劉潤生，張杭永，2，郭龍創(chuàng)

(1.寶鈦集團(tuán)有限公司，陜西 寶雞 721014)

(2.西安建筑科技大學(xué)，陜西 西安 710000)

爆炸焊接裝藥方式對(duì)鈦/鋼復(fù)合板組織及性能的影響

劉潤生1，張杭永1，2，郭龍創(chuàng)1

(1.寶鈦集團(tuán)有限公司，陜西 寶雞 721014)

(2.西安建筑科技大學(xué)，陜西 西安 710000)

分別采用等厚度裝藥及分段裝藥兩種不同的裝藥方式制備了鈦/鋼復(fù)合板，研究了金屬復(fù)合板在爆炸焊接過程中爆炸壓力分布及覆層金屬變形規(guī)律，并對(duì)所制備的Gr1/Gr70爆炸復(fù)合板結(jié)合界面的微觀組織特征和力學(xué)性能進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，采用分段裝藥工藝所制備的大面積鈦/鋼復(fù)合板界面無分層、夾雜等缺陷，且各項(xiàng)力學(xué)性能均符合ASTM B898—2005標(biāo)準(zhǔn)，能夠滿足裝備的使用要求。

鈦/鋼復(fù)合板;爆炸焊接;壓力分布;界面組織

0 引言

隨著裝備制造的大型化，列管式換熱器對(duì)大面積、高結(jié)合質(zhì)量的鈦/鋼復(fù)合板的需求不斷增加，而國內(nèi)大面積鈦/鋼復(fù)合板制備技術(shù)和生產(chǎn)工藝仍存在一定問題，尤其是結(jié)合質(zhì)量的均勻性和穩(wěn)定性依然達(dá)不到大型裝備的特殊要求，在管板的鉆孔過程中基、覆層易出現(xiàn)局部脫層［1－4］。

本研究擬采用等厚度裝藥及分段裝藥兩種不同裝藥方式進(jìn)行大面積鈦/鋼復(fù)合板的爆炸焊接，對(duì)比不同裝藥方式的爆炸焊接結(jié)果，并對(duì)金屬復(fù)合板在爆炸焊接過程中的爆炸壓力、覆層金屬變形規(guī)律及界面進(jìn)行分析，同時(shí)對(duì)制備的爆炸復(fù)合板結(jié)合界面的微觀組織特征和力學(xué)性能進(jìn)行測(cè)試和討論，旨在提出一種能夠制備出滿足裝備使用要求的爆炸復(fù)合板的裝藥方式。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)所選用的基層材料為ASME SA516 Gr70鋼板，覆層材料為ASME SB265 Gr1純鈦板?；鶎?、覆層材料規(guī)格分別為37 mm×3 300 mm×5 400 mm和3 mm×3 380 mm×5 480 mm。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

分別采用同爆速等厚度裝藥與分段裝藥兩種爆炸復(fù)合工藝，布藥示意圖如圖1所示。圖1a中，炸藥爆速均為Vd;圖1b中，炸藥爆速不同，其中Vd1＞Vd2＞Vd3＞Vd4。

圖1 布藥示意圖Fig.1 Schematic diagram of dynamite loading modes

爆炸焊接后采用CUT－218型超聲波探傷儀進(jìn)行界面回波(底波與界面回波的分貝差值)檢驗(yàn);采用金相顯微鏡進(jìn)行微觀檢驗(yàn)。此外，對(duì)復(fù)合板進(jìn)行剪切、拉伸、彎曲和鉆孔試驗(yàn)以檢測(cè)復(fù)合板的力學(xué)性能和加工性能。

2 結(jié)果與討論

2.1 爆炸壓力分布與復(fù)合板力學(xué)性能的關(guān)系

在爆炸復(fù)合板上取樣(位置為距離起爆點(diǎn)50、1 000、1 500、2 600 mm處的橫截面上)，測(cè)試力學(xué)性能(拉伸性能參照ASME SA516標(biāo)準(zhǔn))，結(jié)果見表1。

