鈦-鋼板材爆炸焊接工藝優(yōu)化實驗與數(shù)值模擬研究

耿艷旭,李 敏,劉萬村

(哈爾濱職業(yè)技術(shù)學(xué)院,哈爾濱 150081)

0 引言

爆炸焊接是一種常用的固相焊接方法,利用炸藥爆炸能量驅(qū)動鈦和鋼兩種板材高速碰撞并在高溫環(huán)境下相互融合,達到焊接目的。鈦-鋼板材爆炸焊接中,不同的裝藥量、板材間距都會對焊接質(zhì)量產(chǎn)生影響。實際加工中需綜合考慮技術(shù)可行性與成本效益,選擇最佳的裝藥量,確定復(fù)合板的最佳間距,以保證鈦-鋼板材的力學(xué)性能達到最優(yōu)。

實驗選用的鈦-鋼板材由工業(yè)純鈦TA2(復(fù)板)與高強度結(jié)構(gòu)鋼Q345B(基板)使用爆炸焊接工藝制成。其中,基板尺寸為600 mm×200 mm×30 mm,復(fù)板尺寸為400 mm×150 mm×10 mm。爆炸焊接工藝中使用的炸藥為專用炸藥,密度1.1 g/cm3,爆速為2 300 m/s。其他為紫銅間隙墊、黃油等材料。

1 實驗方法

在現(xiàn)場布置炸藥進行起爆,實驗步驟如下:

1)安裝板材。將基板的一面打磨光滑,使該面向上,放在平整的巖沙地基上。在矩形基板的光滑面上用記號筆畫出對角線,在對角線的交點上放置一塊“W”型的紫銅間隙墊。按照同樣方法處理復(fù)板的一面,并標記出對角線的交點,使復(fù)板的光滑面向下,交點對準紫銅間隙墊[1]?；搴蛷?fù)板的裝配方式如圖1所示。

圖1 鈦-鋼板材爆炸焊接工藝裝配圖Fig.1 Explosive welding process assembly drawing of Ti-steel sheet

2)涂刷黃油。使用干凈的毛刷蘸取適量黃油在復(fù)板上表面均勻涂刷2～3遍,作為復(fù)板與炸藥之間的緩沖層,起到保護復(fù)板的作用,避免爆炸焊接高溫燒傷復(fù)板材料。

3)布置炸藥與雷管。根據(jù)爆炸焊接方案提供的參數(shù)稱量相應(yīng)質(zhì)量的炸藥。將炸藥倒在復(fù)板上表面,使用竹片將炸藥刮平。為了提高爆炸焊接效果,將炸藥均勻攤開,使其完全覆蓋整個復(fù)板上表面。使用牛皮紙將復(fù)板的外邊緣圍起來,防止炸藥漏撒。用一把鋼尺隨機選取多個點測量炸藥高度,達到設(shè)計要求后放置雷管。

4)起爆。將雷管的腳線與起爆線連接,再將起爆線的另一端接入起爆器的接線柱,待所有人員撤離現(xiàn)場后開始起爆。

2 檢測分析

該測試使用微機控制電液伺服萬能試驗機,力學(xué)性能測試按照《鈦-鋼復(fù)合板檢測標準》(GB/T8547-2019)進行。本研究僅對鈦-鋼板材的剪切強度進行測試[2]。將剪切試驗樣品進行熱處理后,使用掃描電子顯微鏡(SEM)觀察斷口形貌,使用X射線能譜儀對結(jié)合界面不同區(qū)域進行色散譜分析(EDS),測定元素成分。

2.1 鈦-鋼板材的力學(xué)性能實驗結(jié)果

經(jīng)過爆炸焊接工藝處理后的鈦-鋼板材,其剪切強度實驗結(jié)果如表1所示。

表1 不同工藝條件下鈦-鋼板材爆炸復(fù)合板剪切強度實驗結(jié)果Tab.1 Experimental results of shear strength of explosive Ti-steel composite plate under different process conditions

以上9種工藝是根據(jù)基板和復(fù)板的間距及炸藥裝填量設(shè)計的,具體如表2所示。

表2 實驗工藝條件Tab.2 Experimental technological conditions

根據(jù)《鈦-鋼復(fù)合板檢測標準》(GB/T8547-2019)的規(guī)定,鈦-鋼板材的剪切強度值≥140 MPa。對照表1數(shù)據(jù)可知,實驗中的9件鈦-鋼板材試件的剪切強度均超過了140 MPa,符合標準。橫向?qū)Ρ劝l(fā)現(xiàn),在裝藥量相同的情況下,隨著鈦-鋼板材中基板與復(fù)板間距的增加,結(jié)合界面的剪切強度存在一個先增加后減小的變化過程。以A、B、C 3種工藝為例,裝藥量均為30 kg/m2,間距分別為4、6、8 mm,對應(yīng)的剪切強度從252 N/mm2增加到281 N/mm2,再下降到245 N/mm2。復(fù)板與基板間距相同的情況下,隨著裝藥量的減少,剪切強度發(fā)生了同樣的變化[3]。由表1數(shù)據(jù)可知,復(fù)板與基板間隔為6 mm、裝藥量為30 kg/m2時,復(fù)合板材結(jié)合面的剪切強度最大。

