李雪交，錢敬業(yè)，畢志雄，張廷趙，代弦德，榮凱

(安徽理工大學(xué),淮南,232001)

0 序言

爆炸焊接(爆炸復(fù)合)是一種復(fù)合材料的加工技術(shù)，將炸藥爆炸反應(yīng)釋放的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為焊接材料動(dòng)能，通過高速碰撞使界面間形成焊接接頭[1].已成功實(shí)現(xiàn)數(shù)百種金屬以及非金屬的焊接，被廣泛應(yīng)用于化工設(shè)備、船舶制造及航空航天等領(lǐng)域[2-4].炸藥爆炸能量主要通過沖擊波、爆熱和爆炸產(chǎn)物動(dòng)能等形式釋放[5].爆炸產(chǎn)物會(huì)不受約束地從炸藥上部飛散，造成用于焊接的能量較低.

為提高能量利用效率、減少能量耗散，國內(nèi)外學(xué)者開展了大量研究.Lysak 等人[6]提出了一種評估爆炸焊接效率的方法，由炸藥的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為焊接接頭區(qū)域金屬塑性變形所消耗的能量效率在0.5%～ 3%之間.Yang 等人[7]提出膠體水覆蓋炸藥，通過改變膠體水厚度研究覆蓋約束對爆炸焊接參數(shù)的影響.相較于無覆蓋炸藥，膠體水厚度為15～45 mm 時(shí)，碰撞速度可提高38.9% 至71.9%.Sun等人[8]采用閉合裝藥結(jié)構(gòu)，將2 塊復(fù)合板通過一次爆炸實(shí)現(xiàn)焊接，從而提高炸藥能量利用效率、節(jié)省焊接藥量.

針對目前焊接炸藥能量利用效率低的問題，文中采用自約束結(jié)構(gòu)裝藥進(jìn)行爆炸焊接研究.通過改變裝藥結(jié)構(gòu)，利用上層高爆速炸藥爆轟約束下層低爆速炸藥爆炸產(chǎn)物的飛散，使炸藥爆炸能量更多地轉(zhuǎn)化為焊接能量，提高能量利用率.以兩種不同爆速的乳化炸藥疊放制成自約束結(jié)構(gòu)炸藥，通過ANSYS/AUTODYN 數(shù)值模擬，與兩單層結(jié)構(gòu)炸藥對比，研究雙層蜂窩結(jié)構(gòu)炸藥上層炸藥對下層炸藥產(chǎn)生的自約束效果.采用自約束結(jié)構(gòu)炸藥進(jìn)行T2/Q345 爆炸焊接，結(jié)合微觀形貌觀察與力學(xué)性能測試分析復(fù)合板的結(jié)合性能.

1 計(jì)算模型

1.1 自約束結(jié)構(gòu)炸藥

以乳化基質(zhì)為基，中空玻璃微球作為敏化劑和稀釋劑.通過改變該稀釋劑含量，制備微球含量分別為15%和25%的乳化炸藥，其相應(yīng)爆速為3 512，2 505 m/s.2 種炸藥分別作為高爆速層和低爆速層，緊密貼合制備用于爆炸焊接的自約束結(jié)構(gòu)炸藥.其利用高爆速層的爆炸為低爆速層的產(chǎn)物飛散提供約束，以此提高炸藥能量利用率.

1.2 爆炸焊接幾何模型

光滑粒子流體動(dòng)力學(xué)方法(SPH) 采用質(zhì)點(diǎn)組來描述連續(xù)體的力學(xué)行為，可避免極度大變形時(shí)造成的網(wǎng)格畸變問題，被廣泛應(yīng)用到描述爆炸、射流等連續(xù)體的力學(xué)行為問題.SPH 法的粒子數(shù)量直接影響到數(shù)值模擬的精確性，但粒子數(shù)越多，其搜索算法越耗時(shí)[9].

考慮到模擬結(jié)果的精確性和雙層炸藥粒子多次碰撞計(jì)算的復(fù)雜性，使用ANSYS/AUTODYN 2D 劃分的粒子尺寸為100 μm × 100 μm.復(fù)板材料為T2 銅，尺寸為300 mm × 3 mm.基板材料為Q345 鋼，尺寸為300 mm × 15 mm，基復(fù)層間隙5 mm.自約束結(jié)構(gòu)炸藥的高爆速層和低爆速層尺寸均為300 mm × 4 mm，自約束結(jié)構(gòu)炸藥模型及起爆點(diǎn)位置如圖1 所示.