表1 爆炸復(fù)合板的力學(xué)性能Table 1 Mechanical properties of explosion clad plates

由表1可知，1#方案制備的爆炸復(fù)合板距離起爆點(diǎn)1 500、2 600 mm處的剪切強(qiáng)度均低于ASTM B898標(biāo)準(zhǔn)的要求，而2#方案制備的爆炸復(fù)合板各處的力學(xué)性能均達(dá)到了ASTM B898的要求，表明2#方案的爆炸焊接工藝可取得較好的效果。

爆炸焊接的裝藥特點(diǎn)是面布藥點(diǎn)起爆，從起爆開始到爆轟結(jié)束壓力分布是不均勻的，復(fù)合板面積越大，長度越長，爆炸壓力差異越大，進(jìn)而造成界面焊接質(zhì)量的差異。爆炸焊接過程中，爆炸壓力的均勻與否直接決定著爆炸焊接的質(zhì)量。不同裝藥方式下，爆轟過程中爆炸壓力的變化規(guī)律如圖2所示。

圖2 爆炸壓力的分布規(guī)律Fig.2 Distributing law of explosion pressure

從圖2a可以看出，采用同爆速等厚度的裝藥方式時(shí)，爆炸壓力P隨著距起爆點(diǎn)距離的增加而直線增加，處于不穩(wěn)定狀態(tài)。從力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果可以看出，對(duì)于1#方案，即經(jīng)等厚度裝藥方式爆炸復(fù)合得到的復(fù)合板，隨著距起爆點(diǎn)距離的增加，即爆炸壓力的增加，其抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度也逐漸增加，延伸率及剪切強(qiáng)度下降，當(dāng)爆轟點(diǎn)距離起爆點(diǎn)大于1 500 mm時(shí)剪切強(qiáng)度降至60 MPa，說明結(jié)合質(zhì)量急劇下降，復(fù)合板界面的結(jié)合均勻性較差，彎曲后界面分層。從圖2b可以看出，采用分段裝藥方式，隨著距起爆點(diǎn)距離的增加，爆炸壓力增加值較小，變化較為平緩，即爆炸壓力分布較為均勻，力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果也與之相吻合。經(jīng)2#方案制備的爆炸復(fù)合板其抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、延伸率均比較穩(wěn)定，剪切性能檢測(cè)結(jié)果也均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求且均勻性較好，彎曲檢驗(yàn)表明無裂紋和分層現(xiàn)象。由以上分析可以看出爆炸壓力分布的均勻性直接決定了結(jié)合質(zhì)量的均勻性。

2.2 爆轟波陣面曲率與覆層金屬變形的關(guān)系

圖3 等厚度裝藥爆轟波陣面示意圖Fig.3 Schematic diagram of detonation wave front for uniform thickness dynamite loading mode

等厚度裝藥爆轟波陣面示意圖如圖3所示。由圖3可以看出，同種性能參數(shù)等厚度裝藥，中心起爆后爆轟波以球形陣面向外推進(jìn)。首先，由于鈦材具有很好的延展性，在爆轟載荷作用下，沿爆轟波的傳遞方向，鈦板會(huì)發(fā)生塑性延伸變形;其次，中心起爆后，覆板的延伸變形是以起爆點(diǎn)為中心，向不同方向逐漸發(fā)展，使得覆板在同一截面處產(chǎn)生不同步的縱向變形，這種延伸的不均勻性必然引起內(nèi)應(yīng)力，為邊界區(qū)覆層鈦板產(chǎn)生褶皺提供了條件;第三，覆板褶皺的出現(xiàn)是不均勻變形累積的結(jié)果，爆轟距離越長這種邊界區(qū)褶皺現(xiàn)象越明顯。圖4為爆炸焊接過程中產(chǎn)生的褶皺及界面形貌。褶皺的出現(xiàn)會(huì)導(dǎo)致爆炸焊接動(dòng)態(tài)參數(shù)的失穩(wěn)，從而必然出現(xiàn)熔化、沖孔、鈦板撕裂、不貼合等缺陷。基于以上原因，為避免爆炸焊接過程中邊界區(qū)鈦板褶皺的出現(xiàn)，就要改變爆轟方向，使覆層金屬在同一橫截面上沿縱向的變形趨于均勻。

