爆炸焊接參數(shù)對鉭/304不銹鋼界面波形影響的數(shù)值模擬

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.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)，中國科學(xué)院材料力學(xué)行為和設(shè)計重點試驗室，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)點使得其在對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，界面處會產(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)間距過大時焊接質(zhì)量會變差，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，因為炸藥的密度能影響覆板斜碰撞基板的速度和角度，且在碰撞角度一定的情況下，動態(tài)碰撞速度直接影響界面波波形參數(shù)。張蕾[11]對 S41500-Q345C分別采用了平板和半圓柱兩種爆炸焊接方法，通過半圓柱試驗法，發(fā)現(xiàn)S41500-Q345C材料形成波的速度為1 410 m/s，通過平板爆炸焊接得知波幅、波長隨比壓力的增加而增加。李選明等人[12]采用半圓柱試驗法，發(fā)現(xiàn)波幅及波長的大小與炸藥量、覆板飛行距離成正比；當(dāng)覆板飛行距離一定時，界面波長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)時需考慮覆板最低動能和最低覆板速度，且用半圓柱方法可以預(yù)測平板的焊接參數(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，鈦鋼復(fù)合板界面波開始生成，且界面波波長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，界面波形是評判焊接質(zhì)量的一個重要指標(biāo)。鉭金屬存量少且性能優(yōu)，若通過實際試驗尋找鉭金屬與其它金屬復(fù)合的最佳焊接參數(shù)，會造成資源浪費(fèi)。數(shù)值模擬的出現(xiàn)可以解決這一難題。上述對爆炸焊接參數(shù)工藝的研究中，雖說是研究某一參數(shù)對焊接質(zhì)量的影響，但是變量卻不單一，都會由于間隙不同導(dǎo)致碰撞角存在不同[10-15]。文中通過控制單參數(shù)變化，分別對同種組合的復(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界面波形產(chǎn)生的影響，以便在實際生產(chǎn)中提供一定的參考。

1 模型和參數(shù)選取

1.1 計算模型

借助ANSYS軟件采用無網(wǎng)格的SPH(Smoothed particle hydrodynamics)方法建立二維數(shù)值模擬計算模型，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)來研究參數(shù)對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)計了數(shù)值模擬情況，見表1。數(shù)值模擬計算中，金屬材料的參數(shù)已經(jīng)趨于完善，其合理性在實踐中已得到有效證明。爆炸焊接中基覆板的參數(shù)計算采用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；測量界面波的波長以及波幅發(fā)現(xiàn)，碰撞角12.2°的復(fù)合界面處波長為770 μm，波幅為300 μm，比波長為2.57；板碰撞角為14.1°的復(fù)合界面處波長1 630 μm，波幅為515 μm，比波長為3.16；碰撞角16.4°的復(fù)合界面處波長為1 890 μm，波幅為575 μm；比波長為3.29。在其它焊接參數(shù)不變的情況下，不同的碰撞角β對應(yīng)著不同的波長和波幅，但波形變化不大，且比波長隨著β的增大而增大[19]。波形的變化趨勢與碰撞角的變化趨勢相一致；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，比波長與sin2β成正比。在碰撞過程中界面能量的耗散對爆炸焊接的效果至關(guān)重要，碰撞時動能損失(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，計算出動能損失為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)，測量界面波長和波幅，在碰撞角均為14.1°時，碰撞速度為633 m/s的界面處波長為1 630 μm，波幅為515 μm；碰撞速度為735 m/s時的復(fù)合界面處波長為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和波幅與文獻(xiàn)[16]中鈦/304不銹鋼的界面金相圖進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)兩者界面波的波形與速度的關(guān)系具有一致性，即波長和波幅的大小與碰撞速度呈正相關(guān)。其原因為基覆板碰撞的速度增加，使得動能損失增加，波長和波幅也隨之增加。

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程中的壓力-時間曲線圖。在輸出的所有的壓力-時間曲線圖中，挑選出最大的壓力曲線圖，如圖7所示。

圖7 壓力-時間曲線圖

觀察圖7，碰撞點達(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)離碰撞點時，壓力逐漸下降。爆炸焊接具有瞬時性，碰撞過程中高壓必然導(dǎo)致界面處溫度驟升，但溫度來不及釋放至空氣中，界面處溫度便瞬間達(dá)到金屬的熔點，使得2種焊接材料的界面在焊接過程中可能表現(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。可清晰觀察到鋼側(cè)發(fā)生強(qiáng)烈彎曲，并存在解理斷裂，這一事實證實了數(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，比波長與sin2β成正比；覆板碰撞速度越大，碰撞過程中損失的動能就越多，波長和波幅隨之變大；速度水平方向的分量決定波長數(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不銹鋼界面處觀測到鋼在爆轟過程中被拉長,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。