（机械制造及其自动化专业论文）高速冲击下金属焊接能力的研究.pdf

江苏大 学 硕 士 学位论 文 摘要 高速冲击焊接技术可以使在常规方法下很难焊接的异种或同种金属在不发生 熔化和固化的情况下快速实现焊接。在焊接区域也不会存在热影响区或大量金属再 结晶现象，被焊接的材料性能一般不低于母材的性能，而且在焊接结合处的强度也 不会减弱或由于存在的残余应力导致焊接区域发生裂纹、锈蚀等问题。因此对这一 技术方法的研究一直是国内外研究的热点和前沿。 国内外研究人员对这一技术方法进行了大量的实验和模拟研究，取得了很多优 秀的成果，并且目前已经把高速冲击焊接技术应用到了商业生产中。但是对这一技 术方法的模拟研究一直不是很理想，远未达到人们对其期待。在本文中，利用光滑 粒子流体动力学( s p h ) 方法对高速冲击焊接过程进行了数值模拟，成功的复制出 在高速冲击焊接过程中经常出现的界面波形、射流等现象；考察了不同冲击条件下， 复板和基板结合面上测量点的压力、速度、塑性变形和剪切应力随着冲击时间进行 的变化情况，得出为达到良好的结合效果在不同金属材料结合面处复板与基板中的 剪切应力方向必须相反，且有效塑性变形和剪切应力的大小必须超过一个临界值； 分析和讨论了不同冲击速度和冲击角度下的数值模拟结果，给出了结合面的变化规 律，发现在一定范围内界面波形的形成与冲击速度和冲击角度有很大关系，冲击速 度和冲击角度的增加导致了结合面波形波长和波幅的增大。论文研究表明，光滑粒 子流体动力学方法是一种非常适用于此类高速冲击焊接过程的有效方法，对于更为 深入的理解界面波形的形成机理和结合面结合机理有着非常重要的作用。这不仅为 以后高速冲击焊接技术的模拟分析研究提供了较好的借鉴价值，同时通过此模拟对 高速冲击焊接实验的参数选定也具有指导作用。 除此之外本文还对激光冲击金属焊接这一新技术方法的可行性进行了实验验 证，并通过透射光显微镜对焊接界面的观察，发现结合界面也会形成与爆炸焊接、 电磁脉冲焊接相类似的波状结合面以及平直型结合面，且在界面焊接区域发生了一 定的晶粒细化现象。又利用显微硬度仪对焊接界面进行了硬度测试与分析，发现由 高速冲击下金属焊接能力的研究 于结合界面发生了一定的塑性变形而使显微硬度增加。除此之外，还对激光冲击能 量对焊接质量的影响进行了总结和分析，并对在实验中经常出现的一些焊接失效现 象进行了分析与讨论。本文研究对高速冲击焊接技术的进一步研究具有重要的推动 作用和借鉴价值。 关键字：高速冲击；激光冲击焊接；数值模拟； 光滑粒子流体动力学 江 苏 大 学 硕士学位论文 a b s t r a c t h i g hv e l o c i t yi m p a c tw e l d i n gt e c h n o l o g yc a nb eu s e dt ow e l db o t hs i m i l a ra n d d i s s i m i l a rm a t e r i a l sr a p i d l yw i t h o u tm e l t i n ga n ds o l i d i f i c a t i o nw h e ni ti sq u i t eh a r dt o w e l di nt r a d i t i o n a lw e l d i n gt e c h n o l o g y a n dt h e r ei sn os i g n i f i c a n th e a ta f f e c t e dz o n eo r i n t e r m e t a l l i cp h a s e sg e n e r a t e da f t e rw e l d i n g t h ew e l d e dm a t e r i a l sr e t a i no ri m p r o v e t h e i ro r i g i n a lp r o p e r t i e s ，a n dt h ej o i n ts t r e n g t hu s u a l l yn o td e g r a d e sa tt h ei n t e r f a c ef o r r e s i d u a ls t r e s sw i mc o n s e q u e n tc r a c k i n ga n dc o r r o s i o ni s s u e s t h e r e f o r e ，t h er e s e a r c h a b o u tt h i st e c h n o l o g yh a sb e e nb e c o m ep r e t t yh o tn a t i o n a l l ya n d i n t e r n a t i o n a l l y r e s e a r c h e r sa th o m ea n da b r o a dh a v eb e e nd o n eal a r g en u m b e ro fe x p e r i m e n t a l a n ds i m u l a t i o ns t u d i e sf o rt h i st e c h n o l o g