陶 聰，陸 明，李劍斌

(陸軍工程大學(xué) 野戰(zhàn)工程學(xué)院，南京 210007)

在能源問題日益嚴(yán)峻的今天，核聚變能被認(rèn)為是一種無限的、清潔的、安全的換代新能源而受到廣泛關(guān)注[1]。聚變材料的研究是可控核聚變實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵一環(huán)，其中低活性鐵素體/馬氏體鋼(CLF-1鋼)是國內(nèi)聚變試驗(yàn)包層設(shè)計(jì)和制造加工的一種關(guān)鍵材料[2]。

聚變堆包層材料對CLF-1鋼焊接接頭的要求很高，國外已經(jīng)對其可焊性進(jìn)行了多項(xiàng)研究[3]，進(jìn)行了包括鎢極惰性氣體保護(hù)焊(TIG)、電子束焊接(EB)、擴(kuò)散焊(DW)等焊接試驗(yàn)。本研究考慮用爆炸焊接(EXW)的方法制備CLF-1焊接接頭。

爆炸焊接是以炸藥為能源進(jìn)行材料復(fù)合的加工高新技術(shù)[4-5]。這種焊接利用炸藥爆炸瞬間產(chǎn)生的巨大能量為驅(qū)動(dòng)，使復(fù)材高速傾斜碰撞向基材，從而在待結(jié)合區(qū)形成具有熔化、擴(kuò)散和塑性變形的焊接過渡區(qū)，進(jìn)而形成強(qiáng)固冶金結(jié)合。爆炸焊接技術(shù)是一種集壓力焊、熔化焊、擴(kuò)散焊為一體的特種焊接技術(shù)[6-9]。通過設(shè)置合理的試驗(yàn)參數(shù)，對比研究不同爆炸比對所制備的爆炸焊接接頭焊合率、界面形貌和力學(xué)性能的影響，進(jìn)一步優(yōu)化參數(shù)，得到符合要求的CLF-1鋼爆炸焊接接頭。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)選用的基板與復(fù)板材料均為CLF-1鋼。復(fù)板的尺寸為250 mm×210 mm×5 mm；基板的尺寸為200 mm×180 mm×20 mm。試驗(yàn)材料的化學(xué)成分如表1所示。

表1 試驗(yàn)材料的化學(xué)成分

1.2 試驗(yàn)方法

本研究采用平行安裝法進(jìn)行爆炸焊接試驗(yàn)，安裝示意圖如圖1。用壓實(shí)的砂土作為地基以此減少彈性反沖。在復(fù)板上放置特制的用于布藥的藥盒，將雷管安裝在起爆端通過遙控器起爆。

圖1 爆炸焊接示意圖

本研究進(jìn)行了3次對照試驗(yàn)，對比分析不同爆炸比(炸藥質(zhì)量/復(fù)板質(zhì)量)對CLF-1爆炸焊接復(fù)合板界面形貌和力學(xué)性能的影響。其中，第一次試驗(yàn)爆炸比為1.87，第二次試驗(yàn)爆炸比為2.16第三次試驗(yàn)爆炸比為2.38。試驗(yàn)所用的炸藥為混入25%膨脹珍珠巖粉末的粉狀乳化炸藥，經(jīng)過BSZ-1智能單端爆速儀測速檢測，此混合粉狀乳化炸藥爆速為2 200 m/s[10-11]。

在爆炸焊接試驗(yàn)后，參考GB/T 7734—2015《復(fù)合鋼板超聲檢測方法》對復(fù)合板用友聯(lián)PXUT-350C探傷儀進(jìn)行超聲波探傷。

沿平行于爆轟方向且垂直于復(fù)合板表面參照GB/T 13298—2015《金相顯微組織檢測方法》對爆炸焊接復(fù)合板超聲波探傷結(jié)果顯示焊接質(zhì)量較好的區(qū)域利用線切割制成尺寸為20 mm×20 mm×25 mm的試樣，并進(jìn)行磨制和拋光后，用腐蝕劑對其進(jìn)行侵蝕，制成金相試樣后，使用奧林巴斯GX53倒置金相顯微鏡進(jìn)行顯微組織觀察。

剪切強(qiáng)度測試參照GB/T 6396—2008《復(fù)合鋼板力學(xué)及工藝性能試驗(yàn)方法》將復(fù)合板切制為65 mm×25 mm×25 mm的標(biāo)準(zhǔn)剪切試樣，用SHT4106-W萬能試驗(yàn)機(jī)測試并分析其剪切強(qiáng)度。

參考GB/T 4340.2—2012《金屬材料 維氏硬度試驗(yàn) 第2部分：硬度計(jì)的檢驗(yàn)與校準(zhǔn)》用HV5-50 維氏硬度計(jì)測試焊接接頭切面的顯微硬度。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

