碰撞角对爆炸复合材料界面状态的影响

复合材料界面状态是衡量复合质量优劣的主要评定因素之一,焊接参数和界面状态之间存在着紧密的联系。为了获得理想的复合质量,必须正确选择爆炸焊接参数。本文在实验的基础上,通过理论研究和数值计算,探讨了爆炸复合的力学模型及物理机制,验证了碰撞角对再入射流的质量(或再入射流的厚度)和爆炸复合材料界面状态存在的影响,得出了波形的变化趋势与碰撞角的变化趋势相一致的结论,同时确立了波形参数和碰撞角的半定量表达式,拓展和深化了爆炸复合的研究领域,丰富和发展了爆炸复合的成波机理,从而能够更好地指导工程应用,减少工程损耗,提高复合质量和工作效率。     

多层爆炸复合中的成波研究

用爆炸复合法制成了15层每层1mm厚的紫铜板组成的长1.2m,宽90mm的软电览。进行了2层至14层的对称爆炸复合实验,在多层对称爆炸复合中,总存在一个较大波纹的复合界面。对奇数层复合来说,存在一个稳定的复合模式。在对称多层复合中,最后二个碰撞界面的碰撞角较大,所以在该界面产生大的波纹.但比波长/H不遵循在单层复合时的公式。数值计算指出多层复合时碰撞压力的峰值与廓图均异于对应的单层复合中的情况。     

爆炸焊接外复法制取铌-不锈钢复合棒

采用爆炸焊接中的外复法,并控制爆炸能量,使3.8mm的不锈钢管与铌棒在固态下产生高强度的冶金结合,其性能超过了预定的技术指标。若炸药的品种、药量、间隙等影响爆炸复合的主要工艺参数选择得当,动态条件合适,其最高结合强度可以达到铌材的强度,产生等强结合。     

表面涂层对非晶薄带爆炸焊接温度影响探讨

针对在非晶薄带爆炸复合制备块体非晶复合材料过程中涂层对温度的影响,提出对非晶薄带实施涂层后再进行爆炸复合。利用放缩法将涂层后的薄带简化为均匀材料,并对30 m厚的Fe78B13Si9非晶涂层前、后爆炸焊接层内温度场进行系列分析计算,表明:(1) 高速撞击产生的热量主要集中在涂铜层上,涂层处理能够显著减小界面撞击引起的热影响区域;(2) 相对于非涂层的非晶爆炸复合,文中方案平均温升降低约280 K;(3) 铜涂层后,碰撞界面冷却速率高达107 K/s。研究表明,具有表面涂层的非晶薄带在爆炸复合制备层合块体非晶复合材料过程中,能够更好地保持非晶材料的非晶结构,并有效扩大爆炸焊接窗口。     

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。     

利用 Laplace 变换确定双层厚壁长圆筒的轴对称界面碰撞压力

利用Ｌａｐｌａｃｅ变换，考虑轴对称弹性波的影响，采用特征函数展开法求解双层厚壁长圆筒受爆炸载荷作用下的轴对称弹性碰撞冲击问题，着重研究前几次碰撞冲击引起的轴对称界面碰撞压力。并对轴对称界面碰撞压力与间隙量、爆炸载荷幅值、爆炸载荷衰减系数之间的关系以及相关的动力响应作了初步的分析。     

内爆法制备双金属管复合参数的计算机辅助设计

根据爆炸复合窗口理论和内爆轰作用下管的飞行姿态计算公式,编制计算机程序来确定双金属管内爆复合的工艺参数,使得复合参数的选取大为简化。结果表明,该方法可以用于指导内爆法制备双金属管复合工艺参数的选择。     

孔结构金属复合夹芯板抗爆炸冲击响应及吸能特性研究

采用有限元方法研究爆炸载荷下四边固支孔结构金属复合夹芯板的动力响应及吸能特性,给出了孔结构金属复合夹芯板的动力响应过程,得到夹芯板的变形模式,比较了孔结构金属复合夹芯板与非孔结构金属复合夹芯板的抗爆炸冲击性能,同时讨论了孔大小、间距、排布方式和面板质量分布等因素对孔结构金属复合夹芯板抗爆炸冲击性能的影响。研究结果表明,迎爆面外面板的孔设计使爆炸冲击波穿过孔洞直接作用在芯材上,增强了芯材的压缩,从而提高了夹芯板的能量吸收能力。同等面密度情况下,内外面板厚度比大于1的孔结构金属复合夹芯板变形挠度小于内外面板厚度比小于1的孔结构金属复合夹芯板。进一步研究发现,通过合理设计内外面板的质量分布,可以使孔结构金属复合夹芯板的抗爆炸冲击性能最优。     

