炸藥量和布藥方式對(duì)鎂/鋁爆炸焊接的影響研究

爆炸焊接是一種通過炸藥爆炸產(chǎn)生的能量實(shí)現(xiàn)異種金屬的快速接觸焊接方法。本質(zhì)上，這是一種新型的金屬焊接工藝，結(jié)合了壓力焊、熔化焊和擴(kuò)散焊的特點(diǎn)，利用炸藥作為主要能源[1]。該技術(shù)因其設(shè)備投資少、操作簡便、焊接質(zhì)量高以及成本低等優(yōu)點(diǎn)，近年來被廣泛應(yīng)用于石油、化工和航天等領(lǐng)域。隨著生產(chǎn)和科技的進(jìn)步，計(jì)算機(jī)技術(shù)的普及，數(shù)值模擬在爆炸焊接中的應(yīng)用變得越來越重要。

目前，有眾多學(xué)者正在積極地運(yùn)用有限元分析軟件對(duì)爆炸焊接技術(shù)進(jìn)行深入的研究和探討。通過這些研究，已經(jīng)得出了許多有價(jià)值的發(fā)現(xiàn)和結(jié)論，這些結(jié)論對(duì)于理解和改進(jìn)爆炸焊接過程具有重要意義。唐文龍指出在一定范圍內(nèi)，爆炸速度與界面波形成正比；李繼紅等[3利用LS-DYNA軟件研究了炸藥的不同起爆方式和爆炸工藝參數(shù)對(duì)于焊接質(zhì)量的影響；繆廣紅等[4]對(duì)鉬/304不銹鋼的爆炸焊接進(jìn)行模擬研究，指出界面波長與碰撞角呈正相關(guān)；碰撞速度越大，界面波長和波幅也越大；曹超等[5]應(yīng)用光滑粒子流體動(dòng)力學(xué)（SPH）方法對(duì)銦/鐵復(fù)合板進(jìn)行了數(shù)值模擬。研究表明，當(dāng)炸藥厚度增加時(shí)，界面波形結(jié)構(gòu)更明顯。

從上述眾多學(xué)者的深人研究成果中，可以清楚地觀察到，運(yùn)用數(shù)值模擬技術(shù)來全面模擬整個(gè)爆炸焊接過程，不僅是可行的，而且極其有效。這種方法提供了一個(gè)詳細(xì)的過程視角，使我們能全面地了解焊接過程并大大提高了試驗(yàn)的容錯(cuò)率。本文利用LS-DYNA有限元軟件，結(jié)合光滑粒子流體動(dòng)力學(xué)方法（SPH），構(gòu)建了一個(gè)詳細(xì)的二維模型。研究結(jié)果清楚地表明，使用的炸藥量及其布置方式在爆炸焊接過程中起著至關(guān)重要的作用，關(guān)系到爆炸焊接質(zhì)量。通過調(diào)整炸藥的量和布置方式，可以顯著改善焊接質(zhì)量，從而獲得更加堅(jiān)固和可靠的焊接復(fù)合板。因此，深入分析這兩者之間的關(guān)系對(duì)優(yōu)化實(shí)際爆炸焊接過程具有重要意義。

1計(jì)算模型

1.1模型的設(shè)計(jì)

本文以文獻(xiàn)［6］的模型作為基礎(chǔ)，基板和復(fù)板分別為MAGAZ-31B以及AL7039材料，采用ANSYS/LS-DYNA軟件和光滑粒子流體動(dòng)力學(xué)（Smoothedparticle hydrodynamics，SPH）算法，建立二維模型進(jìn)行數(shù)值模擬，網(wǎng)格大小為 0.25mm× 0.25mm 。模型如圖1所示，自下而上依次為基板、復(fù)板和炸藥，其中尺寸依次為 295mm×15mm 和 300mm×4mm ，基復(fù)板間距為 6mm 。所使用的炸藥為銨油炸藥（ANFO），ANFO炸藥爆速為4160m/s ，密度是 0.931g/cm^-3 。本文利用 SPH方法模擬焊接界面波時(shí)，忽略了空氣對(duì)結(jié)果的影響。該方法的單位是 cm-g-μs 。

