高速沖擊連接技術(shù)的研究進展

杜 飛 王新云 鄧 磊 夏巨諶 金俊松

華中科技大學(xué)材料成形與模具技術(shù)國家重點實驗室，武漢，430074

1 高速沖擊連接技術(shù)的發(fā)展進程

隨著航空、航天、船舶、汽車、電子等現(xiàn)代制造工業(yè)的飛速發(fā)展，構(gòu)件不僅要有優(yōu)良的力學(xué)性能，還要滿足導(dǎo)熱性、導(dǎo)電性、耐磨性、耐腐蝕性等方面的要求。與此同時，結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計在現(xiàn)代工業(yè)中已經(jīng)成為一種必然趨勢，將不同性能的材料進行連接復(fù)合是實現(xiàn)這一要求的有效途徑，如在飛機機翼中，將鈦合金外殼連接在鋁合金蜂窩結(jié)構(gòu)上。因不同材料間的熔點、熱膨脹系數(shù)等物理化學(xué)性能差異大，傳統(tǒng)熔化焊難以實現(xiàn)上述材料的連接或者連接強度較低[1]。擴散焊、摩擦焊等固態(tài)焊能夠有效地解決這個問題，但擴散焊的時間較長，接頭質(zhì)量不穩(wěn)定，摩擦焊接頭表面質(zhì)量差，需要后續(xù)處理。高速沖擊連接(high velocity impact welding，HVIW)技術(shù)作為固態(tài)焊的一種，連接效率高，能夠極大地減小結(jié)合區(qū)域內(nèi)熱影響區(qū)和連續(xù)的金屬間化合物的形成，接頭強度高[2-3]，是實現(xiàn)上述材料連接的一種較好方式。

目前，HVIW包括爆炸連接(explosive welding，EXW)、電磁脈沖連接(magnetic pulse welding，MPW)、激光沖擊連接(laser impact welding，LIW)和汽爆連接(vaporizing foil actuator welding，VFAW)。圖1展示了四種沖擊連接技術(shù)的大致發(fā)展進程。EXW技術(shù)由美國人CARL于1944年提出，1957年P(guān)HILIPCHUK首次將爆炸復(fù)合技術(shù)引入實際工程應(yīng)用。在20世紀(jì)60年代初期，英國、蘇聯(lián)、聯(lián)邦德國、捷克、日本等國也相繼開展了爆炸連接技術(shù)和理論的研究，使該項技術(shù)日趨成熟。同時期，國內(nèi)學(xué)者也開始從事爆炸連接研究，1968年在大連造船廠成功試制了國內(nèi)第一塊爆炸復(fù)合板。EXW作為研究最早、最成熟的沖擊連接技術(shù)，已經(jīng)實現(xiàn)了200多種材料組合的焊接，并在許多企業(yè)里得到了應(yīng)用，如美國DMC公司、日本旭化成株式會社等，寶鈦集團、西安天力金屬復(fù)合材料有限公司等[4-5]。MPW技術(shù)于20世紀(jì)70年代初起源于核能項目的研究，用于焊接核燃料棒的頂蓋，國內(nèi)在80年代開展了相關(guān)研究和探索。由于MPW設(shè)備發(fā)展緩慢和成本昂貴，所以MPW技術(shù)沒有像EXW那樣快速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，但進入21世紀(jì)，特別是近10年，隨著汽車、軌道交通、核電、航天航空、家用電器等行業(yè)的迅猛發(fā)展以及MPW設(shè)備的進步，該技術(shù)再次引起了學(xué)者和企業(yè)的關(guān)注，目前以色列Pulsar公司、德國PST集團、美國Dana公司等企業(yè)在MPW領(lǐng)域的發(fā)展處于領(lǐng)先地位[6]，而國內(nèi)的研究集中在部分高校院所和少數(shù)企業(yè)如重慶普爾薩科技有限公司等，且應(yīng)用較少。LIW技術(shù)由江蘇大學(xué)[7]和美國俄亥俄州立大學(xué)[8]分別于2008年和2009年申請了相關(guān)專利，目前主要有上述兩所高校對LIW進行了相關(guān)探索，尚處于實驗室研究階段。VFAW技術(shù)由美國俄亥俄州立大學(xué)[9]在2013年提出，并引起了廣泛關(guān)注。

近年來中，國內(nèi)外學(xué)者對HVIW開展了大量有價值的研究，極大地推動了這項技術(shù)的發(fā)展。本文對HVIW技術(shù)進行了綜合評述，并對未來可能的研究趨勢進行了展望，以促進該技術(shù)的發(fā)展。

