基于SPH法的爆炸焊接边界效应二维数值模拟

为了揭示造成爆炸焊接边界效应的机理,文中借助LS-DYNA软件,采用无网格的SPH法分别对复板厚度为2 mm、基板厚度为16 mm的Q235/Q235、TA2/Q235、304不锈钢/Q235复合板进行爆炸焊接边界效应的二维数值模拟. 观察不同组模拟过程中的复板飞行姿态,复板撕裂均发生在与基板碰撞之前. 当基板保持一致,炸药分别为乳化炸药与膨化铵油混合炸药,复板为TA2时均比复板为Q235钢以及304不锈钢的撕裂尺寸更大;当基板、复板均为Q235钢,乳化炸药条件下比膨化铵油混合炸药条件下复板的撕裂尺寸更大. 结果表明,在复板、炸药变化的情况下,爆炸焊接的边界效应依旧存在,只是产生的边界效应的严重程度有所不同;复板极限抗拉强度越低或炸药爆轰速度越高,边界效应现象越严重.     

炸药覆盖层对爆炸焊接影响的数值模拟

为探究炸药覆盖层厚度对爆炸焊接的影响,采用ANSYS/LS-DYNA软件并结合SPH-FEM耦合算法,对不同覆层厚度下的爆炸焊接试验进行三维数值模拟.文中采用厚度为20 mm的Q235钢和厚度为2.5 mm的304不锈钢作为基板和复板.根据相应的材料参数理论计算了焊接过程中的动态参数,并以此建立爆炸焊接窗口.仿真结果表明,与无覆盖层爆炸焊接相比,覆盖层厚度为15 mm、 30 mm和45 mm时冲击速度分别提高了39.3%, 58.1%和68.8%,碰撞压力分别增大了41.0%, 65.6%和80.6%.仿真结果与试验结果基本一致.利用SPH法进行二维数值模拟,得到了装配炸药覆盖层时复板与基板的复合界面.仿真结果表明,复合板在覆层厚度为15 mm时具有良好的波形复合界面,且界面波形与试验金相分析结果较为吻合.     

爆炸焊接最小作用量原理分析

最小作用量原理是自然界的一条基本法则,也是物理学的最后规律.通过爆炸焊接的理论分析、界面测试和生产实践发现,爆炸焊接过程也遵循物理学"最小作用量原理",即以最小的装药量获得最佳的焊接界面.在复板和基板发生非弹性碰撞直至结合这一力学过程中,其"作用量"可认为是"复板和基板的结合能量".为了使界面结合能量为最小,在选取爆炸焊接工艺参数时,需遵循"装药厚度下限法则"和"基复板间隙上限法则"等原则,并优选"最低临界爆炸速度炸药",即可实现爆炸焊接过程"最小作用量原理",从而使爆炸焊接界面状态达到最佳.     

爆炸焊接两板间距上限法则分析与试验

为了研究两板间距参数与装药厚度之间的关系及其对爆炸焊接界面质量的影响规律,通过分析复板在基复板间距内运动规律,建立与间距相关的复板运动模型,进而确立了复板运动速度与间距之间的变化规律,提出爆炸焊接两板间距参数应遵循上限法则. 根据该间距上限法则,对304/Q235B进行了四组爆炸焊接间距试验以及相应的微观界面测试. 结果表明,上限间距参数不仅能获得良好的焊接界面,而且由于能充分利用炸药的能量而使得所用的装药厚度降到最低.     

爆炸焊接复板的新保护材料——水玻璃

爆炸焊接是以炸药为能源的一种新型焊接方法。它的焊接过程如图1所示。简要地说,就是将两种被焊接的金属板按一定要求放置好,在上金属板(又称复板)的上表面铺一层炸药,复板在爆炸力的脉冲高压下,以每秒数百米的高速向下金属板(又称基板)运动,发生倾斜碰撞,产生喷射,使复板与基板之间的表面进一步洁净,与此同时,在高压下接触,达到焊接。通常,我们将大面积的焊接称为复合。     