1.2參數(shù)的選取

銨油炸藥采用高能燃燒模型和JWL狀態(tài)方程[7]，其公式為

式（1）中，A、B、R1、R2和 ω 為材料特定參數(shù)，p為爆壓， GPa ；EO為初始比內(nèi)能， GPa V為爆轟產(chǎn)物的相對(duì)比熱容，是無量綱。炸藥具體JWL狀態(tài)參數(shù)見表1。

基復(fù)板使用Johnson-Cook材料模型[8和Mie-Gruneisen狀態(tài)方程[9]，即：

式（2）中， σ_σσσ 為VonMises應(yīng)力，塑性應(yīng)變率，A、B、 n 、c和 m 是和材料有關(guān)的常數(shù)，無量綱溫度 T* ，其表達(dá)式為 T*= （T-Tr） （ Tm^- Tr），Tr為室內(nèi)溫度， Tm 為材料熔點(diǎn)。MAGAZ-31B、AL7039的Johnson-Cook材料模型的相關(guān)參數(shù)，如表2和表3所示。

2均勻布藥

為了研究炸藥量對(duì)鎂-鋁板爆炸焊接質(zhì)量的影響，首先采用均勻布置的方法布置炸藥，炸藥厚分別是 25mm 和 35mm 。截取 35μs 時(shí)間段的反應(yīng)圖（圖2和圖3）可以看出，在爆炸焊接碰撞區(qū)可以觀察到很明顯的射流現(xiàn)象。這種現(xiàn)象也被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)良好爆炸焊接必要條件之一[10]，因此也說明利用無網(wǎng)格SPH方法用于爆炸復(fù)合的有效性。

通過使用炸藥爆炸產(chǎn)生的爆轟壓力與爆炸焊接界面波長的理論計(jì)算公式來詳細(xì)分析爆炸焊接過程中各個(gè)參數(shù)之間的相互關(guān)系和作用，并且更好地理解并優(yōu)化爆炸焊接參數(shù)。

炸藥爆轟壓力的計(jì)算公式[」如下：

式（3）中， γ 為炸藥的多方指數(shù)； ρ₀ 為炸藥密度；D為炸藥爆速。

根據(jù)公式（3）可知，炸藥產(chǎn)生的爆轟壓力與其密度和爆炸速度有著非常緊密的關(guān)聯(lián)。在一定的條件下，炸藥的爆炸速度會(huì)隨著裝藥的厚度增加而增加[6]。因此，通過調(diào)整炸藥的密度和裝藥的厚度，可以有效地控制爆炸時(shí)產(chǎn)生的壓力，進(jìn)而影響爆炸的威力和效果。這種關(guān)系對(duì)于理解和應(yīng)用各種類型的炸藥在不同情況下的表現(xiàn)提供了重要的理論依據(jù)。因此，當(dāng)布藥厚度為 35mm 時(shí)，其產(chǎn)生的碰撞壓力值會(huì)高于布藥厚度為 25mm 時(shí)的壓力值。

波長理論計(jì)算公式[12]為：

式（4）中： ν_p 為基、復(fù)板之間碰撞的速度; d 為復(fù)板厚度； c 為金屬體積聲速； υ_c 為爆轟速度。

根據(jù)式（4）可知，當(dāng)采用不同布藥方式時(shí)，復(fù)板厚度和金屬的體積聲速是不變量，只有炸藥爆轟速度和碰撞速度是變動(dòng)的。當(dāng)炸藥爆轟速度越大，基、復(fù)板之間的碰撞速度也會(huì)越大，因此爆炸焊接結(jié)合界面的波長由碰撞速度決定。

綜上理論所述，在使用相同炸藥的情況下，碰撞壓力與炸藥的爆速成正比，而在平行法爆炸焊接裝置中，炸藥的爆速等同于碰撞點(diǎn)的移動(dòng)速度[13]。由此可以得出爆炸產(chǎn)生的碰撞壓力決定著界面波形。均勻布藥方式下炸藥厚度為 35mm 的模型將比炸藥厚度 25mm 的模型所產(chǎn)生的波形要大。

