繆廣紅， 艾九英， 胡昱， 祁俊翔， 馬宏昊， 沈兆武

(1.安徽理工大學(xué) ，安徽 淮南 232001；2.中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)，中國(guó)科學(xué)院材料力學(xué)行為和設(shè)計(jì)重點(diǎn)試驗(yàn)室，合肥 230027)

0 前言

鉭(Ta)是在極端條件下耐腐蝕性能最好的稀有金屬材料，這一性能優(yōu)點(diǎn)使得其在對(duì)耐腐蝕性能要求高的眾多領(lǐng)域中成為不可或缺的珍貴材料。鉭金屬密度高，在工業(yè)應(yīng)用的主要障礙為高成本以及低儲(chǔ)量，鉭板與其他金屬材料的爆炸復(fù)合受到許多學(xué)者的關(guān)注，相繼進(jìn)行了Ta/鋼[1-3]，Ta/Cu[4]，Ta/Al[5]等多種材料組合的爆炸復(fù)合。眾所周知，復(fù)合板的焊接質(zhì)量取決于焊接參數(shù)的選擇，參數(shù)選擇不合理，會(huì)導(dǎo)致焊接不成功，進(jìn)而造成資源的大量浪費(fèi)。陳代果等人[6]發(fā)現(xiàn)覆板的碰撞速度越大，界面波幅值越大，且在靠近和高于焊接窗口上限時(shí)，界面處會(huì)產(chǎn)生孔洞、裂縫等缺陷。田曉東等人[7]發(fā)現(xiàn)選用低速炸藥、動(dòng)態(tài)工藝參數(shù)均在爆炸焊接窗口內(nèi)、質(zhì)量比R在0.96左右、基覆板間距為0.2倍的炸藥厚度及覆板厚度之和，獲得的焊接質(zhì)量最佳。李星昆等人[8]研究發(fā)現(xiàn)間距過(guò)大時(shí)焊接質(zhì)量會(huì)變差，然而保護(hù)氣可以提高焊接質(zhì)量。唐玉成[9]指出在一定范圍內(nèi)，爆炸速度與界面波形成正比；覆板厚度變大，界面波變細(xì)。卞超等人[10]研究發(fā)現(xiàn)炸藥是影響復(fù)合板質(zhì)量最主要因素，因?yàn)檎ㄋ幍拿芏饶苡绊懜舶逍迸鲎不宓乃俣群徒嵌龋以谂鲎步嵌纫欢ǖ那闆r下，動(dòng)態(tài)碰撞速度直接影響界面波波形參數(shù)。張蕾[11]對(duì) S41500-Q345C分別采用了平板和半圓柱兩種爆炸焊接方法，通過(guò)半圓柱試驗(yàn)法，發(fā)現(xiàn)S41500-Q345C材料形成波的速度為1 410 m/s，通過(guò)平板爆炸焊接得知波幅、波長(zhǎng)隨比壓力的增加而增加。李選明等人[12]采用半圓柱試驗(yàn)法，發(fā)現(xiàn)波幅及波長(zhǎng)的大小與炸藥量、覆板飛行距離成正比；當(dāng)覆板飛行距離一定時(shí)，界面波長(zhǎng)和波幅隨裝藥量增加，直至波幅趨于穩(wěn)定。王治平等人[13]通過(guò)半圓柱法論證了在臨界條件下，覆板材料本身的性質(zhì)決定了基覆板的臨界碰撞速度，與所選用的炸藥及其爆轟參數(shù)關(guān)系不大。張振逵等人[14]利用半圓柱法指出確定合理焊接參數(shù)時(shí)需考慮覆板最低動(dòng)能和最低覆板速度，且用半圓柱方法可以預(yù)測(cè)平板的焊接參數(shù)。王小緒等人[15]研究表明當(dāng)碰撞速度為 648 m/s，碰撞角為16.1°時(shí)，鈦鋼復(fù)合板界面波開(kāi)始生成，且界面波波長(zhǎng)和波高與碰撞速度和碰撞角呈正相關(guān)。

