爆速对爆炸焊接结合界面波形的影响研究.pdf

(Sum No.211)JOURNALOFNORTHUNIVERSITY OFCHINAASCIENCE EDITION（总第2 11期）2023No.5Vol.44中北大学学报（自然科学版）2023年第44卷第5 期文章编号：16 7 3-3193（2 0 2 3)0 5-0 497-0 6爆速对爆炸焊接结合界面波形的影响研究郝永强1，梁增友12，邓德志，董鹏飞（1.中北大学航空宇航学院，山西太原0 30 0 5 1；2.中北大学机电工程学院，山西太原0 30 0 5 1）摘要：本文通过爆炸焊接结合界面波形来对爆炸焊接质量进行定量研究，通过SPH数值模拟、经验公式与试验研究相结合的方法，对板板爆炸焊接的焊接结合界面进行研究。针对Q235钢的板板爆炸焊接的爆炸焊接窗口进行了分析，建立了Q235钢板板爆炸焊接的爆炸焊接窗口的经验公式。在此基础上针对Q235钢材料的的搭接焊，进行了炸药爆速约342 1m/s和42 5 6 m/s的板板爆炸焊接数值模拟与试验研究，对爆炸焊接界面波形进行对比分析，同时获取了Q235钢板板爆炸焊接数值模拟与经验公式所获得的碰撞速度。结果表明，SPH-FEM耦合算法可以对爆炸焊接进行较为精准地计算，此算法可以作为爆炸焊接的有效算法。爆炸焊接时由于爆轰波的传播及爆轰产物的飞散，会产生边界效应，边缘位置处的碰撞速度小于中心位置。炸药的爆速越大，焊接结合界面的波长越长、波幅越大。当炸药爆速过大时，结合界面会出现过熔现象，从而影响界面结合强度。关键词：爆炸焊接；爆速；数值模拟；界面波形中图分类号：0 38 9文献标识码：Adoi:10.3969/j.issn.1673-3193.2023.05.002Study of Influence of Detonation Velocity on Interface Waveformof Explosive WeldingHAO Yongqiang,LIANG Zengyoul-2,DENG Dezhi?,DONG Pengfei?(1.School of Aerospace Engineering,North University of China,Taiyuan 030051,China;2.School of Mechanical and Electrical Engineering,North University of China,Taiyuan 030051,China)Abstract:The quality of explosive welding was quantitatively studied by studying the waveform of ex-plosive welding interface.The welding interface of plate explosive welding was studied by SPH numeri-cal simulation,empirical formula and experimental research.Firstly,the explosive welding window ofQ235 steel plate explosive welding was analyzed,and the empirical formula of explosive welding windowof Q235 steel plate explosive welding was established.On this basis,the numerical simulation and ex-perimental study of explosive welding of plate with explosive detonation velocity of about 3 421 m/s and4 256 m/s were carried out for the lap welding of Q235 steel material.The waveform of explosive weld-ing interface was compared and analyzed,and the collision velocity obtained by numerical simulation andempirical formula of explosive welding of Q235 steel plate was obtained.The results showed