負壓環境下鋼/不銹鋼爆炸焊接參數設計

榮 凱

(安徽理工大學 化學工程學院,安徽 淮南 232001)

0 引言

Carl 在1944 年提出爆炸焊接(爆炸復合),其利用炸藥的爆炸對復板做功,在復板與基板間產生高速的碰撞,使基、復層材料形成冶金結合[1-2]。相較于其他焊接方式,爆炸復合的優勢在于可實現大面積異種材料之間的焊接[3]。 針對不同工況,其可在多種金屬間形成高質量的焊接接頭。 因此,爆炸復合板在航空航天、機械設備、管道容器、船舶與鐵路等方面都得到了廣泛的應用[4-5]。 近年來,工業高質量發展,產生了各種極端應用環境,其對金屬復合材料的結合性能要求更為嚴格[6]。

關于爆炸焊接參數的研究中,王勇等[7]通過改變稀釋劑的含量,制備各種爆速的膨化胺油炸藥,實現多種參數的爆炸焊接。 畢志雄等[8]提出自約束裝藥下的爆炸焊接研究,采用雙層蜂窩鋁結構炸藥用于T2 銅/Q235 鋼爆炸焊接。 結果表明,自約束結構炸藥下的復合板焊接效果良好,提高了炸藥的能量利用率。 在爆炸焊接基、復層材料間距環境對焊接效果的影響研究中,劉自軍等[9]改變復合板間隙的空氣排出形式,研究了炸藥爆轟波的傳播方式,以此提高爆炸焊接質量。 ZENG 等[10]為了解決鎂合金在焊接時的氧化問題,采用惰性氣體(氦氣)進行保護,研究了Mg/Al 復合板的焊接,與空氣環境下焊接的復合板進行對比,結果表明兩種環境下的復合板的微觀形貌不同,在氦氣的保護下結合界面幾乎沒有金屬氧化物,提高了復合板的結合性能。 改變爆炸焊接間隙環境是提高焊接質量的有效方式,但是對負壓環境下爆炸焊接參數設置的研究較少。

為了研究負壓環境下爆炸焊接過程的參數特性,采用ANSYS/AUTODYN 模擬爆炸焊接過程,開展爆炸焊接參數研究,模擬負壓環境下結合界面的壓力和速度場分布,結合參數公式分析負壓環境下爆炸焊接參數設置的合理性。

1 模型與參數

采用Q235 鋼與304 不銹鋼分別作為基、復層材料,其物理參數見表1。

表1 基、復層物理性能參數

基層材料的Q235 鋼尺寸為200 mm×100 mm×8 mm,利用Mie-Gruneisen 狀態方程[11]與Johnson Cook 模型[12],其公式為

表2 Q235 鋼的Johnson Cook 模型參數

復層304 不銹鋼采用Mie-Gruneisen 狀態方程與Steinberg Guinan 模型[13],尺寸為200 mm ×100 mm×4 mm,其公式為

表3 304 不銹鋼的SteinbergGuinan 模型參數

銨油炸藥采用JWL(EOS)[14],裝藥厚度為12 mm。 其公式為

式中:p為爆轟產物的壓強,GPa;V=v/v0,V為爆轟氣體產物的相對比容,v為爆轟產物比容,v0為炸藥初始比容;E0為爆轟產物的比內能,kJ·cm-3;A、B、R1、R2和ω為狀態參數,見表4。

表4 銨油炸藥的模型參數以及狀態方程參數

利用理想氣體狀態方程建立空氣域,通過降低空氣密度實現20 kPa 的負壓環境。 空氣域為250 mm×150 mm×77 mm,將焊接裝置對中平行安裝。 為避免炸藥起爆端失穩及尾端邊界效應產生對模擬結果的影響,選擇距起爆端5 cm、9 cm、12 cm 的中間位置處設置3 個gauges 點。 網格邊長1 mm × 1 mm× 1 mm,對于模型足夠精確。 模擬結構如圖1、圖2 所示。

圖1 爆炸焊接模型

圖2 gauges 位置

2 結果與討論

2.1 爆炸焊接參數

2.1.1 碰撞壓力

去除環境氣體及炸藥,從焊接裝置上方進行觀察研究。 對焊接過程的壓力進行輸出,如圖3 和圖4 所示。 圖3 為起爆6 μs 后的復板壓力場分布圖,可以看出焊接炸藥以起爆點為中心傳爆,爆轟面壓力可達到3.37 GPa。 在炸藥爆炸時,波陣面壓力極大,其產生的壓力直接作用于復板,產生圖中的紅色區域。 值得注意的是,爆轟波波前位置的高壓區域范圍小于波后位置。 這是因為爆生氣體在一定時間內持續對復板進行加速,造成復板波后高壓區域范圍較大。

圖3 6 μs 后的壓力場

圖4 為起爆20 μs 后的復板壓力場分布圖,可以看出復板主要受到前后兩個壓力波。 前端的高壓區域為炸藥產生的爆轟波壓力造成,而后部的波為復板撞擊基板時產生。 可以看到,兩個壓力波間距約為50 mm。 這是因為相較于炸藥爆速,爆炸焊接的復板碰撞速度更慢。 在復板從開始啟動到撞擊基板的時間內,炸藥已經傳爆一段距離,其形成了壓力波的間隔。