圖4 爆炸焊接過中產(chǎn)生的褶皺及其界面形貌Fig.4 Folding deformation and interface morphology generated during the explosive welding process

圖5為分段裝藥爆轟波陣面示意圖?？梢钥闯觯淖冄b藥方式，采用分段降速裝藥后爆轟波陣面曲率變小，同一截面上鈦板不均勻變形程度減小，材料在同一截面上的變形趨于同步，從而避免或推遲了由于不均勻變形累積而產(chǎn)生褶皺現(xiàn)象。

圖5 分段裝藥爆轟波陣面示意圖Fig.5 Schematic diagram of detonation wave front for segment dynamite loading mode

2.3 超聲檢測(cè)結(jié)果分析

利用超聲波在不同界面的反射率和透射率不同的原理，通過超聲檢測(cè)可對(duì)結(jié)合質(zhì)量的均勻性進(jìn)行定性的評(píng)判。純鈦與碳鋼復(fù)合界面聲壓反射率:

式中:Z1為純鈦的聲阻抗，Z2為碳鋼的聲阻抗，r為復(fù)合界面聲壓反射率。

超聲探測(cè)時(shí)，一次底波B1與復(fù)合界面的一次回波S的分貝差值為:

當(dāng)一次底波B1為80%時(shí)，通過式(2)可以得出一次界面回波S約為21%。如果一次界面回波和分貝差的實(shí)測(cè)值明顯大于或小于理論計(jì)算值21%和11.48時(shí)，說明復(fù)合界面存在某種缺陷，這種情況將導(dǎo)致結(jié)合強(qiáng)度降低。

對(duì)按照1#方案和2#方案爆炸復(fù)合得到的鈦/鋼復(fù)合板進(jìn)行超聲檢測(cè)，一次界面回波與底波分貝差見表2。從表2可以看出，1#方案得到的鈦/鋼復(fù)合板一次界面回波與底波分貝差距起爆區(qū)愈遠(yuǎn)，偏離理論計(jì)算值愈大，說明界面的結(jié)合質(zhì)量均勻性較差。而2#方案得到的鈦/鋼復(fù)合板一次界面回波和底波分貝差均勻性較1#方案與理論計(jì)算值接近程度高，表明復(fù)合界面結(jié)合質(zhì)量均勻性好。前面所示的力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果也證明了這一點(diǎn)。1#方案得到的復(fù)合板距起爆點(diǎn)1 500 mm和2 600 mm處界面內(nèi)彎試驗(yàn)出現(xiàn)了分層，且剪切強(qiáng)度也未達(dá)到ASTM B898的標(biāo)準(zhǔn)要求。2#方案得到的復(fù)合板距起爆點(diǎn)不同距離的4個(gè)位置，界面內(nèi)彎試驗(yàn)均未出現(xiàn)分層，且抗拉強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度也均達(dá)到了ASTM B898的標(biāo)準(zhǔn)要求。至于一次界面回波與底波分貝差值究竟偏離理論計(jì)算值多少，可以作為判定復(fù)合界面結(jié)合質(zhì)量不合格的判據(jù)，還需進(jìn)一步大量的試驗(yàn)研究。

表2 超聲檢測(cè)結(jié)果Table 2 Ultrasonic testing results

2.4 界面微觀分析

在1#、2#方案制備鈦/鋼復(fù)合板上，分別距起爆點(diǎn)50、1 000、1 500、2 600 mm處取樣進(jìn)行金相組織觀察，結(jié)果示于圖6。采用1#方案制備的鈦/鋼復(fù)合板距起爆點(diǎn)50、1 000 mm處界面結(jié)合良好，距起爆點(diǎn)1 500、2 600 mm處復(fù)合界面上存在連續(xù)熔化層、熔化塊、孔隙等微觀缺陷，見圖6a～d，結(jié)合狀態(tài)不好。而采用2#方案制備的鈦/鋼復(fù)合板每個(gè)取樣位置的界面附近晶粒細(xì)小，結(jié)合良好，未發(fā)現(xiàn)連續(xù)熔化層、熔化塊及孔洞等微觀缺陷，見圖6e～h。對(duì)比力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果(見表1)，發(fā)現(xiàn)隨著界面連續(xù)熔化層、熔化塊和孔隙等微觀缺陷的出現(xiàn)，剪切強(qiáng)度呈下降趨勢(shì)，而采用分段裝藥的方式可以使壓力分布更加均勻，進(jìn)而使界面結(jié)合質(zhì)量的均勻性得到提高。

