316L不锈钢_CK22碳钢爆炸焊接管的数值模拟.pdf

第 卷 第 期兵 器 装 备 工 程 学 报 年 月 收稿日期:修回日期:基金项目:国家自然科学基金项目()安徽省重点研究开发计划项目()高校优秀青年骨干人才国外访学研修项目()作者简介:缪广红()男博士副教授硕士生导师:.:./.不锈钢/碳钢爆炸焊接管的数值模拟缪广红孙志皓周大鹏胡 昱马秋月刘自伟马宏昊沈兆武(.安徽理工大学 力学与光电物理学院 安徽 淮南.安徽理工大学 土木建筑学院 安徽 淮南.中煤科工集团淮北爆破技术研究院有限公司 安徽 淮北.中国科学技术大学 中国科学院材料力学行为和设计重点试验室 合肥)摘要:为研究不同炸药量对爆炸焊接不锈钢/碳钢 复合管的影响采用/软件结合 流固耦合算法对不同炸药内径下复合管的爆炸焊接过程进行数值模拟建立/双金属管可焊接窗口利用后处理软件 导出焊接过程中碰撞压力、塑性变形、碰撞速度等动态参数 结果表明:炸药厚度小于.时碰撞速度在可焊接窗口外在复合时发生回弹焊接失败药厚大于.时均能较好复合模拟与实验吻合证明焊接窗口对爆炸焊接实验的较好指导意义模拟碰撞速度与理论值误差在.证明数值模拟爆炸焊接复合管的可靠性关键词:爆炸焊接/复合管/流固耦合本文引用格式:缪广红孙志皓周大鹏等.不锈钢/碳钢爆炸焊接管的数值模拟.兵器装备工程学报():.:./.():.中图分类号:文献标识码:文章编号:()/(.):/.:/引言爆炸焊接是 种被复合的金属在炸药的爆轰作用下实现高速斜碰撞从而在极短的时间内产生 量级的应变速率和 量级的碰撞压力界面材料温度急剧升高使金属间产生射流清理金属复合表面杂质巨大压力使界面产生局部剧烈塑性变形 在高温、高压和塑性变形共同作用下金属结合界面形成由熔化和扩散实现的冶金结合在化学工业和核工业中对双金属复合管都有相当大的需求尤其以钢管最为常见 低碳钢其耐腐蚀性低在表面可以复合铝、钛、不锈钢等材料在腐蚀环境中使用 具有较好耐腐蚀性的不锈钢碳钢复合管有许多优点经济效益高比实心钢管造价便宜复合管机械性能较好又有极高的耐腐蚀性极大减少了灾难性故障的风险例如应力损伤、腐蚀开裂等爆炸焊接工艺可以高效率、低成本的制造不锈钢/碳钢复合管爆炸焊接不需要昂贵的生产设施不同的金属可以快速复合在一起该方法可以制备的复合管强度较高由于爆炸焊接是一瞬间发生人们对其过程的观察有限 为提高人们对爆炸焊接过程的认识采用数值模拟技术结合后处理软件可以导出全过程的焊接图像便于人们观测复板飞行轨迹导出速度压力云图等为研究爆炸焊接提供有效依据 等提出了 算法模拟 冲击焊接证明 算法能较好地模拟爆炸焊接过程 等采用无网格 法建立二维爆炸复合模型研究出热传导对复合界面温度分布的影响结果在复合界面出现融化现象 等采用 粒子模拟爆炸复合界面出现射流、波形的形成的情况对结合界面涡旋的出现进行预测 赵勇等利用 算法分析了添加 中间层对/爆炸焊接质量的影响结果表明添加铝中间层可以提高复合质量吴晓明等重构了动态弯折角 和碰撞速度 的 模型结合 耦合算法对/界面波形进行模拟模拟结果与实验高度吻合本研究中采用/软件对爆炸焊接不锈钢/碳钢复合管过程进行模拟仿真利用 后处理软件收集实验中较难测得的数据观测不锈钢复管在不同炸药厚度下的飞行姿态 将模拟与实验、理论计算对比以讨论炸药质量对不锈钢/碳钢管爆炸焊接质量的影响 为确保模拟的准确性节省计算时间选择较为优越的 流固耦合算法 是任意拉格朗日欧拉算法结合了 和 算法的优点避开其中的缺点 传统的 算法在处理爆炸焊接等大变形问题时易出现网格畸形、误差较大等问题 算法网格总是固定不动的材料在网格流动无法处理结构体比较复杂的单元问题 算法中的空间网格是自由运动的先执行 一个或几个 时间步计算单元网格随着结构材料流动变形后执行 时间步计算保持变形后的物体边界条件对内部单元进行重分网格网格拓扑关系不变将变形网格中的单元变量与节点速度重分给新网格 所以在面对复杂的大变形问题时 算法更加节省时间能确保精度 本研究中炸药、空气选择 算法基、复管采用 算法两者之间通过流固耦合相互作用 计算模型选取不锈钢()为复管碳钢()为基管以文献实验参数为基础采用内爆法建立如图 所示 仿真模型 如图模拟选用密度为./爆速 /的 炸药由外至内依次为 基管、复管、炸药整个模型置于空气域内具体参数见表 所示 为方便计算圆管模型具有对称性故选取/模型计算提高计算效率单位:兵 器 装 备 工 程 学 报:/./图 计算模型.