圖4 20 μs 后的壓力場

為避免焊接裝置起爆端爆速不穩定和尾端邊界效應的影響,選擇距起爆端5 cm、9 cm、12 cm 的中間位置處設置gauges 點。 對觀察點的壓力隨時間的變化進行輸出,如圖5 所示。 可以看出,排除起爆端和尾端邊界效應的影響后,復板表面壓力規律相似。 3 個觀察點的壓力經歷了兩次上升,其中第1 次壓力上升較小。 這是因為炸藥爆炸產生的滑移沖擊波在對復板加速時,不可避免地產生對復板表面的壓力影響,其造成復板的壓力上升。 滑移沖擊波對復板產生正向壓力,復板在其中獲取部分動能后,運動一定時間后撞擊基板。 從碰撞速度場可以看出,復板在此處具有超過471 m/s 的速度,在此高速下的基、復板碰撞將產生極大的壓力,因此,圖中可以看到第2 次壓力上升值較大。

圖5 碰撞壓力-時間曲線

2.1.2 碰撞速度

gauges 點隨時間變化的碰撞速度曲線如圖6所示。 由圖可知,復板碰撞點的速度峰值接近,最大峰值速度為471 m/s,并且復板各點處的碰撞速度及持續時間的變化規律相似,碰撞點速度變化趨勢均為快速增加到最大值再瞬間減小。 由圖7 可知,碰撞點速度變化時間持續約14 μs,在碰撞開始至R1 階段,產生了一個微小的速度,這是由于在該碰撞點前堆積的爆轟產物以及基、復板的碰撞所產生的振動導致的[15]。 在R1 ～R2 階段,碰撞點速度呈線性持續增加,這是復板在爆轟產物的作用下進入持續的塑性變形階段。 在R2～R3 階段,R3 點碰撞速度達到最大。 在碰撞點達到R3 點前,碰撞速度的斜率逐漸減小。 這是因為隨著復板運動距離的增加,爆轟產物的作用在逐漸減弱。 在R3 ～R4階段,復板與基板發生了碰撞。 在基板的阻礙作用下,復板的碰撞速度急速降低。 在R4～R5 階段,碰撞速度的斜率逐漸減小,這是在復板與基板碰撞后,在爆轟產物的持續作用下,復板與基板結合后有一定的殘余變形導致的[16]。

圖6 碰撞速度-時間曲線圖

圖7 碰撞速度-時間特征圖

2.2 動態參數分析

結合公式分析負壓環境的焊接參數,將模型的碰撞壓力和碰撞速度與理論計算結果進行對比。

2.2.1 碰撞壓力

在爆炸焊接時,基、復板碰撞在界面形成高溫高壓的極端環境。 在高壓下,界面金屬產生塑性變形和熔化。 熔化金屬中兩種材料的金屬元素在高溫下相互擴散,其可以在復合板結合面形成有效的冶金結合。 因此,界面需要足夠的碰撞壓力,其臨界值pmin可由下式計算[17]:

式中:vp1和vp2分別為復層金屬之間和基層金屬之間的最小碰撞速度;p1和p2為復層金屬之間和基層金屬之間的碰撞壓力;C1和C2分別為復層和基層金屬的體積聲速;ρ1和ρ2分別為復層和基層金屬的密度;σb1和σb2為復層和基層金屬的抗拉強度。

計算得出復合板的臨界壓力為2. 18 GPa,小于負壓環境下的11. 2 GPa。 因此,負壓環境下復合板的碰撞壓力合適。 在此壓力環境下,界面可以形成良好的結合強度。

2.2.2 碰撞速度

當碰撞速度低于臨界碰撞速度時,界面無法形成足夠的塑性流動,其可能導致結合面呈直線結合甚至出現脫焊現象。 對于臨界碰撞速度vp,min可由下式[17]計算:

根據公式,計算得出臨界碰撞速度為424.4 m/s,小于負壓環境下gauges 點的碰撞速度。 因此,負壓環境下的鋼/不銹鋼焊接參數設置合理。

3 結論

利用數值模擬和理論分析,開展鋼/不銹鋼爆炸焊接參數研究,得出以下結論:

1)焊接炸藥以起爆點為中心傳爆后,負壓環境下的爆轟壓力可達到11.2 GPa。 因爆生氣體對復板的加速作用,爆轟波波前位置的高壓區域小于波后位置。 復板主要受到兩個壓力波的影響,前端為炸藥爆轟產生,后部為復板撞擊基板產生。

2)負壓環境下復板各點位置的碰撞速度變化規律一致,壓力經歷了爆炸與撞擊產生的兩次壓力上升,復板在碰撞時達到最大速度。

3)理論分析可知,鋼/不銹鋼爆炸焊接的參數設置合理,可為負壓環境下的復合板焊接提供參考。