裝藥量對T2/Q235爆炸焊接影響的數(shù)值模擬

繆廣紅,祁俊翔,馬秋月,胡 昱,孫志皓

(1.安徽理工大學(xué)力學(xué)與光電物理學(xué)院,安徽 淮南 232001;2.安徽理工大學(xué)土木建筑學(xué)院,安徽 淮南 232001)

金屬的爆炸焊接是介于金屬物理學(xué)、爆炸以及焊接工藝之間的一門交叉學(xué)科,它的優(yōu)點是制造大面積的任意組合、任意形狀、任意尺寸和多種用途的雙金屬或多金屬復(fù)合材料[1]。不同于傳統(tǒng)焊接技術(shù)的是,金屬的爆炸焊接爆炸復(fù)合效果好且成本較低。爆炸復(fù)合板現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于石油化工、冶金、制鹽制堿、水工行業(yè)、核工業(yè)等行業(yè)中。

然而,由于爆炸焊接中炸藥的作用,其過程較難以觀察,為了更好地研究各種工藝參數(shù)對爆炸焊接復(fù)合板質(zhì)量的影響,近年來對于爆炸焊接的數(shù)值模擬越來越得到人們的重視,在該方面的研究也取得了諸多進(jìn)展。文獻(xiàn)[2]采用任意拉格朗日-歐拉算法分別模擬了TA1/5052與TA1/1060/5052復(fù)合板爆炸焊接的動態(tài)過程,結(jié)果表明添加過渡層可有效提高鈦/鋁復(fù)合板的結(jié)合質(zhì)量。文獻(xiàn)[3]使用光滑粒子動力學(xué)對純鈦與SUS304奧氏體不銹鋼和SUS 821L1雙相不銹鋼的爆炸焊接進(jìn)行了數(shù)值模擬,模擬得出的波長和波幅隨不銹鋼強(qiáng)度與炸高的變化趨勢與試驗結(jié)果吻合。文獻(xiàn)[4]利用軟件ANSYS/LS-DYNA并使用光滑粒子流體動力學(xué)(Smoothed Particle Hydrodynamics,SPH)方法模擬兩種裝藥量和布藥方式,得出隨著藥量比的增大界面波形逐漸增大。文獻(xiàn)[5]利用ANSYS/LS-DYNA并使用SPH-FEM耦合算法對不同裝藥厚度下的不銹鋼和Q235鋼爆炸焊接進(jìn)行了數(shù)值模擬,模擬結(jié)果與試驗結(jié)果一致性較好。文獻(xiàn)[6]采用SPH方法對鋼纖維增強(qiáng)型Ti-Al爆炸焊接進(jìn)行了數(shù)值模擬研究,發(fā)現(xiàn)增加裝藥厚度可增大結(jié)合界面處波紋的波幅與波長,減小基復(fù)板間隙可減小波紋的波幅與波長,并得出最佳裝藥高度和基復(fù)板間隙分別為12mm 和1.0mm。文獻(xiàn)[7]采用SPH-FEM耦合算法對TA2/5083進(jìn)行了數(shù)值模擬并通過實驗得出兩種炸藥厚度條件下界面波形及其形成機(jī)理和高速傾斜碰撞模型計算的可行性,為其他異種金屬的爆炸焊接參數(shù)提供了參考。文獻(xiàn)[8]采用SPH算法對不同基復(fù)板間距和裝藥高度的鈦/鋁5層復(fù)合板爆炸焊接進(jìn)行了數(shù)值模擬研究,發(fā)現(xiàn)當(dāng)鈦鋁間距取1mm、裝藥高度取9mm時,復(fù)合板結(jié)合質(zhì)量較好,模擬結(jié)果與試驗結(jié)果吻合。雖然爆炸焊接數(shù)值模擬取得了諸多進(jìn)展,但對T2紫銅和鋼爆炸焊接的數(shù)值模擬研究卻相對較少。

