装药量对T2/Q235爆炸焊接影响的数值模拟

缪广红,祁俊翔,马秋月,胡 昱,孙志皓

(1.安徽理工大学力学与光电物理学院,安徽 淮南 232001;2.安徽理工大学土木建筑学院,安徽 淮南 232001)

金属的爆炸焊接是介于金属物理学、爆炸以及焊接工艺之间的一门交叉学科,它的优点是制造大面积的任意组合、任意形状、任意尺寸和多种用途的双金属或多金属复合材料[1]。不同于传统焊接技术的是,金属的爆炸焊接爆炸复合效果好且成本较低。爆炸复合板现已广泛应用于石油化工、冶金、制盐制碱、水工行业、核工业等行业中。

然而,由于爆炸焊接中炸药的作用,其过程较难以观察,为了更好地研究各种工艺参数对爆炸焊接复合板质量的影响,近年来对于爆炸焊接的数值模拟越来越得到人们的重视,在该方面的研究也取得了诸多进展。文献[2]采用任意拉格朗日-欧拉算法分别模拟了TA1/5052与TA1/1060/5052复合板爆炸焊接的动态过程,结果表明添加过渡层可有效提高钛/铝复合板的结合质量。文献[3]使用光滑粒子动力学对纯钛与SUS304奥氏体不锈钢和SUS 821L1双相不锈钢的爆炸焊接进行了数值模拟,模拟得出的波长和波幅随不锈钢强度与炸高的变化趋势与试验结果吻合。文献[4]利用软件ANSYS/LS-DYNA并使用光滑粒子流体动力学(Smoothed Particle Hydrodynamics,SPH)方法模拟两种装药量和布药方式,得出随着药量比的增大界面波形逐渐增大。文献[5]利用ANSYS/LS-DYNA并使用SPH-FEM耦合算法对不同装药厚度下的不锈钢和Q235钢爆炸焊接进行了数值模拟,模拟结果与试验结果一致性较好。文献[6]采用SPH方法对钢纤维增强型Ti-Al爆炸焊接进行了数值模拟研究,发现增加装药厚度可增大结合界面处波纹的波幅与波长,减小基复板间隙可减小波纹的波幅与波长,并得出最佳装药高度和基复板间隙分别为12mm 和1.0mm。文献[7]采用SPH-FEM耦合算法对TA2/5083进行了数值模拟并通过实验得出两种炸药厚度条件下界面波形及其形成机理和高速倾斜碰撞模型计算的可行性,为其他异种金属的爆炸焊接参数提供了参考。文献[8]采用SPH算法对不同基复板间距和装药高度的钛/铝5层复合板爆炸焊接进行了数值模拟研究,发现当钛铝间距取1mm、装药高度取9mm时,复合板结合质量较好,模拟结果与试验结果吻合。虽然爆炸焊接数值模拟取得了诸多进展,但对T2紫铜和钢爆炸焊接的数值模拟研究却相对较少。

由于爆炸焊接过程具有高压性、瞬时性及复杂性,试验研究的难度较大,为了更为直观地对爆炸焊接的结合过程进行研究,本文基于文献[9]80的爆炸焊接试验,利用ANSYS/LS-DYNA有限元软件结合SPH-FEM耦合算法和SPH算法对T2/Q235双金属板的爆炸焊接过程进行数值模拟,分析装药量对T2/Q235双金属复合板结合质量的影响,以期为T2/Q235双金属爆炸焊接生产提供参考。

1 计算模型

1.1 数值模拟模型的建立

本文以文献[9]80作为参考,利用ANSYS/LS-DYNA软件分别将基板、复板和炸药3个部分建立与实验一致的三维计算模型;再利用LS-prepost软件将炸药的部分SPH粒子化;由于整体结构具有对称性,为了节约模拟计算时间,可以取相互对称部分的一半结构进行计算,计算模型自下而上依次是基板、复板和炸药(见图1)。其中基板和复板都使用Lagrange算法进行网格划分,基复板和炸药的网格尺寸为1mm×1mm。基板选用Q235,复板选用T2,炸药选用硝铵炸药。基复板尺寸为250mm×150mm×2.5mm,基复板间隙为6mm,炸药厚度分别为2.24cm、2.8cm、4.2cm。采用cm-g-μs作为单位制,起爆方式采用短边中心起爆,忽略空气作用的影响。

