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基于刻槽结构的复合杆爆炸焊接数值模拟

焊接学报 2023年第8期44卷 41-48,I0005,I0006页

作者：周壮壮陈放北京理工大学爆炸科学与技术国家重点实验室北京100081

结合复合杆的结构特性,推导出考虑复管收缩产生塑性功影响的Gurney公式,并运用该公式对复管的碰撞速度进行计算,探究复管受冲击波驱动变形产生塑性功对碰撞速度的影响,并提出一种新型的刻槽式复管结构,通过该结构可以获得较好的焊接质量... 详细信息

结合复合杆的结构特性,推导出考虑复管收缩产生塑性功影响的Gurney公式,并运用该公式对复管的碰撞速度进行计算,探究复管受冲击波驱动变形产生塑性功对碰撞速度的影响,并提出一种新型的刻槽式复管结构,通过该结构可以获得较好的焊接质量.通过理论计算与有限元分析结果表明,普通圆管形钢管在基杆与复管间隙为3.5 mm时,炸药爆炸驱动复管获得的动能被塑性变形全部抵消,其碰撞速度为0,理论计算与仿真结果一致性较好;而在同等条件下,所设计的刻槽式复管结构仿真结果表明,其碰撞速度可以达到667.85 m/s,碰撞角度为13.877°,满足焊接下限碰撞速度要求.基于此,二维微观仿真分析结果表明,结合界面处呈现出周期性波纹,并产生大量射流,在结合界面处温度超过两种金属的熔化温度,结合界面质量较好.

关键词：爆炸焊接刻槽式复管数值模拟 SPH-FEM耦合算法

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钛箔/钢爆炸焊接的界面结合性能

焊接学报 2022年第4期43卷 81-85,I0008页

作者：毕志雄李雪交吴勇熊苏汪泉荣凯安徽理工大学淮南232001 安徽雷鸣科化股份有限公司淮北235000 广州工程设计研究所广州510000

为减小钛/钢爆炸焊接钛层的使用量,以低爆速乳化炸药作为焊接炸药,食盐作为传压层,成功实现厚度200μm TA1钛箔与Q235钢的爆炸焊接.通过金相显微镜、扫描电镜和能谱仪对界面微观形貌进行分析,利用万能试验机对复合板试件进行拉伸、弯曲... 详细信息

为减小钛/钢爆炸焊接钛层的使用量,以低爆速乳化炸药作为焊接炸药,食盐作为传压层,成功实现厚度200μm TA1钛箔与Q235钢的爆炸焊接.通过金相显微镜、扫描电镜和能谱仪对界面微观形貌进行分析,利用万能试验机对复合板试件进行拉伸、弯曲试验检测其结合性能.结果表明,钛箔/钢界面呈规则的波形,主要以熔化层结合,具有良好的结合质量.靠近界面金属产生强烈的塑性变形,钢侧晶粒呈流线状.波后的旋涡内包含熔化块,未观测到孔洞、裂隙等缺陷.根据Ti和Fe元素原子比例,熔化块成分主要为FeTi,Fe2Ti等金属间化合物.三点弯曲和拉伸试件的界面均未出现分离,复合板材界面具有良好的塑性变形能力和结合性能.拉伸试件断口两侧的钛层与钢层存在大小不一的韧窝,主要呈塑性断裂.

关键词：爆炸焊接传压层钛箔微观形貌结合性能

爆炸焊接波状界面的Richtmyer-meshkov失稳机理

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爆破 2023年第2期40卷 154-159,165页

作者：谢礼宏段卫东蒋培武汉科技大学武汉430081 中铁广州工程局集团有限公司武科大爆破技术研究中心武汉430081

目前对于爆炸焊接金属界面成波机理的模型只能对波状界面形成的某些方面给予定量或定性的描述,而不能全面地解释其中的所有现象。在对钛钢过渡层爆炸焊接研究时,通过扫描电镜观测钛/铜爆炸焊接波状界面,发现在放大2000倍时,钛铜之间并... 详细信息

目前对于爆炸焊接金属界面成波机理的模型只能对波状界面形成的某些方面给予定量或定性的描述,而不能全面地解释其中的所有现象。在对钛钢过渡层爆炸焊接研究时,通过扫描电镜观测钛/铜爆炸焊接波状界面,发现在放大2000倍时,钛铜之间并没有波状界面存在,而是“钛滴”在铜中形成了一个个“孤岛”状结合界面。当两板结合后的相对位移较大时,就会将界面波的波峰部分拉断,脱离原位形成“孤岛”。对爆炸焊接的理论分析以及实验研究表明,Richtmyer-Meshkov失稳机理可以更好地解释爆炸焊接波状界面的形成过程。爆炸焊接过程中,在碰撞点附近,爆炸焊接界面会出现一薄层熔化区,界面附近的材料处于准流体状态。当高压弹-塑性应力波到达时,就会引起界面的扰动,前面应力波引起的扰动在后续一系列应力波的作用下会进一步发展,形成典型的Richtmyer-Meshkov界面失稳。因此,Richtmyer-Meshkov失稳、冻结,是形成我们所观察到的爆炸焊接中各种类型的波状界面原因。

