王 麗，張樹海，李啟發(fā)，陳亞紅

(1.中北大學(xué) 化工與環(huán)境學(xué)院，太原 030051；2.山西省公安廳治安總隊(duì)，太原 030001)

爆炸焊接是通過炸藥爆炸產(chǎn)生高溫高壓使得2種不同金屬實(shí)現(xiàn)焊接的方法，其最大優(yōu)點(diǎn)是可以使許多不同的金屬通過該技術(shù)結(jié)合在一起作為復(fù)合材料，而且焊接界面的結(jié)合強(qiáng)度非常高且穩(wěn)定.國內(nèi)外學(xué)者對(duì)雙金屬復(fù)合板材的爆炸焊接[1-3]和影響爆炸焊接的參數(shù)[4-6]進(jìn)行了大量研究.爆炸焊接不僅可以制造復(fù)合平板，而且還可以按需求和生產(chǎn)工藝特點(diǎn)利用內(nèi)爆法和外爆法制備雙金屬復(fù)合管.鄧偉等[7]利用AUTODYN模擬了鋁/鈦復(fù)合管的爆炸焊接過程.

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)對(duì)特殊復(fù)合材料的需求，超薄材料在現(xiàn)代精密制造業(yè)中有廣泛的應(yīng)用.傳統(tǒng)爆炸焊接炸藥和材料直接接觸很容易使材料產(chǎn)生燒傷、壓痕、起皮、裂紋和撕裂等.有學(xué)者提出利用水壓爆炸焊接的方法來實(shí)現(xiàn)薄厚度、高硬度、髙脆性復(fù)合材料的焊接，Hokamoto等[8]利用水壓爆炸沖擊波成功地使0.1 mm的鋁箔與陶瓷ZrO2實(shí)現(xiàn)爆接；Manikandan等[9]利用水壓爆炸爆接實(shí)現(xiàn)了鎢箔與銅板的焊接；孫偉等[10-11]利用有限元軟件ANSYS/LS-DYNA對(duì)水下爆炸沖擊波驅(qū)動(dòng)飛板的飛行過程進(jìn)行數(shù)值模擬，驗(yàn)證了焊接參數(shù)合理性.對(duì)于厚度很薄、變形能力差的金屬來說，傳統(tǒng)的內(nèi)爆法制備雙金屬復(fù)合管時(shí)炸藥產(chǎn)生的高溫可能直接燒毀金屬管，但在炸藥與復(fù)管之間增加水介質(zhì)(如圖1所示)，利用水下沖擊波使得復(fù)管與基管迅速碰撞則可以避免熱影響，從而實(shí)現(xiàn)完整勻速的焊接.

圖1 水壓爆炸焊接法簡(jiǎn)單示意圖

本文利用ANSYS/LS-DYNA軟件建立基管、復(fù)管水壓爆炸焊接的二維有限元模型，對(duì)水下爆炸沖擊波驅(qū)動(dòng)復(fù)管與基管碰撞過程進(jìn)行了數(shù)值模擬，對(duì)復(fù)管的飛行速度和結(jié)合界面的壓強(qiáng)進(jìn)行探討，并對(duì)不同厚度水層與基復(fù)管碰撞速度的關(guān)系進(jìn)行研究，為復(fù)合管水壓爆炸焊接制造提供理論支持.

1 復(fù)合管水壓爆炸焊接制造數(shù)值模擬

1.1 單元類型和算法選擇

模型的單元類型由炸藥單元、水單元、復(fù)管單元和基管單元組成，單元類型均選擇2D Solid 162單元，為了提高計(jì)算精確度，選用拉格朗日算法.計(jì)算采用cm-μs-g單位制.

1.2 材料模型及狀態(tài)方程

炸藥采用*MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN材料模型，導(dǎo)爆索的主要成分是黑索今，用JWL狀態(tài)方程；水介質(zhì)采用NULL材料模型，狀態(tài)方程選用Grüneisen方程；基管和復(fù)管分別采用SUS304不銹鋼和Q345R碳鋼材料，均選用Johnson-Cook材料模型，狀態(tài)方程采用Grüneisen方程.模型的材料參數(shù)和狀態(tài)方程參數(shù)，如表1、表2、表3所示.

