波和爆轟產(chǎn)物驅(qū)動(dòng)飛板撞擊基板，飛板與基板相互作用，在結(jié)合界面處形成鋸齒波形，進(jìn)而形成牢固的結(jié)合界面，這一焊接區(qū)域也是不同金屬間的過(guò)渡層。由于爆轟波具有一定的波長(zhǎng)、波幅和頻率，因此金屬?gòu)?fù)合板結(jié)合界面處形成的界面波形也有一定的波長(zhǎng)、波幅和頻率，此界面波形成的過(guò)程就是在爆炸載荷作用下金屬發(fā)生不可逆的、波狀的塑性變形的過(guò)程[12]。

圖4 雙層板結(jié)合界面形貌

3 數(shù)值仿真研究

為深入研究爆炸復(fù)合板結(jié)合界面形態(tài)及其形成機(jī)理，進(jìn)一步采用ANSYS/AUTODYN 3D有限元程序和光滑粒子動(dòng)力學(xué)法(SPH算法)開(kāi)展數(shù)值仿真研究。以雙層板S3AL2為例，鋁復(fù)板和鋼基板分別采用SPH法建立二維計(jì)算模型，尺寸分別為200 mm×2 mm和200 mm×3 mm，粒子直徑為10 μm；為反映應(yīng)變、應(yīng)變率和溫度的影響，基、復(fù)板材料均采用Johnson-Cook本構(gòu)關(guān)系，通過(guò)爆炸參數(shù)計(jì)算賦予鋁復(fù)板初始撞擊速度和碰撞角，基板背面施加非反射固定約束，所得計(jì)算結(jié)果如圖5所示。

圖5 結(jié)合界面數(shù)值模擬結(jié)果

從圖中可以看出：在已焊接部分，復(fù)合板結(jié)合界面處形成規(guī)律的波狀結(jié)合形貌，具有良好的結(jié)合質(zhì)量。數(shù)值結(jié)果較好地再現(xiàn)了雙層復(fù)合板爆炸焊接制備實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的射流現(xiàn)象和界面波形貌，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有較好的一致性。需要指出的是：此部分?jǐn)?shù)值研究工作的開(kāi)展將在改變初始參數(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步豐富與完善。

4 顯微硬度分析

在爆炸焊接過(guò)程中，由于沖擊載荷的作用，復(fù)合板的結(jié)合界面處及附近材料會(huì)發(fā)生明顯的塑形變形，這種塑形變形除了增加爆炸復(fù)合材料的宏觀強(qiáng)度外，還將導(dǎo)致相應(yīng)位置微觀區(qū)域顯微硬度的增加，這就是在爆炸載荷作用下復(fù)合材料的爆炸焊接強(qiáng)化和硬化，其實(shí)質(zhì)是在巨大的爆炸載荷作用下，金屬間的界面和內(nèi)部發(fā)生了不同形式和不同程度的塑形變形及組織變化，由此導(dǎo)致加工硬化和硬度的增加，這也是爆炸焊接中必然發(fā)生的一種物理-力學(xué)現(xiàn)象。

爆炸復(fù)合材料結(jié)合區(qū)的顯微硬度分布實(shí)際上是表征對(duì)應(yīng)位置上金屬材料的塑性變形，為分析爆炸復(fù)合板沿厚度方向上的硬度分布，采用小負(fù)荷維氏硬度計(jì)對(duì)不同組合復(fù)合板的維氏硬度(Hv)進(jìn)行了分析，得到復(fù)合板剖面的維氏硬度分布曲線如圖6所示。從圖中可以看出：對(duì)于雙層板S3AL2，結(jié)合界面處硬度值較鋼板材料平均提高了108.3%，而相較于鋁板材料提升更為顯著，達(dá)338.5%；對(duì)于雙層板S4AL1的硬度值變化可得類(lèi)似結(jié)論，即結(jié)合界面處硬度值較鋼板材料和鋁板材料分別提高了51.8%和351.8%。所以，對(duì)于不同組合的復(fù)合板而言，在結(jié)合界面附近處材料的硬度變化更加明顯，出現(xiàn)明顯的上升和下降，復(fù)合板結(jié)合界面處的硬度值最大，隨著距結(jié)合界面處距離的增大，復(fù)合板的硬度值不斷降低；當(dāng)鋼板厚度變小時(shí)，復(fù)合板結(jié)合界面處的硬度值提升更為顯著。

