負(fù)壓條件對(duì)T2/Q235爆炸焊接復(fù)合板界面的影響

汪 泉,胡 程,謝守冬,李孝臣,李志敏,涂唱暢,朱群龍,楊 銳

(1.安徽理工大學(xué) 化工與爆破學(xué)院,安徽 淮南 232001;2.安徽理工大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院,安徽 淮南 232001;3.安徽理工大學(xué) 土木建筑學(xué)院,安徽 淮南 232001;4.宏大爆破工程集團(tuán)有限責(zé)任公司,廣東 廣州 510000)

引 言

爆炸焊接是以炸藥作為能源進(jìn)行焊接的一種方法[1]。自卡爾發(fā)現(xiàn)爆炸焊接現(xiàn)象以來(lái)已有近百年歷史[2],目前關(guān)于爆炸焊接的理論與應(yīng)用日趨成熟,通過(guò)爆炸焊接復(fù)合的異種金屬更是超百種[3],甚至實(shí)現(xiàn)了多層金屬的成功復(fù)合[4-6]。隨著科技的發(fā)展,學(xué)者們不再局限于對(duì)炸藥和復(fù)合材料本身的研究,Yang Ming等[7]通過(guò)在焊接炸藥上鋪設(shè)膠體水,不僅實(shí)現(xiàn)了不銹鋼的成功復(fù)合,同時(shí)發(fā)現(xiàn)膠體水覆層可以提高炸藥的能量利用率;畢志雄等[8]使用蜂窩鋁來(lái)約束爆炸焊接炸藥的能量,成功實(shí)現(xiàn)了T2/Q345的復(fù)合,結(jié)果表明蜂窩鋁可以提高炸藥的能量利用率,從而節(jié)約炸藥的使用;李曉杰等[9]通過(guò)水下爆炸焊接發(fā)現(xiàn),水下沖擊波對(duì)于脆性和薄片材料具有很好的焊接效果,粉狀物在水下沖擊波加載作用下可以形成致密體;Zeng Xiangyu等[10]通過(guò)在惰性氣體中對(duì)Mg/Al爆炸焊接,研究了復(fù)合板的界面及力學(xué)性能影響,發(fā)現(xiàn)惰性氣體可以改善Mg/Al復(fù)合板的力學(xué)性能,且在結(jié)合面上幾乎沒(méi)有氧化物的形成。

常壓條件下露天爆炸焊接不僅會(huì)產(chǎn)生巨大的振動(dòng)和噪聲,同時(shí)對(duì)周圍的環(huán)境和植被產(chǎn)生不可逆的影響[11],研究表明容器內(nèi)的負(fù)壓爆炸可以很好地改善這一現(xiàn)象[12-13]。由于負(fù)壓條件會(huì)對(duì)炸藥性能及沖擊波的傳播產(chǎn)生影響[14-16],探究其對(duì)爆炸焊接的影響效果具有重要研究意義。

目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于負(fù)壓爆炸焊接的文獻(xiàn)較少,本研究使用硅藻土敏化的乳化炸藥[17]探究20、60、100kPa(常壓)條件下對(duì)T2/Q235爆炸焊接復(fù)合板結(jié)合面的影響及機(jī)理,為真空爆炸焊接提供理論支撐。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 爆炸焊接炸藥制備

在爆炸焊接實(shí)驗(yàn)中,炸藥爆炸性能參數(shù)會(huì)對(duì)焊接產(chǎn)生巨大影響。本實(shí)驗(yàn)采用硅藻土敏化的低爆速粉狀乳化炸藥進(jìn)行爆炸焊接實(shí)驗(yàn),乳化炸藥的配方(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為:復(fù)合油相(柴油、機(jī)油、乳化劑的質(zhì)量比為3∶3∶2),5.2%;硝酸銨,6.7%;硝酸鈉,5.2%;水,8.6%;硅藻土,14%。

粉狀乳化炸藥制作流程如圖1所示。

圖1 硅藻土敏化的粉狀乳化炸藥制作流程Fig.1 Production process of diatomite sensitized powder emulsion explosive

