《爆炸焊接技术研究的国内外文献综述》5500字

爆炸焊接技术研究的国内外文献综述目录TOC\o"1-2"\h\u6206爆炸焊接技术研究的国内外文献综述 162451.1爆炸焊接技术的发展 1241981.2爆炸焊接结合界面的试验表征 212881一、同种材料 25780二、异种材料 352011.3爆炸焊接结合界面的模拟表征 5325701）Al/Ni 599982）Al/Mg 6304873）Al/Cu 6278724）Cu/Fe 6257385）Cu/Ni 647116）Fe/Cu/Ni 710867参考文献 71.1爆炸焊接技术的发展爆炸焊接（ExplosiveWelding，EXW）通过控制炸药在金属表面的爆炸来实现固态结合。在碰撞过程中，高速产生的射流可以去除金属表面的氧化层杂质，达到清洗表面、保证基板和复板紧密结合的作用。复板和基板碰撞形成了结合界面，基板和复板的界面结合受到压强影响很大、引起塑性变形，焊接后界面的结合甚至比初始靶材还要牢固。相似和不相似的材料都可以通过爆炸焊接连接。1944年Carl首次偶然在实践中发现相同金属（两黄铜薄片）高速碰撞实现固相-固相复合，提出利用炸药爆炸产生的能量来实现复合材料制备的理论，并于1947年最早申请了该领域得到发明专利[17]。同年，Deribas利用金相显微技术呈现了爆炸焊接界面的形貌。1957年，Philipchuk将爆炸焊接制备出的复合金属材料应用到工业生产中，成功实现了铝-钢大面积初始靶材的连接[18]。自此以后，各国专家对爆炸焊接的理论进行深入研究并在多个领域投入实践并应用，爆炸焊接技术是目前金属基复合材料领域的热点之一。1.2爆炸焊接结合界面的试验表征目前，在工业领域需要先进的技术来制备性能优异的新材料，如抗腐蚀、耐磨、抗氧化性等优势。因此，许多科研工作已经着手开发这类新材料。如：耐腐蚀性低的不锈钢可能包覆Al、Ti等材料，使不锈钢在腐蚀环境下适用。爆炸焊接技术以可以直接连接各种各样相同或者不同的金属材料而闻名，目前不能用其他焊接技术来替代。此外，该工艺能够连接大表面积的材料，因为爆炸焊接技术有能力对炸药爆炸产生的高能量密度进行分配。实践中，使用爆炸焊接技术可以焊接超过260种各种同种和异种的金属和合金组合[19]。同种材料Al-AlGrignon等[7]用爆炸焊接试验法将6061T0铝合金、6061T0铝合金进行连接，对不同条件下的爆炸焊接试验样品进行表征，用有限元数值模拟法和解析计算证实了试验结果。结果发现：焊接条件经过调整，既可以产生波浪形界面，也可以产生直线形界面；用数值模拟的方法解释了在整个焊接过程中获得直线界面所遇到的困难。付艳恕等[20]采用Al/Al爆炸焊接复合材料对焊接界面的剪切断口进行表征，结果表明：与一般剪切行为不同，随着加载速率的升高，界面剪切强度随之降低；界面特征的立体反映（结合界面的峰值、谷的分布规律）可从多重分形谱起点和终点的横向与纵向差值看出来。钢-钢Shi等[21]用爆炸焊接法制备了不锈钢-碳钢复合材料，基板和复板采用平行和垂直两种放置方式，并对炸药量、复板的速度等工艺参数进行控制，研讨了成型复合材料的界面形貌、力学性能，经过表征发现：基板和复板的放置为垂直方式时也可以实现不锈钢-碳钢的结合；炸药量、复板的速度对复合材料的界面形貌是有影响的。Borchers等[22]用爆炸焊接法制备了中碳钢-低碳钢复合材料，研究了制备材料的微观组织和力学性能。结果表明：中碳钢-低碳钢复合材料形成呈波形界面的局部熔化区，熔穴处有超高的硬度；中碳钢的连接质量较好；在拉伸试验中，结合界面在垂直于拉伸方向的结合区发生断裂。Acarer等[23]研究了爆炸焊接后具有相同化学成分的钢-钢金属的界面形貌、硬度分布、力学性能，试验中改变了爆炸荷载、靶材间距等参数，试验后对热处理和未处理条件下的金属强度进行比对。试验结果表明：随着爆炸荷载和靶材间距的增加，结合界面由直线形转变为波浪形；对于波形界面，随着爆炸荷载增大，波长和波峰也会增大；热处理后的试样具有更高的强度；直线形和波浪形界面具有相似的强度。异种材料本论文研究Ni/Al复合材料，对异种材料的研究以Al、Ni为主要材料展开。Al/NiKwiecien等[24]研究了以约2800m/s极高的爆轰速度制备的Ni201、Al050复合板，对其微观结构进行表征，本研究主要集中在由Al3Ni、Al3Ni2、AlNi相组成的扩熔区。