圖1 四種沖擊連接技術(shù)的發(fā)展進程

2 HVIW基本原理及特征

2.1 基本原理

HVIW是將高能量密度的場能或高能束作為外界輸入能量，通過能場與物質(zhì)的相互作用驅(qū)動材料(飛板)發(fā)生高速移動，與另一材料(基板)成一定角度發(fā)生高速傾斜碰撞，并在撞擊點處形成射流，射流去除了兩待連接面的氧化層等雜質(zhì)，兩個潔凈表面在高壓的作用下形成冶金結(jié)合。在HVIW過程中飛板速度達到幾百米每秒，撞擊點處沖擊壓力可以達到GPa級。通常會在兩種材料中選用塑性好的材料作為飛板。如圖2所示，在HVIW中有兩個重要的特征[10]：①射流，在兩種金屬高速碰撞過程中，相互復(fù)合的表面在撞擊點處高速噴出一股薄層金屬材料；②波形界面，在結(jié)合區(qū)域內(nèi)會出現(xiàn)波浪形的界面形貌。

圖2 射流和波形界面示意圖

圖3為四種工藝的原理圖。EXW基本原理是：炸藥(通常幾厘米厚)由引爆點向周圍持續(xù)爆炸，產(chǎn)生連續(xù)的壓力驅(qū)動飛板與基板發(fā)生傾斜撞擊[4]，如圖3a所示。MPW基本原理是：電容器瞬時放電，高壓脈沖電流經(jīng)線圈產(chǎn)生瞬變電磁場，使導(dǎo)磁飛板內(nèi)激發(fā)渦流，飛板在線圈產(chǎn)生的磁場內(nèi)受到強大的洛倫茲力，從而向基板高速移動[6]，如圖3b所示。LIW基本原理是：脈沖激光束透過約束層照射在吸收層，吸收層被燒蝕蒸發(fā)后形成高溫高壓等離子體，等離子體脈沖在約束層下驅(qū)動飛板局部彎曲變形并高速飛行，與工件高速碰撞實現(xiàn)點狀的冶金結(jié)合[8]，如圖3c所示。VFAW所用的設(shè)備與MPW基本相同，不同的是用鋁箔汽化代替線圈驅(qū)動飛板，其原理是，薄的鋁箔在高強度電流通過后迅速蒸發(fā)從而提供飛板驅(qū)動力，如圖3d所示。鋁箔是每個工藝周期的消耗品，可以輕松更換[9]。

(a)EXW

2.2 工藝過程及應(yīng)用范圍

HVIW可以分為兩個過程，第一個過程為高能場驅(qū)動飛板高速移動，其四種工藝的驅(qū)動方式不同；第二個過程是飛板高速撞擊基板實現(xiàn)連接，四種工藝有相同的連接機理。其中EXW是由炸藥連續(xù)爆炸提供飛板持續(xù)的驅(qū)動力，飛板在撞擊過程中的沖擊角度和速度變化不大。而在MPW、LIW、VFAW中，則是脈沖力驅(qū)動飛板局部區(qū)域進行移動，再由局部區(qū)域帶動周圍金屬向基板整體飛行。

在目前MPW、LIW、VFAW的研究中，飛板與基板常采用平行方式放置，撞擊時局部區(qū)域與基板的碰撞角度幾乎為零[11-13]，如圖4所示，并且在周圍金屬的后續(xù)撞擊中，撞擊速度和角度都不是恒定的[14]。這種沖擊過程中不斷變化的碰撞速度和角度很難獲得均勻連接質(zhì)量，這是飛板與基板的放置工況造成的，可以通過調(diào)整連接件間的幾何結(jié)構(gòu)或工藝參數(shù)來解決這個問題。

