異種金屬爆炸焊接窗口分析與應(yīng)用

李文軒，戴美想，吳曉明，孫澤瑞，房中行

(1.中國人民解放軍陸軍工程大學(xué),南京,210001；2.江蘇省生產(chǎn)力促進(jìn)中心,南京,210018)

0 序言

爆炸焊接是當(dāng)前制造大面積金屬復(fù)合材料的一種重要方法.金屬板借助炸藥爆轟產(chǎn)生的能量，通過高速傾斜碰撞，形成大面積固相冶金結(jié)合[1].與傳統(tǒng)焊接方式相比，爆炸焊接適用于各種相似或不同的金屬組合，例如：鈦/鋁、鈦/鋼、銅/鋁等這些組合難以通過其它焊接工藝結(jié)合[2].

爆炸焊接工藝參數(shù)的選取直接影響著界面結(jié)合質(zhì)量，因此對于不同的金屬組合選取合適的工藝參數(shù)顯得尤為重要.為了預(yù)測爆炸焊接的結(jié)合質(zhì)量，通常利用爆炸焊接窗口進(jìn)行分析，借助邊界公式的限制，可以得到兩金屬板成功結(jié)合時(shí)要求的焊接工藝參數(shù)范圍.

焊接窗口基于特定的界面結(jié)合理論，給出焊接的臨界條件，從而限定焊接工藝參數(shù)的范圍，是理論與實(shí)際間的橋梁.確定新的界面結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)，改變計(jì)算公式中的變量參數(shù)，是開發(fā)新型焊接窗口的主要方法.汪育等人[3]從最小作用量原理出發(fā)，綜合考慮炸藥特性和飛板厚度的影響，構(gòu)建了雙立式爆炸焊接R-δ（R為裝藥比，δ為飛板厚度）型焊接窗口.Lyask 等人[4]認(rèn)為飛板的質(zhì)量也是影響爆炸焊接結(jié)合質(zhì)量的原因之一，并構(gòu)建了一種考慮飛板質(zhì)量、焊接速度、碰撞角的三維曲面焊接窗口.這些研究均為焊接窗口的發(fā)展提供了新的思路.

在計(jì)算焊接窗口時(shí)，公式的選擇和計(jì)算參數(shù)的選取對計(jì)算結(jié)果至關(guān)重要.不同的理論模型會得到不同的計(jì)算公式，同時(shí)只有明晰各邊界公式的理論假設(shè)才能更好的選取參數(shù).然而，當(dāng)前對于不同邊界公式理論假設(shè)、參數(shù)選擇的討論比較少，這就導(dǎo)致在計(jì)算窗口時(shí)公式選擇、參數(shù)選取依賴經(jīng)驗(yàn).

基于上述問題，對爆炸焊接窗口邊界公式進(jìn)行總結(jié)，分析其模型假設(shè)和應(yīng)用范圍，得到了方便使用的焊接窗口公式.用得到的公式分析鈦/鋁爆炸焊接問題，驗(yàn)證窗口對界面結(jié)合質(zhì)量的預(yù)測情況.

1 爆炸焊接動態(tài)參數(shù)

爆炸焊接工藝參數(shù)指的是對焊接質(zhì)量的有著重要影響的參數(shù)，包括靜態(tài)參數(shù)和動態(tài)參數(shù).靜態(tài)參數(shù)是指在爆炸前靜止可以調(diào)節(jié)的數(shù)據(jù)，主要包括炸藥爆炸速度Vd、裝藥厚度d、板間距s、預(yù)置角α.動態(tài)參數(shù)指的是在爆炸焊接過程中動態(tài)變化的量，主要指的是動態(tài)碰撞角β、碰撞點(diǎn)移動速度Vc、碰撞速度Vp.動態(tài)參數(shù)間存在如圖1 所示的幾何關(guān)系，圖中Vc為碰撞點(diǎn)移動速度，也可以稱為焊接速度；Vf為飛板相對于與碰撞點(diǎn)一起移動的坐標(biāo)系的速度，Vp為飛板移動速度，也可以稱其為碰撞速度.

圖1 動態(tài)參數(shù)幾何關(guān)系Fig.1 Geometric relationship of dynamic parameters

在飛板彎折飛行的過程中，一般認(rèn)為飛板的速度平分彎曲飛板與未彎曲飛板間的夾角，也就是說圖1 中Vc平分角C.從圖1 的幾何關(guān)系中得到式(1)和式(2).