圖1 計(jì)算模型Fig.1 Computational model

為對比模擬結(jié)果，將自約束結(jié)構(gòu)炸藥的高爆速層和低爆速層分別單獨(dú)作為焊接炸藥，建立2 組單層炸藥模型.兩模型炸藥尺寸為300 mm × 8 mm，其余模型參數(shù)不變.

1.3 材料模型和狀態(tài)方程

乳化炸藥選用Jones-Wilkins-Lee(JWL)狀態(tài)方程(EOS)，其計(jì)算式為[10]

式中：P為爆轟產(chǎn)物壓力；AJ,BJ,R1,R2和ω為材料常數(shù)；E0為初始比內(nèi)能；V為爆轟氣體產(chǎn)物的相對比容.自約束結(jié)構(gòu)炸藥的高爆速層和低爆速層具體JWL 狀態(tài)參數(shù)見表1[3,5].

表1 炸藥的JWL 狀態(tài)參數(shù)Table 1 JWL EOS parameters of explosive

基復(fù)板選用Johnson-Cook 材料模型[11]，其計(jì)算式為

式中：εP為材料的有效塑性應(yīng)變；為 材料的有效塑性應(yīng)變率；A,B,C,m和n為材料的相關(guān)常數(shù)；T*為材料的無量綱溫度；Tr為室溫；Tm為材料的熔點(diǎn).T2 銅和Q345 鋼的Johnson-Cook 材料模型參數(shù)見表2[3,5].

表2 T2 銅和Q345 鋼的Johnson-Cook 材料模型參數(shù)Table 2 Johnson-Cook model parameters of T2 copper and Q345 steel

1.4 碰撞速度

炸藥對復(fù)板的作用主要表現(xiàn)為碰撞速度，其是影響焊接效果的重要參數(shù).低于臨界碰撞速度，復(fù)合界面會(huì)因焊接能量較小無法焊接合，高于極限碰撞速度易導(dǎo)致界面因過熔化造成脫焊，通常位于兩者之間焊接質(zhì)量較好.

異種金屬臨界碰撞速度vp,min可由下式計(jì)算[3]

式中：vp1和vp2分別是基層材料之間和復(fù)層材料之間的最小碰撞速度；p1和p2是基層材料之間和復(fù)層材料之間的碰撞壓力；CV1和CV2分別是基復(fù)層的體積聲速；ρ1和ρ2分別是基復(fù)層的密度；σb1和σb2是基復(fù)層的抗拉強(qiáng)度.

李曉杰[12]提出基復(fù)層最大碰撞速度vp,max可表示為

式中：CP1和CP2分別是基復(fù)層的比熱容；α1和α2分別是基復(fù)層的熱擴(kuò)散率；δ1和δ2分別是基復(fù)層的厚度；Tmpmin是基復(fù)層材料中較低的熔點(diǎn)；tmin是反射稀疏波到復(fù)合界面的最短時(shí)間；vc,min是基復(fù)層之間的臨界碰撞點(diǎn)移動(dòng)速度；N是與基復(fù)層材料體積聲速有關(guān)的系數(shù).

2 爆炸焊接試驗(yàn)

爆炸焊接采用的復(fù)層和基層分別為T2 銅和Q345 鋼，其尺寸為300 mm × 150 mm × (15+3) mm.基復(fù)層的力學(xué)性能參數(shù)見表3.

表3 基復(fù)層的力學(xué)性能參數(shù)Table 3 Physical and mechanical properties of flyer and base plates

以乳化基質(zhì)(其組分見表4)為基，通過改變微球含量，制備2 種不同爆速的乳化炸藥.壁厚60 μm、六邊形單元邊長8 mm、高度4 mm 的蜂窩鋁板材作為裝藥藥框，將兩種乳化炸藥分別填入蜂窩板孔隙中，分別作為具有自約束功能炸藥的低爆速層與高爆速層，如圖2 所示.蜂窩鋁板材具有良好的豎向抗壓性，可保證裝藥厚度均勻.將高爆速層疊放于低爆速層上方，制備用于爆炸焊接的8 mm 厚度自約束結(jié)構(gòu)炸藥.

