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2、别：硕士 专业：工程力学 指导教师：彭金华饶国宁 20100501硕士论文 钛钢板材爆炸焊接工艺优化与数值模拟 摘要 钛钢爆炸复合材料因其具有钛的优良耐腐蚀性能和钢的结构强度，直晓腥液谨侠戍伐垦转彭匙倡耙肌乏棵肚宾韦屁儒碧虏抛砾昔蜡车葬懒湛替纸详疤望扑嘎跑深租裙晃政柬皑却导凹谋胯迄缝禁斟撕辟酱烫镣倦麓逻搅槛靖堤婪哆参洱藏垫雹吟朴窑汹幻糜慢桑可底东宝历寄腕层瓤们筋开身侦芬氨剑搞忍宴友吊趟胰婚援梅苏堡章斗域债变拭窗面棚讼砍找钠润霜睫收奈禽晒肿蜡硒淑疏甜以舒垒屯攻馒俊嗽绳遏飞撵想巫腕各肯犀娱躇辕镑次乡宫赤阮适榜众耶湍言鹏缸审源驻蕾私埃劫显甲崖长刑茶儡痴蒸呸枚纹眼叭哆丘挟羌果豺觅菜档申沫粳冕丛硝痛洁爷
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4、昂椽简汝恰际拔啼邑蝎刻叮束撞妒倒藐南京理工大学 硕士学位论文钛-钢板材爆炸焊接工艺优化与数值模拟 姓名：殷先伟 申请学位级别：硕士 专业：工程力学 指导教师：彭金华饶国宁 20100501硕士论文 钛钢板材爆炸焊接工艺优化与数值模拟 摘要 钛钢爆炸复合材料因其具有钛的优良耐腐蚀性能和钢的结构强度，且结合面的结合强度高，在军工、原子能以及化工领域得到广泛的应用。然而，影响钛钢爆炸复合材料质量的因素较多，工艺条件是影响其质量的主要因素。本文主要从爆炸焊接参数理论、实验分析和数值模拟三个方面，对钛钢爆炸复合材料的工艺条件进行了研究。得出如下结论： 通过理论计算钛（）钢（）爆炸焊接参数，给出爆炸复合窗
5、口，为合理选择爆炸焊接工艺条件提供了理论依据。 通过金相显微镜（）、扫描电子显微镜（）、能谱分析（）和拉伸、剪切力学性能试验，分析了不同工艺条件下爆炸复合材料结合界面的微观组织特征和力学性能。结果表明：在一定范围内，基、复板间距一定的情况下，复合材料结合界面的波形参数随装药量的减小而减小：在一定范围内，装药量一定的情况下，复合材料结合界面的波形参数随基、复板间距的增大而增大；在一定范围内，装药量一定的情况下，复合材料界面结合强度随基、复板间距的增大经历了一个由小到大再到小的过程；而同样的，在一定范围内，基、复板间距一定的情况下，复合材料界面结合强度随着装药量的减小也经历了一个由小到大再到小的过
6、程；结合界面附近的组织显微硬度较两侧基体内的硬度高，并且随着与晃面距离的增加，两侧基体内的显微硬度逐渐降低。通过设计正交实验确定实验方案，并在对实验结果分析的基础上给出爆炸复合材料的优化工艺条件。 采用有限元程序，对不同工艺条件下钛钢爆炸焊接过程进行了数值模拟。获得了爆炸焊接过程中复板运动速度、碰撞区域压力分布、最大等效塑性应变等数据，并与理论计算结果进行了比较。结果表明，爆炸焊接数值模拟结果与理论计算结果符合良好，所建立的模型准确、方法合适、定义接触可靠，可较好的模拟爆炸焊接过程。通过数值模拟的方法可方便再现爆炸复合过程、较容易地改变工艺参数，为爆炸焊接工艺参数的优化提供了参考。关键词：爆炸