that theSPH-FEM coupling algorithm can be used to calculate the explosive welding accurately,and it can beused as an effective algorithm for explosive welding.Due to the propagation of detonation wave and thedispersion of detonation products,the boundary effect will occur in explosive welding,and the collision收稿日期：2 0 2 3-0 3-15作者简介：郝永强（1998 一），男，硕士生，主要从事冲击动力学的研究。通信作者：梁增友（196 9一），男，教授，博士生导师，主要从事弹箭高效毁伤技术的研究。498中北大学学报（自然科学版）2023年第5 期velocity at the edge is lower than that at the center.The higher the detonation velocity,the longer thewavelength and the larger the amplitude of the bonding interface.When the detonation velocity is toohigh,the bonding interface will appear over-melting,which will affect the bonding strength of the inter-face.Key words:explosive welding;detonation velocity;numerical simulation;interface waveform0引言爆炸焊接技术由于焊接强度高、应用广泛性强和成本低廉，已成为金属焊接的热门技术之一。爆炸焊接技术以炸药为能源，通过炸药爆炸后产生的能量和爆轰波，使基复材发生高速碰撞，从而进行焊接。炸药作为主能源，在基复材的距离一定时，炸药的爆速影响了基复材的碰撞速度，进而影响金属的焊接质量。李芮宇等在炸药爆速为2800m/s时，通过改变装药比来影响碰撞速度，对焊接界面的波形进行了研究。缪广红等 2 通过改变炸药厚度对不锈钢和普碳钢进行了双面爆炸焊接数值模拟研究，Gurney公式的结果与试验结果相吻合。曹杰等 3 对钛-铝薄板爆炸焊接进行数值模拟，发现通过改换爆炸焊接基-复板，结合面会形成方向相反的前涡和尾涡。李岩等 4采用爆速为2 40 0 m/s的炸药对钛-铝爆炸焊接进行数值模拟与试验验证，揭示了钛-铝爆炸焊接界面的形成机制。赵峰等 5 采用爆速为2 2 0 0 m/s2300m/s的炸药，成功制得3Cr13Mo/42CrMo复合棒。Xu等 6 采用爆速为2 30 0 m/s的炸药制得锯钢复合板，通过两步模拟法再现了冲击过程和形貌特征。Acarer等 7 采用爆速为310 0 m/s的炸药制得AZ31-AL5005复合板。吴晓明等 8 通过改变炸药厚度对TA2/5083钛铝爆炸焊接进行数值模拟及实验，对不同炸药厚度的焊接界面波形进行了研究。Zhou等 9 对钨/铜爆炸焊接进行数值模拟与试验，数值模拟很好地模拟出波浪形态，提供了关于波长、振幅、压力和界面温度的结果。许祖熙 10 对铝-不锈钢复合管以及铜-不锈钢复合管进行数值模拟与实验对比，发现随着炸药厚度的增加，焊接界面波的波长与波幅增大，焊接质量在一定范围内先变高后降低。缪广红等 11 通过数值模拟，发现在复板、炸药变化的情况下，爆炸焊接的边界效应依然存在，只是产生边界效应的严重程度有所不同。邓伟等12 1进行了不同爆速的爆炸焊接试验，结果表明，炸药爆速、爆炸焊接环境和爆炸产物飞散条件对界面结合波形及熔化层厚度有很大影响。Zhou等 13 在爆速为2 30 0 m/s时制得锯钢复合板，通过两步模拟法再现了冲击过程和形貌特征。学者们主要研究了异种金属的焊接，对于同种材料的焊接研究则相对较少。同种材料的焊接主要存在于条或者板状的搭接焊和单缝对接焊 141，如图1所示。这两种焊接方式可以用于有大量孔或者裂缝的板材修补。针对这一情况，本文对Q235钢板的板爆炸焊接进行了分析研究。炸药（a）搭接焊示意图炸药小缝隙（b）单缝对接焊示意图图1同种材料的焊接方式示意图 14Fig.1Welding method diagrams of the same materil1al炸药爆速影响着碰撞速度，进而影响到焊接界面形貌，因此，对于不同炸药爆速下的爆炸焊接界面观察与焊接质量研究是有必要的。