2 爆炸焊接窗口分析

焊接窗口是用來確定待焊材料的可焊范圍，預(yù)測焊接質(zhì)量的工具.由前面的分析可知影響爆炸焊接質(zhì)量的3 個(gè)動態(tài)參數(shù)間存在式(2)描述的函數(shù)關(guān)系，因此可以任選其中兩個(gè)參數(shù)作為變量考察焊接質(zhì)量.當(dāng)前廣泛應(yīng)用的是β-Vc圖，如圖2 所示.Carpenter 等人[5]首先對β-Vc焊接窗口4 條邊界線做出理論解釋，并給出計(jì)算公式，后續(xù)研究人員從新的假設(shè)模型出發(fā)，豐富發(fā)展了窗口邊界公式.在應(yīng)用焊接窗口的同時(shí)可以結(jié)合Bahrani 等人[6]提出的碰撞角β在2°～ 31°的觀點(diǎn)來限制焊接中的碰撞角.

圖2 爆炸焊接窗口示意圖Fig.2 Schematic diagram of explosive welding window

2.1 爆炸焊接下限

爆炸焊接下限位于焊接窗口的下方，指的是飛板與基板碰撞產(chǎn)生的沖擊力應(yīng)該超過材料的動態(tài)強(qiáng)度.Deribas 等人[7]考慮材料硬度和表面清潔程度，提出了式(3)，得到廣泛應(yīng)用.

式中：Hv為材料的維氏硬度；ρ為材料密度，kg/m3；β為碰撞角，rad；k1為與材料表面清潔程度有關(guān)的常數(shù)，取值從0.6～ 1.2(從高清潔表面至未清潔表面)，一般情況取0.85.

Athar 等人[8]和Mouasvi 等人[9]成功的運(yùn)用式(3)得到了預(yù)期的平直狀結(jié)合，該下限公式是從同種金屬爆炸焊接試驗(yàn)中得出.當(dāng)待焊金屬硬度差距較大時(shí)，計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)有較大的誤差.這主要是因?yàn)椴牧系挠捕群兔芏认嗖詈艽?，需要對?3)中參數(shù)的選取進(jìn)行討論.

Zakharenko 等人[10]通過3 組對比試驗(yàn)，結(jié)果表明，爆炸焊接中較軟材料的硬度決定焊接的下限，即在應(yīng)用式(3)時(shí)選取待焊材料中較小的硬度值計(jì)算.在選用較軟材料的硬度計(jì)算時(shí)，k1取1.14，這是因?yàn)椴牧系挠捕炔罹啻?，采用低硬度作為?jì)算參數(shù)時(shí)，材料的自凈過程只能由較軟材料產(chǎn)生的射流完成，此時(shí)較軟材料的射流不僅要清潔自身的表面，還要通過不斷的沖擊清潔較硬材料，所以反應(yīng)材料表面清潔程度的k1也與兩板的硬度差有關(guān).對于密度，由于爆炸焊接過程是飛板以速度Vf撞擊基板，因此碰撞能量與飛板的密度有關(guān)，選取其進(jìn)行計(jì)算.

2.2 爆炸焊接流動限

爆炸焊接窗口的左邊限，最先是Cowan 等人[11]運(yùn)用卡門渦街機(jī)理解釋爆炸焊接界面波的形成時(shí)提出.將焊接過程中的金屬看作流體，而出現(xiàn)的界面波則類似于流體在障礙物后出現(xiàn)的卡門渦街，并通過試驗(yàn)得到了多組金屬組合的平直-波紋界面轉(zhuǎn)變速度.如果將焊接界面波的出現(xiàn)類比于卡門渦街，臨界速度就對應(yīng)著流體臨界雷諾數(shù)，當(dāng)金屬流實(shí)際的雷諾數(shù)小于臨界值時(shí)，界面成平直狀；雷諾數(shù)大于臨界值的時(shí)候便會出現(xiàn)波紋狀的界面.爆炸焊接中金屬流雷諾數(shù)Re計(jì)算公式如式(4)所示.

式中：ρa(bǔ)，ρb，Ha，Hb分別為飛板、基板的密度和硬度.臨界雷諾數(shù)Rt的取值為8～ 13，一般取10.6，相對標(biāo)準(zhǔn)偏差為17.9%.

需要說明的是式(4)在β-Vc圖中為一條豎線，表示界面波的形成僅僅與焊接速度有關(guān).然而實(shí)際中碰撞角β在界面波的形成中也是一個(gè)重要因素[12].Cowan 等人[11]的試驗(yàn)數(shù)據(jù)是在碰撞角為12°時(shí)得到的，因此上述公式只適用于這一條件下.Jaramillo等人[13]指出了Cowan 等人[11]工作的不足，并通過對Cu-Cu，F(xiàn)e-Fe，Al-Al 組合試驗(yàn)數(shù)據(jù)的擬合得到了臨界雷諾數(shù)關(guān)于碰撞角的表達(dá)式(5).

