大面积钛／钢复合板爆炸焊接过程的数值模拟

第37卷第2期南京理工大学学报V01．37N o．2爆炸焊接参数对钛钢复合板界面波的影响王小绪，何勇(南京理工大学机械工程学院，江苏南京210094)摘要：为了研究爆炸焊接参数对界面波的影响，该文采用小倾角法对杉钢进行爆炸焊接，得到了不同碰撞速度和碰撞角下连续变化的界面波。

通过金相显微观察测量了不同位置界面波的波长和波高。

采用光滑粒子动力学无网格方法对小倾角法爆炸焊接过程进行了数值模拟，计算出不同位置的碰撞速度、碰撞角、比压强。

研究表明，碰撞速度和碰撞角是影响界面波形的关键参数，当碰撞速度为648m／s，碰撞角为16．1。

时，界面波开始生成。

随着碰撞速度和碰撞角的增加，界面波波长和波高逐渐增加，比波长先减小后增加。

关键词：爆炸焊接；界面波；碰撞速度；碰撞角；光滑粒子动力学法中图分类号：0389文章编号：1005—9830(2013)02-0215-04I nf l uenc e of par am e t er s of expl osi ve w el di ng on i nt er faci al w avesof T i／s t ee l com pos i t e pl at eW a ng X i aoxu，H e Y ong(School of M ec ha ni c al E ngi neeri ng，N U ST，N anj i ng210094，C hi na)A bs t r a ct：I n or der t o st udy t he i nf l uenc e of expl osi v e w el di ng pa r am e t er s o n t he i nt erf aci al w aves，t he expl osi v e w el di ng expe r i m ent w i t h sm al l i ncl i nat i on i s pe r f or m ed，and i nt erf aci al w aves a r e obt ai ned under di f f erent i m pac t vel oci t i es and i m pac t angl es．T he w a v e l engt h and w a v e hei ght a r e m ea s ur ed by t he m or phol ogy of i nt erf aci al w a ves．T he expl osi v e w el di ng w i t h sm al l i ncl i nat i on i s nu—m er i cal l y si m ul a t ed us i ng s m oot hed par t i ol e hydr odynam i c s m et hod，a nd t hepa r am e t er sof t he i m pac tvel oci t y，t he i m pac t angl e and t he s peci f i c pr es s ur e a r e cal cu l at ed．T he r es ul t s s howt hat t he i m pac tvel oci t y and i m pac t angl e a r e t he key pa r a m e t e r af f ect i ng i nt erf aci al w aves．W hen t he i m pac t vel oci t yi s648m／s and t he i m pac t angl e i s16．1。

爆炸焊接和金属复合材料爆炸焊接是用炸药作能源进行金属间焊接的一门新兴的边缘学科和很有实用价值的高新技术。

它的最大特点是在一瞬间能够将相同的、特别是不同的和任意的金属组合简单、迅速和强固地焊接在一起。

它的最大用途是制造大面积的各种组合、各种形状、各种尺寸和各种用途的双金属及多金属复合材料。

本文综述爆炸焊接的过程和本质、特点和应用，以及发展前景。

1 爆炸焊接的过程和本质以爆炸复合板为例，爆炸焊接的过程能够这样地来描述：如图1所示，置于地面之上的两块金属板（例如钛板和钢板）以一定的间隙距离支撑起来，当均匀布放在复板上面的炸药被雷管引爆之后，爆轰波和爆炸产物的能量便在其上传播并将一部分传递给它，使复板向下运动并加速，随后高速向基板倾斜撞击。

借助该撞击过程将复板高速运动的动能在撞击面上转变成金属之间的焊接能，使它们强固地焊接在一起。

1 雷管，2 炸药，3 复板，4 基板，5 基础（地面），Vd 爆轰速度，1/4Vd 爆炸产物速度，Vp 复板下落速度，Vcp 碰撞点S的移动速度、即焊接速度由于复板和基板在高压、高速、高温和瞬时下倾斜撞击，在它们的接触面上将发生许多的物理和化学过程、即冶金过程，例如界面两侧一簿层金属的塑性变形、熔化和原子间的扩散等。

