大面積雙金屬材料加筋板爆炸焊接試驗(yàn)及其結(jié)合界面研究

段綿俊1，王耀華1，冉紅2，馬銳1，周景蓉3，江潤(rùn)蓮1

(1.解放軍理工大學(xué)野戰(zhàn)工程學(xué)院,南京210007；2.核工業(yè)集團(tuán)西南物理研究院,成都610041；3.三邦金屬?gòu)?fù)合材料廠,南京210007)

摘要：大面積雙金屬材料加筋板，具有重要工程應(yīng)用價(jià)值，但是難以用常規(guī)加工工藝生產(chǎn),也難以采用爆炸焊接加工。本文以316L不銹鋼面板和碳鋼Q345R筋板為試驗(yàn)材料，提出一種新的凸臺(tái)式裝藥模式，在裝藥形式、支承模板設(shè)計(jì)以及焊接參數(shù)等方面進(jìn)行了深入研究和優(yōu)化，運(yùn)用爆炸焊接技術(shù)，成功制備了一種較大面積雙金屬材料加筋板；并對(duì)其進(jìn)行了剪切強(qiáng)度測(cè)試、金相觀測(cè)、掃描電鏡和顯微硬度測(cè)試，結(jié)果表明：焊接結(jié)合面為波狀界面，結(jié)合區(qū)域的晶粒被拉長(zhǎng)變細(xì)，顯微硬度顯著升高，界面結(jié)合強(qiáng)度超過母材中強(qiáng)度較低者。

關(guān)鍵詞：爆炸焊接；雙金屬材料；加筋板；結(jié)合界面

中圖分類號(hào):TG456.6文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

基金項(xiàng)目：中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目(2011JBM085)

收稿日期：2014-05-10修改稿收到日期：2014-07-25

A bimetallic rib-reinforced plate’s explosive welding tests and its interfaces

DUANMian-jun1,WANGYao-hua1,RANHong2,MARui1,ZHOUJing-rong3,JIANGRun-lian1(1. College of Field Engineering, PLA University of Sciense and Technology, Nanjing 210007, China;2. Southwestern Institute of Physics, Chengdu 610041, China; 3. Sanbom metal Composite Materials Factory, Nanjing 210007, China)

Abstract:Here, a test rig was designed for making a bimetallic rib-reinforced plate. There were three key sections in the fabrication process including mold filling, form of explosive charge and welding parameter optimization. The bonding interfaces of the rib-reinforced plate were observed and analyzed by means of an optical microscope (OM), a scanning electronic microscope (SEM) and mechanical tests. It was found that the welding interfaces are micro wave shape ones; and the grains near the interface are elongated, the microhardness of the grains is higher than other erea; the interfaces have a higher strength compared with that of base metal.

Key words:explosive welding; bimetallic; rib-reinforced plate; interface

加筋板結(jié)構(gòu)，系由面板和多根筋板構(gòu)成，其中面板可以是平面也可以是曲面，面板與筋板的材料可以是同種或異種金屬材料。此種結(jié)構(gòu)不僅具有重量輕和承載能力高的特點(diǎn)，而且雙金屬材料加筋板還有適應(yīng)不同應(yīng)用環(huán)境和節(jié)約貴重金屬的優(yōu)勢(shì)，因此，可廣泛應(yīng)用在核、化工業(yè)反應(yīng)釜、罐等裝備上。

目前，可用于制備雙金屬材料加筋板的常規(guī)加工方法有熱等靜壓、釬焊和熔焊等。熱等靜壓法受設(shè)備所限，其焊接工件尺寸一般較小，不能制備大面積的加筋板，且其成本高昂，難以推廣；釬焊法需在焊接界面加入熔點(diǎn)較低的釬焊劑，其界面結(jié)合強(qiáng)度低，耐熱性差，不能用于耐熱重載結(jié)構(gòu)件的制備；熔焊法操作簡(jiǎn)單，可大規(guī)模生產(chǎn)，但僅適用于焊接性能相近的異種材料，不能用于熔點(diǎn)相差較大、熔融后易生成金屬脆性化合物的材料間的焊接。從上述可知，大面積雙金屬材料加筋板，尚未有成熟的制備工藝和技術(shù)。而爆炸焊接具有適用于多種異種金屬高強(qiáng)結(jié)合和適于大規(guī)模生產(chǎn)的特點(diǎn)，可考慮用這種技術(shù)來制備雙金屬材料加筋板。

