T10—Q245复合板爆炸焊接过程的数值模拟

李瑞勇++张娜娜

摘 要：采用非线性有限元软件ANSYS/LS-DYNA对T10板和Q245板爆炸焊接进行了三维数值模拟，获得了爆炸焊接过程中焊接过程、复板运动速度、碰撞区域压力分布。结果表明，LS-DYNA可较好的模拟爆炸焊接过程，并且得到复板最大运动速度和速度变化规律，碰撞区域最大压力和压力变化规律。通过数值模拟可以有效再现爆炸复合过程，为爆炸焊接工艺参数的优化提供了参考。

关键词：爆炸焊接；数值模拟；速度；压力

一、序言

1944年，美国Carl提出爆炸焊接理论，受到了国内外学者的重视。20世纪六七十年代，英国、前苏联、联邦德国、日本等相继展开了爆炸焊接的研究。20世纪60年代开始，我国也进行了爆炸焊接试验理论研究，从80年代开始，爆炸焊接的研究取得了长足的进展，其应用也从原来的传统应用延伸到特种行业，如化工、石油、制药、军事，甚至核工业、航空、航天等领域都有广泛应用。

爆炸焊接技术是具有一定塑性和冲击韧性的不同金属或者非金属在炸药爆轰产生的瞬时高温高压下实现复合的一种方法，它集熔化焊、扩散焊和压力焊为一体，它是在爆炸焊接过程中，炸药产生的高压脉冲载荷推动复板以很大的冲击速度与基板碰撞发生有着严重弹性畸变的塑性变形，因此界面基复板接触表面部分原子挣脱了原有晶格的约束，在交汇处进行渗透扩散等作用，伴随产生了有自清理作用的金属射流；同时，巨大的动能在高碰撞时产生很大的热量，使结合区附近金属发生了熔化扩散，从而实现爆炸焊接的结合。

二、T10-Q245爆炸复合数值模拟

本文采用有限元软件ANSYS/LS-DYNA模擬爆炸焊接的动态过程及其压力、速度分布情况。ANSYS/LS-DYNA功能强大，可以进行非线性动力学分析，多刚体动力学分析，欧拉场分析，任意拉格朗日-欧拉（ALE）分析，流体-结构相互作用分析，有限元-多刚体动力学耦合分析（MADYMO，CAL3D）。

T10钢在生活中比较常见，因其强度及耐磨性较好，但塑性较差。常被用于制造具有锐利刀口和有少许韧性的工具。Q245指的是屈服强度值为245MPa的压力容器钢。这种材料耐热耐高温，具有良好的塑性，但强度及耐磨性一般。提出了以耐磨性能好的工具钢T10和具有良好塑性的Q245压力容器钢为原材料，利用爆炸焊接技术实现复合。这样可以发挥两种材料各自的优点，相互弥补缺点。T10-Q245爆炸复合板具备Q245的耐热耐腐蚀的性能，同时又兼顾了T10的耐磨高强度的特性，与两种原材料相比，力学性能和经济方面有具备明显的优势。

2.1 爆炸复合数值模拟材料参数

2.1.1 基板、复板材料模型和状态方程

基板材料采用碳素钢Q245，尺寸为50cm×30cm×42mm，复板材料采用工具钢T10，尺寸为50cm×30cm×6mm。为了简化计算，仅对四分之一几何模型进行分析。

动力非线性分析中，T10和Q245本构关系选用Johnson-Cook模型

（1）

式中： ——Von Mises 流动应力；

——等效弹性应变；

——参考应变速率，取1.0；

——无量纲温度， 分别为室温和材料熔点。

A、B、C、m、n为材料常数，其中B、n表征应变硬化特性；C表征应变率敏感特性；m表征温度软化特性。该模型可以描述材料在高速碰撞和爆炸作用下的大应变及在高应变率和高温时的力学性能，能够反映应变率强化效应和温升软化效应。