ya n dal o to fg o o dr e s u l t sw e r eo b t a i n e d t h e t e c h n o l o g yh a sb e e na p p l i e di n t oc o m m e r c i a lp r o d u c t i o nn o w b u tt h es i m u l a t i o ns t u d i e s h a v en o ta c h i e v e di d e a lr e s u l t sa n da t ef a rf r o ms a t i s f y i n gp e o p l e se x p e c t a t i o n s i nt h i s t h e s i s ，s m o o t h e dp a r t i c l eh y d r o d y n a m i c s s p hm e t h o dh a sb e e nu s e dt os i m u l a t et h e l l i g hv e l o c i t yi m p a c tw e l d i n gp r o c e s s ，s o m ep h e n o m e n o nw e r es u c c e s s f u l l yd u p l i c a t e d s u c ha si n t e r f a c ew a v ea n dj e ti nt h ei m p a c tp r o c e s s ；a n dt h ec h a n g eo ft h ep r e s s u r e ， v e l o c i t y , p l a s t i cd e f o r m a t i o na n ds h e a rs t r e s sa l o n gt h ei n t e r f a c e 丽mt h et i m ew e r e e x a m i n e d i tw a sf o u n dt h a tt h es h e a rs t r e s s e si nt h ef l y e ra n db a s ep l a t e sm u s tb eo f o p p o s i t es i g nf o r9 0 0 db o n d i n gt ot a k ep l a c ei nm e t a l s ，a tt h es a m et i m e ，t h ee f f e c t i v e p l a s t i cs t r a i na n dt h es h e a rs t r e s sm u s te x c e e dam i n i m u mv a l u e t h en u m e r i c a l s i m u l a t i o nr e s u l t sw i t hd i f f e r e n ti m p a c tv e l o c i t ya n da n g l ew e r ea n a l y s e da n dd i s c u s s e d i ns o m ee x t e n t , w a v yi n t e r f a c ef o r m a t i o ni s l a r g e l yr e l a t e dt ot h ei n c r e a s eo fi m p a c t v e l o c i t ya n di m p a c ta n g l e ，w h i c hl e a d st ot h ei n c r e a s eo fw a v e l e n g t ha n da m p l i t u d e sa t i n t e r f a c e t h i sr e s e a r c hi n d i c a t e st h a ts p hi saq u i t es u i t a b l em e t h o df o rm o d e l i n gt h i s s o r to fh y p e r v e l o c i t yi m p a c tw e l d i n gp r o c e s sa n di t s p l a y 觚i m p o r t a n tr o l e i n u n d e r s t a n d i n gt h ef o r m a t i o nm e c h a n i s mo ft h ew a v e f o r ma n dt h eb o n d i n gm e c h a n i s mo f t h es u r f a c e sf u r t h e r t h es i m u l a t i o nn o to n l yp r o v i d e dar e f e r e n c ef o rt h ef u r t h e rs t u d yo f h i pv e l o c i t yw e l d i n gt e c h n o l o g y , b u ta l s