作者简介: 王克鸿 ( 1963 ) , 男, 安徽芜湖人, 博士学位, 教授, 博士生导师, 主要从事先进焊接方法、异种金属焊接、焊接过程智能控 制 技术的研究。江苏省第二届 ( 2006 年 ) 十大杰出专利发明人 , 江苏省 青蓝工程 中青年学科带头 人, 江苏省 333工程 培 养对象, 南京市焊接专业委员会主任委员, 江苏省焊接专业委员会副理事长。获国防科技二等奖 1项、三等奖 2 项, 兵器工 业 科技二等奖 2 项, 江苏省自制仪器设备二等奖 1 项, 江苏省科学技术进步奖三等奖 1项。近年来发表学术论 文 70 余篇, E I及
SC I收录 50 余篇。
爆炸焊接技术研究进展
王克鸿, 张德库, 张文军
(南京理工大学 材料 科学与工程学院, 江苏 南京 210094)
摘 要 : 爆炸焊接是一种通过在金属表面 施加可 控的爆 炸能量 以实现金 属连接 的固态 焊接方 法。介绍了爆炸 焊接的概念和发展历史, 并对近几年国内外在爆炸 焊接理论、试验和 数值模拟 以及应用等方面 的研究进展进行了综述, 提出了未来爆炸焊接技术 发展的几 个重要方面, 并指 出今后 爆炸焊接技术的研究要着眼于非晶合 金以及 具有耐 高温、耐腐蚀 等优异 性能材 料的研 究, 以满足人们对材料性能的要求, 并展望了爆炸焊接的发展趋势。
关键词 : 爆炸焊接; 现状; 发展趋势
中图分 类号: TG 456. 6 文献标志码: A 文章编号: 1671 5276( 2011) 02 0001 04
R esearch D evelopm en t of Exp losiveW eld ing Techn ique
W ANG K e hong, ZHANG D e ku, ZHANG W en jun
(D epartm ent o fM ateria ls Science and eng ineering, Nanjing University of Science and T echnology, N anjing 210094, Ch ina) Abstrac t:Exp los ion w eld ing ( EXW ) is one of the join ing m ethod s con sisting of a solid state w eld ing process in wh ich controlled explos ive detona tion on th e su rface of a m eta.l Th is paper introdu ces the con cep tion and the h is tory of th e exp losive w eld ing techn ique. A nd th en a b rief summ ary is given, w h ich is about the research developm en t of exp los ive w eld ing in the aspects such as theoret ical analysis, trials and num erica l sim u lat ion, practical appl icat ion. Som e im portan t aspects about the fu ture developm ent of exp losive w eld ing are po inted out. Fu tu re research of exp los ivew eld ing techn ique shall focus on the developm en t of non crystal alloy and material w ith characteristics such as th e ab ility of bearing h igh tem peratu re and corrupt ion to sat isfy the requ irem en t of new property. A t last future developm ents in exp losive w eld ing are pred icted and criticized in an ou t look.
