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        復(fù)合板爆炸焊工藝研究現(xiàn)狀及展望

        2021-12-30 12:40:50李星昆何建萍
        輕工機械 2021年4期
        關(guān)鍵詞:復(fù)合板結(jié)果表明成形

        李星昆, 何建萍

        (上海工程技術(shù)大學(xué) 材料工程學(xué)院, 上海 201620)

        爆炸焊是通過炸藥爆炸產(chǎn)生能量,短時間內(nèi)復(fù)板與基板發(fā)生碰撞變形,進而達到原子間結(jié)合,形成永久固相結(jié)合的一種焊接技術(shù)[1]。隨著工業(yè)技術(shù)的不斷進步,對材料的綜合性能要求也越來越高,這就不得不提到金屬復(fù)合板材料。這種材料通常由不同金屬或合金焊接而成,具有單一金屬難以具備的綜合性能。例如,同時具有低密度、耐腐蝕、耐沖擊、較高的抗拉強度等綜合性能。目前已有一大批爆炸焊制備的復(fù)合板應(yīng)用到各行各業(yè)中:Al/Cu復(fù)合板主要用于生產(chǎn)各種電氣產(chǎn)品,如電連接器[2-4];Ti/Al復(fù)合板以高比強度主要用于航空器件[5-6];Al/Mg異種材料主要應(yīng)用于汽車輕量化和航空航天等[7-8];Cu/Fe復(fù)合材料由于其優(yōu)異的導(dǎo)熱、延展性能和高比強度,常用于核工業(yè)[9];Cu/Ti/Fe和Gr/Fe復(fù)合板以其優(yōu)異的耐腐蝕性能常用于化學(xué)反應(yīng)器的腔室制作[10];Ti/Fe復(fù)合板具有較好的經(jīng)濟效益和耐腐蝕性,常用于火電廠濕煙囪改造工程[11];超過260多種板材已通過爆炸焊工藝獲得了優(yōu)良的焊接接頭[12]。由此可見爆炸焊制作的復(fù)合板對于工業(yè)生產(chǎn)至關(guān)重要。

        當(dāng)前大面積復(fù)合板爆炸焊研究主要集中于以下幾個方面:特殊材料的爆炸焊工藝及缺陷控制研究;工藝參數(shù)對焊縫成形、微觀組織及力學(xué)性能的影響。由于爆炸焊接過程具有瞬時性和復(fù)雜性,人們在通過實驗及相關(guān)設(shè)備來觀察、研究爆炸焊接過程時,效果十分有限[13]。相對而言,基于計算機的復(fù)合板爆炸焊數(shù)值模擬,可縮短工藝試驗周期,降低成本,同時還可以較好地分析焊接過程。因此基于數(shù)值模擬分析的爆炸焊工藝研究成為當(dāng)今國內(nèi)外學(xué)者的研究熱點[14]。

        筆者結(jié)合近幾年的文獻,從爆炸焊工藝實驗和數(shù)值模擬分析的角度,著重回顧了大面積復(fù)合板的成形質(zhì)量、微觀組織和力學(xué)性能的研究進展,總結(jié)、歸納了當(dāng)前研究的一些短板,并對未來的深入研究方向做了展望。

        1 復(fù)合板爆炸焊成形質(zhì)量研究

        復(fù)合板爆炸焊接在不同的工藝條件下會產(chǎn)生不同的焊接接頭界面,爆炸焊成形界面主要有4種:脫落型界面、平坦型界面、波浪型界面和撕裂型界面[15]。當(dāng)爆炸焊能量不足以使基復(fù)板之間建立有效連接時,就會形成脫落性界面,該平面典型的特征是焊縫不連續(xù),基板與復(fù)板部分結(jié)合。平坦型界面的特點是界面上可以看到平直、清晰的結(jié)合線。結(jié)合線2側(cè)的金屬成分急劇變化,基體金屬直接接觸和結(jié)合,沒有明顯的塑性變形或熔化等微觀組織形態(tài)。波浪型界面的特點是接頭的結(jié)合區(qū)會轉(zhuǎn)變?yōu)橛幸?guī)律的波浪形;實驗研究表明波浪型界面同時具備原子間結(jié)合和機械咬合的作用而擁有優(yōu)異的力學(xué)性能[16]。當(dāng)焊接工藝參數(shù)超過爆炸焊工藝窗口后,往往形成撕裂型界面。顯微組織分析可發(fā)現(xiàn)結(jié)合界面存在大量空洞、裂紋等焊接缺陷。經(jīng)驗數(shù)據(jù)表明工藝參數(shù)是影響焊接界面成形的重要因素。

