钛钢板材爆炸焊接工艺优化与数值模拟.doc
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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
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