式中：β為碰撞角，單位取角度制；Rt為臨界雷諾數(shù)，無量綱量.此時(shí)平直-波紋轉(zhuǎn)換限就是一條關(guān)于Vc和β的曲線.由于式（5）是通過同種金屬焊接試驗(yàn)所得到，將其應(yīng)用到異種金屬焊接中，誤差較大.同時(shí)對爆炸焊接的模擬試驗(yàn)表明焊接的界面波并不是立即形成的，而是在碰撞過后不斷增長的[14-15]，此時(shí)材料彈塑性的影響不能忽略，因此用卡門渦街解釋爆炸焊接界面波的成因有一定的局限性.

由于最初的焊接窗口左邊限是Cowan 等人[11]用流體理論推導(dǎo)波形形成條件時(shí)得出的，國外的文獻(xiàn)中一般稱焊接窗口左邊限為波形生成限.Athar等人[8]和Mouasvi 等人[9]都提到了新的波形生成限公式，但廣泛應(yīng)用仍需要大量的試驗(yàn)驗(yàn)證.由于當(dāng)前對于界面波的形成機(jī)理仍未達(dá)成統(tǒng)一，提出準(zhǔn)確的波形生成限的具體形式較為困難.

國內(nèi)學(xué)者則認(rèn)為左邊限就是限制爆炸焊接時(shí)最小的焊接速度Vc,min，用以保證材料在射流區(qū)達(dá)到流動狀態(tài)，據(jù)此王宇新等人[16]給出式(6).

式中：ρmin為待焊金屬中的密度最小值，kg/m3；Rmmax為待焊金屬中最高的抗拉強(qiáng)度，MPa.

2.3 爆炸焊接射流限

在爆炸焊接過程中，碰撞點(diǎn)處于高溫高壓的條件，通常可以形成向前噴射的射流.一般認(rèn)為射流可以清除飛板和基板表面上的氧化物，消除粗糙度的影響，露出潔凈的表面，使兩金屬焊合，因此射流的形成是必要的.然而在一定的碰撞角下，飛板的碰撞速度過高時(shí)，兩板碰撞后立即彈開，無法產(chǎn)生射流.

將碰撞點(diǎn)作為參考點(diǎn)，平行布置時(shí)飛板和基板以爆炸速度Vd流入.當(dāng)材料以亞音速流入時(shí)，可以忽略材料壓縮的影響，碰撞后不會出現(xiàn)激波，金屬碰撞后結(jié)合在一起；當(dāng)材料以超音速流入時(shí)，出現(xiàn)如圖3 所示的情況.在碰撞點(diǎn)處材料受壓形成激波S，激波在材料的自由表面處反射為膨脹波R，在膨脹波的作用下，材料發(fā)生分離，無射流出現(xiàn)，焊接失敗.

圖3 無射流超音速碰撞示意圖Fig.3 Schematic diagram of supersonic impact without jet

碰撞點(diǎn)處激波的速度與材料的流入速度、碰撞角、材料特性有關(guān).Cowan 等人[17]對多組材料進(jìn)行試驗(yàn)，得到了的幾組金屬組合的射流限，并發(fā)現(xiàn)射流限基本是一條β關(guān)于Vc斜線，但是沒有給出普遍適用的公式.

在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中，炸藥通常選用混有沙子的銨油炸藥，其爆炸速度常常小于3 000 m/s.而大部分金屬材料的聲速通常為4 500～ 6 000 m/s.史長根等人[18]將最小作用量原理引入爆炸焊接中，指出采用最低臨界爆炸速度炸藥，可以保證焊接的質(zhì)量，獲得好的界面，這對于超薄、硬脆以及薄壁管件的爆炸焊接尤為重要.同時(shí)還發(fā)現(xiàn)結(jié)合界面呈微波狀和小波狀時(shí)，焊接缺陷少，結(jié)合質(zhì)量好，要得到高質(zhì)量結(jié)合時(shí)應(yīng)該限制炸藥爆炸速度.因此多數(shù)爆炸焊接生產(chǎn)中材料的聲速都大于炸藥爆炸速度，無法達(dá)到超音速流動.所以除了聲速較低且硬度大的材料需要仔細(xì)考慮聲速對射流的影響外，大部分材料的射流限都可以取飛板、基板中較小的聲速[19]，即

式中：C01，C02分別為飛板、基板材料聲速.