爆炸焊接亦稱爆炸復(fù)合，是一種利用炸藥爆轟能量驅(qū)動(dòng)兩種相同或相異材料的金屬構(gòu)件發(fā)生高速傾斜碰撞，同時(shí)產(chǎn)生高速射流清除金屬表面的氧化膜和吸附層，使兩個(gè)潔凈的金屬表面緊密接觸而形成固相面結(jié)合的一種高能加工技術(shù)[1]。在理論層面上，眾多學(xué)者對(duì)爆炸焊接裝藥上限和下限、界面成波機(jī)理和焊接界面微觀組織進(jìn)行了研究，深入探索了焊接機(jī)理，提高了爆炸焊接質(zhì)量[1-9]；在技術(shù)層面上，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了近300種不同金屬板材的爆炸焊接，甚至多層金屬箔、硬脆合金也已爆炸焊接成功[10-11]。

目前，關(guān)于加筋板的爆炸焊接研究鮮有報(bào)道，根據(jù)文獻(xiàn)[3,13]，80年代美國(guó)丹佛研究所曾用爆炸焊接法制造過Ti-6V-4V肋加強(qiáng)面板，但是文獻(xiàn)中沒有披露其具體工藝過程和參數(shù)。

加筋板的爆炸焊接與常見的金屬?gòu)?fù)合板爆炸焊接技術(shù)有很大的差異[1-6]。常見的金屬?gòu)?fù)合板焊接的基、復(fù)板是等面積的；而加筋板的爆炸焊接是以筋板為基板，面板為覆板，筋板的面積比面板的小得多，面板上存在大量的勿需焊接筋板的區(qū)域(稱為非焊接區(qū))。這種差異給爆炸焊接操作帶來巨大困難：一方面，為避免爆炸沖擊力損壞面板，非焊接區(qū)面板下方空間應(yīng)填充合適的支承模板，而支撐模板的合理設(shè)計(jì)，需要考慮材料變形、爆轟波特性和脫模問題，是一個(gè)較為復(fù)雜問題；另一方面，對(duì)于該區(qū)域來說，爆炸焊接常用的平面裝藥是不必要且有害的，需要?jiǎng)?chuàng)新其裝藥形式。

本文以316L不銹鋼面板和Q345R低合金鋼筋板為試驗(yàn)材料，在模板設(shè)計(jì)及其填充方案、裝藥形式和焊接參數(shù)優(yōu)化等方面進(jìn)行了深入研究，克服了以上技術(shù)難題，運(yùn)用爆炸焊接技術(shù)，成功制備了一種大面積雙金屬材料加筋板(圖1所示)，并對(duì)其焊接界面進(jìn)行了深入研究。

圖1　爆炸焊接制備的加筋板照片 Fig.1 Photo of explosive welding ribbed plate

1試驗(yàn)方法

1.1實(shí)驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用面板尺寸為800 mm×500 mm×6 mm，材質(zhì)為316L不銹鋼；筋板的尺寸為800 mm×18 mm×12 mm，材質(zhì)為Q345R低合金鋼。兩種材料的化學(xué)成分如表1所示。

表1　試驗(yàn)材料(316L和Q345R)的成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

所用炸藥為乳化炸藥，其爆速約為3 500 m/s，經(jīng)添加適當(dāng)比例的珍珠巖后，其爆速下降為2 450～2 600 m/s。

1.2支承模板設(shè)計(jì)及其填充方案

如前所述，“筋+板”爆炸焊接中，支承模板的設(shè)計(jì)與填充方案既是重點(diǎn)，也是難點(diǎn)。為了實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量焊接，需要考慮如下影響因素：①支承模板材料選擇問題。一方面，支承模板應(yīng)選用與筋板強(qiáng)度相近的材料，否則將會(huì)導(dǎo)致面板凹陷或毀壞。另一方面，爆炸焊接過程中，碰撞產(chǎn)生的射流中不可避免的夾雜有支承模板的成分，并在結(jié)合時(shí)被捕獲在界面處。因此，支承模板的成分應(yīng)和筋板類似，以避免對(duì)焊接界面的污染。②脫模問題。經(jīng)爆炸沖擊后，筋板和支承模板均延展變形，導(dǎo)致支承模板難以從空腔中脫模。因此填充模板時(shí)，筋板和模板間應(yīng)預(yù)留一定間隙，但該間隙不能過大，否則沖擊力將會(huì)導(dǎo)致覆板凹陷甚至損壞。③防止“粘模”問題。由于支承模板與筋板的材質(zhì)相同或接近，在爆炸載荷作用下，支承模板和面板也會(huì)產(chǎn)生相互焊接。因此，需涂覆防粘劑，以防止支承模板與面板之間的焊接。