圖4 平行式脈沖連接過程

由于在驅(qū)動方式上的差異，四種工藝也有各自的特點及應(yīng)用范圍。EXW工藝以廉價的炸藥為能源，非常適合尺寸為米級的大平面構(gòu)件，如圖5a所示[15]。EXW不需要專用的設(shè)備、廠房，相對于其他工藝，具有成本低的特點。然而，由于炸藥的運輸和儲存的限制，會造成聲污染以及難以實現(xiàn)自動化的顯著缺陷[3]，使EXW難以得到更廣泛的應(yīng)用。此外，EXW在制備復(fù)合板中，會出現(xiàn)厚度不均及邊界開裂的現(xiàn)象，如果工件質(zhì)量要求較高，則還需要后續(xù)加工[16]。MPW因設(shè)備限制了能量的存儲，典型的應(yīng)用尺寸為毫米至厘米。圖5b所示為MPW和熔化極氣體保護焊接(melt inert-gas welding，MIG)制造的汽車空調(diào)蓄能器[17]，MPW有較好的美觀性。此外，MPW可以在電源控制的生產(chǎn)環(huán)境中安全且可重復(fù)地使用，并能對參數(shù)進行精確調(diào)節(jié)，便于實現(xiàn)自動化生產(chǎn)。但是，線圈在放電過程中承受著高電壓、高溫以及與工件相同的磁壓力，所以MPW面臨的主要問題是線圈壽命短，并且要求飛板具有良好的導(dǎo)電性能[6]。圖5c所示為VFAW的點焊接頭[18]。VFAW的適用范圍與MPW相同，但在相同的設(shè)備和沖擊參數(shù)下，VFAW大約是MPW中飛板沖擊速度的三倍(圖6，圖中D為飛板在驅(qū)動力作用下的飛行距離)，并且鋁箔是一次性低成本的消耗品，沒有工具壽命問題，也不要求飛板是良好的電導(dǎo)體；但鋁箔在加工過程中容易產(chǎn)生切割缺陷，使得VFAW試驗的重復(fù)性不如MPW，圖6中VFAW的飛板速度偏差高達25%[19]。LIW可以實現(xiàn)直徑為毫米級的點狀焊縫，圖5d所示為鋁片/鋁板結(jié)合的直徑約為3 mm的連接點[12]。LIW僅適用于較小的尺度的連接，并且不依賴于飛板的導(dǎo)電性，這使得該方法非常適合制造和組裝微型器件，例如微機電系統(tǒng)[20]。四種工藝有各自的優(yōu)勢和局限，并且應(yīng)用范圍不盡相同，在實際應(yīng)用中不同的沖擊焊接工藝可以相互補充，不存在一種工藝可以完全替代其他工藝。

3 HVIW連接機理及關(guān)鍵技術(shù)分析

3.1 連接機理及界面組織

HVIW是一個多學(xué)科交叉的研究領(lǐng)域，涉及高速和高壓下的碰撞動力學(xué)以及金屬在高應(yīng)變率和高溫下的瞬態(tài)流體熱機械行為?，F(xiàn)在一般認(rèn)為EXW是集擴散焊、壓力焊和熔化焊于一身，依靠界面金屬的塑性變形、熔化和原子間的相互擴散而實現(xiàn)金屬材料的復(fù)合[16]。板材撞擊過程中發(fā)生劇烈的塑性變形，短時間內(nèi)產(chǎn)生大量的熱量，并形成非常高的壓力，使得金屬發(fā)生固體擴散[21]；同時，由于撞擊時間極短，塑性功轉(zhuǎn)化的熱量來不及散失，可能會造成局部溫度急劇升高至金屬熔點以上，從而導(dǎo)致界面兩側(cè)金屬熔化實現(xiàn)復(fù)合[22]?？梢钥闯觯瑳_擊連接的作用因素多且連接機理復(fù)雜。研究人員對連接機理的認(rèn)識與研究材料和條件有關(guān)，因此，連接機理至今一直存在爭議，也一直是該領(lǐng)域的研究熱點。

(a)EXW[15]

圖6 VFAW和MPW在一定距離和能量下的飛行速度[19]

圖7 AA6061/AZ31B連接界面EBSD圖[15]

沖擊連接過程中，界面處金屬在熱力條件下發(fā)生顯著的組織變化，包括晶粒的拉長、細化以及孿晶結(jié)構(gòu)等[15,23-24]。ZHANG等[15]在EXW下AA6061/AZ31B復(fù)合板的研究中發(fā)現(xiàn)，由于AZ31B板的傳熱系數(shù)小，相對AA6061更容易發(fā)生熱量的積累，在AZ31B板界面處的基體中形成了絕熱剪切帶(adiabatic shear bands，ASBs)，并在ASBs中發(fā)現(xiàn)了沿應(yīng)力波分布的細小等軸晶，如圖7所示。一般認(rèn)為這些等軸晶粒是動態(tài)再結(jié)晶的產(chǎn)物[15]。此外，當(dāng)轉(zhuǎn)化的熱量造成的溫升過高，使界面金屬發(fā)生熔化時，會在界面處形成中間層[25]。中間層是異于基體的組織結(jié)構(gòu)，寬度通常為200 μm或更小。RAOELISON等[26]研究MPW中Al/Cu管狀構(gòu)件的界面特性發(fā)現(xiàn)，由于界面處的熔化、高速冷卻、空化和凝固收縮，在界面處形成了非晶態(tài)中間層，并且中間層上隨機分布著孔和裂紋。另外，ZHANG等[24]在Cu/Fe界面之間觀察到了納米晶中間層。這是因為在中間層中，部分Fe和Cu原子可能以原子團簇的形式存在，在晶界起釘扎作用，阻礙了晶粒的生長，因此使Cu晶粒和Fe晶粒在50～60 nm范圍內(nèi)所占比例最高。還有學(xué)者認(rèn)為局部界面熔化時金屬間化合物的形成是不可避免的[27],但可以通過改變工藝參數(shù)有效控制金屬間化合物的范圍、結(jié)構(gòu)以及沿界面的排列，為了限制其對接頭力學(xué)性能的不利影響，形成的金屬間化合物的厚度不應(yīng)超過5 μm，因為在這個臨界厚度以上，金屬間化合物容易開裂和剝落。

