基于SPH-FEM算法的爆炸焊接界面参数及波形生长机理研究

使用SPH-FEM耦合算法对钛-钢、钢-不锈钢、铜-钢、钛-铝4种常见爆炸复合组合进行了数值模拟,理论分析了材料JC强度方程和SG强度方程的适用应变率范围。探讨了爆炸焊接静态参数基复板厚度和动态参数碰撞速度、动态弯折角对界面温度和压力的影响,借助数值模拟手段研究了界面波形形貌,漩涡和少量飞溅熔化块的生长机理。结果表明,随着复板厚度和碰撞速度的增加,界面温度、压力和波形尺寸明显增加,动态弯折角和基板厚度的改变并不能影响界面温度,界面波形生长遵循着“主逆次顺”运动规律。     

铜-高氮钢复合板的爆炸焊接可行性探究

针对高氮钢的高硬度、高耐磨性以及铜的耐腐蚀性,本文在爆炸焊接相关理论参数计算的基础上,结合试验研究,对铜与高氮钢进行了爆炸焊接试验,得到其最佳的工艺参数,即当基、复板间距为6 mm,单位面积装药高度为24 mm时,铜与高氮钢能够形成良好的结合。利用有限元软件ANSYS/LS-DYNA对铜与高氮钢的爆炸焊接过程进行了数值模拟与分析,得到了复板运动过程的位移云图,模拟结果与试验结果表现出良好的一致性。     

双金属复合管水下爆炸成形有限元分析

水下爆炸复合工艺是实现异种金属管材高强度结合的一种先进生产方法,运用非线性有限元分析软件对双金属复合管水下爆炸成形过程进行数值研究. 详细阐述了双金属管水下爆炸复合的安装工艺及其成形过程. 基于ANSYS/LS-DYNA平台建立了水下爆炸复合成形的有限元模型,通过实例分析了复合动态过程、基衬管关键节点的位移、以及成形后复合管的应力应变分布. 利用控制变量法研究水下爆炸复合主要工艺参数对复合管结合强度的影响规律. 最后通过试验对数值计算结果进行验证. 结果表明,有限元模型能够有效模拟双金属管水下爆炸复合过程.     

基于SPH法的爆炸焊接边界效应二维数值模拟

为了揭示造成爆炸焊接边界效应的机理,文中借助LS-DYNA软件,采用无网格的SPH法分别对复板厚度为2 mm、基板厚度为16 mm的Q235/Q235、TA2/Q235、304不锈钢/Q235复合板进行爆炸焊接边界效应的二维数值模拟. 观察不同组模拟过程中的复板飞行姿态,复板撕裂均发生在与基板碰撞之前. 当基板保持一致,炸药分别为乳化炸药与膨化铵油混合炸药,复板为TA2时均比复板为Q235钢以及304不锈钢的撕裂尺寸更大;当基板、复板均为Q235钢,乳化炸药条件下比膨化铵油混合炸药条件下复板的撕裂尺寸更大. 结果表明,在复板、炸药变化的情况下,爆炸焊接的边界效应依旧存在,只是产生的边界效应的严重程度有所不同;复板极限抗拉强度越低或炸药爆轰速度越高,边界效应现象越严重.     

间隙对三层圆管爆炸焊接影响的数值模拟

爆炸焊接工艺是实现异种材料冶金结合的先进连接工艺,间隙是影响焊接质量的重要工艺参数.基于ANAYS/LS-DYNA平台建立了钢一铜一铜三层圆管爆炸焊接的三维有限元模型,研究了不同间隙下的成形过程和焊接质量.结果表明,当间隙1和间隙2分别设置为复管1厚度的1/4-1倍和复管2厚度的1/2-2倍时可实现良好复合;复合管的最大塑性应变和最大有效应力受间隙影响较小,却在6μs时间内极速增大并趋于稳定;间隙1的大小同时影响复管1和复管2的加速运动,而间隙2只影响复管2的加速运动.     

压焊

金属爆炸焊接界面应力场数值计算分析；柔性银-铜导电母线的电阻焊[俄]；管板单边电阻点焊形核过程有限元模拟；低碳钢点焊喷溅的动态电阻特征参量；电阻点焊电磁力的试验分析.     