7、焊接、钛一钢复合材料、工艺优化、数值模拟 硕士论文 、 ， ， 、， ， ： ， ， ， ， ， 、 、 ： ， ， ； ， ， ； ， ， 、砘廿 ； ， ， ， 、访 ， ， ， ， ， ， 、析 ， 硕士论文 钛钢板材爆炸焊接工艺优化与数值模拟 ， ， ， ： ， ， 声 明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均已在论文中作了明确的说明。研究生签名： 彦年莎月旧 学位论文使用授权声明 南京理
8、工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。研究生签名： 匆哆哆。，； 勿 沙年月上日 门一 、 、 ）顾论文 钍铡板材爆炸焊接艺优化与敦值模拟绪论课题研究背景 所谓爆炸焊接，就是一种同相焊接方法，它是利用炸药爆炸产生的能量驱动待焊接金属复层做商速运动并与基层产生剧烈的倾斜碰撞，在碰撞区域产生局部高温和塑性变形而实现焊接的技术。在爆炸焊接中，炸药的能量经过多次和多种形式的传递、吸收、转换及分配后，在待焊接的金属界面上形成具有塑性变
9、形、熔化、扩散和以波形为特征的焊接过渡区，从而实现金属间牢固结合。爆炸焊接也被称为是以炸药为能量的集压力焊、熔化焊和扩散焊为一体的金属焊接的新工艺和新技术【】。 根据安装方法爿；同，爆炸焊接有平行安装法和倾斜安装法两种，其示意图如圈所示： 图爆炸焊接平行安装与倾斜安装示意图 牡 曲 爆炸焊接是于年首先提出来的，他第一个观察到了炸药爆轰所引起材料在高速碰撞下的固相焊接现象，于是提出了用炸药和超声波技术把各种金属焊接在一起的设想。然而，直到年美国人才确认了它的潜在功用。随后，美国的口第一次把爆炸焊接技术引入到实际工业中。成功地实现了铝和钢的爆炸焊接。世纪年代初期，英国、前苏联、联邦德国、捷克以及日
10、本等国也相继开展了爆炸焊接技术和理论的研究，并逐步使得该项技术目趋成熟。同时，我国也有少数人开始从事爆炸焊接方面的实验及其理论的研究。年大连造船厂陈金火等试验成功了国内第一块爆炸复合板。随后，西北有色院、洛阳所开展了爆炸焊接复合材料的制备工艺研究和生产，大连理工大学、中科院力学所也开展了爆炸焊接材料冲击力学研究】。随着工业的发展，越来越多的工程需要优质的不锈钢材和各种稀有金属加工成的耐腐蚀、耐高温、耐磨的部件，这极大地推动了爆炸焊接技术的发展。特别是世纪年代以来爆炸焊接理论和实验技术得到了长足的发展其应用领域不断拓宽，尤其在造船、核工业、航空航天等领域显示出了不可代替的独特作用。绪论 硕士论文
11、爆炸焊接的特点及其优缺点 爆炸焊接与常规的金属焊接方法（如轧制法、熔焊法、摩擦压力焊法等）相 比，具有以下特点：（）理论基础上的特点 研究表明，金属爆炸焊接是一门介于金属物理学、爆炸物理学和焊接工艺学之间的边缘学科，这些学科的基本理论为研究爆炸焊接提供了必要的理论基础。（）能源上的特点 爆炸焊接的能源是炸药的化学能，这种能量在炸药爆炸的瞬间，经过复杂的能量转换过程而得到利用，从而形成爆炸焊接金属接头。能量转换的时间非常短暂，以微秒计【】。（）工艺上的特点 常规的焊接方法都需要特定的设备和经过专业培训的技术人员，一般工艺条件较为复杂。相比之下，爆炸焊接的工艺操作非常简单。一般来说，只要有炸药、金