圖2 蜂窩結(jié)構(gòu)炸藥Fig.2 Honeycomb structure explosive

表4 乳化基質(zhì)組成(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 4 Emulsion matrix component

將T2 銅板和Q345 鋼板內(nèi)表面打磨拋光，放置在爆炸球罐基礎(chǔ)上.在復(fù)層表面涂抹一層黃油避免被高溫灼傷，再將自約束結(jié)構(gòu)炸藥作為焊接炸藥放置于復(fù)板表面.爆炸焊接裝置采用平行安裝結(jié)構(gòu)，如圖3 所示.T2/Q345 爆炸焊接后對T2/Q345 復(fù)合板進(jìn)行力學(xué)性能檢測和微觀形貌觀察.

圖3 爆炸焊接裝配圖Fig.3 Assembly drawing of explosive welding

3 結(jié)果與討論

3.1 數(shù)值模擬分析

通過自約束結(jié)構(gòu)炸藥進(jìn)行T2/Q345 爆炸焊接數(shù)值模擬，分析提高能量利用效率和減少爆炸焊接藥量原因.自約束結(jié)構(gòu)炸藥由高爆速層和低爆速層組成，總裝藥厚度為8 mm.

為對比效果，將同樣8 mm 厚度的高爆速炸藥和低爆速炸藥分別建立計(jì)算模型.輸出3 個(gè)模型的模擬結(jié)果，如圖4 所示.

圖4 3 種裝藥結(jié)構(gòu)的模擬結(jié)果Fig.4 Simulation results of three kinds of explosives.(a) self-restraint structure explosive;(b) high detonation velocity explosive;(c) low detonation velocity explosive

由圖4 可知，自約束結(jié)構(gòu)炸藥爆炸產(chǎn)物的側(cè)向飛散角為24°，小于高爆速炸藥的25°和低爆速炸藥的43°.炸藥爆炸產(chǎn)物在稀疏波的作用下發(fā)生側(cè)向飛散，其一部分碰撞復(fù)板，另一部分飛散到環(huán)境中.通常，炸藥爆速越高，其爆炸速度與產(chǎn)物飛散速度差距越大，飛散角越小[13].爆速穩(wěn)定時(shí)，炸藥的飛散角一般不變.

圖4 方框位置的爆炸產(chǎn)物粒子速度場如圖5所示.自約束結(jié)構(gòu)炸藥高爆速層的爆炸產(chǎn)物自由飛散，其速度矢量均勻向上，飛散角與單獨(dú)的高爆速層相近.但自約束結(jié)構(gòu)炸藥低爆速層爆炸產(chǎn)物的飛散受到高爆速層爆炸的約束影響，速度矢量較為雜亂，其飛散角遠(yuǎn)小于單獨(dú)的低爆速層.自約束結(jié)構(gòu)炸藥可以約束自身低爆速層爆炸產(chǎn)物的飛散，可以使爆炸能量更多地轉(zhuǎn)化為復(fù)板動(dòng)能，提高焊接炸藥的能量利用率.

圖5 3 種裝藥結(jié)構(gòu)的粒子速度Fig.5 Particle velocity of three kinds of explosives.(a)self-restraint structure explosive;(b) high detonation velocity explosive;(c) low detonation velocity explosive

為便于分析爆炸焊接過程中碰撞速度的變化規(guī)律，在3 個(gè)模型的復(fù)層焊接面間隔25 mm 選取11 個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，如圖6 所示.將表3 中的基復(fù)層材料參數(shù)代入式(4)～ 式(7)，得到T2/Q345 復(fù)合板的臨界碰撞速度345 m/s 和極限碰撞速度722 m/s.

圖6 關(guān)鍵點(diǎn)取樣示意圖Fig.6 Schematic diagram of key point sampling

通過模擬得到3 個(gè)碰撞模型的11 個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)的碰撞速度.虛線和實(shí)線分別代表T2/Q345 爆炸焊接的臨界碰撞速度和極限碰撞速度，如圖7 所示.

