0 引言
爆炸焊接是2种被复合的金属在炸药的爆轰作用下实现高速斜碰撞,从而在极短的时间内产生106～107s-1量级的应变速率和104 GPa量级的碰撞压力,界面材料温度急剧升高,使金属间产生射流,清理金属复合表面杂质,巨大压力使界面产生局部剧烈塑性变形。在高温、高压和塑性变形共同作用下,金属结合界面形成由熔化和扩散实现的冶金结合[1]。
在化学工业和核工业中,对双金属复合管都有相当大的需求,尤其以钢管最为常见。低碳钢其耐腐蚀性低,在表面可以复合铝、钛、不锈钢等材料在腐蚀环境中使用。具有较好耐腐蚀性的不锈钢碳钢复合管有许多优点,经济效益高,比实心钢管造价便宜,复合管机械性能较好又有极高的耐腐蚀性,极大减少了灾难性故障的风险,例如,应力损伤、腐蚀开裂等。爆炸焊接工艺可以高效率、低成本的制造不锈钢/碳钢复合管,爆炸焊接不需要昂贵的生产设施,不同的金属可以快速复合在一起,该方法可以制备的复合管强度较高。
由于爆炸焊接是一瞬间发生,人们对其过程的观察有限。为提高人们对爆炸焊接过程的认识,采用数值模拟技术结合后处理软件,可以导出全过程的焊接图像,便于人们观测复板飞行轨迹,导出速度,压力云图等,为研究爆炸焊接提供有效依据。Ali Nassiri等[2]提出了ALE算法模拟Al6061-T6冲击焊接,证明ALE算法能较好地模拟爆炸焊接过程。Zeng等[3]采用无网格SPH法建立二维爆炸复合模型,研究出热传导对复合界面温度分布的影响,结果在复合界面出现融化现象。Zhang等[4]采用SPH粒子模拟爆炸复合界面出现射流、波形的形成的情况,对结合界面涡旋的出现进行预测。赵勇等[5]利用ALE算法分析了添加1060Al中间层对TA/5052爆炸焊接质量的影响,结果表明,添加铝中间层可以提高复合质量,吴晓明等[6]重构了动态弯折角β和碰撞速度Vf的β-Vf模型,结合SPH-FEM耦合算法对TA2/5083界面波形进行模拟,模拟结果与实验高度吻合。
本研究中采用ANSYS/LS-DYNA软件对爆炸焊接不锈钢/碳钢复合管过程进行模拟仿真,利用LS-Prepost后处理软件收集实验中较难测得的数据,观测不锈钢复管在不同炸药厚度下的飞行姿态。将模拟与实验、理论计算对比,以讨论炸药质量对不锈钢/碳钢管爆炸焊接质量的影响。为确保模拟的准确性,节省计算时间,选择较为优越的ALE流固耦合算法。ALE是任意拉格朗日-欧拉算法,结合了Lagrange和Euler算法的优点,避开其中的缺点。传统的Lagrange算法,在处理爆炸焊接等大变形问题时,易出现网格畸形、误差较大等问题;Euler算法网格总是固定不动的,材料在网格流动,无法处理结构体比较复杂的单元问题。ALE算法中的空间网格是自由运动的,先执行ALE一个或几个Lagrange时间步计算,单元网格随着结构材料流动变形,后执行ALE时间步计算,保持变形后的物体边界条件,对内部单元进行重分网格,网格拓扑关系不变,将变形网格中的单元变量与节点速度重分给新网格[7]。所以,在面对复杂的大变形问题时ALE算法更加节省时间,能确保精度。本研究中炸药、空气选择ALE算法,基、复管采用Lagrange算法,两者之间通过流固耦合相互作用。
1 计算模型
选取不锈钢(316L)为复管,碳钢(CK22)为基管,以文献[8]实验参数为基础,采用内爆法建立如图1所示3D仿真模型。如图模拟选用密度为1.0 g/cm3,爆速5 100 m/s的TNT炸药,由外至内依次为CK22基管、316L复管、炸药,整个模型置于空气域内,具体参数见表1所示。为方便计算,圆管模型具有对称性,故选取1/4模型计算,提高计算效率,单位:cm-g-μs。
表1 焊接模型参数
Table 1 Welding model parameters cm
序号基管外径基管内径复管外径复管内径炸药外径炸药内径空气域半径模型长度Ⅰ53.83.343.011.5050.65.1210Ⅱ53.83.343.011.5050.85.1210Ⅲ53.83.343.011.5051.05.1210Ⅳ53.83.343.011.5051.25.1210
图1 计算模型
Fig.1 Calculation model
2 参数选取
TNT炸药采用高能燃烧模型和JWL状态方程[9],JWL状态方程的表达式为
(1)
式(1)中:V为相对体积;E0为初始能密度;A、B、R1、R2、ω为实验测得参数。炸药的具体JWL状态参数见表2所示。
表2 TNT炸药JWL状态参数
Table 2 JWL status parameters of TNT explosives
参数A/GPaB/GPaR1R2ωTNT371.23.2314.150.950.30
数值计算中,基、复管均采用Mie-Gruneisen状态方程和Johnson-Cook材料模型[10]。Johnson-Cook材料模型和Mie-Gruneisen状态方程的参数见表3所示。
