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。     

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.     

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。     

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。     

爆炸焊接最小作用量原理分析

最小作用量原理是自然界的一条基本法则,也是物理学的最后规律.通过爆炸焊接的理论分析、界面测试和生产实践发现,爆炸焊接过程也遵循物理学"最小作用量原理",即以最小的装药量获得最佳的焊接界面.在复板和基板发生非弹性碰撞直至结合这一力学过程中,其"作用量"可认为是"复板和基板的结合能量".为了使界面结合能量为最小,在选取爆炸焊接工艺参数时,需遵循"装药厚度下限法则"和"基复板间隙上限法则"等原则,并优选"最低临界爆炸速度炸药",即可实现爆炸焊接过程"最小作用量原理",从而使爆炸焊接界面状态达到最佳.     

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。     

爆炸焊接两板间距上限法则分析与试验

为了研究两板间距参数与装药厚度之间的关系及其对爆炸焊接界面质量的影响规律,通过分析复板在基复板间距内运动规律,建立与间距相关的复板运动模型,进而确立了复板运动速度与间距之间的变化规律,提出爆炸焊接两板间距参数应遵循上限法则. 根据该间距上限法则,对304/Q235B进行了四组爆炸焊接间距试验以及相应的微观界面测试. 结果表明,上限间距参数不仅能获得良好的焊接界面,而且由于能充分利用炸药的能量而使得所用的装药厚度降到最低.     

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。     

爆炸焊接有效多方指数γ及可焊窗口

基于对爆炸焊接复板运动形态的基本假定及爆炸气体动力学方程建立冲击波方程，将爆炸气体的作用视作固壁(基板)的正反射，建立运动冲波方程，根据现有的研究成果资料及爆炸焊接理论指导工程实践中存在的问题，从而推导出有效多方指数γ的限定使用范围，为金属爆炸焊接工程应用的参数计算提供可靠依据。以铝材作复板，低碳钢作基板以此作为金属爆炸焊试件，分别使用2号岩石硝铵炸药、泰乳炸药和梯恩梯炸药，利用列契脱飞板运动公式，可以计算出复板厚度与炸药厚度的近似关系式。     

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.     

321-15CrMoR爆炸焊接复合板结合界面区的显微组织分析

采用金相显微镜、扫描电镜、电子探针和显微硬度计,对爆炸焊接321-15CrMoR复合板结合界面进行了研究,探讨爆炸焊接过程的金属物理学机理.结果表明,界面呈波形;界面附近基体组织产生了剧烈的塑性变形;321一侧存在绝热剪切带(ASB),ASB在局部发展成为微裂纹,波峰存在一薄层"白亮带",ASB和"白亮带"均由细小等轴晶粒组成;界面附近原子存在短程扩散和熔化长程扩散现象;界面区显微硬度显著提高.这些特征保证了复板和基板之间的快速优质冶金结合.     

Study on numerical simulation of TA1-304 stainless steel explosive welding

In order to guide the explosive welding experiment of titanium-stainless steel, Three-dimensional numerical simulation of explosive welding, which select TA1 as flyer plate and 304 stainless steel as base plate, is carried out by using the LS-DYNA software and SPH-FEM coupling algorithm in the present study. The explosive welding window is calculated and established. It is found that the numerical simulation results are in good agreement with the experimental results. The displacement, velocity and pressure-time curves of characteristic elements show that the quality of explosive welding composites is superior. It is proved that SPH-FEM coupling algorithm is effective for explosive welding of TA1/304 stainless steel and can effectively guide the selection of explosive welding parameters.     

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。     

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.     

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．     

爆炸焊接装药厚度可焊性窗口

通过X射线观测爆炸焊接复板的运动姿态,得出了爆轰载荷与复板的作用过程,从而提出了在爆炸焊接过程中"爆轰载荷产生的复板的最大弯矩必须大于复板材料在其动态屈服极限时的弯矩而小于其在动态抗拉极限时的弯矩,才能实现成功爆炸焊接"这一新观点,并由此得出了爆炸焊接装药厚度的上限和下限,此即为爆炸焊接装药厚度可焊性窗口.在此基础上,...     

304不锈钢/Q235钢的多层爆炸焊接

为解决传统爆炸焊接中能量利用率和工作效率较低的问题,提出了一种多层爆炸焊接新方法.以五层爆炸焊接为例,304不锈钢板和Q235钢板分别作为复板和基板,进行了多层爆炸焊接和传统单层爆炸焊接的对比试验,并对爆炸焊接窗口和复板碰撞速度进行了理论计算. 结果表明,与传统爆炸焊接技术相比,五层爆炸焊接中可节省炸药量63%,并且五层爆炸焊接技术通过一次爆炸作业可获得五块焊接板,有利于提高爆炸焊接作业的工作效率. 此外,得到了304不锈钢和Q235钢的爆炸焊接窗口并对结合质量进行了预测,试验和预测结果吻合良好.