TA2/1060/5083数值模拟及试验

TA2与5083爆炸焊接界面易生成脆性金属间化合物、氧化物、连续熔化区等缺陷,焊接窗口狭窄,最佳焊接参数难以准确获得。本文重构了动态弯折角β和碰撞速度Vf的β-Vf模型,使用SPH-FEM耦合算法,首次运用Steinberg-Guinan材料本构模型进行了炸药厚度为10mm、15mm、20mm,复板厚度为1.5mm的TA2/1060/5083爆炸焊接数值模拟;并采用数值模拟获得的参数开展了爆炸焊接试验。数值模拟和试验结果高度吻合并一致表明：药厚10mm时,TA2/1060和1060/5083界面均呈优质平直状结合,药厚15mm时,1060/5083界面呈波状形貌结合,两种药厚条件下的钛-铝过渡界面均未检测到脆性金属间化合物缺陷生成;药厚20mm时,基复板材料发生破坏,不能实现复合。运用计算优化的参数成功制备了大面积TA2/1060/5083复合材料,本文为理化性能差异较大异种金属等爆炸复合问题提供了一种新的可靠算法。     

825合金/20钢双金属复合管焊接工艺

对825合金/20钢双金属复合管的焊接性,分别从材质化学成分、力学性能和物理性能进行了分析,研究了双金属复合管钨极氩弧焊的焊接工艺参数,制定了相应的焊接工艺,并进行了焊接工艺试验评价。试验评价结果表明,双金属复合管环焊缝性能优良,组织主要为铁素体/奥氏体(F/A)双相组织,相比例合适,各项指标满足相关标准要求,可应用于腐蚀性油气田825合金/20钢双金属复合管焊接过程中的质量控制措施。     

爆炸焊接制备大厚度Cu-Fe-Cu复合板

铜-铁复合板既有良好的延展性、导电和导热性,又有铁的铁磁性和铜的抗磁性,因此可广泛应用于电力、电子等行业。但铜和铁较差的相容性又使得两种金属难以用常规方法进行焊接。本文采用爆炸焊接方法进行了大厚度Cu-Fe-Cu复合板的制备。首先,采用爆炸焊接理论获得了可焊性窗口,确定了炸药爆速、装药厚度和间隙高度;随后,在数值模拟中同时使用SPH、Lagrange和Euler方法完整模拟了整个爆炸焊接过程,获得了复板的碰撞速度、结合界面温度和压力,验证了理论设计参数的有效性;最后,开展了爆炸焊接试验,成功制备了大厚度Cu-Fe-Cu复合板,分析了结合界面近区的硬度分布和界面结合强度,借助于试验和数值模拟结果讨论了界面波的形成过程。结果表明：数值模拟和试验得到的Fe-Cu结合界面的波形参数基本一致;铁和铜在结合面附近的硬度较母材分别增加了约34.2%和49.8%;第一和第二结合界面的剪切强度分别为212.7 MPa和225.3 MPa。     

爆炸焊接制备大厚度Cu-Fe-Cu复合板（英文）

铜-铁复合板既有良好的延展性、导电和导热性,又有铁的铁磁性和铜的抗磁性,因此可广泛应用于电力、电子等行业。但铜和铁较差的相容性又使得两种金属难以用常规方法进行焊接。本研究采用爆炸焊接方法进行了大厚度Cu-Fe-Cu复合板的制备。首先,采用爆炸焊接理论获得了可焊性窗口,确定了炸药爆速、装药厚度和间隙高度;随后,在数值模拟中同时使用SPH、Lagrange和Euler方法完整模拟了整个爆炸焊接过程,获得了复板的碰撞速度、结合界面温度和压力,验证了理论设计参数的有效性;最后,开展了爆炸焊接试验,成功制备了大厚度Cu-Fe-Cu复合板,分析了结合界面近区的硬度分布和界面结合强度,借助于试验和数值模拟结果讨论了界面波的形成过程。结果表明:数值模拟和试验得到的Fe-Cu结合界面的波形参数基本一致;铁和铜在结合面附近的硬度较母材分别增加了约34.2%和49.8%;第一和第二结合界面的剪切强度分别为212.7 MPa和225.3 MPa。     

基于不同算法的金属管棒爆炸焊接模拟

选取1060铝管/T2铜棒为爆炸复合棒制备材料,T2铜管/Q235钢管为爆炸复合管制备材料,利用ANSYS/LS-DYNA软件结合拉格朗日法、拉格朗日—欧拉耦合法(ALE法)及光滑粒子流体动力学—有限元耦合法(SPH-FEM耦合法)3种算法,对一次制备两组爆炸复合管棒的爆炸焊接试验进行数值模拟. 结果表明,拉格朗日法的前期建模最为简洁,ALE法其次;模拟过程中SPH-FEM耦合法耗时最多,ALE法耗时最短;3种算法所测得的碰撞速度与理论计算值存在0.9% ~ 5.3%的误差,其中SPH-EFM耦合法的误差最小,拉格朗日法的误差最大. 利用管材内部的能量累积原理解释了焊接过程中外部复合管出现的扩径情况,并结合T2铜管/Q235钢管复合界面的压力分布验证了所产生的现象.     

