基复板间距对爆炸焊接质量影响的数值模拟.pdf

第37卷第2期 2020年6月 Vo l . 37 No . 2 Jun . 2020 bMg do i10. 3963/j. issn . 1001 -487X. 2020.02.019 基复板间距对爆炸焊接质量影响的数值模拟 1.安徽理工大学a .力学与光电物理学院;b. 土木建筑学院，淮南232001 ； 2.中国科学院材料力学行为和设计重点实验室，合肥230027 摘要为了研究间距对爆炸焊接质量的影响，选取厚度为2 mm的钛板和钢板以2.5、4.5、6.5、 ga p; n umer ic a l simul a t io n 第37卷第2期缪广红，马雷鸣,吴建强，等基复板间距对爆炸焊接质量影响的数值模拟107 爆炸焊接做为一种固相焊接技术，实现焊接需 要的时间极短，往往在微秒级的时间内就可以完成。 爆炸焊接不仅能满足工业领域对一些优质金属和稀 有金属耐腐蚀、耐高温、耐高压等特性的需求，而且 能够节约贵重的金属材料,大大降低制造成本。由 于其巨大的优点，现已在工程实践中得到了应用。 但是在实践中，爆炸焊接具有时间短、变化快、能量 高等特点，使得人们难以直接观测爆炸焊接过程。 数值模拟工具自问世以来，在研究爆炸焊接的过程 中发挥了巨大的作用。Ober g等最先通过拉格朗日 有限差分法对爆炸焊接过程进行了数值模拟⑴，再 现了爆炸焊接过程中的波形及射流现象，后来国内 外学者纷纷采用数值模拟来观察、认识和研究爆炸 焊接问题。闫建文等采用AUTODYN非线性显式动 力学分析软件，模拟了爆炸焊接过程⑵，得到了在 不同药量下爆炸焊接过程中的压力时程，分析了炸 药量与焊接界面波形之间的关系；姜鲍等根据爆炸 复合窗口理论，利用SPH法对304不锈钢/20号钢 的爆炸焊接过程进行数值模拟⑷，再现了爆炸焊接 过程中的射流现象，得到了连续均匀的爆炸复合界 面波；陈沛等结合AUTODYN软件与SPH法，对实 验模型做了二维数值模拟⑷，演示了钛-钢爆炸焊接 界面的粒子波形并分析了缺陷组织的形成机理。 传统的有限单元网格法依靠严格的数学推理, 目前已经在许多领域得到了广泛的应用,但是在处 理爆炸、冲击等大变形问题时往往会因网格畸变而 导致计算终止。针对传统有限元方法的局限性, SPH法以一种拉格朗日形式的无网格粒子代替网格 单元，粒子携带着物质的材料特性和力学信息，具有 良好的自适应性，在处理爆炸、冲击等大变形问题上 极具优势。考虑到计算的精确性和经济性,采用三 维SPH-FEM耦合的方法，即对金属板材进行有限元 网格划分,对炸药则使用SPH法，这样不仅节省了 时间，而且提高了计算精度。以此方法开展对间隙 与爆炸复合板质量关系的研究,将模拟结果与实验 结果进行比对，分析此耦合方法对钛-钢爆炸焊接模 拟的有效性。 收稿日期2020-01 -12 作者简介缪广红1985 -，男，讲师、博士，主要从事含能材料、爆 炸复合及爆炸力学相关领域研究，E-ma il mia o gh ma il , ust c . edu. c no 基金项目国家自然科学基金11902003、51874267；安徽省高校自 然科学基金重点项目KJ2017A089;高校优秀青年骨干 人才国外访学研修项目gx gwfx 2019017 1计算爆炸复合窗口 以文献［5］的爆炸焊接实验为基础，计算可焊 窗口，选择合适的爆炸复合参数。由爆炸复合理论 可知，平行法爆炸焊接的参数主要有碰撞点移动速 度、动态碰撞角和复板碰撞速度等。而这些参数之 间又存在一定的几何关系，所以三个变量中只有两 个变量是相互独立的，也即任意两个变量就可以构 成一个平面，平面中存在一个可以产生良好的焊接 质量的区域，称为“爆炸复合窗口”，如图1所示。 选择碰撞点移动速度与复板碰撞速度构建爆炸复合 窗口。 、下限乙”” /c 图1爆炸复合窗口 Fig. 1 Ex p l o sio n c o mp o sit e win do w 1.1流动限的计算流动限的计算 为了获得良好的爆炸焊接质量,碰撞界面要产 生射流,使金属发生塑性变形，所以要保证复板上碰 撞点的移动速度大于一个下限，采用Ez r a提出的公 式同 4. 47 4. 90髭 1 式中％,皿”为最小碰撞点移动速度,c m/s；o -为 基复板材料中较高的屈服强度,MPa；p为基复板材 料密度的较小值,g/c n 。 碰撞速度和碰撞角满足关系切 sin 耳韦巳“［MpCo““ 2 2 N 2vl \ ph I vc l2ReHVb HVj d Pb pf O 式中0为碰撞角；T”为融化温度，K；N为常 数，取0. 11；CP为比热容,J/k g K；C0为声速, c m/s；/＜为热导率,W/m K,取15. 