圖6 典型雙層板剖面維氏硬度分布曲線

從上述分析可以看出：爆炸復(fù)合板中材料硬度的最大值出現(xiàn)在其結(jié)合界面處，這主要是由于該位置處的金屬塑形變形程度最嚴(yán)重；同時(shí)，隨著距結(jié)合界面距離的增加，界面兩側(cè)金屬的塑性變形程度逐漸降低，這也直接導(dǎo)致硬度逐漸降低，但結(jié)合界面及其附近區(qū)域的硬度均高于基體金屬材料的硬度值。由于材料的硬化程度與焊接能量有關(guān)，所以提高焊接能量可增大加工硬化程度；同時(shí)，由于材料的硬度與屈服強(qiáng)度成正比，因此爆炸焊接復(fù)合板剖面上的強(qiáng)度也呈現(xiàn)規(guī)則變化，有利于提高材料防護(hù)性能。結(jié)合復(fù)合板結(jié)合界面形態(tài)分析可知：當(dāng)復(fù)合板間形成連續(xù)的波狀結(jié)合時(shí)，復(fù)合板具有較高的硬度和結(jié)合強(qiáng)度。因此，控制復(fù)合板間形成良好的波狀結(jié)合界面有利于制備具有較高結(jié)合強(qiáng)度的爆炸復(fù)合板。

5 結(jié)論

本文就雙層不銹鋼/鋁復(fù)合板的爆炸焊接制備開(kāi)展了實(shí)驗(yàn)研究，復(fù)合板各層的厚度分布不同，但其總厚度保持不變，在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步采用體視顯微鏡和金相顯微鏡觀察了復(fù)合板的界面結(jié)合形態(tài)，并對(duì)其形成機(jī)理和顯微硬度進(jìn)行了分析。通過(guò)本文的研究，得到如下結(jié)論：

1) 爆炸焊接法可有效地制備雙層不銹鋼/鋁異種金屬?gòu)?fù)合板。通過(guò)繪制雙層復(fù)合板可焊窗口，可獲得有效焊接參數(shù)，進(jìn)而形成良好的焊接質(zhì)量。

2) 雙層不銹鋼/鋁復(fù)合板之間形成規(guī)律的波狀結(jié)合界面，界面結(jié)合質(zhì)量良好，結(jié)合界面強(qiáng)度得到有效提高。

3) ANSYS/AUTODYN 3D有限元程序和SPH算法可有效再現(xiàn)焊接過(guò)程中的結(jié)合機(jī)理，有利于焊接初始參數(shù)的優(yōu)化。

需要指出的是：在更多層復(fù)合板的爆炸焊接中，應(yīng)綜合采用理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)研究的方法對(duì)焊接參數(shù)不斷優(yōu)化，這也是下一階段將要重點(diǎn)開(kāi)展的研究工作。

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(責(zé)任編輯 何杰玲)

Study on the Bonding Interface of Stainless Steel/Aluminum Explosive Welded Composite Plate

ZHOU Nan, JIANG Jing, LI Hao, TANG Songze, TAO Qiuchen

(Department of Criminal Science and Technology,Nanjing Forest Police College, Nanjing 210023, China)

The methods of explosive welding and ANSYS/AUTODYN software were used to fabricate two-layer stainless steel/aluminum composite plate, then the stereomicroscope and metallurgical microscope were adopted to investigate the shape of bonding interface and the formed mechanism was also analyzed. The results show that the method of explosive welding can be used to fabricate two-layer stainless steel/aluminum plate successfully. Meanwhile, wave bonding interface was formed between steel plate and aluminum plate, as well as the bonding strength of welded interface was considered sufficient, which offers experimental support for the explosive welding of multi-layer plates. The micro-hardness of the interface was obviously improved, which was beneficial to the improvement of the protective properties of the composite plate.

explosive welding; two-layer composite plate; bonding interface; numerical simulation; micro-hardness

2017-03-08

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目 (11602113,11672138);痕跡科學(xué)與技術(shù)公安部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放課題(2016 FMKFKT04);江蘇省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(BK20161055,BK20151353)

周楠(1986—)，男，安徽淮南人，博士，講師，主要從事爆炸沖擊與防護(hù)研究，E-mail:nudge@163.com。

周楠,蔣敬,李浩,等.爆炸焊接不銹鋼/鋁復(fù)合板界面形態(tài)研究[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué))，2017(7):91-95.

format：ZHOU Nan, JIANG Jing, LI Hao, et al.Study on the Bonding Interface of Stainless Steel/Aluminum Explosive Welded Composite Plate[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2017(7):91-95.

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2017.07.014

TG456.6

A

1674-8425(2017)07-0091-05