不同的金属材料就是在这些冶金过程中实现冶金结合的。

爆炸焊接的焊接过渡区——结合区还具有波形特征（图2）。

不同的金属组合在不同的工艺条件下它们的波形形状和波形参数也不同。

据分析和研究，这种波形与在金属中和界面上波动传播的爆炸载荷密切相关，并且是爆炸焊接过程中能量转换和金属间结合的基础。

图2 一些爆炸焊接双金属结合区的波形形貌（均缩小1倍）如上所述，爆炸焊接结合区具有金属的塑性变形、熔化和扩散的特征。

在常规的焊接工艺中，这些特征分别为单一的压力焊、单一的熔化焊和单一的扩散焊所特有。

这就是说，爆炸焊的机理“综合”或称“融合”了压力焊、熔化焊和扩散焊三种机理。

由此能够推论爆炸焊是压力焊、熔化焊和扩散焊的“三位一体”的一种焊接新技术。

钛钢复合板焊接有限元模拟研究进展汪强;郭润元;曾良;程逞;杨军【摘要】为了深入分析钛钢复合板不同焊接方式下焊接过程的残余应力变化，以有限元数值模拟在钛钢复合板焊接方面的研究现状为基础，结合目前钛钢复合板焊接中的常用方法及工艺特点，分析了钛钢复合板焊接过程有限元模拟的研究进展和发展趋势，分析认为，后期钛钢复合板焊接有限元模拟研究应考虑将实际熔焊工艺中的组合焊纳入研究范畴，并开展不同组合坡口下的多层多道焊接过程模拟，从而得到更为合理的焊接参数。

%In order to deeply analyze the residual stress variation of titanium steel clad plate under different welding method in welding process, based on current research status of finite element numerical simulation in the aspect of titanium steel clad plate welding, combined with the commonly used methods and process characteristics of titanium steel clad plate welding, it analyzed the research progress and development status of finite element numerical simulation. The results indicated that the combination welding in actual welding process should be brought into finite element simulation research of titanium steel composite plate welding. Meanwhile, the simulation process of multilayer and multi-pass welding under different combination groove should be conducted to get more reasonable welding parameters.【期刊名称】《焊管》【年(卷),期】2016(039)008【总页数】4页(P54-57)【关键词】钛钢复合板;焊接;有限元模拟;熔焊【作者】汪强;郭润元;曾良;程逞;杨军【作者单位】国家石油天然气管材工程技术研究中心，陕西宝鸡 721008; 宝鸡石油钢管有限责任公司钢管研究院，陕西宝鸡 721008;西安理工大学自动化与信息工程学院，西安 710048;宝鸡石油钢管有限责任公司输送管公司，陕西宝鸡721008;国家石油天然气管材工程技术研究中心，陕西宝鸡 721008; 宝鸡石油钢管有限责任公司钢管研究院，陕西宝鸡 721008;国家石油天然气管材工程技术研究中心，陕西宝鸡 721008; 宝鸡石油钢管有限责任公司钢管研究院，陕西宝鸡721008【正文语种】中文【中图分类】TG457.19随着油气开采难度的不断加大，油田对管材的特殊性能要求也越来越苛刻，尤其对管材的耐蚀性和力学性能提出了较高的要求。

不锈钢/低合金钢复合板爆炸焊的数值模拟研究爆炸焊是一种利用炸药爆炸释放的能量,将两种或多种不同材料的金属焊合在一起的工艺方法。

通过在基板表面复合上一层或多层不锈钢或钛、钽等贵金属,能够制备出一种具有优异的耐蚀、耐磨、耐热等综合性能的复合板材料。

揭示爆复合板炸焊接动态过程的机理及相关规律,对于制定正确的爆炸焊工艺和参数,获得高质量的复合板材料是至关重要的。

本文借助LS-DYNA软件中的光滑粒子流体动力学(SPH)方法,对不锈钢／低合金钢复合板爆炸焊过程开展数值模拟研究,并对321/Q345爆料焊复合板的界面结合形态和微观组织进行了分析研究。

所得主要结果如下：(1)针对321/Q345复合板的爆炸焊工艺,应用SPH方法建立二维分析模型；对复合板爆炸焊过程进行了数值模拟,模拟得出了两种材料结合面上界面波的形成过程及射流粒子的运动轨迹,并对结合面处特征位置上的压力、速度、等效应变随时间的变化规律进行了研究,结果表明：复合板爆炸焊过程可分为初始碰撞、界面紊乱、稳定结合三个阶段,界面波形成机理与Bahrani 的侵彻机理吻合较好,射流粒子来自复板和基板,可视为部分表层材料失效后的喷射行为。

(2)对不同炸药装药高度、炸药爆速、预置角、板间间距等工艺参数下的爆炸焊复合过程进行了数值模拟,研究了工艺参数对特征位置处压力、速度、等效应变的影响。

结果表明：随着装药高度的变化,界面波比波长的变动范围为0.27～0.34,当装药高度小于20mm时不产生界面波形；随着炸药爆速的增加,结合区材料的等效应变值随之减小。

当初始的预置角增加时,结合区等效应变增大,同时射流粒子数增多；预置角大于10。

时将造成复板出现撕裂的情况。

随着板间间距的增加,复板与基板复合时的位置错移增大。

(3)对321/Q345爆炸焊复合板的界面结合形态和微观组织进行了分析和研究。

结果表明：复合界面的形态主要呈现正弦波和平直面相结合的形式,结合区域具有压力焊与熔化焊相结合的特征：在波状结合区,不同材料分界面明显,出现纤维状组织,界面以压力焊形式结合,而在平直结合区,出现了绝热剪切带,剪切变形提供了界面熔化的主要热量,界面以熔化焊形式结合。

