鈦-鈦合金爆炸焊接布藥結(jié)構(gòu)與波狀結(jié)合狀態(tài)相關(guān)性仿真研究

劉 武，夏治園，馬劉博，王志富，王 猛

(1.廣東正維咨詢(xún)服務(wù)有限公司，廣東 廣州510000;2.安徽理工大學(xué) 化學(xué)工程學(xué)院，安徽 淮南232000)

0 引言

鈦及其合金是常見(jiàn)的優(yōu)質(zhì)工程材料,因其塑性?xún)?yōu)良、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于航空航天、軍事裝備以及石油化工領(lǐng)域[1]。 與普通鈦合金相比,鈦-鈦合金復(fù)合材料的性能更加優(yōu)越,適用范圍更加廣闊,工程實(shí)用價(jià)值更高。 由于純鈦活性強(qiáng),焊接過(guò)程中液態(tài)熔滴和熔池金屬能強(qiáng)烈吸收空氣中氫、氧、氮,導(dǎo)致材料表面產(chǎn)生裂紋、氣孔,降低材料的機(jī)械性能[2],環(huán)境要求苛刻,經(jīng)濟(jì)效益欠佳。 采用爆炸焊接工藝可有效解決該類(lèi)問(wèn)題。

爆炸焊接是一種固相焊接方法,它是利用炸藥爆炸產(chǎn)生的能量驅(qū)動(dòng)待焊接金屬?gòu)?fù)層做高速運(yùn)動(dòng)并與基層產(chǎn)生劇烈地傾斜碰撞,在碰撞區(qū)域產(chǎn)生局部高溫和塑性變形而實(shí)現(xiàn)材料焊接的技術(shù)[3-5]。在鈦及其合金材料的爆炸焊接研究問(wèn)題上,陳沛等[6]運(yùn)用有限元分析軟件模擬了鈦-鈦爆炸復(fù)合過(guò)程,著重探究了爆炸焊接界面波形及缺陷組織的形成機(jī)理。 張婷婷等[7]成功爆炸焊接了鈦-鋁-鎂復(fù)合板,并對(duì)其力學(xué)性能進(jìn)行了測(cè)試。 王茹等[8]采用純鈦?zhàn)鳛檫^(guò)渡層,實(shí)驗(yàn)制得了大規(guī)格高強(qiáng)度鈦-純鈦-不銹鋼爆炸焊接復(fù)合板,產(chǎn)品結(jié)合質(zhì)量良好,剪切強(qiáng)度達(dá)到290 MPa 以上,力學(xué)性能也達(dá)到ASTM B898—2011(2016)標(biāo)準(zhǔn)要求。 就現(xiàn)有文獻(xiàn)來(lái)看,鈦-鈦合金爆炸焊接優(yōu)化設(shè)計(jì)問(wèn)題研究相對(duì)較少。 筆者運(yùn)用AUTODYN 有限元模擬軟件,結(jié)合Lagrange-SPH 耦合算法,模擬了鈦-鈦合金爆炸復(fù)合過(guò)程,分析了復(fù)合板焊接界面動(dòng)態(tài)變化過(guò)程,并對(duì)布藥方式、復(fù)板角度等焊接參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化調(diào)整。

1 爆炸復(fù)合界面波形及其對(duì)復(fù)合質(zhì)量的影響

爆炸焊接工藝過(guò)程復(fù)雜,復(fù)板在炸藥的驅(qū)動(dòng)下與基板發(fā)生高速碰撞,在高溫高壓的作用下產(chǎn)生高應(yīng)變率進(jìn)入塑性流動(dòng)并產(chǎn)生射流,高速射流又與基、復(fù)板產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng),起到侵徹與剪切作用,產(chǎn)生類(lèi)似拉鏈的不同的結(jié)合界面,將兩種金屬緊緊連接在一起。 與傳統(tǒng)焊接工藝相比,焊接結(jié)合界面的材料強(qiáng)度較母材本身有所提高。

爆炸焊接復(fù)合板的焊接結(jié)合界面主要呈連續(xù)的波狀結(jié)合,包括大波狀結(jié)合、小波狀結(jié)合和微波狀結(jié)合。 大波狀結(jié)合界面的波高為100 ～150 μm,波長(zhǎng)約為300 μm,結(jié)合區(qū)存在30 μm 左右寬的過(guò)渡區(qū)域,且存有一定的縫隙,易導(dǎo)致焊接界面的結(jié)合強(qiáng)度下降,影響復(fù)合板焊接質(zhì)量。 小波狀的結(jié)合界面波高約為50 μm,波長(zhǎng)為150 ～200 μm,存在15 μm 相對(duì)較窄的過(guò)渡區(qū)域,縫隙也相對(duì)較小,結(jié)合強(qiáng)度在兩母材強(qiáng)度值之間,結(jié)合強(qiáng)度優(yōu)良,可有效保障復(fù)合板焊接質(zhì)量。 微波狀結(jié)合界面實(shí)際上就是板材的直接結(jié)合,結(jié)合區(qū)基本看不到分界面,被相關(guān)學(xué)者認(rèn)為焊接達(dá)到100%的焊合率,且焊接界面也呈波狀結(jié)合,無(wú)過(guò)渡區(qū)域和縫隙,結(jié)合強(qiáng)度最高,是最為理想的焊接結(jié)合形式。 因此,在爆炸焊接過(guò)程中,避免形成大波狀結(jié)合界面,追求小波狀和微波焊接結(jié)合效果是爆炸焊接工程實(shí)踐的研究重點(diǎn)。