o i sag u i d a n c ef o rh i g h - v e l o c i t yi m p a c t w e l d i n ge x p e r i m e n t a lp a r a m e t e r ss e l e c t i o n t t t 高速冲击下金属焊接能力的研究 b e s i d e s ，t h r o u g ht h el a s e ri m p a c tm e t a l l i cw e l d i n ge x p e r i m e n t st h ef e a s i b i l i t yo ft h e t e c h n o l o g yw a sv e r i f i e d ，a n dt h e i n t e r f a c ew e r eo b s e r v e db yt h et r a n s m i s s i o nl i g h t m i c r o s c o p e i tw a sd i s c o v e r e dt h a tt h ei n t e r f a c e w a ss i m i l a rt oe x p l o s i o nw e l d i n g ， e l e c t r o m a g n e t i cp u l s ew e l d i n g ，w h e r ew a v ys u r f a c eo rf l a ts u r f a c ea l s oa p p e a r e d a tt h e i n t e r f a c e w e l d i n gr e g i o n a l s o m e g r a i n r e f i n e m e n t p h e n o m e n o nh a p p e n e d a n d m i c r o h a r d n e s sa p p a r a t u sw e r eu s e dt o t e s tt h ei n t e r f a c eh a r d n e s s ，i tw a sf o u n dt h a tt h e i n t e r f a c em i c r o h a r d n e s si n c r e a s e dw i t hp l a s t i cd e f o r m a t i o n i na d d i t i o n ，t h ei n f l u e n c eo f t h ei m p a c te n e r g yo fl a s e rt ot h eq u a l i t yo ft h ei n t e r f a c ea r es u m m a r i z e da n da n a l y z e d ，a n d s o m ef a i l u r ep h e n o m e n o ni nt h ee x p e r i m e n th a sb e e na n a l y z e da n dd i s c u s s e d a l lo ft h e s e p r o v i d ea r e f e r e n o gf o rt h ef u t u r er e s e a r c h k e y w o r d s ：h i g hv e l o c i t yi m p a c t ；l a s e ri m p a c tw e l d i n g ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ； s m o o t h e dp a r t i c l eh y d r o d y n a m i c s i v 江苏大 学 硕 士 学位论 文 1 1 引言 第一章绪论 随着科学技术的发展，人们认识到单一的材料越来越不能满足人们对提高材料 各项性能的要求，于是高速冲击金属焊接技术以其独特的优势得到了人们的极大关 注。特别是在最近几十年的时间中，研究人员对这些高速冲击焊接技术进行了重点 研究，使其得到了快速的发展。这一焊接技术最重要的优点是在焊接之后不存在热 影响区。因此，被焊接的材料保持或者高于母材的性能，它不会像熔化焊那样，常 常在焊接结合处的强度减弱或者焊接区域由于存在的残余应力而导致裂纹、锈蚀等 问题。另一个重要的优点是它可以被用来焊接同种和异种材料，而不用考虑材料熔 点、热膨胀和热传导性等特性的不同。 由高速冲击焊接技术焊接所形成的材料能够把不同材料的物理、化学、力学性 能和价格优势集于一体，日益受到人们的重视，而且正逐步广泛应用于原子能、航 空、化工、造船、电子、电力、冶金、机械等行业。其组成材料不仅能保持原有的 特点，而且物理化学性能、比重、价格及综合力学性能相对于原来的基体材料还具 有许多优点：( 1 ) 可以替代稀缺贵重金属，从而可以节约稀缺金属，降低生产成本。 ( 2 ) 可以发挥不同金属各自的性能优势，这样就为设计人员在选择和使用材料上提 供了更多的空间。( 3 ) 可以提高材料的综合性能以及一些其它性能，如抗腐蚀性、 耐磨性等。( 4 ) 作为过渡接头。