T10—Q245復(fù)合板爆炸焊接過程的數(shù)值模擬

李瑞勇++張娜娜

摘 要：采用非線性有限元軟件ANSYS/LS-DYNA對T10板和Q245板爆炸焊接進行了三維數(shù)值模擬，獲得了爆炸焊接過程中焊接過程、復(fù)板運動速度、碰撞區(qū)域壓力分布。結(jié)果表明，LS-DYNA可較好的模擬爆炸焊接過程，并且得到復(fù)板最大運動速度和速度變化規(guī)律，碰撞區(qū)域最大壓力和壓力變化規(guī)律。通過數(shù)值模擬可以有效再現(xiàn)爆炸復(fù)合過程，為爆炸焊接工藝參數(shù)的優(yōu)化提供了參考。

關(guān)鍵詞：爆炸焊接；數(shù)值模擬；速度；壓力

一、序言

1944年，美國Carl提出爆炸焊接理論，受到了國內(nèi)外學(xué)者的重視。20世紀六七十年代，英國、前蘇聯(lián)、聯(lián)邦德國、日本等相繼展開了爆炸焊接的研究。20世紀60年代開始，我國也進行了爆炸焊接試驗理論研究，從80年代開始，爆炸焊接的研究取得了長足的進展，其應(yīng)用也從原來的傳統(tǒng)應(yīng)用延伸到特種行業(yè)，如化工、石油、制藥、軍事，甚至核工業(yè)、航空、航天等領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用。

爆炸焊接技術(shù)是具有一定塑性和沖擊韌性的不同金屬或者非金屬在炸藥爆轟產(chǎn)生的瞬時高溫高壓下實現(xiàn)復(fù)合的一種方法，它集熔化焊、擴散焊和壓力焊為一體，它是在爆炸焊接過程中，炸藥產(chǎn)生的高壓脈沖載荷推動復(fù)板以很大的沖擊速度與基板碰撞發(fā)生有著嚴重彈性畸變的塑性變形，因此界面基復(fù)板接觸表面部分原子掙脫了原有晶格的約束，在交匯處進行滲透擴散等作用，伴隨產(chǎn)生了有自清理作用的金屬射流；同時，巨大的動能在高碰撞時產(chǎn)生很大的熱量，使結(jié)合區(qū)附近金屬發(fā)生了熔化擴散，從而實現(xiàn)爆炸焊接的結(jié)合。

二、T10-Q245爆炸復(fù)合數(shù)值模擬

本文采用有限元軟件ANSYS/LS-DYNA模擬爆炸焊接的動態(tài)過程及其壓力、速度分布情況。ANSYS/LS-DYNA功能強大，可以進行非線性動力學(xué)分析，多剛體動力學(xué)分析，歐拉場分析，任意拉格朗日-歐拉（ALE）分析，流體-結(jié)構(gòu)相互作用分析，有限元-多剛體動力學(xué)耦合分析（MADYMO，CAL3D）。

T10鋼在生活中比較常見，因其強度及耐磨性較好，但塑性較差。常被用于制造具有銳利刀口和有少許韌性的工具。Q245指的是屈服強度值為245MPa的壓力容器鋼。這種材料耐熱耐高溫，具有良好的塑性，但強度及耐磨性一般。提出了以耐磨性能好的工具鋼T10和具有良好塑性的Q245壓力容器鋼為原材料，利用爆炸焊接技術(shù)實現(xiàn)復(fù)合。這樣可以發(fā)揮兩種材料各自的優(yōu)點，相互彌補缺點。T10-Q245爆炸復(fù)合板具備Q245的耐熱耐腐蝕的性能，同時又兼顧了T10的耐磨高強度的特性，與兩種原材料相比，力學(xué)性能和經(jīng)濟方面有具備明顯的優(yōu)勢。

2.1 爆炸復(fù)合數(shù)值模擬材料參數(shù)

2.1.1 基板、復(fù)板材料模型和狀態(tài)方程

基板材料采用碳素鋼Q245，尺寸為50cm×30cm×42mm，復(fù)板材料采用工具鋼T10，尺寸為50cm×30cm×6mm。為了簡化計算，僅對四分之一幾何模型進行分析。

