过渡层对锆/钢爆炸复合板剪切强度的影响

高利霞 唐卫华

摘 要：为了探究过渡层能否提高锆/钢复合板结合强度的有效性，同时得出合理的爆炸焊接碰撞参数，对双层锆/钢和三层锆/钢进行了小倾角法爆炸焊接实验研究。借助金相显微技术测量了复合板结合界面的波形参数，采用了光滑粒子动力学模拟得出了各个位置的碰撞速度和碰撞角，并按照国家标准对复合板结合界面的爆炸态及退火态的剪切强度进行了测量。

关键词：过渡层；剪切强度；爆炸复合板

本文中，拟对锆/钢进行小倾角法爆炸焊接实验，测量各结合界面的波形参数和剪切强度，分析过渡层及退火处理对复合板剪切强度的影响。

一、小倾角爆炸焊接实验

小倾角法爆炸焊接实验是将复板和基板预先设置一定的角度，一般为2°～6°，使复板与基板之间的间距不断发生变化，从而在不同的加速距离下不断获得相应的碰撞速度和碰撞角，预设的角度越大碰撞角越大。小倾角法可在同一次实验中得出多组不同碰撞速度和碰撞角下的爆炸焊接数据，适合优化爆炸焊接动态参数。本次实验中采用R60702锆板的復板，Q345R钢板的基板，过渡层为钛板。

基板与过渡层要平行放置。各板之间的结合面都要进行抛光处理，复板与炸药接触的表面要涂抹黄油保养。

爆炸焊接后得到的锆/钢复合板无开裂，表面平整，超声波检测出其结合率为100%。在每块复合板上沿长度方向切割出尺寸为360mm×20mm的长条，再截断成40mm长左右的试样长条，以便进行后期的剪切强度实验检测。

二、爆炸实验结果与分析

2.1波形的参数

结合界面会在金属板爆炸焊接时形成界面波，爆炸复合板的结合强度决定了界面波的大小。一般界面波较小时，结合强度会比较高。界面波的大小可由波形参数来表示，波形参数包括波长s、波高h和比波长s/h。从图1锆/钢复合板9个试样的界面波实验结果可以看出，试样1的结合界面平直无波纹，试样2的左半部无波纹，右半部开始出现细小波纹，其他7个试样的结合界面都有波纹产生，而且沿爆轰波传播方向界面波越来越明显。试样9的右半部没有界面波，这是受爆炸焊接末端稀疏效应的影响所致。

为了方便测量各试样的波形参数，选取每个试样的中间位置，使用金相显微对结合界面进行观察。金相图如图2所示，试样1基本无界面波，其余8个试样的界面波形状相似，波长逐渐增大。在实验结果中测量出界面波的波长和波高，具体波形参数见相应的实验数据。图中的位置表示界面波波峰至起爆点的距离，在距离起爆点60mm处界面波的波长、波高和比波长均发生了突变，说明开始产生界面波。此后随着远离起爆点，波长和波高逐渐增加，比波长先减小后增加。

采用相同的方法测量锆/钛/钢试样的界面波波形参数。锆/钛/钢复合板会有2个界面，即锆/钛界面以及锆/钢界面。金属板爆炸焊接时会在结合界面形成界面波，界面波的大小与爆炸复合板的结合强度有钛/钢界面，所以分别对2个界面进行金相显微观察，然后将同一位置2个界面的图像合成在一起，如实验数据所示。锆/钛界面在20mm处无界面波，在60毫米开始就会出现微小的界面波，此后波长和波高就会逐渐增加。钛/钢界面形成界面波到达指定位置，波长就会逐渐增加，其比波长值为5.0左右。锆/钛/钢复合板的波形参数见表1。

