李雪交，錢敬業(yè)，畢志雄，張廷趙，代弦德，榮凱

(安徽理工大學(xué),淮南,232001)

0 序言

爆炸焊接(爆炸復(fù)合)是一種復(fù)合材料的加工技術(shù)，將炸藥爆炸反應(yīng)釋放的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為焊接材料動能，通過高速碰撞使界面間形成焊接接頭[1].已成功實現(xiàn)數(shù)百種金屬以及非金屬的焊接，被廣泛應(yīng)用于化工設(shè)備、船舶制造及航空航天等領(lǐng)域[2-4].炸藥爆炸能量主要通過沖擊波、爆熱和爆炸產(chǎn)物動能等形式釋放[5].爆炸產(chǎn)物會不受約束地從炸藥上部飛散，造成用于焊接的能量較低.

為提高能量利用效率、減少能量耗散，國內(nèi)外學(xué)者開展了大量研究.Lysak 等人[6]提出了一種評估爆炸焊接效率的方法，由炸藥的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為焊接接頭區(qū)域金屬塑性變形所消耗的能量效率在0.5%～ 3%之間.Yang 等人[7]提出膠體水覆蓋炸藥，通過改變膠體水厚度研究覆蓋約束對爆炸焊接參數(shù)的影響.相較于無覆蓋炸藥，膠體水厚度為15～45 mm 時，碰撞速度可提高38.9% 至71.9%.Sun等人[8]采用閉合裝藥結(jié)構(gòu)，將2 塊復(fù)合板通過一次爆炸實現(xiàn)焊接，從而提高炸藥能量利用效率、節(jié)省焊接藥量.

針對目前焊接炸藥能量利用效率低的問題，文中采用自約束結(jié)構(gòu)裝藥進行爆炸焊接研究.通過改變裝藥結(jié)構(gòu)，利用上層高爆速炸藥爆轟約束下層低爆速炸藥爆炸產(chǎn)物的飛散，使炸藥爆炸能量更多地轉(zhuǎn)化為焊接能量，提高能量利用率.以兩種不同爆速的乳化炸藥疊放制成自約束結(jié)構(gòu)炸藥，通過ANSYS/AUTODYN 數(shù)值模擬，與兩單層結(jié)構(gòu)炸藥對比，研究雙層蜂窩結(jié)構(gòu)炸藥上層炸藥對下層炸藥產(chǎn)生的自約束效果.采用自約束結(jié)構(gòu)炸藥進行T2/Q345 爆炸焊接，結(jié)合微觀形貌觀察與力學(xué)性能測試分析復(fù)合板的結(jié)合性能.

1 計算模型

1.1 自約束結(jié)構(gòu)炸藥

以乳化基質(zhì)為基，中空玻璃微球作為敏化劑和稀釋劑.通過改變該稀釋劑含量，制備微球含量分別為15%和25%的乳化炸藥，其相應(yīng)爆速為3 512，2 505 m/s.2 種炸藥分別作為高爆速層和低爆速層，緊密貼合制備用于爆炸焊接的自約束結(jié)構(gòu)炸藥.其利用高爆速層的爆炸為低爆速層的產(chǎn)物飛散提供約束，以此提高炸藥能量利用率.

1.2 爆炸焊接幾何模型

光滑粒子流體動力學(xué)方法(SPH) 采用質(zhì)點組來描述連續(xù)體的力學(xué)行為，可避免極度大變形時造成的網(wǎng)格畸變問題，被廣泛應(yīng)用到描述爆炸、射流等連續(xù)體的力學(xué)行為問題.SPH 法的粒子數(shù)量直接影響到數(shù)值模擬的精確性，但粒子數(shù)越多，其搜索算法越耗時[9].