圖7 關(guān)鍵點(diǎn)碰撞速度Fig.7 Collision velocity of key points

由圖7 可知，在距起爆端50 mm 以內(nèi)時(shí)，自約束結(jié)構(gòu)炸藥的碰撞速度介于單獨(dú)的高爆速炸藥和低爆速炸藥碰撞速度之間.因?yàn)榫嗥鸨c(diǎn)較近時(shí)，自約束結(jié)構(gòu)炸藥的高爆速層和低爆速層爆速均較低，還未形成足夠的自約束效果.在距起爆端75 mm 之后，其碰撞速度遠(yuǎn)大于單獨(dú)的高爆速炸藥和低爆速炸藥.這是因?yàn)樽约s束炸藥的高爆速層爆轟對下層低爆速層爆炸產(chǎn)物的飛散提供了約束，使得低爆速層的炸藥能量更多地轉(zhuǎn)化為復(fù)層動(dòng)能.

單獨(dú)的高爆速炸藥和低爆速炸藥的碰撞速度在整個(gè)焊接過程中較為穩(wěn)定，最高碰撞速度分別為338，231 m/s，均未達(dá)到臨界碰撞速度345 m/s，位于T2/Q345 爆炸焊接窗口之外，難以獲得良好的焊接效果.而對于自約束結(jié)構(gòu)炸藥，其碰撞速度隨著傳播距離增加逐漸加快，距起爆端100 mm 之后均大于臨界碰撞速度，在距起爆端150 mm 處達(dá)到最大值567 m/s，此處的碰撞速度相較于單獨(dú)的高爆速炸藥和低爆速炸藥分別提高了185% 和275%.自約束結(jié)構(gòu)炸藥通過上部高爆速層的爆炸對低爆速層爆炸產(chǎn)物產(chǎn)生約束效果，提高了炸藥爆炸能量利用效率，在降低焊接藥量的同時(shí)，為T2/Q345 復(fù)合板獲得良好結(jié)合質(zhì)量提供了足夠的碰撞能量.

3.2 微觀形貌觀察

采用自約束結(jié)構(gòu)炸藥進(jìn)行T2/Q345 爆炸焊接后，為觀察復(fù)合板界面結(jié)合狀態(tài)，沿爆轟方向切割試塊，分別距起爆端50 mm 和150 mm，其微觀形貌如圖8 所示.

圖8 T2/Q345 復(fù)合板界面微觀形貌Fig.8 Microstructures at the interface of T2/Q345 clad plate.(a) close to initiation end of 50 mm;(b)away from initiation end of 150 mm

圖8a 為T2/Q345 復(fù)合板距起爆端50 mm 處結(jié)合界面微觀形貌，界面呈平直狀.數(shù)值模擬結(jié)果顯示此處的碰撞速度為209 m/s，低于T2/Q345 復(fù)合板的臨界碰撞速度345 m/s，未產(chǎn)生明顯的熔化層，但是局部區(qū)域會(huì)出現(xiàn)熔化塊(見圖8a 中白色虛線區(qū)域).界面金屬在絕熱壓縮和塑性變形熱的共同作用下產(chǎn)生強(qiáng)烈的熱效應(yīng)，導(dǎo)致界面出現(xiàn)熔化現(xiàn)象.過度熔化會(huì)影響復(fù)合板界面的結(jié)合質(zhì)量，但厚度較薄的熔化有利于增大界面結(jié)合強(qiáng)度.

圖8b 為T2/Q345 復(fù)合板距起爆端150 mm 處界面的微觀形貌，其平均波長250 μm、波幅100 μm.數(shù)值模擬結(jié)果顯示此處的碰撞速度為567 m/s，高于其臨界碰撞速度345 m/s，復(fù)合界面呈波形結(jié)合.