2.2 鈦-鋼板材斷口觀察結(jié)果

由鈦-鋼板材結(jié)合界面的SEM圖像可知,復(fù)合界面有明顯的“象鼻”狀凸起和旋渦,爆炸焊接過程中,復(fù)板和基板在爆炸產(chǎn)生的沖擊作用下發(fā)生高速碰撞,受到高溫、高壓環(huán)境的影響,導(dǎo)致復(fù)板出現(xiàn)變形并在碰撞點出現(xiàn)凸起。但是不斷隆起的波峰對后續(xù)進入射流產(chǎn)生阻擋,從而形成了類似“象鼻”的微觀結(jié)構(gòu),旋渦則是爆炸焊接金屬流在界面上被基板或復(fù)板捕獲后凝固形成的。

3 鈦-鋼板材爆炸焊接的數(shù)值模擬

3.1 建立三維模型

選用美國ANSYS公司開發(fā)的LS-Dyna通用顯示動力分析軟件,使用3D Solid軟件構(gòu)建鈦-鋼板材的三維模型,使用該程序仿真爆炸焊接過程,并對爆炸焊接工藝中的數(shù)值變化展開分析。使用3D Solid軟件構(gòu)建由復(fù)板、基板和炸藥組成的三維立體模型。

3.2 爆炸焊接過程的數(shù)值模擬

3.2.1 炸藥狀態(tài)方程

利用LS-Dyna軟件中自帶的“Mat_high_explosive_burn”高能燃燒材料模型,確定炸藥的爆壓、爆速、密度等基本參數(shù),建立炸藥狀態(tài)方程:

式中,P表示爆轟產(chǎn)物的壓力;W表示爆轟產(chǎn)物的相對比容;E表示爆轟產(chǎn)物的比內(nèi)能。Y1、Y2、Q1、Q2、w為5個特定參數(shù),e為自然常數(shù)。

3.2.2 鈦-鋼板材狀態(tài)方程

利用LS-Dyna軟件中自帶的“EOS_Gruneisen”剛塑性強化模型,建立鈦-鋼板材模型,能較好地反映出溫升軟化效應(yīng)及應(yīng)變率強化效應(yīng)對鈦-鋼板材造成的影響,進一步提高模擬數(shù)值的精確度。鈦-鋼板材的狀態(tài)模型由兩部分構(gòu)成,分別是涉及應(yīng)力的M方程與涉及斷裂應(yīng)變的N方程。

M方程為:

式中,M表示流動應(yīng)力;mp表示等效彈性應(yīng)變;m0表示參考應(yīng)變速率,取1.0 s-1;T表示無量綱溫度;A和B為材料常數(shù);D表示應(yīng)變率敏感特性。

N方程為:

N={C1+C2exp(C3p1)}(1+C4T)

式中,N表示鈦-鐵板材斷裂時的應(yīng)變力;C1～C4表示失效系數(shù);p1表示壓力與等效應(yīng)力的比值。

3.3 數(shù)值模擬結(jié)果與討論

在復(fù)板與基板間距固定為6 mm的條件下,仿真實驗分別設(shè)定了3種不同的裝藥量,對比爆炸焊接時復(fù)板的塑性應(yīng)變差異。3種裝藥量分別為10、20、30 kg/m2。爆炸焊接模擬中,復(fù)板在爆炸發(fā)生后的2 μs開始獲得一個加速度并發(fā)生運動,當復(fù)板速度達到最大值后,速度逐步減小,當裝藥量為10 kg/m2時,復(fù)板的最大運動速度為380 m/s,裝藥量為20 kg/m2時,復(fù)板的最大運動速度為396 m/s,裝藥量為30 kg/m2時,復(fù)板的最大運動速度為444 m/s。由此可見,在鈦-鋼板材的爆炸焊接工藝中適當增加裝藥量,可使復(fù)板獲得更快的運動速度,不同裝藥量會改變復(fù)板所受的塑性應(yīng)變力。不同裝藥量下復(fù)板塑性應(yīng)變曲線如圖2所示。

圖2 不同裝藥量下復(fù)板塑性應(yīng)變隨時間變化曲線Fig.2 Variation curve of plastic strain of cladding plate with time under different charges

結(jié)合圖2可知,隨著裝藥量的增加,鈦-鋼板材的塑性應(yīng)變不斷增加且在爆炸開始后的100 μs塑性應(yīng)變趨于穩(wěn)定。

4 結(jié)論

爆炸焊接是鈦-鋼板材加工的常見工藝,其原理是利用炸藥爆炸形成的高溫高壓環(huán)境及強大沖擊力,令鈦和鋼兩種板材結(jié)合。通過改變炸藥量及板材間的距離,能夠獲得不同的焊接效果。通過實驗和仿真數(shù)值模擬得出,當板材距離為6 mm、裝藥量為30 kg/m2時,鈦-鋼板材結(jié)合面強度最大,加工質(zhì)量最好。