铜/钢爆炸焊接复合界面的显微组织及晶粒结构演化机理

采用光滑粒子仿真、先进表征和理论分析相结合的方法,对铜/钢复合材料爆炸焊接过程中的界面瞬态行为进行深入研究,并详细阐述其显微组织演化机制。根据仿真数据重构波形完整的演化过程,并揭示各种界面特征的形成机制。多尺度EBSD分析表明,界面附近区域呈多样性的晶粒结构,其演化机制主要受塑性流动、动态再结晶和凝固形核三个过程的控制。最后,通过纳米压痕实验建立晶粒结构与力学性能之间的关系。

负压条件对T2/Q235爆炸焊接复合板界面的影响

为了探究负压条件对T2/Q235爆炸焊接复合板界面的影响,选用硅藻土敏化的低爆速粉状乳化炸药作为焊接专用药,T2为覆板,Q235为基板分别在100、60、20kPa环境压力下进行爆炸焊接试验;采用金相分析等方法研究了复合界面的形貌特征和元素组分,采用数值模拟进一步揭示了负压爆炸焊接机理。结果表明,负压条件会增大粉状乳化炸药的装药密度,但爆速变化不大,20kPa条件下猛度比常压条件下提高8.4%;随着环境压力的降低,复合板界面波高和波长逐渐增大,20kPa条件下波高比常压下增加了49%,波长增加了23%;负压条件下T2/Q235结合面氧元素含量低于常压环境;数值模拟结果表明,T2/Q235界面波随着炸药的装药密度变大而增大,与实验结果一致。在爆炸焊接时密度为0.8g/cm^(3)(20kPa)比0.711g/cm^(3)(常压)炸药碰撞速度提高了16.3%,碰撞压力提高了66.3%。研究表明,负压相比于常压条件提高了爆炸焊接的炸药能量利用率。

Mg/Al真空爆炸焊接微观形貌及力学性能

镁合金和铝合金因具有较高的化学活性,在常规焊接方式下,其表面的氧化物会掺杂到焊接接头内,使得复合板的结合性能下降。为了提高Mg/Al复合板的结合强度,采用真空爆炸焊接法制备了Mg-AZ31B/Al-6061复合板,并与常规空气环境下制备的相同参数复合板进行了对比。通过光学显微镜、扫描电子显微镜、能谱仪以及万能试验机,对结合界面的微观形貌、元素分布和力学性能进行分析。结果表明:由于气体冲击波压力不同,真空环境下复合材料的界面形貌与空气环境下有很大区别;真空环境有效抑制了镁、铝2种金属氧化,在熔化区未检测到金属氧化物。此外,还观察到真空环境下试样的剪切强度和拉伸强度显著增大。因此,真空爆炸焊接对Mg/Al复合板性能的提升起到了重要作用,可以作为一种有效的金属焊接方法。

中间层对Ti/304不锈钢爆炸焊接的影响

为研究中间层对Ti/304不锈钢的影响,选用厚度0.5的304不锈钢作为中间层,利用ANSYS软件并结合光滑粒子动力学(SPH)分别模拟对Ti/304以及Ti/304/304复合板爆炸焊接进行数值模拟。结果表明:中间层对提高爆炸焊接的焊接质量起着重要作用。在爆炸焊接过程中添加中间层,可以减少过度熔化,扩大焊接窗口,减少界面间的大塑性变形。采用光滑粒子流体动力学(SPH)模拟方法对不同的焊接过程进行了模拟,得到了焊接界面形貌、温度、熔化和压力等信息。模拟结果被发现与实验结果相关性很好。

TA2/AZ31B/2024Al爆炸焊接复合板界面微观结构特征及其动态力学性能

运用平行法爆炸焊接工艺,开展了TA2/AZ31B/2024Al多层轻质金属板材爆炸焊接实验。通过扫描电镜、电子背散射衍射、分离式霍普金森压杆及三维轮廓扫描等测试技术,对多层爆炸焊接复合板界面微观结构特征、材料物相变化规律、复合板材动态力学性能及材料冲击断口特征开展了系统研究。研究结果表明:焊后多层轻质金属复合板的4个焊接界面均呈现出爆炸焊接特有的波形结构特征,结合界面处无明显缺陷,总体焊接质量良好。结合界面处晶粒发生细化并形成细晶区,1060Al过渡层内晶粒组织由于强塑性变形呈现典型的拉长层状晶粒特征,4个结合界面处均出现明显的变形织构与再结晶织构特征。沿X方向的试样最大动态抗压强度达605 MPa,分层断口界面三维形貌呈现近似水面波纹的独特结构特征。沿Z方向的试样最大动态抗压强度达390 MPa,断口界面三维形貌呈现明显的纤维状韧性断裂特征。