材料在高速沖擊的過程中變形時間極短，絕大部分的塑性功轉(zhuǎn)化為熱量并且來不及散失，累積的熱量會造成局部的溫升，這使得不同金屬的組織狀態(tài)發(fā)生顯著變化，而溫升能否使界面處發(fā)生熔化，目前的研究有著不同的看法。熔化區(qū)通常會伴隨著空洞、裂紋和金屬間化合物的形成[28]，它們會作為不連續(xù)和應(yīng)力集中點從而導(dǎo)致機械性能的降低。但根據(jù)實驗結(jié)果并從斷裂力學(xué)的角度看，少量的、不連續(xù)的金屬間化合物應(yīng)是無害的[13]。

3.2 波形界面及射流

HVIW結(jié)合界面的形態(tài)有三種：平直界面、波形界面和熔化界面[29-30]，這三種界面形態(tài)的產(chǎn)生是由碰撞角、碰撞速度等工藝參數(shù)決定的。其中波形界面是HVIW的顯著特征，當(dāng)飛板的撞擊條件合適時，就能觀察到這種具有振幅和波長的獨特特征[2]，如圖8所示，這與熔焊、釬焊的平直型結(jié)合界面形成鮮明對比。由分析可知MPW、LIW和VFAW在撞擊過程中的撞擊角和速度是變化的，因此在撞擊條件合適的區(qū)域會觀察到變化的波形界面[11]，如圖9所示。

(a)EXW

焊接界面中心位置焊接界面

波形界面的形成機制引起了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注，但至今仍沒有統(tǒng)一的解釋。需要注意的是，四種沖擊連接工藝只是驅(qū)動力的來源不同，其成波機制是一致的。以研究最成熟的EXW為例，目前主要有四類經(jīng)典的理論機制。第一類為射流壓痕機制，BAHRANI等[31]通過Ni/Cu的EXW實驗指出，碰撞點前波狀結(jié)合是由飛板形成的射流對基板的高壓侵徹以及基板與射流間的剪切作用形成的。第二類為應(yīng)力波機制，EI-SOBKY等[32]根據(jù)流體類比指出，波形是持續(xù)碰撞時產(chǎn)生的壓縮應(yīng)力波在基板與復(fù)板中連續(xù)的傳播和反射導(dǎo)致結(jié)合界面失穩(wěn)造成的。第三類為渦流脫落機制，COWAN等[33]發(fā)現(xiàn)EXW中波形界面的產(chǎn)生與障礙物周圍的流體流動所形成的規(guī)則渦流存在相似性。隨后，KOWALICK等[34]和CARTON[35]研究了這一觀點，認(rèn)為波形界面的產(chǎn)生與黏性流體繞障礙物流動的卡門渦街有關(guān)。第四類為基于界面附近高應(yīng)變率金屬流的開爾文-赫爾姆霍茲(Kelvin-Helmholtz，K-H)剪切不穩(wěn)定性，HUNT[36]和WILSON等[37]提出在極高壓下，再入射流與基板之間的界面表現(xiàn)為K-H不穩(wěn)定性的流體界面。由于沖擊連接過程的復(fù)雜性和瞬時性，這四類關(guān)于波形的理論均有其合理性和局限性，波形界面的形成機理仍需要進一步探索。