動力非線性分析中，T10和Q245本構(gòu)關(guān)系選用Johnson-Cook模型

（1）

式中： ——Von Mises 流動應(yīng)力；

——等效彈性應(yīng)變；

——參考應(yīng)變速率，取1.0；

——無量綱溫度， 分別為室溫和材料熔點。

A、B、C、m、n為材料常數(shù)，其中B、n表征應(yīng)變硬化特性；C表征應(yīng)變率敏感特性；m表征溫度軟化特性。該模型可以描述材料在高速碰撞和爆炸作用下的大應(yīng)變及在高應(yīng)變率和高溫時的力學(xué)性能，能夠反映應(yīng)變率強化效應(yīng)和溫升軟化效應(yīng)。

（2）

式中： ，即壓力與Von Mises等效應(yīng)力的比值，與板的應(yīng)力狀態(tài)有關(guān)。D1，D2，D3，D4，D5為失效系數(shù)。T10和Q245的本構(gòu)方程參數(shù)見表1。

表1 T10、Q245的Johnson-Cook本構(gòu)參數(shù)

T10、Q245的狀態(tài)方程采用ANSYS/LS-DYNA中提供的*EOS-GRUNEISEN方程。具體參數(shù)見表2。

表2 T10、Q245的*EOS-GRUNEISEN參數(shù)

2.1.2 炸藥的材料模型和狀態(tài)方程

炸藥材料選用低爆速的2#巖石炸藥，尺寸為50cm×30cm×30mm。采用*MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN高能燃燒材料模型，同時采用Jones-Wilkins-Lee狀態(tài)方程，即JWL方程：

（3）

式中：P——爆炸產(chǎn)物的壓力；

V——爆轟產(chǎn)物的相對比容， ，v是爆轟產(chǎn)物的比容，v0是爆轟前炸藥的初始比容；

E0——爆轟產(chǎn)物的比內(nèi)能。

A1，B1，R1，R2，ω為特定參數(shù)。炸藥的本構(gòu)方程和狀態(tài)方程見表3。

表3 2#巖石炸藥高能燃燒材料模型及JWL方程參數(shù)

2.2 爆炸復(fù)合模型

利用LS-DYNA后期處理軟件LS-PrePost，建立T10-Q245爆炸復(fù)合模型。

為了方便觀察，僅分析T10板、Q245板的焊接過程，如圖1所示。從圖中看出，炸藥起爆后產(chǎn)生劇烈的熱效應(yīng)和壓力，使板材產(chǎn)生高應(yīng)變速率的塑性變形并呈現(xiàn)類似流體的狀態(tài)。在兩種板材接觸的界面存儲了大量的塑性應(yīng)變能，使得界面處兩種原子形成金屬鍵，兩板材形成了復(fù)合。

2.2.1 復(fù)板運動速度規(guī)律

復(fù)板運動速度是爆炸焊接最關(guān)鍵的參數(shù)之一，圖2是復(fù)板上某點運動速度隨時間的變化曲線。從圖中可以看出，變化規(guī)律基本是還未到達最高速度時，速度幾乎是呈線性增加的然后迅速下降并且反復(fù)震蕩。

2.2.2 碰撞點區(qū)域的壓力場

從圖3碰撞點區(qū)域的壓力場分布圖看出，最大壓力極值可以達到3.2GPa。復(fù)板和基板發(fā)生復(fù)合的基本條件是碰撞點的高壓力，壓力會使復(fù)板迅速升溫，并產(chǎn)生金屬射流，使得焊接界面得到清潔保證焊接質(zhì)量。

壓力波傳播到復(fù)板時，復(fù)板自由表面會反射回來稀疏波，如果焊接界面尚未完全結(jié)合，反射稀疏波又將復(fù)板和基板分開，則會影響爆炸焊接的復(fù)合程度，而根據(jù)圖3所示，碰撞點壓力持續(xù)時間短暫，所以對焊接是有影響的。

三、結(jié)論

（1）利用LS-DYNA可以建立爆炸焊接三維數(shù)值模型，并且可以獲得爆炸焊接的壓力場與速度場。

（2） 根據(jù)爆炸焊接的速度場變化規(guī)律，可以看出速度幾乎呈線性增大到最大值，然后迅速下降然后反復(fù)震蕩。

（3）根據(jù)爆炸焊接的壓力場變化規(guī)律，可以得到碰撞點壓力最大值，但是持續(xù)時間短暫，會影響到焊接質(zhì)量。

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