范治松，王啟程，黃佳成，劉大海，鄧將華

（1.福州大學 機械工程及自動化學院，福州 350116；2.南昌航空大學 航空制造工程學院，南昌 330063）

隨著航空航天、汽車制造等領域的不斷發(fā)展，輕量化制造的問題越來越顯著[1—3]。使用輕質合金（比如鋁合金、鎂合金等）在解決輕量化問題的同時也帶來了異種金屬材料的連接問題。采用熔焊方法容易在焊接界面產生硬脆的金屬間化合物，大幅度降低異種金屬連接件的力學性能[4—7]。金屬箔氣化焊接（Vaporizing foil actuator welding，VFAW）是一種利用金屬箔（比如鋁箔）瞬間通過大電流發(fā)生氣化，進而產生高速沖擊使連接件發(fā)生碰撞，形成冶金連接的工藝。當鋁箔作為金屬箔時，也稱為鋁箔氣化焊接。與爆炸焊接、磁脈沖焊接、激光沖擊焊接類似，鋁箔氣化焊接亦屬于一種固相焊接方法，它能夠極大地減小結合區(qū)域內的熱影響區(qū)，減少金屬間化合物的產生，得到的焊接接頭強度較高[8]。

目前，在金屬箔氣化焊接理論分析方面，CAI等[9]建立了用于預測鋁箔氣化引起的沖擊壓力幅值的數(shù)學模型，并進行了不同電容充電能量和聚氨酯板厚度下的沖擊壓力脈沖的測量，該模型得到的沖擊壓力幅值和工藝參數(shù)之間的單調關系與實驗測量結果擬合得較為精準，計算值和測量值之間的誤差低于10%。VIVEK 等[10]以鋁箔氣化之前沉積的電能作為輸入?yún)?shù)，建立了估算飛板速度的分析模型。研究表明，該模型可預測飛板獲得速度的最大值，并且對于較薄的鋁箔效果更好。HAHN 等[11]提出了計算瞬態(tài)飛片速度的分析模型，其計算值和實驗測量值之間的總體平均偏差約為11%。在試驗研究方面，陳樹君等[12]研究了氣化沖擊焊接過程中能量轉換的過程，采用光子多普勒測速（Photonic doppler velocimetry，PDV）系統(tǒng)，分析了3 種不同厚度的鋁箔在不同能量輸入條件下的工作效率和對飛板與靶板之間碰撞速度的影響規(guī)律。CHEN 等[13]對3003Al 與4130Fe 氣化焊接界面組織和力學性能進行了細致的研究與討論，發(fā)現(xiàn)在8°～24°下都可獲得波形焊接界面，兩者有較寬的可焊接角度。在數(shù)值模擬方面，由于連接件之間的高速碰撞引起該區(qū)域劇烈變形，導致拉格朗日法（Lagrange）的網(wǎng)格單元嚴重畸變而失效，因此國內外學者通過光滑粒子流體動力學（Smooth particle hydrodynamics，SPH）、歐拉法（Euler）和任意拉格朗日-歐拉法（Arbitrary lagrange-euler，ALE）等方法進行研究。MENG 等[14]采用SPH 方法研究了Cu/Ti 連接界面波長和幅值隨沖擊角和沖擊速度的增大而增大，焊接界面附近嵌入的金屬顆粒很大程度上與焊接材料之間的相互作用有關，而不是由材料擴散引起的。NASSIRI 等[15]以CP-Ti 為飛板、Cu110 為靶板，分析了碰撞角度為8°，12°，16°的等效塑性應變、溫度和壓力等數(shù)據(jù)，并結合試驗驗證了SPH 方法的準確性。VARUN 等[16]采用歐拉法通過模擬固定碰撞角度為20°、速度為440～860 m/s 和固定沖擊速度為770 m/s、角度為8°～28°，確定可焊接窗口。LEE 等[17]采用ALE方法建立了沖擊焊接界面模型，得到了不同碰撞角度下的界面形貌和溫度分布，并結合試驗驗證了模型的可靠性。

