基于試驗(yàn)和數(shù)值模擬的TC1/1060/6061爆炸焊接復(fù)合板界面分析

袁嘉欣，邵飛，白林越，徐倩，孫斌，王敬濤

(1.中國(guó)人民解放軍陸軍工程大學(xué),南京,210007；2.中國(guó)人民解放軍陸軍裝備部裝備審價(jià)中心,北京,100010)

0 序言

不同種類(lèi)的金屬材料進(jìn)行組合可以充分發(fā)揮不同材料的優(yōu)勢(shì)[1]，鋁合金具有質(zhì)量輕的優(yōu)勢(shì)，鈦合金具有較高的承載性能和優(yōu)異的耐腐蝕性能，在鋁合金板上附著一層鈦合金薄板可以得到輕量化、高承載和耐腐蝕性能的鈦/鋁復(fù)合板，在結(jié)構(gòu)和裝備中具有較廣闊的應(yīng)用前景[2].

鈦合金和鋁合金性能差異較大，采用傳統(tǒng)焊接方法不能成功進(jìn)行焊接[3]，爆炸焊接技術(shù)可以很好地解決這個(gè)問(wèn)題，爆炸焊作為一種固態(tài)連接方法，可以實(shí)現(xiàn)任意不同種類(lèi)金屬的焊接，且焊接完成后可以得到高質(zhì)量的界面[4-7].在鈦/鋁復(fù)合板的制備過(guò)程中，將鈦合金和鋁合金直接進(jìn)行焊接[8]，但是由于2 種材料不相容得到了平直狀的結(jié)合界面，且存在較多缺陷，將純鋁夾層加入到鈦/鋁材料的爆炸焊接中[9-10]，解決了爆炸焊接過(guò)程中界面動(dòng)能損失過(guò)大的問(wèn)題，避免界面出現(xiàn)連續(xù)熔化層等缺陷，并得到了規(guī)律且結(jié)合質(zhì)量較好的界面.

大量的爆炸焊接試驗(yàn)需要耗費(fèi)較大成本，且爆炸焊接過(guò)程中的界面現(xiàn)象無(wú)法觀察，數(shù)值模擬因其成本低和方便快捷成為分析爆炸焊接過(guò)程和界面特征的有效方法.目前，光滑粒子流體動(dòng)力學(xué)方法(smoothed particle hydrodynamics,SPH)由于其無(wú)網(wǎng)格以及可以在跟蹤材料變形的同時(shí)捕獲移動(dòng)界面，憑借此優(yōu)勢(shì)已被應(yīng)用到爆炸焊接的模擬中[11-12]，已有學(xué)者采用SPH 方法對(duì)爆炸焊接過(guò)程進(jìn)行了分析[13-14]，目前多數(shù)試驗(yàn)都將爆炸焊接過(guò)程簡(jiǎn)化為沖擊焊接，而沒(méi)有考慮炸藥的驅(qū)動(dòng)作用和夾層的存在，爆炸焊接過(guò)程中2 個(gè)不同界面具有不同的界面特征，而目前對(duì)多層板爆炸焊接過(guò)程的模擬以及對(duì)多個(gè)界面的界面特征狀態(tài)研究較少.

基于以上現(xiàn)狀，采用爆炸焊接技術(shù)成功制備了TC1/1060/6061 復(fù)合板，對(duì)復(fù)合板的界面形貌和元素進(jìn)行了分析，通過(guò)力學(xué)性能試驗(yàn)驗(yàn)證界面結(jié)合質(zhì)量，采用數(shù)值模擬方法分析界面狀態(tài)和爆炸焊接過(guò)程.

1 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)中覆板(TC1)尺寸為620 mm × 300 mm ×2 mm，夾層(1060)尺寸為600 mm × 300 mm ×1 mm，基板(6061)尺寸為600 mm × 300 mm ×6 mm.鈦合金和鋁合金化學(xué)成分見(jiàn)表1 和表2.