在工业应用中经常需要焊接异种金属，使用常规的 熔化焊时，异种金属之问就会形成金属间化合物，但如果采用过渡接头，异种金属 材料之间的焊接变为同种金属材料的焊接，两端是同种材料，即使是使用常规的熔 化焊接，也不会出现上述问题【1 3 1 。 近些年来航空航天技术受到人们的极大关注，而在航空领域中应用最为广泛的 是金属材料钛，钛金属具有许多其它金属无法比拟的优点：比重小、比强度高、优 良的耐腐蚀性能等。因此钛及钛合金已经成为航天航空工业中不可缺少的结构材料。 但是，虽然钛合金有着不同寻常的诸多特性，但并不是所有特性都是优点。比如熔 点较高，它的冶炼温度比钢还要高几百度，而且其高温下的化学性质又非常活泼， 因此需要在惰性保护气体下进行冶炼，而且不能使用含氧材料，这给冶炼设备工艺 高速冲击下金属焊接能力的研究 增n t 难度并提高了成本，使钛合金的价格也随之升高 4 1 。目前钛合金不能更广泛应 用的最大障碍是成本太高，所以由钛与其他金属材料焊接而成的材料，不仅节约了 稀贵金属，降低了原料的成本，同时也提高了材料的整体综合性能。 国内外学者一直以来对高速冲击焊接技术都有着极大的研究兴趣，为揭示焊接 结合机理和获得焊接结合的最佳参数构成，研究人员在数值模拟分析中也投入了大 量的精力，采用数值模拟方法，可以较为容易地改变实验条件，比较和分析不同条 件下的模拟结果，从而更有利于指导生产实验，因此目前研究人员更是竞相对这一 领域进行研究，试图找出能够对这一过程较为理想的模拟方法。而随着电子产品、 生物、医疗器械以及微机电系统的迅速发展，具有轻、薄、短、小、多功能特点的 微型产品需求量不断增加，与之相关的微型金属零部件的材料制备技术也显得越来 越重要i s 一，所以对于能够形成小型材料结合的焊接技术的研究也成为研究热点。现 在高速冲击焊接技术正以- f 新兴的学科和高新技术迅速地发展着，在特种焊接和 现代新材料领域中发挥着重要的作用。 1 2 高速冲击金属焊接方法的原理及特点 目前，异种金属之间的高速冲击焊接方法中应用最为广泛的为爆炸焊接、电磁 脉冲焊接。这些技术方法都具备通过冲击驱动金属进行固态焊接这样一个基本的共 同原则，但是它们本身又有各自不同的特点和应用范围。 爆炸焊接通过炸药作为能量，驱动其中一个工件以一定速度与另一个工件发生 撞击，瞬间在工件结合面上由于冲击金属表面的塑性流动而形成了金属之间的焊 接。在焊接过程中，复板在炸药的驱动下沿着固定的基板移动。通常，为了使复板 有一个加速过程，初始时需要在复板和基板之间留有一定的间距。当复板与基板撞 击时发生复杂的物理和化学变化从而形成焊接。与焊接过程密切相关的参数主要有 冲击点速度，冲击角度和复板的速度。由于爆炸焊接这个过程本身是很复杂的，这 些参数确定通常是通过一系列的实验和先前的经验决定的。 电磁脉冲焊接工艺是上世纪6 0 年代国外兴起的新型焊接方法。它不同于传统 的的焊接工艺，但却是一种良好的焊接方法。因为在很多情况下需要使用固相焊接， 也被称为原子结合，所以它是原子级别上进行的结合。其方法在原理上和爆炸焊接 很相似，都是在高压作用下两个纯金属工件的原子相互挤压，直到发生电子转移， 2 江 苏 大 学硕 士 学位论文 形成一个新的金属混合物。但是它不像爆炸焊接那样是通过炸药驱动复板，而是通 过电磁力加速复板。不过一般为了在焊接结合面产生喷射它也需要有一个小的冲击 角度。 爆炸焊接一般应用于大的平板，在尺寸上可以达到米级别的平板焊接。电磁脉 冲焊接能够实现直线性、圆周型的焊接，但是由于设备受到总的能量的限制，焊接 的长度只能限制在米级别以下，而典型的焊接宽度在微米到厘米级别。爆炸焊接与 电磁脉冲焊接产品如下图所示。 图1 1 爆炸焊接产品 f i g 1 1 t h ep r o d u c tb ye ) ( w ： 1 2 1爆炸焊接 羹 图1 2 电磁脉冲焊接产品 r i g 1 2t h ep l 潮b y m p w 1 爆炸焊接原理 爆炸焊接是一个固态冲击焊接过程，它利用炸药去加速复板撞击基板，这种方 法能够使不同材料之间实现大面积的结合。图1 3 显示了爆炸焊接基本组成原理。 随着爆炸化学反应以爆速k 向前传播，爆轰波和爆炸产物的动能推动复板以k 速 度向基板运动。在间隙中的气体排出的同时，借助复板、基板的高速冲击碰撞，在 接触面上形成多次和多种形式的能量传递、吸收、转换及分配，最后在界面上造成 一薄层金属的塑性变形、熔化和原子间的扩散，从而使两金属强固地焊接在一起。 碰撞点s 以圪速度向前移动就是金属爆炸焊接过程的进行，所以爆炸焊接是在一瞬 间完成的。沿着整个界面的冲击在冲击点产生喷射，这种喷射混杂结合面的氧化物 和杂质形成射流。爆炸焊接过程的主要影响因素包括表面的处理和清洁、炸药起爆 点的位置、复板与基板之间的间距、炸药本身的特性，特别是炸药的爆速和冲击压 力。这些是决定着冲击角度和冲击速度的主要因素 7 - 9 1 。 在爆炸冲击过程中，复板所具有的动能有超过9 0 转化为热能，如此大的热量 3 高速冲击下金属焊接能力的研究 在界面处，除了会引起金属的塑性变形外，还会使结合面金属的温度快速升温。当 温度超过焊接金属的熔点时，与界面紧密接触的薄层塑性变形金属就会发生熔化。 当然，如果还有其他热量，这些热量将会导致部分塑性变形金属发生再结晶现象。 