本文对两种不同爆速的Q235钢板板爆炸焊接进行了数值模拟与试验研究，分析了其他条件一定时，爆速对爆炸焊接质量的影响，可为后续研究提供一定的参考。499爆速对爆炸焊接面波形的影响研究（郝永强等）（总第2 11期）1爆炸焊接窗口确定1.1焊接下限爆炸焊接过程中，当基复板以较低的速度发生碰撞时，碰撞点处的压力小于材料的屈服应力，材料不会产生塑性变形。爆炸焊接窗口的焊接下限就是基复板发生碰撞可以产生塑性变形的临界速度。焊接下限计算公式为HUpmin=K(1)式中：K为常数，取值在0.6 1.2 之间；Hv为材料的维氏硬度；为材料的密度 131.2焊接上限爆炸焊接过程中，当基复板以过高的速度发生碰撞时，碰撞点处的压力和温度过高，会导致焊接界面过熔，从而使焊接质量变差，甚至还会导致材料过载产生微小裂纹。爆炸焊接窗口的焊接上限就是防止碰撞速度过快，而使结合界面过熔失效 15。Wi t t ma n 给出了最大碰撞速度，为41TCkcpcm（2)pmaxNoh式中：Tm为材料熔化温度；为材料体积声速；U为碰撞点移动速度；k为材料导热系数；Cp为基板材料热容，h为复板厚度，N为上限理论常数，取值0.0 391.3流动限爆炸焊接的特点是其结合界面呈波形状，波形结合面会提高焊接界面的结合强度。当碰撞点速度大于。时，复板对基板进行碰撞，在基板上形成凹坑，而再入射流剪切基板将碰撞点前沿积聚突起，如此往复，从而形成波状。流动限。的计算公式为2ReHv.pH.fcmin(3)Of式中：Re为雷诺数，其值约为8.0 13.0；p和pr分别为基板和复板的密度；Hv.p和Hv.f分别为基板和复板的维氏硬度。1.4声速限爆炸焊接的声速限是指爆炸焊接过程中基板与复板的最大碰撞速度。相对于基板与复板的材料声速，基复板只有在亚声速条件下发生碰撞才能形成射流。所以，碰撞速度必须小于焊接材料中材料声速较小的值，即Ucmax=min(c1,C2)。（4)1.5爆炸焊接窗口计算实验基复板的材料都采用Q235钢，材料参数如表 1 所示。根据式（1）式（4）对爆炸窗口进行计算，爆炸焊接窗口的下限Upmin为40 6 m/s，流动限Ucmin为2 47 m/s，声速限 cmax为45 7 0 m/s。爆炸焊接窗口如图2 所示。焊接上限爆炸焊接窗口焊接下限流动限声速限碰撞闭合速度u/(ms-)图2 爆炸焊接窗口示意图Fig.2Schematic diagram of explosion welding window表1Q235钢材料参数Tab.1Material parameters of Q235 steel密度抗拉强度声速维氏硬度熔化温度导热系数比热材料p/(kg m-3)Ob/MPac/(m s-l)H,/MPaTm/Kk/(Wm-1.K-l)Cp/(J kg-1.K-l)Q235785040545701.3001793385002爆炸焊接数值仿真与试验2.1爆炸焊接仿真在TrueGrid软件建立实体模型，采用FEM-SPH耦合的方法，进行爆速为342 1m/s和4256m/s的两组爆炸焊接数值模拟，在LS-Pre-post软件中对实体模型中的炸药和部分基复板进行SPH粒子化，部分炸药和部分基复板的粒子模型如图3所示。炸药和基复板的粒子与实体之间500中北大学学报（自然科学版）2023年第5 期使用*CONTACT_ERODING_NODES_TOSURFACE_ID点面接触，在基板下方设置约束，限制所有粒子穿越。其中，基复板采用JC模型，炸药使用JWL模型。基复板的长度为2 0 0 mm，厚度为3mm（其中1mm采用网格结构，网格尺寸为0.1mm，2 m m 采用SPH结构），炸药厚度为10 mm，基板和复板的粒子数都为30 0 0 0 个，炸药粒子数为10 0 0 0 0，基复板之间的间隙为2mm，其它参数如表2 所示。炸药Q235复板Q235基板复板FEM部分复板SPH部分基板SPH部分基板FEM部分图3部分炸药和基复板粒子模型Fig.3Partially explosive and base clad plate particle model表2 基复板的JC模型Tab.2JC model of base clad plate密度p/(kgm3)A/MPaB/MPa.熔化温度Tm/K7.83126151017932.2爆炸焊接试验爆炸焊接试验前，要对基复板进行清理工作。在爆炸焊接试验时，将基复板依次放置在经过平整处理的地面上，在基复板之间留有一定间隙，用间隔柱隔开。