数值模拟在大面积厚复层钛钢复合板研制中的应用数值模拟在大面积厚复层钛钢复合板研制中的应用随着科技的不断发展，数值模拟技术在各个领域中的应用越来越广泛。

在大面积厚复层钛钢复合板研制中，数值模拟技术也发挥了重要的作用。

本文将从数值模拟技术的基本原理、大面积厚复层钛钢复合板的研制需求以及数值模拟在大面积厚复层钛钢复合板研制中的应用三个方面进行阐述。

一、数值模拟技术的基本原理数值模拟技术是指利用计算机对物理现象进行模拟和计算的一种方法。

其基本原理是将物理现象转化为数学模型，通过计算机程序对模型进行求解，得到物理现象的数值解。

数值模拟技术的优点在于可以快速、准确地得到物理现象的数值解，从而为科学研究和工程设计提供了有力的支持。

二、大面积厚复层钛钢复合板的研制需求大面积厚复层钛钢复合板是一种新型的复合材料，具有高强度、高刚度、轻质化等优点，被广泛应用于航空、航天、汽车等领域。

在大面积厚复层钛钢复合板的研制过程中，需要考虑多种因素，如复合板的结构设计、材料选择、制造工艺等。

其中，结构设计是复合板研制的关键环节，需要通过数值模拟技术对复合板的力学性能进行分析和优化。

三、数值模拟在大面积厚复层钛钢复合板研制中的应用数值模拟技术在大面积厚复层钛钢复合板研制中的应用主要包括以下几个方面：1. 结构设计优化通过数值模拟技术对复合板的结构进行优化，可以提高复合板的力学性能。