不同真空度条件下爆炸焊接引起的振动特性

为探究不同真空度条件下爆炸焊接引起的振动特性,在5kg TNT当量球形真空爆炸容器中开展铝钢爆炸焊接实验,使用Nubox-8016振动测试仪测试了0,-30,-60,-90 k Pa 4组真空度条件下爆炸焊接过程产生的振动信号,并对容器顶部和距容器中心3m地面处的振动信号进行了时域和频域的分析。结果表明:容器顶部和地面测点的振动速度峰值均随容器内真空压力的升高而逐渐降低,容器结构的频率分布特征与爆炸载荷的大小没有明显关系,由爆炸容器内外气压差产生的预应力对容器结构的影响可以忽略不计。

铝/不锈钢双金属管爆炸焊接数值模拟

以铝/不锈钢金属管为研究对象,利用ANSYS/LS-DYNA有限元软件结合SPH-FEM耦合法和拉格朗日法对其爆炸焊接过程进行了数值模拟。研究了炸药爆速对复合管结合质量的影响。结果表明:炸药爆速对基复管的塑性变形和复管碰撞速度影响较大,塑性变形和复管碰撞速度过小或过大均不能实现良好结合;在炸药爆速为1 950~2 150 m/s左右时,基复管结合质量较好,这与试验所得结论一致;拉格朗日法的前期建模较为简洁,模拟过程中SPH-FEM耦合法耗时较多;拉格朗日法所测得的碰撞速度与理论计算值误差较大,且SPH-FEM耦合算法能较好地处理高速爆炸冲击问题。

轧制对爆炸焊接TA1/5052与TA1/1060/5052复合板组织与性能的影响

利用爆炸焊接的方法制备纯钛TA1与5052铝合金复合的TA1/5052复合板,以及加入中间层纯铝1060的TA1/1060/5052复合板,研究轧制对爆炸焊接态TA1/5052与TA1/1060/5052复合板组织与性能的影响,以及加入中间层对复合板界面的影响。结果表明:爆炸焊接态的TA1/5052与TA1/1060/5052复合板界面结合良好,在退火后其界面的组织主要为α-Ti、α-Al以及钛铝金属间化合物TiAl3;复合板硬度较钛、铝原始板材有较大的提升,同时具有良好的拉伸与弯曲性能,并且在力学性能测试过程中不发生分层。轧制后,由于轧制下压力的作用,导致复合板扩散层厚度下降,微观组织发生变化,界面附近的晶粒被挤压变形,并在进料过程中被逐渐拉长,呈现出纤维状组织,且轧制过程中产生强烈的加工硬化,导致复合板的抗拉强度与显微硬度增加。加入中间层可以明显改善复合板的界面形貌,抑制界面处Ti/Al金属间化合物的形成。

316L不锈钢/CK22碳钢爆炸焊接管的数值模拟

为研究不同炸药量对爆炸焊接不锈钢316L/碳钢CK22复合管的影响,采用ANSYS/LS-DYNA软件结合ALE流固耦合算法对不同炸药内径下复合管的爆炸焊接过程进行数值模拟,建立316L/CK22双金属管可焊接窗口,利用后处理软件LS-PrePost导出焊接过程中碰撞压力、塑性变形、碰撞速度等动态参数。结果表明:炸药厚度小于0.505 cm时碰撞速度在可焊接窗口外,在复合时发生回弹焊接失败,药厚大于0.505 cm时均能较好复合,模拟与实验吻合,证明焊接窗口对爆炸焊接实验的较好指导意义;模拟碰撞速度与理论值误差在3.2%~9.5%,证明数值模拟爆炸焊接复合管的可靠性。

铝中间层对TA2/5083爆炸焊接影响的数值模拟

为研究添加中间层对TA2/5083爆炸焊接的影响,分别选取0.3 mm和0.5 mm厚度的1060铝中间层,利用ANSYS/LS-DYNA软件结合ALE算法建立三维数值模型,分别模拟出添加0.3 mm和0.5 mm厚度1060铝中间层的焊接过程,与直接爆炸焊接TA2和5083复合板进行对比。模拟结果表明:选择适当厚度的1060铝中间层,能有效减少基板所受碰撞压力,让爆炸焊接过程更加平稳;结合建立的爆炸复合窗口,添加中间层能大大扩展可焊接窗口,减小碰撞速度,模拟结果更加接近理论碰撞速度,使复板以更佳的飞行速度与基板结合;0.3 mm厚度中间层复合板的焊接质量高于0.5 mm厚度中间层高于无中间层的,模拟与实验吻合较好,添加合适厚度的中间层1060能大程度提高TA2/5083复合质量。