由于爆炸焊接過程具有高壓性、瞬時性及復(fù)雜性,試驗研究的難度較大,為了更為直觀地對爆炸焊接的結(jié)合過程進(jìn)行研究,本文基于文獻(xiàn)[9]80的爆炸焊接試驗,利用ANSYS/LS-DYNA有限元軟件結(jié)合SPH-FEM耦合算法和SPH算法對T2/Q235雙金屬板的爆炸焊接過程進(jìn)行數(shù)值模擬,分析裝藥量對T2/Q235雙金屬復(fù)合板結(jié)合質(zhì)量的影響,以期為T2/Q235雙金屬爆炸焊接生產(chǎn)提供參考。

1 計算模型

1.1 數(shù)值模擬模型的建立

本文以文獻(xiàn)[9]80作為參考,利用ANSYS/LS-DYNA軟件分別將基板、復(fù)板和炸藥3個部分建立與實驗一致的三維計算模型;再利用LS-prepost軟件將炸藥的部分SPH粒子化;由于整體結(jié)構(gòu)具有對稱性,為了節(jié)約模擬計算時間,可以取相互對稱部分的一半結(jié)構(gòu)進(jìn)行計算,計算模型自下而上依次是基板、復(fù)板和炸藥(見圖1)。其中基板和復(fù)板都使用Lagrange算法進(jìn)行網(wǎng)格劃分,基復(fù)板和炸藥的網(wǎng)格尺寸為1mm×1mm。基板選用Q235,復(fù)板選用T2,炸藥選用硝銨炸藥?；鶑?fù)板尺寸為250mm×150mm×2.5mm,基復(fù)板間隙為6mm,炸藥厚度分別為2.24cm、2.8cm、4.2cm。采用cm-g-μs作為單位制,起爆方式采用短邊中心起爆,忽略空氣作用的影響。

圖1 計算模型圖

1.2 材料模型和狀態(tài)方程

1)基復(fù)板材料模型和狀態(tài)方程

爆炸焊接是在高溫高壓環(huán)境下進(jìn)行的瞬時固相焊接技術(shù),為了能夠較好地反映在高速運(yùn)動下的基板和復(fù)板以及炸藥的力學(xué)性能的變化過程,爆炸焊接數(shù)值模擬通常選用Johnson-Cook材料模型反映金屬力學(xué)性能變化,其材料模型可以用公式表示為[10]

(1)

表1 T2和Q235鋼的Johnson-Cook材料模型參數(shù)

表2 T2和Q235鋼的Gruneisen狀態(tài)方程參數(shù)

2)炸藥的材料模型和狀態(tài)方程

硝銨炸藥使用*MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN高能燃燒材料模型,并采用JWL狀態(tài)方程。計算公式[11]表示為

(2)

表3 裝藥量對復(fù)板碰撞壓力的影響

2 焊接窗口的計算

為了能形成穩(wěn)定射流,使結(jié)合界面形成均勻可見的波形界面,同時為了避免過熔現(xiàn)象的出現(xiàn),需要設(shè)定一個合理的爆炸焊接窗口,即爆炸焊接的各種工藝參數(shù)需要落在爆炸焊接窗口內(nèi)才能保證爆炸焊接的質(zhì)量。

2.1 最小復(fù)板碰撞速度的計算

為了能夠使基復(fù)板在一定速度碰撞下達(dá)到高壓狀態(tài)并產(chǎn)生射流,單一金屬計算最小碰撞速度可以用公式[12]計算

(3)

式中,vP為復(fù)板最小碰撞速度,m/s;K為常數(shù),通常取值范圍在0.6～1.2,本文取0.6;Hv為金屬維氏硬度,MPa;ρ為密度,g/cm3。在異種金屬的爆炸焊接中,最小焊接壓力即兩種金屬中較大的單金屬可焊壓力,可以使用以下公式[12]計算:

(4)

(5)