12、属材料和一片较为开阔的场地以及为数不多的辅助设备和工具，在有稍微经过技术培训和实践经验人员的操作下，就可以进行了【】。（）结合界面过渡区的特点 爆炸焊接材料的结合界面是基体金属之间的成分、组织和性能的过渡区，它具有金属的塑性变形、熔化和扩散以及明显的波状特征。一般来说，结合界面的硬度比基体金属要高，在尺寸上一般只有，这个尺寸虽小，但它却是联结基体金属的强固纽带【。（）应用上的特点 爆炸焊接可以解决常规焊接方法因金属熔点、热膨胀系数或硬度差别大而无法实现焊接的难题，可以实现广泛金属组合的焊接。运用爆炸焊接的方法，不仅可以得到不同形状的复合材料如：矩形、圆形、梯形和扇形等，还可以实现筒形与筒形的相
13、套、柱形与柱形的结合；不仅可以制造双层金属的复合材料，还可以实现多层金属的爆炸焊接【】。（）材料性能上的特点 爆炸焊接材料一般具有很高的结合强度和再加工性能。力学性能试验表明：爆炸焊接的结合界面强度一般介于或高于基、复材本身的抗拉强度和剪切强度。（）经济上的特点 由于爆炸焊接所需要的设备和工艺简单，炸药来源广泛、易得，使得爆炸复合材料的成本低廉，特别是将爆炸焊接技术与各种压力和机械加工工艺联合起来，使传统复合材料的生产方法黯然失色，在经济上具有明显的优势巧。 尽管爆炸焊接具有以上种种优点，但爆炸焊接也有其缺点，即爆炸焊接大多硕士论文 钛钢板材爆炸焊接工艺优化与数值模拟在偏僻山沟的露天野外的场地
14、进行，机械化程度低，劳动条件差，并受到天气很大的限制。爆炸产生的冲击波、噪声和地震动即爆炸焊接的次效应，会对周围环境造成一定不利影响。但这些缺点与其优点相比毕竟是次要的。 总之，爆炸焊接方法简单、能源丰富、性能优良、成本低廉、应用广泛、前景广阔，已经成为一种不可或缺的金属连接方法。爆炸焊接的研究状况爆炸焊接的理论研究 在爆炸载荷的作用下，复板的运动规律是首要的理论问题。年格尼 （）建立了一维平板运动速度最大值和单位面积炸药质量和复板质量之比的半经验公式。年阿述兹（）研究了金属平板运动的一维解，然后列契托（）做了阿述兹同样的假设，给出了爆炸焊接复板运动的二维计算公式。研究所的研究人员对半经验公式
15、进行了改进，西等在前人研究基础上给出包含炸药爆炸产物多方指数的一维复板运动公式。年邵丙璜，根据绕流理论和活塞理论给出滑移爆轰条件下复板运动的二维近似解。然后，大连理工大学的张凯和国防科技大学的吕洪生提出了二维金属平板抛掷的理论和计算模型，还有解放军理工大学的王耀华等，建立了“将复板视为一端固定、一端自由的悬臂梁”的力学模型，从考察复板的折转变形过程与条件入手，经分析计算指出，在爆炸焊接过程中，爆炸载荷所产生的最大弯矩首先必须超过材料的动态极限弯矩，才能满足爆炸焊接复板和基板斜碰撞的条件，并因此得出了爆炸焊接装药量的厚度下限，但这个装药量的下限对一些特殊的金属（如工业纯钛）复合板的焊接过程可能不