K ey word s:explos ive w eld ing; actuality; developm en t tendency
如今, 随着工业技术 的不断 进步, 人们对 材料的 性能 都提出了新的、更高的 要求以 满足工 业需要。 并且, 单一 的材料在生产实际 中常受 到诸多 限制, 因此, 复合材 料越 来越多的受到关注。例如低碳钢通过与 铝、钛或不锈钢等 材料复合可以很好的 克服其耐蚀性差的不足, 从而可以在 生产中得到更多的应 用。
在复合材料的制 备工艺中, 爆炸焊以其广泛的可焊材 料组合以及在品种、规格、产量 、品质、市 场、成本和效益上 的优势, 越来越多的受到人们的关注。
爆炸焊 ( exp losive w e ld ing, EXW ), 亦称 爆 炸复 合, 是 一种固态焊接。它是以炸药作为能源, 利用炸药在爆炸时 产 生的冲击波 使两层或多 层的同种 或异种材料 高速倾斜 碰撞而结合在一起的 方法[ 1]。
爆炸焊接是 L. R. Car l在 1944年首先提 出来的, 他第 一 个观察到了 由炸药爆轰 引起的材 料在高速碰 撞下能够 实现固相焊接, 于是提出了利用爆炸和超声波技术把各种 金属焊接在一起的设 想。随后, 美国 的 Philipchuk 第一次 把爆炸焊接技术引入 到实际工业中, 成功地实现了铝与钢 之间的爆炸焊接。之后, 关于爆炸焊接的工业应用以及理
论、试验研究便在英国、苏联、德国、捷克、日本等国迅速展 开。我国对爆炸焊的研究开 始于 20世纪 60年代, 1968年 大连造船厂试制成 功了第 一块爆 炸复合 板。人们 对材料 的性能的高要求极 大地推动了爆炸 焊技术的 发展。自 20 世纪 80年代以来, 爆炸 焊接理 论和实 验技术 得到 了长足 的发展, 应用技术也有了许多创新, 使得该技术在化工、石 油、制药、造船、军事, 甚至核工业、航空航天等领域都有广 泛的应用。
1 爆炸焊接的理论研究
把握爆炸焊的机理, 对于有效控制爆炸焊接品质和指 导工程实践具有重 要意义, 但到 目前为 止仍没 有能 全面、
准确地定量化描述 和预测 爆炸焊 接的参数 以及金 属结合 特征的理论。为 了揭示 爆炸 焊接的 机理, Ph ilipchuk提出 了爆炸熔化焊接理论, 他认为爆炸焊接的本质是金属的熔 化焊接, 高速金属射流的动能在瞬间为交界面金属的熔化 提供了充足的热能, 从而使交界面处金属得以熔化而形成 焊接。之后, H amm erschm ich等提 出了该 理论的 另一种解
综述与展望 王克鸿, 等 爆炸焊接技术研究进展
释, 即其本质是界面处的金属在极短的时间内达到远高于 金属熔点的温度, 随后又快速冷却并使金属得以结合。但 是该理论不能解释非 常薄的金属板的爆炸焊接, 因此该理 论存在缺陷。
Crossland提出的爆炸压力焊 接理论 认为 足够时 间的 爆炸压力会使金属在 交界面处产生大的塑性变形, 金属射 流会使金属产生扩 散从而 达到实 现结合。我 国学者 史长 根通过研究认为, 爆炸焊 接是一 种特殊 的压力 焊, 界 面高 压高温为两表面的固 相结合创造了两个前提条件, 而复板 表 面载荷的特 点以及碰撞 结合过程 决定了爆炸 焊接满足 压力焊接的三阶段理 论[ 2]。
在爆炸焊接中, 研究金属复板的运动规律对于揭示爆 炸焊的机理、正确确定焊 接参数、提 高复合板 的焊接 品质 和复合率具有重要意义。当炸药起爆后 , 产生的爆轰波作 用到复板上使其发生弯曲、运动和加速。随着对于复板运 动规律研究的深入, 人们提出了一系列的公式对其进行描 述。目前这些计算公式大致有 三种类型。
G urney根据简单的能量 关系首 先提出 了描述一 维复 板运动的半经验公 式, S tanfo rd研 究所的 研究 人员对 此作 了改进。半经验公式的优点是公式结构 简单, 通过实验方 法确定系数后, 在经验范围内可与实验结果相接近。但是 它只能给出 复板最大速度 Vpm、爆速 Vd和单位面积炸药量 与单位面积复板 的质 量比 R 的关 系, 并没 有给 出复 板加 速运动的全过程和运 动参数, 也没有反映爆炸产物多方指 数方程的指数下 对复板运动的影响。
Bay M, A z iz研究了爆炸载 荷作用 下的金 属平板 的一 维解, 在忽略空气阻力、侧向 卸载波 的影响以 及平板 本身 应变的基础上得到了 复板的一维运动公式:
Vpm Vd=
1+ 32 27
1/ 2
- 1
1+ 32 27
1/ 2
+ 1
该公式适用于爆 炸产物满足多方方程中指数 = 3的 一维平板运动规律。 而在爆 炸焊接 的实际应 用中国 内外 普遍采用多方指数 近似 取 2. 5 的硝铵 类炸 药。 A. A.