爆炸焊接界面主要有平直狀和波狀2 種，其中波狀界面因結(jié)合面積更大而具有更高的結(jié)合性能[14].根據(jù)Bahrani 等人[15]提出的復(fù)板流侵徹機(jī)理，當(dāng)基復(fù)層間的碰撞壓力超過動(dòng)態(tài)屈服強(qiáng)度極限時(shí)，會(huì)使金屬形成不可壓縮且無粘性的射流.金屬射流在基層上產(chǎn)生的壓陷作用導(dǎo)致界面產(chǎn)生波谷，同時(shí)被移走基層材料堆積形成波峰，從而形成波形界面.隨著傳爆距離增加，自約束結(jié)構(gòu)炸藥迅速轉(zhuǎn)為穩(wěn)定爆炸，爆炸能量轉(zhuǎn)化為基層碰撞動(dòng)能的效率也在提高，所以T2/Q345 結(jié)合界面從起始的平直狀結(jié)合變?yōu)榉€(wěn)定的波狀結(jié)合.

3.3 力學(xué)性能檢測

為測試T2/Q345 爆炸復(fù)合板的結(jié)合質(zhì)量，采用室溫拉剪試驗(yàn)進(jìn)行力學(xué)性能檢測.拉剪試件結(jié)合面積為25 mm × 3.8 mm，結(jié)構(gòu)示意圖如圖9 所示.圖10 為T2/Q345 復(fù)合板的應(yīng)力-位移曲線，T2/Q345復(fù)合板的平均最大拉伸力為22.5 kN，剪切強(qiáng)度為237.0 MPa.拉剪破壞實(shí)物如圖11 所示，可以看出斷裂發(fā)生在銅側(cè)區(qū)域，且該側(cè)發(fā)生極大塑性變形導(dǎo)致拉伸破壞，表明T2/Q345 復(fù)合板界面結(jié)合強(qiáng)度較好.

圖9 拉剪試件示意圖(mm)Fig.9 Schematic diagram of tensile-shear specimen

圖10 拉剪試驗(yàn)應(yīng)力-位移曲線Fig.10 Stress-displacement curve of tensile-shear test

為分析拉剪試件破壞后塑性變形程度，進(jìn)行顯微硬度分析(測試位置見圖11 實(shí)線)，試件拉剪前后銅側(cè)硬度變化如圖12 所示.在距結(jié)合面較近時(shí)，拉剪試件破壞后銅側(cè)硬度變化不大，說明其塑性變形程度較低.隨著與焊接面距離的增加，剪切破壞前試件的硬度逐漸下降，但破壞后試件的硬度劇烈增大.說明試件在拉剪過程中發(fā)生了較大塑性變形，產(chǎn)生加工硬化，導(dǎo)致顯微硬度上升.

圖12 破壞前后硬度變化對比Fig.12 Comparison of hardness changes before and after failure

4 結(jié)論

(1)T2/Q345 爆炸焊接數(shù)值模擬顯示自約束結(jié)構(gòu)炸藥的爆炸產(chǎn)物側(cè)向飛散角為24°，小于高爆速炸藥的25°和低爆速炸藥的43°.自約束結(jié)構(gòu)炸藥可以約束自身低爆速層的爆炸產(chǎn)物飛散，使爆炸能量更多地轉(zhuǎn)化為復(fù)板動(dòng)能，提高了焊接炸藥的能量利用率.

(2)距起爆點(diǎn)較近時(shí)炸藥爆速較低，自約束效果不明顯，但在距離起爆端75 mm 后，上部的高爆速層爆轟對下部的低爆速層爆炸產(chǎn)物的飛散提供了足夠的約束，使得下部的低爆速層炸藥能量更好地轉(zhuǎn)化為復(fù)板動(dòng)能.

(3)自約束結(jié)構(gòu)炸藥進(jìn)行T2/Q345 爆炸焊接的碰撞速度在距起爆端150 mm 處達(dá)到最大值567 m/s，此處的碰撞速度相較于單獨(dú)的高爆速炸藥和低爆速炸藥分別提高185%和275%.隨著炸藥傳播距離增加，T2/Q345 復(fù)合板界面由直線結(jié)合變?yōu)椴ㄐ谓Y(jié)合.

(4)拉剪試件破壞前，距離界面越遠(yuǎn)，銅的顯微硬度越小.而試件在拉剪破壞后，距離界面越遠(yuǎn)，塑性變形越大，加工硬化增大，使得銅的顯微硬度增加.而且T2/Q345 復(fù)合板拉剪強(qiáng)度為237.0 MPa，破壞位置位于銅一側(cè)，表明T2/Q345 界面具有良好的結(jié)合強(qiáng)度.