在飛板撞擊基板前，金屬表面覆蓋著氧化層等雜質(zhì)，這會阻礙金屬鍵連接的形成。當(dāng)兩塊金屬材料在一個適當(dāng)沖擊角度下高速碰撞時會產(chǎn)生射流，數(shù)值模擬研究發(fā)現(xiàn)，射流以幾千米每秒的速度向外噴射[38]，能去除金屬表面的氧化物和雜質(zhì)，形成了兩個清潔的結(jié)合表面[39]。由于作用力有限，對較厚的雜質(zhì)層難以清理完全，焊接前需適當(dāng)?shù)赜蒙凹埓蚰ゴB接表面，并用丙酮清洗。在MPW、LIW和VFAW研究中，線圈、激光和鋁箔垂直對應(yīng)的局部區(qū)域內(nèi)，撞擊角度為零，沒有形成射流，待連接的界面不夠光潔，最終難以形成連接，而且還會導(dǎo)致有效區(qū)域表面的回彈[12]。需要注意的是，這個沒實現(xiàn)連接的界面與三種結(jié)合界面形態(tài)中的平直界面沒有關(guān)系。

波形界面和射流作為HVIW的重要特征，學(xué)者們對其與焊縫強度的關(guān)系進行了分析。首先，關(guān)于波形界面和焊縫強度之間的關(guān)系有著相反的報道，UHLMANN等[40]認(rèn)為波形界面是高強度連接的前提條件。GOBEL等[27]卻指出，平直界面也可以獲得高焊接質(zhì)量。不過，目前的研究普遍認(rèn)為，射流是形成連接的重要條件[39]，而波形界面的形成是高強度連接的象征。

3.3 力學(xué)性能

與一般的焊接接頭通常在焊縫處失效不同，目前研究表明，在良好HVIW接頭中，連接區(qū)強度優(yōu)于連接件中較弱的基體。KAPIL等[18]研究了VFAW的點焊接頭的力學(xué)性能和疲勞性能，并與電阻點焊(resistance spot welding，RSW)進行了比較，結(jié)果表明，在成功連接的前提下，VFAW所需的輸入能量比RSW少很多，而接頭強度和能量吸收均較RSW接頭有所提高。這種高的接頭強度是HVIW得以推廣的基礎(chǔ)。在HVIW中，根據(jù)待測試樣的形狀可分為平板件和管類件，兩類試樣的接頭強度均可通過拉伸剪切試驗和剝離試驗測量評估，而管類件還可以采用扭轉(zhuǎn)試驗、泄漏試驗、破裂測試[41]等評估接頭的連接強度。此外，顯微硬度或納米壓痕試驗也常被用來研究界面組織的變化特征。

HVIW的力學(xué)性能一直是學(xué)者們關(guān)注的焦點之一。在MPW連接的Al/鋼管接頭單向拉伸試驗中，YU等[42]發(fā)現(xiàn)在鋼管接頭處留下了鋁屑，說明接頭具有比基體更高的強度。同樣地，CHEN等[13]在VFAW連接的Al/Ti的剪切試驗中也觀察到了殘余鋁附著在鈦表面，表明VFAW下Ti/Al接頭具有良好的結(jié)合強度。有脆硬相的中間層產(chǎn)生時，會在很大程度上影響接頭的連接強度。RAOELISON等[26]對MPW下Al/Al管和Al/Cu管的剪切斷口形貌進行了觀察，由于Al/Cu管界面處有非晶相的形成，導(dǎo)致接頭處發(fā)生了脆性斷裂，而在無中間層產(chǎn)生的Al/Al管接頭處，發(fā)生了塑性變形和韌性斷裂。VIVEK等[23]的研究認(rèn)為，連續(xù)的金屬間化合物層的危害比局部少量的金屬間化合物大。當(dāng)試樣發(fā)生變形時，裂紋會沿著連續(xù)金屬間化合物層進行延伸，而在少量的金屬間化合物的情況下，裂紋會遇到波形界面，使裂紋的擴展受阻，從而提高了焊縫的韌性。