1.2 炸藥性能測(cè)試

將粉狀乳化炸藥置于真空爆炸容器內(nèi),分別測(cè)量其于不同環(huán)境壓力條件下的密度變化情況。依據(jù)GB/T 13228-2015《工業(yè)炸藥爆速測(cè)定方法》和GB/T 12440-1990《炸藥猛度實(shí)驗(yàn)鉛柱壓縮法》分別對(duì)炸藥進(jìn)行不同環(huán)境壓力條件下的爆速和猛度測(cè)量,爆速測(cè)試3次取平均值,猛度測(cè)試4次取平均值。

1.3 爆炸焊接實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)采用T2銅作為覆板,板材尺寸為250mm×125mm×2mm;Q235鋼為基板,尺寸為200mm×100mm×10mm。環(huán)境壓力分別為20、60、100kPa,真空爆炸焊接實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示。

圖2 真空爆炸焊接試驗(yàn)示意圖Fig.2 Schematic diagram of the vacuum explosion welding test

2 結(jié)果及分析

2.1 炸藥性能測(cè)試結(jié)果分析

2.1.1 炸藥堆積密度變化

炸藥的堆積密度變化會(huì)對(duì)炸藥爆炸性能產(chǎn)生顯著影響,炸藥的爆速、爆壓均與裝藥密度有關(guān)。不同壓力條件下粉狀乳化炸藥的裝藥密度變化如圖3所示。

圖3 炸藥在不同壓力條件下的體積變化Fig.3 The volume change of explosives under different pressure conditions

由圖3不難發(fā)現(xiàn),隨著環(huán)境壓力的降低,炸藥的裝藥密度逐漸增大。不同壓力條件下炸藥的裝藥密度如表1所示。

表1 不同壓力條件下炸藥的密度Table 1 The density of explosives under different pressure conditions

20kPa條件下炸藥的堆積密度分別比60kPa和100kPa條件下提高了8.9%和15.8%,可能是因?yàn)榉蹱钊榛ㄋ幜酱嬖诓町?常壓下不同粒徑顆粒雜亂堆積形成“空腔”。隨著氣壓降低,空腔內(nèi)壓力變小,壓差使小粒徑的炸藥顆粒向“空腔”內(nèi)滑移,造成了炸藥堆積密度的增大,示意圖如圖4所示。

圖4 不同負(fù)壓條件下炸藥密度的變化情況及示意圖Fig.4 Variation of explosive density under different negative pressure conditions and schematic diagram

2.1.2 炸藥爆速變化

爆炸焊接中炸藥的爆速起著決定性作用。實(shí)驗(yàn)測(cè)得壓力分別為100、60和20kPa下炸藥的爆速分別為2215.0、2273.0和2382.3m/s。可以看出,隨著環(huán)境壓力的降低,粉狀乳化炸藥的爆速呈現(xiàn)逐漸升高的趨勢(shì),20kPa下的爆速分別比60kPa和100kPa條件下的爆速提高了1.7%和3%。這是因?yàn)殡S著真空度提高,炸藥的裝藥密度逐漸增大,進(jìn)而導(dǎo)致爆速提高。炸藥爆速與密度關(guān)系為:

D=1.01φ0.5(1+1.3ρ0)

(1)

式中:D為炸藥爆速,km/s;φ為炸藥的特征值;ρ0為炸藥的裝藥密度,g/cm3。

2.1.3 炸藥猛度變化

在爆炸焊接中,炸藥直接作用于覆板,因此猛度決定著炸藥對(duì)覆板的作功大小。不同環(huán)境壓力下炸藥的猛度測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 不同環(huán)境壓力下猛度實(shí)驗(yàn)鉛柱壓縮值Table 2 Compressive value of lead column under different ambient pressures

由表2可以看出,隨著環(huán)境壓力的降低,粉狀乳化炸藥的猛度逐漸提高。20kPa條件下的猛度分別較60kPa和100kPa下的猛度提高了4.7%和8.4%,這也是因?yàn)檎ㄋ幟芏仍龈邔?dǎo)致的。炸藥猛度和爆壓有關(guān),爆壓和爆速之間的關(guān)系式為:

(2)

式中:P2為炸藥爆壓,MPa;ρ0為炸藥的裝藥密度,kg/m3;D為炸藥的爆速,km/s。

2.2 金相顯微觀測(cè)

爆炸焊接實(shí)驗(yàn)結(jié)束后對(duì)3種不同壓力條件下得到的爆炸焊接板用超聲波進(jìn)行探傷,結(jié)果顯示焊接板均100%完全復(fù)合。圖5為板間距6mm、不同壓力條件下得到的復(fù)合板。