1.3 模型的建立

利用ANSYS/LS-DYNA建立復(fù)合管水壓爆炸焊接過程的有限元模型，目標(biāo)模型是一個(gè)垂直于軸向線的二維平面，最外層為基管，壁厚0.1 cm，復(fù)管壁厚0.05 cm，復(fù)管與基管的間隙為0.05 cm，最里層為黑索今炸藥，直徑0.6 cm，炸藥與復(fù)管之間是水層，水層厚度設(shè)為H，H的取值分別為0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0 cm，起爆點(diǎn)在炸藥中點(diǎn)處，接觸類型選用關(guān)鍵字二維自由面面接觸.圖2為水層厚度H=1.5 cm時(shí)的二維模型.

表1 基管和復(fù)管的Johnson-Cook模型參數(shù)[12]

表2 炸藥的JWL模型參數(shù)[13]

表3 Grüneisen狀態(tài)方程參數(shù)

2 模擬結(jié)果及分析

2.1 復(fù)合管水壓爆炸焊接制造的模擬過程

水層厚度H=1.5 cm時(shí)復(fù)合管水壓爆炸焊接過程的模擬結(jié)果如圖3所示.為了方便觀察，輸出圖片時(shí)隱藏了炸藥單元和水單元的運(yùn)動(dòng)，初始狀態(tài)如圖3(a)所示，并選取模型的一部分進(jìn)行研究.圖3(b)顯示的分別為起爆開始后t=6.489、6.792、6.998、11.102 μs時(shí)的水中爆炸焊接過程.炸藥起爆后爆轟波形成水中沖擊波，復(fù)管在沖擊波瞬時(shí)高壓的作用下加速向基管飛行，與基管發(fā)生迅速撞擊.在碰撞點(diǎn)壓力急劇增加，碰撞點(diǎn)處表現(xiàn)為類流體狀態(tài)，并形成射流，這也是爆炸焊接的必要條件.碰撞過程中復(fù)管牢牢地結(jié)合在基管表面，沒有出現(xiàn)燒傷、鼓包和撕裂等現(xiàn)象.

圖2 復(fù)合管水壓爆炸焊過程的二維模型

Fig.2 2D model of composite tube manufactured by hydraulic explosion welding

圖3 水壓爆炸焊接過程

2.2 基、復(fù)管碰撞飛行速度及碰撞壓力

只有當(dāng)水下爆炸焊接的碰撞速度達(dá)到一定值時(shí)才能保證高壓狀態(tài)下產(chǎn)生射流.對(duì)于單一金屬而言，可焊最小碰撞速度的經(jīng)驗(yàn)公式[14]為

(1)

式中：HV為管材的維氏硬度；K為0.6～1.2之間的常數(shù)，當(dāng)金屬材料結(jié)合表面處理很好時(shí)可取下限0.6；ρ表示管材的密度.

由于該公式中只有一種金屬的性能參數(shù)，所以不適用于雙金屬爆炸焊接的要求.雙金屬焊接要求碰撞點(diǎn)處的高壓能夠使基、復(fù)管都形成射流，只要計(jì)算出它們兩者中可焊壓力較高的值，由此得到的可焊最小碰撞速度就是可焊接下限.可焊壓力P用下式求得[14]：

(2)

(3)

式中：VPmin,f、VPmin,b分別是基、復(fù)管2種金屬能夠產(chǎn)生射流的最小碰撞速度，可由式(1)計(jì)算；ρ為材料密度；D為沖擊波在材料中的傳播速度；C為材料的體積聲速；λ為沖擊波在材料中傳播的線性系數(shù).

利用式(2)和式(3)可以計(jì)算出復(fù)管和基管的最小可焊壓力Pmin,f、Pmin,b，則雙金屬的最小可焊壓力為

Pmin=max(Pmin,f,Pmin,b).

聯(lián)立式(2)、(3)方程組，可以得到2種金屬的碰撞速度[14-15]uf、ub：

(4)

(5)

則雙金屬的可焊最小碰撞速度為

VPmin=max(uf、ub).

