T10—Q245復合板爆炸焊接過程的數值模擬

李瑞勇++張娜娜

摘 要：采用非線性有限元軟件ANSYS/LS-DYNA對T10板和Q245板爆炸焊接進行了三維數值模擬，獲得了爆炸焊接過程中焊接過程、復板運動速度、碰撞區域壓力分布。結果表明，LS-DYNA可較好的模擬爆炸焊接過程，并且得到復板最大運動速度和速度變化規律，碰撞區域最大壓力和壓力變化規律。通過數值模擬可以有效再現爆炸復合過程，為爆炸焊接工藝參數的優化提供了參考。

關鍵詞：爆炸焊接；數值模擬；速度；壓力

一、序言

1944年，美國Carl提出爆炸焊接理論，受到了國內外學者的重視。20世紀六七十年代，英國、前蘇聯、聯邦德國、日本等相繼展開了爆炸焊接的研究。20世紀60年代開始，我國也進行了爆炸焊接試驗理論研究，從80年代開始，爆炸焊接的研究取得了長足的進展，其應用也從原來的傳統應用延伸到特種行業，如化工、石油、制藥、軍事，甚至核工業、航空、航天等領域都有廣泛應用。

爆炸焊接技術是具有一定塑性和沖擊韌性的不同金屬或者非金屬在炸藥爆轟產生的瞬時高溫高壓下實現復合的一種方法，它集熔化焊、擴散焊和壓力焊為一體，它是在爆炸焊接過程中，炸藥產生的高壓脈沖載荷推動復板以很大的沖擊速度與基板碰撞發生有著嚴重彈性畸變的塑性變形，因此界面基復板接觸表面部分原子掙脫了原有晶格的約束，在交匯處進行滲透擴散等作用，伴隨產生了有自清理作用的金屬射流；同時，巨大的動能在高碰撞時產生很大的熱量，使結合區附近金屬發生了熔化擴散，從而實現爆炸焊接的結合。

二、T10-Q245爆炸復合數值模擬

本文采用有限元軟件ANSYS/LS-DYNA模擬爆炸焊接的動態過程及其壓力、速度分布情況。ANSYS/LS-DYNA功能強大，可以進行非線性動力學分析，多剛體動力學分析，歐拉場分析，任意拉格朗日-歐拉（ALE）分析，流體-結構相互作用分析，有限元-多剛體動力學耦合分析（MADYMO，CAL3D）。

T10鋼在生活中比較常見，因其強度及耐磨性較好，但塑性較差。常被用于制造具有銳利刀口和有少許韌性的工具。Q245指的是屈服強度值為245MPa的壓力容器鋼。這種材料耐熱耐高溫，具有良好的塑性，但強度及耐磨性一般。提出了以耐磨性能好的工具鋼T10和具有良好塑性的Q245壓力容器鋼為原材料，利用爆炸焊接技術實現復合。這樣可以發揮兩種材料各自的優點，相互彌補缺點。T10-Q245爆炸復合板具備Q245的耐熱耐腐蝕的性能，同時又兼顧了T10的耐磨高強度的特性，與兩種原材料相比，力學性能和經濟方面有具備明顯的優勢。

2.1 爆炸復合數值模擬材料參數

2.1.1 基板、復板材料模型和狀態方程

基板材料采用碳素鋼Q245，尺寸為50cm×30cm×42mm，復板材料采用工具鋼T10，尺寸為50cm×30cm×6mm。為了簡化計算，僅對四分之一幾何模型進行分析。

動力非線性分析中，T10和Q245本構關系選用Johnson-Cook模型

（1）

式中： ——Von Mises 流動應力；

——等效彈性應變；

——參考應變速率，取1.0；

——無量綱溫度， 分別為室溫和材料熔點。

A、B、C、m、n為材料常數，其中B、n表征應變硬化特性；C表征應變率敏感特性；m表征溫度軟化特性。該模型可以描述材料在高速碰撞和爆炸作用下的大應變及在高應變率和高溫時的力學性能，能夠反映應變率強化效應和溫升軟化效應。

