爆炸焊接工艺参数与爆炸复合数值模拟结果分析

第 1 章 绪 论

1.1 引言
随着社会的发展，人们对材料性能提出了越来越高的要求，并且对于有限的贵金属的需求量在逐渐增大，于是复合材料应运而生，它以独特的结构和优异的性能开辟了一个崭新的行业，复合材料的生产方法多种多样，但爆炸复合却以它独特的优势越来越受到人们的关注。爆炸焊接技术，顾名思义，是具有一定塑性和冲击韧性的不同金属或者非金属在炸药爆轰产生的瞬时高温高压下实现复合的一种方法，它是在爆炸焊接过程中，炸药产生的高压脉冲载荷推动复板以很大的冲击速度与基板碰撞发生有着严重弹性畸变的塑性变形，因此界面基复板接触表面部分原子挣脱了原有晶格的约束，在交汇处进行渗透扩散等作用，伴随产生了有自清理作用的金属射流；同时，巨大的动能在高碰撞时产生很大的热量，使结合区附近金属发生了熔化扩散[1]，从而实现爆炸焊接的结合。它的结合强度不低于基材中的较弱者，属于爆炸加工的一部分，并且具有对复合材料件进行后续的冲压、轧制、切割、校平等各种深加工等等，这些优点都是其它复合工艺所没有的。
这些爆炸复合材料可以充分发挥各自优异的性能、节约贵重金属、降低成本、提高设备利用率等等。例如钛和钢在高温下容易生成金属化合物，因此不适用于通常的熔焊，但在瞬态高速碰撞复合的爆炸焊接可以有效避免这一缺点，由此复合的钛-钢板制造的设备，在减少耐蚀材料的情况下保持了所需的耐蚀性又提高了设备的强度，导热性等优异性能也没有减少；另外，应用爆炸焊接过渡接头可以减少异种材料的焊接，而只对同种材料的焊接，例如铜-钢的爆炸复合过渡接头应用到电力工业后，明显的降低了两者之间电阻，进一步节约了有限的电力资源；除此之外，爆炸焊接还能应用于大中型设备的局部修复[2]。一般意义上的爆炸复合只是爆炸焊接的一种，它仅指的是大面积双金属或者多金属板材（同种或者异种）之间的爆炸焊接，其他爆炸焊接还有管管、管板、管棒、型材以及局部修复等等，在这里我们只讨论爆炸复合。到目前为止，我们已经对几百种材料成功进行了爆炸焊接，这其中包括水下爆炸铝板与陶瓷容器的焊接以及块体非晶态合金的制备等等。

1.2 爆炸焊接发展现状
19 世纪 40 年代，Carl[3]第一次以文献记录了在实验中偶然发现的两个半硬的黄铜片在炸药的冲击下实现了波状结合的现象。但爆炸焊接这个概念的提出源于 V.Philipchuk，他于 1957 年首次成功地焊接了钢-铝[4]。航空航天工业于五十年代中期迅速发展，然而当时传统的金属加工已经不能满足它的独特性能要求，于是美国很多大公司都把目光转向了极具潜力的爆炸焊接，如巴蒂尔研究所、喷气通用公司、丹佛研究、米克尔森实验室等；日本三菱重钢以及神户钢铁对爆炸焊接的研究和成功实验也位列世界前列；继此之后，前苏联、英国、联邦德国、瑞典等发达国家对它进行的工艺应用研究进一步促使爆炸焊接技术应用更加广泛。随着工业技术的的不断发展，我国于 19 世纪 60 年代也开始了爆炸焊试验研究，具有历史意义的我国第一块复合板是大连造船厂制备的，随着研究的深入，爆炸焊接迅速发展，这主要归因于越来越多的领域亟待需耐腐蚀、耐高温、耐磨的爆炸焊接材料，使得该技术能广泛的应用在化工、造船等具有腐蚀性以及复合大面积等领域，从而为爆炸焊接技术进一步的发展开辟了广阔的前景[5]。
理论方面，国外总结爆炸焊接的成果的著作主要有讲解爆炸成型的的《Principle andpractice of explosive metalworking》、关于爆炸焊接的的《Explosive Welding of Metals andApplication》和《Explosive Welding, Forming, Compaction》；我国为总结我国在爆炸加工领域的成就，在 1969 年就出版了《高能成型》（并于 1980 年再版，定名为《爆炸加工》）；1987 年邵丙磺、张凯主编的《爆炸焊接原理及其工程应用》引入了大量工程实例；2002 年，郑远谋摒弃传统的流体力学观点，主编了以金属理论学为基础的关于爆炸复合工艺参数、组织性能、工程应用的《爆炸焊接和金属复合材料及其工程应用》。同时，为了规划爆炸焊接标准，我国也颁布了一些国标如：《GB /T13147-91 铜及铜合金复合板焊接技术条件》、《GB/T13148-91 不锈钢复合钢板焊接技术条件》、《GB /T13149-91钛及钛合金复合钢板焊接技术条件》、《GB /T6396-1995 复合钢板力学及工艺性能试验方法》、《GB /T16957-97 复合钢板焊接接头力学性能试验方法》，以上都是以后我们进行爆炸复合的理论研究和试验研究的依据和规范[6]。
同时，国内外的爆炸焊接方面的专家学者也发表了不少有价值的论文，这其中包括焊接机理研究、边界效应的消除以及工艺参数的确定等等，这些理论研究能进一步指导生产实践。在研究范围上，有学者将爆炸焊接扩大到对非晶态合金进行复合，甚至非晶态与普通金属进行复合；还有学者成功了进行了金属与陶瓷的爆炸复合，这一发展趋势改变了金属与非金属原本单一的钎焊技术，是爆炸复合为它们的结合提供了更广阔的空间。
 