        針對爆炸焊界面形貌,不同學(xué)者通過設(shè)計工藝試驗,研究爆炸焊接成形規(guī)律。如,Arab等[17]6采用爆炸焊工藝,主要展開了基復(fù)板間距對爆炸焊接鋁合金和CoMnCrFeNi高熵合金成形質(zhì)量的影響。研究中,復(fù)板與基板的間距為1 mm時,焊接界面處出現(xiàn)了約1.8 μm的過渡層,獲得了平坦型界面結(jié)合。但當(dāng)間距拉大到2 mm和3 mm時,界面出現(xiàn)了局部熔化,連接界面呈現(xiàn)由平坦型往波浪型界面轉(zhuǎn)變的特征。劉瑞等[18]采用爆炸焊工藝,針對基復(fù)板間距對鈦-鋼薄板焊接成形的關(guān)系展開了研究。研究結(jié)果表明:隨著基復(fù)板間距增大,焊接界面由小波浪型向大波浪型界面轉(zhuǎn)變,最后變?yōu)樗毫研秃缚p界面。Loureiro等[19]260采用了爆炸焊工藝,研究了炸藥比率和炸藥敏化劑對鋁-銅復(fù)合板焊接的影響。實驗結(jié)果表明:隨著炸藥比率(即爆炸載荷)的增加,由Cu-Al中間相組成的焊縫熔融區(qū)面積會增加,焊縫波浪型界面有所擴大,變?yōu)榇蟛ɡ诵徒缑?;采用空心玻璃微球作為敏化劑的爆轟速度較為穩(wěn)定,易獲得均勻一致的波浪型界面。Liang等[20]121采用水下爆炸焊方法,研究了炸藥厚度與焊縫成形的關(guān)系。研究選擇了非晶材料和鋁板進行焊接,用水作為緩沖層來傳遞爆炸能量和保護復(fù)板。試驗結(jié)果表明:當(dāng)炸藥厚度為30 mm時,形成了平坦型焊接接頭,界面處出現(xiàn)了7 μm厚的擴散層;隨著炸藥厚度的增加,并未獲得波浪型界面,而是形成撕裂狀界面。Ren等[21]針對鋼和鎢合金的爆炸焊展開研究,計算了可焊性窗口,通過工藝試驗發(fā)現(xiàn):隨著爆炸載荷的增加,焊接界面從平坦型向波浪型轉(zhuǎn)變;當(dāng)爆炸載荷超過計算窗口上邊界后,在焊接界面處有一個熔化區(qū),并伴有可能在界面處擴展的微裂紋。董剛等[22]采用爆炸焊工藝,研究了鋪藥方式與焊接界面波的關(guān)系。研究表明:炸藥厚度相同的情況下,獲得的界面呈現(xiàn)波形不一致,末端波形尺寸嚴重大于前端波形;炸藥厚度不同時,即梯形布藥可以有效消除爆炸焊碰撞壓力不均勻的情況,使界面波形尺寸基本保持一致。

        2 復(fù)合板微觀組織和力學(xué)性能研究

        1959年美國人Philipchuk首次通過爆炸焊技術(shù)將鋁板和鋼板焊接在一起,這一事件標(biāo)志著爆炸焊成功進入了工程應(yīng)用[23]。之后,法國、英國、德國和前蘇聯(lián)等傳統(tǒng)工業(yè)強國針對該技術(shù)進行了廣泛研究。當(dāng)前主要針對鎂鋁合金、高溫鎳基合金和鈦合金等新型材料展開焊接工藝研究,以期獲得優(yōu)質(zhì)的焊縫接頭。

