爆炸焊接界面细观缺陷产生的力学机理研究

Micro-defects ,like adiabatic shear bands, metallic compounds, vortex- voids and slag oxides in the wavy interface of explosive welding, seriously affects the reliability of welding interface. Meanwhile, the Formation mechanism of interface waves and the welding mechanism are also the basic questions in the explosive welding research. So, in this project, These mesh-less numerical methods, Smoothed Particle Hydrodynamics(SPH) and Material Point Method(MPM),will be used to research these questions. With modeling explosive welding, the formation and evolution of interface-wave, vortex- voids and adiabatic shear bands will be calculated. Then, these rules of formation and evolution will be carefully corrected by the experiments of explosive welding and achievements of earlier research. The following work is the calculation of Molecular Dynamics(MD). By establishing an impact shear atomic model, the diffusion rates of interface atoms will be determined. The diffusion rates should include the relationship of temperature, pressure ,shear deformation and stain rate. The thickness of diffusion layer in explosive welding interface will be calculated by using the diffusion rates and conditions in explosive welding interface which have got in SPH or MPM. Therefore, compared with explosive experimental results, the condition of crack initiation in brittle interface compound layer will be studied. Finally, According to above results, some typical explosive clad metals will be tested at their typical working condition in use. These micro-defects in their welding interface will be classified and quantified. The bonding strength, impact toughness and permeability of interface will be tested to establish relation with the quantity of micro-defects and guide application of clad metal containing defects in theory.

爆炸焊接波状界面中存在有绝热剪切带、金属间化合物、漩涡孔洞、夹渣等微缺陷，这些微缺陷会影响焊接界面的使用性能，同时，结合界面的形波机理与焊合机理也是爆炸焊接的最基础理论问题。项目拟采用无网格的光滑粒子动力学、物质点法为主要研究手段，通过计算模拟爆炸焊接界面的形波、漩涡孔洞、绝热剪切带的形成过程。将模拟结果与爆炸焊接实验相对比，结合前人的研究成果，确定界面波演化规律、界面绝热剪切断裂条件、旋涡孔洞演化规律。再用分子动力学计算，研究冲剪条件下原子的扩散规律；用无网格方法计算获得的界面环境条件，结合分子动力学计算的原子扩散规律，研究爆炸焊接金属界面的扩散层厚度，与实验对比，确定爆炸焊接的结合机理，研究脆性金属间化合物层中裂纹的演化规律。最后，选用典型材料，在其典型工况下，研究其界面强度、冲击韧性、气体渗透率与各类微缺陷及其含量的关系，以确定微缺陷的许用度，以达到理论指导实际的作用。

爆炸焊接技术已取得较广泛的工业应用，随着应用领域和需求的增加，爆炸金属复合材料面临着高低温、强腐蚀、核辐射、交变与冲击应力等复杂的极端工程环境，对材料的焊接质量要求也越来越高。爆炸焊接波状界面是其独有的特点，也是高强的焊合原因所在。在波状界面中存在有绝热剪切带、波后漩涡、金属间化合物、熔体与铸造组织、快淬组织等复杂的金相组织结构，其中也会包含有夹渣、微裂纹、微气孔等各种微缺陷，有时会严重地影响其使用。本项目针对爆炸焊接界面微缺陷控制这一工程实际难题，结合结合原理、成波机理的爆炸焊接基础理论研究，建立了爆炸焊接参数与微缺陷的理论联系，实现了控制焊接微缺陷研究目的。项目通过建立热力耦合的光滑粒子弹塑性流体动力学SPH计算方法，模拟爆炸焊接下限高速变形行为；以分子动力学计算研究焊接界面原子在高压与剪切联合作用下的扩散特征；说明了爆炸焊接是依靠碰撞微射流的高压与极大塑性流动变形，促使金属界面熔化，再由基体材料快速冷淬固定的独特结合原理。结合原理为依靠微射流形成条件建立的双金属爆炸焊接窗口提供了理论依据。以大量材料的实验观测和数值模拟，将流体弹塑性失稳的界面成波机理推广到实际的不同强度、双金属爆炸焊接中，建立了界面波的与爆炸焊接参数的预测关系。依靠对爆炸焊接界面波的预测计算，结合对界面漩涡孔洞、剪切断裂条件的研究结果，以及双金属爆炸焊接计算机辅助设计，构成了对界面焊接微缺陷的控制方法。在项目研究中，还通过改进连续电阻丝测试法，建立了爆炸焊接参数现场测试的方法，爆炸焊接炸药爆轰状态方程反演的非等熵特征线法方法。发展了用于大型爆炸焊接仿真的无网格物质点MPM方法，提出了气体保护和真空爆炸焊的新方法，并在爆炸焊接产品开发与改进中取得了实际工程应用。