為了解決上述問題，試驗(yàn)中考慮了被焊接材料特性、支承模板材料特性和爆炸焊接機(jī)理及其相互影響，對(duì)比了多種支承模板設(shè)計(jì)參數(shù)和填充方案的填充效果。具體工作如下：①對(duì)比了6010鋁合金板、硬榆木板、玻璃鋼和45號(hào)鋼板等支承模板的填充效果，優(yōu)選了45號(hào)鋼板作為填充模板材料。②經(jīng)統(tǒng)計(jì)，筋板沖擊后變寬量約為5%，因此合理的筋板與支承模板間隙約為筋板寬度的5%。③經(jīng)過對(duì)不同厚度的水玻璃、黃油和瀝青的防焊接效果進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，選用了0.2～2.25 mm的水玻璃為防粘劑。

1.3凸臺(tái)式裝藥

在常見的板與板爆炸焊接中，炸藥是平面布置的。而在加筋板爆炸焊接試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，平面裝藥使得面板的非焊接區(qū)也達(dá)到了焊接條件并激發(fā)了射流，在防焊劑的作用下，該區(qū)域沒有和模板焊接，但是射流使得面板下表面產(chǎn)生大量的金屬積瘤狀物質(zhì)，破壞了面板下表面的光潔度。因此，為了減少非焊接區(qū)的碰撞能量，需要采用一種新型的“凸臺(tái)式”裝藥。

凸臺(tái)式裝藥裝置如圖3所示，它的主要特點(diǎn)是非焊接區(qū)裝藥(基礎(chǔ)裝藥)和焊接區(qū)裝藥(加強(qiáng)裝藥)高度不一致，并在兩裝藥區(qū)間設(shè)置一個(gè)傾角為45°的過渡裝藥，以實(shí)現(xiàn)其爆轟載荷的平順過渡?；A(chǔ)裝藥為推動(dòng)整個(gè)覆板運(yùn)動(dòng)提供了基本能量，而加強(qiáng)裝藥使得焊接區(qū)面板達(dá)到了焊接所需的高速碰撞和適當(dāng)碰撞角。該裝藥技術(shù)大大減少了非焊接區(qū)的碰撞強(qiáng)度，使其不受射流的侵害。

1.4試驗(yàn)工裝構(gòu)成

根據(jù)以上分析結(jié)果，設(shè)計(jì)了如圖2所示實(shí)驗(yàn)工裝：在沙石地基上設(shè)置一個(gè)厚為20 mm的鋼墊板，將支承模板和筋板分別固定在鋼墊板上，兩者間隙約為支承模板寬度的2.5%；在支承模板上表面涂覆一層厚約0.2～2.25 mm的水玻璃防粘劑；在支承模板上放置間隙柱，并將面板置于間隙柱上，再在面板上表面布設(shè)基礎(chǔ)裝藥、加強(qiáng)裝藥和雷管。

圖2　爆炸焊接裝置示意圖 Fig.2 Schematic diagram of explosive welding set-up

1.5爆炸焊接參數(shù)優(yōu)選

在爆炸焊接中，為了獲得良好的焊接質(zhì)量，應(yīng)合理選擇兩個(gè)關(guān)鍵性參數(shù)：裝藥厚度de和基、覆板間隙s[4-8]。王耀華等人對(duì)板與板爆炸焊接進(jìn)行了深入研究，提出了“最佳裝藥參數(shù)”理論，認(rèn)為在最小裝藥量附近，板與板爆炸焊接獲得最佳的焊接質(zhì)量，并總結(jié)了如下經(jīng)驗(yàn)公式[6]：

(1)

(2)

(3)

s=0.2(de+df)

(4)

式中，Vp,min為最小碰撞速度，HV為覆板材料的表面維氏硬度，ρf為面板材料的密度，Rmin為單位面積上的炸藥量與單位面積的面板質(zhì)量之比，Vd為炸藥爆速，ρe為炸藥的密度，df為覆板厚度，K的取值為0.9，K1的取值為4.1。從公式中看出，爆炸焊接參數(shù)(裝藥厚度和基、復(fù)板間隙)主要取決于覆板材料的硬度和密度，炸藥的爆速和密度。