表3 Johnson-Cook材料模型和Gruneisen状态方程参数
Table 3 Johnson-Cook material model and Gruneisen equation of state parameters
参数ABnCms1γ316L2801 2500.760.0700.821.4902.17CK223502750.360.0221.001.4892.02
3 建立爆炸焊接窗口
3.1 流动限(vc,min)
为保证金属管在高速碰撞时产生射流,撞击点要满足的最小速度为vc。复管碰撞时,如果撞击点的移动速度小于vc,碰撞区附近压力小于材料的屈服强度,不能产生射流,导致焊接失败。因此,撞击点移动速度vcp应该大于临界撞击点移动速度vc[9]。临界撞击点移动速度vc由Ezra公式[11]确定
(2)
式(2)中:vc,min是临界碰撞速度;HV为维氏硬度; ρ为密度;Re为雷诺数。
根据上述公式可计算出vc,min,由文献[12]在平行法爆炸焊接时,碰撞点的速度等于炸药的速度,故炸药爆速要大于vc,min。
3.2 声速限(vc,max)
为了保证射流形成,撞击点的速度vc还必须保持在材料的体积声速之内。不同材料进行爆炸复合时,撞击点的速度vc要小于2种材料中体积声速较小的值[11]
vc,max=min(cmin1,cmin2)
(3)
3.3 复板临界飞行速度vp,min
爆炸焊接界面产生塑性变形和射流是爆炸焊接成功的前提,因此必须保证复管有足够大的速度与基管发生碰撞,才能实现复管与基管的冶金结合。为了实现基管和复管之间的冶金结合,复管与基管最小的撞击速度叫做爆炸焊接的下限,爆炸焊接下限vp,min可由以下经验公式求得[13]
(4)
式(4)中:K为常数,取0.6～1.2之间;Hv为金属硬度;ρf为复管的密度。
3.4 复板极限速度vp,max
为了避免界面出现熔化层,影响结合强度,需要对复管与基管的最大撞击速度vp,max做出限制,可用以下经验公式[14]确定
(5)
式(5)中:N为有量纲常数;Tm为材料熔点;Cp为复管比热容;C0为材料声速;κ为热导率; ρ为材料密度;h为复板厚度。注:式中Tm、Cp、C0、κ取基、复管中易发生熔化的管材。
结合表4参数,计算得出2种管材之间的爆炸焊接窗口,如图2所示。
表4 材料参数
Table 4 Material parameters
材料σb/MPaC0/(m·s-1)Hv/MPaCp/(J·(kg·K)-1)ρ/(g·cm-3)316L3104 5691 8565027.9CK222054 5001 5604777.8
图2 爆炸复合窗口
Fig.2 Explosion composite window
4 结果分析
4.1 碰撞压力分析
使用LS-PrePost后处理软件对基复管碰撞过程的压力大小进行分析,如图3(a)为仿真6 μs时,复管与基管发生碰撞时的压力云图,炸药已隐藏,可以看出复管的飞行姿态,复管与基管的碰撞点并不在端部,这是因为炸药爆轰是以波的形式由起爆点向周围扩散,炸药在达到爆轰稳定需要一段时间,导致端部爆速较小。此时的压力峰值集中在基复板碰撞点,其余部分的应力几乎无变化。
图3 碰撞压力分布图
Fig.3 Collision pressure distribution diagram
为了更好地了解不同炸药量对碰撞压力的影响,利用LS-PrePost画出4组模拟在同一单元E26420上的压力分布对比比曲线,如图3(c)所示,4组模拟同一单元的峰值压力分别为:22.4、19.1、11.9、7.29 GPa,随着炸药厚度的减小,碰撞压力也是逐渐减小,结果与实验和理论吻合,结合文献实验在碰撞压力为7.29 GPa时,未成功复合,由于炸药厚度过小,碰撞压力过小,不能产生射流。为了解整个爆炸焊接过程中,复管各位置的压力分布,选取第Ⅱ组模拟复板上4个特征单元(E26420、E25220、E24200、E23060),如图3(b)所示,导出其压力-时间曲线如图3(d),特征单元的碰撞压力随着距起爆端距离的增大而逐渐增大,范围在19.1～28.2 GPa。这是因为在复合过程爆轰产物不断积累叠加,另外是前面的碰撞会产生振动能在未复合区域增加[15]。
4.2 塑性变形分析