表1复合板波形参数

2.2剪切的强度

爆炸复合板的结合强度是评价复合板质量的重要参数，通常用剪切强度来表示。复合板的剪切强度一般根据国标的标准进行检测。按照该标准对锆/钢和锆/钢试样进行加工，复合板剪切强度检测装置及剪切后的试样如样品所示。各试样结合界面的剪切强度见表2，其中退火状态是指经过退火处理消除了加工应力的试样，退火温度需要达到为580摄氏度，并且作保温处理1小时。爆炸态是没有经过退火处理的试样。从相关实验数据我们可以得出，退火处理后复合板结合界面的剪切强度会小幅降低。我们根据锆/钢复合板行业内的标准可以知道，退火态锆/钢复合板结合界面的剪切强度应高于140MPa。由相关参考数据可以看出：在没有过渡层的情况下，锆/钢复合板不同试样的退火态剪切强度均低于140兆帕；而增加过渡层之后，锆/钢复合板的试样的锆/钛界面和钛/钢界面的剪切强度均高于140兆帕，其中锆/钢试样6在2个界面上的剪切强度均为最大值。这表明选择钛金属作为过渡层可以显著提高锆/钢复合板的剪切强度，从而让其能够符合行业内的标准。另外，对比相关实验数据可知：当锆/钛界面波波长大概为0.5mm，钛/钢界面波波长大概为1.5mm时，此时结合界面的剪切强度比较高。

表2复合板结合界面的剪切强度

三、实验数值模拟

为了能够获得小倾角实验的碰撞角和碰撞速度，选用SPH法进行实验数值的相关模拟。SPH法是一种基于拉格朗日的无网格有限元方法，采用包含各种物理量的粒子所组成的离散计算域。任意粒子i的物理量fi可以通过其周围粒子的插值得到。SPH法不需要进行定义的接触，各种材料的粒子就可以实现相互反应。网格不能决定材料的变形，网格突变的情况就可以得到避免，因此这种方法一般被广泛应用于各种变形较大问题的计算问题，有学者就将该方法用于爆炸焊接研究，经过该实验结果的分析比较，证明这种方法计算精度较高。

采用SPH法对锆/钢小倾角法爆炸焊接进行数值模拟，质点模型由5部分组成：炸药、锆板、钛板、钢板和刚性壁，其中刚性壁模拟爆炸焊接时钢板下方的垫板。起爆点位于炸药的左上角区域。由于对整个爆炸焊接过程都进行了宏观模拟，质点的间距比较大，故而未能把界面波模拟出来。按照相关数据中不同试样的中点位置，在钛板和锆板下表面依次各取8个点，间隔均为40mm，计算得到各点的碰撞速度v和碰撞角β。

通过模拟，得出了锆/钢5、6和7号试样的碰撞角和碰撞速度。由此得到相对合理的锆/钢碰撞参数，即锆/钛界面的v约为734～805m/s，β大约为19.8°～20.8°，小倾角越大β越大；钛/钢界面的碰撞速度大致为803～904m/s，小碰撞角为19.5°～20.5°，小倾角越大β越大。

表3锆/钛/钢界面的碰撞参数

四、结语

通过对锆/钢进行了小倾角法爆炸焊接实验及数值模拟，得出以下结论：钛板作为过渡层，可明显提高锆/钢复合板的剪切强度。小倾角实验能够获得波长呈现连续变化的界面波，当锆/钛界面波波长约为0.5毫米，钛/钢界面波波长1.5毫米时，结合界面的剪切强度就会变得较高。过渡层的存在有利于锆/钢爆炸复合板增强剪切强度。

参考文献

[1]郑远谋.爆炸焊接和爆炸复合材料的原理及应用[M].长沙：中南大学出版社，2016：286-287.

[2]邵丙璜，张凯.爆炸焊接原理及其工程应用[M].大连：大连工学院出版社，1987：301-305.

[3]中国国家标准化管理委员会.复合钢板力学及工艺性能实验方法[S]北京：中国标准出版社，2008.

（作者身份证号码：1 410526198303201664；

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