炸药覆盖层对爆炸焊接影响的数值模拟

为探究炸药覆盖层厚度对爆炸焊接的影响,采用ANSYS/LS-DYNA软件并结合SPH-FEM耦合算法,对不同覆层厚度下的爆炸焊接试验进行三维数值模拟.文中采用厚度为20 mm的Q235钢和厚度为2.5 mm的304不锈钢作为基板和复板.根据相应的材料参数理论计算了焊接过程中的动态参数,并以此建立爆炸焊接窗口.仿真结果表明,与无覆盖层爆炸焊接相比,覆盖层厚度为15 mm、 30 mm和45 mm时冲击速度分别提高了39.3%, 58.1%和68.8%,碰撞压力分别增大了41.0%, 65.6%和80.6%.仿真结果与试验结果基本一致.利用SPH法进行二维数值模拟,得到了装配炸药覆盖层时复板与基板的复合界面.仿真结果表明,复合板在覆层厚度为15 mm时具有良好的波形复合界面,且界面波形与试验金相分析结果较为吻合.     

基于自约束结构炸药的T2/Q345爆炸焊接及数值模拟

为提高炸药能量利用效率、降低能量耗散,利用自约束结构炸药进行爆炸焊接研究.以T2铜和Q345钢分别作为复层与基层,自约束结构炸药作为焊接炸药,借助ANSYS/AUTODYN软件模拟爆炸焊接过程,并进行T2/Q345爆炸焊接试验,对复合板试件进行拉剪性能检测和微观形貌观察分析其焊接质量.结果表明,T2/Q345爆炸焊接的碰撞速度距起爆端100 mm后均大于临界碰撞速度345 m/s,距起爆端150 mm处碰撞速度达到最大值567 m/s.T2/Q345复合板起爆端呈直线结合,并随着传爆距离增加变为波形结合.T2/Q345复合板远离起爆端的平均剪切强度为237.0 MPa,断裂位置位于铜一侧.试件被拉剪破坏后的铜层出现加工硬化现象,远离结合界面的显微硬度和塑性变形程度呈增强趋势.自约束结构炸药可降低自身爆炸产物飞散,使炸药能量更多地转化为复层动能,提高能量利用率.     

高强铜/钢双金属复合导板的界面结合机制

采用液态铜与钢复合、液态钢与铜复合两种方案制取了高强铜/钢双金属复合导板。对高强铜/钢双金属复合导板的界面处显微组织、元素分布进行了分析。结果表明,两种复合方式均可使高强铜/钢实现良好的冶金结合;在高强铜/钢双金属的复合过程中,原子优先沿金属表面扩散和晶间渗透,晶界是扩散的主要通道;高强铜/钢双金属界面结合主要通过表面润湿铺展和原子扩散导致富Fe和富Cu区形成Fe-Cu合金相等作用来共同实现。     

水下爆炸焊接制备NiTi合金与铜箔复合板

应用水下爆炸焊方法进行了NiTi形状记忆合金与铜箔的爆炸焊研究．利用大型有限元软件ANASYS／LS-DYNA对水下爆炸冲击波驱动飞板的飞行过程进行了数值模拟．飞板的飞行速度与爆炸焊产生射流的最小碰撞速度对比表明,可以实现焊接．通过分析微观组织和断裂机理,评估复合板焊接效果．结果表明,微观组织观察显示界面为连续均匀的波纹形态,界面结合处无裂纹,焊接性能良好．断口形貌分析显示断裂主要表现为解理和准解理断裂,界面处端口形貌与微观组织形态观察一致．水下爆炸焊方法将解决脆性、薄板金属用传统爆炸焊方法难以焊接的问题．     