焊接參數(shù)的選取決定了焊接質(zhì)量的優(yōu)劣，界面波形是評(píng)判焊接質(zhì)量的一個(gè)重要指標(biāo)。鉭金屬存量少且性能優(yōu)，若通過(guò)實(shí)際試驗(yàn)尋找鉭金屬與其它金屬?gòu)?fù)合的最佳焊接參數(shù)，會(huì)造成資源浪費(fèi)。數(shù)值模擬的出現(xiàn)可以解決這一難題。上述對(duì)爆炸焊接參數(shù)工藝的研究中，雖說(shuō)是研究某一參數(shù)對(duì)焊接質(zhì)量的影響，但是變量卻不單一，都會(huì)由于間隙不同導(dǎo)致碰撞角存在不同[10-15]。文中通過(guò)控制單參數(shù)變化，分別對(duì)同種組合的復(fù)合板采用 SPH 法建立爆炸焊接二維數(shù)值模擬，分析碰撞角以及碰撞速度變化對(duì)界面波形產(chǎn)生的影響，以便在實(shí)際生產(chǎn)中提供一定的參考。

1 模型和參數(shù)選取

1.1 計(jì)算模型

借助ANSYS軟件采用無(wú)網(wǎng)格的SPH(Smoothed particle hydrodynamics)方法建立二維數(shù)值模擬計(jì)算模型，基于文獻(xiàn)[16]的基礎(chǔ)建立如圖1所示模型，其中基板為3 mm的SUS304不銹鋼，覆板為3 mm鉭板并設(shè)置，不同碰撞傾角以及碰撞速度。碰撞能量來(lái)源于 ANFO-A炸藥，密度約為 0.53 g/cm3，模型中單位制為cm-g-μs。在爆炸焊接過(guò)程中間隙不變、控制單參數(shù)變化(控制變量碰撞角或者碰撞速度)來(lái)研究參數(shù)對(duì)界面波形尺寸的影響。

圖1 鉭/SUS304不銹鋼爆炸焊二維平面模型

1.2 模型參數(shù)選取

基于文獻(xiàn)[16]設(shè)計(jì)了數(shù)值模擬情況，見(jiàn)表1。數(shù)值模擬計(jì)算中，金屬材料的參數(shù)已經(jīng)趨于完善，其合理性在實(shí)踐中已得到有效證明。爆炸焊接中基覆板的參數(shù)計(jì)算采用Mie-Gruneisen[17]狀態(tài)方程與Johnson-Cook材料模型[18]相結(jié)合的方法被廣泛接受，其中Johnson-Cook材料模型的表達(dá)式如下:

表1 模擬情況

(1)

表2 鉭和304不銹鋼的Johnson-Cook模型參數(shù)

2 模擬結(jié)果與分析

2.1 模擬結(jié)果

表1中的試驗(yàn)情況均是在控制單參數(shù)變化的情況下進(jìn)行的，不存在由于碰撞過(guò)程中造成碰撞角角度變化而導(dǎo)致模擬結(jié)果有誤差。圖2～圖4為碰撞速度633m/s，碰撞角為分別為12.2°，14.1°，16.4° 的界面波形圖，圖5為角度14.1°，碰撞速度735 m/s界面波形圖。

圖2 碰撞速度633 m/s，碰撞角12.2°界面波形圖

圖4 碰撞速度633 m/s，碰撞角16.4°界面波形圖

圖5 碰撞速度735 m/s，碰撞角14.1°界面波形圖

2.2 模擬分析

輸出模擬界面處的波形圖，未觀察到孔洞，裂紋；測(cè)量界面波的波長(zhǎng)以及波幅發(fā)現(xiàn)，碰撞角12.2°的復(fù)合界面處波長(zhǎng)為770 μm，波幅為300 μm，比波長(zhǎng)為2.57；板碰撞角為14.1°的復(fù)合界面處波長(zhǎng)1 630 μm，波幅為515 μm，比波長(zhǎng)為3.16；碰撞角16.4°的復(fù)合界面處波長(zhǎng)為1 890 μm，波幅為575 μm；比波長(zhǎng)為3.29。在其它焊接參數(shù)不變的情況下，不同的碰撞角β對(duì)應(yīng)著不同的波長(zhǎng)和波幅，但波形變化不大，且比波長(zhǎng)隨著β的增大而增大[19]。波形的變化趨勢(shì)與碰撞角的變化趨勢(shì)相一致；波形尺寸和碰撞角之間存在一定的比例關(guān)系，在其它焊接參數(shù)不變的情況下，比波長(zhǎng)與sin2β成正比。在碰撞過(guò)程中界面能量的耗散對(duì)爆炸焊接的效果至關(guān)重要，碰撞時(shí)動(dòng)能損失(ΔEk)由式(2)表示[16]。