加筋板的爆炸焊接的裝藥形式相對(duì)復(fù)雜得多，其裝藥參數(shù)的選擇，還未有經(jīng)驗(yàn)可循。以往研究表明，2號(hào)巖石炸藥的裝藥的厚度de1不能少于其極限厚度(約20 mm)，否則不能順利傳爆。因此，基礎(chǔ)裝藥的厚度de1為20 mm。而加強(qiáng)裝藥的厚度de2和基、復(fù)板間隙s采用了優(yōu)化試驗(yàn)來確定。其具體方法為：

(1)首先根據(jù)該經(jīng)驗(yàn)公式(1)、(2)、(3)、(4)計(jì)算，得到板與板焊接的最優(yōu)化組合參數(shù)：de和s，并將該組合參數(shù)作為一個(gè)de2和s取值的基準(zhǔn)值；

(2)以所得基準(zhǔn)值為參考在適當(dāng)范圍內(nèi)取值，得到多組de2和s參數(shù)組合，使用這些參數(shù)進(jìn)行多次爆炸焊接試驗(yàn)；

(3)檢驗(yàn)各種組合參數(shù)條件下的試板的界面結(jié)合強(qiáng)度，確定本次加筋板試驗(yàn)的最佳加強(qiáng)裝藥厚度和間隙。

經(jīng)測(cè)量，覆板材料316L不銹鋼的硬度為178 HV。將HV= 178，ρf= 7.89 g/cm3，Vd= 2 600 m/s等參數(shù)，代入公式(1)、(2)、(3)，計(jì)算確定Vp,min= 427.5 m/s，加強(qiáng)裝藥區(qū)的Rmin= 0.63，de2約為49 mm，s約為11 mm。據(jù)此，設(shè)計(jì)了多組試驗(yàn)參數(shù)，試驗(yàn)參數(shù)組合與其結(jié)果如表2所示(為方便表述，對(duì)不同的試板予以編碼，并標(biāo)示在各欄括號(hào)內(nèi))。

表2　爆炸焊接試板的剪切強(qiáng)度試驗(yàn)數(shù)據(jù)

1.6技術(shù)檢驗(yàn)

為檢驗(yàn)加筋板的焊合質(zhì)量，采用超聲探傷儀對(duì)各個(gè)試樣的復(fù)合率進(jìn)行了檢驗(yàn)，并在筋板的首、尾和中間位置取樣進(jìn)行了剪切試驗(yàn)以檢驗(yàn)焊合強(qiáng)度，最后對(duì)C2試板(結(jié)合強(qiáng)度最高的試板)進(jìn)行了金相觀察、掃描電鏡(SEM)檢驗(yàn)和顯微硬度測(cè)試。

2試驗(yàn)結(jié)果及分析

使用超聲波探傷儀器檢驗(yàn)界面復(fù)合情況，筋板和面板的復(fù)合率達(dá)到85%以上被認(rèn)為“焊合”，反之認(rèn)為“不焊合”。檢驗(yàn)結(jié)果表明，除了A1和A2試板的焊合率分別為43%和55%，其余試板的焊合率均超過85%。

如表2所示，剪切強(qiáng)度較差(≤200 MPa)的試板為A3、B1和D4，剪切強(qiáng)度較高(≥300 MPa)的試板有B3、B4、C2、C3、C4和D1(A1和A2試板未焊合，剪切強(qiáng)度記為0)。試驗(yàn)結(jié)果說明過低或過高的裝藥和過小或過大的間隙都對(duì)爆炸焊接結(jié)果不利，該試驗(yàn)結(jié)果和前人研究結(jié)果吻合[1,4,7,8]。表2中剪切強(qiáng)度最高的是C2試板，而其加強(qiáng)裝藥厚度de2為45 mm，間隙s為12 mm，和前述爆炸焊接經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算結(jié)果不一致，說明“筋+板”爆炸焊接試驗(yàn)參數(shù)優(yōu)選具有其特殊性，有待進(jìn)一步研究。試驗(yàn)中還發(fā)現(xiàn)，C2試板的剪切試樣的破壞均發(fā)生在筋板上，而不發(fā)生在結(jié)合界面(如圖3所示)。說明在爆炸焊接中，焊接界面附近晶粒經(jīng)過劇烈的塑性變形，造成了爆炸強(qiáng)化；并且在最優(yōu)的焊接工藝參數(shù)下，其結(jié)合強(qiáng)度超過了母材中強(qiáng)度較低材料的抗拉強(qiáng)度，該結(jié)果與前人研究一致[7-13]。