D e ribas在上公式 的基础上作了近似, 得到了 2. 5的复 板运动公式为
Vpm Vd= 1. 2
1+ 32 27
1 /2
- 1
1+ 32 27
1 /2
+ 1
一维平板运动公 式描述了复板运动的全过程, 并给出 了复板最大速度 Vpm与多方指 数 间 的关系, 但其 推到过 程中的许多假设与实 际情况有一定的距离, 并且对爆炸产 物的状态特性也没有 进一步考虑, 所以它还不能准确地反 映复板的运动规律。
在相同的假设的 基础上, 许多学者用二维简化公式定 量的描述复板的运动 规律, 二维简化公式能够给出偏转角
k和复板运动速度 Vpm等复板运 动中的极值, 并且 能给出 运动速度和偏转角在 二维坐标系中的变化规律, 同时也可 以给出爆速、炸药密度和多 方指数 对复板 运动的 影响。
因此, 二维简化公式较一 维平板 运动公 式更进 了一步, 并 比半经验公式和一维 平板公式更能揭示复板的运动规律。
界面波的形成机理是爆 炸焊接中的另一理论问题, 搞 清界面波的形成条 件和机 理就能 够预测焊 接品质 并能得 到焊接参数与界面 波纹形状、大小之间的关系。关于波的 形成机理可以归纳 为复板流侵彻 机理 (刻入 机理 )、H elm
holtz不稳定流机理、涡脱 落机理 和应力 波机理。 Bahran,i B lack与 C rossland等是 复板 流侵 彻机 理的 代表 者这 种机 理能描述波的形成及其发展 , 其不足之处在于假定基板不 发生射流, 这是不符合实际 的; H e lmho ltz不稳定 流机理的 代表者是 H unt与 R obinson, 他们 认为 波的 形成 是由 于流 体中的 H e lmho ltz不稳 定性, 但是 这种理 论不能 解释对 称 碰撞时出现的界面波; Cowan和 Ho ltzm an提 出的涡脱落 机 理认为射流在基、复板碰撞中起了一个横向障碍物的作用, 射流后面产生了类似卡门涡 街的脱落与波状流 动, 但是 该 理论不能解释无射 流时波 的形成, 也没 说明 射流 的来源;
G odunov 等提出的应 力波机 理于其 他几种 理论完 全不同。
该理论认为波的形成不一定 需要射流, 在没 有产生复合 的 情况下也可以形成波, 而波的形成归因于应力波的作用。
此外, 我国的郑哲敏教授认为爆炸焊接波状界面的形 成机理应该属于流体弹塑性 模型中的稳定性问题, 提出热 塑失稳与波 状界 面失 稳并 存的 观点, 认 为当 碰 撞压 力小 时, 形成的是平直界面; 随着 复板流速度和碰撞角的增大, 界面上将会出现两 种失稳形态, 形成波状结合界面。而郑 远谋则认为波形成的流体力 学理论不能成立, 他认为波状 结合面的形成是爆 炸荷载 以波的 形式向前 传递并 作用在 复板上, 使复板产生波状 塑性变 形的结 果, 并 提出 了综合 作用机理, 认为爆炸焊接 综合了 压力焊、熔化 焊和 扩散焊 的 3种机理, 并具有射流的特点。
虽然人们提出了多种解 释爆炸焊接的理论, 并对爆炸 焊接中复板的运动 规律和 结合面 的结合形 式给出 了诸多 解释以揭示 爆炸 焊接 机理, 但 由于 爆炸 焊接 过 程的 瞬态 性、复杂性以及试验和仪 器的欠 缺, 目前的各 种理 论都只 能描述或解释爆炸 焊接的 部分现 象, 而 不能十 分全 面、正 确的描述其整个过 程, 因 此, 爆炸焊 接理论仍 有待 进一步 的研究和完善。
2 爆炸焊接的试验研究与数值模拟
长期以来, 分析爆炸焊接的试验结果是人们研究爆炸 焊接机理的主要手 段, 而 随着计 算机技 术的发 展, 采用计 算机对爆炸焊接过 程进行 数值模 拟的研究 方法已 经被广 泛应用于爆炸焊接 研究。