圖5 不同壓力條件下T2/Q235爆炸焊接復(fù)合板Fig.5 T2/Q235 explosion welded composite plates under different pressure conditions

由圖5可以看出,所有復(fù)合板焊接情況良好,邊界較為平直整齊,在20kPa條件下得到的爆炸焊接復(fù)合板表面燒蝕較其他兩種條件下更輕微。文獻(xiàn)[18]表明真空條件會(huì)影響炸藥的爆熱,真空條件下炸藥的爆熱減小,進(jìn)而使爆炸接觸面的破壞程度降低。

采用金相顯微鏡分別對(duì)100、60、20kPa下、不同板間距(3、6mm)的T2/Q235爆炸焊接板進(jìn)行金相觀察,結(jié)果如圖6所示。

圖6 不同條件下T2/Q235結(jié)合面金相顯微圖Fig.6 Metallographic micrographs of T2/Q235 interface under different conditions

由圖6可知,在板間距3mm、常壓(100kPa)下,T2/Q235界面波不穩(wěn)定、不規(guī)則,隨著環(huán)境壓力降低,界面波逐漸穩(wěn)定。在板間距6mm條件下,3種環(huán)境壓力下得到的T2/Q235界面均出現(xiàn)穩(wěn)定的波形。圖中6mm板間距,3個(gè)壓力條件下各選取6處波形,60kPa和20kPa壓力下的相鄰波形波高均大致相等,分別約為102.94μm和122.55μm,常壓下的波高平均值約為85.79μm,相鄰波形波高最大相差15.7μm;3組壓力條件下相鄰波形波長(zhǎng)差與各組平均波長(zhǎng)的比值均小于10%。表3為板間距為6mm條件下,界面波的數(shù)據(jù)。

表3 結(jié)合面金相顯微數(shù)據(jù)Table 3 Metallographic microdata of joint interface

表4 結(jié)合面元素含量Table 4 Element content of joint interface

由表3可以看出,隨著環(huán)境壓力的降低,爆炸焊接結(jié)合面的波逐漸增大,波高與波長(zhǎng)的比值呈增大的趨勢(shì),其中60kPa條件下的γ值與常壓下的較為接近,20kPa條件下增大較為明顯。20kPa條件下,波高比100kPa下增加了49%,波長(zhǎng)增加了23%。60kPa條件下,波高比常壓下增加了8%,波長(zhǎng)增加了5%。同時(shí)可以看出,隨著環(huán)境壓力的降低,波高波長(zhǎng)比隨之增大,且環(huán)境壓力越低,波高波長(zhǎng)比變化越迅速。這可能與爆壓和爆速的變化有關(guān),炸藥密度變化致使爆速和爆壓都有所提高,因?yàn)檎ㄋ幍谋瑝号c爆速平方成正比,炸藥在軸向上作功能力的提高比水平方向的大,致使界面波的高度變化比長(zhǎng)度變化更加明顯。

2.3 結(jié)合面元素成分分析

爆炸焊接中,金屬間的瞬間高溫高壓往往會(huì)使金屬發(fā)生氧化,氧化物的存在會(huì)造成復(fù)合板間空洞,微觀會(huì)引起爆炸復(fù)合板結(jié)合性能弱,在宏觀上可能造成復(fù)合板開裂、鼓包等現(xiàn)象。圖4為爆炸復(fù)合板界面的元素分析結(jié)果。

由氧元素分析得,100、60、20kPa條件下,氧元素占比(質(zhì)量分?jǐn)?shù))分別為5.159%、4.525%、3.576%,說(shuō)明負(fù)壓環(huán)境有利于減少結(jié)合面氧化物的形成。負(fù)壓環(huán)境下爆炸焊接相對(duì)于常壓爆炸焊接,環(huán)境氧含量更低,使爆炸焊接基覆板交界處金屬氧化物含量更低。