為驗(yàn)證上述結(jié)論，在復(fù)板表面選取5個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，并導(dǎo)出不同炸藥厚度時(shí)關(guān)鍵點(diǎn)的碰撞壓力時(shí)程，如圖4和圖5所示，并輸出時(shí)間與速度曲線，如圖6和圖7所示。關(guān)鍵點(diǎn)的選取如圖8所示。

結(jié)果表明，沿著爆炸方向，基、復(fù)板之間的碰撞壓力越來越大，基、復(fù)板間碰撞速度也逐漸加快，所以按照公式（4）可知，結(jié)合面的波長會(huì)逐漸增加，基板與復(fù)板之間的接觸界面經(jīng)歷了從微波狀到大波狀的轉(zhuǎn)變過程，且碰撞壓力越大的模型會(huì)產(chǎn)生更大的波形現(xiàn)象。由圖4和圖5可知炸藥厚度為 35mm 的模型碰撞壓力要大于炸藥厚度為 25mm 的模型，所以炸藥量為 35mm 的模型的波形要大于炸藥量為 25mm 的模型，在圖2和圖3可以清楚地看到界面波形的大小及形成過程符合上述分析。因此可以得出在一定范圍內(nèi)炸藥量越大，碰撞壓力越大，界面波形也越大，該結(jié)論與文獻(xiàn)［14］利用普碳鋼Q235材料進(jìn)行爆炸焊接試驗(yàn)所得到的金相試驗(yàn)結(jié)果相一致，文獻(xiàn)［15]利用鈦/鋼材料進(jìn)行爆炸焊接試驗(yàn)所得到的金相試驗(yàn)結(jié)果也與該結(jié)論相吻合，文獻(xiàn)［16］利用1060工業(yè)純鋁/Q235鋼進(jìn)行爆炸焊接得到結(jié)合界面波長波高形狀受炸藥量影響，隨著藥量的增加，結(jié)合界面波長波高均變大，所得到的結(jié)論與本文現(xiàn)象也吻合較好，文獻(xiàn)［17］利用鈦/304不銹鋼進(jìn)行爆炸焊接所得的結(jié)合界面處金相組織與本文結(jié)論也吻合較好。

為優(yōu)化復(fù)合焊接質(zhì)量，采用梯形布藥方式進(jìn)行焊接。通過沿爆轟方向逐步遞減的裝藥厚度布置，可以得到波形尺寸一致的結(jié)合界面，從而使整個(gè)結(jié)合界面保持在微波狀態(tài)。這有助于避免由于大波狀界面導(dǎo)致的渦旋和裂縫，從而提升爆炸焊接的結(jié)合質(zhì)量。因此，均勻布藥的方式并非爆炸焊接的最佳選擇[6] 。

3梯形布藥

由于均勻布藥方式產(chǎn)生的界面波形不均勻，可能會(huì)在一定程度上影響焊接質(zhì)量。為進(jìn)一步提升焊接質(zhì)量，采用非均勻布藥，來控制爆轟過程中的能量釋放，使得結(jié)合界面的波形保持在一個(gè)微波狀態(tài)。非均勻布藥具體來說就是梯形布藥的方式，如圖9中所示。梯形布藥通過調(diào)節(jié)炸藥起爆端與末端的厚度差異，來確定一個(gè)最佳的傾斜裝藥角度。這樣做可以使得復(fù)合板表面在爆轟過程中各點(diǎn)的壓力分布盡可能地保持一致，從而確?；迮c復(fù)合板之間在撞擊時(shí)的速度差異最小化，從而避免因大波狀界面而產(chǎn)生的漩渦和裂縫，進(jìn)而提高結(jié)合界面結(jié)合質(zhì)量，使整個(gè)焊接界面維持在微小波形狀態(tài)。

