過渡層對鋯/鋼爆炸復合板剪切強度的影響

高利霞 唐衛(wèi)華

摘 要：為了探究過渡層能否提高鋯/鋼復合板結合強度的有效性，同時得出合理的爆炸焊接碰撞參數(shù)，對雙層鋯/鋼和三層鋯/鋼進行了小傾角法爆炸焊接實驗研究。借助金相顯微技術測量了復合板結合界面的波形參數(shù)，采用了光滑粒子動力學模擬得出了各個位置的碰撞速度和碰撞角，并按照國家標準對復合板結合界面的爆炸態(tài)及退火態(tài)的剪切強度進行了測量。

關鍵詞：過渡層；剪切強度；爆炸復合板

本文中，擬對鋯/鋼進行小傾角法爆炸焊接實驗，測量各結合界面的波形參數(shù)和剪切強度，分析過渡層及退火處理對復合板剪切強度的影響。

一、小傾角爆炸焊接實驗

小傾角法爆炸焊接實驗是將復板和基板預先設置一定的角度，一般為2°～6°，使復板與基板之間的間距不斷發(fā)生變化，從而在不同的加速距離下不斷獲得相應的碰撞速度和碰撞角，預設的角度越大碰撞角越大。小傾角法可在同一次實驗中得出多組不同碰撞速度和碰撞角下的爆炸焊接數(shù)據(jù)，適合優(yōu)化爆炸焊接動態(tài)參數(shù)。本次實驗中采用R60702鋯板的復板，Q345R鋼板的基板，過渡層為鈦板。

基板與過渡層要平行放置。各板之間的結合面都要進行拋光處理，復板與炸藥接觸的表面要涂抹黃油保養(yǎng)。

爆炸焊接后得到的鋯/鋼復合板無開裂，表面平整，超聲波檢測出其結合率為100%。在每塊復合板上沿長度方向切割出尺寸為360mm×20mm的長條，再截斷成40mm長左右的試樣長條，以便進行后期的剪切強度實驗檢測。

二、爆炸實驗結果與分析

2.1波形的參數(shù)

結合界面會在金屬板爆炸焊接時形成界面波，爆炸復合板的結合強度決定了界面波的大小。一般界面波較小時，結合強度會比較高。界面波的大小可由波形參數(shù)來表示，波形參數(shù)包括波長s、波高h和比波長s/h。從圖1鋯/鋼復合板9個試樣的界面波實驗結果可以看出，試樣1的結合界面平直無波紋，試樣2的左半部無波紋，右半部開始出現(xiàn)細小波紋，其他7個試樣的結合界面都有波紋產(chǎn)生，而且沿爆轟波傳播方向界面波越來越明顯。試樣9的右半部沒有界面波，這是受爆炸焊接末端稀疏效應的影響所致。

為了方便測量各試樣的波形參數(shù)，選取每個試樣的中間位置，使用金相顯微對結合界面進行觀察。金相圖如圖2所示，試樣1基本無界面波，其余8個試樣的界面波形狀相似，波長逐漸增大。在實驗結果中測量出界面波的波長和波高，具體波形參數(shù)見相應的實驗數(shù)據(jù)。圖中的位置表示界面波波峰至起爆點的距離，在距離起爆點60mm處界面波的波長、波高和比波長均發(fā)生了突變，說明開始產(chǎn)生界面波。此后隨著遠離起爆點，波長和波高逐漸增加，比波長先減小后增加。

采用相同的方法測量鋯/鈦/鋼試樣的界面波波形參數(shù)。鋯/鈦/鋼復合板會有2個界面，即鋯/鈦界面以及鋯/鋼界面。金屬板爆炸焊接時會在結合界面形成界面波，界面波的大小與爆炸復合板的結合強度有鈦/鋼界面，所以分別對2個界面進行金相顯微觀察，然后將同一位置2個界面的圖像合成在一起，如實驗數(shù)據(jù)所示。鋯/鈦界面在20mm處無界面波，在60毫米開始就會出現(xiàn)微小的界面波，此后波長和波高就會逐漸增加。鈦/鋼界面形成界面波到達指定位置，波長就會逐漸增加，其比波長值為5.0左右。鋯/鈦/鋼復合板的波形參數(shù)見表1。

表1復合板波形參數(shù)