不锈钢/普碳钢双面爆炸复合的数值模拟

为了提高能量的利用率,使用双面爆炸焊接装置可以一次性得到两块复合板. 借助LS-DYNA软件与光滑粒子流体动力学,采用SPH-FEM耦合算法,选取厚度为3 mm的304不锈钢、16 mm的Q235钢和乳化炸药,对不锈钢/普碳钢的双面爆炸焊接试验做了三维数值模拟,计算并建立了爆炸焊接窗口. 对模拟过程中的复板竖向位移、碰撞压力和碰撞速度进行了分析,并将模拟得到的结果与试验结果进行了比较. 模拟结果表明,7 mm药厚下复合质量较好,而10 mm药厚下可能会由于碰撞能量过大导致焊接失效,模拟与试验结果一致性较好. 引入了Gurney公式对试验结果进行预测,计算结果显示:Gurney公式的预测结果与试验结果吻合较好,表明了SPH-FEM耦合算法与Gurney公式用于不锈钢/普碳钢双面爆炸焊接的有效性.     

爆炸焊接参数对钽/304不锈钢界面波形影响的数值模拟

为了研究爆炸焊接参数对界面波形的影响,对钽/304不锈钢的爆炸焊接进行了二维数值模拟,模拟得到了不同碰撞角和碰撞速度的界面波。由输出模拟界面处波形图可观测到钢在爆轰过程中被拉长且在涡旋处强烈弯曲;测量波的波长以及波幅发现,当碰撞速度一定时,比波长由小到大依次为碰撞角12.2°、碰撞角14.1°、碰撞角16.4°;碰撞角一定时,碰撞速度为633 m/s界面波长和波幅小于碰撞速度为735 m/s时的界面波长和波幅;速度水平方向的数值大小与波长数值的大小一致性较好,速度竖直方向的数值大小与波幅数值的大小一致性较好。结果表明,结合界面处和界面附近的钢侧均发现了明显的解理断裂特征;界面处比波长与碰撞角呈正相关;碰撞速度越大,界面波长和波幅也越大;速度水平方向的分量决定波长数值的大小,速度竖直方向的分量决定波幅数值的大小。 创新点： (1)结合光滑粒子流体动力学方法,采用单参数变化方法研究碰撞角和碰撞速度对界面波形的影响。 (2)研究了速度的水平分量以及竖直分量对界面波形的影响。     

Study on weldability window and interface morphology of steel tube and tungsten alloy rod welded by explosive welding

The explosive welding of the axisymmetric 30CrMnSi tube and tungsten alloy rod was studied. Through theoretical analysis, the weldability window of these two metals was obtained, which could enable the prediction of the welding interface morphology under different explosive conditions. The explosive welding tests under different explosive loading conditions were carried out and 30CrMnSi/tungsten alloy composite rods were obtained. Analytical investigations of the microstructure, hardness, and composition of the samples were performed. The results showed that 30CrMnSi steel tubes and tungsten alloy rods could be successfully welded together. The welding interfaces of composite rods obtained under different explosive loads had different morphological characteristics. With the increase in the explosive load, the welding interface transforms from a straight interface to a corrugated one and even forms a melting transition zone at the interface. The chemical compositions of the transition zone showed that the region consists of two kinds of welded materials. It indicated that the temperature at the interface during the welding process exceeded the melting temperature of the tungsten alloy, and both of the welded materials generated melting phenomena.     

碳钢爆炸焊界面形貌预测及影响因素分析

为完善爆炸焊波状界面形成机理和特性,并探究界面形貌的量化预测分析方法,文中以流体弹塑性模型为基础,结合多组钢/钢、钛/钢爆炸焊试验结果,定性地分析了基板材料强度与飞板冲击强度对爆炸焊界面形貌的影响,并定量推导了界面形貌的量化计算方法。结果表明,在相同的爆炸焊条件下,界面的波纹形貌受基板材料强度及飞板冲击强度的影响十分明显,且界面比波长随比强度的变化趋势存在明显的流动限拐点;拐点前比波长随比强度的增大而迅速上升,拐点后比波长受比强度的影响较小并随比强度的增大而逐渐平稳。以比强度为主要变量,结合流体弹塑性模型及可焊窗口理论构建的界面形貌预测计算公式在钢/钢、钛/钢材料的爆炸焊试验中均呈现了较好的定性分析效果;以比强度作为分析爆炸焊界面形貌主要特征变量之一的方法在性能与碳钢接近的金属中具有一定的参考价值。