式中,ρ為密度,g/cm3;C為金屬的體積聲速,m/s;λ為沖擊波在金屬中傳播的線性系數(shù);D為沖擊波在金屬中傳播速度,m/s;Vp,min為兩種金屬中可焊接下限的最小值,m/s。將兩種金屬材料的參數(shù)代入上述公式中可以得到如下方程:

(6)

(7)

2.2 最大復(fù)板碰撞速度的計算

為了使基復(fù)板發(fā)生碰撞時不產(chǎn)生過熔現(xiàn)象,從而影響焊接質(zhì)量,可以對爆炸焊接上限加以限制,即Vp,max,一般用以下公式[13]計算:

(8)

(9)

式中,ρf、ρb分別為復(fù)板和基板的密度,g/cm3;hf、hb分別是復(fù)板和基板的厚度,m;Cρf、Cρb分別是復(fù)板和基板的比熱,J/(kg·K);Cf、Cb分別為復(fù)板和基板的聲速,m/s;Vc為碰撞點的速度,m/s;αf、αb為復(fù)板和基板的熱擴(kuò)散率;N為上限理論常數(shù),一般取值為0.039;Tmpmin為基復(fù)板熔點較低數(shù)值。代入數(shù)據(jù)求得最大碰撞速度為861.2m·s-1。

2.3 炸藥最小爆速的計算

炸藥最小爆速即流動限的確定。為了保證爆炸焊接中基復(fù)板碰撞能夠形成射流,需要使碰撞點的移動速度Vc大于Vc,min;此時基復(fù)板金屬材料達(dá)到流動狀態(tài),結(jié)合界面才會出現(xiàn)波形,一般要求碰撞點壓力需要達(dá)到兩種金屬中較高強(qiáng)度的10～20倍,流動限可以用以下公式[14]計算

(10)

式中,Kv為常數(shù),取值為10～20;σmax=max(σf,σb),σ為基板和復(fù)板的強(qiáng)度,Pa;ρmin=min(ρf,ρb),ρ為復(fù)板和基板的密度,g/cm3;炸藥爆速應(yīng)高于流動限,即vd,min=2447m·s-1。

2.4 炸藥最大爆速的計算

炸藥最大爆速即聲速限的確定。一般來說爆炸焊接形成射流的條件是亞聲速,所以只有碰撞點的移動速度小于聲速時射流才可以形成,聲速限公式[15]可以表示為

Vc,max=Cmin

(11)

式中,Cmin為材料中聲速較小值,m/s。由此可求得Vc,max=3940m·s-1

3 模擬結(jié)果分析

3.1 復(fù)板運(yùn)動速度

通過LS-prepost軟件對復(fù)板碰撞速度進(jìn)行分析,得出復(fù)板碰撞速度和時間的關(guān)系曲線,如圖2所示。為了方便對比,在其他工藝參數(shù)都相同的條件下對3種不同裝藥量的模擬結(jié)果選取同樣特征單元element52801的復(fù)板碰撞速度。由圖2可知,當(dāng)炸藥厚度為2.24cm時,對應(yīng)的復(fù)板最大碰撞速度為520m/s;當(dāng)炸藥厚度為2.8cm時,對應(yīng)復(fù)板最大碰撞速度為579m/s;當(dāng)炸藥厚度為4.2cm時,對應(yīng)復(fù)板最大碰撞速度為646m/s?？梢钥闯?復(fù)板最大碰撞速度隨著裝藥量的增加逐漸增加。3組不同炸藥厚度的最大復(fù)板碰撞速度均落在爆炸焊接窗口內(nèi),說明爆炸焊接復(fù)合質(zhì)量較好,與試驗結(jié)果一致。

(a)特征單元在模型上的位置 (b)R=0.8

3.2 裝藥量對復(fù)板塑性變形的影響

為了得到不同布藥厚度對復(fù)板塑性變形的影響,在3組不同裝藥厚度的對比模擬中選取同1個特征單元(Element49201)。通過分析同一特征單元的塑性應(yīng)變隨時間變化情況的曲線圖(見圖3),可以看出在其他工藝參數(shù)不變的情況下,隨著裝藥量的增加,特征單元的最大塑性應(yīng)變值越來越大,對爆炸焊接的質(zhì)量越有利。