在爆炸焊接工藝中,波狀結(jié)合的形成主要取決于金屬射流的侵徹速度和速度方向,而初始焊接參數(shù)對(duì)金屬射流的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)具有重大影響。 因此,優(yōu)化鈦-鈦合金爆炸焊接過(guò)程的初始焊接參數(shù),調(diào)整布藥結(jié)構(gòu)對(duì)復(fù)合板生產(chǎn)具有重要意義。

2 有限元模型的建立

2.1 爆炸焊接參數(shù)

爆炸焊接初始參數(shù)包括炸藥的性質(zhì)和質(zhì)量、材料的物理機(jī)械性能和幾何參數(shù)、材料的安裝位置和形狀[9],可采用經(jīng)驗(yàn)公式(1)加以確定。

式中:m為復(fù)板質(zhì)量,kg;R為單位面積裝藥質(zhì)量與復(fù)板質(zhì)量的比值;C為單位面積的藥量, kg/m2。

對(duì)于常見(jiàn)的硝銨炸藥,R的取值由經(jīng)驗(yàn)公式(2)加以確定[8]:

式中:vp為復(fù)板碰撞速度;vd為炸藥爆速。

兩金屬板間距s:

式中:te為裝藥厚度,cm;tf為復(fù)板厚度,cm。

2.2 材料選取

選取硝銨炸藥(ANFO)作為焊接用藥,在基板底部設(shè)置鋼制吸能塊(Steel 4340),用于支撐基板并減緩復(fù)板射流沖擊作用,材料各參數(shù)見(jiàn)表1、表2,其中A、B、R1、R2、W為炸藥狀態(tài)參數(shù)。

表1 ANFO 材料參數(shù)

表2 鈦-鈦合金材料參數(shù)

2.3 幾何尺寸

有限元模型中,基板和復(fù)板厚度均為2 mm,采用平行法爆炸焊接合成復(fù)合板。 根據(jù)材料參數(shù),按照經(jīng)驗(yàn)公式求得爆炸焊接初始參數(shù):藥厚為24 mm,基、復(fù)板間距為12 mm,基板相較于復(fù)板往外延伸40 mm。有限元模型幾何尺寸如圖1 所示。

圖1 有限元模型幾何尺寸

光滑粒子流體動(dòng)力學(xué)法(SPH)可有效模擬爆炸沖擊、連續(xù)體解體碎裂等大變形問(wèn)題,且無(wú)須網(wǎng)格重構(gòu),保證計(jì)算精度,但該方法計(jì)算過(guò)程冗長(zhǎng),因此在保證計(jì)算精度和計(jì)算效率的前提下,可采用Lagrange-SPH 耦合算法進(jìn)行模擬計(jì)算。 各組分中ANFO、Steel 4340 采用Lagrange 算法,TITANUIM 和TI(6AL-4V)使用SPH 算法,單位制mm-mg-ms,吸能塊底部進(jìn)行縱向位移約束,起爆點(diǎn)設(shè)置在ANFO 右上角。 在基板底部和復(fù)板上部每隔5 mm設(shè)置高斯點(diǎn),觀測(cè)材料各項(xiàng)物理量的變化情況。 有限元模型如圖2 所示。

圖2 鈦-鈦合金爆炸焊接有限元模型

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 焊接結(jié)合界面分析

觀察鈦-鈦合金爆炸焊接結(jié)合界面的結(jié)合情況,根據(jù)SPH 粒子流動(dòng)沖擊狀態(tài)與焊接界面結(jié)合形態(tài)可將界面波形分為兩種:

1)平直狀波形。 在臨近起爆段的焊接結(jié)合面波形呈平直狀,基、復(fù)板之間未出現(xiàn)明顯的金屬射流。 結(jié)合界面效果如圖3 所示。 由圖中可以看出,基、復(fù)板結(jié)合處粒子相互碰撞,產(chǎn)生應(yīng)力波,并沿x軸方向運(yùn)動(dòng)。 應(yīng)力波經(jīng)基板邊界反射拉伸,使基、復(fù)板之間的碰撞應(yīng)力減小,該現(xiàn)象被稱(chēng)為爆炸焊接中的邊界效應(yīng)。

圖3 8 ～20 mm 區(qū)間結(jié)合界面矢量圖

2)波狀結(jié)合。 當(dāng)復(fù)板碰撞速度達(dá)到最佳復(fù)板碰撞速度Vap時(shí),碰撞區(qū)的壓力超過(guò)材料的動(dòng)態(tài)屈服強(qiáng)度,基、復(fù)板的表面產(chǎn)生塑性流動(dòng)形成射流,從而在結(jié)合區(qū)界面形成規(guī)則的波狀結(jié)合界面,如圖4 所示。 圖中x軸上140 ～160 mm 區(qū)間內(nèi)已形成波狀結(jié)合。

