榮 凱

(安徽理工大學(xué) 化學(xué)工程學(xué)院,安徽 淮南 232001)

0 引言

Carl 在1944 年提出爆炸焊接(爆炸復(fù)合),其利用炸藥的爆炸對(duì)復(fù)板做功,在復(fù)板與基板間產(chǎn)生高速的碰撞,使基、復(fù)層材料形成冶金結(jié)合[1-2]。相較于其他焊接方式,爆炸復(fù)合的優(yōu)勢(shì)在于可實(shí)現(xiàn)大面積異種材料之間的焊接[3]。 針對(duì)不同工況,其可在多種金屬間形成高質(zhì)量的焊接接頭。 因此,爆炸復(fù)合板在航空航天、機(jī)械設(shè)備、管道容器、船舶與鐵路等方面都得到了廣泛的應(yīng)用[4-5]。 近年來(lái),工業(yè)高質(zhì)量發(fā)展,產(chǎn)生了各種極端應(yīng)用環(huán)境,其對(duì)金屬?gòu)?fù)合材料的結(jié)合性能要求更為嚴(yán)格[6]。

關(guān)于爆炸焊接參數(shù)的研究中,王勇等[7]通過(guò)改變稀釋劑的含量,制備各種爆速的膨化胺油炸藥,實(shí)現(xiàn)多種參數(shù)的爆炸焊接。 畢志雄等[8]提出自約束裝藥下的爆炸焊接研究,采用雙層蜂窩鋁結(jié)構(gòu)炸藥用于T2 銅/Q235 鋼爆炸焊接。 結(jié)果表明,自約束結(jié)構(gòu)炸藥下的復(fù)合板焊接效果良好,提高了炸藥的能量利用率。 在爆炸焊接基、復(fù)層材料間距環(huán)境對(duì)焊接效果的影響研究中,劉自軍等[9]改變復(fù)合板間隙的空氣排出形式,研究了炸藥爆轟波的傳播方式,以此提高爆炸焊接質(zhì)量。 ZENG 等[10]為了解決鎂合金在焊接時(shí)的氧化問(wèn)題,采用惰性氣體(氦氣)進(jìn)行保護(hù),研究了Mg/Al 復(fù)合板的焊接,與空氣環(huán)境下焊接的復(fù)合板進(jìn)行對(duì)比,結(jié)果表明兩種環(huán)境下的復(fù)合板的微觀形貌不同,在氦氣的保護(hù)下結(jié)合界面幾乎沒(méi)有金屬氧化物,提高了復(fù)合板的結(jié)合性能。 改變爆炸焊接間隙環(huán)境是提高焊接質(zhì)量的有效方式,但是對(duì)負(fù)壓環(huán)境下爆炸焊接參數(shù)設(shè)置的研究較少。

為了研究負(fù)壓環(huán)境下爆炸焊接過(guò)程的參數(shù)特性,采用ANSYS/AUTODYN 模擬爆炸焊接過(guò)程,開(kāi)展爆炸焊接參數(shù)研究,模擬負(fù)壓環(huán)境下結(jié)合界面的壓力和速度場(chǎng)分布,結(jié)合參數(shù)公式分析負(fù)壓環(huán)境下爆炸焊接參數(shù)設(shè)置的合理性。

1 模型與參數(shù)

采用Q235 鋼與304 不銹鋼分別作為基、復(fù)層材料,其物理參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 基、復(fù)層物理性能參數(shù)

基層材料的Q235 鋼尺寸為200 mm×100 mm×8 mm,利用Mie-Gruneisen 狀態(tài)方程[11]與Johnson Cook 模型[12],其公式為

表2 Q235 鋼的Johnson Cook 模型參數(shù)

復(fù)層304 不銹鋼采用Mie-Gruneisen 狀態(tài)方程與Steinberg Guinan 模型[13],尺寸為200 mm ×100 mm×4 mm,其公式為

表3 304 不銹鋼的SteinbergGuinan 模型參數(shù)

銨油炸藥采用JWL(EOS)[14],裝藥厚度為12 mm。 其公式為

式中:p為爆轟產(chǎn)物的壓強(qiáng),GPa;V=v/v0,V為爆轟氣體產(chǎn)物的相對(duì)比容,v為爆轟產(chǎn)物比容,v0為炸藥初始比容;E0為爆轟產(chǎn)物的比內(nèi)能,kJ·cm-3;A、B、R1、R2和ω為狀態(tài)參數(shù),見(jiàn)表4。

表4 銨油炸藥的模型參數(shù)以及狀態(tài)方程參數(shù)