24；p为材料 108爆破2020年6月 密度,g/c m字 为复板厚度，取2 mm；总为雷诺数， 取为质 点速度，可由式5所确定的复板速度的1/2计算； p为材料密度。 ③ 选择两个压力中比较大的一个，用较大的压 力重新计算另一种金属相应的质点速度。 ④ 用这个新的质点速度和第二步确定的较大压 力值对应的质点速度之和，就是所最终需要的最小 复板速度。 由以上数据可以计算出最终复板的最小碰撞速 度为21P为爆轰产 产物的相对比容,为无量纲量。炸药的具体JWL状 物压力,GPa；E0为初始比内能,GPa；V为爆轰气体 态参数见表3。 表2爆炸焊接试验参数 Table 2 Explo sive welding test parameters 药厚/mm 爆速/装药密度/ 装药量/g 板厚/mm 板间距/mm m * s 1g * c m-3基板复板 1827640.505272222.5/4.5/6.5/8.5/10.5 表3硝铁炸药的JWL状态参数 Table 3 JWL state parameters o f ammo nium nitrate explo sive 参数A/GPaB/GPa Ct E0/GPaV 硝钱炸药49.41.893.9071.1180.335.151 数值计算中，基、复板均采用Mie-Gr un eisen状 态方程和 Jo hn so n -Co o k 材料模型[14,15] o Jo hn so n - Co o k 材料模型的形式如下 a A BS1 Cl n ；l - T,m 8 式中勺为有效塑性应变;* sp/sQp为有效塑 性应变率，其中为参考应变率及m为 与材料相关的常数;无量纲温度T*表示为T* T-H- 7；,其中Tr为室温，瞪为熔点。 TA2与Q304钢的Jo hn so n -Co o k材料模型的具体参 数如表4所示。 表4 TA2和Q304钢的Jo hnso n-Co o k模型参数 Table 4 Jo hnso n-co o k mo del parameters o f TA2 and Q304 steel 参数p /g c m-3G/GPaABn cmTm/CT/K TA24.5143.40.4200.380.320.2200.701942294 Q3047.9377.00.7920.510.260.0141.031398294 TA2与Q304的Gr un eisen具体方程参数如表 5O 表5 TA2和Q304钢的Gruneisen方程参数 Table 5 Gruneisen equatio n parameters o f TA2 and Q304 steel 参数 C y A TA20.51301.0281.400.00 Q3040.45691.4902.170.46 3模拟结果分析 3.1不同间距下复合板的结合质量不同间距下复合板的结合质量 在三维计算模型下，炸药和基复板的材料参数 保持不变。当基复板间距分别为2.5mm、4.5mm、 6. 5 mm、8.5 mm、10.5 mm时，输出复板在5种间距 下的Z向位移云图，如图3所示。 图3bl 所示是2. 5 mm间距下复板的竖向位 移历程图,结合图3 a l 可以看出，复板上B、C两 特征单元el emen t 5979、el emen t l 0536 向下剧烈运 动碰撞基板后位移逐渐趋近于2.659 mm,略大于间 距2. 5 mm,这是由于爆炸焊接后板材有一定的减薄 率所致皿。而在4特征单元el emen t 647处，焊后 位移为0.175 mm,明显小于间距，说明复合板此处 未复合。金相实验的图像结果显示为平直界面⑸。 一般认为小波的结合面积较大,大波容易形成漩涡、 空洞等缺陷，小波波形要好于无波和大波界面I”〕， 因此认为结合质量较差;当间距为4.5 mm时，起爆 端及边界el emen t 635 的竖向位移在爆炸复合结束 后为3.441 mm,小于间距4. 5 mm,基复板未复合， 这是由于边界效应所致。金相图像呈平直界面向波 状界面的过渡界面⑸，结合质量较差；当间距为 6.5 mm时，见图3a 3、3b3,复板绝大部分区域 位移达到了 6. 675 mm,整体复合较好。实验结果呈 现出波长为0. 531 mm的小波界面⑸，因此认为结 合质量较好;当间距为％为基板质量;-为碰 撞速度。 由式9可知,基复板的质量为常数，因此碰撞 能量的大小与碰撞速度成正比。由于碰撞速度的模 拟结果在间距为6. 5 mm时达到最大，当间距为 而碰撞速度方向相反,基板在碰撞前有一个 较小的正向速度峰，这是由于基复板碰撞结合产生 的振动，导致碰撞点前方的未复合区产生了正向的 翘曲。结合面上所取单元的最大碰撞速度分别为 468. 98 m/s、563・05 m/s、598.28 m/s、620.45 m/s、 622. 19 m/s ,而前期计算的爆炸复合窗口为 218. 