圖4 結(jié)合區(qū)波狀結(jié)合界面

3.2 梯形布藥

進(jìn)一步探究裝藥方式對(duì)爆炸焊接質(zhì)量的影響,分別設(shè)置3 組不同模型裝藥方式,布藥尺寸見(jiàn)表3。

表3 布藥尺寸

提取標(biāo)號(hào)為20 ～40 號(hào)(復(fù)板)、61 ～81 號(hào)(基板)的高斯點(diǎn),并提取其y軸方向的坐標(biāo),如圖5 所示。

圖5 不同模型中各高斯點(diǎn)坐標(biāo)

圖中沿x軸方向,模型1 中125 ～155 mm 區(qū)間,模型2 中150 mm 左右位置和模型3 中75 ～155 mm 范圍內(nèi)基、復(fù)板各點(diǎn)坐標(biāo)錯(cuò)落分布,表明該段結(jié)合較為緊密,其余各對(duì)應(yīng)高斯點(diǎn)間存在連續(xù)間距,表明該處材料發(fā)生回彈或者過(guò)度熔融現(xiàn)象,基、復(fù)板未形成緊密結(jié)合。 模型2 在80 ～140 mm 存在明顯脫離狀態(tài),故焊接結(jié)果最差,而模型3 中焊接效果最佳。 由此可見(jiàn),在起爆端增加藥量有效提高了邊界處初始碰撞壓力和速度,從而快速形成金屬射流,產(chǎn)生波狀結(jié)合。 減小復(fù)板尾部炸藥量可有效防止基、復(fù)板過(guò)度碰撞產(chǎn)生連續(xù)熔化區(qū),影響焊接質(zhì)量。 因此,采用梯形裝藥并在起爆端增加一定藥量可有效提高鈦-鈦合金爆炸焊接效率,提高金屬材料利用率。

3.3 焊接初始角度影響分析

在小面積爆炸焊接工藝中,常使用平行-角度法代替平行法,模擬情況如圖6 所示。 復(fù)板與水平線夾角一般為5° ～25°。 將復(fù)板與裝藥旋轉(zhuǎn)5°,進(jìn)行模擬計(jì)算,并與平行法進(jìn)行比較。 結(jié)合區(qū)具體參數(shù)見(jiàn)表4。

圖6 平行-角度法波狀結(jié)合界面

表4 結(jié)合區(qū)參數(shù)

由圖6 和表4 可以看出,相較于平行法,平行-角度法中結(jié)合區(qū)參數(shù)波高A和波長(zhǎng)λ明顯提高,結(jié)合區(qū)界面呈明顯的大波紋結(jié)合,且長(zhǎng)度有所增加。爆炸焊接過(guò)程中,波長(zhǎng)隨著碰撞角或復(fù)板厚度的增大而增加,波高也相應(yīng)發(fā)生變化。 由此可見(jiàn),設(shè)置一定的復(fù)板初始角度可明顯增大射流碰撞角,形成明顯的大波紋狀結(jié)合,但爆炸復(fù)合材料板波高與波長(zhǎng)過(guò)大容易造成結(jié)合界面結(jié)合強(qiáng)度下降,不易形成穩(wěn)定的渦旋。 因此,在實(shí)際生產(chǎn)中采用平行-角度法進(jìn)行材料焊接時(shí),為取得較好的焊接質(zhì)量,可考慮減小根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式估算的裝藥量或者板間距[10]。

根據(jù)仿真結(jié)果可知,采用梯形布藥結(jié)構(gòu),適當(dāng)增加起爆端藥量并削減尾端藥量可有效改善爆炸復(fù)合質(zhì)量,形成更加牢固的焊接復(fù)合界面,并減小金屬直接接觸區(qū)和熔化區(qū)范圍。 在采用平行-角度法進(jìn)行爆炸焊接時(shí),應(yīng)適當(dāng)減小經(jīng)驗(yàn)估計(jì)藥量或者板間距等參數(shù),以確保形成連續(xù)小波狀結(jié)合界面,既保證焊接質(zhì)量,又具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。

4 結(jié)論

1)鈦-鈦合金爆炸焊接數(shù)值模擬過(guò)程中,基、復(fù)板運(yùn)動(dòng)狀態(tài)與刻入機(jī)理較為一致,基板在高壓侵徹作用下形成突起,攔截復(fù)板射流,進(jìn)而形成規(guī)則的波狀結(jié)合。

2)采用梯形裝藥并增加起爆端裝藥量可有效提高復(fù)板射流速度,加快波狀結(jié)合的形成并提高焊接質(zhì)量,模擬過(guò)程中采用上底20 mm,下底28 mm的裝藥量可得到較為良好的焊接效果。

3)設(shè)置一定的復(fù)板初始角度可明顯提高碰撞角角度,增大結(jié)合區(qū)參數(shù),但容易導(dǎo)致焊接質(zhì)量問(wèn)題,采用平行-角度法焊接時(shí),需考慮減小裝藥量或者減小板間距。