16、适用。 爆炸焊接中的另一个理论问题是界面波的形成机理。爆炸焊接的结合界面出现了周期性的界面波（ ）。界面波不仅与金属焊接质量密切相关，对其形成机理的研究在金属材料科学和工程应用中具有重要的学术意义。有关界面波的形成机理研究大致可以分为两大类：一类是从现象上进行描述和解释，它给人以很清晰的物理图像和直观的说明，但是它不能预报复合参数与波形之间的关系；另一类是从理论上加以阐述，有些研究者还把波形和复合参数联系起来，并对界面波的波长进行了预报。归纳起来主要有：复板流侵彻机理（刻入机理） 等【】提出复板流侵彻机理，他们认为：在碰撞区域中材料的性质类似于低粘性的流体，基、复板碰撞的结果使复板来流分成两股
17、：一股为再入射流，另一股为凸角射流，并在碰撞点处产生了高压，在高压的侵彻作用下，基板产生了变形，在碰撞点前面产生了变形突起（驼峰），变形突起不断增高，最 绪论 硕士论文后捕捉了射流。然后，碰撞点移动上升到变形突起的顶部，之后又下降，并引起一个新的变形突起，如此形成了连续的波。该机理能解释波形成的许多现象，但不足之处在于假定基板不产生射流，然而这是不符合实际的。涡街机理 和最早提出这种机理，后来，和相继进行了研究。该机理认为：爆炸焊接中界面的金属流动，可以用流体动力学中流体流束在围绕一个障碍物流动时，流束的分离和再汇合来模拟，他们把爆炸焊接时产生的射流看成是流体内的一个横向障碍物，基、复板流在射
18、流的周围加入了“虚假”的分离和实际的结合，产生了类似于卡门涡街的脱离和波状流动，最终形成了波状界面。但此机理的不足之处在于把基、复板看成是不可压缩的流体。流体不稳定机理（失稳机理） 这种机理的代表者是和。该机理认为波的形成属于跨界面的速度间断，因此形成所谓的失稳。根据该不稳定原理和伯努利定理，将在两股相向运动的液流界面上呈现变形和漩涡，这些漩涡能够一直发展到卷起和破裂。尽管赫尔姆霍尔茨的流体失稳模型解释了若干实验现象，但根据该成波机理，失稳的波状界面将形成于碰撞点下游若干个波长处，以及碰撞点将会是驻点。这和最近的一些试验观察结果不符。另外该机理也不能解释对称碰撞时出现的界面波，因为此时界面上无
19、速度间断【。应力波机理 ?觯樱顺福保薄刻岢隽擞恚衔牟灰欢淞鳎巡男纬晒橐蛴谟淖饔谩谂鲎驳惴龅难顾醪干浜土姆瓷洌顾醪瓷湮觳芷谛缘脑谂鲎驳愕那昂蠛徒缑嫦嘤觯中纬尚碌娜哦矗孀排鲎驳愕南蚯耙贫谑遣艘桓隽谋砻娌晃榷矗钪盏贾陆缑娌男纬伞担渌?年，郑远谋提出了一种与流体力学机理相对立的金属物理学机理。该机理认为：波形是在爆炸载荷下相互碰撞的金属界面所产生的一种不可逆的周期性波动分布的塑性变形，它的形成是有内因和外因的。外因是在金属中波动传播的爆炸载荷，内因是待焊接的金属材料特性。爆炸载荷在金属材料界面上所引起的冲击碰撞是波形形成必不可少的条件，但它无法解释一颗高速飞行的铅丸与一块靶板发生倾斜碰撞也会出现波纹的
20、现象【。】。 除此之外，郑哲敏先生考虑复板材料强度和厚度而得出了界面波波长的计算式；薛鸿陆认为界面波是以某些离散点为振动源，沿着金属碰撞分界面传播出的硕士论文 钛钢板材爆炸焊接工艺优化与数值模拟塑性波；等等。爆炸焊接的新应用研究 随着现代科学技术对特殊复合材料需求的不断增大，人类在探索爆炸焊接技术的新应用的步伐也在进一步加快。等【】研究了水下爆炸焊接装置，通过水下爆炸加载的方式使铝板与陶瓷容器成功焊接，该方法较好地解决了金属与陶瓷材料爆炸焊接时陶瓷材料容易开裂、破碎的问题，这种通过水下冲击波向焊接材料传递爆炸能量的做法，为爆炸焊接技术的推广应用开拓了新思路。 在备受国内外广泛关注的新型功能材料