图1 计算模型图

1.2 材料模型和状态方程

1)基复板材料模型和状态方程

爆炸焊接是在高温高压环境下进行的瞬时固相焊接技术,为了能够较好地反映在高速运动下的基板和复板以及炸药的力学性能的变化过程,爆炸焊接数值模拟通常选用Johnson-Cook材料模型反映金属力学性能变化,其材料模型可以用公式表示为[10]

(1)

表1 T2和Q235钢的Johnson-Cook材料模型参数

表2 T2和Q235钢的Gruneisen状态方程参数

2)炸药的材料模型和状态方程

硝铵炸药使用*MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN高能燃烧材料模型,并采用JWL状态方程。计算公式[11]表示为

(2)

表3 装药量对复板碰撞压力的影响

2 焊接窗口的计算

为了能形成稳定射流,使结合界面形成均匀可见的波形界面,同时为了避免过熔现象的出现,需要设定一个合理的爆炸焊接窗口,即爆炸焊接的各种工艺参数需要落在爆炸焊接窗口内才能保证爆炸焊接的质量。

2.1 最小复板碰撞速度的计算

为了能够使基复板在一定速度碰撞下达到高压状态并产生射流,单一金属计算最小碰撞速度可以用公式[12]计算

(3)

式中,vP为复板最小碰撞速度,m/s;K为常数,通常取值范围在0.6～1.2,本文取0.6;Hv为金属维氏硬度,MPa;ρ为密度,g/cm3。在异种金属的爆炸焊接中,最小焊接压力即两种金属中较大的单金属可焊压力,可以使用以下公式[12]计算:

(4)

(5)

式中,ρ为密度,g/cm3;C为金属的体积声速,m/s;λ为冲击波在金属中传播的线性系数;D为冲击波在金属中传播速度,m/s;Vp,min为两种金属中可焊接下限的最小值,m/s。将两种金属材料的参数代入上述公式中可以得到如下方程:

(6)

(7)

2.2 最大复板碰撞速度的计算

为了使基复板发生碰撞时不产生过熔现象,从而影响焊接质量,可以对爆炸焊接上限加以限制,即Vp,max,一般用以下公式[13]计算:

(8)

(9)

式中,ρf、ρb分别为复板和基板的密度,g/cm3;hf、hb分别是复板和基板的厚度,m;Cρf、Cρb分别是复板和基板的比热,J/(kg·K);Cf、Cb分别为复板和基板的声速,m/s;Vc为碰撞点的速度,m/s;αf、αb为复板和基板的热扩散率;N为上限理论常数,一般取值为0.039;Tmpmin为基复板熔点较低数值。代入数据求得最大碰撞速度为861.2m·s-1。

2.3 炸药最小爆速的计算

炸药最小爆速即流动限的确定。为了保证爆炸焊接中基复板碰撞能够形成射流,需要使碰撞点的移动速度Vc大于Vc,min;此时基复板金属材料达到流动状态,结合界面才会出现波形,一般要求碰撞点压力需要达到两种金属中较高强度的10～20倍,流动限可以用以下公式[14]计算

(10)

式中,Kv为常数,取值为10～20;σmax=max(σf,σb),σ为基板和复板的强度,Pa;ρmin=min(ρf,ρb),ρ为复板和基板的密度,g/cm3;炸药爆速应高于流动限,即vd,min=2447m·s-1。

2.4 炸药最大爆速的计算

炸药最大爆速即声速限的确定。一般来说爆炸焊接形成射流的条件是亚声速,所以只有碰撞点的移动速度小于声速时射流才可以形成,声速限公式[15]可以表示为

Vc,max=Cmin

(11)