表1 TC1 化學(xué)成分 (質(zhì)量分?jǐn)?shù),%)Table1 Chemical composition of TC1

表2 1060 和6061 化學(xué)成分 (質(zhì)量分?jǐn)?shù),%)Table 2 Chemical compositions of 1060 and 6061

采用平行法進(jìn)行爆炸焊接試驗(yàn)如圖1 所示，試驗(yàn)中采用低爆速乳化炸藥，炸藥厚度為30 mm，密度約為0.8 g/cm3，爆速約為2.2 km/s，爆炸采用端部起爆方式，將炸藥均勻分布在覆板上方，而后采用電雷管進(jìn)行引爆，為了避免邊界效應(yīng)[15]，覆板長(zhǎng)度(620 mm)稍大于基板(600 mm)和夾層的長(zhǎng)度(600 mm)，各層板間的間距設(shè)置為2 mm，中間放置銅片作為支撐.

圖1 爆炸焊接示意圖Fig.1 Schematic of explosive welding

爆炸焊接試驗(yàn)結(jié)束后，采用線切割機(jī)對(duì)復(fù)合板進(jìn)行切割取樣，取樣位置位于復(fù)合板中心的位置，以10% HF+10% HNO3+5% HCl 溶液為腐蝕劑對(duì)金相樣品進(jìn)行腐蝕，然后通過(guò)LEICA DZM2700 型光學(xué)顯微鏡觀察界面形態(tài)，采用BRUKER D8 Advance 型X 射線衍射儀和OXFORD ULTIM MAX40 型能譜分析儀對(duì)界面附近的元素進(jìn)行分析，根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 228.1—2010《金屬材料拉伸試驗(yàn)第1 部分 室溫試驗(yàn)方法》和GB/T 6396—2008《復(fù)合鋼板力學(xué)及工藝性能試驗(yàn)方法》分別確定拉伸試樣和剪切試樣的尺寸，并在CS400-300 kN 型萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸試驗(yàn)和剪切試驗(yàn).

2 有限元模型及參數(shù)選取

2.1 有限元模型

TC1/1060/6061 有限元模型如圖2 所示，模型中材料及相關(guān)參數(shù)與爆炸焊接試驗(yàn)一致，引爆點(diǎn)在覆板(TC1)的邊緣位置，采用光滑粒子流體動(dòng)力學(xué)方法(SPH)和任意拉格朗日-歐拉方法(arbitrary lagrangian eulerian,ALE)模擬爆炸焊接過(guò)程中復(fù)合板的不同部分，為了分析結(jié)合界面的波形、渦流的產(chǎn)生和射流的形成，采用SPH 方法模擬TC1 覆板、1060 中間夾層和6061 基板，ALE 方法用于模擬地基和乳化炸藥，SPH 方法中的顆粒越小，模擬精度越高，但計(jì)算效率會(huì)降低，考慮到數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性和計(jì)算成本，模型長(zhǎng)度取75 cm，SPH 方法中的粒度設(shè)置為0.1 mm，總粒子數(shù)量為68 100.

圖2 TC1/1060/6061 有限元模型Fig.2 Finite element model of TC1/1060/6061

2.2 參數(shù)選取

乳化炸藥選用Jones-Wilkins-Lee(JWL)狀態(tài)方程，其壓力和能量的關(guān)系為

式中：P為爆轟產(chǎn)物的壓力；V為爆轟產(chǎn)物的相對(duì)比容；E0為初始比內(nèi)能；ω，R1，R2，A和B為材料參數(shù)，參數(shù)見(jiàn)表3[16].模擬中各層金屬板和地基均采用沖擊狀態(tài)方程，并采用Steinberg-Guinan 本構(gòu)模型描述覆板、基板及夾層的力學(xué)行為，以準(zhǔn)確反映高速碰撞期間界面及其附近區(qū)域的應(yīng)力應(yīng)變行為.狀態(tài)方程和本構(gòu)模型參數(shù)見(jiàn)表4，其中，C為材料體積聲速，S1和S2為擬合系數(shù)，Γ為Gruneisen 系數(shù)，為材料參數(shù)，G為剪切模量，Y為屈服應(yīng)力.

