鋁中間層對TA2/5083爆炸焊接影響的數值模擬

繆廣紅,孫志皓,胡 昱,馬秋月,劉自偉,馬宏昊,沈兆武

(1.安徽理工大學 力學與光電物理學院, 安徽 淮南 232001;2.安徽理工大學 土木建筑學院, 安徽 淮南 232001;3.中國科學技術大學 中國科學院材料力學行為和設計重點試驗室, 合肥 230027)

0 引言

鈦/鋁的復合材料在我國航天和軍工事業方面用途極為廣泛,其既具有鈦的優良耐蝕性也具有鋁合金的導熱性好,質量輕等特性。因此,將鈦與鋁合金結合起來,充分利用這2種金屬的優點是非常有價值和有意義的。然而,鈦與鋁合金在冶金上不相容,在物理力學性能上存在顯著差異,難以實現組合。爆炸焊接利用巨大的爆轟能量來實現2種金屬之間的冶金結合,由于其工藝簡單且成本較低,被認為是制造雙金屬復合板的有效焊接技術。

由于爆炸焊接是一瞬間發生,人們對其過程的觀察有限。為提高人們對爆炸焊接過程的認識,采用數值模擬技術結合后處理軟件,可以導出全過程的焊接圖像,便于人們觀測復板飛行軌跡,導出速度,壓力云圖等,為研究爆炸焊接提供有效依據。Oberg等[1]最先采用數值模擬來分析爆炸焊接的過程,取得較好的效果,后各地學者紛紛采用數值模擬,對爆炸焊接過程的波形,射流等進行模擬。Ali Nassiri[2]等提出了ALE算法模擬Al6061-T6沖擊焊接,證明ALE算法能較好地模擬爆炸焊接過程,佟錚[3]等對爆炸雙金屬復合界面射流的形成以及界面波形進行仿真模擬,結果與試驗基本吻合;王宇新等[4]對復板的碰撞速度和碰撞壓力進行了理論計算,并采用MPM法對金屬爆炸焊接過程中的動態變形進行模擬仿真;王夢茵等[5]用SPH方法對雙金屬爆炸焊接進行模擬,觀測界面波形。

近年來,一些研究人員提出通過在復板和基板之間插入中間層來降低碰撞速度,并將這種中間層技術應用于其他一些組合中。如Saravanan[6]等采用3種不同的夾層(鋁5052、銅和不銹鋼304),通過爆炸焊接制造Al/Cu復合板。與直接焊接相比,粘接界面呈現波浪形或平面粘接形貌,沒有局部連續的熔化層,不銹鋼304中間層有助于達到最高的拉伸和剪切強度。通過在TA2復板和Al5083基板之間添加中間層1060,來提升鈦和鋁合金的結合強度,以文獻[7]中提出的實驗作為基礎,用ANSYS/LS-DYNA軟件對鈦/鋁合金爆炸焊接過程進行模擬,收集實驗中較難測得的數據,觀測TA2復板在不同參數下的飛行姿態。將模擬與實驗、理論計算對比,以討論中間層對鈦/鋁合金爆炸焊接的影響。為確保模擬的準確性,節省計算時間,選擇較為優越的ALE流固耦合算法。ALE是任意朗格朗日-歐拉算法,結合了Lagrange和Eulers算法的優點,避開其中的缺點。本研究中炸藥、空氣選擇ALE算法,基、復板采用Lagrange算法,兩者之間通過流固耦合相互作用。

1 計算模型與參數選取

1.1 計算模型

選鋁5083為基板,TA2為復板,以文獻[7]實驗提供的參數為基礎,建立如圖1所示2個3D模型,圖1(b)為對比模型無中間層,其余參數與模型圖1 (a)中的一致。為方便計算,基復板模型尺寸選取實驗1/4,空氣域尺寸12 cm×6 cm×4.045 cm包含整個爆炸焊接模型,炸藥尺寸為11 cm×5 cm×1.245 cm,復板尺寸為11 cm×5 cm×0.25 cm,基板11 cm×5 cm×1.4 cm,中間層尺寸為11 cm×5 cm×0.03 cm/0.05 cm,基、復板與中間層的間距分別為0.2、0.4 cm。選用密度為0.8 g/cm3,爆速為2 200 m/s的乳化炸藥,進行短邊中心起爆。考慮到模型具有對稱性,為提高計算效率,選取1/2模型進行計算,單位:cm-g-μs。