2.4 爆炸焊接上限

在飛板與基板碰撞的過程中，界面的劇烈塑性應(yīng)變產(chǎn)生高溫.當(dāng)飛板速度過大時(shí)，焊接界面會出現(xiàn)連續(xù)熔化的現(xiàn)象，在壓力卸載后仍然處于軟化狀態(tài)，這時(shí)焊接界面容易被反射的拉伸波拉開，造成焊接失敗.另外，由于爆炸焊接的焊接速度較快，界面處的高溫來不及擴(kuò)散，熔化的金屬與周圍低溫基體間存在著極高的溫度梯度，液態(tài)的金屬混合物又以極高的速率冷卻，界面易形成脆性金屬間化合物、空洞和微裂縫，降低結(jié)合強(qiáng)度.這時(shí)就需要用爆炸焊接上限限制過大的飛板速度，保證焊接質(zhì)量.Carpenter 等人[5]以碰撞產(chǎn)生的熱量在界面處不產(chǎn)生連續(xù)的熔化層作為焊接上限，得到式(8).

式中：Tm為熔化溫度，℃；Cb為體聲速，cm/s；k為熱導(dǎo)率，W/(m·℃)；Cp為恒壓熱容，J/℃；β為密度，g/cm3；β為碰撞角，rad.這些材料參數(shù)均來自于飛板.N為無量綱常數(shù)，在文獻(xiàn)[5]中并未提及N的取值，只是給出了公式的表達(dá)和一些金屬組合的最大焊接速度.De 等人[20]通過對Carpenter 等人[5]給出的12 組上限值反推，得到了N的取值，發(fā)現(xiàn)其平均值為0.11，平均偏差為0.009.

3 鈦/鋁焊接窗口的構(gòu)建與應(yīng)用

3.1 鈦/鋁焊接窗口的構(gòu)建

運(yùn)用上述得到的焊接窗口，分析鈦和鋁合金的復(fù)合情況.以將1 mm 的TA2 工業(yè)純鈦和14 mm 的1 060，5 083，7 075 鋁合金焊接為例.上限公式常數(shù)N取0.11，材料特性參數(shù)如表1 所示，計(jì)算得到的窗口如圖4 所示.

表1 材料特性參數(shù)Table 1 Material properties parameter

從圖4 可以看到，在鈦和鋁合金的爆炸焊接中，由于鈦的導(dǎo)熱性能較差，焊接上限較低，為了避免界面“過融”，推薦的焊接速度為1 700～ 3 000 m/s.隨著鋁合金的強(qiáng)度的增加，焊接窗口下限逐漸升高，造成焊接越來越困難.對于TA2 鈦/1060 鋁合金，大量研究表明兩板直接通過爆炸焊接就可以實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量復(fù)合[21-23].對于TA2 鈦和7075 超硬鋁合金，由于焊接窗口過于狹小，直接焊接易形成界面缺陷，可以采用夾層技術(shù)降低碰撞能量，實(shí)現(xiàn)良好結(jié)合.TA2 鈦與1060，5083 鋁合金常用的爆炸焊接布置形式如圖5 所示.

圖4 鈦與鋁合金的焊接窗口Fig.4 Welding window of titanium and aluminum alloy.(a) welding window of TA2/1060;(b) welding window of TA2/5083;(c) welding window of TA2/7075

圖5 鈦/鋁合金焊接布置形式Fig.5 Titanium/aluminum alloy welding arrangement.(a) TA2/1060；(b) TA2/5083

3.2 鈦/鋁焊接窗口分析結(jié)合質(zhì)量

利用焊接窗口和動態(tài)焊接參數(shù)，可以預(yù)測結(jié)合界面和焊合質(zhì)量.將炸藥厚度、間距、裝藥比等靜態(tài)參數(shù)轉(zhuǎn)換為動態(tài)參數(shù)，需要考慮飛板在炸藥爆轟驅(qū)動下的運(yùn)動[24].由于飛板的速度是實(shí)時(shí)變化的，而為了簡單起見研究人員將飛板抽象成速度處處相等的二維平面.李曉杰等人[19]在前人基礎(chǔ)上得到了便于計(jì)算的滑移爆轟驅(qū)動飛板的式(9).

式中：y為兩板間距；δ0為炸藥厚度；r為炸藥與飛板質(zhì)量的比值；k為炸藥多方指數(shù)；βm為最大碰撞角.