结合界面上的高温、高压和高变形率下金属的塑性变形，以及由于温度升高产生的 熔化等的共同作用下，基体金属原子间将产生扩散现象。所以，爆炸焊接结合区就 具有了包括塑性变形、熔化和原子间相互扩散的特征，而这两种金属之间的结合区 就为过渡斟1 0 l 。 正常情况下一般会发现在爆炸焊接的金属结合区具有波形特征，而与波形形成 密切相关的是爆炸载荷在金属和金属界面上的波动传播，对于不同特性和不同强度 的金属，在不同强度和特性载荷作用下所形成的相互作用是不一样的，所以在界面 结合处形成的波形参数也是不同的。不过，也许正是这个原因才使得爆炸焊接具有 良好的焊接性。 图1 3 爆炸焊接原理图 f i g 1 3a n g l em e t h o de x p l o s i v ew e l d i n gp a r a m e t e r s 2 爆炸焊接的特点 用爆炸焊接技术生产的金属复合材料有如下特点和优点1 1 0 ，1 1 】： ( 1 ) 能源上的特点 爆炸焊接的能源是廉价的炸药，不需要厂房和特殊设备。与生产金属复合材料 的其他技术相比，其成本低，经济效益显著。 ( 2 ) 理论基础上的特点 爆炸焊接的理论基础，主要建立在金属物理学、爆炸物理学和焊接工艺学的基 本原理之上。其它有关学科的基本理论必然会为爆炸焊接学科的研究和发展提供必 要的理论基础。 4 江苏大 学 硕 士 学位论文 ( 3 ) 工艺上的特点 爆炸焊接工艺的实施不需要专用设备和大量投资。一般来说，只要有金属材料、 炸药和爆炸场地，以及一些辅助工具，就可以进行任意组合和相当尺寸的金属复合 材料的生产。爆炸焊接工艺很简单，参加此项工作的人员除安全教育外，不需要进 行专门的培训。 ( 4 ) 焊接上的特点 复层材料和基层材料都可以根据实际需要而任意选择。复层材料和基层材料的 厚度及其厚度比，也可以根据实际需要任意选择。另外，爆炸复合材料的形状和形 式也可以有很多种。 ( 5 ) 性能上的特点 爆炸焊接的覆层和基层材料之间为冶金结合，其结合强度高于或相当于两者中 强度较低者的抗拉强度。爆炸复合材料可以承受多次和多种形式的压力加工，而不 致分层和开裂，许多爆炸复合材料在经过适当的机械加工和热处理后就是产品。 ( 6 ) 应用上的特点 用爆炸焊接能够制造异种金属的搭接焊接头。这种过渡接头的应用实质上是变 不同金属的焊接为相同金属的焊接，从而为工程技术中出现的异种金属的过渡焊接 问题提供一个很好的手段和解决方法。爆炸焊接与压力加工工艺相联合是传统的压 力加工工艺、技术和产品的丰富及发展。 当然爆炸焊接也有自己的缺陷和局限性： ( 1 ) 爆炸焊接这门学科虽然提出至今已有半个多世纪，但是其理论基础还依 然存在着严重的不足。特别是在爆炸焊接过程中金属材料在受到高压、高速、高温 和瞬时塑性变形中的一些性能研究还非常不够，包括结合区的微观组织也研究的不 充分。而且，对于这一焊接技术的机理至今还未有一个统一的观点。 ( 2 ) 冲击的能量来源于炸药，这对于经验不足的操作人员来说，无疑是存在 一定的危险的，这就更加增加了人们对于此项技术的恐惧性。另外，炸药在爆炸期 间会造成很大的噪声污染。 ( 3 ) 爆炸一般是在室外进行，这样的话肯定会受到天气等自然因素的影响。 而且其难于实现自动化，到目前为止它的机械化程度还很低，主要依靠人力进行， 劳动强度比较大。 5 高速冲击下金属焊接能力的研究 ( 4 ) 在焊接过程中，复板材料的厚度不能太厚，基板材料的厚度不能太薄。 焊接的面积不能无限扩大，对于塑性比较低的材料，焊接强度较低，甚至无法焊接。 1 2 2 电磁脉冲焊接 1 电磁脉冲焊接原理 电磁脉冲焊接是一种非常类似于爆炸焊接的焊接方法。由于电磁脉冲焊接技术 是由电力控制，因此可以直接进行参数的调整，这样当进行生产时它的安全性和重 复性就比较高。通过合理的设计，用适中的能量去驱动飞片( 或管材) ，且不会造 成材料的过热或者熔化。电磁脉冲焊接系统一般包括电容器、驱动装置和焊接工件。 电容器是由一个自感电路和阻抗驱动器组成，图1 4 为电磁脉冲焊接系统原理图。 当电容开始放电时，高密度的电流流过驱动机构，这被看作是初级电流。如果有一 个封闭的电流路径，相关的电磁场将产生强烈的二次电流通过附近的金属工件。这 样，通有电流的工件停留在电磁场中，在驱动器中的初级电流和在飞片中的二次电 流电流方向是相反的方向，它们的相互作用将产生强烈互斥的洛伦兹力。工件以与 驱动器相反的方向被驱动，经过加速后以很大的速度进行冲击焊接。在两个金属接 触面的先撞击点上将产生高应变速率的金属塑性流动以及射流现象。这就清除了两 个金属工件待复合面的氧化层和吸附层等杂质，两个洁净金属表面在高压下紧密结 合而形成金属键焊接，随着整个变形或复合过程的进行，整个焊接表面的都将进行 结合，从而实现了两个金属工件之间的复合或焊接f 1 2 , 1 3 l 。 6 一腓i l卜j 图1 4 电磁脉冲焊接金属原理图【1 3 】 f i g 1 4t h em e c h a n i s mo fm a g n e t i cp u l s ew e l d i n g 1 3 1 件 江苏大 学 硕 士 学位论文 2 电磁脉冲焊接特点 电磁脉冲焊接优点【1 1 6 i ： 1 电磁脉冲焊接的整个过程是非常短暂的，一般只需要3 0 - 一1 0 0 u s ，而且污染 性很小； 2 与爆炸焊接类似，它既可以焊接同种金属，又可以焊接异种金属，即使两种 金属的性质差别很大。