表3 炸藥的JWL 狀態(tài)參數(shù)Table 3 JWL state parameters of explosive

表4 TC1、1060 和6061 的沖擊狀態(tài)方程和Steinberg-Guinan 本構(gòu)模型參數(shù)Table 4 Parameters of Shock EOS and Steinberg-Guinan model for TC1,1060 and 6061

3 試驗(yàn)結(jié)果

3.1 界面形貌

復(fù)合板的界面形貌如圖3 所示，TC1/1060 界面呈現(xiàn)出直線型形貌(圖3a)，1060/6061 界面呈現(xiàn)出典型的波狀形貌(圖3b)，且在每個(gè)波形附近都出現(xiàn)了渦流區(qū)，2 個(gè)界面均結(jié)合較好，不存在微裂紋等缺陷，6061 界面形成過(guò)程中射流與金屬板發(fā)生周期性的相互作用而形成了連續(xù)的凹陷與隆起，而波狀界面附近渦流區(qū)的形成是因?yàn)樵诓罱缑嫘纬蓵r(shí)，渦流區(qū)位置的粒子與其它位置粒子存在較大的速度差，進(jìn)而造成了此位置處粒子的攪拌與混合，形成了渦流區(qū)，經(jīng)過(guò)測(cè)量其中一個(gè)波的波長(zhǎng)為1 220 μm，振幅為288 μm，根據(jù)王耀華[17]對(duì)波狀界面的劃分，1060/6061 界面屬于大波狀結(jié)合界面.

圖3 TC1/1060 界面和1060/6061 界面的界面形貌Fig.3 Morphology of TC1/1060 interface and 1060/6061 interface.(a) TC1/1060 interface;(b) 1060/6061 interface

通過(guò)數(shù)值模擬得到了復(fù)合板的界面形貌如圖4 所示，數(shù)值模擬中2 個(gè)界面的位置位于復(fù)合板的中點(diǎn)，與試驗(yàn)中試樣的取樣位置一致，TC1/1060界面為直線型形貌，1060/6061 界面為大波狀形貌，其中一個(gè)波形的波長(zhǎng)為1 120 μm，振幅為263 μm，與測(cè)試形貌相比波形略有減小，這可能是由于爆炸焊接所用炸藥中含有一些降低爆速的摻雜物，而數(shù)值模擬中炸藥的參數(shù)設(shè)置與試驗(yàn)炸藥參數(shù)存在誤差造成，總體來(lái)看，建立的有限元模型可以很好地模擬復(fù)合板的爆炸焊接過(guò)程與結(jié)果，可以采用該有限元模型模擬復(fù)合板的界面形貌與界面狀態(tài).

圖4 數(shù)值模擬得到不同界面的界面形貌Fig.4 Morphology of different interfaces obtained by numerical simulation.(a) TC1/1060 interface;(b)1060/6061 interface

3.2 界面元素

由于TC1/1060 界面兩側(cè)元素的不同，爆炸焊接過(guò)程中極易生成鈦/鋁金屬間化合物.以往試驗(yàn)中在鈦/鋁界面處觀測(cè)到了TiAl、TiAl2和TiAl3等金屬間化合物[18]，這些化合物呈現(xiàn)脆性破壞特征，可能會(huì)影響復(fù)合板的整體性能，因此，對(duì)TC1/1060 界面進(jìn)行了X 射線(XRD)檢測(cè)以觀察是否有鈦/鋁金屬間化合物產(chǎn)生，XRD 檢測(cè)結(jié)果如圖5 所示.結(jié)果表明TC1/1060 界面未檢測(cè)到金屬間化合物，在不含夾層的鈦/鋁金屬板爆炸焊接中，界面處往往會(huì)因?yàn)槟芰砍练e而產(chǎn)生缺陷及金屬間化合物，而1060 夾層的存在將能量分配到2 個(gè)不同界面，避免了單一界面能量過(guò)高的情況，從而抑制了金屬間化合物的產(chǎn)生.