圖6 1#、2#方案制備的鈦/鋼復(fù)合板不同位置界面處的金相照片F(xiàn)ig.6 Metallographs of weld interface at different position for titanium/steel clad plate prepared by scheme 1#and 2#

2.5 鉆孔試驗(yàn)結(jié)果分析

對(duì)兩種方案爆炸焊接得到的復(fù)合板進(jìn)行鉆孔試驗(yàn)(孔徑φ50 mm，管橋5 mm)，結(jié)果見圖7。1#方案制備的復(fù)合板在距離起爆點(diǎn)1 500～1 600 mm范圍局部出現(xiàn)了鈦/鋼界面脫層現(xiàn)象(圖7a)。分析認(rèn)為隨著爆轟距離的增加，爆炸壓力增大，界面熔化、孔洞等微觀缺陷增加導(dǎo)致界面脆化，在鉆孔過程中出現(xiàn)脫層。2#方案由于較好地控制了爆炸壓力，因此在鉆孔過程中鈦/鋼界面未出現(xiàn)脫層現(xiàn)象(圖7b)。

圖7 鉆孔試驗(yàn)PT檢測(cè)圖Fig.7 PT detection images of drilling experiments

3 結(jié)論

(1)采用分段裝藥方式，可使爆炸壓力分布盡可能的均勻，從而保證焊接界面結(jié)合的均勻性。

(2)分段裝藥方式可使爆轟波陣面曲率逐漸變小，使在同一橫截面上鈦板不均勻變形的程度減小，避免或者推遲褶皺現(xiàn)象的發(fā)生，進(jìn)一步增大了爆炸復(fù)合的面積。

(3)采用分段裝藥方式，爆炸壓力分布較均勻，降低了產(chǎn)生熔化層、孔洞等缺陷的概率，界面結(jié)合良好。

(4)采用分段裝藥方式制備的大面積鈦/鋼復(fù)合板，經(jīng)過鉆孔檢驗(yàn)，整板未出現(xiàn)分層現(xiàn)象。

［1］鄭哲敏，楊振聲.爆炸加工［M］.北京:國防工業(yè)出版社，1981.

［2］鄭遠(yuǎn)謀.爆炸焊接和金屬復(fù)合材料及其工程應(yīng)用［M］.長沙:中南大學(xué)出版社，2001.

［3］王耀華.金屬板材爆炸實(shí)踐與研究［M］.北京:國防工業(yè)出版社，2007.

［4］宋秀娟，浩謙.金屬爆炸加工的理論和應(yīng)用［M］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，1983.

Effect of Dynamite Loading Modes on Microstructure and Properties of Ti/Steel Composite Materials in Explosive Welding

Liu Runsheng1，Zhang Hangyong1，2，Guo Longchuang1
(1.Baoti Group Co.，Ltd.，Baoji 721014，China)
(2.Xi’an University of Architecture and Technology，Xi’an 710000，China)

In this study，titanium clad steel plates Gr1/Gr70 were joined explosively employing different dynamite loading modes，which were uniform thickness dynamite loading and segment dynamite loading，respectively.The pressure distribution and the deformation law of clad layer were studied.Then the interface microstructure characteristics and mechanical properties of the prepared clad plates were also analyzed.The results show that there are no delaminations，inclusions and other defects existed in the interface when segment dynamite loading was used to produce the large area titanium/steel clad plate.Moreover，the mechanical properties are content with the standard ASTM B898—2005 and meet the requirements of equipment service.

titanium/steel clad plate;explosive welding;pressure distribution;interface microstructure

10.13567/j.cnki.issn1009-9964.2014.03.009

2014－01－08

劉潤生(1963—)，男，高級(jí)工程師。