爆速对爆炸焊接铝/不锈钢复合管界面及结合性能的影响

通过在粉状乳化炸药中添加不同比例的密度调节剂,配制了爆速范围为1 450~2 550 m/s的低爆速炸药;采用该爆速炸药进行了铝/不锈钢复合管爆炸焊接实验,结合最小碰撞速度理论,对实验结果及其界面微观结构和结合强度进行了测试和分析,确定该复合管爆炸焊接的合适爆速约为1 950~2 150 m/s,其结合质量能够满足后续加工要求;同时发现界面由介于直线与波形之间的波状形态组成,且呈现不太规则的扁平波状结合,经分析,炸药爆速、复合管的爆炸焊接环境和爆炸产物飞散条件对界面结合波形及熔化层厚度有很大影响。     

低能量导爆索水下爆炸冲击波特性实验研究

为了获得低能量导爆索水下爆炸冲击波特性,在水下爆炸试验容器中对复合铝纤维爆炸索进行水下爆炸实验。采用PCB压电型传感器测量水中爆炸冲击波压力脉冲,获得了复合铝纤维爆炸索冲击波压力峰值,计算了其冲击波比能和高压区冲击波比能。研究结果表明:复合铝纤维爆炸索冲击波能量的输出主要集中在特征时间内的高压区,占到冲击波比能的84%。通过复合铝纤维爆炸索水下爆炸冲击波特性的研究,为其下一步的推广应用奠定了基础。     

爆炸复合板边界效应研究

认为引起边界效应的主要因素不仅有炸药和基、复板边界稀疏的影响，而且尚受复板反弹拉伸的作用。设计了不等面积复合板爆炸焊接工艺，超声探伤结果表明，复合板的边界效应极小，满足工程需要。     

钛/钢复合板爆炸焊接实验

以3mm 厚的TA2钛板和26mm 厚的正火态Q345R为材料,通过爆炸焊接实验,对钛/钢复合板爆炸焊接的动态参数进行了研究。结合复合板结合界面特征、复合板结合强度(剪切强度)以及界面波的金相组织,讨论了钛/钢爆炸焊接时获得高强度结合和规则的界面结合波状形态的条件。对于3mm 厚TA2与26mm厚正火态Q345R,该条件是动态碰撞角17,动态碰撞速度vp760m/s。根据界面波及基板轧制金相组织形态,分析了形成界面波的机理,认为射流阻碍复板连续碰撞基板是形成界面波的一个主要原因。     

铝-铝爆炸焊接界面的实验研究

对铝-铝同质金属爆炸焊接进行系列实验,研究不同装药比条件下焊接界面的变化特征。所得试件的金相照片表明,焊接界面均具有宏观波状,但其细观形貌又不同于文献报导的连续性波状界面。本次实验得到的三种界面随装药不同而分别呈正弦曲线型、点线型及纯点型,且后两者不再连续。最后利用爆轰波与金属壳表面相互作用理论进行分析,认为焊接界面细观形貌由射流厚度及堆积特征决定,其中界面连续性类似于水流连续性对流量的依赖,当射流厚度不足时难以形成连续界面。     

过渡层对锆/钢爆炸复合板剪切强度的影响

为了考察钛作为过渡层提高锆/钢复合板结合强度的有效性,同时给出合理的爆炸焊接碰撞参数,对双层锆/钢和三层锆/钛/钢进行了小倾角法爆炸焊接实验研究。借助金相显微技术测量了复合板结合界面的波形参数,采用光滑粒子动力学法模拟得到了不同位置的碰撞速度和碰撞角,并按照国家标准(GB/T 6396-2008)测量了复合板结合界面的爆炸态及退火态的剪切强度。结果表明:钛作为过渡层能够显著提高锆/钢界面的剪切强度;退火消除加工应力后,锆/钢及钛/钢结合面的剪切强度会有所降低;当锆/钛界面的碰撞速度为734~805 m/s,碰撞角为19.8°~20.8°,钛/钢界面的碰撞速度为803~904m/s,碰撞角为19.5°~20.5°时,锆/钛/钢三层复合板的锆/钛和钛/钢界面的剪切强度都能高于140 MPa。     