2.4 數(shù)值模擬

2.4.1 計(jì)算模型

采用ANSYS-AUTODYN軟件在不同環(huán)境條件下對(duì)T2/Q235進(jìn)行爆炸焊接模擬。SPH算法可以更好地顯示結(jié)合面處的變化,為了保證模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性,需要考慮算法的計(jì)算精度與計(jì)算效率。因此,將2mm厚的T2銅板劃分為兩部分,厚度為1.6mm的上半部分材料采用Lagrange算法,網(wǎng)格大小為0.4mm×0.4mm,下半部分材料厚度為0.4mm,采用SPH建模,粒子大小為0.01mm。Q235鋼采用SPH算法,厚度為0.4mm,粒子大小為0.01mm。搭建的計(jì)算模型如圖7所示。

圖7 計(jì)算模型Fig.7 Calculation model

2.4.2 材料參數(shù)

爆炸焊接的兩種金屬材料來(lái)自AUTODYN材料庫(kù),兩種材料的狀態(tài)方程均為Shock狀態(tài)方程,材料模型選擇Johnson-Cook材料模型;乳化炸藥采用JWL狀態(tài)方程描述[19]。

高校體育教學(xué)具有自身的特色，與高校各個(gè)專業(yè)的人才培養(yǎng)目標(biāo)不同，高校體育教學(xué)是以學(xué)生的身心健康全面發(fā)展為目標(biāo)的，這也是高校體育教學(xué)的基本理念。大學(xué)生身心健康的培養(yǎng)對(duì)于大學(xué)生個(gè)人發(fā)展以及社會(huì)發(fā)展都是很重要的，但是很多高校并沒(méi)有認(rèn)識(shí)到這一點(diǎn)，而是將體育課作為必修課的任務(wù)來(lái)按照時(shí)間去規(guī)劃完成[1]，因此加強(qiáng)對(duì)體育教學(xué)的重視是必須的，加強(qiáng)對(duì)體育教學(xué)的重視就要理清存在于其中的問(wèn)題并進(jìn)行改進(jìn)，而進(jìn)行有效的體育教學(xué)評(píng)價(jià)是發(fā)現(xiàn)問(wèn)題的最好的方法，尤其是融入學(xué)生評(píng)價(jià)更是能夠獲得最直接的線索。

為模擬負(fù)壓環(huán)境,計(jì)算通過(guò)改變空氣密度來(lái)實(shí)現(xiàn),空氣密度與環(huán)境壓力關(guān)系式為:

計(jì)算得到20kPa和60kPa條件下空氣密度分別為0.245kg/m3和0.735kg/m3。

初始裝藥密度為ρ0的炸藥在任意裝藥密度下的爆轟產(chǎn)物JWL狀態(tài)方程參數(shù)如下[20]:

(3)

通過(guò)式(3)得到不同密度(0.711、0.753、0.800g/cm3)下炸藥的JWL參數(shù)如表5所示。

表5 不同密度下炸藥參數(shù)Table 5 The parameter of explosive under different densities

2.4.3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

波狀結(jié)合面的變化情況如圖8所示。

圖8 不同環(huán)境壓力下T2/Q235爆炸焊接結(jié)合面模擬圖Fig.8 Simulation diagram of T2/Q235 explosive welding joint interface under different ambient pressures

不同環(huán)境壓力下結(jié)合面特征數(shù)值模擬結(jié)果如表6所示。

表6 不同環(huán)境壓力下結(jié)合面特征數(shù)值模擬結(jié)果Table 6 Numerical simulation results of joint interface characteristics under different environmental pressures

由圖8和表6可知,隨著環(huán)境壓力的降低,爆炸焊接結(jié)合面的波逐漸變大,常壓條件下數(shù)值模擬結(jié)合面波長(zhǎng)、波高與實(shí)驗(yàn)結(jié)果接近。負(fù)壓20kPa條件下的模擬波長(zhǎng)相比于實(shí)驗(yàn)值誤差較大,這可能是因?yàn)閷?shí)驗(yàn)用的粉狀乳化炸藥的JWL參數(shù)未知,本研究采用的是材料庫(kù)自帶的ANFO炸藥的JWL參數(shù),難免會(huì)造成誤差。但是由波狀面可以看出負(fù)壓條件下的波更大,變化趨勢(shì)與實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象相符。

