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.     

321-15CrMoR爆炸焊接复合板结合界面区的显微组织分析

采用金相显微镜、扫描电镜、电子探针和显微硬度计,对爆炸焊接321-15CrMoR复合板结合界面进行了研究,探讨爆炸焊接过程的金属物理学机理.结果表明,界面呈波形;界面附近基体组织产生了剧烈的塑性变形;321一侧存在绝热剪切带(ASB),ASB在局部发展成为微裂纹,波峰存在一薄层"白亮带",ASB和"白亮带"均由细小等轴晶粒组成;界面附近原子存在短程扩散和熔化长程扩散现象;界面区显微硬度显著提高.这些特征保证了复板和基板之间的快速优质冶金结合.     

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.     

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.     

钛-钢-钛三层爆炸复合板的界面及性能研究

为了研究钛-钢-钛三层复合板的微观界面和力学性能,在对两次爆炸焊接的动能损耗进行计算的基础上,利用扫描电镜及能谱分析仪对两次爆炸焊接的界面进行了研究比较;对复合板进行了显微硬度测试、弯曲强度试验和剪切强度试验。结果表明:第二次爆炸焊接时的动能损耗更大,动能经过复板向基板传递,导致首次爆炸结合界面缺陷较明显,其熔化层和熔化块数量较多,体积较大;二次爆炸结合界面呈较好的波状结合。首次爆炸焊接界面处的显微硬度高于二次爆炸焊接界面,说明首次爆炸焊接界面的塑性变形更为严重;复合板在弯曲试验中未断裂和分离,抗弯性能良好;首次爆炸焊接界面处的结合强度低于二次爆炸焊接界面,但均满足复合板强度标准。     

AZ31B镁合金和2205不锈钢爆炸焊接研究

采用平行法进行爆炸焊接,制备了AZ31B镁合金/2205双相不锈钢复合板。根据经验公式选择爆炸焊接参数,爆炸焊接的装药质量比R为2.7,复板和基板的最小间隙为4.3 mm。试验结果表明,复板上表面除雷管区有微小裂纹外,其它位置平整无缺陷。除去复合板边界效应区,用超声波检测复合板的结合率为98.9%。镁/不锈钢复合板界面拉剪强度为105.63 MPa,拉剪断口呈波浪状,拉剪断裂界面沿镁材撕裂。复合板三点弯曲试验表明,AZ31B_内/2205_外比2205_内/AZ31B_外有更高的弯曲载荷承受能力。     

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.     

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,...     

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N6/45#复合板的数值模拟与实验分析

为降低使用成本,充分发挥镍材优异的耐腐蚀性能优势,选用厚度1 mm的纯镍N6作为复板、3 mm厚的中碳钢45#作为基板进行爆炸焊接试验。通过爆炸焊接窗口计算出了各动态参数,采用金相光学显微镜和扫描电镜对界面结合形貌和元素进行分析,通过拉剪试验测试复合板力学性能,并借助AUTODYN模拟了爆炸焊接过程。结果表明,爆炸点附近存在边界效应,沿着爆炸焊接方向结合界面由平直状转变为稳定的波状界面,界面附近元素扩散层厚度为20 μm,波状的扩散层增大了结合面积,有利于冶金结合,复合板剪切强度达到325.5 MPa。数值模拟结果表明,界面形貌与试验得到的界面形貌具有一致性。模拟结果表明特征点的速度和塑性变形程度与实验结果基本吻合。     

NEW ACHIEVEMENTS ON THE THEORY AND TECHNOLOGY OF EXPLOSIVE WELDING

There are four new achievements of this work on the theory and technology of explosive welding.(1) It has been found and defined three kinds of bonding interfaces: big wavy, small wavy and micro wavy, and the micro wavy interface is the best. In a cladding plate, it is for the first time to find that the form of interface presents regular distribution.(2) Although the interface has the features of melt, diffusion and pressure welding in the mean time, the seam and "hole" brought by the melt weaken the bonding strength of interface greatly, and the effect of melt on interface must be eliminated in explosive welding, so explosive welding is not a melt weld. The diffusion welding is a kind of form of pressure welding, and the diffusion is not the reason of the bonding of interface but the result of interface high pressure. So the diffusion welding cannot also explain the bonding mechanism of it. The experiment and theory make clear that explosive welding is a special pressure one.(3) To get good interface     