考慮到模擬結(jié)果的精確性和雙層炸藥粒子多次碰撞計算的復(fù)雜性，使用ANSYS/AUTODYN 2D 劃分的粒子尺寸為100 μm × 100 μm.復(fù)板材料為T2 銅，尺寸為300 mm × 3 mm.基板材料為Q345 鋼，尺寸為300 mm × 15 mm，基復(fù)層間隙5 mm.自約束結(jié)構(gòu)炸藥的高爆速層和低爆速層尺寸均為300 mm × 4 mm，自約束結(jié)構(gòu)炸藥模型及起爆點位置如圖1 所示.

圖1 計算模型Fig.1 Computational model

為對比模擬結(jié)果，將自約束結(jié)構(gòu)炸藥的高爆速層和低爆速層分別單獨作為焊接炸藥，建立2 組單層炸藥模型.兩模型炸藥尺寸為300 mm × 8 mm，其余模型參數(shù)不變.

1.3 材料模型和狀態(tài)方程

乳化炸藥選用Jones-Wilkins-Lee(JWL)狀態(tài)方程(EOS)，其計算式為[10]

式中：P為爆轟產(chǎn)物壓力；AJ,BJ,R1,R2和ω為材料常數(shù)；E0為初始比內(nèi)能；V為爆轟氣體產(chǎn)物的相對比容.自約束結(jié)構(gòu)炸藥的高爆速層和低爆速層具體JWL 狀態(tài)參數(shù)見表1[3,5].

表1 炸藥的JWL 狀態(tài)參數(shù)Table 1 JWL EOS parameters of explosive

基復(fù)板選用Johnson-Cook 材料模型[11]，其計算式為

式中：εP為材料的有效塑性應(yīng)變；為 材料的有效塑性應(yīng)變率；A,B,C,m和n為材料的相關(guān)常數(shù)；T*為材料的無量綱溫度；Tr為室溫；Tm為材料的熔點.T2 銅和Q345 鋼的Johnson-Cook 材料模型參數(shù)見表2[3,5].

表2 T2 銅和Q345 鋼的Johnson-Cook 材料模型參數(shù)Table 2 Johnson-Cook model parameters of T2 copper and Q345 steel

1.4 碰撞速度

炸藥對復(fù)板的作用主要表現(xiàn)為碰撞速度，其是影響焊接效果的重要參數(shù).低于臨界碰撞速度，復(fù)合界面會因焊接能量較小無法焊接合，高于極限碰撞速度易導(dǎo)致界面因過熔化造成脫焊，通常位于兩者之間焊接質(zhì)量較好.

異種金屬臨界碰撞速度vp,min可由下式計算[3]

式中：vp1和vp2分別是基層材料之間和復(fù)層材料之間的最小碰撞速度；p1和p2是基層材料之間和復(fù)層材料之間的碰撞壓力；CV1和CV2分別是基復(fù)層的體積聲速；ρ1和ρ2分別是基復(fù)層的密度；σb1和σb2是基復(fù)層的抗拉強度.

李曉杰[12]提出基復(fù)層最大碰撞速度vp,max可表示為

式中：CP1和CP2分別是基復(fù)層的比熱容；α1和α2分別是基復(fù)層的熱擴散率；δ1和δ2分別是基復(fù)層的厚度；Tmpmin是基復(fù)層材料中較低的熔點；tmin是反射稀疏波到復(fù)合界面的最短時間；vc,min是基復(fù)層之間的臨界碰撞點移動速度；N是與基復(fù)層材料體積聲速有關(guān)的系數(shù).

2 爆炸焊接試驗

爆炸焊接采用的復(fù)層和基層分別為T2 銅和Q345 鋼，其尺寸為300 mm × 150 mm × (15+3) mm.基復(fù)層的力學(xué)性能參數(shù)見表3.

表3 基復(fù)層的力學(xué)性能參數(shù)Table 3 Physical and mechanical properties of flyer and base plates

以乳化基質(zhì)(其組分見表4)為基，通過改變微球含量，制備2 種不同爆速的乳化炸藥.壁厚60 μm、六邊形單元邊長8 mm、高度4 mm 的蜂窩鋁板材作為裝藥藥框，將兩種乳化炸藥分別填入蜂窩板孔隙中，分別作為具有自約束功能炸藥的低爆速層與高爆速層，如圖2 所示.蜂窩鋁板材具有良好的豎向抗壓性，可保證裝藥厚度均勻.將高爆速層疊放于低爆速層上方，制備用于爆炸焊接的8 mm 厚度自約束結(jié)構(gòu)炸藥.