2.2剪切的強度

爆炸復合板的結合強度是評價復合板質量的重要參數(shù)，通常用剪切強度來表示。復合板的剪切強度一般根據(jù)國標的標準進行檢測。按照該標準對鋯/鋼和鋯/鋼試樣進行加工，復合板剪切強度檢測裝置及剪切后的試樣如樣品所示。各試樣結合界面的剪切強度見表2，其中退火狀態(tài)是指經(jīng)過退火處理消除了加工應力的試樣，退火溫度需要達到為580攝氏度，并且作保溫處理1小時。爆炸態(tài)是沒有經(jīng)過退火處理的試樣。從相關實驗數(shù)據(jù)我們可以得出，退火處理后復合板結合界面的剪切強度會小幅降低。我們根據(jù)鋯/鋼復合板行業(yè)內的標準可以知道，退火態(tài)鋯/鋼復合板結合界面的剪切強度應高于140MPa。由相關參考數(shù)據(jù)可以看出：在沒有過渡層的情況下，鋯/鋼復合板不同試樣的退火態(tài)剪切強度均低于140兆帕；而增加過渡層之后，鋯/鋼復合板的試樣的鋯/鈦界面和鈦/鋼界面的剪切強度均高于140兆帕，其中鋯/鋼試樣6在2個界面上的剪切強度均為最大值。這表明選擇鈦金屬作為過渡層可以顯著提高鋯/鋼復合板的剪切強度，從而讓其能夠符合行業(yè)內的標準。另外，對比相關實驗數(shù)據(jù)可知：當鋯/鈦界面波波長大概為0.5mm，鈦/鋼界面波波長大概為1.5mm時，此時結合界面的剪切強度比較高。

表2復合板結合界面的剪切強度

三、實驗數(shù)值模擬

為了能夠獲得小傾角實驗的碰撞角和碰撞速度，選用SPH法進行實驗數(shù)值的相關模擬。SPH法是一種基于拉格朗日的無網(wǎng)格有限元方法，采用包含各種物理量的粒子所組成的離散計算域。任意粒子i的物理量fi可以通過其周圍粒子的插值得到。SPH法不需要進行定義的接觸，各種材料的粒子就可以實現(xiàn)相互反應。網(wǎng)格不能決定材料的變形，網(wǎng)格突變的情況就可以得到避免，因此這種方法一般被廣泛應用于各種變形較大問題的計算問題，有學者就將該方法用于爆炸焊接研究，經(jīng)過該實驗結果的分析比較，證明這種方法計算精度較高。

采用SPH法對鋯/鋼小傾角法爆炸焊接進行數(shù)值模擬，質點模型由5部分組成：炸藥、鋯板、鈦板、鋼板和剛性壁，其中剛性壁模擬爆炸焊接時鋼板下方的墊板。起爆點位于炸藥的左上角區(qū)域。由于對整個爆炸焊接過程都進行了宏觀模擬，質點的間距比較大，故而未能把界面波模擬出來。按照相關數(shù)據(jù)中不同試樣的中點位置，在鈦板和鋯板下表面依次各取8個點，間隔均為40mm，計算得到各點的碰撞速度v和碰撞角β。

通過模擬，得出了鋯/鋼5、6和7號試樣的碰撞角和碰撞速度。由此得到相對合理的鋯/鋼碰撞參數(shù)，即鋯/鈦界面的v約為734～805m/s，β大約為19.8°～20.8°，小傾角越大β越大；鈦/鋼界面的碰撞速度大致為803～904m/s，小碰撞角為19.5°～20.5°，小傾角越大β越大。

表3鋯/鈦/鋼界面的碰撞參數(shù)

四、結語

通過對鋯/鋼進行了小傾角法爆炸焊接實驗及數(shù)值模擬，得出以下結論：鈦板作為過渡層，可明顯提高鋯/鋼復合板的剪切強度。小傾角實驗能夠獲得波長呈現(xiàn)連續(xù)變化的界面波，當鋯/鈦界面波波長約為0.5毫米，鈦/鋼界面波波長1.5毫米時，結合界面的剪切強度就會變得較高。過渡層的存在有利于鋯/鋼爆炸復合板增強剪切強度。

參考文獻

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（作者身份證號碼：1 410526198303201664；

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