爆炸焊接界面的结合机理

爆炸焊接界面虽然同时具有熔化、扩散和压力焊的特征 ,但熔化所产生的缝隙和”空洞物”大大削弱了界面的结合强度 ,在爆炸焊接过程中 ,要尽量消除熔化的影响 ,因此本文否定了爆炸焊接传统的熔焊机理 ;而扩散焊是压力焊的一种形式 ,同时扩散也只是界面由于高压产生结合的结果 ,而不是界面结合的原因 ,所以也不宜用扩散焊接解释爆炸焊接界面的成因。试验和理论研究表明 ,爆炸焊接是一种特殊的压力焊。为了获得没有熔化的微小波状的良好界面 ,爆炸焊接装药参数应取焊接窗口的下限。     

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。     

异种金属爆炸焊接窗口分析与应用

爆炸焊接窗口是获得良好结合质量的重要方法，计算的理论模型和参数选择对结果至关重要. 从爆炸焊接参数出发，通过分析爆炸焊接窗口边界公式的发展历程、理论假设和参数选择，总结得到方便使用的窗口计算公式. 将其应用到钛/铝焊接中，分析了钛与不同牌号铝合金的焊接方式，预测了不同装药比时焊接界面的质量. 结果表明，随着铝合金硬度的升高，可焊窗口逐渐减小. 当焊接参数位于窗口中部时，界面成小波状，结合质量好；焊接参数接近窗口上限时，界面成大波状，存在大量微观缺陷.焊接窗口是重要的研究手段，能够较好的指导生产实践.     

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.     

基于自约束结构炸药的T2/Q345爆炸焊接及数值模拟

为提高炸药能量利用效率、降低能量耗散,利用自约束结构炸药进行爆炸焊接研究.以T2铜和Q345钢分别作为复层与基层,自约束结构炸药作为焊接炸药,借助ANSYS/AUTODYN软件模拟爆炸焊接过程,并进行T2/Q345爆炸焊接试验,对复合板试件进行拉剪性能检测和微观形貌观察分析其焊接质量.结果表明,T2/Q345爆炸焊接的碰撞速度距起爆端100 mm后均大于临界碰撞速度345 m/s,距起爆端150 mm处碰撞速度达到最大值567 m/s.T2/Q345复合板起爆端呈直线结合,并随着传爆距离增加变为波形结合.T2/Q345复合板远离起爆端的平均剪切强度为237.0 MPa,断裂位置位于铜一侧.试件被拉剪破坏后的铜层出现加工硬化现象,远离结合界面的显微硬度和塑性变形程度呈增强趋势.自约束结构炸药可降低自身爆炸产物飞散,使炸药能量更多地转化为复层动能,提高能量利用率.     

爆炸焊接制备大厚度Cu-Fe-Cu复合板

铜-铁复合板既有良好的延展性、导电和导热性,又有铁的铁磁性和铜的抗磁性,因此可广泛应用于电力、电子等行业。但铜和铁较差的相容性又使得两种金属难以用常规方法进行焊接。本文采用爆炸焊接方法进行了大厚度Cu-Fe-Cu复合板的制备。首先,采用爆炸焊接理论获得了可焊性窗口,确定了炸药爆速、装药厚度和间隙高度;随后,在数值模拟中同时使用SPH、Lagrange和Euler方法完整模拟了整个爆炸焊接过程,获得了复板的碰撞速度、结合界面温度和压力,验证了理论设计参数的有效性;最后,开展了爆炸焊接试验,成功制备了大厚度Cu-Fe-Cu复合板,分析了结合界面近区的硬度分布和界面结合强度,借助于试验和数值模拟结果讨论了界面波的形成过程。结果表明：数值模拟和试验得到的Fe-Cu结合界面的波形参数基本一致;铁和铜在结合面附近的硬度较母材分别增加了约34.2%和49.8%;第一和第二结合界面的剪切强度分别为212.7 MPa和225.3 MPa。