关键词：爆炸焊接界面波扫描电镜 Richtmyer-Meshkov失稳应力波

间距对321钢/1230铝双金属管爆炸焊接影响的数值模拟

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力学季刊 2023年第4期44卷 990-1000页

作者：缪广红马秋月周大鹏胡昱孙志皓刘自伟马宏昊沈兆武安徽理工大学力学与光电物理学院安徽淮南232001 安徽理工大学土木建筑学院安徽淮南232001 中煤科工集团淮北爆破技术研究院有限公司安徽淮北235000 中国科学技术大学中国科学院材料力学行为和设计重点试验室安徽合肥230027

以321钢/1230铝双金属管为研究对象,利用Ansys LS-DYNA有限元软件结合SPH(Smoothed Particle Hydrodynamics)法对其爆炸焊接过程进行了数值模拟.计算并建立了爆炸焊接窗口,对基复管的结合过程、界面压力和等效应力进行了分析.并研究了... 详细信息

以321钢/1230铝双金属管为研究对象,利用Ansys LS-DYNA有限元软件结合SPH(Smoothed Particle Hydrodynamics)法对其爆炸焊接过程进行了数值模拟.计算并建立了爆炸焊接窗口,对基复管的结合过程、界面压力和等效应力进行了分析.并研究了基复管间距对复管位移、碰撞速度和塑性变形的影响.结果表明:基复管间距对复管的塑性变形和碰撞速度影响较大,间距过小则会影响金属管的焊接质量,结合强度较低,这与实验所得结论一致.模拟所得复管碰撞速度与Gurney推广公式和Aziz公式计算的理论速度吻合较好.

关键词：爆炸焊接数值模拟间距 321钢/1230铝双金属管

退火温度对爆炸焊接银/钢复合板中银层组织与力学性能的影响

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金属热处理 2023年第8期48卷 154-160页

作者：朱磊魏艺斌西安天力金属复合材料股份有限公司陕西西安710200 国家地方联合工程研究中心陕西西安710200

采用爆炸焊接法制备了银/钢复合板,发现结合界面呈典型的爆炸态波纹形貌。在相同的保温时间下,研究不同温度退火对复合板界面银层的组织和显微硬度及界面的剪切强度的影响。结果表明,爆炸焊接产生的波纹状旋涡区内部存在着Ag、Fe混合物... 详细信息

采用爆炸焊接法制备了银/钢复合板,发现结合界面呈典型的爆炸态波纹形貌。在相同的保温时间下,研究不同温度退火对复合板界面银层的组织和显微硬度及界面的剪切强度的影响。结果表明,爆炸焊接产生的波纹状旋涡区内部存在着Ag、Fe混合物,在热处理降温过程中旋涡区内部产生温度梯度,使得银层晶粒在再结晶时呈现柱状晶的生长模式。随退火温度升高,Ag、Fe原子在旋涡区内部加剧扩散,导致温度梯度消失,银层晶粒向四周均匀长大。银层硬度在爆炸态达到最大值90 HV0.1左右,退火温度超过200℃后,银层硬度下降36%,并对退火温度敏感性降低,平均硬度始终在60 HV0.1左右。复合板的界面剪切强度在爆炸态达到最大的238 MPa,随退火温度升高,剪切强度降低,温度达到500℃后,剪切强度稳定在150 MPa左右,相比爆炸态强度下降37%。

关键词：爆炸焊接银/钢复合板热处理界面组织

爆炸焊接用ANPyO/乳化炸药的性能和应用研究

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爆炸焊接用ANPyO/乳化炸药的性能和应用研究

作者：李远园安徽理工大学

学位级别：硕士

由于化工产业、船舶设备、航空航天等行业对材料的防腐蚀性、耐磨损性、电化学性和力学性能等的要求越来越高,爆炸焊接作为一种将两种或多种异件固相金属结合的便捷高效的加工工艺,可以将金属材料在原子量级进行结合,获得具有综合力学... 详细信息