而且，现在这种焊接技术甚至可以使金属材料与非金属之间 进行焊接； 3 焊接过程基本上没有温度的上升，可以在常温下进行，材料性能在焊接前后 不变，这是相对于爆炸焊接它所具有的一个优势。另外一个优势是它比爆炸焊接更 安全，更清洁，也更简单； 4 在焊接过程中，参数更易控制，重复性较高，所以更容易实现自动化和机械 化； 5 焊接过程中不需要填充材料和保护气体，焊接后不需要后续处理和热处理， 焊接产品的结合处强度更高，一般要高于强度较弱的母材。 但是电磁脉冲焊接需要利用电磁场，这就要求复板必须是导电并且易发生塑性变 形的。同时发现基板材料的屈服强度要大于复板的屈服强度从而避免基板的极度变形。 电磁脉冲焊接的一般工艺流程分为表面处理一焊接过程一后序的处理，当然这个后序 处理指的只是质量上的检查、性能上的测试等，所以它在工艺上就要求【1 3 ，1 7 1 ： 1 焊接材料的表面要处理干净、保证表面无污染、无污垢。 2 焊接材料必须要具有良好的导电性能，这是它相对于爆炸焊接的一个缺陷， 也是限制这种焊接技术发展最为重要的原因。 3 为保证在焊接过程中有射流的出现，应该在焊接的开始时设定一个倾斜的角 度。 4 当表面处理之后应立即进行焊接，以保证处理过的表面不被吸附层或氧化层 重新覆盖，从而导致焊接困难，甚至焊接失败。 1 3 高速冲击条件下金属焊接技术的发展及国内外研究现状 本文研究重点为高速冲击焊接中的爆炸焊接和受爆炸焊接启发的激光冲击金 属焊接，所以在这里对它们的发展和国内外研究现状做一简单介绍。 7 高速冲击下金属焊接能力的研究 最早记入文献与爆炸焊接密切相关的实验是在1 9 4 4 年由美国人c a r l 进行的， 他在一次偶然的试验中发现了爆炸焊接现象；1 9 4 6 1 9 4 7 年，在前苏联，m a 拉弗 宁吉也夫领导下的科学家小组在进行聚能装药研究时也观察到了钢与铜双金属锥 形试样的界面上的波形：1 9 5 7 年，美国的p h i l l i p c h u k 成功地实现了铝和钢复合板的 爆炸焊接；日本于1 9 5 8 年在延冈火药厂开始了爆炸焊接的研究，首先由旭化成工业 公司和三菱重钢所研究成功，并于1 9 6 2 年达到商业生产水平【1 8 , 1 9 1 。 2 0 世纪6 0 年代中期以后，美、英、日、苏联等国先后开始了爆炸焊接产品的 商业性生产。b a h r a n i 、c r o s s l a n d 和b l a z y n s k i 2 0 - 2 2 1 研究了在大尺寸规模上不同金属 组合的爆炸焊接，他们的研究工作得到了大规模的工业应用。我国爆炸加工的试验 研究于1 9 6 0 年，最初研究爆炸成型，该工艺从1 9 6 2 年起逐步用于生产。1 9 6 3 年开 始研究爆炸焊接，1 9 6 8 年用于生产。2 0 世纪6 0 年代末以来，我国中科院力学所、 西北有色金属研究院、大连造船厂和七二五所等单位相继开展了爆炸焊接的实验和 生产。进入2 0 世纪7 0 年代以后，国内外学者们在理论研究中进入了一个新的阶段。 他们应用电子探针和电子显微镜等手段，从微观上研究了结合区的成分、组织和性 能等。 进入2 0 世纪9 0 年代之后，国内外的研究者对爆炸焊接的机理和后续加工工艺等 发表了大量有价值论文。如解决了厚板之间的焊接，提出了厚板焊接理论1 2 3 1 ；焊后 的热处理分析等幽，为爆炸焊接的发展提供了更加丰富的理论依据。 1 9 9 8 年，s y a n o 明对钼铜材料爆炸焊接进行了实验观察，结果发现钼和铜 可以直接焊合，而且在结合区域也没有熔化产生。同时发现仅仅在铜的一侧有一薄 层结合层，喷射材料也来自铜，这主要是因为铜强度要比钼低很多。 2 0 0 3 年，m u s t a f a a c a r e r 等 2 6 1 通过改变爆炸焊接参数如间距、炸药量及焊接后材 料的热处理与否，对同种材料焊接结合界面进行了微观结构、显微硬度、拉力和弯 曲测试分析。 2 0 0 5 年，a h m e td u 四l t l u 等【钥对铜不锈钢材料爆炸焊接进行了实验测试，实验 结果发现铜和不锈钢能够很好的结合到一起，在结合处也没有金属间化合物出现， 当炸药量增加后，界面结合由平直转变为波状，炸药量和间距增加之后波形也开始 变大。 2 0 0 5 年，在张保奇的硕士论文【勰】中对钛钢和铝一钢组合进行了爆炸试验，并对界 8 江 苏大学硕 士 学位论文 面区的波形、塑性变形、熔化和扩散进行了系统的研究，还对退火对界面区组织的 影响、界面区的断口特征和显微硬度进行了观察。 2 0 0 7 年，n i z a m e t t i nk a h r a m a l l 等【2 9 】对铝钛材料爆炸焊接进行了拉力、弯曲、硬 度、微观结构及腐蚀测试。测试结果发现在进行拉力和弯曲测试后并结合材料未出 现分离现象，在界面结合处硬度值为最高，界面波形随着炸药能量的增加波长和波 幅也在增大。 2 0 0 7 年，在薛志国的硕士论文中【1 1 ，对钛钢爆炸焊接过程进行了模拟和实验分 析，提出了大面积复合板爆炸焊接参数的选定方法，并对焊接界面产生的一些现象 进行了综合性分析。 