圖2 蜂窩結(jié)構(gòu)炸藥Fig.2 Honeycomb structure explosive

表4 乳化基質(zhì)組成(質(zhì)量分數(shù)，%)Table 4 Emulsion matrix component

將T2 銅板和Q345 鋼板內(nèi)表面打磨拋光，放置在爆炸球罐基礎(chǔ)上.在復(fù)層表面涂抹一層黃油避免被高溫灼傷，再將自約束結(jié)構(gòu)炸藥作為焊接炸藥放置于復(fù)板表面.爆炸焊接裝置采用平行安裝結(jié)構(gòu)，如圖3 所示.T2/Q345 爆炸焊接后對T2/Q345 復(fù)合板進行力學(xué)性能檢測和微觀形貌觀察.

圖3 爆炸焊接裝配圖Fig.3 Assembly drawing of explosive welding

3 結(jié)果與討論

3.1 數(shù)值模擬分析

通過自約束結(jié)構(gòu)炸藥進行T2/Q345 爆炸焊接數(shù)值模擬，分析提高能量利用效率和減少爆炸焊接藥量原因.自約束結(jié)構(gòu)炸藥由高爆速層和低爆速層組成，總裝藥厚度為8 mm.

為對比效果，將同樣8 mm 厚度的高爆速炸藥和低爆速炸藥分別建立計算模型.輸出3 個模型的模擬結(jié)果，如圖4 所示.

圖4 3 種裝藥結(jié)構(gòu)的模擬結(jié)果Fig.4 Simulation results of three kinds of explosives.(a) self-restraint structure explosive;(b) high detonation velocity explosive;(c) low detonation velocity explosive

由圖4 可知，自約束結(jié)構(gòu)炸藥爆炸產(chǎn)物的側(cè)向飛散角為24°，小于高爆速炸藥的25°和低爆速炸藥的43°.炸藥爆炸產(chǎn)物在稀疏波的作用下發(fā)生側(cè)向飛散，其一部分碰撞復(fù)板，另一部分飛散到環(huán)境中.通常，炸藥爆速越高，其爆炸速度與產(chǎn)物飛散速度差距越大，飛散角越小[13].爆速穩(wěn)定時，炸藥的飛散角一般不變.

圖4 方框位置的爆炸產(chǎn)物粒子速度場如圖5所示.自約束結(jié)構(gòu)炸藥高爆速層的爆炸產(chǎn)物自由飛散，其速度矢量均勻向上，飛散角與單獨的高爆速層相近.但自約束結(jié)構(gòu)炸藥低爆速層爆炸產(chǎn)物的飛散受到高爆速層爆炸的約束影響，速度矢量較為雜亂，其飛散角遠小于單獨的低爆速層.自約束結(jié)構(gòu)炸藥可以約束自身低爆速層爆炸產(chǎn)物的飛散，可以使爆炸能量更多地轉(zhuǎn)化為復(fù)板動能，提高焊接炸藥的能量利用率.

圖5 3 種裝藥結(jié)構(gòu)的粒子速度Fig.5 Particle velocity of three kinds of explosives.(a)self-restraint structure explosive;(b) high detonation velocity explosive;(c) low detonation velocity explosive

為便于分析爆炸焊接過程中碰撞速度的變化規(guī)律，在3 個模型的復(fù)層焊接面間隔25 mm 選取11 個關(guān)鍵點，如圖6 所示.將表3 中的基復(fù)層材料參數(shù)代入式(4)～ 式(7)，得到T2/Q345 復(fù)合板的臨界碰撞速度345 m/s 和極限碰撞速度722 m/s.