通过进行试验研究和数值模拟可以探索爆炸焊接的机 理, 从而为更有效的控制爆炸焊接提供依据, 也可以得到同 种或异种金属、金属与非 金属得到优质产品 的最佳工艺 参 数, 并且采用数值模拟可以节省试验次数, 提高研究效率。
2. 1 爆炸焊接试验研究
爆炸焊接技术的试验研 究可以归纳为以下几类: 探讨 爆炸焊接机理, 爆炸焊接布药工艺和所用炸药的研究以及 爆炸焊接工艺参数 研究。
复合材料界面 状态是衡量 复合品 质优劣 的主 要评定 因素之一, 张建 臣[ 3]通 过采 用理 想不 可压 缩流 体模 型作
为一级近似, 发现波形的变化趋势与碰撞角的变化趋势相 一致; 波形参数和碰撞角 之间存 在一定 的比例 关系, 在采 用相同模型的情况下 , 他发现对于异种金属材料的爆炸复 合, 其比强度应由来流速 度、金属对 中低密度 金属的 密度 和高强度金属的极限 强度来 共同决 定。王建民[ 4]等通过 观察分析不同工艺制 备的异种金属复合板, 发现复合板界 面波的波形参数受焊 接材料与工艺影响, 并且随装药量的 增加, 波长、波高逐 渐增加。隋国 发等[ 5]通过建 立连续介 质模型, 对铜铜复合板爆炸焊接结合界面进行了计算分析 和试验对比发现结合 区材料产生大量的塑性变形, 并且向 界面集中, 变形集中的区 域沿爆 轰方向 由宽变 窄, 材 料变 形量逐渐增大; 随着爆轰速度的增大, 界 面变形区域扩大, 且变形量增大。
由于在爆炸 焊接 中能 量 的来 源 是炸 药, 因 此装 药方 式、装药厚度等影响着施加于复板上爆炸载荷的强度及其 作用特征。蔡 立艮 等人[ 6]研究 发现, 采 用不 等 厚布 药工 艺的产品品质明显优 于传统的等厚布药工艺, 采用不等厚 度布药新工艺可以使 炸药产生的爆轰压力逐渐减少, 和振 动产生的惯性力共 同作用, 保持 基、复板之间 的压力 基本 不变, 得到基本一致的微小波状的结合界面。并有学者在 一维格尼 ( Gurney)公 式的基础上引进爆炸冲量, 推导出合 理装药厚度 D 的计 算公 式, 并通 过实 验证 明该 公式 在大 面积、大厚度复 合钢 板中 的计 算数 值和 实验 数 值基 本吻 合, 但该公式没有考虑到侧向稀疏波和引爆端稀疏波作用 的影响, 有待进一步修正。
在爆炸焊接中, 当复板 尺寸等 于或小 于基 板尺寸 时, 复合板边界的焊接品 质往往较差, 甚至会在边界处产生大 面积的脱焊, 这就是爆炸焊接的边界效应。段卫东等根据 爆轰产物的一维飞散 理论, 对边界效应的影响范围进行了 分析和计算, 提出了采用 加大复 板尺寸、粘贴 镀锌铁 板和 使用厚钢板做药框的 方法来消除或减小边界效应的措施。
爆炸焊接中 采用 的大 都是 低爆 速炸 药, 关于 这 方面 的研 究, 田建胜等[ 7]以# 2岩石硝铵炸药为主 体, 通过 加入一定 比例的食盐、膨胀珍珠岩配置 成了一 种爆速 可调的 SE型 爆炸焊接专用低速炸 药, 在铜钢的焊接中取得了较好的品 质。袁胜 芳等[ 8]将硝酸 铵与水、复合蜡、膨化剂 及稀释剂 按不同比例制成混合 液, 在一定条件下脱水干燥制得低爆 速爆炸焊接炸药, 并对铝钢进行爆炸焊接试验显示了良好 的适用性。