TA2/1060铝双金属管爆炸焊接数值模拟

目的为探究炸药爆速对复合管结合质量的影响,以及SPH-FEM法和拉格朗日法对爆炸焊接数值模拟的差异。方法利用ANSYS/LS-DYNA软件,建立钛/铝双金属管爆炸焊接模型,分别采用SPH-FEM耦合法和拉格朗日法对不同爆速下的TA2/1060铝双金属管进行爆炸焊接数值模拟。结果结合复管的最佳碰撞速度、碰撞压力和基复管的塑性变形情况可知,要获得结合质量较好的复合管,炸药爆速应设置在1950~2150m/s;SPH-FEM法计算的特征单元碰撞速度与理论值误差分别为0.78%、1.2%和1.4%,由拉格朗日算法计算的特征单元碰撞速度与理论速度之间误差分别为5.4%、5.8%和2.7%。结论塑性变形和复管碰撞速度过小或过大均不能实现良好结合;钛/铝双金属管爆炸焊接的最佳炸药爆速范围为1950~2150m/s;拉格朗日法的前期建模较为简洁,模拟过程中SPH-FEM法耗时较多但该方法对动态参数模拟的精确度较高。

基于不同算法的Ti/SS316爆炸焊接数值模拟研究

目的研究不同基复板间隙对爆炸焊接质量的影响,对钛(Ti)/不锈钢(SS316)的爆炸焊接过程进行数值模拟研究。方法利用ANSYS/LS-DYNA有限元软件,结合光滑粒子流体动力学-有限元耦合法(SPH-FEM耦合算法)和拉格朗日-欧拉耦合法(ALE算法),对钛(Ti)/不锈钢(SS316)爆炸焊接过程进行三维数值模拟,通过不同算法得到不同基复板间隙下的碰撞速度、碰撞压力及碰撞角,并将模拟结果与试验及理论计算结果进行对比。结果当间隙为5、10、15 mm时,SPH-FEM耦合算法和ALE算法的复板碰撞速度均落在爆炸焊接窗口内,表明纯钛(Ti)和不锈钢(SS316)均能成功实现焊接,没有脱落与鼓包。与SPH-FEM耦合算法相比,ALE算法下的碰撞速度、碰撞压力和碰撞角的模拟结果和理论计算结果更加吻合,可信度更高。结论ALE算法的模拟结果与试验结果吻合,且与理论计算结果的误差更小,表明ALE算法用于纯钛(Ti)和不锈钢(SS316)爆炸焊接是有效的。

铝过渡层对钛/铝爆炸焊接影响的数值模拟

目的研究中间过渡层对爆炸焊接质量的影响。方法利用ANSYSLS-DYNA有限元软件结合SPH方法分别对TA2/5083Al和TA2/1060Al/5083Al爆炸焊接过程进行数值模拟研究,对复板的碰撞速度、竖向位移、碰撞压力、碰撞角进行了研究。结果在有过渡层复合板上,特征单元A、B、C的碰撞速度分别为431、440、451m/s,在无过渡层复合板上,特征单元A、B、C的碰撞速度分别为541、552、563m/s;在相同特征单元下,有过渡层的最大碰撞压力为5.1GPa,无过渡层的碰撞压力为6.8GPa。添加过渡层后,碰撞速度、碰撞压力更小。碰撞点处特征单元数值模拟出的碰撞角分别为11.10°、14.40°,对应的理论计算碰撞角分别为11.30°、14.21°,误差幅度在1.32%~1.80%。结论在基复板之间添加过渡层铝,可以使复板产生多次碰撞进而划分总动能,从而达到减小动能的目的;可有效减小基复板的碰撞速度和碰撞压力,使基复板结合得更加牢固和平稳,使爆炸焊接质量更好,且碰撞角的数值模拟结果与理论计算结果基本吻合,证明理论计算公式具有一定的准确性。

炸药层厚度对爆炸焊接质量影响的数值模拟

为了探究炸药层厚度对爆炸焊接质量的影响,选取SUS304不锈钢为复板,低碳合金钢Q345R为基板,采用ANSYS有限元软件和LS-DYNA软件相结合,通过SPH-FEM(光滑粒子流体动力学-有限元法)耦合算法对不同炸药层厚度的爆炸焊接过程进行数值模拟,设置了3组不同的对照组,炸药的厚度分别为15 mm、20 mm、28 mm,对试验模型的速度、压力、波形变化进行对比分析,并通过计算建立了爆炸焊接窗口。在其他情况一定的情况下,随着炸药层厚度的增加,界面波形的波长和波幅也会增加,焊接质量越好。