界面組織結(jié)構(gòu)體現(xiàn)了爆炸焊接的微觀特征，是研究爆炸焊接結(jié)合的基礎(chǔ)和重點(diǎn)。鄭哲敏、楊振聲等根據(jù)界面的金相分析把結(jié)合界面大致分為三類：直接結(jié)合、連續(xù)的熔化層結(jié)合和波狀結(jié)合[1]。金相研究表明，本次焊接界面具有波狀結(jié)合的特點(diǎn)(圖4所示)，且界面附近金屬組織的晶體被拉長(zhǎng)變形，并沿著界面向爆轟方向傾斜，如圖5所示。

圖3 剪切試樣照片F(xiàn)ig.3Photoofshear-cutsamples圖4 結(jié)合界面宏觀照片F(xiàn)ig.4Photoofinterfaceofweldment圖5 結(jié)合界面金相照片(316L側(cè))Fig.5OMfiguresofthebonding(316Lside)

圖6 漩渦區(qū)金相照片F(xiàn)ig.6OMfiguresofvortex(Q345Rside)圖7 結(jié)合界面放大金相照片F(xiàn)ig.7MagnifiedOMfiguresofthebonding圖8 爆炸焊接結(jié)合界面SEM圖像Fig.8SEMimageofweldingbonding

a：Ni，b：Cr，c：Mo，d：Fe 圖9　爆炸焊接結(jié)合界面元素線分析圖像 Fig.9 SEM image of welding bonding

鄭遠(yuǎn)謀等[12]研究金屬?gòu)?fù)合界面時(shí)發(fā)現(xiàn)，界面處有劇烈的塑性變形，界面存在微小晶粒和熔化層(塊)等組織；在不銹鋼一側(cè)存在與界面呈45°的絕熱剪切帶或“剪切飛線”[12]。本次實(shí)驗(yàn)中也觀測(cè)到了316L不銹鋼組織中的絕熱剪切帶，但該絕熱剪切帶橫貫了整個(gè)波峰，顯示界面附近組織經(jīng)受了劇烈變形。此外，在波峰一側(cè)觀察到了漩渦結(jié)構(gòu)，漩渦中為316L和Q345R的混合組織(如圖6所示)。該現(xiàn)象顯示，部分射流在濺射過程中被隆起的波峰捕獲在界面中，并在波峰一側(cè)形成了漩渦結(jié)構(gòu)。從界面的高倍率照片(圖7)中可以看到，沿界面區(qū)域分布著約5μm寬的微小細(xì)晶粒，該細(xì)小晶粒應(yīng)為碰撞后受熱熔化重新結(jié)晶的晶體。結(jié)合界面的掃描電鏡照片(圖8)顯示兩種材料結(jié)合非常致密，達(dá)到了冶金結(jié)合。

為了研究界面的元素?cái)U(kuò)散情況，垂直于復(fù)合界面分別對(duì)Fe，Ni，Cr，Mo等元素進(jìn)行了線掃描，掃描位置和結(jié)果如圖8和圖9所示。由圖可見，發(fā)生了擴(kuò)散的主要元素為Ni，Cr和Mo，以上三種元素跨過界面向鋼側(cè)的平均擴(kuò)散距離為15μm。與此相應(yīng)，在此區(qū)域顯示Fe含量的曲線明顯下降。

結(jié)合界面附近金屬的顯微硬度測(cè)試，如圖10所示。圖中的點(diǎn)劃線表示界面兩側(cè)金屬的原始硬度值，由圖可見，與原始狀態(tài)相比，界面兩側(cè)的顯微硬度都顯著升高；越靠近界面的金屬的顯微硬度越高，并在界面處達(dá)到最高值，其原因是界面附近晶粒受到爆炸沖擊和撞擊，發(fā)生強(qiáng)烈的塑性變形，產(chǎn)生了顯著的加工硬化，并且界面上的加工硬化最大。

圖10　爆炸焊接界面附近組織顯微硬度測(cè)試 Fig.10 Microhardness profile across interface

3結(jié)論

(1)采用一種新的凸臺(tái)式裝藥方式，研究了制備較大面積高強(qiáng)度雙金屬材料加筋板的爆炸焊接工藝。

(2)經(jīng)檢測(cè)，爆炸焊接后，結(jié)合區(qū)域晶粒變細(xì)拉長(zhǎng)，兩金屬結(jié)合強(qiáng)度高，體現(xiàn)出塑性變形、熔化和擴(kuò)散等明顯的固相結(jié)合特征。

(3)爆炸焊接后，金屬界面兩側(cè)金屬的顯微硬度都有提高，并且離界面越近，顯微硬度越高。

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第一作者姜蘭潮男，博士，副教授，1972年10月生