圖9 碰撞速度—時(shí)間曲線Fig.9 Collision velocity—time curves

由圖9可知,輸出不同時(shí)間碰撞速度,得到100、60、20kPa條件下的碰撞速度分別為349.44、375.51、406.4m/s?？梢钥闯?等質(zhì)量的炸藥,隨著炸藥密度的增大,爆炸焊接的覆板碰撞速度逐漸增大。20kPa的碰撞速度比常壓條件下增大16.3%,這是因?yàn)檎ㄋ幟芏仍龃髸?huì)使炸藥的爆壓增大,使炸藥在軸向的作功能力提高。

為排除空氣稀疏波等對(duì)爆轟波可能造成的影響,進(jìn)行相同炸藥密度,不同環(huán)境初壓下的模擬。為簡(jiǎn)化表達(dá)影響的結(jié)果,直接以覆板為對(duì)象,計(jì)算得到圖10。

圖10 碰撞速度—時(shí)間曲線Fig.10 Collision velocity—time curves

由圖10可知,60kPa條件下碰撞速度和常壓條件下的曲線重合,20kPa條件下的碰撞速度僅比常壓條件下高0.26m/s,提高了約0.07%,在宏觀界面上,這一變化不足以引起結(jié)合界面發(fā)生明顯改變。

碰撞瞬間的壓力會(huì)使材料發(fā)生熔化和塑性變形,從而達(dá)到焊接的目的。碰撞壓力—時(shí)間曲線可以反映碰撞瞬間的壓力變化,不同炸藥密度下的碰撞壓力如圖11所示。

圖11 不同密度下的碰撞壓力—時(shí)間曲線Fig.11 Collision pressure—time curves at different densities

由圖11可以看出,隨著碰撞速度的提高,碰撞壓力亦會(huì)提高,100、60、20kPa下的碰撞壓力分別為6.91、8.565、11.49,20kPa下的碰撞壓力比100kPa增加了66.3%。

圖12為豎直方向位移—時(shí)間關(guān)系曲線。

圖12 豎直方向位移—時(shí)間關(guān)系曲線Fig.12 Vertical displacement—time relationship

圖13 9號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置圖Fig.13 Location of No. 9 Monitoring Point

由圖12可以看出,負(fù)壓條件下的位移—時(shí)間關(guān)系曲線下降階段的斜率比常壓條件下更大,證明豎直方向上監(jiān)測(cè)點(diǎn)的速度更快,100、60、20kPa條件下的最大位移分別為6.1105、6.0914、6.0912mm,從監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位移—時(shí)間關(guān)系數(shù)據(jù)來(lái)看,20kPa在豎直方向的位移最大,除去間距6mm,還向下移動(dòng)了110.5μm,100kPa和60kPa條件下分別向Q235鋼內(nèi)嵌入了91.2μm和91.4μm,兩者差距不大,這可能與探測(cè)點(diǎn)的選取有關(guān),探測(cè)點(diǎn)并不一定在波狀面的最底部。以20kPa條件下為例,9號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)就位于波形中部。

模擬結(jié)果進(jìn)一步佐證了負(fù)壓條件下,炸藥密度的變化會(huì)對(duì)爆炸焊接產(chǎn)生影響。隨著環(huán)境壓力的降低,炸藥的密度會(huì)變大,進(jìn)而提高炸藥在軸向上的作功能力,為覆板提供更多的動(dòng)能。

3 結(jié) 論

(1)硅藻土敏化的粉狀乳化炸藥在負(fù)壓條件下裝藥密度變大,進(jìn)而導(dǎo)致炸藥的爆速和猛度較常壓條件下均有所提高。

(2)T2/Q235爆炸焊接復(fù)合板界面波隨著環(huán)境壓力的降低而增大,波高波長(zhǎng)比隨著環(huán)境壓力的降低而增大,結(jié)合面氧元素含量隨著環(huán)境壓力的降低而降低。

(3)數(shù)值模擬驗(yàn)證了炸藥密度的變化對(duì)爆炸焊接的影響:隨著炸藥密度的增大,結(jié)合面的碰撞速度和碰撞壓力均有所提高,導(dǎo)致結(jié)合面的界面波逐漸增大,與實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。

(4)不同壓力條件下炸藥密度的變化是導(dǎo)致T2/Q235爆炸焊接產(chǎn)生不同微觀界面的原因之一,負(fù)壓條件可以增大粉狀乳化炸藥的密度,在爆炸焊接時(shí)為覆板提供更高的動(dòng)能,進(jìn)而提高炸藥的能量利用率。