例如，可以通过有限元分析对复合板的应力分布进行计算，从而优化复合板的结构设计，提高其承载能力和抗弯刚度。

2. 材料选择数值模拟技术可以对不同材料的力学性能进行比较分析，从而选择最适合的材料。

例如，可以通过有限元分析对不同材料的弹性模量、屈服强度等力学性能进行计算，从而选择最适合的材料。

3. 制造工艺优化数值模拟技术可以对复合板的制造工艺进行优化，从而提高复合板的制造效率和质量。

例如，可以通过数值模拟技术对复合板的成型过程进行模拟，从而优化成型工艺，减少制造成本和缩短制造周期。

爆炸消除焊接残余应力的数值模拟爆炸消除焊接残余应力的数值模拟焊接残余应力是一个常见的问题。

在焊接过程中，高温物质的热膨胀和收缩会导致材料的形状发生变化，进而产生残余应力，这将会影响机械性能和耐用性。

而解决残余应力的方法之一就是爆炸消除技术。

本文将介绍通过数值模拟爆炸消除焊接残余应力的方法。

首先，我们需要建立一个三维的有限元模型。

这个模型应该和我们想要焊接的实际工件尽可能接近。

我们可以使用数值计算软件或者有限元分析软件来构建这个模型。

在建模的过程中，我们需要考虑焊接热源、导热、冷却和热膨胀等因素。

然后，我们需要确定爆炸消除技术的参数。

爆炸消除包括激波、爆炸和喷射等过程。

我们需要考虑爆炸药的种类、粒度和密度、爆炸药与工件之间的距离、爆炸的时间、爆炸的方向和强度等因素。

这些参数的确定需要基于实验和经验，并结合实际情况进行调整。

接下来，我们需要进行数值模拟。

我们将爆炸消除过程和焊接过程连接在一起进行模拟，同时考虑材料的耐热性，热膨胀系数以及变形发生的顺序等因素。

在数值模拟的过程中，我们需要对边界条件进行适当的设定，如限制边界和速度边界。

同时，我们还需要考虑计算时间和内存的限制，保证计算的收敛性和稳定性。

最后，我们需要对模型进行结果分析和数据处理。

我们可以通过结果图表来直观地展现残余应力的分布和变化情况，并进行相关数据的分析和处理。

我们还可以通过比较实验结果和数值模拟结果来验证模型的准确度和可靠性。

总之，数值模拟是一种有效的解决焊接残余应力问题的方法。

通过建立合适的模型，确定正确的参数和进行精确的计算和分析，我们可以更好地掌握焊接残余应力的变化规律，并采取有效的措施来解决这个问题。

对于焊接残余应力的数值模拟分析，我们需要进行相关数据分析，以确定残余应力分布的规律和变化趋势。

首先，我们需要收集和分析关于焊接材料的相关数据，如热膨胀系数、热导率、比热容、密度、杨氏模量和泊松比等。

这些参数对于确定焊接过程中热膨胀和冷却的效应非常重要，尤其是在数值模拟中。

双面爆炸焊接的数值模拟缪广红;李亮;江向阳;刘文震;李雪交;汪泉;余勇;沈兆武【期刊名称】《高压物理学报》【年(卷),期】2018(032)004【摘要】双面爆炸焊接一次起爆可同时焊接两组复合板,而且使炸药临界厚度显著降低,提高了炸药的能量利用率,解决了爆炸焊接现存的高噪低效问题.借助ANSYS/LS-DYNA动力学分析软件,运用光滑粒子流体动力学方法(SPH)与有限元(FEM)耦合算法,对双面爆炸焊接进行了三维数值模拟,并将模拟结果与实验结果和理论计算结果进行了对比.结果表明,数值模拟结果与实验结果较吻合,且与Deribas 的理论计算结果一致性较好,说明Deribas公式和SPH-FEM耦合方法对双面爆炸焊接具有较好的指导意义.【总页数】8页(P161-168)【作者】缪广红;李亮;江向阳;刘文震;李雪交;汪泉;余勇;沈兆武【作者单位】安徽理工大学力学与光电物理学院,安徽淮南232001;安徽理工大学力学与光电物理学院,安徽淮南232001;安徽理工大学力学与光电物理学院,安徽淮南232001;安徽理工大学力学与光电物理学院,安徽淮南232001;安徽理工大学化学工程学院,安徽淮南232001;安徽理工大学化学工程学院,安徽淮南232001;安徽建筑大学土木工程学院,安徽合肥230022;中国科学技术大学近代力学系,安徽合肥230027【正文语种】中文【中图分类】O389;TJ55【相关文献】1.不锈钢—碳钢单、双面复合板的爆炸焊接及性能研究 [J], 陆明;王耀华;王伟策;顾月兵;史长根;郑峰2.大面积 Inconel625薄壁双面肋加强板爆炸焊接研究 [J], 段绵俊;王耀华;魏玲;马锐;冉红3.爆炸焊接双面复合不锈钢管板的工艺研究 [J], 冷光荣;陶利明4.不锈钢/普碳钢双面爆炸复合的数值模拟 [J], 缪广红;艾九英;马雷鸣;李雪交;马宏昊;沈兆武5.爆炸焊接双面复合不锈钢管板的工艺研究与应用 [J], 冷光荣因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

不锈钢/钢复合板的爆炸焊接试验与数值模拟针对实际生产中在爆炸焊接窗口内取值时因为所取参数不同而导致生产的复合板结合强度差异较大这一现状,选取现代工业中复合板生产量最多的不锈钢／钢复合板作为研究对象,通过实验与分析并且结合数值仿真模拟,研究界面结合强度与界面波形的关系以及两者随工艺参数的变化规律,找到窗口内的最佳工艺参数,以提高爆炸焊接复合板质量以及生产效益。

主要工作及成果有如下几点：首先,根据理论公式编写了完整的计算爆炸焊接窗口与工艺条件的计算机程序,通过对计算得到的不锈钢/钢爆炸焊接窗口内的参数系统地取值,确定相应的工艺条件进行爆炸焊接实验。

其次,测试实验所制得复合板的力学性能,发现最佳装药量的选取方式与复板厚度有关。

当复板(SUS304)的厚度较薄(文中为3mm)时装药量取值应比理论计算最佳值偏高；当复板(SUS304)的厚度较厚(文中为6mm)时装药量取值应比理论计算下限值稍低。

在实际生产中,对于SUS304和Q345R的爆炸复合来说,当复板较薄(文中为3mm)时,如果优先考虑复合板结合质量,药厚的取值为30mm时效果很好,如果优先考虑生产成本,药厚取值可以为15mm,这样得到的复合板结合质量也符合标准要求；当复板较厚(文中为6mmm)时,药厚为25mm时能得到较好的结合强度。

再次,对复合板的结合界面进行金相分析,发现随着装药量的增加,波长和振幅也都会增加。

装药量一定时,不同的工艺得到的界面波形的波长和振幅随着复板与基板间距的增加而先增大然后减小。

界面的结合强度与波长和振幅先正相关,一定程度后负相关。

当界面波的波长相同时,振幅越小,界面的结合强度越高。

间距的取值对于结合界面的影响要远小于药量的取值,对于复板(SUS304)厚度为3mm的情况,间距为8mm是较好的取值,装药量的不同对于最佳间距取值影响不大。

最后,结合ANSYS/LS-DYNA进行数值模拟,得到了与现实比较符合的关于复板运动姿态,运动速度以及结合界面压力的计算结果,并且结合实验的分析发现飞行过程中复板的速度先增大后减小,在碰撞后速度仍然会有波动。