對于鋁箔氣化焊接來說，沖擊速度是非常關鍵的工藝參數(shù)，為深入揭示鋁箔氣化焊接界面形成機制，文中基于LS-DYNA 軟件建立1060Al/SS304 板材鋁箔氣化焊接界面的SPH 模型，研究焊接界面形貌特征，分析波形和尾渦的形成過程，揭示沖擊速度對焊接界面形貌的影響規(guī)律，為1060Al/SS304 板鋁箔氣化焊接工藝參數(shù)的優(yōu)化提供依據(jù)。

1 焊接界面模型建立

1.1 SPH 模型

鋁箔氣化焊接的過程包括鋁箔氣化驅動飛板運動和飛板撞擊靶板2 個過程。為了簡化模型，不考慮飛板受驅動的復雜過程，對飛板施加一個恒定的速度vi，飛板與靶板呈一定的碰撞角度α，如圖1 所示。飛板（1060Al）與靶板（SS304）尺寸都設置為10 mm×1 mm，粒子尺寸為5 μm，模型的總粒子數(shù)為809 810。對靶板遠離飛板一側的一層節(jié)點粒子的x與y方向的移動設置約束條件。

1.2 材料模型

鋁箔氣化焊接過程中涉及大變形、高應變率和高溫情況，因此材料模型選擇Johnson-Cook 模型。該模型考慮了流動應力的應變硬化效應、應變率硬化效應和熱軟化效應，能夠反映材料熱力耦合行為[18]。該模型的表達式為：

式中：σ為流動應力（MPa）；A為屈服強度（MPa）；B與n為應變硬化影響系數(shù)和指數(shù)；C為應變速率敏感系數(shù)；m為溫度軟化系數(shù)；ε為有效塑性應變；為有效塑性應變率；為參考應變率；為無量綱化有效塑性應變率；T為溫度；Tr為室溫；Tm為材料熔點；T*為無量綱化溫度。所選材料的參數(shù)如表1 所示。

表1 材料參數(shù)Tab.1 Material parameters

2 結果與分析

2.1 焊接界面形貌特征

為了更好地分析鋁箔氣化焊接界面形貌特征，以4°為遞進量，設置初始碰撞角度分別為8°，12°，16°，20°的4 組參數(shù)進行數(shù)值模擬，保持初始沖擊速度700 m/s 不變。不同沖擊角度下焊接界面的形貌如圖2 所示，可以看出，在較小的沖擊角度下（如8°和12°），焊接界面基本為平直狀。當沖擊角度增大到16°和20°時，界面呈現(xiàn)出波紋狀。為與試驗條件相對應，便于試驗結果和仿真結果的對比，文中選擇16°詳細介紹焊接界面形貌特征，并作為固定的沖擊角度來研究不同沖擊速度的影響，不失其一般性。

圖2 不同沖擊角度下焊接界面的形貌Fig.2 Morphology diagrams of welding interface at different impact angles

初始碰撞角度α=16°、沖擊速度vi=700 m/s 下，隨著碰撞點移動，焊接界面形貌變化情況如圖3 所示?？梢钥闯觯谂鲎渤跏茧A段，界面形貌較為平坦。隨著碰撞點的移動，界面形貌由平直狀轉變?yōu)檩^明顯的波形，呈現(xiàn)出一定的波長和振幅，但此時波形并不規(guī)則。當波形趨于穩(wěn)定狀態(tài)時，波長和振幅變化相對不大，穩(wěn)定后的波長約為260 μm，振幅約為45 μm。從圖3b 可以觀察到兩板之間逐步剝離出來的節(jié)點粒子射流。其射流粒子主要來源于鋁板，鋁板剝離層厚度大約為15 μm。射流粒子在飛行過程中上下擺動，部分粒子與未碰撞的金屬表面發(fā)生作用，有助于清除金屬表面的氧化物及污染物，有利于提高焊接質量。

圖3 碰撞過程界面形貌變化及局部放大圖Fig.3 Change of interface morphology and local zooming diagram during collision