在透射电镜（TEM）下进行原位加热试验观察到了微观结构的转变：存在亚稳态Al9Ni2转变为Al3Ni、Al3Ni2。对焊接区域进行显微硬度测试表明，Ni的硬度由153HV增加到了170HV，Al的显微硬度为45HV。熔化区硬度为135HV，经过500℃退火试验显微硬度可提高到850HV，这是由于界面区域由熔化区转为连续区域引起的。Bataev等[6]研究了爆炸焊接Ni/Al多层复合材料，，利用扫描电镜（SEM）、能量色散X射线光谱仪（EDS）、透射电子显微镜（TEM）对Ni/Al复合板的结合界面进行分析，分析发现：结合界面出现了连续的Al、Ni混合层，这个区域的温度高于Al、Ni的熔化温度；在混合层存在多种金属间化合物，包括十方晶系和亚稳态Al9Ni2相；由于极高的应变率，Ni板形成了胞状位错结构，Al板形成了多边形位错结构。Ogneva等[25]探讨了爆炸焊接后Ni/Al复合材料界面组成及性能优化，结果表明：焊接后的结合界面出现Al、Ni混合区，在620℃处理5h后，界面形成了由Al3Ni、Al3Ni2组成、连续均匀的金属间化合层，在热处理前对Ni、Al进行爆炸焊接加快了Ni/Al材料在加热初期金属间化合物的生长速度。Mamalis等[26]通过爆炸焊接制备了Ni/Al复合材料，发现退火实验后“Ni/Al”界面几乎是平的，而在“Al/Ni”界面有周期性的变化，爆炸焊接复合材料金属间基体的生长速度比铸造复合材料快；观察到多个尺寸为0.5-3μm的树突，表明混合区是从液态开始出现的。2）Al/MgZhang等[27]研究了以AZ31B镁合金为基板、不同的金属为复板（Al合金、Cu、SS）制备的爆炸焊接复合板的界面形态和力学性能，经SEM和TEM测试表明：复板和基板的硬度和屈服强度不同可导致不同的界面形态，Al/Mg、Cu/Mg、SS/Mg复合板界面呈现典型的正弦波、波状和半波状界面；爆炸焊接后的复合材料不是通常认为的固态结合，而是冶金结合。经力学性能测试表征：Al/Mg、Cu/Mg、SS/Mg复合板的剪切强度可以分别达到201.2MPa、147.8MPa、128.4MPa。Chen等[28]利用爆炸焊接技术成功地将Al1100、MgAZ31焊接在了一起，观察了焊缝结合界面附近的形貌和显微组织，试验结果显示：Al/Mg结合界面是典型的波形结合界面；焊缝结合界面处发生了厚度约为3μm的元素扩散；在结合界面处观察到了直径为5nm3）Al/CuAlaie等[29]探讨了通过爆炸焊接制备的Al/Cu双层复合板的力学性能、分子学特性、可成型性。经过维氏硬度测试表明：由于加工硬化，Al面和Cu面的硬度均增加了。经过拉伸试验，用扫描电镜观察试样断口形貌，研究温度对拉伸试样的影响：随着试样温度的升高，发生脆性断裂的区域减少，成型性显著提高。Athar等[30]对Al/Cu焊接接头的可焊下限、结合界面形貌、结合界面的力学性能展开了一系列的工作。工作成果：炸药量与结合界面形成的形貌有关，炸药量小形成直线形结合界面；炸药量大结合界面会由直线形转为波形；形成有漩涡状波形结合界面会使复合板的结合强度达到最高水平；界面接头处形成金属化合物会使界面结合强度降低。4）Al/TiFang等[31]创新地采用爆炸焊接法制备了带有和不带有Al1060夹层的TiTA2/Al5083复合板，研究了夹层技术对制备复合板的综合性能的影响。结果表明：采用夹层技术可以降低碰撞速度，可以通过多次碰撞将损失的总动能进行分配，为解决焊接过程中动能损失过多提供了解决思路；具有中间层的复合板结合质量良好，无重大缺陷，界面附近硬度值增加而且具有最高的拉伸和剪切强度；界面附近有典型的涡旋和熔块。Fronczek等[14]研究了不同退火时间下Al/Ti的组织演变，测试发现：焊接接头局部形成了TiAl3、TiAl2、TiAl和Ti3Al四种金属间化合物，形成细小的漩涡状；随着温度的升高和退火时间的延长，结合界面的扩散层厚度越大；退火后金属材料发生再结晶，Al晶体异常生长，Ti发生了形变孪晶的湮没。5）Al/SteelAcarer等[8]研究了爆炸焊接法制备的铝/HSLA钢、铝/双相钢金属材料的微观组织和力学性能。对铝/HSLA钢和铝/双相钢进行比较，研究表明：铝/HSLA钢、铝/双相钢复合材料的结合界面均呈直线型；在铝/双相钢焊缝附近，铝/双相钢的塑性变形高于HSLA钢，并且硬度增加、抗剪强度更优、冲击韧性更大。