（2）

式中： ，即壓力與Von Mises等效應力的比值，與板的應力狀態有關。D1，D2，D3，D4，D5為失效系數。T10和Q245的本構方程參數見表1。

表1 T10、Q245的Johnson-Cook本構參數

T10、Q245的狀態方程采用ANSYS/LS-DYNA中提供的*EOS-GRUNEISEN方程。具體參數見表2。

表2 T10、Q245的*EOS-GRUNEISEN參數

2.1.2 炸藥的材料模型和狀態方程

炸藥材料選用低爆速的2#巖石炸藥，尺寸為50cm×30cm×30mm。采用*MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN高能燃燒材料模型，同時采用Jones-Wilkins-Lee狀態方程，即JWL方程：

（3）

式中：P——爆炸產物的壓力；

V——爆轟產物的相對比容， ，v是爆轟產物的比容，v0是爆轟前炸藥的初始比容；

E0——爆轟產物的比內能。

A1，B1，R1，R2，ω為特定參數。炸藥的本構方程和狀態方程見表3。

表3 2#巖石炸藥高能燃燒材料模型及JWL方程參數

2.2 爆炸復合模型

利用LS-DYNA后期處理軟件LS-PrePost，建立T10-Q245爆炸復合模型。

為了方便觀察，僅分析T10板、Q245板的焊接過程，如圖1所示。從圖中看出，炸藥起爆后產生劇烈的熱效應和壓力，使板材產生高應變速率的塑性變形并呈現類似流體的狀態。在兩種板材接觸的界面存儲了大量的塑性應變能，使得界面處兩種原子形成金屬鍵，兩板材形成了復合。

2.2.1 復板運動速度規律

復板運動速度是爆炸焊接最關鍵的參數之一，圖2是復板上某點運動速度隨時間的變化曲線。從圖中可以看出，變化規律基本是還未到達最高速度時，速度幾乎是呈線性增加的然后迅速下降并且反復震蕩。

2.2.2 碰撞點區域的壓力場

從圖3碰撞點區域的壓力場分布圖看出，最大壓力極值可以達到3.2GPa。復板和基板發生復合的基本條件是碰撞點的高壓力，壓力會使復板迅速升溫，并產生金屬射流，使得焊接界面得到清潔保證焊接質量。

壓力波傳播到復板時，復板自由表面會反射回來稀疏波，如果焊接界面尚未完全結合，反射稀疏波又將復板和基板分開，則會影響爆炸焊接的復合程度，而根據圖3所示，碰撞點壓力持續時間短暫，所以對焊接是有影響的。

三、結論

（1）利用LS-DYNA可以建立爆炸焊接三維數值模型，并且可以獲得爆炸焊接的壓力場與速度場。

（2） 根據爆炸焊接的速度場變化規律，可以看出速度幾乎呈線性增大到最大值，然后迅速下降然后反復震蕩。

（3）根據爆炸焊接的壓力場變化規律，可以得到碰撞點壓力最大值，但是持續時間短暫，會影響到焊接質量。

參考文獻

[1] F. Findik， Recent developments in explosive welding， MATER DESIGN 32 （3） （2011） 1081–1093.

[2] D.M. Fronczek， J. Wojewoda-Budka， R. Chulist， A. Sypien， A. Korneva， Z. Szulc， N. Schell， P. Zieba. Structural properties of Ti/Al clads manufactured by explosive welding and annealing， Materials and Design 91 （2016） 80–89.

[3] 王建民，朱錫，劉潤泉. 爆炸焊接三維數值模擬[M]. 焊接學報，2007.

[4] 薛治國. 大面積鈦/鋼復合板爆炸焊接過程的有限元模擬與分析[J]. 西北工業大學，2007.

[5] 張保奇. 異種金屬爆炸焊接結合界面的研究[J]. 大連理工大學，2005.

[6] 王飛，顧月兵，路飛. 爆炸焊接生成波狀界面的數值模擬[M]. 解放軍理工大學學報，2004，5（2）：63-67.

[7] 王宇新，楊文斌，李曉杰. 爆炸焊接二維復板飛行姿態計算機仿真[J]. 爆破器材，1999，28（5）：1-4.

[8] 殷先偉. 鈦-鋼板材爆炸焊接工藝優化與數值模擬[J]. 南京理工大學，2010.

[9] 鄭遠謀. 爆炸焊接和金屬復合材料及其工程應用[M]. 中南大學出版社，2002.

[10] Akihisa Abe. Numerical study of the mechanism of a wavy interface generation in explosive welding[J]. JSME International on high energy rate fabrication. San Antonio， Tex， USA， 1984：75-84.