建立如圖9所示的梯形裝藥結(jié)構(gòu)。

梯形布藥方式的不同方案如表4所示。

梯形布藥方案下復(fù)板表面各關(guān)鍵點(diǎn)的碰撞壓力-時(shí)間曲線，如圖10所示。

根據(jù)上述結(jié)果可知，各方案下關(guān)鍵點(diǎn)碰撞壓力的最大值，結(jié)果如表5所示。

觀察各個(gè)方案的碰撞壓力時(shí)程發(fā)現(xiàn)，在采用梯形布藥的方式進(jìn)行爆炸焊接時(shí)，可以觀察到沿著爆炸方向的碰撞壓力不會(huì)像均勻布藥方式那樣逐步增長。梯形布藥方式有效地消除了碰撞壓力持續(xù)增長所帶來的不利影響，使爆炸焊接界面上形成的波形基本保持一致，同時(shí)波紋的波長和波幅都明顯減小，這有助于提高焊接質(zhì)量。該結(jié)果與文獻(xiàn)［14］研究普碳鋼Q235在梯形布藥方式下所得的金相結(jié)果相吻合，文獻(xiàn)［18」采用鎳板與銅板進(jìn)行爆炸焊接所得的金相結(jié)果與該結(jié)果也吻合較好。

為了有效消除邊界效應(yīng)對(duì)結(jié)果的影響，不將起爆端和末端的碰撞壓力值納入考量。從表5的數(shù)據(jù)對(duì)比中明顯觀察到，方案2在復(fù)板上各關(guān)鍵點(diǎn)的最大碰撞壓力值的波動(dòng)幅度相對(duì)較小，顯示出更為穩(wěn)定的性能。因此，與其他方案相比，方案2展現(xiàn)了更優(yōu)越的表現(xiàn)。這種穩(wěn)定性的優(yōu)勢(shì)使得方案2在實(shí)際應(yīng)用中可能更為可靠。

綜上所述，梯形布藥方式能夠提高焊接質(zhì)量，并減少炸藥用量，相較于均勻布藥，復(fù)合效果更為優(yōu)越。通過分析，確定炸藥起爆端和末端的厚度分別為 20mm 和 17mm 時(shí)，裝藥的傾斜角度為最佳。

在實(shí)際工程應(yīng)用中，梯形布藥參數(shù)的確定相對(duì)復(fù)雜，受到多方因素的影響，因此在實(shí)踐中不常使用。盡管減少炸藥的布藥厚度可以降低碰撞壓力，但這種關(guān)系并非嚴(yán)格線性。因此，研究如何保持基板與復(fù)板的復(fù)合界面波形穩(wěn)定，仍需進(jìn)行大量深入的研究。

4結(jié)論

（1）采用LS-DYNA軟件和SPH法，通過對(duì)整個(gè)爆炸焊接過程的模擬，包括焊接過程中射流的生成以及最終結(jié)合界面的波形狀態(tài)，驗(yàn)證了SPH方法在爆炸焊接中的有效性。

（2）在均勻布藥方式下，對(duì)比炸藥厚度為25mm 和 35mm 的兩組模型，沿爆轟方向基板與復(fù)板之間的碰撞壓力和波形均呈逐漸增大的趨勢(shì)。此外，炸藥量的增加導(dǎo)致碰撞壓力和波形的幅度也相應(yīng)增大。

（3）在梯形布藥方式下，能夠有效地消除使用均勻布藥方式可能帶來的負(fù)面影響。這種布藥方式能夠確保復(fù)合板結(jié)合界面的波形尺寸保持一致性，此外，梯形布藥還有助于減少炸藥的使用量，從而降低成本。通過具體分析，當(dāng)炸藥在起爆端的厚度設(shè)置為 20mm ，而在末端的厚度設(shè)置為17mm 時(shí)，可以達(dá)到最佳的焊接效果。

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Study on the Effects of ExplosiveWeight and Distribution Method on Magnesium-Aluminum Explosive Welding

WU Weida’，MIAO Guanghong2，DONG Jilei2 （1. School of Civil Engineering and Architecture; 2. School of Mechanics and Optoelectronics Physics， Anhui University of Science and Technology，Huainan，Anhui 232OOl，China）