如果水中爆炸焊接的碰撞速度太大，可能會(huì)導(dǎo)致結(jié)合界面積累過量的能量，使得界面過度熔化，這樣當(dāng)從復(fù)管上表面和基管下表面反射回的稀疏波到達(dá)界面時(shí)，結(jié)合界面會(huì)分層，影響材料焊接質(zhì)量.爆炸焊接上限VPmax的確定，一般采用公式[15]

(6)

根據(jù)爆炸焊接窗口上限和下限，可以確定復(fù)管最佳碰撞速度VP，Stivers[16]給出的公式如下：

VP=VPmin+0.1(VPmax-VPmin).

(7)

把表4中基、復(fù)管的性能參數(shù)代入上述公式中計(jì)算可得：Pmin約為5.68 GPa，VPmin=310 m/s，VPmax=1 415 m/s，VP約為420.5 m/s.

表4 基、復(fù)管的性能參數(shù)[12]

根據(jù)模擬結(jié)果繪制出水層厚度H=1.5 cm時(shí)基、復(fù)管在水壓爆炸焊接過程中的碰撞結(jié)合面節(jié)點(diǎn)的徑向速度曲線，如圖4所示：由于復(fù)管和基管有一定的間隙, 所以在炸藥起爆后，復(fù)管在爆轟波形成水下沖擊波的作用下加速向基管飛行，其速度將達(dá)到最大值，然后迅速下降，在該瞬間復(fù)管與基管發(fā)生碰撞.發(fā)生碰撞時(shí)，基管碰撞面開始沿與復(fù)管相同的飛行方向獲得速度， 兩管在0.2 μs后獲得相同的速度.由圖4可知,復(fù)管的最大飛行速度約為453 m/s，滿足了最小碰撞速度下限，由于模擬中復(fù)管為厚度很薄的金屬，速度上限可以不用考慮.

圖4 基、復(fù)管碰撞結(jié)合面節(jié)點(diǎn)的速度曲線

由圖4還可以看出，基、復(fù)管的運(yùn)動(dòng)是一個(gè)非常復(fù)雜的過程，即使是在發(fā)生碰撞后速度仍然會(huì)不停的波動(dòng)，其原因是水壓爆炸焊接復(fù)雜的動(dòng)力學(xué)特點(diǎn)，由于水的慣性相對(duì)比較大，水中爆轟產(chǎn)物膨脹過程比較慢，會(huì)產(chǎn)生多次膨脹和壓縮，使得復(fù)管的速度也隨之產(chǎn)生波動(dòng)大幅度的波動(dòng)，所以復(fù)管與基管碰撞后，由于產(chǎn)生了振動(dòng)源，也會(huì)形成波，造成了速度在碰撞過后仍然會(huì)出現(xiàn)上下波動(dòng).

由于炸藥起爆后，爆轟波以水下沖擊波形式在水中傳播，水下沖擊波在到達(dá)復(fù)管表面時(shí)會(huì)出現(xiàn)馬赫反射，同時(shí)復(fù)管在水下沖擊波的作用下加速向基管飛行，與基管高速碰撞，在結(jié)合面處的碰撞點(diǎn)壓力急劇升高.由圖5可知，其壓力大約達(dá)到9.46 GPa，滿足了雙金屬的最小可焊壓力，保證了基、復(fù)管在碰撞點(diǎn)處達(dá)到類似流體的狀態(tài)，產(chǎn)生金屬射流，能夠產(chǎn)生足夠的能量驅(qū)動(dòng)復(fù)管與基管發(fā)生碰撞并焊接在一起，這也是爆炸焊接的必要條件.由圖5還可以看到,結(jié)合界面的壓力存在著上下波動(dòng)的情況，這是因?yàn)閺?fù)管與基管碰撞后在結(jié)合界面上產(chǎn)生了振動(dòng)源，同時(shí)碰撞點(diǎn)附近向水中形成反射波，這種現(xiàn)象一直持續(xù)到焊接結(jié)束，而壓力產(chǎn)生負(fù)值則很大程度上是由自由界面反射回的稀疏波引起.