炸药为梯恩梯（TNT)添加不同比例的稀释剂，制得爆速分别为342 1m/s和4256m/s的两种炸药，如表3所示。将炸药均匀地铺放在准备好的药框里。由于本次试验采用边缘起爆方式，在药框一端设置起爆药，再将电雷管与起爆药相连。整个爆炸焊接系统的装配结构如图4所示。表3不同组分掺和物对TNT爆速的影响Tab.3Effect of different component admixtures onTNT detonation velocity炸药密度炸药爆速炸药组成p,/(kg.m-3)Ua/(ms-l)TNT1.61685025TNT/75Ba(NO3)22.525425615TNT/85Ba(NO3)22.583421电雷管药框复板炸药一间隔柱基板地基图4爆炸焊接系统的装配Fig.4Assembly of explosive welding system3结果分析与对比3.1速度分析由爆炸焊接窗口可知，爆炸焊接过程中，复板在炸药爆炸能量的作用下与基板发生高速碰撞，只有碰撞速度在一定界限内时，基复板之间才会形成金属射流，从而形成波形界面。速度过低难以形成波形界面，而速度过高则会使界面过熔，从而影响焊接质量。因此，对于基复板碰撞速度的研究是很有必要的。由于炸药的能量通过爆轰波进行传递，本实验对复板不同位置的5 个节点进行了对比研究。为了更好地探究爆炸焊接基复板的碰撞速度，在两组数值模拟中，选取复板上不同位置的5 个节点，如图5 所示。炸药爆速为342 1m/s时，节点速度随时间的变化如图6 所示。炸药爆速为4256m/s时，节点速度随时间的变化如图7所示。345图5 复板上5 节点选取位置Fig.5Selection position of five nodes on the composite board由图6 和图7 可知：1）5 个节点的碰撞时间相差在5 s内，故爆炸焊接过程是瞬时完成的；2）图6 中基复板的碰撞速度 pl=503m/s，比501爆速对爆炸焊接结界面波形的影响研究（郝永强等）（总第2 11期）Upmin=406m/s提高了2 4%，理论上可以实现可靠焊接。图7 中基复板的碰撞速度 p2=590m/s，比Upmin=406m/s提高了45%，理论上碰撞速度偏高，会出现过熔现象；3）1节点的碰撞速度明显低于2 4节点的，原因是爆炸焊接时产生了边界效应。炸药处于不封闭的空间内，边缘炸药爆炸时会向四周飞散，中心炸药被压缩，由此导致作用于边缘的爆轰载荷压力小于中心处的爆轰载荷压力，基复板碰撞速度低于中心处的碰撞速度。600500400(f-s.tu)/a3002001000-100051015202530354045 5055t/us图6炸药爆速为342 1m/s时节点速度随时间的变化Fig.6Variation of node velocity with time when explosivedetonationvelocity is 3421 m/s70060050045400(i_s.ul)/a3002001000-1000510152025303540455055t/us图7炸药爆速为42 5 6 m/s时节点速度随时间的变化Fig.7Variation of nodevelocity with time when explosivedetonation velocity is 4 256m/s在间隙一定的情况下，碰撞速度。可以通过经验式（5）由R与炸药爆速U计算出。通过经验公式计算得，炸药爆速分别为342 1m/s和4256m/s时，基复板的理论碰撞速度为490 m/s和5 8 5 m/s，计算结果与仿真结果相符。0.6R12(5)K1+0.2R+0.8/R23.2界面波形分析爆炸焊接的焊接质量可以通过结合界面波形大致确定。波状结合是爆炸焊接最常见的一种结合形态，有学者把爆炸焊接结合界面划分为3种：微波状结合、小波状结合和大波状结合，其中微波状结合最佳 14。为了探究焊接结合强度，须对界面波形进行分析。炸药爆速为342 1m/s时的结合界面如图8 所示，炸药爆速为42 5 6 m/s时的结合界面如图9所示。（a）炸药爆速为342 1m/s时数值模拟结合界面SU500020.0kV11.8mm100BSL-ALl（b）炸药爆速为342 1m/s时试验结果结合界面图8 炸药爆速为342 1m/s时的结合界面Fig.8Bonding interface of explosives with detonation velocityof3421m/s对比图8 和图9，可以发现1)3）。1）基复板之间会有射流产生，基复板会互相渗透。