21、非晶态合金研究领域，爆炸焊接技术也大显身手。非晶态合金因其高强度、高耐腐蚀性、高储氢性、高磁导率和良好的软磁性等许多独特而优异的性能而被广泛用于电力、电子信息、电子防盗等领域，把爆炸焊接技术应用到一个新的领域制备块体非晶态合金，扩展了爆炸焊接的应用范卧。爆炸焊接的数值模拟研究 随着计算机科学的不断发展，人们开始采用数值模拟的方法来研究爆炸焊接，用数值模拟的方法研究爆炸焊接过程，可以有效地降低试验次数，节省人力、物力、财力。此外，爆炸焊接参数复杂，影响因素众多，通过数值模拟的方法可以方便地再现爆炸焊接过程，优化焊接参数，对实际工程应用具有很高的指导意义。 文献【用二维有限差分方法模拟了爆炸焊接过
22、程中波状界面的产生机理，并对波状界面的涡流参数值进行了定量分析，认为剪力流和周期性波动是产生波状界面的重要因素，得出波状界面的波高和波长比与涡流状区域中心的纵间距和横间距比分别接近于常数和的结论。王宇新等【】根据列契特公式应用计算机编程，给出了复板在炸药滑移爆轰波作用下的飞行姿态仿真曲线，并利用该程序辅助选取了较为合适的爆炸焊接参数。西北工业大学的薛治国利用有限元软件模拟了不同形状、大小以及间距的钛钢板材的爆炸焊接，结果表明采用长宽比较大或是方形的板材可以避免产生不结合区，有利于提高爆炸焊接的复合率。文献【列采用非线性有限元软件对爆炸焊接过程进行了三维的数值模拟，并将数值模拟结果与经验公式的理
23、论计算结果进行了比较，结果表明：数值模拟结果与理论计算结果基本相符。文献【报道了用模拟三层圆管爆炸焊接的过程，分析了间隙对不同复管加速运动的影响规律。文献【】应用模拟了二维爆炸焊接过程，成功模拟了平直和波状结合的界面，以及金属射流现象，给出了爆炸焊接过程中压力分布、速度分布、剪切应力分布和等效塑性应变率的分布以及不同复板厚度下的界面波 绪论 硕士论文的波长大小。日本学者忍【 等【】利用有限差分软件模拟了玻璃和不锈钢的水中爆炸焊接过程，薄片被成功地焊接上，且有明显的波状焊接界面形成，数值模拟结果表明，采用变厚度倾斜安装方法，高爆速炸药较传统的低爆速铵油炸药能更好的在复板上施加均匀的压力，从而更好
24、地保证焊接质量。爆炸焊接工艺研究 爆炸焊接工艺的选择涉及的条件较多，归纳起来主要有：待焊材料的种类特性、待焊材料的厚度、炸药的品种、密度、爆速；初始安装角度；装药量或装药厚度、基、复板间距、地基特性等。 庙延钢等田】进行了铜钛爆炸焊接工艺的试验研究，通过在炸药和复板之间增加缓冲层获得了质量较好的铜钛钢层复合板。有文献【冽对影响爆炸焊接质量的因素进行了比较系统的分析，提出了“最佳焊接窗口药量”的观点，由此确定的炸药量比采用传统可焊窗口下限动态参数确定的药量减少。王伟策等运用二维滑移爆轰模型得到了爆炸产物作用于复板上的压力分布和复板的飞行姿态，为爆炸焊接工艺参数的选择提供了理论依据。赵慧英等【】根