爆炸焊接窗口理 论是目前 爆炸焊 接技术 中用来 确定 爆 炸焊 接动 态参 数的 基本 方法, A kbar iM ousav i[ 9, 10]通过 研 究钛不锈钢 复合板的爆 炸焊接提 出了爆炸焊 接窗口的 计算方法, 并通过试验证明该算法同试验结果具有很好的 一致性。赵 铮等 人[ 11]修正 了 双金 属爆 炸 焊 接窗 口 流动 限、声速限、下限和上限的计算方法, 并开发了爆炸焊接窗 口计算程序, 为 工程 中确 定爆 炸焊 接动 态参 数 提供 了方 便。而李明[ 12]等人的研究发现在爆炸焊接中为 了取得良 好界面, 在参数选取时应选取下限参数。同时对多层金属 板爆炸焊接参数进行 了试验研究, 采用单面布药一次完成 了双界面爆炸焊接。 还有学 者研究 了多点多 块金属 板材 同时爆炸焊接方法, 并提出了不同起爆方式下相邻板安全 间距的计算方法。
此外, 在爆炸焊接的研 究方面, 焊 后处理 及检 测也逐 渐 受 到 人 们 的 重 视, 闫 鸿 浩 等 人[ 13]对 8Cr13M oV 与 0C r19N i9三层爆炸复合板热 处理过 程中的 碳扩散 进行了 计算, 确定并验证了热处理工艺。而通过对爆炸焊不锈钢 复合板进行力学性 能、金 相试验 分析, 也证明 了爆 炸焊不 锈钢复合钢板正火后的各项 性能均优于退火状态, 提出了 爆炸焊不锈钢复合 钢板应经正火处理的观点。
2. 2 爆炸焊接的数值模拟
通过数值模拟可方便地 了解爆炸焊接过程, 优化焊接 参数, 并有效地减少试 验次数, 降低 试验 成本。目 前数值 模拟已经成为爆炸 焊接的 研究的 一个方 法。国外 学者对 此进行了大量研究[ 14 18]。A k ih isa利用二维有 限差分方法 模拟了爆炸焊接过程中波状 界面的产生过程, 认为剪力流 和周期性波动是产生波状界 面的重要因素, 得出波状面的 波高和波长比与涡 流状区 域中心 的纵向间 距和横 向间距 比分别接近于常数 0. 3和 0. 2的 结论。 A kbariM ousav i等 人对爆炸焊接的数 值模拟进行了深入研究, 通过采用 W il liam sburg 状态方程与 AUTODYN 软 件相 结合对 采用 低爆 速 AN FO 炸药爆炸焊的全过 程进行了模拟, 分析了爆炸焊 过程中的压力分布 、速度 分布、剪切 应力分布 和塑 性应变 分布, 重点模拟了爆炸焊接射流、平直和波状界面的形成, 并且数值模拟的波 形大小 和射流 速度与试 验结果 基本一 致, 认为并能按焊接要求确定爆炸焊焊接参数。 对大面积 复合板的工业化生产具 有重要的实用价值。M ohamm ad等 人采用 ABAQU S有限元方法分析了爆 炸焊过程, 通过 数值 模拟探讨了爆炸焊工艺参数对界面结合处应力和应变的影 响, 确定了碰撞区域应变和剪切应力的影响因素, 并且通过 试验对数值模拟结果进行了验证, 数值模拟结果发现, 有限 元网格尺寸 对爆 炸焊 接过 程中 射 流的 出现 有 重要 影响, G rignon等人利用 Raven软件对 6061 T0铝合金的爆炸过程 焊进行了数值模拟, 计算 表明随着碰撞角与 两金属间距 离 的增大, 焊接结合面的结 合形式由波形界面 逐渐变为平 直 面, 同时物理试验结果与数值模拟结果的吻合度比较好。
我国学者谢飞 鸿等 人采 用瑞利 里 兹法 计算 模型, 计 算了碰撞点处的瞬时应力场 , 同时对不同的碰撞角和碰撞 压力进行了模拟计算, 获得了碰撞点处的应力场分布的基 本规律, 对了解爆炸载荷作用下材料的性能及材料结合有 一定的指导作用。王建民等 人[ 19]对爆炸焊接 过程进行了 三维动态数值模拟研究, 获得了爆炸焊接过程中复板的碰 撞压力、碰撞速度的分布特点及规律, 并通过理论、经验公 式进行了 验 证。薛治 国 等人[ 20]利 用 非线 性 有限 元 程序 AN SY S /LSDYNA 对大面积钛钢复合板 的焊接过 程进行了 数值模拟, 获得了爆炸焊 过程中 的应力 应变分 布图. 王呼