表 焊接模型参数 序号基管外径基管内径复管外径复管内径炸药外径炸药内径空气域半径模型长度.参数选取 炸药采用高能燃烧模型和 状态方程状态方程的表达式为 ()()()式()中:为相对体积为初始能密度、为实验测得参数 炸药的具体 状态参数见表 所示表 炸药 状态参数 参数/.数值计算中基、复管均采用 状态方程和 材料模型 材料模型和 状态方程的参数见表 所示表 材料模型和 状态方程参数 参数.建立爆炸焊接窗口.流动限()为保证金属管在高速碰撞时产生射流撞击点要满足的最小速度为 复管碰撞时如果撞击点的移动速度小于碰撞区附近压力小于材料的屈服强度不能产生射流导致焊接失败 因此撞击点移动速度 应该大于临界撞击点移动速度 临界撞击点移动速度 由 公式确定()()式()中:是临界碰撞速度 为维氏硬度 为密度 为雷诺数表 材料参数 材料/()/()/().根据上述公式可计算出 由文献在平行法爆炸焊接时碰撞点的速度等于炸药的速度故炸药爆速要大于.声速限()为了保证射流形成撞击点的速度 还必须保持在材料缪广红等:不锈钢/碳钢爆炸焊接管的数值模拟的体积声速之内 不同材料进行爆炸复合时撞击点的速度要小于 种材料中体积声速较小的值()().复板临界飞行速度 爆炸焊接界面产生塑性变形和射流是爆炸焊接成功的前提因此必须保证复管有足够大的速度与基管发生碰撞才能实现复管与基管的冶金结合 为了实现基管和复管之间的冶金结合复管与基管最小的撞击速度叫做爆炸焊接的下限爆炸焊接下限 可由以下经验公式求得()式()中:为常数取.之间 为金属硬度为复管的密度.复板极限速度 为了避免界面出现熔化层影响结合强度需要对复管与基管的最大撞击速度 做出限制可用以下经验公式确定()式()中:为有量纲常数为材料熔点为复管比热容为材料声速 为热导率 为材料密度 为复板厚度 注:式中、取基、复管中易发生熔化的管材结合表 参数计算得出 种管材之间的爆炸焊接窗口如图 所示图 爆炸复合窗口.结果分析.碰撞压力分析使用 后处理软件对基复管碰撞过程的压力大小进行分析如图()为仿真 时复管与基管发生碰撞时的压力云图炸药已隐藏可以看出复管的飞行姿态复管与基管的碰撞点并不在端部这是因为炸药爆轰是以波的形式由起爆点向周围扩散炸药在达到爆轰稳定需要一段时间导致端部爆速较小 此时的压力峰值集中在基复板碰撞点其余部分的应力几乎无变化图 碰撞压力分布图.为了更好地了解不同炸药量对碰撞压力的影响利用 画出 组模拟在同一单元 上的压力分布对比比曲线如图()所示 组模拟同一单元的峰值压力分别为:.、.、.、.随着炸药厚度的减小碰撞压力也是逐渐减小结果与实验和理论吻合结合文献实验在碰撞压力为.时未成功复合由于炸药厚度过小碰撞压力过小不能产生射流 为了解整个爆炸焊接过程中复管各位置的压力分布选取第组模拟复板上 个特征单元(、)如图()所示导出其压力时间曲线如图()特征单元的碰撞压力随着距 起 爆 端 距 离 的 增 大 而 逐 渐 增 大 范 围 在.这是因为在复合过程爆轰产物不断积累叠加另外是前面的碰撞会产生振动能在未复合区域增加兵 器 装 备 工 程 学 报:/./.塑性变形分析爆炸复合界面的塑性变形是模拟判断焊接质量的重要指标为研究不同炸药厚度对基复管界面塑性变形的影响利用后处理软件在基、复管焊接界面选取 组对称单元(、)分别导出其塑性变形曲线如图 所示图()为选取的 组焊接模拟塑性云图不难看出在基、复管结合界面附近存在 条狭长的塑性变形带由于基管和复管的材料属性的差异变形云图并不对称 等研究得出在爆炸焊接结合界面存在较大塑性变形是焊接成功的必要条件 图()、图()分别是基、复管上选取的 组对称单元的塑性变形曲线可以看出当炸药厚度不断减小时基复管界面上的塑性变形均变小结合文献、组实验金相显示为波形结合界面波长分别为、组实验为无波的平直结合界面王耀华指出波形界面的结合强度大于平直界面结合强度较大的塑性变形更易形成波形结合界面在过小的塑性变形意味着焊接失败或复合强度较低结合实验当复管塑性变形小于.