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.     

铝/钛复合管爆炸焊接三维数值模拟

复合管爆炸焊接在工艺上的差异性决定了其焊接过程与复合板焊接过程不同,而复合管爆炸焊接作用空间的相对密闭导致观察和分析其焊接过程的困难,通过软件AUTODYN模拟出了复合管爆炸焊接过程,在验证模型正确有效的基础上,分析了复合管射流产生以及结合界面波形结构的独特性,发现射流产生波状结合满足侵彻机理假说.对比爆炸焊接试验结果表明,模拟结果与试验结果具有良好的一致性,这为研究复合管波形结构以及射流形成机理等提供了重要手段.     

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.     

爆炸焊接法制备铟/铁复合板的实验与数值模拟

提出了一种通过在炸药与复合板之间增加一层速度调整板，以获得理想焊接条件的用于制备铟/铁复合板的新型爆炸焊接方法。通过理论方法计算了爆炸焊接参数，通过实验对炸药载荷的影响进行了研究。应用光滑粒子流体动力学（SPH）方法进行数值模拟以验证参数有效性，探究了结合界面的成型机理，并研究了压力和塑性应变的分布。结果表明，当炸药厚度增加时，界面波形结构更明显。界面剪切试验结果表明铟/铁复合板结合面抗剪切强度为16 MPa，比纯铟材料的抗剪切强度高，且三点弯曲试验之后复合板结合界面无裂纹。采用改进的爆炸焊接方法可以有效制备高质量铟/铁复合板。     

铜/钢复合管爆炸焊接数值模拟及边界效应

以铜/钢复合管为研究对象,利用AUTODYN有限元软件SPH和ALE法对爆炸焊接过程进行二维数值模拟,分析了焊接动态过程和边界效应问题,并对铜/钢复合管进行了爆炸焊接试验。结果表明,在爆轰波作用下,复管与基管发生倾斜碰撞,碰撞区域压力稳定在10⁷ kPa的数量级,在碰撞区附近出现1条塑性变形带,且复管和基管上的剪切应力相反,界面形态随着爆炸波的传播从直线变为波状,这与试验中获得的T2/316L双金属复合管的实际界面形态一致,说明有限元模型能够有效模拟双金属复合管爆炸焊接过程。数值模拟过程中边缘动态参数值均小于正常值,存在边界效应,增加复管和炸药的长度可以消除边界效应。     

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。     

铝/钛复合管的爆炸焊接试验

设计了2A12(LY12)/TA1复合管爆炸焊接所用的模具;阐述了该复合管的爆炸焊接工艺,并根据力学性能及SEM和XRD的测试结果和分析指出该复合管界面为理想的微波状结合,界面结合区未产生金属间化合物,其力学性能完全能满足使用的要求,因此,所采用的爆炸焊接工艺是可行的;另外,依据界面线扫描曲线还发现,该复合管的界面结合区中性面偏于扩散势较低的TA1管侧。     

铝-不锈钢爆炸焊接复合管性能及轧制加工研究

以316L不锈钢管和L2铝管为基材,进行爆炸焊接,利用扫描电镜及能谱仪研究了铝-不锈钢爆炸焊接复合管界面微观结构;利用弯折法对复合管的结合强度进行检测,并用显微硬度计测试界面附近的硬度分布;通过金相显微镜观察了爆炸焊接复合管轧制后的界面情况.结果表明:弯折法检测的高结合强度的复合管,经轧制后仍能有较高的结合性能.     

锆钢爆炸复合板界面波形影响参数研究

为了研究爆炸焊接参数对锆钢复合板界面波的影响,对锆钢进行了小倾角法爆炸焊接,在不同碰撞速度和碰撞角条件下,得到了连续变化的界面波。通过对界面波进行金相显微观察,测量了不同位置界面波的波长和波高。采用SPH无网格方法对小倾角法爆炸焊接过程进行了数值模拟,计算出了不同位置的碰撞速度、碰撞角、比压强。研究表明,碰撞速度和碰撞角是影响界面波形的关键参数,当碰撞速度为493 m/s,碰撞角为9.8°时,开始产生界面波。随着碰撞速度和碰撞角的增加,界面波波长逐渐增加,比波长先减小后增加。     

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.     

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.     

Modelling of process parameters in dynamic form-cladding

Explosive form-cladding is a dynamic process, in which plastic deformation of two sheet metals alongwith solid state welding between them is accomplished by single detonation of an explosive charge. The process parameters include (a) the depth to diameter (h/D) ratio of the dies, (b) the mass of the explosive per unit mass of the cladder (c/m ratio) and (c) the density ratio of the cladder and backer. An attempt was made to express the rate of success of the explosive form-cladding endeavours in terms of the process parameters. All experiments were open air, contact operations and were schemed using design of experiments. A granular explosive, with a detonation velocity of 2800 m/s, was the energy generator. Aluminium and copper sheets (1.2 mm thick) were cladder plates and low carbon steel sheet (1.2 mm thick) were backer plates. Analysis Of Variance (ANOVA) was employed to evaluate the significance of the parameters and their interactions on the process.     

采用自约束结构炸药的铜/钢爆炸焊接

为了提高爆炸能量的利用率,减少焊接药量,提出采用自约束结构炸药进行爆炸焊接。采用T2铜板和Q345钢板分别作为复板和基板,通过理论计算得到T2/Q345爆炸焊接窗口。采用双层蜂窝结构炸药作为自约束结构焊接炸药,对T2铜与Q345钢的爆炸焊接进行了试验研究。通过力学性能测试和显微组织观察,研究了T2/Q345复合板的结合性能。结果表明：与爆速为2505和3512 m·s^-1的单层炸药相比,T2/Q345复合板爆炸焊接采用的双层蜂窝结构炸药量分别减少了54.4%和31.4%;随着传播距离的增加,复合板的结合界面由直线结合向波状结合转变。复合板的抗拉剪切强度为237.0 MPa,满足T2/Q345复合板的结合强度要求。爆炸产生的硬化发生在结合界面附近,采用双层蜂窝结构炸药爆炸焊接得到的T2/Q345复合板具有良好的结合性能。     

Experiment and interface of Ti/Q235B cladding plate by double vertical explosive welding*

The processing area is reduced by double vertical explosive welding and rolling.Those micro defects are avoided such as"fusion"and"jet pile"in the bonding zone of large Ti plate of explosive welding.So the quality and welding ratio of interface are improved.To solve the technical problem of narrow weldability window of Ti,a minimum critical detonation velocity explosive was invented to enlarge the window after double vertical explosive welding experiment and optimization.A comprehensive protective structure made up of rigid protective plates and flexible protective walls was designed to restrict the movement of cladding plates in double vertical explosive welding effectively and protect the cladding plates from damage.The interface microstructure showed that the bonding interfaces were periodically micro and small wavy and there are no micro defects such as melt metal and swirl.     

爆炸压实W-Cu粉末的数值模拟与实验验证

通过数值模拟研究了W-Cu混合粉末的爆炸压实过程。研究不同爆速对压实坯致密度的影响,分析了在爆速5000 m/s条件下粉体内冲击波的传播过程及粉体在冲击波作用下的变形规律,并分析了粉体中心的马赫反射现象。选取粉体侧壁单元的位移曲线来显示加载、卸载过程,对侧壁单元的位移曲线进行分析,以此作为粉体的压实程度来估算压实坯致密度。结果显示当爆速为5300 m/s时,压实坯可达到一个较大的致密度。将研究结果应用于W-Cu混合粉末的爆炸压实实验,实验与数值计算结果显示了较好的吻合性。