        很多學(xué)者對不同材料焊接的微觀組織和力學(xué)性能作了研究。張婷婷等[24]分析了由爆炸焊制備鎂-鋁復(fù)合板微觀組織特征,結(jié)果表明:在鎂板一側(cè)出現(xiàn)了呈45°方向的絕熱剪切帶,該區(qū)域由細小的等軸晶組成;焊縫中心形成了金屬間化合物,顯微硬度最高;焊縫2側(cè)均出現(xiàn)了明顯的加工硬化。拉剪試驗結(jié)果表明:斷裂沿波狀結(jié)合面方向,強度約為93.3 MPa。陳凱等[25]通過爆炸焊工藝對鎳基合金和低碳鋼進行了研究。結(jié)果表明:波狀界面旋渦區(qū)主要由表層等軸晶和內(nèi)部樹枝晶組成,并在其中夾雜一些氣孔和微裂紋。顯微硬度顯示:其結(jié)合面附近由于發(fā)生強烈的塑性變形,鎳基合金一側(cè)的硬度明顯提高,約為母材的3倍。Zu等[26]采用爆炸焊工藝對鈦-鋼復(fù)合板焊接進行了研究,其研究結(jié)果表明:當(dāng)形成波狀界面時,其界面會形成一些不連續(xù)、形狀不規(guī)則的金屬間化合物(FeTi和Fe2Ti);剪切試驗表明,其強度為334 MPa。

        此外,部分學(xué)者從工藝參數(shù)層面探討復(fù)合板焊接的微觀組織及力學(xué)性能的影響規(guī)律。如Zeng等[27]采用爆炸焊工藝,研究了氣態(tài)介質(zhì)對鈦-鋼爆炸焊接復(fù)合板界面組織和力學(xué)性能的影響。研究結(jié)果表明:在氦氣保護下的焊縫界面出現(xiàn)了少量固溶體,沒有發(fā)現(xiàn)裂紋;在氣態(tài)介質(zhì)為空氣的焊接中,一部分固溶體被氧化,形成脆性雜質(zhì),且在冷卻過程中因內(nèi)應(yīng)力而形成裂紋;另外,氦氣保護下的試樣(393.8 HV)高于空氣保護下的試樣(320.2 HV),抗剪強度從約420 MPa增加到約490 MPa,抗拉強度從500 MPa增加到550 MPa??梢姡饪梢悦黠@提高鈦-鋼復(fù)合板焊接接頭質(zhì)量。Arab等[17]5采用爆炸焊工藝,針對基復(fù)板間距對鋁板和高熵合金板(CrMnFeCoNi)焊接的成形質(zhì)量的影響展開了研究。研究結(jié)果表明:當(dāng)基復(fù)板間距為1 mm,被焊件可以獲得優(yōu)質(zhì)的焊縫接頭;金相照片顯示鋁板、過渡層和高熵合金在原子尺度上連接在一起,沒有任何裂紋和缺陷;但當(dāng)基復(fù)板間距的增加到2 mm和3 mm時,裂紋開始出現(xiàn)在高熵合金一側(cè),寬度達到10 μm;顯微硬度測試結(jié)果顯示過渡層硬度為120 HV,鋁板側(cè)出現(xiàn)了一定的加工硬化,高熵合金側(cè)硬度無明顯變化。Loureiro[19]266針對銅-鋁爆炸焊展開了研究,顯微組織分析表明:爆炸載荷越大,焊縫界面的空洞和裂紋現(xiàn)象越嚴重,且焊接界面處出現(xiàn)了金屬皮剝離現(xiàn)象,以不規(guī)則小顆粒的形式鑲嵌在焊縫中;另外,鋁的塑形變形程度大于銅一側(cè);顯微硬度測試顯示鋁一側(cè)的硬度大于銅一側(cè)。梁漢良等[20]116采用爆炸焊方法,探究鋪藥厚度與鋁-非晶合金的焊接接頭微觀組織和力學(xué)性能的關(guān)系。研究發(fā)現(xiàn):當(dāng)鋪藥厚度為20 mm時,焊縫呈現(xiàn)平直型界面,基板與復(fù)板間形成了7 μm的過渡層;隨著鋪藥厚度的增加,過渡層增加為10 μm,同時裂紋開始在過渡層萌生,并向非晶合金一側(cè)擴散;電子衍射分析焊縫處,顯示由晶格結(jié)構(gòu)和不明顯的環(huán)組成的混合相,在非晶合金側(cè),圖像僅具有光環(huán),表明其在焊接后仍然保持了非晶結(jié)構(gòu);顯微硬度測試表明鋪藥厚度與其硬度變化無明顯規(guī)律,焊縫2側(cè)均出現(xiàn)了一定的加工硬化現(xiàn)象。

        3 復(fù)合板爆炸焊數(shù)值模擬研究

        研究爆炸焊的結(jié)果表明:數(shù)值模擬技術(shù)在研究其焊接過程、分析界面波成形機理方面起著至關(guān)重要的作用。通過對數(shù)值模擬展開研究,可以指導(dǎo)工業(yè)生產(chǎn)中的焊接工藝試驗,進而可縮短工藝實驗周期,降低生產(chǎn)成本,方便廣大生產(chǎn)者快速制定焊接工藝,推動爆炸焊的發(fā)展。