时焊接不能成功.碰撞速度分析爆炸焊接过程中复板的碰撞速度 是非常重要的复合参数碰撞速度过小复管不能产生射流导致焊接失败速度过大结合界面形成熔化层降低结合强度 为更好地了解不同炸药量对复板爆炸速度的影响从 组仿真模拟中分别选取复板上的 个特征单元(、)导出其速度时间曲线如图 所示图 塑性变形分布图.图 碰撞速度分布曲线图.缪广红等:不锈钢/碳钢爆炸焊接管的数值模拟 采用 提出的复管飞行速度公式()计算出复管理论碰撞速度 碰撞速度主要与质量比有关符合本文研究目的并与模拟碰撞速度比对计算结果如表 所示()式()中:为质量比 为炸药格尼能系数表 碰撞速度模拟结果与理论计算 序号理论结果/()模拟结果/()误差/.由图()图()可以看出复管的碰撞速度随着炸药量的增大成正比增大与理论相符合 组模拟速度变化趋势相似速度先迅速增大又急剧减小由于炸药爆轰产物的不稳定、不均匀复管的最后速度成波动状直至趋于 由提供的公式计算出复管碰撞速度如表 所示与模拟所得误差在.可以充分证明 算法能较好模拟爆炸焊接制备不锈钢/碳钢复合管的过程结合前文计算出的可焊接窗口 /模拟结果显示、组模拟碰撞速度均在可焊接窗口内均有较好的结合质量组模拟碰撞速度不在可焊接窗口内无法焊接成功模拟与实验结果吻合 结合 提出的能量计算公式将模拟结果所得速度参数代入分析不同炸药量下的动能损失由公式可知动能损失与碰撞速度成正比碰撞速度可以反映碰撞能量()()式()中:、分别表示复板和基板的质量表示碰撞速度为了更准确地验证出炸药可复合的最低厚度增设第组模拟炸药内径设为.其余参数不变的模拟炸药厚度位于可成功焊接的组与焊接失败的之间 为了解其复合质量选取与前 组同一位置的特征单元分别导出其速度、位移分布曲线如图 所示 图()中复板的碰撞速度为 /仍位于可焊接窗口的下边界外说明焊接不能成功由图()同样可以看出复管在与基管发生碰撞时位移曲线存在较大的回弹没有复合成功这是因为炸药量过少碰撞能量不足未能复合导致回弹 可见当炸药内径大于.时碰撞速度、压力不足以复管产生射流导致焊接失败模拟与实验结果一致图 第组模拟结果.结论本研究借助/软件中的 算法设置不同炸药内径来研究炸药量对 不锈钢/碳钢的爆炸焊接管质量的影响对爆炸复合过程进行三维数值模拟得出以下结论:)模拟结果显示随着炸药量的减小焊接过程中的碰撞压力、塑性变形、碰撞速度均逐渐减小模拟与实验一致模拟与理论得出碰撞速度误差范围在.证明数值模拟对爆炸焊接管的有效性)结合建立的可焊接窗口复板的碰撞速度位于爆炸复合窗口外不能成功焊接模拟与实验结果吻合证明爆炸焊接窗口对爆炸焊接实验有较好的指导意义)爆炸焊接复合管过程需有足够炸药能量使金属复管产生射流以形成波形结合界面模拟显示炸药厚度为.时碰撞速度为 /为焊接窗口内不同炸药厚度的最小值药厚小于.复合过程出现回弹效应导致焊接失败参考文献:杨扬.金属爆炸复合技术与物理冶金.北京:化学工业出版社.兵 器 装 备 工 程 学 报:/./.:.(.):.(/):.():.赵勇张彦武伟涛等./复合板爆炸焊接数值模拟与试验.兵器材料科学与工程():./.():.吴晓明史长根房中行等./钛铝爆炸焊接数值模拟及实验.稀有金属材料与工程():./.():.辛春亮涂建王俊林等.由浅入深精通.北京:中国水利水电出版社.:.():.缪广红马宏昊沈兆武等.不锈钢普碳钢的双面爆炸复合.爆炸与冲击():.():.李岩吴志生刘翠荣等.镁合金和 不锈钢爆炸焊接研究.热加工工艺():.():.:.缪广红艾九英马雷鸣等.不锈钢/普碳钢双面爆炸复合的数值模拟.焊接学报():./.():.唐亮亮.镁/铝复合板爆炸焊接数值模拟及试验分析.西安:长安大学./.:.卞超王凤英卜杉杉等.钛 钢板爆炸焊接的影响因素及炸药配方.工程爆破():.():.():.():.王耀华.金属板材爆炸焊接研究与实践.北京:国防工业出版社:.:.():.科学编辑 余勇 博士(中国科学技术大学 副教授)责任编辑 涂顺泽缪广红等:不锈钢/碳钢爆炸焊接管的数值模拟