式中,Cmin为材料中声速较小值,m/s。由此可求得Vc,max=3940m·s-1

3 模拟结果分析

3.1 复板运动速度

通过LS-prepost软件对复板碰撞速度进行分析,得出复板碰撞速度和时间的关系曲线,如图2所示。为了方便对比,在其他工艺参数都相同的条件下对3种不同装药量的模拟结果选取同样特征单元element52801的复板碰撞速度。由图2可知,当炸药厚度为2.24cm时,对应的复板最大碰撞速度为520m/s;当炸药厚度为2.8cm时,对应复板最大碰撞速度为579m/s;当炸药厚度为4.2cm时,对应复板最大碰撞速度为646m/s。可以看出,复板最大碰撞速度随着装药量的增加逐渐增加。3组不同炸药厚度的最大复板碰撞速度均落在爆炸焊接窗口内,说明爆炸焊接复合质量较好,与试验结果一致。

(a)特征单元在模型上的位置 (b)R=0.8

3.2 装药量对复板塑性变形的影响

为了得到不同布药厚度对复板塑性变形的影响,在3组不同装药厚度的对比模拟中选取同1个特征单元(Element49201)。通过分析同一特征单元的塑性应变随时间变化情况的曲线图(见图3),可以看出在其他工艺参数不变的情况下,随着装药量的增加,特征单元的最大塑性应变值越来越大,对爆炸焊接的质量越有利。

(a)R=0.8 (b)R=1.0 (c)R=1.5

3.3 复板Z方向位移

为了体现基板和复板的复合情况和复合质量,文章作了复板Z方向上的位移随时间变化的曲线图(见图4)。在复板上选取3个特征单元:element56901、element50901、element45001,由图4可知,当炸药厚度为2.24cm、2.8cm和4.2cm时所选特征单元的复板Z方向位移都到达了基复板间距0.6cm,说明基复板能够较好地复合。

(a)复板上的特征单元 (b)R=0.8

3.4 不同装药量对复板碰撞压力分布的影响

作为一种特殊的压力焊,爆炸焊接在其进行的过程中基板和复板碰撞会产生极大的压力。如图5所示,在3种不同的装药量下选取同一特征单元element50001观察装药量对复板碰撞压力的影响,随着装药量的增加,同一特征单元对应的碰撞压力也随着增加,3组模拟对应的复板碰撞压力分别为6.3GPa、7.8GPa、9.5GPa,均大于基复板的最大屈服强度,并且结合界面在高温高压的作用下有条件产生射流,从而清理金属表面的氧化膜,使得基板和复板能够较好地焊接在一起。为了能够更加准确地了解装药量对复板碰撞压力的影响,分别在3组模拟中选取不同的3个特征单元,观察压力变化的规律。如图6所示,分别在R=0.8、1.0、1.5中选取不同的特征单元,随着距离起爆点距离的增加,压力逐渐增大。

(a)复板上的特征单元 (b)R=0.8

(a)R=0.8 (b)R=1.0 (c)R=1.5

3.5 二维模拟下的界面波形

为了能够更直观地观察爆炸焊接结合界面的界面波形,从而更全面地判断爆炸焊接的结合质量,本研究利用SPH法通过二维的数值模拟观察界面波形,如图7所示,随着装药量的增加,结合界面的波形的波长越来越小,振幅越来越大。通过对比试验[9]81得出的结合界面波形图如图8所示,实验与模拟所得图形相似,装药量的增大使得复板对基板的冲击力越大,从而使结合界面处的振幅变大,波长变小。

(a)R=0.8 (b)R=1.0 (c)R=1.5

(a)R=0.8 (b)R=1.0 (c)R=1.5

4 结论与展望

在其他工艺参数一定的条件下,药量比为0.8、1.0、1.5,即炸药厚度为2.24cm、2.8cm、4.2cm时,随着装药量的增大,复板的碰撞速度增大,结合界面压力逐渐增大,3组模拟结果复板最大碰撞速度均落在爆炸焊接窗口内,且模拟所选取特征单元的复板Z方向位移达到了基板和复板的间距0.6cm,说明爆炸焊接结合质量较好,模拟结果与试验吻合,证明了SPH-FEM 耦合算法和SPH算法用于T2/Q235爆炸焊接的有效性。

由于受条件所限,本文仅采用数值模拟进行了研究,结果尚待更多的实际工程验证。文中仅作了3组装药量的对比分析,还需通过更多组对照组进行更加深入系统研究。