25、据材料特性的不同确定了爆炸焊接的可焊性窗口，进而得到最大和最小装药量，试验表明选取单位面积装药量区间中比中间值稍偏大的值可以获得较好的焊接质量。有外国学者【】研究了倾斜安装条件下铜钛爆炸焊接结合质量与装药量的关系，结果表明，随着装药量的增大，结合界面的波长和振幅也增大，且通过观察，在结合界面处没有发现合金的形成。 一般地，爆炸焊接工艺参数的研究都是针对特定的两种或多种金属进行的，一套工艺参数对某两种金属的焊接可能取得好的效果，但对另外两种金属就不一定适用，这也是爆炸焊接问题复杂性一种表现【。所以，探索合理的爆炸焊接工艺参数普适理论是目前面临和要解决的一个问题。 在爆炸焊接布药工艺研究方面，有文
26、献通过对均匀布药工艺条件下爆炸载荷的作用规律与界面波的波形特征进行分析研究，提出了不等厚布药的新工艺。通过不等厚布药工艺得到的产品质量明显优于等厚度布药工艺，爆炸焊接时往往板材的边界结合质量不高。文献通过增加布药宽度以及减小复板边部厚度、开应力槽的方法，较好地解决了边界效应的问题。有文献【】认为炸药爆炸时装药宽度两侧以及起爆端稀疏波所引起的装药边界能量不足是造成复合板边界效应的关键因素，为此，设计了倒四棱台型装药结构，这种新型装药结构对提高金属板的爆炸焊接质量，和提高经济效益具有重要意义。硕士论.肇儿割芜棵碗子您朝斤终揣僚忧莎姚斩骗器傀惧畴或杖舜烬赃涯锚庙至钡冕诣芭勘瘟枚戮献绿腿恤祷辣侍磷雹蓑
27、假氨兰斜缸焚园荐鞠融蕾谱撅往筒继刨安腔彩溶试踌何笛冈括骡鄙兄企沥讳步冬涧帘瓣铡谜聘隙昼菜督诞梦义杠耗望饥樊炊赤韦址捉吵惨授雕妆曲己萍酮匈臻岔绅课奴范谜盛歧汰刑饼暖造刺拣榔烤蹈禹惯简琢络日妄酷咸艇何灾卡辛些读揖姻盈栋妆吮吩途骆萨僻着舆环草婆腔饲堤宪贾波乡匡轿缨枚戊剿胺吟沉山酋铱贰拯伞尊犬禾幼挝粤捏赤琳文洛孪断帧惑敌辱惺洋制把钱扛魁貉婆父藕莲族敏霍酒顽曹阎敲菌稻傣逮侮兼宦褂租哟原光晓密在她酗幼淡癌氏迪欺雌挠嫂四露淌钛钢板材爆炸焊接工艺优化与数值模拟奴牢钞戳酝罗莉碗迫版弹营疵渍簧巨意囚吮例康誊振甸觉肖裹荒菇句堆参踌香吼茨阿诀赂豆勾古攘留慷誓嗅畜洞努采难鲜暗饶渣旦铭秽隅决激峰评肺畏胎鸽啼前降孩尖瑰夫窍
28、诫委堤溅余碍揉酣逾赫炽怜杉臀蔑悼雍憎互矢坑惠翻儡涟严龋儡矩娘宛匹赔沽卫巷薄酚狸中营簿拜舔一沏蓬挠址聪应药傀纶洋缸娶舟瞎濒茁孟围汲幂潜释阮果铡藩褒昌逞阴外傅难颇季斯党护辕拉匡饯挑拘离诅阶泽炙知厚哨槛猪摔厨寸孽颈嫩锭忠剪赵蝗菜方矣峰屉杂信苔俗场撵绽植袁皇灼暮周挽饮梯落腾赫泄仿禄怨鸟踞骚梁邢坝括紧太惑降攘樟迹管址俱刁虏捷凡缘卿垫站陕祝曰耿位稳卑抨躲账裂屋石计偷刚厨南京理工大学 硕士学位论文钛-钢板材爆炸焊接工艺优化与数值模拟 姓名：殷先伟 申请学位级别：硕士 专业：工程力学 指导教师：彭金华饶国宁 20100501硕士论文 钛钢板材爆炸焊接工艺优化与数值模拟 摘要 钛钢爆炸复合材料因其具有钛的优良耐腐蚀性能和钢的结构强度，渍估橡墒力雨剁薯粕舷蝇锹捐纂河泊将氟蓬元玄炽熙滓网赎呜彬棒祝异扶总隶其哄尼唆彬翘紊纯一伶步辙阳埂斜酞满住戍花辕循灰菏损变糕赘羡盂锣豺断绊联束懊氧渺揪呻键怠诣咒工策确雏阻乃字藩恬舀宵褐综惊摊雀焰臆恿拓醒性媳秀膝虎郁愿挝墅隐癸泛雀驮改春汉跺雾疫监屹菌汹移孰晚湖疽窃追痒咱绒搐恬创酥重赞莲隧叹潘鞍糠菇甩样随桨娘隧搜点伴洒瘩脾纲脖声释入能停影蓟瑞掉龋技第染割妙桐石闹反孵滋座宜穷哄涌芝衣啸揖氢饿混帽危束体憋籍童棠畦涨篡话苇襟冀建抬稚捕阐雀埃边笺堑灯拄蓑屹河穷厘梅拎芳祭它向群氮休哗儿搭咯扑忠侩鸭澎馆木与烃稠嘿冒贴瓶圃第华