圖5 XRD 試驗(yàn)結(jié)果Fig.5 XRD test result

為了分析界面元素?cái)U(kuò)散情況，分別對(duì)TC1/1060界面和1060/6061 界面進(jìn)行了能譜(EDS)測(cè)試如圖6 所示，按圖6a 中的線掃描路徑1 和路徑2 進(jìn)行元素含量測(cè)試，TC1/1060 界面處Ti 元素和Al 元素含量發(fā)生了突變，界面處的元素?cái)U(kuò)散范圍為4.38 μm.較寬的元素?cái)U(kuò)散范圍可能導(dǎo)致脆性金屬間化合物的生成，較窄的元素?cái)U(kuò)散范圍可能導(dǎo)致界面的不完全結(jié)合，因此，該擴(kuò)散范圍既保證了界面具有較高的結(jié)合質(zhì)量，同時(shí)又沒(méi)有金屬間化合物的生成，1060/6061 界面處僅存在Al 元素，表明夾層的存在阻止了Ti 元素向6061 層的擴(kuò)散，從而避免了在1060/6061 界面處產(chǎn)生金屬間化合物，這也是使用夾層的另一個(gè)優(yōu)勢(shì).

圖6 EDS 測(cè)試結(jié)果Fig.6 EDS test results.(a) EDS line scan position;(b)EDS result of TC1/1060 interface;(c) EDS result of 1060/6061 interface

3.3 界面狀態(tài)

采用上述有限元模型進(jìn)行爆炸焊接過(guò)程的模擬，并在1060/6061 界面觀察到了射流的出現(xiàn)，界面開(kāi)始出現(xiàn)射流時(shí)的速度云圖如圖7 所示，射流僅在1060/6061 界面出現(xiàn)，射流出現(xiàn)時(shí)的最大速度可達(dá)3.874 km/s，一部分速度較高的射流清潔金屬表層的雜質(zhì)，利于焊接過(guò)程的進(jìn)行；而另一部分速度較小的射流參與界面波形的形成.

圖7 1060/6061 界面開(kāi)始出現(xiàn)射流時(shí)的界面速度云圖Fig.7 Velocity cloud image when jetting starts to appear at 1060/6061 interface

選取0.043 9 ms 時(shí)刻的界面狀態(tài)為分析對(duì)象，對(duì)界面溫度和界面壓力進(jìn)行分析如圖8 所示，圖8a 為界面處的溫度分布，溫度場(chǎng)沿著界面形貌進(jìn)行分布，TC1/1060 界面的溫度呈現(xiàn)直線型在200～ 890 K 之間，1060/6061 界面的溫度呈現(xiàn)出波狀，最高達(dá)到2 500 K，爆炸焊接過(guò)程歷時(shí)極短，2 個(gè)界面處碰撞后的熱量不能夠及時(shí)向外傳遞，因此界面處溫度較高；圖8b 為界面的壓力云圖，在碰撞點(diǎn)處的壓力最大且呈現(xiàn)出橢圓形分布，在高壓作用下，2 個(gè)界面在碰撞點(diǎn)處成功進(jìn)行焊接，而碰撞點(diǎn)經(jīng)過(guò)的位置壓力迅速下降.

圖8 0.043 9 ms 時(shí)的界面狀態(tài)云圖Fig.8 Interface status cloud image at 0.043 9 ms.(a)interface temperature cloud image;(b) interface pressure cloud image

在炸藥的驅(qū)動(dòng)下，板向上運(yùn)動(dòng)為y軸正方向，向下運(yùn)動(dòng)為y軸負(fù)方向，y方向的速度可以反映出不同金屬板的碰撞和結(jié)合過(guò)程，分別選取TC1、1060 和6061 層的高斯點(diǎn)進(jìn)行分析，其中TC1 下層選取2 個(gè)高斯點(diǎn)(17 和19)，1060 上層和下層各選取2 個(gè)高斯點(diǎn)(7 和9，12 和14)，6061 上層選取2 個(gè)高斯點(diǎn)(2 和4)，圖9a 和圖9b 分別為高斯點(diǎn)2，4，7，9 和12，14，17，19 的y方向變化曲線，高斯點(diǎn)12，14，17 和19 的曲線反應(yīng)了TC1 板和1060 板的焊接過(guò)程(圖9b).