9 m/s vp 612. 76 m/s,即间距为 6. 5 mm 时， 碰撞速度在爆炸复合窗口内取得最大值，当间距增 加到8. 5 mm、10.5 mm时碰撞速度已经超出了爆炸 复合窗口，因此认为当间距接近6. 5 mm时,结合质 量较好。 3.4波形分布波形分布 为了更直观的认识钛/钢爆炸焊接复合板的结 合界面形貌，笔者对板材和炸药使用了二维SPH 法，得到了波状的结合界面。将实验得到的金相照 片与数值模拟所得界面波形进行比较⑸，发现实验 所得界面波形与数值模拟所得界面波形相似,这表 明SPH法能够较好地反映界面波的形成过程。 如图6a ,b分别是实验和模拟状态下，间 距为 2. 5 mm、4.5 mm、6.5 mm、 5 mm、10.5mmEI寸 的界面波形图。从图中可以看出，当间距为 2.5 mm,4. 5 mm时，界面上没有形成典型的波状界 面，这是由于间距过小,复板的加速距离太短，产生 的能量不足以产生波状界面。当间距为6.5 mm、 8.5 mm,10. 5 mm时,结合界面上出现了连续均匀 的波状界面,这被认为是得到良好焊接质量的标 志辺〕。焊接界面的波形尺寸如表6所示，基复板结 合界面波的波长和波幅随着间距的增大而增大，这 是由于间距越大,复板的加速距离越长,碰撞能量越 咼，与实验的金相结果保持一致。 综上所述,选择合适的爆炸焊接参数才能得到 较好的界面波形。影响焊接界面波的参数有基复板 112爆破2020年6月 间距、板材种类和装药量等。对于本文钛\钢的爆炸 焊接实验来说，实验和模拟结果均表明在钛板和钢 板厚度均为2 mm,炸药为硝钱炸药，装药厚度为 18 mm,密度为0.505 g/c n ,且选取间距为6. 5 5 mm之间时，能够得到较好的爆炸焊接界面波形。 el emen t . 827 el emen t 52461 bl 2.5 mm a 结合面的一对特征单元 a A p a ir o f el emen t s o f t he jo in t sur fa c e h3 6.5 mm b4 8.5 mmb5 10.5 mm b 一对特征单元的速度〜时间曲线 b The vel o c it y-t ime c ur ve o f a p a ir o f el emen t s 图5结合面一对单元及速度-时间历程 Fig. 5 A p a ir o el emen t s o n t he jo in t sur fa c e a n d t heir vel o c it y-t ime hist o r y 表6不同间距下波形参数（单位 mm） Table 6 Wavefo rm parameters with different spacing unit mm 板间距2.54.56.58.510.5 实验 周期0.5310.4390.648 波幅0.1020.1340.122 模拟 周期0.5370.4090.512 波幅0.1250.1270.170 第37卷第2期缪广红，马雷鸣,吴建强，等基复板间距对爆炸焊接质量影响的数值模拟113 a l 2.5 mm a 2 4.5 mm a 4 8-5 mm a S 10.5 mm a 实验界面波.形 a Ex p er imen t a l in t er fa c e wa vefo r m b2 4.5 mm b3 6.5 mm b4 8.5 mm b5 10.5 mm b数值模拟界面波形 b Numer ic a l simul a t io n in t er fa c e wa vefo r m 图6不同间距下波形对比图 Fig. 6 Wa vefo r m c o mp a r iso n dia gr a m wit h differ en t sp a c in g 4结论 1 利用LS-DYNA软件,采用SPH-FEM耦合 的方法对钛-钢爆炸焊接过程做了三维数值模拟,模 拟结果显示随着基复板间距的增大，焊接界面结合 面强度呈由低到高、由高到低的变化过程，竖向位移 的模拟结果与实验结果吻合较好,该方法对钛-钢爆 炸焊接具有较好的指导意义。 2 当间距为6. 5 mm时,结合面上特征单元的 最大碰撞速度为59 28 m/s,为不同间距下爆炸复 合窗口内的最大值，表明当间距接近6. 5 mm时的 结合质量较好,模拟结果与实验吻合较好。 3 借助SPH法得到了钛/钢爆炸焊接复合板 结合面的界面形貌,模拟结果与实验的金相结果一 致性较好。模拟结果显示在间距为6.5 - 5 mm 之间时,能够得到较好的爆炸焊接界面波形。 参考文献参考文献References [1 ] OBERG A, SCHWEITZ J A. 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