6）Ni/TiNishida等[32]利用透射电镜探究了爆炸焊接Ni/Ti复合板结合界面的微观结构变化，观察到：结合界面合成了非平衡相（非静态、二十面体准晶相），这些产物是沿着两种初始靶材接触面熔化、迅速凝固的结果；爆炸焊接过程中的冲击压力促进了非平衡相的形成。7）Ni/Al/NiGuo等[3]研究了间隔距离对Ni/Al/Ni的微观组织和力学性能的影响，采用SEM、EDS对Ni/Al/Ni复合板的形貌特征和元素分布进行表征；采用拉伸和剪切试验对试样的力学性能进行评估。结果表明：随着间隔距离的增加，可得到直线界面、波浪界面、连续熔化界面；Ni/Al/Ni复合板呈波浪状界面具有最高的延展性和界面结合强度；原子的扩散厚度随间隔距离的增加而增加。1.3爆炸焊接结合界面的模拟表征由于爆炸焊接作业的瞬时性及破坏性，导致难以通过实时观测手段来揭示焊接成型原理。分子动力学(MD)方法则能够很好地克服这个困难，在跟踪原子运动和研究原子水平上的扩散现象方面显示了其优越性，它可以模拟极短时间内的原子相互作用[15,33]，并提供从微观角度研究异种金属焊接机理的有效途径。当前爆炸焊接的数值模拟表征主要从异种金属着手研究，从异种材料这个角度对爆炸焊接模拟表征进行概述。Al/Ni矫震等[34]构建了Al、Ni焊件的分子动力学微观模型，探讨了对扩散层有影响的工艺参数、表面粗糙度对焊接过程的影响，结果说明：增大顶锻压力、提高摩擦速度都可以促进Al、Ni扩散层厚度的增加；焊接后结合界面的组织成分与材料的软硬有关，Ni（较硬材料）有较大影响、Al（较软材料）影响不大；。Al/MgZhang等[35]用分子动力学方法研究了爆炸焊接Al/Mg复合板结合界面的原子扩散行为。模拟证实：Mg原子的扩散系数大于Al原子的扩散系数，且随着碰撞速度的增加，两者的差值减小；扩散系数与碰撞速度、碰撞角有关；提出了计算扩散层厚度的公式，并用试验验证了仿真结果。Al/Cu张岩等[36]从微观角度入手，采用分子动力学的方法，模拟了Al/Cu爆炸焊接的瞬时过程，研究了焊件界面结合处的拉伸、切削性能。研究发现：Al原子与Ni原子相互熔合、相互渗透形成焊接接头；爆炸焊接后结合界面的弹性模量介于初始靶材Al、Cu之间，模拟所得的应变率10.67%与试验所得的11%接近；由于结合界面的无序晶格、位错的相互作用，使界面附近的应力值和平均切削力均大于初始靶材Al、Cu；在无序晶格区域产生位错形核，在传播时造成加工硬化现象。Chen等[37]结合分子动力学模拟和经典扩散理论提出Cu、Al爆炸焊接中原子扩散行为的混合方法，发现原子的扩散主要发生在卸载阶段。碰撞速度越大，扩散系数越大；没有横向速度时，扩散系数正比于纵向速度；纵向速度固定时，扩散系数与横向速度的平方成正比，用Cu/Al爆炸焊接扫描电镜实验证明了有效性。Cu/FeSaresoja等[38]从原子尺度用分子动力学方法对Cu/Fe爆炸焊接进行模拟，结果表明：冷却后结合界面有晶体尺寸为10-20nm的纳米颗粒；射流形成是爆炸焊接Cu/Fe复合板良好结合的必要条件，射流的形成与结合界面区域的熔化有关。Feng等[39]采用分子动力学的方法研究了爆炸焊接中Cu、Fe结合形成双层复合材料的过程。在模拟结合界面形成过程中，依次考虑了连接过程中的加载、卸载和冷却三个阶段。模拟发现：结合界面附近有纳米颗粒生成，形成的原因主要是熔化和随后的冷却过程；熔化不是形成结合界面的主导因素；爆炸焊接Cu/Fe复合板的连接机制可以视为压力焊或熔融扩散焊。Cu/Ni孙继鑫等[40]采用分析动力学方法，研究了纳米Cu/Ni扩散焊接过程，继而做了拉伸模拟。分析证明：低温时纳米Cu/Ni模型没有发生扩散；在温度、压强、退火条件相同的情况下，界面扩散厚度随着保温时间的延长而增大、拉伸强度随着保温时间的延长而减小。Fe/Cu/Ni朱露珊[41]基于分子动力学方法对Fe/Cu、Fe/Cu/Ni合金中富Cu团簇的早期析出行为进行模拟分析。分析显示：在持续冷却和时效中，Ni原子可以增加Cu原子的扩散速率，Ni原子能促使小尺寸的富Cu团簇连接形成大尺寸的富Cu团簇；Ni在富Cu团簇间起连接作用，这与Cu、Ni间第一近邻数目有关；持续冷却，富Cu团簇在形成过程中产生位错，界面附近局部晶格发生变化bcc结构转变为fcc结构。参考文献[1]Findik,F.,Recentdevelopmentsinexplosivewelding.Materials&Design,2011.32(3):p.1081-1093.