圖5 結(jié)合界面壓力隨時(shí)間分布曲線

2.3 水層厚度對(duì)復(fù)管運(yùn)動(dòng)速度的影響

復(fù)管與基管在焊接過程中，只有當(dāng)碰撞速度達(dá)到一定值時(shí)才能保證焊接的質(zhì)量，速度過小則未到達(dá)焊接最小速度要求，而速度過大則會(huì)使復(fù)管撞裂或由于慣性太大出現(xiàn)反彈影響焊接質(zhì)量.在其他條件不變的情況下，研究水層厚度對(duì)復(fù)管的最大飛行速度的影響，結(jié)果如圖6所示.由圖6可知：

1)復(fù)管的最大飛行速度隨水層的厚度增加而減小，水層厚為0.5 cm速度最大，為723 m/s，1.0 cm時(shí)為546 m/s，1.5 cm時(shí)為453 m/s，2 cm時(shí)為393 m/s，2.5 cm時(shí)為338 m/s，3.0 cm時(shí)最小為296 m/s.水層厚為3 cm時(shí)復(fù)管的最大飛行速度未達(dá)到雙金屬的可焊最小碰撞速度，所以水層厚度應(yīng)小于2.5 cm.由于炸藥在水中爆炸，爆炸后產(chǎn)生爆轟波傳入水中形成水下沖擊波，沖擊波會(huì)隨著水層厚度的增大而逐漸減小，所以使復(fù)管的最大飛行速度變小.

2)復(fù)管的速度從最大值降到零的時(shí)間隨水層厚度的增加而增加，水層厚為0.5 cm時(shí)時(shí)間最短，為0.25 μs，1.0 cm時(shí)為0.32 μs，1.5 cm時(shí)為0.42 μs，2 cm時(shí)為0.49 μs，2.5 cm時(shí)為0.54 μs，3.0 cm時(shí)最大為0.61 μs.由于水的慣性相對(duì)比較大，水中爆轟產(chǎn)物膨脹過程比較慢，所以復(fù)管的速度從最大值降到最小值的時(shí)間隨水層厚度的增加而增加，時(shí)間越長(zhǎng)則有效焊接時(shí)間越長(zhǎng).

圖6 不同厚度水層下復(fù)管飛行速度圖

在本次模擬中，還設(shè)置了其他條件不變的情況下，不增加水層使炸藥和復(fù)管直接接觸和把1.5 cm的水層改為空氣后的爆炸焊接模擬實(shí)驗(yàn).在炸藥和復(fù)管直接接觸的模擬過程中，復(fù)管瞬間就被高能量的炸藥炸毀，基管也發(fā)生嚴(yán)重的灼燒；而把1.5 cm的水層改為空氣的模擬中，炸藥產(chǎn)生的高溫使復(fù)管出現(xiàn)破斷、變形現(xiàn)象，模擬結(jié)果如圖7所示.

圖7 把水介質(zhì)換為空氣介質(zhì)后的模擬結(jié)果

3 結(jié) 論

1)通過ANSYS/LS-DYNA對(duì)不銹鋼/鋼復(fù)合管水壓爆炸焊接制造的模型進(jìn)行數(shù)值模擬研究，模擬得到的復(fù)管最大碰撞速度和壓力值均滿足理論計(jì)算得到的爆炸焊接速度和壓力值下限要求，表明基復(fù)管可以實(shí)現(xiàn)焊接.對(duì)比無水層爆炸焊接，水層有效地減輕了復(fù)合管的大變形，保護(hù)了復(fù)合管的完整性.

2)根據(jù)理論公式計(jì)算出復(fù)管的最小碰撞速度VPmin約310 m/s和最佳碰撞速度VP約420.5 m/s，可知在該尺寸下不銹鋼/鋼復(fù)合管水壓爆炸焊接制造時(shí)水層厚度應(yīng)設(shè)置在0.5～2.5 cm，而水層厚度在1.0～2.0 cm時(shí)最佳.

[1] ZAMANI E, LIAGHAT G H. Explosive welding of stainless steel-carbon steel coaxial pipes[J].Journal of Materials Science,2012,47(2):685-695.

[2] 李雪交,馬宏昊,沈兆武,等.鋁/燕尾槽鋼爆炸焊接的研究[J].含能材料, 2016,24(2):188-193.

LI Xuejiao, MA Honghao, SHEN Zhaowu, et al. Explosive welding of aluminum-steel of dovetail groove[J].Chinese Journal of Energetic Materials, 2016(2):188-193.

DOI: 10.11943/j.issn. 1006-9941.2016.02.014.

[3] 繆廣紅,馬宏昊,沈兆武,等.不銹鋼-普碳鋼的雙面爆炸復(fù)合[J].爆炸與沖擊,2015(4):536-540.