1.2 模擬的參數選擇

炸藥的計算采用高能燃燒模型和JWL狀態方程[8],如式(1)表示為

(1)

式(1)中:V為相對體積;E0為初始能密度;A、B、R1、R2、ω為實驗所測參數。乳化炸藥的具體JWL狀態參數可見表1所示。

表1 乳化炸藥JWL狀態參數

數值計算中,基、復板和中間層均采用Mie-Gruneisen狀態方程和Johnson-Cook本構模型[8],參數見表2所示。

表2 材料Johnson-Cook模型和Gruneisen狀態方程

2 建立爆炸焊接窗口

2.1 流動限(vc,min)

為保證金屬板在高速碰撞時產生射流,撞擊點要滿足的最小速度為vc。當復板碰撞時,如果撞擊點的移動速度小于vc,碰撞區附近壓力小于材料的屈服強度,不能產生射流,導致焊接失敗。因此,撞擊點移動速度vcp應該大于臨界撞擊點移動速度vc[9]。臨界撞擊點移動速度vc由Ezra公式[10]確定相關參數如表3。

(2)

式(2)中:vc,min是臨界碰撞速度;HV為維氏硬度;ρ為密度;Re為雷諾數。

表3 試驗參數

根據上述公式可計算出vc,min,由文獻[11]在平行法爆炸焊接時,碰撞點的速度等于炸藥的速度,故炸藥爆速要大于vc,min。

2.2 聲速限(vc,max)

為了保證射流形成,撞擊點的速度vc還必須保持在材料的體積聲速之內。不同材料進行爆炸復合時,撞擊點的速度vc要小于2種材料中體積聲速較小的值[11]

vc,max=min(cmin1,cmin2)

(3)

2.3 復板臨界飛行速度(vp,min)

爆炸焊接界面產生塑性變形和射流是爆炸焊接成功的前提,因此必須保證復板有足夠大的速度與基板發生碰撞,才能實現復板與基板的冶金結合。為了使基板和復板實現冶金結合,復板與基板最小的撞擊速度叫做爆炸焊接的下限,爆炸焊接下限vp,min可由以下經驗公式[12]求得

(4)

式(4)中:σb為材料的抗拉強度;ρ為材料的密度。

如果2種材料是同種材料,上式求得的vp,min就是實現復合所需要的最小撞擊速度;然而,如果是異種材料的復合,則vp,min需要使2種材料中較硬的材料產生塑性變形。異種材料爆炸焊接最小碰撞速度由以下步驟確定[12]:

1) 按式(4)分別計算2種材料產生射流所需的vp,min。

2) 由雨貢紐關系計算在速度vp,min下2種材料承受的壓力,即

(5)

式(5)中:ρ為2種材料各自的密度;up為由式(4)確定的基板和復板各自產生射流需要最小碰撞速度;c為材料的體積聲速。

3) 由式(5)計算得到2種材料在最小碰撞速度下的壓力分別pmin1和pmin2。

4) 碰撞發生后,要使2種材料都產生射流,碰撞點壓力必須超過式(5)中計算得到的較大壓力值,因此碰撞點處壓力p=max(pmin1,pmin2)。將p代入式(5)中,重新計算另一種金屬獲得此壓力需要的碰撞速度v0。v0與式(4)中確定的較大壓力值的速度之和就是可以實現爆炸復合所需要的最小復板速度。

2.4 復板極限速度(vp,max)

為了避免界面出現熔融現象,需要對復板和基板最大撞擊速度vp,max做出限制,可用以下經驗公式[13]確定

(6)

式(6)中:N為常數;Tm為材料熔點;Cp為復板比熱容;C0為材料聲速;κ為熱導率;ρ為材料密度;h為復板厚度。需要注意的是,公式中Tm、Cp、C0、κ的要選取基復板中易發生熔化,可由材料熔點與導溫系數的比值確定。

