爆炸焊接參數對鉭/304不銹鋼界面波形影響的數值模擬

繆廣紅， 艾九英， 胡昱， 祁俊翔， 馬宏昊， 沈兆武

(1.安徽理工大學 ，安徽 淮南 232001；2.中國科學技術大學，中國科學院材料力學行為和設計重點試驗室，合肥 230027)

0 前言

鉭(Ta)是在極端條件下耐腐蝕性能最好的稀有金屬材料，這一性能優點使得其在對耐腐蝕性能要求高的眾多領域中成為不可或缺的珍貴材料。鉭金屬密度高，在工業應用的主要障礙為高成本以及低儲量，鉭板與其他金屬材料的爆炸復合受到許多學者的關注，相繼進行了Ta/鋼[1-3]，Ta/Cu[4]，Ta/Al[5]等多種材料組合的爆炸復合。眾所周知，復合板的焊接質量取決于焊接參數的選擇，參數選擇不合理，會導致焊接不成功，進而造成資源的大量浪費。陳代果等人[6]發現覆板的碰撞速度越大，界面波幅值越大，且在靠近和高于焊接窗口上限時，界面處會產生孔洞、裂縫等缺陷。田曉東等人[7]發現選用低速炸藥、動態工藝參數均在爆炸焊接窗口內、質量比R在0.96左右、基覆板間距為0.2倍的炸藥厚度及覆板厚度之和，獲得的焊接質量最佳。李星昆等人[8]研究發現間距過大時焊接質量會變差，然而保護氣可以提高焊接質量。唐玉成[9]指出在一定范圍內，爆炸速度與界面波形成正比；覆板厚度變大，界面波變細。卞超等人[10]研究發現炸藥是影響復合板質量最主要因素，因為炸藥的密度能影響覆板斜碰撞基板的速度和角度，且在碰撞角度一定的情況下，動態碰撞速度直接影響界面波波形參數。張蕾[11]對 S41500-Q345C分別采用了平板和半圓柱兩種爆炸焊接方法，通過半圓柱試驗法，發現S41500-Q345C材料形成波的速度為1 410 m/s，通過平板爆炸焊接得知波幅、波長隨比壓力的增加而增加。李選明等人[12]采用半圓柱試驗法，發現波幅及波長的大小與炸藥量、覆板飛行距離成正比；當覆板飛行距離一定時，界面波長和波幅隨裝藥量增加，直至波幅趨于穩定。王治平等人[13]通過半圓柱法論證了在臨界條件下，覆板材料本身的性質決定了基覆板的臨界碰撞速度，與所選用的炸藥及其爆轟參數關系不大。張振逵等人[14]利用半圓柱法指出確定合理焊接參數時需考慮覆板最低動能和最低覆板速度，且用半圓柱方法可以預測平板的焊接參數。王小緒等人[15]研究表明當碰撞速度為 648 m/s，碰撞角為16.1°時，鈦鋼復合板界面波開始生成，且界面波波長和波高與碰撞速度和碰撞角呈正相關。

焊接參數的選取決定了焊接質量的優劣，界面波形是評判焊接質量的一個重要指標。鉭金屬存量少且性能優，若通過實際試驗尋找鉭金屬與其它金屬復合的最佳焊接參數，會造成資源浪費。數值模擬的出現可以解決這一難題。上述對爆炸焊接參數工藝的研究中，雖說是研究某一參數對焊接質量的影響，但是變量卻不單一，都會由于間隙不同導致碰撞角存在不同[10-15]。文中通過控制單參數變化，分別對同種組合的復合板采用 SPH 法建立爆炸焊接二維數值模擬，分析碰撞角以及碰撞速度變化對界面波形產生的影響，以便在實際生產中提供一定的參考。

1 模型和參數選取

1.1 計算模型

借助ANSYS軟件采用無網格的SPH(Smoothed particle hydrodynamics)方法建立二維數值模擬計算模型，基于文獻[16]的基礎建立如圖1所示模型，其中基板為3 mm的SUS304不銹鋼，覆板為3 mm鉭板并設置，不同碰撞傾角以及碰撞速度。碰撞能量來源于 ANFO-A炸藥，密度約為 0.53 g/cm3，模型中單位制為cm-g-μs。在爆炸焊接過程中間隙不變、控制單參數變化(控制變量碰撞角或者碰撞速度)來研究參數對界面波形尺寸的影響。

圖1 鉭/SUS304不銹鋼爆炸焊二維平面模型

1.2 模型參數選取

基于文獻[16]設計了數值模擬情況，見表1。數值模擬計算中，金屬材料的參數已經趨于完善，其合理性在實踐中已得到有效證明。爆炸焊接中基覆板的參數計算采用Mie-Gruneisen[17]狀態方程與Johnson-Cook材料模型[18]相結合的方法被廣泛接受，其中Johnson-Cook材料模型的表達式如下:

表1 模擬情況

(1)

表2 鉭和304不銹鋼的Johnson-Cook模型參數

2 模擬結果與分析

2.1 模擬結果

表1中的試驗情況均是在控制單參數變化的情況下進行的，不存在由于碰撞過程中造成碰撞角角度變化而導致模擬結果有誤差。圖2～圖4為碰撞速度633m/s，碰撞角為分別為12.2°，14.1°，16.4° 的界面波形圖，圖5為角度14.1°，碰撞速度735 m/s界面波形圖。

圖2 碰撞速度633 m/s，碰撞角12.2°界面波形圖

圖4 碰撞速度633 m/s，碰撞角16.4°界面波形圖

圖5 碰撞速度735 m/s，碰撞角14.1°界面波形圖

2.2 模擬分析

輸出模擬界面處的波形圖，未觀察到孔洞，裂紋；測量界面波的波長以及波幅發現，碰撞角12.2°的復合界面處波長為770 μm，波幅為300 μm，比波長為2.57；板碰撞角為14.1°的復合界面處波長1 630 μm，波幅為515 μm，比波長為3.16；碰撞角16.4°的復合界面處波長為1 890 μm，波幅為575 μm；比波長為3.29。在其它焊接參數不變的情況下，不同的碰撞角β對應著不同的波長和波幅，但波形變化不大，且比波長隨著β的增大而增大[19]。波形的變化趨勢與碰撞角的變化趨勢相一致；波形尺寸和碰撞角之間存在一定的比例關系，在其它焊接參數不變的情況下，比波長與sin2β成正比。在碰撞過程中界面能量的耗散對爆炸焊接的效果至關重要，碰撞時動能損失(ΔEk)由式(2)表示[16]。

(2)

式中：mC為基板單位面積的質量;mD為覆板單位面積的質量;vp為覆板碰撞速度。

覆板設傾角為14.1°，由表1中第2組和第4組數值模擬知，覆板的碰撞速度分別為633,735 m/s，將各自速度帶入式(2)中，計算出動能損失為2 053,2 766 kJ/m2，利用后處理器輸出兩碰撞速度的波狀圖(圖3和圖5)，測量界面波長和波幅，在碰撞角均為14.1°時，碰撞速度為633 m/s的界面處波長為1 630 μm，波幅為515 μm；碰撞速度為735 m/s時的復合界面處波長為1 880 μm,波幅770 μm。文獻[16]中鈦/304不銹鋼的結合界面處金相組織如圖6所示，將模擬得到的鉭/304不銹鋼的界面處波長和波幅與文獻[16]中鈦/304不銹鋼的界面金相圖進行對比，發現兩者界面波的波形與速度的關系具有一致性，即波長和波幅的大小與碰撞速度呈正相關。其原因為基覆板碰撞的速度增加，使得動能損失增加，波長和波幅也隨之增加。

圖3 碰撞速度633 m/s，碰撞角14.1°界面波形圖

選取1個完整周期里的所有波形粒子，利用后處理器輸出粒子碰撞過程中的壓力-時間曲線圖。在輸出的所有的壓力-時間曲線圖中，挑選出最大的壓力曲線圖，如圖7所示。

圖7 壓力-時間曲線圖

觀察圖7，碰撞點達到7.70 GPa的高壓，遠高于基覆板材料的屈服強度，在遠離碰撞點時，壓力逐漸下降。爆炸焊接具有瞬時性，碰撞過程中高壓必然導致界面處溫度驟升，但溫度來不及釋放至空氣中，界面處溫度便瞬間達到金屬的熔點，使得2種焊接材料的界面在焊接過程中可能表現為類流體行為。類流體行為以及特定的圓形運動產生強烈的塑性變形，由于2種金屬的延展性不同，在界面處表現出不同的彎曲情況，如圖8所示。可清晰觀察到鋼側發生強烈彎曲，并存在解理斷裂，這一事實證實了數值模擬的結果，即渦邊界附近的部分母材脫離并進入渦中，隨后發生強烈的攪拌和混合。

圖8 界面處波形情況

3 結論

(1)不同的焊接參數對應不同的界面狀態，不同的界面狀態，有不同的焊接質量。

(2)波形尺寸和碰撞角之間存在一定的比例關系，在其它焊接參數不變的情況下，比波長與sin2β成正比；覆板碰撞速度越大，碰撞過程中損失的動能就越多，波長和波幅隨之變大；速度水平方向的分量決定波長數值的大小，速度豎直方向的分量決定波幅數值的大小。

(3)在鉭/304不銹鋼界面處觀測到鋼在爆轟過程中被拉長,且在渦旋處強烈彎曲，在結合界面處和界面附近的鋼側均發現了明顯的解理斷裂特征。