        Yuan等[28]采用SPH法對Al-AZ31B的爆炸焊過程進行了數(shù)值模擬,模擬結(jié)果清晰顯示出界面波形和爆炸焊過程中的金屬射流情況。劉江等[29]采用SPH法從二維的角度重現(xiàn)了實驗中的射流和界面波生產(chǎn)現(xiàn)象;分析了塑形變形、結(jié)合點應(yīng)力、以及溫度等參數(shù)隨時間的變化規(guī)律。李曉杰等[30]采用SPH方法對鋼板進行了焊接模擬,得到了清晰的爆炸焊接界面波形貌,且試驗誤差與碰撞速度成反比。李繼紅等[31]針對鈦/鋼復(fù)合板爆炸焊展開了模擬研究,結(jié)果表明大面積復(fù)合板焊接時采用中心引爆的方式更為合理。閆建文等[32]采用SPH法數(shù)值模擬,針對炸藥鋪覆厚度對焊接質(zhì)量的影響展開了模擬研究。結(jié)果顯示:采用厚度遞減的鋪藥方式有助于使界面波形狀尺寸基本保持一致,同時節(jié)省了炸藥用量。廖廣紅等[33]借助LS-DYNA軟件結(jié)合SPH-FEM耦合的方法,對基復(fù)板間距對鈦-鋼復(fù)合板爆炸焊接質(zhì)量研究。其研究結(jié)果表明:在工藝窗口內(nèi),隨著基復(fù)板間距的增加,焊接界面由平坦型向大波狀界面轉(zhuǎn)變,模擬結(jié)果和試驗結(jié)果基本一致,模擬結(jié)果顯示當(dāng)間距處于6.5~8.5 mm時,焊接質(zhì)量優(yōu)異。

        4 復(fù)合板爆炸焊總結(jié)及展望

        為了獲得焊接接頭成形良好、力學(xué)性能優(yōu)異的大面積復(fù)合板成形件,已有一大批科研人員從工藝試驗和數(shù)值模擬的角度對復(fù)合板爆炸焊展開了研究。筆者總結(jié)分析了國內(nèi)外研究動態(tài),同時就未來亟需解決的關(guān)鍵問題給出如下建議:

        1) 針對一些特殊異種金屬材料復(fù)合板的焊接,爆炸焊接工藝應(yīng)用前景光明,且展開的研究較為成熟和廣泛,下一步可以圍繞金屬與非金屬復(fù)合板的焊接工藝展開研究。

        2) 不同工藝參數(shù)下的復(fù)合板焊接工藝研究表明大部分材料均可獲得4種界面形貌,而非晶材料無法獲得力學(xué)性能優(yōu)異的波狀界面。有關(guān)波狀界面的產(chǎn)生與材料屬性和工藝參數(shù)的關(guān)系需展開進一步研究,以獲取其一般規(guī)律。

        3) 基復(fù)板間距和爆炸載荷對界面形貌有著至關(guān)重要的影響;炸藥敏化劑和鋪藥方式可從穩(wěn)定爆炸速度的角度,獲得優(yōu)質(zhì)的焊接界面成形。

        4) 復(fù)合板爆炸焊接過程中會產(chǎn)生快速熱塑形變形,接頭2側(cè)出現(xiàn)明顯的加工硬化現(xiàn)象,同時也會產(chǎn)生一定熱量,進而使界面附近出現(xiàn)少量元素擴散和金屬間化合物生成。

        5) 不同工藝參數(shù)下的復(fù)合板爆炸焊微觀組織及力學(xué)性能的研究表明保護氣可以通過避免接頭處氧化物的生成而提高焊接質(zhì)量;隨著爆炸載荷增加,氣孔及裂紋等焊接缺陷會在接頭處產(chǎn)生;相同爆炸載荷的情況下,間距過大時焊接質(zhì)量會變差,且裂紋通常在接頭處出現(xiàn)。

        6) 數(shù)值模擬研究現(xiàn)狀分析表明基于SPH法的爆炸焊模擬可很好地模擬復(fù)合板爆炸焊成形過程,且通過模擬結(jié)果可對焊接試驗起到重要的指導(dǎo)作用。

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