和[ 21]利用大型非线性有限元软件 AN SYS /LS2DYNA 对爆
炸焊接过程进行了数值模拟 , 其模拟结果与试验结果表现 出良好的一致性. 数值模型能够较准确地反映出爆炸焊接 射流和波形的形成过程, 并且获得了爆炸焊接过程不同时 刻的压力场分布。
上述对爆炸焊 接过程进行 的数值 模拟研 究多 集中在 爆炸焊界面应力、压力的分布及爆炸焊射流、界面形态上, 除了这方面, 数值模拟还可以对爆炸焊接的工艺参数进行
综述与展望 王克鸿, 等 爆炸焊接技术研究进展
辅助设计, 从而优化工艺参数, 减少试验次数。
马贝等[ 23]基于 ANAYS /LSDYNA 平 台 建 立了 钢 铜
铜三层圆管爆炸焊接 的三维有限元模型, 得到了间隙对于 三层圆管爆炸焊接的影响, 并得到了合适的间隙大小。卢
湘江等人[ 23]利用数值模 拟研 究了复 板、基板 与炸药 的最
佳厚度匹配, 得到了基板 厚度一 定条件 下, 炸 药厚度 极限 值随覆板厚度变化的经验公式 , 并指导了实际试验。李向 荣 等人利用非 线性动力学 软件进行 了铝质柱形 容器爆炸 焊接的数值模拟, 得到了 各种焊 接初始 参数的 影响规 律, 确定了较佳焊接初始 参数及容器结构尺寸, 并通过实验进 行了验证。另外, 也有研究人员采用非线性有限元法建立 了复合板在爆炸焊接 过程中的有限元计算模型, 模拟和分 析了复合板的运动状 态, 实现了对复板运动的三维有限元 模拟, 并通过实验得到了复合板 结合率为 100% 时 的间隙 值, 为制定大面积钛钢复合板的爆炸焊接工艺参数提供了 依据。文献[ 24]通过采用理想流体模型探讨了不 同碰撞角 对应变率的影响, 并计算发现了碰撞角在 6 和 20 之间时 驻点附近的应变率的 分布状态。
3 爆炸焊接的应用研究
随着现代科学技 术对特殊 合成材 料需要 的不断 增长 以及爆炸焊接产品的 应用日益广泛, 爆炸焊接的应用研究 也获得了显著发展。 张建臣 通过温 度场模拟 分析和 试验 测试, 对铜铝复合散热片进行了结构优化, 减轻了其质量, 提高了性价比, 使其在普 通微机 中的应 用普及 成为可 能。
陈晓强等人[ 25]的研究发现采用爆炸焊接的方法 可以对水 下的管线进行连接, 且其连接强度及致密性在一定程度上 能够满足工程应用, 但是对要求较高的工程需要在工艺方 面进行调整, 并且通过对线状爆炸焊金属结合界面进行观 察 分析确定了 线状爆炸焊 结合沟槽 工艺可作为 特殊的焊 接维修方法加以应 用。有学 者研究 了热交换 器中铜 管与 钢板的管板爆炸焊接 , 确定了铜管与钢板爆炸焊接的工艺 参数。李红富等[ 26]通过试验提出了小面积复合 板合并焊 接、涂黄油保护复板及将起爆点设置在后加工切除点的方 法, 并用此方法试制了铜 /钢油膜轴承衬 板, 合格率超过了 国家标准。卢湘江等 通过试 验确定 了深孔探 测采样 容器 的爆炸焊接密封工 艺, 并 确定了 基板与 复板、盖与圆 柱基 体的最佳 连接 形 式 为 D 型 连接。 除了 上 述 的工 业 应用 外, 爆炸焊接在新型功能材料 非晶态合金研究领域也 得到了广泛的应用[ 27]。非晶态合金具有优良的 光电和磁 性能、极好的加工性能、超强 的抗腐 蚀性、良好 的耐磨 性, 以及优良的软磁和硬 磁性能和优 异的催 化性能。 2003年 K e ryv in等成功地用爆炸 焊接 的方 法将 厚 2 mm, 宽 为 10 mm, 长为 20mm 的 Z r55A ll0 N i5Cu30BMG 板与晶 体 T i合 金板焊接起来。国内 也有许 多学者 做了相 关的 研究。闫 鸿浩等通过研究给出 了焊接过程中出现的技术难点, 并针 对这些问题提出了相 应的对策, 最后成功完成了块体非晶 合金的爆炸焊接。孙 宇新等 通过对 非晶薄带 爆炸焊 接制 备 层合非晶复 合材料的温 度分析表 明先对非晶 薄带涂层 然 后进行爆炸 复合的方法 能有效地 降低爆炸复 合中非晶 材料的温升, 并能降低最小焊接碰撞速度。