MIAO Guanghong, MA Honghao, SHEN Zhaowu,et al. Double sided explosive cladding of stainless steel and ordinary carbon steel[J].Explosion and Shock Waves, 2015(4):536-540.

[4] 趙林升,史長(zhǎng)根,葛雨珩,等.鈦/鋼雙立式爆炸焊接參數(shù)優(yōu)化[J].材料科學(xué)與工藝,2016，24(2): 80-84.

ZHAO Linsheng, SHI Changgeng, GE Yuheng, et al. Parameter optimization in double vertical explosive welding of Ti/steel[J].Materials Science and Technology, 2016，24(2):80-84.

DOI: 10.11951/j.issn.1005-0299. 20160113.

[5] 李繼紅,蔡俊清,劉娟娟,等.爆炸參數(shù)對(duì)鈦/鋼復(fù)合板爆炸焊接質(zhì)量影響的數(shù)值模擬[J].兵器材料科學(xué)與工程,2016(3):5-8.

LI Jihong, CAI Junqing, LIU Juanjuan,et al.Numerical simulation on effect of explosi ve welding parameters on welding quality of Ti/steel composite plates[J].Ordance Material Science and Engineering,2016(3):5-8.

[6] 汪育,史長(zhǎng)根,尤峻,等.雙立式爆炸焊接R-δ型可焊性窗口[J].焊接學(xué)報(bào),2016(1):59-62.

WANG Yu, SHI Changgen, YOU Jun,et al.R-δ-type weldability window of double vertical explosive welding[J].Transactions of the China Welding Institution, 2016(1):59-62.

[7] 鄧偉,陸明,田曉潔.鋁/鈦復(fù)合管爆炸焊接三維數(shù)值模擬[J].焊接學(xué)報(bào),2014(12):63-66.

DENG Wei, LU Ming, TIAN Xiaojie.3D numerical simulation on explosive welding of Al/Ti composite tube[J].Transactions of the China Welding Institution, 2014(12):63-66.

[8] HOKAMOTO K, FUJITA M, SHIMOKAWA H, et al. A new method for explosive welding of Al/ZrO2joint using regulated underwater shock wave[J].Journal of Materials Processing Technology,1999,85(98):175-179.

[9] MANIKANDAN P, LEE J O, MIZUMACHI K,et al.Underwater explosive welding of thin tungsten foils and copper [J].Journal of Nuclear Materials,2011,418(1):281-285.

[10] SUN Wei, LI Xiaojie, HOKAMOTO K.Numerical simulation of underwater explosive welding process [J].Materials Science Forum,2014,761:120-125.

[11] 孫偉,李曉杰,閆鴻浩.合金工具鋼的水下爆炸焊接[J].爆炸與沖擊,2016,36(1):107-112.

SUN Wei, LI Xiaojie, YAN Honghao,et al.Under water explosive welding of tool steel[J].Explosion and Shock Waves,2016,36(1):107-112.

[12] 唐文龍.不銹鋼/鋼復(fù)合板的爆炸焊接試驗(yàn)與數(shù)值模擬[D].南京：南京理工大學(xué),2013.

[13] 張寶平,張慶明,黃風(fēng)雷.爆轟物理學(xué)[M].北京:兵器工業(yè)出版社,2001:160.

[14] 李曉杰,楊文彬,奚進(jìn)一,等.雙金屬爆炸焊接下限[J].爆破器材,1999,28(3):22-26.

LI Xiaojie, YANG Wenbin, XI Jinyi,et al.The lower limit of explosive welding parameter window for bimetal [J].Explosive Materals,1999,28(3):22-26.

[15] 趙錚,王金相,杭逸夫,等.雙金屬復(fù)合板爆炸焊接窗口研究[J].科學(xué)技術(shù)與工程,2009,9(5):1126-1130.

ZHAO Zheng, WANG Jinxiang, HANG Yifu,et al. Research on explosive welding window of bimetal composite plate[J].Science Technology and Engineering, 2009,9(5):1126-1130.

[16] STIVERS S W.Computer selection of the optimum explosive loading ang welding geometry[C]//Pro 5th Int Conf on High Energy Rate Forming. Denver: Unversity of Denver, 1975, 4(2): 1-16.