（2）

式中： ，即压力与Von Mises等效应力的比值，与板的应力状态有关。D1，D2，D3，D4，D5为失效系数。T10和Q245的本构方程参数见表1。

表1 T10、Q245的Johnson-Cook本构参数

T10、Q245的状态方程采用ANSYS/LS-DYNA中提供的*EOS-GRUNEISEN方程。具体参数见表2。

表2 T10、Q245的*EOS-GRUNEISEN参数

2.1.2 炸药的材料模型和状态方程

炸药材料选用低爆速的2#岩石炸药，尺寸为50cm×30cm×30mm。采用*MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN高能燃烧材料模型，同时采用Jones-Wilkins-Lee状态方程，即JWL方程：

（3）

式中：P——爆炸产物的压力；

V——爆轰产物的相对比容， ，v是爆轰产物的比容，v0是爆轰前炸药的初始比容；

E0——爆轰产物的比内能。

A1，B1，R1，R2，ω为特定参数。炸药的本构方程和状态方程见表3。

表3 2#岩石炸药高能燃烧材料模型及JWL方程参数

2.2 爆炸复合模型

利用LS-DYNA后期处理软件LS-PrePost，建立T10-Q245爆炸复合模型。

为了方便观察，仅分析T10板、Q245板的焊接过程，如图1所示。从图中看出，炸药起爆后产生剧烈的热效应和压力，使板材产生高应变速率的塑性变形并呈现类似流体的状态。在两种板材接触的界面存储了大量的塑性应变能，使得界面处两种原子形成金属键，两板材形成了复合。

2.2.1 复板运动速度规律

复板运动速度是爆炸焊接最关键的参数之一，图2是复板上某点运动速度随时间的变化曲线。从图中可以看出，变化规律基本是还未到达最高速度时，速度几乎是呈线性增加的然后迅速下降并且反复震荡。

2.2.2 碰撞点区域的压力场

从图3碰撞点区域的压力场分布图看出，最大压力极值可以达到3.2GPa。复板和基板发生复合的基本条件是碰撞点的高压力，压力会使复板迅速升温，并产生金属射流，使得焊接界面得到清洁保证焊接质量。

压力波传播到复板时，复板自由表面会反射回来稀疏波，如果焊接界面尚未完全结合，反射稀疏波又将复板和基板分开，则会影响爆炸焊接的复合程度，而根据图3所示，碰撞点压力持续时间短暂，所以对焊接是有影响的。

三、结论

（1）利用LS-DYNA可以建立爆炸焊接三维数值模型，并且可以获得爆炸焊接的压力场与速度场。

（2） 根据爆炸焊接的速度场变化规律，可以看出速度几乎呈线性增大到最大值，然后迅速下降然后反复震荡。

（3）根据爆炸焊接的压力场变化规律，可以得到碰撞点压力最大值，但是持续时间短暂，会影响到焊接质量。

参考文献

[1] F. Findik， Recent developments in explosive welding， MATER DESIGN 32 （3） （2011） 1081–1093.

[2] D.M. Fronczek， J. Wojewoda-Budka， R. Chulist， A. Sypien， A. Korneva， Z. Szulc， N. Schell， P. Zieba. Structural properties of Ti/Al clads manufactured by explosive welding and annealing， Materials and Design 91 （2016） 80–89.

[3] 王建民，朱錫，刘润泉. 爆炸焊接三维数值模拟[M]. 焊接学报，2007.

[4] 薛治国. 大面积钛/钢复合板爆炸焊接过程的有限元模拟与分析[J]. 西北工业大学，2007.

[5] 张保奇. 异种金属爆炸焊接结合界面的研究[J]. 大连理工大学，2005.

[6] 王飞，顾月兵，路飞. 爆炸焊接生成波状界面的数值模拟[M]. 解放军理工大学学报，2004，5（2）：63-67.

[7] 王宇新，杨文斌，李晓杰. 爆炸焊接二维复板飞行姿态计算机仿真[J]. 爆破器材，1999，28（5）：1-4.

[8] 殷先伟. 钛-钢板材爆炸焊接工艺优化与数值模拟[J]. 南京理工大学，2010.

[9] 郑远谋. 爆炸焊接和金属复合材料及其工程应用[M]. 中南大学出版社，2002.

[10] Akihisa Abe. Numerical study of the mechanism of a wavy interface generation in explosive welding[J]. JSME International on high energy rate fabrication. San Antonio， Tex， USA， 1984：75-84.