利用理想氣體狀態(tài)方程建立空氣域,通過(guò)降低空氣密度實(shí)現(xiàn)20 kPa 的負(fù)壓環(huán)境。 空氣域?yàn)?50 mm×150 mm×77 mm,將焊接裝置對(duì)中平行安裝。 為避免炸藥起爆端失穩(wěn)及尾端邊界效應(yīng)產(chǎn)生對(duì)模擬結(jié)果的影響,選擇距起爆端5 cm、9 cm、12 cm 的中間位置處設(shè)置3 個(gè)gauges 點(diǎn)。 網(wǎng)格邊長(zhǎng)1 mm × 1 mm× 1 mm,對(duì)于模型足夠精確。 模擬結(jié)構(gòu)如圖1、圖2 所示。

圖1 爆炸焊接模型

圖2 gauges 位置

2 結(jié)果與討論

2.1 爆炸焊接參數(shù)

2.1.1 碰撞壓力

去除環(huán)境氣體及炸藥,從焊接裝置上方進(jìn)行觀察研究。 對(duì)焊接過(guò)程的壓力進(jìn)行輸出,如圖3 和圖4 所示。 圖3 為起爆6 μs 后的復(fù)板壓力場(chǎng)分布圖,可以看出焊接炸藥以起爆點(diǎn)為中心傳爆,爆轟面壓力可達(dá)到3.37 GPa。 在炸藥爆炸時(shí),波陣面壓力極大,其產(chǎn)生的壓力直接作用于復(fù)板,產(chǎn)生圖中的紅色區(qū)域。 值得注意的是,爆轟波波前位置的高壓區(qū)域范圍小于波后位置。 這是因?yàn)楸鷼怏w在一定時(shí)間內(nèi)持續(xù)對(duì)復(fù)板進(jìn)行加速,造成復(fù)板波后高壓區(qū)域范圍較大。

圖3 6 μs 后的壓力場(chǎng)

圖4 為起爆20 μs 后的復(fù)板壓力場(chǎng)分布圖,可以看出復(fù)板主要受到前后兩個(gè)壓力波。 前端的高壓區(qū)域?yàn)檎ㄋ幃a(chǎn)生的爆轟波壓力造成,而后部的波為復(fù)板撞擊基板時(shí)產(chǎn)生。 可以看到,兩個(gè)壓力波間距約為50 mm。 這是因?yàn)橄噍^于炸藥爆速,爆炸焊接的復(fù)板碰撞速度更慢。 在復(fù)板從開(kāi)始啟動(dòng)到撞擊基板的時(shí)間內(nèi),炸藥已經(jīng)傳爆一段距離,其形成了壓力波的間隔。

圖4 20 μs 后的壓力場(chǎng)

為避免焊接裝置起爆端爆速不穩(wěn)定和尾端邊界效應(yīng)的影響,選擇距起爆端5 cm、9 cm、12 cm 的中間位置處設(shè)置gauges 點(diǎn)。 對(duì)觀察點(diǎn)的壓力隨時(shí)間的變化進(jìn)行輸出,如圖5 所示。 可以看出,排除起爆端和尾端邊界效應(yīng)的影響后,復(fù)板表面壓力規(guī)律相似。 3 個(gè)觀察點(diǎn)的壓力經(jīng)歷了兩次上升,其中第1 次壓力上升較小。 這是因?yàn)檎ㄋ幈óa(chǎn)生的滑移沖擊波在對(duì)復(fù)板加速時(shí),不可避免地產(chǎn)生對(duì)復(fù)板表面的壓力影響,其造成復(fù)板的壓力上升。 滑移沖擊波對(duì)復(fù)板產(chǎn)生正向壓力,復(fù)板在其中獲取部分動(dòng)能后,運(yùn)動(dòng)一定時(shí)間后撞擊基板。 從碰撞速度場(chǎng)可以看出,復(fù)板在此處具有超過(guò)471 m/s 的速度,在此高速下的基、復(fù)板碰撞將產(chǎn)生極大的壓力,因此,圖中可以看到第2 次壓力上升值較大。