2 0 0 8 年，b e h e e tg u l e n c l 3 0 l 对铝铜板之间的爆炸焊接进行了实验研究，实验结果 显示这两种材料之间能够很好的结合到一块。且在一定范围内，随着炸药量的增加 结合面的形貌由平直型转换为波状结合面，波长和波幅也随着炸药量增加变大。 2 0 0 9 年，s a a a k b a r im o u s a v i 等p 1 】对爆炸焊接的焊接窗口进行了分析计算，其 计算结果与实验结果相一致。 2 0 1 1 年张园1 3 2 1 对高速冲击焊接技术中的爆炸焊接、电磁脉冲焊接及激光冲击金 属焊接进行了对比试验，实验结果显示它们都可以成功实现同种或异种金属的焊接， 焊接机理比较相似，不过对于不同冲击方法，其在焊接规模上有很大差异。 近些年来，爆炸焊接的研究范围在不断扩大，用爆炸焊接来复合成块体非晶态 合金，以及它将薄带非晶条带焊接在普通金属上用于防腐等。近些年来，有人用爆 炸焊接的方法尝试了使金属和陶瓷焊接的试验结果表明，焊接界面达到了预期的效 果。在焊接界面，金属部分熔化产生了对陶瓷微粒的包覆结构，这一发展趋势表明， 爆炸焊接会使金属和非金属之间的焊接走向更广泛的前景【1 捌。 对高速冲击焊接过程的模拟研究也有很多，但是并没有取得非常理想的效果。 早在1 9 7 5 年，e 1 s o b k y 乘l b l a z y n s k i l 3 4 1 就用流体学方法对爆炸焊接过程进行了研究， 他们得出在焊接过程中材料的变形行为与流体的行为是非常相似的。 1 9 8 4 年，o b e r g 3 5 】等人用拉格朗日有限元方法模拟了爆炸焊接过程，但是只出 现了射流并没有波形界面出现。 t a b b a t a e e l 3 6 l 也用了有限元方法对这个过程进行了模拟，但是只有喷射现象出现。 1 9 9 7 年，在a k i h i s a l 3 7 1 模拟中，界面产生的波形与实验结果非常吻合，但是也 9 高速冲击下金属焊接能力的研究 并没有任何射流出现。 2 0 0 4 年，a k b a r im o u s a v i 3 8 - 4 0 等人用欧拉算法对爆炸焊接过程进行了研究，在 冲击点的材料行为被认为是非常类似于流体行为，模拟中既有平坦结合面又有波状 结合面出现，另外还有射流现象出现。波形的大小和射流的速度也都是可以得到的。 然而，界面波形的成形机理还是不是很清楚。另外虽然欧拉算法可以应用到高速冲 击过程中，但是它的整个历史过程也是很难理解的。 2 0 0 7 年，王建民等【4 1 】采用有限元软件m s c d y t m 对爆炸焊接过程进行了三维数 值模拟，获得了焊接过程中速度及界面压力的分布及其大小。 2 0 0 8 年，t a n a k a l 4 2 用s p h 的方法对爆炸焊接冲击过程进行了模拟，模拟结果显 示了结合面的波状结构和射流现象。 2 0 1 0 年，王呼和等【4 3 】利用a n s y s l s d y n a 对平板金属爆炸焊接过程进行了数 值模拟，获得了爆炸焊接过程中形成的射流及波形，但是这种现象却不是很明显。 2 0 1 1 年，李晓杰等【删利用a n s y s l s d 1 a 运用光滑粒子流体动力学( s p h ) 方法，对爆炸焊接斜碰撞过程进行了数值模拟，所得到的界面波和射流模拟结果与 爆炸焊接生产实际中的现象较为吻合，但是其中的很多机理并未得到揭示。 2 0 0 9 年，d a e h n 和l i p p o l d 4 5 】提出了适合低温点冲击焊接的激光冲击金属焊接技 术。最初的实验是用c o n t i n u u mp o w e r l i t ei im o d e l9 0 0 0 ( y a g ) 激光器进行的。实验 的材料包括1 1 0 0 铝合金和低碳钢1 0 1 0 ，实验结果发现无论是铝铝或是铝低碳钢之 间都是可以焊接到一起的。2 0 1 1 年俄亥俄州立大学的张园嘲在高速冲击焊接技术应 用中对激光高速冲击金属焊接进行了实验性的研究。它是近期发展起来的一项技 术，主要是利用激光作为冲击能量而使金属复合的焊接。这一技术主要适合应用于 尺寸相对较薄，一般在2 0 0 微米或者更薄的材料中，焊接的区域直径在几毫米。它 的突出特点是可以应用于任意的厚度和长度的金属薄，而不依赖于复板的导电率。 这种方法比较适合制造微型装置，比如微型电子机械机构。 1 0 图1 5 激光冲击焊接试样f 3 司 f i g 1 5t h es a m p l eo fl a s e ri m p a c tw e l d i n 9 1 3 2 1 江 苏大学硕 士 学位论 丈 1 4 高速冲击条件下金属焊接研究主要存在的问题 通过上节的介绍可以发现，国内外研究者对高速冲击金属焊接的进行了大量研 究，得出了很多有价值的结论，其在实验上也已经取得了很大的成果，而且很多技 术已经开始应用于商业生产。不过也发现，到目前为止，虽然高速冲击金属焊接技 术得到了广泛的应用，但是其理论研究尚有不足。对高速冲击下金属焊接过程的数 值模拟分析，并没有达到一个理想的效果，远未达到人们对其期待。