[2]Loureiro,A.,R.Mendes,J.B.Ribeiro,etal.,Effectofexplosivemixtureonqualityofexplosiveweldsofcoppertoaluminium.Materials&Design,2016.95:p.256-267.[3]Guo,X.,Y.Ma,K.Jin,etal.,EffectofStand-OffDistanceontheMicrostructureandMechanicalPropertiesofNi/Al/NiLaminatesPreparedbyExplosiveBonding.JournalofMaterialsEngineeringandPerformance,2017.26(9):p.4235-4244.[4]Aizawa,Y.,J.Nishiwaki,Y.Harada,etal.,ExperimentalandnumericalanalysisoftheformationbehaviorofintermediatelayersatexplosiveweldedAl/Fejointinterfaces.JournalofManufacturingProcesses,2016.24:p.100-106.[5]刘中青，刘凯,异种金属焊接技术指南[M].北京：机械工业出版社,1997.[6]Bataev,I.A.,T.S.Ogneva,A.A.Bataev,etal.,ExplosivelyweldedmultilayerNi-Alcomposites.MaterialsandDesign,2015.88:p.1082-1087.[7]Grignon,F.,D.Benson,K.S.Vecchio,etal.,Explosiveweldingofaluminumtoaluminum:Analysis,computationsandexperiments.InternationalJournalofImpactEngineering,2004.30(10):p.1333-1351.[8]Acarer,M.andB.Demir,Aninvestigationofmechanicalandmetallurgicalpropertiesofexplosiveweldedaluminum-dualphasesteel.MaterialsLetters,2008.62(25):p.4158-4160.[9]Mousavi,S.A.A.A.andP.F.Sartangi,Experimentalinvestigationofexplosiveweldingofcp-titanium/AISI304stainlesssteel.Materials&Design,2009.30(3):p.459-468.[10]Chen,Z.,D.Wang,X.Cao,etal.,Influenceofmulti-passrollingandsubsequentannealingontheinterfacemicrostructureandmechanicalpropertiesoftheexplosiveweldingMg/Alcompositeplates.MaterialsScienceandEngineeringa-StructuralMaterialsPropertiesMicrostructureandProcessing,2018.723:p.97-108.[11]Zhang,H.,K.X.Jiao,J.L.Zhang,etal.,Microstructureandmechanicalpropertiesinvestigationsofcopper-steelcompositefabricatedbyexplosivewelding.MaterialsScienceandEngineeringa-StructuralMaterialsPropertiesMicrostructureandProcessing,2018.731:p.278-287.[12]Yao,P.,H.YangandH.Liu.Researchstatusanddevelopmentofexplosiveweldedmetalmaterials.in2ndInternationalConferenceonFrontiersofMaterialsSynthesisandProcessing,FMSP2018,November10,2018-November11,2018.2019.SanyaCity,China:IOPPublishingLtd.