在沖擊過程中界面處會發(fā)生劇烈的塑性變形，加工硬化會導(dǎo)致接頭界面兩側(cè)的顯微硬度出現(xiàn)略微升高的現(xiàn)象[12-13]。同時，新相的形成和組織狀態(tài)的變化也會對硬度產(chǎn)生較大的影響，ZHANG等[15]的研究表明，由于再結(jié)晶晶粒的產(chǎn)生，變形區(qū)域內(nèi)，絕熱剪切帶的硬度高于其周圍的硬度。此外，當(dāng)有中間層產(chǎn)生時，因為中間層包含金屬間化合物、非晶態(tài)的脆硬相以及納米晶等，其硬度通常比基體和界面變形區(qū)都要高[24,26-27]。但在HVIW中變形區(qū)和中間層的范圍較小，硬度通常在幾百微米或幾毫米的區(qū)域內(nèi)升高，而在傳統(tǒng)的熔化焊中，熱影響區(qū)在幾個毫米以上，使界面處發(fā)生大范圍的組織變化，從而導(dǎo)致界面附近大范圍區(qū)域的硬度發(fā)生波動。圖10所示為鋼/鋼和AL6061-T6/AL6061-T6的VFAW和RSW接頭界面的顯微硬度。由于沖擊連接的硬度變化范圍小，顯微硬度下VFAW的試樣無明顯變化。但在RSW中，受熱影響區(qū)的影響，鋼的接頭處形成的馬氏體組織導(dǎo)致了硬度的升高，而在鋁合金接頭處的析出相的回溶導(dǎo)致了硬度的降低，表明了RSW焊縫大范圍內(nèi)組織的不均勻性[18]。

(a)鋼/鋼接頭

界面組織的變化會影響力學(xué)性能的變化，在HVIW中良好的接頭具有比基體高的強度，但當(dāng)界面處有連續(xù)金屬間化合物等脆硬相存在時，會給力學(xué)性能帶來不利影響，在實際生產(chǎn)中應(yīng)盡量避免[43]。此外，結(jié)合強度與波形參數(shù)有直接關(guān)系，即隨著結(jié)合區(qū)波形的增大(包括波長和波幅增大)，在一定范圍內(nèi)材料間的結(jié)合強度增加。而在不同的工藝參數(shù)下，結(jié)合區(qū)可產(chǎn)生不同的波形參數(shù)，因此可以通過控制焊接工藝來優(yōu)化波形參數(shù)。另外，需要注意的是，HVIW中也會出現(xiàn)殘余應(yīng)力，這種殘余應(yīng)力主要是塑形變形不均勻造成的。而四種沖擊連接工藝在材料變形過程和連接機理上是一致的，因此殘余應(yīng)力的分布規(guī)律是相同的。已有的EXW殘余應(yīng)力研究通常認(rèn)為殘余應(yīng)力與材料種類、組織狀態(tài)、沖擊角度、沖擊速度等因素有關(guān)[16]。

3.4 工藝窗口

HVIW的工藝參數(shù)多，對連接質(zhì)量的影響復(fù)雜，因此選擇合理的工藝參數(shù)是實現(xiàn)良好結(jié)合質(zhì)量的關(guān)鍵。HVIW的工藝參數(shù)包括飛板/基板質(zhì)量比、飛板/基板間距，炸藥類型(EXW)、放電能量(MPW)、光斑直徑(LIW)、鋁箔厚度(VFAW)等。此外，在沖擊連接過程中還涉及到結(jié)合區(qū)參數(shù)和動態(tài)參數(shù)。結(jié)合區(qū)參數(shù)和動態(tài)參數(shù)是隨著工藝參數(shù)變化的，屬于結(jié)果和中間參數(shù)。其中結(jié)合參數(shù)主要包括波形界面的波長、波幅等；動態(tài)參數(shù)主要有碰撞角β、飛板速度vp和碰撞速度vc，如圖2a所示，3個動態(tài)參數(shù)間任意兩個參數(shù)相互獨立，幾何關(guān)系如下：

目前的研究表明,只要動態(tài)參數(shù)在最佳范圍內(nèi)就能實現(xiàn)給定金屬間的沖擊連接。ZHANG等[3]指出，當(dāng)飛板速度vp在150～1 500 m/s的范圍內(nèi)，碰撞角在5°～20°之間時，通?？梢垣@得良好的連接質(zhì)量。此外，動態(tài)參數(shù)范圍可以用工藝窗口的形式顯示出來，這對工藝參數(shù)的選擇具有指導(dǎo)意義。MOUSAVI等[44]推導(dǎo)了CP-Ti和AISI 304不銹鋼的爆炸連接工藝窗口，如圖11所示。圖中顯示了所有可能的結(jié)果，陰影區(qū)域表示形成無熔化區(qū)波狀界面的邊界參數(shù)。需要注意的是，工藝窗口僅指示在給定的一組輸入?yún)?shù)下是否存在良好的連接區(qū)，并不能量化連接強度。

圖11 爆炸連接工藝窗口[44]