而为了能够更 好对焊接结合机理进行探索及对生产试验进行指导，需要通过模拟方法去为实验作 参考。因此，迫切的需要一种能够比较理想的模拟高速冲击金属焊接过程的方法。 当性能差异较大的材料之间需要进行大面积焊接时，爆炸焊接是一种比较理想 的技术方法，尺寸相对较小时可以使用电磁脉冲焊接，但是如果复板材料不导电或 者需要尺寸更小、更薄材料之间进行焊接，如需要用来制备制造一些微型装置或者 微型电子机械机构的材料时，这两种高速冲击焊接方法显然不适合。这时，以激光 作为冲击能量的激光冲击金属焊接技术就变得很重要，因为它可以形成毫米级别同 种或异种材料之间的点焊。如上文所述，这是一种新近出现非常有潜力的高速冲击 金属焊接技术，但是这种新型技术方法很不成熟，它的许多机理尚待研究。 1 5 本课题的主要研究内容及意义 1 5 1主要内容 本文的主要研究目的是通过模拟和实验的方法探求高速冲击下金属结合的焊 接机理，确定金属成功焊接的冲击条件和结合特点以及冲击参数对焊接效果的影 响。主要内容如下： ( 1 ) 参数选择对焊接质量的影响 通过对文献资料的查阅，对高速冲击金属焊接技术的机理和成形过程有了初步 的了解，认识到对于不同的高速冲击焊接技术，合理的选择焊接参数对其焊接质量 和焊接成功与否有着至关重要的影响。 ( 2 ) 通过s p h 方法对高速冲击过程进行模拟 通过s p h 方法运用两种不同强度模型进行数值模拟，通过改变模拟( 实验) 条 件，分析比较不同模拟条件下的模拟结果，调整参数组合进行计算，从而找出界面 1 1 高速冲击下金属焊接能力的研究 变化规律，还进一步分析界面波形的形成，试图得出界面结合的机理。 ( 3 ) 基于激光冲击金属焊接技术结合界面的实验研究 由于高速冲击金属焊接技术本身所具有的广泛性和复杂性，以及实验条件的限 制，不可能对所有的焊接技术都进行实验研究。因此，根据自身的实验条件选择了 激光冲击金属焊接技术进行了实验研究，试图找出这一焊接技术的焊接机理以及实 验参数对焊接效果的影响。 1 5 2 研究意义 高速冲击焊接方法很早就被提出并应用到工业中，但是这一技术方法由于其本 身的特殊性、多样性和复杂性，对于它的理论和实践研究还远未达到成熟的标准。 但是高速冲击焊接方法能够使异种金属快速有效的焊接所特有的优点，使对这一技 术方法的研究不论是在学术上，还是在经济和社会效益上都具有非常重要的意义。 本课题通过学习高速冲击焊接的机理，根据被焊接金属的力学和化学性能来合 理的选择参数，模拟分析了不同工艺参数和冲击条件对界面结合和冲击效果的影 响。通过s p h 方法成功复制出焊接界面所呈现的一些特性，如界面波形、射流等以 及参数变化对焊接效果、界面变化的影响。这对于以后的研究，无论是模拟分析还 是实际焊接工艺的制定、产品质量和结合率都有非常重要的意义和实用价值。此外， 还通过实验对激光冲击金属焊接这一技术进行了可行性研究，并对焊接结合面进行 分析，对其实验研究为以后这一技术的深入研究提供了一定的借鉴作用，具有重要 的意义。 江 苏大学硕 士 学位论文 第二章高速冲击条件下金属焊接的主要基础理论研究 高速冲击金属焊接不同于传统的焊接方法，它比较特殊，种类也相对较多。因 为这种焊接过程是一个非常复杂的过程，影响因素较多，而且它们之间的关系也较 复杂，所以至今为止其确切的焊接原理还不是很明确。目前为止也只几种被认为是 较为合理的焊接机理。在高速冲击金属焊接过程中，最为重要的是如何正确的确定 和选择焊接参数，这些参数不仅对焊接结合区的外貌特征和焊接强度有重要的影响， 甚至直接决定焊接的成功与否。为了实现结合区域足够的焊接强度，必须选择合理 的焊接参数。因此在本章内容中，首先对高速冲击金属焊接的界面结合原理及界面 波成形原理进行了理论介绍，其次对焊接主要参数的选择进行了讨论与分析。 2 1 高速冲击焊接过程的结合机理 早在2 0 世纪6 0 年代末7 0 年代初，b a h r a n i 和e z r a 就建立了高速冲击的焊接原理， 这一原理是基于在冲击过程中喷射现象引起的金属结合面的自清理作用使金属很 好的结合到一块【4 7 4 8 】。当两个金属板以一个合适的角度高速撞击时，在冲击点位置， 冲击产生的应力大大超过金属的屈服应力，变形的金属结合面就形成了射流。喷射 沿着结合的表面逐渐传播，清理了表面的氧化层，留下两个清理后的结合面，同时 在原始结合面处存在着很高的接触压力。冲击的压力使结合面的原子之间到达非常 近的距离，使得原子之间进行化学键和金属键的结合，从而使结合区达到及其高的 强度。b o t r o s 、g r o v e s 和s a l e m 等称在焊接过程中产生的这种喷射现象是冲击焊接 的重要组成部分 4 9 - 5 1 1 。2 0 0 6 年，p a l m e r 等人发现在冲击过程中经常会伴随着严重的 塑性变形、机械合金化及快速固化的局部熔化现象，而高的变形率又使这个过程具 有流体学的特征【5 2 】。由于包括k e l v i n - h e l m h o l t z l 5 3 , 5 4 1 不稳定性的多种不稳定性作用， 焊接结合面经常是高度的多相化。不稳定性包括沿着焊接结合面与波形形成和发展 密切相关的动态剪切应力和剪切形变流。以前的实验研究工作也表明在结合面处存 在着波状的结合形态