铝合金与槽型界面钢板的爆炸焊接

采用尺寸为4 mm×410 mm×410 mm的5083铝合金和尺寸为15 mm×400 mm×400 mm、表面开有燕尾槽的Q345钢板作为爆炸焊接的覆板与基板,根据理论公式得到铝合金-钢爆炸焊接下限后,选取其附近的参数进行爆炸焊接,再通过力学性能检测和微观形貌观察研究5083/Q345复合板界面的结合性能。实验结果表明:铝合金与钢在冶金结合和燕尾槽的挤压啮合共同作用下实现爆炸复合;铝合金与燕尾槽上底面、倾斜面和下底面的界面均呈平直状。铝合金与燕尾槽上底面、下底面以直接结合和不连续熔化块相结合的方式复合,而铝合金与燕尾槽倾斜面以连续熔化层的方式复合;复合板的剪切强度大于172 MPa,满足Al/Fe复合板结合强度的要求。     

材料强度对爆炸焊接结合界面的影响

为了研究爆炸焊接结合界面机理及材料强度对爆炸焊接的影响,采用相同的爆炸焊接参数对不同强度的基板进行了爆炸焊接。通过光学显微镜、扫描电子显微镜以及数值模拟技术对焊接试样的形貌、缺陷以及焊接机理进行了分析。结果表明:当材料强度较低时,碰撞点动压与基板材料强度的比值较高,界面出现较大的塑性应变并生热,此时界面熔化区较大,在焊接过程中可以将界面等效为不可压缩流体;当材料强度较高而碰撞点动压与基板强度的比值较低时,试样界面形貌受材料强度的影响较大。随着材料强度的上升,周期性的波状界面逐渐趋于平直。界面熔化现象减弱但温升速率较高,并受碰撞点附近高压出现热失稳现象形成剪切带及裂缝。此时材料强度的影响不可忽略,界面不能等效为不可压缩流体。     

爆炸焊接复合界面波与温度场物质点法分析

爆炸焊接是一门双金属复合工程技术,在炸药爆轰载荷驱动下,飞板高速冲击基板时,两金属板复合界面处在高温高压作用下材料发生塑性流动并形成周期性波状界面,波状界面的形成与复合界面处的材料熔化和变形直接相关。本文应用物质点法对爆炸焊接界面波的形成和界面温度场进行数值模拟,同时开展双金属爆炸焊接实验,并结合物质点法的三维数值模拟对爆炸焊接界面波的形态和界面材料高温软化进行分析。     

爆炸焊接基复板间隙中的气体冲击波

通过分析研究爆炸焊接基复板间隙中的气体运动,建立了冲击波传播的理论模型,通过理论分析和计算说明了基复板间存在气体冲击波管道效应。管道效应使复合板尾部在爆炸焊接形成前发生上翘,造成板尾部焊接能量偏大,或使尾部炸药压死,是工程中长大复合板尾部焊接质量降低或失效的主要原因。还通过建立简化模型,分析了复合板宽度、各种保护性气体和粗真空对管道效应的影响,说明了选择爆炸焊接保护气体的原则,进而使用氦气保护进行了钛钢、铝镁爆炸焊接实验验证,为气体保护爆炸焊接、真空爆炸焊接技术的进一步开发研究奠定了理论基础。     

爆炸焊接界面波物质点法三维数值模拟

基于冲击动力学和爆炸焊接理论,采用物质点法对爆炸焊接界面波的形成进行三维数值模拟。通过数值模拟结果与爆炸焊接实验结果的对比,对复合界面材料的塑性流动变形以及界面波形成的机理进行探讨。结果表明:界面波是因为在碰撞点处的金属材料发生熔化并产生涡旋流动形成的;同时也说明采用物质点法模拟爆炸焊接界面波的形成是可行的。