爆炸复合界面的塑性变形,是模拟判断焊接质量的重要指标,为研究不同炸药厚度对基复管界面塑性变形的影响。利用后处理软件在基、复管焊接界面选取1组对称单元(E25501、E12726)分别导出其塑性变形曲线,如图4所示。图4(a)为选取的1组焊接模拟塑性云图,不难看出在基、复管结合界面附近存在2条狭长的塑性变形带,由于基管和复管的材料属性的差异,变形云图并不对称。Findk[16]等研究得出,在爆炸焊接结合界面存在较大塑性变形是焊接成功的必要条件。图4(b)、图4(c)分别是基、复管上选取的1组对称单元的塑性变形曲线,可以看出当炸药厚度不断减小时,基复管界面上的塑性变形均变小,结合文献[8]Ⅰ、Ⅱ 2组实验金相显示为波形结合界面,波长分别为235、174 μm,Ⅲ组实验为无波的平直结合界面,王耀华[17]指出波形界面的结合强度大于平直界面结合强度,较大的塑性变形更易形成波形结合界面,在过小的塑性变形意味着焊接失败或复合强度较低,结合实验当复管塑性变形小于0.28时焊接不能成功。
图4 塑性变形分布图
Fig.4 Plastic deformation distribution
4.3 碰撞速度分析
爆炸焊接过程中,复板的碰撞速度vp是非常重要的复合参数,碰撞速度过小复管不能产生射流导致焊接失败,速度过大结合界面形成熔化层降低结合强度。为更好地了解不同炸药量对复板爆炸速度的影响,从4组仿真模拟中,分别选取复板上的3个特征单元(E25640、E24560、E23600),导出其速度-时间曲线,如图5所示。
图5 碰撞速度分布曲线图
Fig.5 Collision velocity distribution curve
采用Findik[16]提出的复管飞行速度公式(6)计算出复管理论碰撞速度vp,碰撞速度主要与质量比有关,符合本文研究目的,并与模拟碰撞速度比对;计算结果如表5所示。
表5 碰撞速度模拟结果与理论计算
Table 5 Collision velocity simulation results and theoretical calculations
序号理论结果v/(m·s-1)模拟结果vp/(m·s-1)误差/%Ⅰ958.49903.2Ⅱ846.98065.1Ⅲ698.46359.5Ⅳ486.35298.3
(6)
式(6)中:R为质量比;E为炸药格尼能系数。
由图5(a)—图5(d)可以看出,复管的碰撞速度随着炸药量的增大成正比增大,与理论相符合,4组模拟速度变化趋势相似,速度先迅速增大又急剧减小,由于炸药爆轰产物的不稳定、不均匀,复管的最后速度成波动状直至趋于0。由Findik[16]提供的公式计算出复管碰撞速度如表5所示,与模拟所得误差在3.2%～9.5%,可以充分证明ALE算法能较好模拟爆炸焊接制备不锈钢/碳钢复合管的过程,结合前文计算出的可焊接窗口572 m/s<vp<1 564 m/s,模拟结果显示,Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ 3组模拟碰撞速度均在可焊接窗口内,均有较好的结合质量,Ⅳ组模拟碰撞速度不在可焊接窗口内,无法焊接成功,模拟与实验结果吻合。结合Hokamoto[18]提出的能量计算公式,将模拟结果所得速度参数代入,分析不同炸药量下的动能损失,由公式可知动能损失与碰撞速度成正比,碰撞速度可以反映碰撞能量。
(7)
式(7)中:mf、mb分别表示复板和基板的质量;vp表示碰撞速度。
为了更准确地验证出炸药可复合的最低厚度,增设第Ⅴ组模拟,炸药内径设为1.1 cm,其余参数不变的模拟,炸药厚度位于可成功焊接的Ⅲ组与焊接失败的Ⅳ之间。为了解其复合质量,选取与前4组同一位置的特征单元,分别导出其速度、位移分布曲线如图6所示。图6(a)中复板的碰撞速度为521 m/s,仍位于可焊接窗口的下边界外,说明焊接不能成功,由图6(b)同样可以看出,复管在与基管发生碰撞时,位移曲线存在较大的回弹,没有复合成功,这是因为炸药量过少,碰撞能量不足未能复合导致回弹。可见当炸药内径大于1.1 cm时,碰撞速度、压力不足以复管产生射流,导致焊接失败,模拟与实验结果一致。
图6 第Ⅴ组模拟结果
Fig.6 Group V.simulation results
5 结论
本研究借助ANSYS/LS-DYNA软件中的ALE算法,设置不同炸药内径来研究炸药量对316L不锈钢/CK22碳钢的爆炸焊接管质量的影响,对爆炸复合过程进行三维数值模拟,得出以下结论:
1) 模拟结果显示,随着炸药量的减小,焊接过程中的碰撞压力、塑性变形、碰撞速度均逐渐减小,模拟与实验一致,模拟与理论得出碰撞速度误差范围在3.2%～9.5%,证明数值模拟对爆炸焊接管的有效性。
2) 结合建立的可焊接窗口,复板的碰撞速度位于爆炸复合窗口外不能成功焊接,模拟与实验结果吻合,证明爆炸焊接窗口对爆炸焊接实验有较好的指导意义。
3) 爆炸焊接复合管过程需有足够炸药能量使金属复管产生射流,以形成波形结合界面,模拟显示炸药厚度为0.505 cm时,碰撞速度为635 m/s,为焊接窗口内不同炸药厚度的最小值,药厚小于0.505 cm,复合过程出现回弹效应导致焊接失败。
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