為了分析波形的形成，在飛板（1060Al）靠近碰撞界面附近選取3 個特征點A，B，C，如圖4 所示。其中A點直接與靶板接觸，B點和C點在A點的斜下方，分別提取了3 點的x向與y向的速度變化曲線。如圖5 所示，雖然A點的速度峰值都比B和C兩點大，但是3 點之間的速度變化有一個時間差。當A點經過碰撞，速度下降至低點時，由于飛板向上運動，能量持續(xù)釋放，B和C點的速度卻剛到達最高點。B和C點推動A點繼續(xù)向上運動，同時相對于A點沿x軸方向運動，導致A點發(fā)生轉動，形成波形和尾渦。

圖4 一個時間增量內焊接界面碰撞點處形貌變化Fig.4 Morphology change of interface collision point in a time increment

圖5 特征點的速度變化曲線Fig.5 Velocity curves of the characteristic points

2.2 沖擊速度對焊接界面的影響

保持飛板與靶板的形狀尺寸、材料參數(shù)不變，沖擊角度α=16°，對沖擊速度vi為400，500，600，700，800 m/s 等5 種情形進行模擬。

沖擊速度為400～800 m/s 下焊接界面的形貌如圖6 所示。在沖擊速度為400 m/s 和500 m/s 時，未觀察到明顯的波形焊接界面，呈現(xiàn)出一種接近平直的狀態(tài)，無法測量出波長及幅值。沖擊速度較低時，射流粒子較少，基本都是1060Al 層的剝離，未觀察到SS304 粒子射流。當沖擊速度上升后，界面開始呈現(xiàn)波浪狀，且都保持著初始階段淺波，在焊接界面的末端，波形變得更加穩(wěn)定與明顯。射流粒子數(shù)也隨著速度的上升而變多，并伴隨著雙方金屬層的剝離。選取穩(wěn)定區(qū)域的界面波在LS-PREPOST 中測量，發(fā)現(xiàn)在沖擊速度為800 m/s 時界面的波長與幅值分別為300 μm與65 μm，是沖擊速度為600 m/s 情況下的1.36 倍與2.32 倍。可以看出，低速狀態(tài)下界面波的波長與幅值明顯小于高速狀態(tài)下界面波的波長與幅值。在高速沖擊狀態(tài)下，界面波峰處也顯現(xiàn)出更加明顯的尾部旋渦。

圖6 不同沖擊速度下焊接界面的形貌Fig.6 Morphology diagrams of welding interface at different impact velocities

不同沖擊速度下焊接界面的有效塑性應變分布如圖7 所示。由圖7 可知，塑性應變較高區(qū)域集中于界面兩側狹窄區(qū)域內，其等效塑性應變數(shù)值在2.4 以上。相比于平直狀界面，波峰發(fā)生傾倒的紊亂波形界面的形成伴隨著強烈的塑性變形，等效塑性應變數(shù)值可達9 以上，為劇烈塑性變形區(qū)。塑性變形產生的能量積累絕大部分將轉化為界面處的熱量沉積，因而劇烈塑性變形區(qū)往往是鋁箔氣化焊接界面的高溫區(qū)。

圖7 不同沖擊速度下的焊接界面有效塑性應變分布Fig.7 Effective plastic strain distribution of welding interface at different impact velocities

不同沖擊速度下的焊接界面的速度分布如圖8所示，在沖擊加載速度為800 m/s 時，亞高速區(qū)分布在飛板與靶板兩邊，具有一定的對稱性。在碰撞點處，無論是飛板與靶板的材料都具有一定的x向速度，材料剪切變形效應明顯。在400 m/s 的情況下并未發(fā)現(xiàn)此現(xiàn)象，除了射流以外，高速區(qū)域非常小，亞高速區(qū)只分布于飛板區(qū)域。

圖8 不同沖擊速度下的焊接界面速度分布Fig.8 Velocity distribution of welding interface at different impact velocities