圖5 碰撞壓力-時(shí)間曲線

2.1.2 碰撞速度

gauges 點(diǎn)隨時(shí)間變化的碰撞速度曲線如圖6所示。 由圖可知,復(fù)板碰撞點(diǎn)的速度峰值接近,最大峰值速度為471 m/s,并且復(fù)板各點(diǎn)處的碰撞速度及持續(xù)時(shí)間的變化規(guī)律相似,碰撞點(diǎn)速度變化趨勢(shì)均為快速增加到最大值再瞬間減小。 由圖7 可知,碰撞點(diǎn)速度變化時(shí)間持續(xù)約14 μs,在碰撞開(kāi)始至R1 階段,產(chǎn)生了一個(gè)微小的速度,這是由于在該碰撞點(diǎn)前堆積的爆轟產(chǎn)物以及基、復(fù)板的碰撞所產(chǎn)生的振動(dòng)導(dǎo)致的[15]。 在R1 ～R2 階段,碰撞點(diǎn)速度呈線性持續(xù)增加,這是復(fù)板在爆轟產(chǎn)物的作用下進(jìn)入持續(xù)的塑性變形階段。 在R2～R3 階段,R3 點(diǎn)碰撞速度達(dá)到最大。 在碰撞點(diǎn)達(dá)到R3 點(diǎn)前,碰撞速度的斜率逐漸減小。 這是因?yàn)殡S著復(fù)板運(yùn)動(dòng)距離的增加,爆轟產(chǎn)物的作用在逐漸減弱。 在R3 ～R4階段,復(fù)板與基板發(fā)生了碰撞。 在基板的阻礙作用下,復(fù)板的碰撞速度急速降低。 在R4～R5 階段,碰撞速度的斜率逐漸減小,這是在復(fù)板與基板碰撞后,在爆轟產(chǎn)物的持續(xù)作用下,復(fù)板與基板結(jié)合后有一定的殘余變形導(dǎo)致的[16]。

圖6 碰撞速度-時(shí)間曲線圖

圖7 碰撞速度-時(shí)間特征圖

2.2 動(dòng)態(tài)參數(shù)分析

結(jié)合公式分析負(fù)壓環(huán)境的焊接參數(shù),將模型的碰撞壓力和碰撞速度與理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。

2.2.1 碰撞壓力

在爆炸焊接時(shí),基、復(fù)板碰撞在界面形成高溫高壓的極端環(huán)境。 在高壓下,界面金屬產(chǎn)生塑性變形和熔化。 熔化金屬中兩種材料的金屬元素在高溫下相互擴(kuò)散,其可以在復(fù)合板結(jié)合面形成有效的冶金結(jié)合。 因此,界面需要足夠的碰撞壓力,其臨界值pmin可由下式計(jì)算[17]:

式中:vp1和vp2分別為復(fù)層金屬之間和基層金屬之間的最小碰撞速度;p1和p2為復(fù)層金屬之間和基層金屬之間的碰撞壓力;C1和C2分別為復(fù)層和基層金屬的體積聲速;ρ1和ρ2分別為復(fù)層和基層金屬的密度;σb1和σb2為復(fù)層和基層金屬的抗拉強(qiáng)度。

計(jì)算得出復(fù)合板的臨界壓力為2. 18 GPa,小于負(fù)壓環(huán)境下的11. 2 GPa。 因此,負(fù)壓環(huán)境下復(fù)合板的碰撞壓力合適。 在此壓力環(huán)境下,界面可以形成良好的結(jié)合強(qiáng)度。

2.2.2 碰撞速度

當(dāng)碰撞速度低于臨界碰撞速度時(shí),界面無(wú)法形成足夠的塑性流動(dòng),其可能導(dǎo)致結(jié)合面呈直線結(jié)合甚至出現(xiàn)脫焊現(xiàn)象。 對(duì)于臨界碰撞速度vp,min可由下式[17]計(jì)算:

根據(jù)公式,計(jì)算得出臨界碰撞速度為424.4 m/s,小于負(fù)壓環(huán)境下gauges 點(diǎn)的碰撞速度。 因此,負(fù)壓環(huán)境下的鋼/不銹鋼焊接參數(shù)設(shè)置合理。

3 結(jié)論

利用數(shù)值模擬和理論分析,開(kāi)展鋼/不銹鋼爆炸焊接參數(shù)研究,得出以下結(jié)論:

1)焊接炸藥以起爆點(diǎn)為中心傳爆后,負(fù)壓環(huán)境下的爆轟壓力可達(dá)到11.2 GPa。 因爆生氣體對(duì)復(fù)板的加速作用,爆轟波波前位置的高壓區(qū)域小于波后位置。 復(fù)板主要受到兩個(gè)壓力波的影響,前端為炸藥爆轟產(chǎn)生,后部為復(fù)板撞擊基板產(chǎn)生。

2)負(fù)壓環(huán)境下復(fù)板各點(diǎn)位置的碰撞速度變化規(guī)律一致,壓力經(jīng)歷了爆炸與撞擊產(chǎn)生的兩次壓力上升,復(fù)板在碰撞時(shí)達(dá)到最大速度。

3)理論分析可知,鋼/不銹鋼爆炸焊接的參數(shù)設(shè)置合理,可為負(fù)壓環(huán)境下的復(fù)合板焊接提供參考。