結合上述參數,計算得出3種板材之間的爆炸焊接窗口表4所示,建立窗口如圖2所示。

表4 爆炸焊接窗口

圖2 爆炸復合窗口示意圖

3 結果分析

3.1 碰撞壓力分析

利用LS-PrePost后處理軟件對模擬結果進行分析,導出在中間層影響下,焊接過程復板TA2的應力云圖(見圖3)。

圖3 不同時間點的碰撞壓力分布云圖

如圖3在1.5 μs時,復板受到炸藥爆轟作用,應力急劇增大,從碰撞點向外擴散,因為炸藥在前期爆轟不穩定,到達爆轟穩定需要一定時間,導致起始端速度較低,此時的壓力點并非作用在復板邊界,而是在復板邊界中心向內一定距離。復板如圖3所示姿態與中間層在15 μs時發生碰撞,此時復板表面出現第2個應力輪廓,復板與中間板同時向下運動,在18 μs時與基板發生碰撞,此時的應力峰值應力集中在碰撞點,即復板與中間層碰撞,復板中間層與基板的碰撞,后者應力遠大于前者,隨著碰撞點的移動,其余部分應力幾乎無明顯變化。

為了更好地了解中間層對碰撞壓力的影響,利用LS-PrePost后處理軟件導出3組模擬在同一時刻30.5 μs時的碰撞應力云圖,畫出此時基復板和中間層上碰撞點的壓力-時間曲線,如圖4所示。

由圖4可知,3組模擬仿真中,基復板和中間層的碰撞點的應力趨勢基本一致,圖4(b)、圖4(c)復板單元受到炸藥爆轟作用產生正向壓力,先與中間層碰撞,對比圖4(a)曲線,在達到最大峰值前,存在一個與中間層碰撞的曲線峰值。中間板先與復板發生碰撞,向下運動再與基板相撞,壓力曲線均符合爆炸復合過程中的力學特性。壓力峰值都在碰撞點附近,由于基復板材料的不同,壓力分布并不對稱。由圖4可知,直接焊接TA2/5083復合板最大壓力為5.56 GPa,0.3、0.5 mm中間層的壓力峰值為4.72、4.36 GPa,碰撞壓力分別減少了0.84、1.2 GPa。說明增加中間層能有效減少基板所受碰撞壓力,讓炸藥能量更加平穩的作用在基板上[14]。碰撞壓力雖有所減小,但仍遠大于復合材料的動態屈服強度,滿足射流的形成條件。

3.2 復板位移分析

復板的豎向位移變化情況,一直是仿真模擬判斷焊接質量的重要指標。為研究中間層對復板位移的影響。利用后處理軟件導出3組模擬的位移云圖,并分別選取一組特征單元,導出其位移-時間分布曲線,如圖5所示。

從圖5可以看出,在爆炸復合完成后,復板的豎向位移均大于基復板間距,均能獲得良好的復合效果。由于基復板在碰撞時,在界面發生互相滲透,也存在界面發生熔化現象的可能[15],復板單元位移略大于間隙,此外,由焊接模擬過程也可以看出,復板在爆炸沖擊作用下有一定減薄率,中間板1060鋁材質較軟,基板與中間板有明顯的延展變形。從無中間層的豎向云圖(a1)可以看出,在中間部分存在小范圍翹曲,復合質量較差,中間層1060的加入使TA2/5083板更加容易被復合,復板(b2)、(c2)上特征單元比無中間板(a2)的位移曲線更為穩定。

圖4 碰撞點應力分析圖

圖5 復板位移參數分析圖

3.3 碰撞速度和能量分析

爆炸焊接過程中,復板飛行速度是研究焊接質量的重要動態參數,復板的速度能反映出炸藥爆轟能量和基復板碰撞能量的大小。從3組仿真模擬中,選取同一位置的節點單元,導出其速度-時間曲線,如圖6所示。