圖11中的工藝窗口主要由四個邊界組成。左邊界ee定義了從平直界面到波形界面的轉(zhuǎn)換條件，COWAN等[33]將波形的形成描述為類似障礙物后面的流體流動，引入了雷諾數(shù)來預(yù)測層流到湍流的轉(zhuǎn)換，但該公式只取決于碰撞速度vc，并未考慮到碰撞角β。因此，其他研究者[21,45]提出了從平直界面向波形界面轉(zhuǎn)換的動態(tài)塑性準(zhǔn)則，這對描述材料在碰撞點的行為和波動特性具有重要意義。圖11中的aa線代表vc的上限，WALSH等[46]指出vc應(yīng)小于連接材料的聲速cb，但WYLIE等[47]認(rèn)為vc應(yīng)小于1.25cb。右邊界bb對應(yīng)于碰撞點形成射流的臨界速度，ABRAHAMSON[48]研究表明vc可視為碰撞角β的函數(shù)。上邊界cc的定義是材料的熱物理特性，WITTMAN[45]和DERIBAS等[49]對此邊界提出了兩種不同的定義。WITTMAN[45]將上邊界視為避免形成界面熔層的最大碰撞速度，而DERIBAS等[49]在上邊界的定義中包含了熔化層。下邊界dd的定義應(yīng)確保碰撞點的沖擊壓力超過材料的屈服應(yīng)力，以促進塑性變形。STIVERS等[50]提出了下邊界方程，但DERIBAS等[49]發(fā)現(xiàn)該方程與實驗值存在較大差異，對該方程進行了修正。CROSSLAND等[51]通過實驗確定了在平行幾何關(guān)系中碰撞角β的上限ff和下限gg，分別為31°和2°～3°。

EXW的工藝窗口研究有助于指導(dǎo)其他沖擊焊接工藝的可焊性研究，但在MPW、LIW和VFAW中碰撞角和速度不是恒定的，使得工藝窗口的生成比EXW困難。RAOELISON等[52]借鑒爆炸連接工藝窗口的概念，以放電電壓-徑向間隙為坐標(biāo)軸建立了Al/Al的MPW可焊性工藝窗口。VIVEK等[53]結(jié)合有預(yù)定角度的靶板，將工藝窗口的概念應(yīng)用于Ti/Cu的VFAW工藝。工藝窗口可以用來預(yù)測HVIW參數(shù)對接口質(zhì)量的影響，這對在不同的沖擊條件下準(zhǔn)確評價沖擊連接是否會發(fā)生鍵合是非常重要的。但這些工藝窗口是對應(yīng)一組特定材料和焊接裝置的，只能用于粗略近似其他沖擊連接工藝的參數(shù)設(shè)置。

3.5 數(shù)值模擬

HVIW的瞬時性及觀測設(shè)備的欠缺制約了對沖擊過程的研究，而隨著數(shù)值計算的發(fā)展，國內(nèi)外學(xué)者廣泛地采用數(shù)值模擬方法對其進行研究。由于在HVIW碰撞區(qū)域的劇烈變形，傳統(tǒng)的拉格朗日方法因單元的過度變形而失效[54]，因此HVIW常用的模擬方法有網(wǎng)格法，如歐拉法、任意拉格朗日-歐拉法(arbitrary Lagrangian-Eulerian，ALE)和無網(wǎng)格法，如光滑粒子動力學(xué)(smoothed particle hydrodynamics，SPH)、分子動力學(xué)(molecular dynamics，MD)等方法。

由于HVIW是能場驅(qū)動飛板和飛板撞擊基板的兩個過程，模擬實際的動態(tài)過程十分復(fù)雜，因此多數(shù)研究是對沖擊連接過程進行模擬，即在建立的模型中僅對飛板施加了速度條件，并未考慮各個工藝施加驅(qū)動力的過程。這些模擬研究集中在碰撞過程的描述、連接機理的闡釋、工藝參數(shù)的影響以及對一些物理實驗現(xiàn)象的解釋等方面。NASSIRI等[54]采用ALE有限元方法模擬了AL6061-T6間的沖擊焊接過程，預(yù)測了沖擊點附近的碰撞速度、剪切應(yīng)力和溫升等關(guān)鍵工藝參數(shù)，并根據(jù)有限元分析結(jié)果，生成了一個可焊性窗口，最后采用VFAW對模擬結(jié)果進行了實驗驗證。SAPANATHAN等[55]分別采用ALE法和Euler法對沖擊連接過程中界面特征的發(fā)展和演變進行了模擬，發(fā)現(xiàn)ALE法適于模擬平直界面或連接開始時無明顯界面變形的階段，當(dāng)界面嚴(yán)重剪切變形時，ALE法的網(wǎng)格質(zhì)量差，無法準(zhǔn)確地捕捉到向波浪形狀的轉(zhuǎn)換，而Euler法模擬得到的各種界面現(xiàn)象與實驗觀測結(jié)果吻合得很好。