不同沖擊速度下飛板波峰處粒子x向的速度曲線如圖9 所示，可以看出，隨著沖擊速度的增加，x向速度也顯而易見的隨之增大。沖擊速度從400 m/s增加到800 m/s，碰撞速度也從1300 m/s 增加到接近2600 m/s。沒有足夠大的橫向速度可能是400 m/s 沖擊速度時沒有產生明顯波狀界面的原因。

圖9 不同沖擊速度下飛板波峰x 向速度變化曲線Fig.9 x-direction velocity change curve of fly-board wave crest at different impact velocities

不同沖擊速度下焊接界面的溫度分布情況如圖10 所示。當碰撞速度較低時，界面比較平直，溫度最高值并未達到靶板材料的熔點值，但部分區(qū)域的溫度達到了1060Al 的熔點（933 K）。當沖擊速度升到800 m/s 時，界面處的溫度有了顯著的上升，高溫區(qū)的寬度比400 m/s 時大。在波峰區(qū)域，形變劇烈處高溫點的溫度超過了靶板材料的熔點。飛板波峰的溫度變化曲線如圖11 所示，該曲線在選取特征點時避開了極高溫點，以便獲得更具代表性的溫度?？梢钥闯觯谂鲎驳倪^程中，溫度首先急劇上升到頂峰，然后慢慢下降。通過5 條曲線的觀察，發(fā)現(xiàn)沖擊速度越高，焊接界面處的溫度也越高。

圖10 不同沖擊速度下的焊接界面溫度分布Fig.10 Temperature distribution of welding interface at different impact velocities

圖11 不同沖擊速度下飛板波峰溫度變化曲線Fig.11 Temperature change curve of fly-board wave crest at different impact velocities

2.3 SPH 模型的試驗驗證

驗證實驗采用型號為EMF_50/20 的電磁成形機，其最大輸出能量為50 kJ，額定放電電壓為20 kV。鋁箔氣化焊接實驗夾具如圖12 所示，整體工裝由鋼板基座、電木底板、傳導銅條、壓箔塊、下鋼板、環(huán)氧樹脂墊片、上鋼板及上蓋板組成。試驗驗證采用的放電能量為8 kJ，鋁箔厚度為0.08 mm，飛板與靶板之間環(huán)氧樹脂隔離板厚度為2 mm，隔離板間距為25 mm。模擬條件為碰撞角度為16°，沖擊速度為500 m/s。

圖12 鋁箔氣化焊接實驗夾具Fig.12 Aluminum foil vaporization welding experiment fixture

1060Al/SS304 鋁箔氣化焊接界面形貌和數(shù)值模擬對比如圖13 所示。由圖13a 的掃描電鏡結果可以看出，在放電能量為8 kJ 的條件下，1060Al/SS304鋁箔氣化焊接界面成平直狀，界面過渡區(qū)厚度為8～13 μm。數(shù)值模擬結果顯示，平直狀結合界面附近形成了一高溫層，其寬度為1～2 個粒子，即約10 μm，而且從圖13b 的溫度云圖可以發(fā)現(xiàn)，該薄層溫度已經高于1060Al 母材的熔點，即發(fā)生鋁母材的熔化，這與試驗觀察到的熔化層厚度基本吻合。

圖13 焊接界面過渡區(qū)分布及數(shù)值模擬結果Fig.13 Distribution of welding interface transition zone and numerical simulation results

3 結論

1）1060Al/SS304 板材鋁箔氣化焊接界面包含了3 個典型區(qū)：初始平直區(qū)、后繼紊亂波形區(qū)和終了穩(wěn)定波形區(qū)。

2）在保持碰撞角度不變的條件下，穩(wěn)定區(qū)界面的波長與振幅均隨著沖擊速度的增大而增大。在高速沖擊狀態(tài)下，界面波峰處顯現(xiàn)出尾部旋渦特征，其等效塑性應變值最大。

3）焊接界面旋渦區(qū)內溫度高于1060Al 母材熔點，平直狀結合界面附近形成了一高溫層，當沖擊速度足夠大時，該薄層發(fā)生熔化，數(shù)值模擬結果與結合界面試驗觀察結果一致。