4 结束语
爆炸焊接以其 优异的特性受到了人们的关注, 其应用 也越来越广泛。但是迄今为 止, 关于爆炸焊接的理论研究 仍有许多不足, 尤其是金属界面结合的机理方面。并且目 前的计算机模拟往 往是在 特定条 件下对爆 炸焊接 的某个 问题或某些阶段进 行研究, 不能 全面、系统的 对爆 炸焊接 进行仿真模拟。在爆 炸焊接 过程中 产生的环 境问 题也应 引起人们的重视。在今后的 研究中, 爆炸焊接研究人员应 将多学科原理综合应用, 通过试验和数值模拟研究分析爆 炸焊接过程, 深入分析 其机理。此 外, 研制爆 速合 适稳定 的炸药、设计合适的起爆 装置是 合理利 用爆炸 能量, 保证 焊接品质, 拓宽爆炸焊接 未来应 用范围 的重要 保证, 并且 今后的爆炸焊接的 发展要 更多的 着眼于非 晶态合 金和具 有耐高温、耐腐蚀等优异 性能的 金属或 合金的 研制, 以满 足人们对材料性能 的新的 要求。随 着人们研 究的 不断深 入, 爆炸焊接在未来的应用将越来越广泛。
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通过灵敏度分析结果 , 确定了床身壁厚和各筋板的最佳厚 度, 如表 1所示。
表 1 床身各板最佳厚度列表 mm
厚度
厚度
T1 T2 T3 T4 T5
32 32 32 32 12
T6 T7 T8 T9 T10
12 60 40 130 12
2. 2 床身的结构优化
前期研究表明[ 6]: X 型筋板有良好的抗扭性能。由于 床身的抗扭性能有待 提高, 故在 中部增 加 X 型筋板, 并结 合灵敏度分析, 得到床身 的最终 优化方 案, 优 化前后 床身 的 CAD 模型对比如图 5所示。
图 5 床身优化前后的结构 CAD 模型
对优化后的床身进行模态分析, 并与原床身对比, 前 两 阶固有频率都得到提高, 对应的振型与原床身基本相似, 分 析结果见表 2。床身的动态特性得到了明显的提高。
3 结论
文中建立高速立 式加工中心 床身的 CAD /CAE 模型, 借助有限元法确定 床身结 构的动 态特性。为 了提高 床身 的固有频率, 对床身筋板 的位置、厚 度以及床 身的壁 厚进
表 2 床身改进前后固有频率对比 H z
一阶 二阶
优化前 413. 78 561. 68
优化后 461. 13 571. 15
行优化, 采用灵敏度分析得出了床身筋板厚度和壁厚的最 佳匹配值, 并在此基 础上 在床 身薄 弱的 中部 增加 X 型筋 板以提高其抗扭性能, 实现高速立式加工中心床身的结构 优化, 使得床身 的前 两阶 固有 频率 较优 化前 分 别提 高了 11. 44% 和 1. 69% , 动 态性 能得 到了 明显 提 高, 表明 合理 的筋板布置以及壁 厚的采 用能有 效提高机 床大件 的动态 特性。
参考文献:
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收稿日期: 2010 04 20
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收稿日期: 2011 03 09