在模擬研究中，如果網(wǎng)格畸變嚴(yán)重將極大影響計算精度甚至導(dǎo)致模擬失敗。為了獲得連接界面形成過程中的細節(jié)，國內(nèi)外學(xué)者開始采用SPH和MD無網(wǎng)格方法來模擬界面行為。SPH法可以在跟蹤材料變形的同時捕獲界面變化，WANG等[56]采用SPH法模擬了EXW過程，模擬結(jié)果成功地再現(xiàn)了射流和波形界面現(xiàn)象，并發(fā)現(xiàn)射流的來源取決于金屬的密度和硬度，而不只是作為飛板的金屬，結(jié)果表明高密度和硬度的金屬對射流的貢獻較小。LI等[57]采用SPH法研究了EXW中波狀界面形成的各種機理，并在碰撞區(qū)發(fā)現(xiàn)了高壓區(qū)域和熔化的顆粒，結(jié)果表明其波形形成過程與BAHRANI等[31]的射流壓痕機制過程基本一致。MD模擬有利于揭示原子尺度的結(jié)構(gòu)演化和解釋微觀層面的相關(guān)實驗，但在尺度上有其局限性，只適用于10～100nm的范圍。CHEN等[58]采用MD方法研究了EXW中Al/Cu原子擴散行為，研究發(fā)現(xiàn)擴散系數(shù)與碰撞速度有關(guān)，速度越高，系數(shù)越大，并提出了一種基于經(jīng)典擴散理論的混合方法來計算擴散層的厚度，理論值與實驗結(jié)果吻合較好。

數(shù)值模擬技術(shù)是探索沖擊連接機理、輔助試驗研究和節(jié)省研究成本的重要手段，但國內(nèi)外的相關(guān)程序和軟件是在特定條件下模擬沖擊連接的某一個階段或者問題，因此，需要開發(fā)全面、系統(tǒng)的沖擊連接仿真軟件，為HVIW的開發(fā)應(yīng)用提供有力的技術(shù)支持。

4 總結(jié)及展望

HVIW因在異種材料間的連接具有明顯的優(yōu)勢而受到廣泛關(guān)注，并已經(jīng)在航空航天、核能、電力/電氣、暖通空調(diào)、消費品和包裝等行業(yè)得到部分應(yīng)用。目前HVIW的研究熱點主要有材料結(jié)合機理、波形界面數(shù)學(xué)建模、界面組織形成機制和全因素的數(shù)值模擬等。有關(guān)HVIW的理論及材料方法性能等方面還需要進一步研究(圖12)。這可以歸結(jié)為以下幾點。

圖12 HVIW的研究現(xiàn)狀及趨勢

(1)在基礎(chǔ)研究方面，HVIW的理論研究仍有許多不足，如高速高壓下結(jié)合界面的微觀結(jié)構(gòu)及結(jié)合機理還在激烈的討論中。原材料狀態(tài)、材料表面處理及界面形貌對射流和界面結(jié)構(gòu)的影響也有待探討。

(2)在連接材料方面，HVIW的研究對象主要是金屬間的連接，而金屬與陶瓷等非金屬、非晶態(tài)等合金間連接的研究工作才剛剛展開，還有許多關(guān)鍵技術(shù)尚未掌握。此外，HVIW在制備復(fù)合材料、梯度材料方面也具備一定的研究前景。

(3)在工藝方法和過程控制方面，可以發(fā)展MPW、LIW、VFAW漸進連續(xù)加工技術(shù)，實現(xiàn)更大范圍的連接，并且HVIW技術(shù)可以利用高速沖擊能量同時實現(xiàn)不同形式的加工，如同時實現(xiàn)連接和塑性成形。此外，在規(guī)模化的生產(chǎn)中，需要建立沖擊連接工藝的自動化裝備和動態(tài)實時監(jiān)測系統(tǒng)。

(4)在工件性能方面，提高EXW的厚度均勻性，實現(xiàn)MPW、LIW、VFAW過程中的完全連接，減少后續(xù)加工。最后，將HVIW用以加工其他方法難以實現(xiàn)的材料，如陶瓷、非晶等，同時提高各種連接應(yīng)用的經(jīng)濟性，也將是研究人員的重要關(guān)注點。