(2)

式中：mC為基板單位面積的質(zhì)量;mD為覆板單位面積的質(zhì)量;vp為覆板碰撞速度。

覆板設(shè)傾角為14.1°，由表1中第2組和第4組數(shù)值模擬知，覆板的碰撞速度分別為633,735 m/s，將各自速度帶入式(2)中，計(jì)算出動(dòng)能損失為2 053,2 766 kJ/m2，利用后處理器輸出兩碰撞速度的波狀圖(圖3和圖5)，測(cè)量界面波長(zhǎng)和波幅，在碰撞角均為14.1°時(shí)，碰撞速度為633 m/s的界面處波長(zhǎng)為1 630 μm，波幅為515 μm；碰撞速度為735 m/s時(shí)的復(fù)合界面處波長(zhǎng)為1 880 μm,波幅770 μm。文獻(xiàn)[16]中鈦/304不銹鋼的結(jié)合界面處金相組織如圖6所示，將模擬得到的鉭/304不銹鋼的界面處波長(zhǎng)和波幅與文獻(xiàn)[16]中鈦/304不銹鋼的界面金相圖進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)兩者界面波的波形與速度的關(guān)系具有一致性，即波長(zhǎng)和波幅的大小與碰撞速度呈正相關(guān)。其原因?yàn)榛舶迮鲎驳乃俣仍黾樱沟脛?dòng)能損失增加，波長(zhǎng)和波幅也隨之增加。

圖3 碰撞速度633 m/s，碰撞角14.1°界面波形圖

選取1個(gè)完整周期里的所有波形粒子，利用后處理器輸出粒子碰撞過(guò)程中的壓力-時(shí)間曲線圖。在輸出的所有的壓力-時(shí)間曲線圖中，挑選出最大的壓力曲線圖，如圖7所示。

圖7 壓力-時(shí)間曲線圖

觀察圖7，碰撞點(diǎn)達(dá)到7.70 GPa的高壓，遠(yuǎn)高于基覆板材料的屈服強(qiáng)度，在遠(yuǎn)離碰撞點(diǎn)時(shí)，壓力逐漸下降。爆炸焊接具有瞬時(shí)性，碰撞過(guò)程中高壓必然導(dǎo)致界面處溫度驟升，但溫度來(lái)不及釋放至空氣中，界面處溫度便瞬間達(dá)到金屬的熔點(diǎn)，使得2種焊接材料的界面在焊接過(guò)程中可能表現(xiàn)為類流體行為。類流體行為以及特定的圓形運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生強(qiáng)烈的塑性變形，由于2種金屬的延展性不同，在界面處表現(xiàn)出不同的彎曲情況，如圖8所示?？汕逦^察到鋼側(cè)發(fā)生強(qiáng)烈彎曲，并存在解理斷裂，這一事實(shí)證實(shí)了數(shù)值模擬的結(jié)果，即渦邊界附近的部分母材脫離并進(jìn)入渦中，隨后發(fā)生強(qiáng)烈的攪拌和混合。

圖8 界面處波形情況

3 結(jié)論

(1)不同的焊接參數(shù)對(duì)應(yīng)不同的界面狀態(tài)，不同的界面狀態(tài)，有不同的焊接質(zhì)量。

(2)波形尺寸和碰撞角之間存在一定的比例關(guān)系，在其它焊接參數(shù)不變的情況下，比波長(zhǎng)與sin2β成正比；覆板碰撞速度越大，碰撞過(guò)程中損失的動(dòng)能就越多，波長(zhǎng)和波幅隨之變大；速度水平方向的分量決定波長(zhǎng)數(shù)值的大小，速度豎直方向的分量決定波幅數(shù)值的大小。

(3)在鉭/304不銹鋼界面處觀測(cè)到鋼在爆轟過(guò)程中被拉長(zhǎng),且在渦旋處強(qiáng)烈彎曲，在結(jié)合界面處和界面附近的鋼側(cè)均發(fā)現(xiàn)了明顯的解理斷裂特征。