圖6 關(guān)鍵點取樣示意圖Fig.6 Schematic diagram of key point sampling

通過模擬得到3 個碰撞模型的11 個關(guān)鍵點的碰撞速度.虛線和實線分別代表T2/Q345 爆炸焊接的臨界碰撞速度和極限碰撞速度，如圖7 所示.

圖7 關(guān)鍵點碰撞速度Fig.7 Collision velocity of key points

由圖7 可知，在距起爆端50 mm 以內(nèi)時，自約束結(jié)構(gòu)炸藥的碰撞速度介于單獨的高爆速炸藥和低爆速炸藥碰撞速度之間.因為距起爆點較近時，自約束結(jié)構(gòu)炸藥的高爆速層和低爆速層爆速均較低，還未形成足夠的自約束效果.在距起爆端75 mm 之后，其碰撞速度遠大于單獨的高爆速炸藥和低爆速炸藥.這是因為自約束炸藥的高爆速層爆轟對下層低爆速層爆炸產(chǎn)物的飛散提供了約束，使得低爆速層的炸藥能量更多地轉(zhuǎn)化為復(fù)層動能.

單獨的高爆速炸藥和低爆速炸藥的碰撞速度在整個焊接過程中較為穩(wěn)定，最高碰撞速度分別為338，231 m/s，均未達到臨界碰撞速度345 m/s，位于T2/Q345 爆炸焊接窗口之外，難以獲得良好的焊接效果.而對于自約束結(jié)構(gòu)炸藥，其碰撞速度隨著傳播距離增加逐漸加快，距起爆端100 mm 之后均大于臨界碰撞速度，在距起爆端150 mm 處達到最大值567 m/s，此處的碰撞速度相較于單獨的高爆速炸藥和低爆速炸藥分別提高了185% 和275%.自約束結(jié)構(gòu)炸藥通過上部高爆速層的爆炸對低爆速層爆炸產(chǎn)物產(chǎn)生約束效果，提高了炸藥爆炸能量利用效率，在降低焊接藥量的同時，為T2/Q345 復(fù)合板獲得良好結(jié)合質(zhì)量提供了足夠的碰撞能量.

3.2 微觀形貌觀察

采用自約束結(jié)構(gòu)炸藥進行T2/Q345 爆炸焊接后，為觀察復(fù)合板界面結(jié)合狀態(tài)，沿爆轟方向切割試塊，分別距起爆端50 mm 和150 mm，其微觀形貌如圖8 所示.

圖8 T2/Q345 復(fù)合板界面微觀形貌Fig.8 Microstructures at the interface of T2/Q345 clad plate.(a) close to initiation end of 50 mm;(b)away from initiation end of 150 mm

圖8a 為T2/Q345 復(fù)合板距起爆端50 mm 處結(jié)合界面微觀形貌，界面呈平直狀.數(shù)值模擬結(jié)果顯示此處的碰撞速度為209 m/s，低于T2/Q345 復(fù)合板的臨界碰撞速度345 m/s，未產(chǎn)生明顯的熔化層，但是局部區(qū)域會出現(xiàn)熔化塊(見圖8a 中白色虛線區(qū)域).界面金屬在絕熱壓縮和塑性變形熱的共同作用下產(chǎn)生強烈的熱效應(yīng)，導(dǎo)致界面出現(xiàn)熔化現(xiàn)象.過度熔化會影響復(fù)合板界面的結(jié)合質(zhì)量，但厚度較薄的熔化有利于增大界面結(jié)合強度.

圖8b 為T2/Q345 復(fù)合板距起爆端150 mm 處界面的微觀形貌，其平均波長250 μm、波幅100 μm.數(shù)值模擬結(jié)果顯示此處的碰撞速度為567 m/s，高于其臨界碰撞速度345 m/s，復(fù)合界面呈波形結(jié)合.