采用A.A.Deribas[16]提出的復板運動公式計算出復板理論碰撞速度vp,與模擬碰撞速度比對;結合Hokamoto[17]與Saravanan[18]提出的能量計算公式,將模擬所得動態參數代入,分析中間層影響下的能量損失,計算結果如表5所示。

(7)

式(7)中:R為質量比;vd為炸藥爆速。

(8)

(9)

式(8)、式(9)中:mf、mi和mb分別表示復板、中間板和基板的質量;M表示復板和中間板的質量和;vp1表示第一次撞擊后的速度。

圖6 特征單元速度-時間曲線

表5 碰撞速度和能量的模擬與理論計算結果

由圖6可以看出,3組模擬速度趨勢大致相同,先急劇增大,達到峰值后又迅速減小,由于爆轟產物的變化不均勻,導致復板速度在后半段出現波動。在中間層的影響下,特征單元的速度曲線存在2個峰值vp1、vp2,速度峰值均小于直接復合的速度峰值。說明中間層是通過多次碰撞,來減小板間碰撞速度,使其更接近理想碰撞速度。說明添加中間層可以提高基復板的結合質量。從能量角度來看,增加碰撞次數,消耗一部分能量,使復板以最佳速度焊接。文獻[7]指出中間層的使用是通過多次碰撞劃分總動能的損失,從而解決直接焊接動能損失過大的問題,增加中間層1060厚度,可以發現動能在碰撞過程中損失較大,結合實驗[7]可知在結合界面存在融化塊、空隙和微裂縫等,導致結合強度較低,0.5 mm中間層厚度比0.3 mm中間層厚度結合質量較低,模擬與實驗結果一致。

3.4 塑性變形分析

爆炸焊接過程中,塑性變形的大小能較好反映板間的復合質量。如圖7分別是3組模型在33 μs時的塑性變形云圖。

由圖7可以看出,無中間層TA2復板和5083鋁合金基板的塑性變形大于有中間層2組的基復板的塑性變形。結合前文對碰撞壓力的分析可以得出,無中間層基復板碰撞壓力較大,在基復板間產生的塑性變形也較大。圖7(b)、(c)顯示添加的中間層1060在結合界面的塑性變形遠大于基復板的塑性變形,Findik等[19]認為界面產生巨大塑性變形是焊接良好的特征。0.3 mm厚度中間層塑性變形較大,復合質量比0.5 mm厚度中間層復合質量較好,與實驗結果一致。

圖7 塑性變形云圖

總之,加入中間層1060鋁能明顯提升TA2和5083鋁的復合質量,選擇不同厚度的中間層對復合質量也有非常大的影響。實驗[7]進行抗拉剪切實驗結果顯示,0.3 mm厚度中間層的抗拉剪切強度大于0.5 mm厚度大于無中間層的,模擬結果與實驗一致,均表明在間距為6 mm,TA2復板厚度為2.5 mm,基板5083鋁厚度為14 mm時,選取低爆速乳化炸藥密度為0.8 g/cm,爆速為2 200 m/s,添加厚度為0.3 mm的1060鋁中間層結合質量最高,效果最好。

4 結論

借助LS-DYNA軟件結合ALE流固耦合算法,研究添加中間層對TA2/5083的爆炸焊接質量的影響,對爆炸復合過程進行三維數值模擬,得出以下結論:

1) 模擬結果顯示,TA2/5083直接焊接界面最大碰撞壓力為5.56 GPa,添加0.3、0.5 mm中間層碰撞壓力分別減少了0.84、1.2 GPa。說明增加中間層能有效減少基板所受碰撞壓力,讓爆炸焊接過程更加平穩。

2) 添加中間層能擴大爆炸窗口范圍,減小碰撞速度,使模擬結果更加接近理論碰撞速度,讓復板以更佳的飛行速度與基板結合。

3) 不同厚度中間層對焊接質量有較大影響,選取0.3 mm厚度中間層復合板的焊接質量高于0.5 mm厚度中間層高于無中間層的,添加中間層并選取合適厚度能大程度提高TA2/5083復合質量,模擬與實驗結果一致。