由于化工产业、船舶设备、航空航天等行业对材料的防腐蚀性、耐磨损性、电化学性和力学性能等的要求越来越高,爆炸焊接作为一种将两种或多种异件固相金属结合的便捷高效的加工工艺,可以将金属材料在原子量级进行结合,获得具有综合力学性能和电化学性能的金属复合材料,而广泛应用于工程装备与工业制造等领域中。爆炸焊接利用炸药爆炸产生的冲击波将金属材料相互结合,炸药主要为低爆速处理后的工业炸药。但是低爆速工业炸药作为爆炸焊接的核心驱动能源存在压力输出受限的问题,关于这一问题的研究比较少,高能炸药/乳化炸药混合含能体系是解决这一问题的有效途径。但仍然存在一定的问题,如向低爆速乳化药中添加RDX粉末,尽管提高了炸药的压力输出,但是RDX本身具有较高的感度,将其引入对操作安全性构成威胁。因此,寻找本质安全型的高能炸药是此途径的关键。本文选取具有高能钝感特征的2,6-二氨基-3,5-二硝基吡啶-1-氧化物(ANPyO)作为低爆速乳化炸药的含能药剂,制备出ANPyO/乳化炸药混合炸药,对其安全性能及释能效应进行了系统研究,并将其应用于T2紫铜/Q235普碳钢的爆炸焊接。实验结果表明:(1)ANPyO的含量与ANPyO/乳化炸药混合炸药的表观密度呈“线性”关系。ANPyO粉末作为高能量密度材料,将其引入乳化炸药中,使混合炸药的密度增大,呈“线性”递增趋势。(2)ANPyO的引入并未对ANPyO/乳化炸药混合炸药的爆速产生较大的影响。虽然ANPyO粉末的引入使混合炸药的爆速有一定的提升,但由于ANPyO粉末在整个炸药体系中的占比较少,对爆速的提升作用较小,爆速仍处于爆炸焊接最小作用原理的许可范围内,爆速整体保持在2650 m·s左右。(3)混合炸药的猛度得到提升。猛度从0.12至0.29,提升141.69%。随着ANPyO在混合炸药中占比增加,ANPyO对混合炸药猛度的提升越来越明显,增幅从8.33%提升至45%。(4)ANPyO对混合炸药的撞击安全性和摩擦安全性影响较小。通过对ANPyO/乳化炸药混合炸药和RDX/乳化炸药混合炸药的撞击摩擦感度进行对比,不论是撞击感度还是摩擦感度,RDX/乳化炸药混合炸药的爆炸概率均明显高于ANPyO/乳化炸药混合炸药,且ANPyO/乳化炸药混合炸药的爆炸概率均不高于10%,具有较好的安全性能。(5)ANPyO的引入有效提升复合体系的压力输出。峰值压力从27.27 k Pa至33.73 k Pa,提升23.69%;增压速率从1256.68 k Pa·s至2363.70 k Pa·s,提升88.09%。(6)ANPyO/乳化炸药混合炸药作为T2紫铜/Q235普碳钢爆炸焊接的核心能源,压力输出的提升赋予ANPyO/乳化炸药混合炸药优异的做功能力,使得在爆炸焊接过程中使T2紫铜/Q235普碳钢可以实现良好的复合。通过以上研究证明,ANPyO/乳化炸药混合炸药能够很好地平衡安全性与能量输出间的关系,对于爆炸焊接工艺的发展具有积极的推动作用。图[40]表[3]参[89]

关键词：乳化炸药 ANPyO 安全性能释能效应爆炸焊接

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TA2箔/Q235钢爆炸焊接数值模拟研究

兵器装备工程学报 2022年第8期43卷 296-303页

作者：胡昱缪广红艾九英祁俊翔马秋月孙志皓马宏昊沈兆武安徽理工大学土木建筑学院安徽淮南232001 安徽理工大学力学与光电物理学院安徽淮南232001 中国科学技术大学中国科学院材料力学行为和设计重点试验室合肥230027

选用厚度0.1 mm、0.2 mm、0.3 mm和0.4 mm的TA2箔复板,厚度20 mm的Q235钢基板,利用ANSYS/LS-DYNA软件并结合光滑粒子流体动力学理论对不同复板厚度下的爆炸焊接实验进行三维数值模拟。计算了焊接过程中的各动态参数并建立了爆炸焊接窗口... 详细信息

选用厚度0.1 mm、0.2 mm、0.3 mm和0.4 mm的TA2箔复板,厚度20 mm的Q235钢基板,利用ANSYS/LS-DYNA软件并结合光滑粒子流体动力学理论对不同复板厚度下的爆炸焊接实验进行三维数值模拟。计算了焊接过程中的各动态参数并建立了爆炸焊接窗口,使用纵向位移观察、特征点压力记录、碰撞速度测试等,对处于爆炸焊接窗口内不同位置的基复材料的结合质量进行分组对比,结论是爆炸焊接窗口能有效预测TA2箔爆炸焊接的结合质量。模拟结果中所得各动态参数与计算数据基本吻合,充分证明利用爆炸焊接在Q235钢上涂覆TA2箔具备可行性。