基于δ函数的爆炸焊接界面应力场数值分析

以紫铜-低碳钢爆炸焊接复合板材为研究对象，采用等截面均匀梁模型，建立狄拉克δ函数的自由振型数学方程。模拟计算复合材料界面的应力场分布情况，得到了不同爆炸焊接参数下的界面应力场的数值大小及分布形式，发现了碰撞点应力场分布规律。结果表明：爆炸焊接在碰撞点处形成较为强大的冲击压力，相应地在碰撞点两侧出现了负压，为复板材料侵入基板提供了有利条件，该计算模型可以很好地解释波状界面的成形机理。同时实验结果与采用所建立数值模型的计算结果十分吻合，焊接试件界面波纹的质量受碰撞角β和炸药爆速υd的影响较大。通过选择合理的爆炸焊接参数，以适当的数值计算方法作为指导，就可以获得良好的爆炸焊接试件。     

金属爆炸焊接界面应力场数值计算分析

金属爆炸焊接材料的基、复板在炸药爆轰作用下产生的碰撞力是基、复板实现爆炸焊的关键条件.采用瑞利-里兹法计算模型,根据弹性力学的变分原理,将弹性力学问题表述为泛函驻值问题,使泛函驻值的条件对应于所解问题的基本方程和边界条件,从而推导出微分方程及对应的边界条件.计算碰撞点处的瞬时应力场,同时对不同的碰撞角和碰撞压力进行了模拟计算,发现了碰撞点处的应力场分布的基本规律.其应力场分布规律完全可以用于评价和指导实际的工程实践.     

304不锈钢/Q235钢的多层爆炸焊接

为解决传统爆炸焊接中能量利用率和工作效率较低的问题,提出了一种多层爆炸焊接新方法.以五层爆炸焊接为例,304不锈钢板和Q235钢板分别作为复板和基板,进行了多层爆炸焊接和传统单层爆炸焊接的对比试验,并对爆炸焊接窗口和复板碰撞速度进行了理论计算. 结果表明,与传统爆炸焊接技术相比,五层爆炸焊接中可节省炸药量63%,并且五层爆炸焊接技术通过一次爆炸作业可获得五块焊接板,有利于提高爆炸焊接作业的工作效率. 此外,得到了304不锈钢和Q235钢的爆炸焊接窗口并对结合质量进行了预测,试验和预测结果吻合良好.     

双立式爆炸焊接R-δ型可焊性窗口

针对双立式爆炸焊接新方法的爆轰驱动特点,通过研究双立式爆炸焊接条件下的焊接下限、焊接上限、临界起爆厚度、临界碰撞角和临界复板厚度等可焊性边界条件,构建了一种静态参数下的双立式爆炸焊接R-δ型可焊性窗口;该窗口综合反映了爆炸焊接中的复板特性和炸药特性两大焊接参数,所建立的铜、不锈钢、铝合金等材料的双立式爆炸焊接R-δ型可焊性窗口可直接运用于工程实践中;根据双立式爆炸焊接R-δ型可焊性窗口设置的15 mm超低药量试验下的304L/Q235b复合板实现了高质量的微小波状结合,说明该窗口可以作为确定双立式爆炸焊接工艺参数的依据.     

基于SPH-FEM算法的爆炸焊接界面参数及波形生长机理研究

使用SPH-FEM耦合算法对钛-钢、钢-不锈钢、铜-钢、钛-铝4种常见爆炸复合组合进行了数值模拟,理论分析了材料JC强度方程和SG强度方程的适用应变率范围。探讨了爆炸焊接静态参数基复板厚度和动态参数碰撞速度、动态弯折角对界面温度和压力的影响,借助数值模拟手段研究了界面波形形貌,漩涡和少量飞溅熔化块的生长机理。结果表明,随着复板厚度和碰撞速度的增加,界面温度、压力和波形尺寸明显增加,动态弯折角和基板厚度的改变并不能影响界面温度,界面波形生长遵循着“主逆次顺”运动规律。     

饼形大锻件成形时的尺寸变化关系

本文推导出了饼形大镦件成形时的尺寸变化关系式,可指导锻压工人正确控制饼形件的镦粗成形,也可做为工艺员减少饼形件余量及公差的依据,对节能节材很有意义。     

Study on numerical simulation of TA1-304 stainless steel explosive welding

In order to guide the explosive welding experiment of titanium-stainless steel, Three-dimensional numerical simulation of explosive welding, which select TA1 as flyer plate and 304 stainless steel as base plate, is carried out by using the LS-DYNA software and SPH-FEM coupling algorithm in the present study. The explosive welding window is calculated and established. It is found that the numerical simulation results are in good agreement with the experimental results. The displacement, velocity and pressure-time curves of characteristic elements show that the quality of explosive welding composites is superior. It is proved that SPH-FEM coupling algorithm is effective for explosive welding of TA1/304 stainless steel and can effectively guide the selection of explosive welding parameters.     