圖9 y 方向速度變化曲線Fig.9 The Y-direction velocity curve.(a) the Y-direction velocity curve of different gauss point ;(b) the Ydirection velocity curve of different gauss point

在炸藥的驅(qū)動(dòng)下，TC1 板向下運(yùn)動(dòng)，每層板之間設(shè)置了2 mm 的間距，因此TC1 板的存在一個(gè)加速過(guò)程(高斯點(diǎn)17 和19)，y方向速度在TC1 板與1060 板的碰撞點(diǎn)處發(fā)生了劇烈的轉(zhuǎn)向，這種現(xiàn)象的驅(qū)動(dòng)力是從沖擊點(diǎn)后最大壓力到?jīng)_擊前自由表面零壓力的壓力梯度[19]，相同的現(xiàn)象同樣出現(xiàn)在1060 板與6061 板碰撞的過(guò)程中.高斯點(diǎn)12 和17 的曲線以及高斯點(diǎn)14 和19 的曲線在速度突變后的軌跡相同，這表明TC1 板與1060 板碰撞后成功焊接，并以相同的速度運(yùn)動(dòng)，值得關(guān)注的是，高斯點(diǎn)12，14，17 和19 的曲線在結(jié)合后均出現(xiàn)了第二個(gè)峰值，這是因?yàn)門(mén)C1 板與1060 板焊接后成為一個(gè)整體，并以相同的速度向6061 板運(yùn)動(dòng)，高斯點(diǎn)2，4，7 和9 的曲線反應(yīng)了TC1 板與1060 板成功焊接后1060 板和6061 板的焊接過(guò)程(圖9a)，在1060板與6061 板發(fā)生碰撞后成功焊接，此時(shí)3 層板成功焊接的部分以相同的速度運(yùn)動(dòng).

3.4 力學(xué)性能

為了驗(yàn)證TC1/1060/6061 復(fù)合板界面的結(jié)合質(zhì)量，對(duì)復(fù)合板進(jìn)行了拉伸試驗(yàn)和剪切試驗(yàn)，復(fù)合板抗拉強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度分別見(jiàn)表5.

表5 復(fù)合板拉伸試驗(yàn)和剪切試驗(yàn)Table 5 Tensile and shear tests of composite plate

拉伸試驗(yàn)和剪切試驗(yàn)均為3 個(gè)試樣，抗拉強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度取3 個(gè)試樣的平均值，每個(gè)試樣的抗拉強(qiáng)度以及平均抗拉強(qiáng)度(394.99 MPa)遠(yuǎn)大于理論合格抗拉強(qiáng)度(365.57 MPa)，試樣的平均剪切強(qiáng)度為98.61 MPa，復(fù)合板具有較高的抗拉強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度，可以在實(shí)際結(jié)構(gòu)中應(yīng)用，同時(shí)也表明復(fù)合板界面缺陷較少，結(jié)合質(zhì)量較高.

4 結(jié)論

(1) TC1/1060/6061 復(fù)合板的TC1/1060 界面呈現(xiàn)出直線型形貌，1060/6061 界面呈現(xiàn)出大波狀形貌，且每個(gè)波形都伴隨著渦流區(qū)的產(chǎn)生，2 個(gè)界面均結(jié)合較好，不存在微裂紋等缺陷.

(2)夾層的存在解決了單一界面能量過(guò)高的問(wèn)題，將總能量分配至2 個(gè)不同界面，TC1/1060 界面處的Ti/Al 元素?cái)U(kuò)散范圍為4.38 μm，且未檢測(cè)到金屬間化合物，夾層同時(shí)阻止了Ti 元素向6061 層的擴(kuò)散，1060/6061 界面僅存在Al 元素.

(3)通過(guò)數(shù)值模擬再現(xiàn)了爆炸焊接過(guò)程，并觀察到了射流現(xiàn)象，溫度場(chǎng)沿著界面形貌進(jìn)行分布，TC1/1060 界面溫度在200～ 890 K 之間，1060/6061界面溫度最高達(dá)到2 500 K，2 個(gè)界面的壓力在碰撞點(diǎn)處達(dá)到最大，且呈現(xiàn)出橢圓形分布.

(4) TC1/1060/6061 復(fù)合板的抗拉強(qiáng)度為394.99 MPa，遠(yuǎn)高于理論合格抗拉強(qiáng)度值，剪切強(qiáng)度為98.61 MPa，復(fù)合板的力學(xué)性能滿足使用要求.