关键词： SPH-FEM耦合 ANSYS/LS-DYNA 金属箔爆炸焊接

爆炸焊接参数对钽/304不锈钢界面波形影响的数值模拟

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焊接 2022年第11期 9-13页

作者：缪广红艾九英胡昱祁俊翔马宏昊沈兆武安徽理工大学安徽淮南232001 中国科学技术大学中国科学院材料力学行为和设计重点试验室合肥230027

为了研究爆炸焊接参数对界面波形的影响,对钽/304不锈钢的爆炸焊接进行了二维数值模拟,模拟得到了不同碰撞角和碰撞速度的界面波。由输出模拟界面处波形图可观测到钢在爆轰过程中被拉长且在涡旋处强烈弯曲;测量波的波长以及波幅发现,当... 详细信息

为了研究爆炸焊接参数对界面波形的影响,对钽/304不锈钢的爆炸焊接进行了二维数值模拟,模拟得到了不同碰撞角和碰撞速度的界面波。由输出模拟界面处波形图可观测到钢在爆轰过程中被拉长且在涡旋处强烈弯曲;测量波的波长以及波幅发现,当碰撞速度一定时,比波长由小到大依次为碰撞角12.2°、碰撞角14.1°、碰撞角16.4°;碰撞角一定时,碰撞速度为633 m/s界面波长和波幅小于碰撞速度为735 m/s时的界面波长和波幅;速度水平方向的数值大小与波长数值的大小一致性较好,速度竖直方向的数值大小与波幅数值的大小一致性较好。结果表明,结合界面处和界面附近的钢侧均发现了明显的解理断裂特征;界面处比波长与碰撞角呈正相关;碰撞速度越大,界面波长和波幅也越大;速度水平方向的分量决定波长数值的大小,速度竖直方向的分量决定波幅数值的大小。

关键词：碰撞角爆炸焊接数值模拟波长和波幅

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爆炸焊接制备钢纤维增强钛铝复合板研究

爆炸焊接制备钢纤维增强钛铝复合板研究

作者：郭传祥中北大学

学位级别：硕士

纤维增强复合材料具有高比刚度、高比强度、耐疲劳等一系列优良特性,在航空航天以及装甲防护方面有着广阔的前景。而爆炸焊接作为焊接异种金属的手段,因其制备出的复合板结合界面良好而被广泛使用。本文采用爆炸焊接方法制备了钢纤维增... 详细信息

纤维增强复合材料具有高比刚度、高比强度、耐疲劳等一系列优良特性,在航空航天以及装甲防护方面有着广阔的前景。而爆炸焊接作为焊接异种金属的手段,因其制备出的复合板结合界面良好而被广泛使用。本文采用爆炸焊接方法制备了钢纤维增强铝-钛-铝复合板并介绍了复合板的制备过程,比较了数值模拟结果与实验结果,并对纤维增强复合板的抗拉伸性能做出评估,文中主要结论如下:(1)通过爆炸焊接窗口理论对爆炸焊接实验参数进行了分析与选取,根据系数修正后的结果计算出了复板与夹板,夹板与基板分别对应的爆炸焊接窗口,在两个窗口的公共部分选取了爆炸焊接合理参数。(2)采用光滑流体粒子动力学方法研究了钢纤维的加入对复合板结合界面的影响,揭示了复合板结合界面的演化机制:钢纤维的加入阻挡了射流粒子向前传播,致使钢纤维单侧积聚大量熔融的射流粒子,在高温高压大应变率的极端热力学条件下形成了熔融区域,射流产生后被阻挡再产生的过程贯穿了整个复合板的界面演化。虽然有熔融区的产生,但不影响复合板结合质量。(3)通过扫描电子显微镜(SEM)以及能谱仪(EDS)对加入钢纤维的复合板结合界面进行分析,结果表明数值模拟结果与实际实验结果高度吻合,钢纤维被包裹在板材与射流中,并且在纤维侧下方形成了熔融区域,熔融区域包含铝粒子为主的射流颗粒。两钢纤维中间区域的波形更加均匀、明显,且加入钢纤维后焊材间的元素过渡更为迅速。(4)对钢纤维增强复合板进行静态拉伸实验以及断口形貌观察,结果表明钢纤维的加入显著提高了复合板的抗拉伸性能,在一定范围内钢纤维的直径越大,复合板抗拉伸性能提升越明显。当加入0.5 mm直径的钢纤维时,复合板的抗拉伸性能对比无纤维的复合板提升了约50%。钢纤维的加入也在一定程度上提高了复合板的抗疲劳性能以及断裂安全性。断口分析表明铝层发生了韧性断裂,钛层及钢纤维发生了准解理断裂。

关键词：爆炸焊接数值模拟钢纤维钛铝复合板结合界面抗拉伸性能