爆炸焊接界面主要有平直狀和波狀2 種，其中波狀界面因結(jié)合面積更大而具有更高的結(jié)合性能[14].根據(jù)Bahrani 等人[15]提出的復(fù)板流侵徹機理，當基復(fù)層間的碰撞壓力超過動態(tài)屈服強度極限時，會使金屬形成不可壓縮且無粘性的射流.金屬射流在基層上產(chǎn)生的壓陷作用導(dǎo)致界面產(chǎn)生波谷，同時被移走基層材料堆積形成波峰，從而形成波形界面.隨著傳爆距離增加，自約束結(jié)構(gòu)炸藥迅速轉(zhuǎn)為穩(wěn)定爆炸，爆炸能量轉(zhuǎn)化為基層碰撞動能的效率也在提高，所以T2/Q345 結(jié)合界面從起始的平直狀結(jié)合變?yōu)榉€(wěn)定的波狀結(jié)合.

3.3 力學(xué)性能檢測

為測試T2/Q345 爆炸復(fù)合板的結(jié)合質(zhì)量，采用室溫拉剪試驗進行力學(xué)性能檢測.拉剪試件結(jié)合面積為25 mm × 3.8 mm，結(jié)構(gòu)示意圖如圖9 所示.圖10 為T2/Q345 復(fù)合板的應(yīng)力-位移曲線，T2/Q345復(fù)合板的平均最大拉伸力為22.5 kN，剪切強度為237.0 MPa.拉剪破壞實物如圖11 所示，可以看出斷裂發(fā)生在銅側(cè)區(qū)域，且該側(cè)發(fā)生極大塑性變形導(dǎo)致拉伸破壞，表明T2/Q345 復(fù)合板界面結(jié)合強度較好.

圖9 拉剪試件示意圖(mm)Fig.9 Schematic diagram of tensile-shear specimen

圖10 拉剪試驗應(yīng)力-位移曲線Fig.10 Stress-displacement curve of tensile-shear test

為分析拉剪試件破壞后塑性變形程度，進行顯微硬度分析(測試位置見圖11 實線)，試件拉剪前后銅側(cè)硬度變化如圖12 所示.在距結(jié)合面較近時，拉剪試件破壞后銅側(cè)硬度變化不大，說明其塑性變形程度較低.隨著與焊接面距離的增加，剪切破壞前試件的硬度逐漸下降，但破壞后試件的硬度劇烈增大.說明試件在拉剪過程中發(fā)生了較大塑性變形，產(chǎn)生加工硬化，導(dǎo)致顯微硬度上升.

圖12 破壞前后硬度變化對比Fig.12 Comparison of hardness changes before and after failure

4 結(jié)論

(1)T2/Q345 爆炸焊接數(shù)值模擬顯示自約束結(jié)構(gòu)炸藥的爆炸產(chǎn)物側(cè)向飛散角為24°，小于高爆速炸藥的25°和低爆速炸藥的43°.自約束結(jié)構(gòu)炸藥可以約束自身低爆速層的爆炸產(chǎn)物飛散，使爆炸能量更多地轉(zhuǎn)化為復(fù)板動能，提高了焊接炸藥的能量利用率.

(2)距起爆點較近時炸藥爆速較低，自約束效果不明顯，但在距離起爆端75 mm 后，上部的高爆速層爆轟對下部的低爆速層爆炸產(chǎn)物的飛散提供了足夠的約束，使得下部的低爆速層炸藥能量更好地轉(zhuǎn)化為復(fù)板動能.

(3)自約束結(jié)構(gòu)炸藥進行T2/Q345 爆炸焊接的碰撞速度在距起爆端150 mm 處達到最大值567 m/s，此處的碰撞速度相較于單獨的高爆速炸藥和低爆速炸藥分別提高185%和275%.隨著炸藥傳播距離增加，T2/Q345 復(fù)合板界面由直線結(jié)合變?yōu)椴ㄐ谓Y(jié)合.

(4)拉剪試件破壞前，距離界面越遠，銅的顯微硬度越小.而試件在拉剪破壞后，距離界面越遠，塑性變形越大，加工硬化增大，使得銅的顯微硬度增加.而且T2/Q345 復(fù)合板拉剪強度為237.0 MPa，破壞位置位于銅一側(cè)，表明T2/Q345 界面具有良好的結(jié)合強度.