(a)R=0.8 (b)R=1.0 (c)R=1.5

3.3 復(fù)板Z方向位移

為了體現(xiàn)基板和復(fù)板的復(fù)合情況和復(fù)合質(zhì)量,文章作了復(fù)板Z方向上的位移隨時間變化的曲線圖(見圖4)。在復(fù)板上選取3個特征單元:element56901、element50901、element45001,由圖4可知,當(dāng)炸藥厚度為2.24cm、2.8cm和4.2cm時所選特征單元的復(fù)板Z方向位移都到達(dá)了基復(fù)板間距0.6cm,說明基復(fù)板能夠較好地復(fù)合。

(a)復(fù)板上的特征單元 (b)R=0.8

3.4 不同裝藥量對復(fù)板碰撞壓力分布的影響

作為一種特殊的壓力焊,爆炸焊接在其進(jìn)行的過程中基板和復(fù)板碰撞會產(chǎn)生極大的壓力。如圖5所示,在3種不同的裝藥量下選取同一特征單元element50001觀察裝藥量對復(fù)板碰撞壓力的影響,隨著裝藥量的增加,同一特征單元對應(yīng)的碰撞壓力也隨著增加,3組模擬對應(yīng)的復(fù)板碰撞壓力分別為6.3GPa、7.8GPa、9.5GPa,均大于基復(fù)板的最大屈服強(qiáng)度,并且結(jié)合界面在高溫高壓的作用下有條件產(chǎn)生射流,從而清理金屬表面的氧化膜,使得基板和復(fù)板能夠較好地焊接在一起。為了能夠更加準(zhǔn)確地了解裝藥量對復(fù)板碰撞壓力的影響,分別在3組模擬中選取不同的3個特征單元,觀察壓力變化的規(guī)律。如圖6所示,分別在R=0.8、1.0、1.5中選取不同的特征單元,隨著距離起爆點距離的增加,壓力逐漸增大。

(a)復(fù)板上的特征單元 (b)R=0.8

(a)R=0.8 (b)R=1.0 (c)R=1.5

3.5 二維模擬下的界面波形

為了能夠更直觀地觀察爆炸焊接結(jié)合界面的界面波形,從而更全面地判斷爆炸焊接的結(jié)合質(zhì)量,本研究利用SPH法通過二維的數(shù)值模擬觀察界面波形,如圖7所示,隨著裝藥量的增加,結(jié)合界面的波形的波長越來越小,振幅越來越大。通過對比試驗[9]81得出的結(jié)合界面波形圖如圖8所示,實驗與模擬所得圖形相似,裝藥量的增大使得復(fù)板對基板的沖擊力越大,從而使結(jié)合界面處的振幅變大,波長變小。

(a)R=0.8 (b)R=1.0 (c)R=1.5

(a)R=0.8 (b)R=1.0 (c)R=1.5

4 結(jié)論與展望

在其他工藝參數(shù)一定的條件下,藥量比為0.8、1.0、1.5,即炸藥厚度為2.24cm、2.8cm、4.2cm時,隨著裝藥量的增大,復(fù)板的碰撞速度增大,結(jié)合界面壓力逐漸增大,3組模擬結(jié)果復(fù)板最大碰撞速度均落在爆炸焊接窗口內(nèi),且模擬所選取特征單元的復(fù)板Z方向位移達(dá)到了基板和復(fù)板的間距0.6cm,說明爆炸焊接結(jié)合質(zhì)量較好,模擬結(jié)果與試驗吻合,證明了SPH-FEM 耦合算法和SPH算法用于T2/Q235爆炸焊接的有效性。

由于受條件所限,本文僅采用數(shù)值模擬進(jìn)行了研究,結(jié)果尚待更多的實際工程驗證。文中僅作了3組裝藥量的對比分析,還需通過更多組對照組進(jìn)行更加深入系統(tǒng)研究。