以Fang 等人[21]所做的TA2/1060 焊接試驗(yàn)為例，選用爆炸速度為2 200 m/s、密度為0.8 g/cm3、多方指數(shù)k為 1.8 的炸藥，在裝藥比R分別為0.96和1.46 的條件下焊接TA2 鈦和1060 鋁合金.飛板TA2 厚度為 2.5 mm，復(fù)板厚度為14 mm，板間距為4 mm.將上述試驗(yàn)條件帶入式(9)可以得到當(dāng)R=0.96 時(shí)β=14°，當(dāng)R=1.46 時(shí)β=16°，如圖6 所示.

圖6 不同裝藥比的動態(tài)焊接參數(shù)Fig.6 Dynamic welding parameters with different charge ratio

裝藥比為0.96 時(shí)，焊接參數(shù)位于窗口的中部，通過金相顯微鏡和掃描電子顯微鏡觀察焊接試樣，發(fā)現(xiàn)界面成典型小波狀，未發(fā)現(xiàn)裂紋或氣孔等界面缺陷，界面區(qū)也未發(fā)現(xiàn)鈦和鋁的氧化物和氧化層，僅在波峰處發(fā)現(xiàn)部分熔化塊.

裝藥比為1.46 時(shí)，焊接參數(shù)位于窗口的上部，靠近焊接上限.觀察焊接試樣發(fā)現(xiàn)結(jié)合界面成大波狀，界面處存在12 μm 的熔化層，同時(shí)在鈦板一側(cè)存在因劇烈塑性變形產(chǎn)生的“絕熱剪切線”.這些微缺陷影響了材料的焊接強(qiáng)度.不同裝藥比下觀察得到的界面波形如圖7 所示.

圖7 不同裝藥比的界面波形Fig.7 Interface waveforms with different charge ratios.(a) R=0.96;(b) R=1.46

3.3 焊接窗口的誤差分析

在應(yīng)用焊接窗口時(shí)，應(yīng)注意到窗口的預(yù)測結(jié)果與實(shí)際結(jié)果存在誤差，這主要是因?yàn)椋孩俸附哟翱谑且环N簡化的理想的模型，是在一定的假設(shè)前提下，考慮影響焊接的主要因素，忽略了次要的影響因素；②焊接窗口計(jì)算時(shí)常數(shù)的取值對窗口的準(zhǔn)確性有著重要影響，多數(shù)情況下都是采用經(jīng)驗(yàn)值進(jìn)行計(jì)算；③實(shí)際焊接的過程中諸如碰撞角、焊接速度等焊接參數(shù)不是定值，各個(gè)參數(shù)都在實(shí)時(shí)變化；④爆炸焊接過程是一個(gè)高溫、高壓條件下非平衡過程，這就導(dǎo)致在焊接過程中材料性質(zhì)與室溫條件下測得的數(shù)值有著顯著差異.

雖然焊接窗口有一定的誤差，但是作為一種預(yù)測焊接質(zhì)量的工具，其能夠快速確定材料焊接的參數(shù)范圍.綜合運(yùn)用焊接窗口、數(shù)值模擬和試驗(yàn)驗(yàn)證的方法能夠大大減少尋找合適焊接工藝參數(shù)的時(shí)間.同時(shí)，通過對焊接窗口的研究和討論，可以了解各個(gè)參數(shù)對焊接質(zhì)量的影響，對于理解爆炸焊接的原理、本質(zhì)有重要的意義.

4 結(jié)論

(1)從爆炸焊接工藝參數(shù)出發(fā)，分析了焊接窗口4 條邊界的物理意義，梳理其發(fā)展歷程，討論了計(jì)算公式中參數(shù)的選取，得到了便于計(jì)算、結(jié)果較為準(zhǔn)確的焊接窗口計(jì)算公式.

(2)應(yīng)用窗口計(jì)算公式，得到了鈦和鋁合金的焊接窗口，發(fā)現(xiàn)要實(shí)現(xiàn)鈦/鋁爆炸焊接，焊接速度應(yīng)在1 700～ 3 000 m/s 之間.隨著鋁合金硬度的增大，可焊窗口逐漸減小，此時(shí)采用夾層技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)良好的結(jié)合.

(3)在TA2 鈦/1 060 鋁合金焊接中，裝藥比R為0.96 時(shí)，焊接參數(shù)位于窗口的中部，鈦/鋁界面成典型小波狀，未發(fā)現(xiàn)裂紋或氣孔等微缺陷；裝藥比R為1.46 時(shí)焊接參數(shù)位于窗口的上部，靠近焊接上限，結(jié)合界面成大波狀，存在熔化層和大量的“絕熱剪切線”.