1Cr18Ni9Ti/20g爆炸焊接+轧制复合板的结合界面

用爆炸焊接窗口的下限获得的微小波状界面的爆炸焊接复合板，才能实现轧制，而大波状复合板本身存在一定的微观缺陷，在轧制时因分层而使轧制失效，对1Cr18Ni9Ti/20g爆炸焊接 轧制复合板结合界面的组织，强度和性能测试表明，热轧板结合界面的抗剪和分离强度虽比爆炸态略低，但伸长率，冲击韧度都大大提高，轧制复合板的耐蚀性能也没有降低。其各项性能指标都符合有关标准。     

采用自约束结构炸药的铜/钢爆炸焊接

为了提高爆炸能量的利用率,减少焊接药量,提出采用自约束结构炸药进行爆炸焊接。采用T2铜板和Q345钢板分别作为复板和基板,通过理论计算得到T2/Q345爆炸焊接窗口。采用双层蜂窝结构炸药作为自约束结构焊接炸药,对T2铜与Q345钢的爆炸焊接进行了试验研究。通过力学性能测试和显微组织观察,研究了T2/Q345复合板的结合性能。结果表明：与爆速为2505和3512 m·s^-1的单层炸药相比,T2/Q345复合板爆炸焊接采用的双层蜂窝结构炸药量分别减少了54.4%和31.4%;随着传播距离的增加,复合板的结合界面由直线结合向波状结合转变。复合板的抗拉剪切强度为237.0 MPa,满足T2/Q345复合板的结合强度要求。爆炸产生的硬化发生在结合界面附近,采用双层蜂窝结构炸药爆炸焊接得到的T2/Q345复合板具有良好的结合性能。     

爆炸焊接不等厚度布药工艺

通过对均匀布药工艺下爆炸焊接复合板的界面波形进行理论分析，提出不等厚度布药的新工艺。并通过不等厚度布药试验和界面测试分析，与均匀布药下界面分析相比较，验证了理论分析的正确性。此工艺进一步提高了爆炸复合板的整体结合质量，同时再次降低了焊接装药量，减小了对周围环境的不利影响。     

Ta—10W衬管与钢管段的爆炸复合

研究了Ｔａ－１０Ｗ全金衬管与ＣｒＮｉＭｏ钢管段的爆炸复合，观察了爆炸复合界面，讨论了装药量与管段变形量的关系。分析了爆炸复合对管段力学性能的影响，结果表明，取相同条件下平板复合炸药厚度的６０％左右作为圆内复工艺参数的方法是可行的，在装药质量比Ｒ＝０．８条件下，已将０．４ｍｍ厚Ｔａ－１０Ｗ合金衬管可靠地内复在ＣｒＮｉＭｏ钢管段内，结合界面是波状结合。     

X射线在炸药柱中衰减规律的试验研究

为了对武器进行X射线无损检测，必需掌握X射线在炸药中的衰减规律。通过试验测定，利用线性回归方法对不同情况下测得的X射线在某炸药中的穿透率进行拟合，分析拟合结果得出X射线在某炸药中的衰减规律。研究结果表明，X射线在某炸药中的衰减是比较明显的，其衰减规律符合三次方程形式。     

爆炸焊接装药厚度可焊性窗口

通过X射线观测爆炸焊接复板的运动姿态,得出了爆轰载荷与复板的作用过程,从而提出了在爆炸焊接过程中"爆轰载荷产生的复板的最大弯矩必须大于复板材料在其动态屈服极限时的弯矩而小于其在动态抗拉极限时的弯矩,才能实现成功爆炸焊接"这一新观点,并由此得出了爆炸焊接装药厚度的上限和下限,此即为爆炸焊接装药厚度可焊性窗口.在此基础上,...