[13]Bataev,I.A.,D.V.Lazurenko,S.Tanaka,etal.,Highcoolingratesandmetastablephasesattheinterfacesofexplosivelyweldedmaterials.ActaMaterialia,2017.135:p.277-289.[14]Fronczek,D.M.,J.Wojewoda-Budka,R.Chulist,etal.,StructuralpropertiesofTi/Alcladsmanufacturedbyexplosiveweldingandannealing.Materials&Design,2016.91:p.80-89.[15]Zhang,N.,W.Wang,X.Cao,etal.,TheeffectofannealingontheinterfacemicrostructureandmechanicalcharacteristicsofAZ31B/AA6061compositeplatesfabricatedbyexplosivewelding.Materials&Design,2015.65:p.1100-1109.[16]尹楚藩.基于爆炸焊接法的Ti/TiAl_3叠层复合材料制备技术研究[D].中北大学,2020.[17]BainCJ,C.L.R.C.d.U.,US2415806[P].1947..[18]韩顺昌,爆炸焊接界面相变与断口组织[M].2011:国防工业出版社.[19]Kacar,R.andM.Acarer,Aninvestigationontheexplosivecladdingof316Lstainlesssteel-din-P355GHsteel.JournalofMaterialsProcessingTechnology,2004.152(1):p.91-96.[20]付艳恕,张宾宾,夏萌.铝-铝爆炸焊接界面剪切行为与断口形貌关系研究[J].实验力学,2015,30(02):165-172.[21]Shi,C.G.,Y.Wang,L.S.Zhao,etal.,DetonationMechanisminDoubleVerticalExplosiveWeldingofStainlessSteel/Steel.JournalofIronandSteelResearchInternational,2015.22(10):p.949-953.[22]Borchers,C.,M.Lenz,M.Deutges,etal.,Microstructureandmechanicalpropertiesofmedium-carbonsteelbondedonlow-carbonsteelbyexplosivewelding.Materials&Design,2016.89:p.369-376.[23]Acarer,M.,B.GulencandF.Findik,Investigationofexplosiveweldingparametersandtheireffectsonmicrohardnessandshearstrength.MaterialsandDesign,2003.24(8):p.659-664.[24]Kwiecien,I.,P.Bobrowski,M.Janusz-Skuza,etal.,InterfaceCharacterizationofNi/AlBimetallicExplosivelyWeldedPlateManufacturedwithApplicationofExceptionallyHighDetonationSpeed.JournalofMaterialsEngineeringandPerformance,2020.29(10):p.6286-6294.[25]Ogneva,T.S.,D.V.Lazurenko,I.A.Bataev,etal.FormationofintermetallicsattheinterfaceofexplosivelyweldedNi-Almultilayeredcompositesduringannealing.inInternationalConferenceonM