含夹层钛/铝爆炸焊接复合材料的界面特征及力学性能

通过爆炸焊接技术制备了含夹层的TC1/AA1060/AA6061复合材料,并对界面形貌和界面元素分布进行了研究。通过电子背散射衍射方法研究界面晶粒分布,并通过数值模拟得到的界面温度来解释晶粒分布。通过力学性能试验得到复合材料的拉伸和剪切力学性能。界面微观组织结构和力学性能的测试结果表明:TC1/AA1060/AA6061复合材料具有较好的焊接质量。两个界面形貌与数值模拟结果一致,数值模拟得到的界面温度可以解释界面和涡旋区域的晶粒分布。元素在TC1/AA1060界面的扩散宽度为12.3μm,未检测到金属间化合物。在两个涡流区只检测到Al和O元素。此外,还在界面附近不同区域进行了纳米压痕试验,TC1/AA1060界面的纳米硬度介于两侧材料之间,而AA1060/AA6061界面的纳米硬度小于两侧材料。

钢纤维增强钢铝复合板爆炸焊接结合界面研究

为探究正交分布钢纤维增强钢铝复合板爆轰参数对焊接质量的影响,采用光滑粒子动力学方法(SPH)研究了钢纤维的加入对爆炸焊接窗口下限的影响,并再现了爆炸焊接金属间化合物出现且被阻挡的过程。根据模拟结果进行了爆炸焊接试验,并通过金相分析对焊接质量进行了验证。结果表明:钢纤维的加入使得所需爆炸速度提高14%,爆炸焊接窗口下限提高1.2°;射流粒子被钢纤维阻止持续作用于基板和覆板表面,导致大量的高温射流粒子积聚在纤维单侧,促使钢纤维单侧形成了高温高压高应变率的环境并产生缺陷,形成了脆性金属间化合物,从而出现裂纹、孔洞和气孔等缺陷,其中试验结果与模拟的粒子分布密度相吻合;金相分析表明钢纤维增强钢铝复合板界面存在明显的小波纹状,整体焊接质量良好。

爆炸焊接基复板间距上限法则的数值模拟研究

为研究基复板上限间距对爆炸焊接质量的影响,以厚度为2 mm的304不锈钢和厚度为10 mm的Q235B钢分别作为复板和基板,利用ANSYS/LS-DYNA软件,结合SPH-FEM耦合算法,对爆炸焊接基复板上限间距试验进行三维和二维数值模拟,并对四组试验的位移变化、速度变化、碰撞角以及界面波形进行对比分析。通过二维数值模拟和仿真试验,结果表明:1)模拟结果和试验结果基本相符,上限间距和下限装药组合得到了良好的复合界面波形,复合板界面呈小波状结合,且界面波形与试验金相组织形貌结果较为吻合。2)上限间距能使复板经充分加速后与基板更好地结合,下限装药能充分利用炸药的能量,两者组合不仅可以获得优质的焊接界面,而且可以降低炸药用量。

爆炸焊接制备铝-钛复合板工艺研究

开发了1060铝/TA2钛直接爆炸复合新工艺,研究装药量、间隙距离和垫板等参数对复合效果的影响。结果表明:装药量和布药方式对铝-钛板复合强度有明显影响,结合面剪切强度随装药量增多而先增加后降低,分析对比后确定了装药量、间隙距离和垫板形式;爆炸焊接时对6种工艺参数制备的铝-钛复合板结合性能进行分析对比,确定了适宜的焊接参数,进一步优化垫板缓冲层和阶梯布药方式,生产的大规格铝-钛复合板有效区结合率达到100%,批量生产合格,复合质量和结合强度优良,掌握了大规格铝钛直接爆炸复合的工艺技术。

1060铝过渡层对钛/铝爆炸焊接影响的数值模拟

为了研究过渡层(1060Al)对于钛/铝复合板爆炸焊接的影响,以爆炸焊接理论为基础,在ANSYS/LS-DYNA软件中分别对TA2/5083Al与TA2/1060Al/5083Al(0.3/0.5 mm过渡层)复合板爆炸焊接进行数值仿真,并对比两组模型的位移变化、速度变化、压力变化。研究表明,在1.4 cm布药厚度情况下,在TA2与5083之间设置1060Al,可以使碰撞速度和碰撞压力的峰值得到显著下降,使基复板更加平稳地结合,获得较好的爆炸焊接复合板。

空气密度对铜(T2)/Q235爆炸焊接影响的数值模拟研究

为了研究不同空气密度对铜(T2)/Q235爆炸焊接的影响,选用T2作为复板,Q235为基板,采用ANSYS/LS-DYNA有限元软件并结合任意拉格朗日欧拉耦合法(ALE算法),对三种不同空气密度下的铜(T2)/Q235爆炸焊接进行三维数值模拟。对模拟结果的碰撞速度、碰撞压力和竖向位移等动态参数进行对比分析,结果表明在三种空气密度下,特征单元的碰撞速度、碰撞压力和竖向位移的变化趋势几乎一致。说明空气密度在一定范围内变化对爆炸焊接动态参数的影响非常小,可以忽略不计。