   1.3 爆炸焊接的特点 .......................10-11
    1.4 研究背景....................... 11-12
    1.5 主要研究内容及意义 .......................12-14
第2章 实验参数及其选择 .......................14-22
    2.1 爆炸焊接工艺参数 .......................14-15
    2.2 爆炸焊接工艺参数的选择 .......................15-20
    2.3 爆炸焊接窗口及其计算机优化 .......................20-21
    2.4 本章小结....................... 21-22
第3章 模拟与结果 .......................22-44
    3.1 引言 .......................22-23
    3.2 ANSYS/LS-DYNA 显示动力学基础 .......................23-27
    3.3 爆炸焊接的模拟过程 .......................27-30
    3.4 T10-Q235 爆炸复合数值模拟结果 .......................30-40
    3.5 3Cr13-Q235 爆炸复合数值模拟结果 .......................40-42
    3.6 本章小结 .......................42-44
第4章 爆炸焊接实验及研究 .......................44-60
    4.1 爆炸焊接过程 .......................44-46
    4.2 金相样品制备 .......................46-47
    4.3 实验结果分析 .......................47-57
    4.4 爆炸焊接机理 .......................57-58
    4.5 本章小结 .......................58-60

结论

目前，数值仿真模拟已经广泛的应用在不同的领域，并受到了极大的关注，但用模拟的方法对爆炸复合尚处在刚刚起步阶段，还有许多问题没有得到很好的解决，例如如何用流固耦合模拟温度场的分布，模拟复合材料的瞬态熔化、凝固以及扩散的过程。
1、通过理论计算公式的计算，得出了爆炸焊接工艺参数，由此也确定了爆炸焊接窗口的计算方法。
2、本课题利用 LS-DYNA 进行 T10-Q235 和 3Cr13- Q235 爆炸复合过程进行了有限元分析，利用流固耦合的 ALE 算法对爆炸复合应力、应变、位移和速度进行了模拟，确定了复板 T10 为 6mm 厚时，炸药量取 30mm，间距为 5mm 或者 6mm；复板 3Cr13为 3mm 厚时，炸药量取 18mm，间距为 3mm 时结合最好，并在实验中得到了很好的结果，这也为实际生产及工程应用提供重要的理论依据。
3、利用 LS-DYNA 模拟得出了：在一定范围内，装药量与复板的运动的最大速度成正比，并且与塑变也呈正比；在一定范围内，基复板间距也与复板运动的最大速度成正比，但超过一定数值后，这种比例消失。通过数值模拟得出了合适的工艺参数，装药量比理论计算值要小 15%左右，并且得到了良好的结合。
4、通过金相显微镜、SEM 描电镜，我们可以得出：在波状爆轰载荷下，形成了爆炸焊接的波状结合面的，同时在波峰和波谷形成了漩涡，在爆轰的高温下形成了一些熔化块；通过 SEM 扫描电镜的分析可以得出，在几十μm 的过渡层中存在着扩散，也就是说爆炸焊接融合了压力、熔化和扩散的特征，进一步说明了它是“三位一体”的焊接。

参考文献：

[1] 杨扬,张新明,李正华,等.爆炸复合的研究现状和发展趋势[J].材料导报,1995,9(1):72-76
[2] 郑远谋 . 爆炸焊接和金属复合材料及其工程应用 [M]. 长沙 : 中南大学出版社,2002:1-291
[3] LR Carl.Brass Weld Made by Detonation Impulse[J],Metal Progresss.1944,46(1):102-103
[4] V Philipchuk. Explosive Welding and Forming for Industry[J].WeldEngr,1959,44(4):61-62
5] 王健民,朱锡,刘润泉.爆炸焊接的应用与发展[J].材料导报,2006, 20(1):42-45
[6] 李晓杰 , 闰鸿浩 , 王金相 , 等 . 爆炸焊接技术回顾与展望 [J]. 襄樊职业技术学院学报,2003,2(2):17-21
[7] 邵丙瑛,张凯.爆炸焊接原理及其工程应用[M].大连:大连工学院出版社, 1987:18-108.
[8] 郑远谋.爆炸焊与异种金属材料的焊接[J].新工艺与新技术,2001,(5):25-26
[9] 王耀华.金属板材爆炸焊接研究与实践[M].北京:国防工业出版社,2007:118-128
[10] 李翼棋.炸药的性能及其在爆破中的作用[J].爆破器材,1997,(2):8-10