2）炸药爆速越大，结合界面波形的波长越长，波幅越大。原因是爆速越大，炸药爆炸后产生的爆轰载荷压力越大，根据界面形貌和爆轰载荷压力的关系可知，爆轰载荷压力越大，波长越长，波幅越大。3）爆速较小的炸药（342 1m/s左右）得到的材料结合界面属于微波状结合，结合质量良好；爆速较大的炸药（42 5 6 m/s左右）得到的材料结合界面出现裂纹。其原因在于：爆速增加，爆炸焊接系统获得的总能量增加，复板获得的能量过大，碰撞时局部温度和压力过高，出现过熔现象，冷却速度过快导致出现裂纹；在碰撞前，基复板之间的空气没有排尽，气体受到强烈的绝热压缩，导致结合界面出现裂纹。结合界面波长下转第5 0 9页）502中北大学学报（自然科学版）2023年第5 期为2 0 0 m，波幅为5 5 m，属于大波状结合，结合界面出现裂纹，表明结合质量较差。（a）炸药爆速为42 5 6 m/s时数值模拟结合界面裂纹SU500020.0kV13.9mm100BSE-ALL500um（b）炸药爆速为42 5 6 m/s时试验结果结合界面图9炸药爆速为42 5 6 m/s时的结合界面Fig.9Bonding interface of explosive with detonation velocityof4256m/s4结论1）Q 2 35 钢板板爆炸焊接的数值模拟结果与经验公式结果相一致，数值模拟的界面形态与试验观察结果相一致。因此，认为SPH-FEM耦合算法可以对爆炸焊接进行准确计算，此算法可以作为爆炸焊接的有效算法。2）Q 2 35 钢板板爆炸焊接界面电镜扫描结果表明，当炸药爆速过大时，基复板结合界面会因为碰撞速度过大导致结合界面产生过熔，最终结合界面产生裂纹，结合强度变低。3）Q 2 35 钢板板爆炸焊接数值结果与试验表明，炸药爆速为42 5 6 m/s时，基复板结合界面波形为大波状结合；炸药爆速为342 1m/s时，基复板结合界面波形为微波状结合。3种结合界面以微波状结合为最佳，该尺寸钢-钢平板的爆炸焊接炸药爆速为342 1m/s工况下的焊接质量，要优于炸药爆速为42 5 6 m/s工况下的焊接质量。4）Q 2 35 钢板板爆炸焊接数值模拟与试验表明，炸药爆速越大，焊接界面波形的波长越长，波幅越大。参考文献：1李芮宇，孙宇新，付艳恕，等铝-铝爆炸焊接界面波形成与特征 J.焊接学报，2 0 17，38（5）：92-95，107,133.LI Ruiyu,SUN Yuxin,FU Yanshu,et al.Forma-tion and characterization of Al-Al explosive weldinginterfacesJ.Transactions of the China Welding In-stitution，2 0 17,38(5):9 2-9 5,10 7,133.（in C h i-nese)2 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 J.焊接学报，2 0 2 0，41（8）：55-62,100.MIAO Guanghong,AI Jiuying,MA Leiming,et al,Numerical simulation of double-sided explosive weld-ing of stainless steel/ordinary carbon steel J.Transactions of the China Welding Institution,2020,41(8):55-62,100.(in Chinese)3曹杰，贾红新，武慧恩，等钛一铝薄板爆炸焊接数值模拟J火工品，2 0 2 0（3）：5 3-5 6.CAO Jie,JIA Hongxin,WU Huien,et al.Numericalsimulation on explosive welding of Ti/Al plateJJ.Initi-ators&Pyrotechnics,2020(3):53-56.(in Chinese)4李岩，李艳彪，刘翠荣，等钛/铝爆炸焊界面形成机制数值模拟与试验验证 J.焊接，2 0 2 1（9）：10-15,61-62.LI Yan,LI Yanbiao,LIU Cuirong,et al.Numericalsimulation and experimental verification on formingmechanism of Ti/Al explosive welding 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