爆炸焊接試驗(yàn)后，從外觀上觀察復(fù)合板的結(jié)合可以發(fā)現(xiàn)：T-2試板與T-3試板焊接質(zhì)量較好，無表面裂紋、基復(fù)板脫離等明顯缺陷，而T-1試板出現(xiàn)明顯開裂現(xiàn)象，在校平后，復(fù)板與基板脫離，如圖2所示。表明當(dāng)炸藥量(爆炸比)過低時(shí)CLF-1鋼的爆炸焊接無法成功實(shí)現(xiàn)。因此，本研究僅對T-2和T-3試板進(jìn)行后續(xù)測試。

圖2 校平后T-1試板圖

超聲波探傷的結(jié)果如圖3所示，紅色圓圈內(nèi)的區(qū)域?yàn)槌暡ㄌ絺Y(jié)果顯示焊接質(zhì)量不佳的區(qū)域。由圖3(a)可知，T-2試板的焊合率(焊接質(zhì)量佳的區(qū)域總面積/復(fù)合板總面積)約為93%，未完全焊接區(qū)域主要集中在復(fù)合板的邊緣部位。再由圖3(b)可得，T-3試板的焊合率約為89%，未完全焊接區(qū)域除了分布在復(fù)合板的邊緣，在其中部也有直徑10 mm的區(qū)域焊接質(zhì)量不理想。

圖3 超聲波探傷測試結(jié)果

圖4為CLF-1爆炸焊接接頭的界面微觀結(jié)合形貌圖，圖4(a)和圖4(c)為2件試樣放大40倍的金相組織圖，圖4(b)和圖4(d)為試樣分別放大100倍的金相組織圖。由圖3可見，2次試驗(yàn)制備的爆炸焊接接頭均明顯觀察到波狀結(jié)合界面。根據(jù)之前的研究表明[12]，在爆炸焊接復(fù)合板的微觀形貌中出現(xiàn)波狀結(jié)合是焊接質(zhì)量較好的一種象征。經(jīng)金相顯微鏡測量，T-2和T-3試樣的平均波長分別為800 μm和850 μm，波高分別為285 μm和300 μm，表明隨著爆炸比的增大，爆炸焊接復(fù)合板的波形有變大的趨勢。仔細(xì)觀察圖4(b)和圖4(d)中的波狀結(jié)合界面，可見在結(jié)合界面的波峰和波谷附近有一些白色的半島狀熔化區(qū)域。Borchers等[13]指出，在爆炸焊接過程中，熔化往往只產(chǎn)生在部分區(qū)域上而不是在整個(gè)結(jié)合區(qū)域上。這些半島狀熔化區(qū)域是達(dá)到最高焊接溫度的金屬射流形成的漩渦熱量得不到及時(shí)散失而產(chǎn)生的。測量圖4(b)和圖4(d)的融化區(qū)域的面積，T-2和T-3試樣的單個(gè)熔化區(qū)域的平均面積分別為1 050 μm2和1 200 μm2，這表明隨著爆炸比的增大，CLF-1復(fù)合板焊接界面的融化區(qū)域隨之變大。

圖4 復(fù)合界面微觀組織

剪切強(qiáng)度測試后的試樣情況如圖5所示，剪切試樣的剪切斷面發(fā)生在復(fù)板一側(cè)。圖6是剪切強(qiáng)度測試的力-位移曲線，a點(diǎn)和b點(diǎn)分別為T-2和T-3試樣剪切測試中達(dá)到最大剪切力的點(diǎn)，其剪切強(qiáng)度值分別為412 MPa和423 MPa，均滿足試驗(yàn)要求。同時(shí)，兩個(gè)試樣剪切強(qiáng)度值的大小對比說明爆炸比較大時(shí)，爆炸焊接接頭的剪切強(qiáng)度值較大。

圖5 剪切試樣

圖6 剪切測試力-位移曲線

在不同爆炸比條件下制備的CLF-1爆炸焊接接頭切面顯微硬度測試結(jié)果如圖7所示。爆炸焊接后，復(fù)板和基板的中間位置的硬度值與材料本身的硬度值一致，為308HV；在復(fù)板和基板的外表面都能觀察到明顯的硬度強(qiáng)化，同時(shí)結(jié)合界面附近的硬度值也比材料本身硬度值有所增加，并且，結(jié)合界面附近的硬度值比外表面處更大，說明結(jié)合界面處的硬度強(qiáng)化效果更加明顯。復(fù)合板界面處的硬度強(qiáng)化主要是由于炸藥的作用，基復(fù)板發(fā)生高速碰撞進(jìn)而導(dǎo)致的變形引起的[7]；而基復(fù)板外表面的硬度強(qiáng)化則與它們的位置有關(guān)，對于復(fù)板而言，硬度增加是由于爆炸沖擊波形成的冷變形；對于基板，硬度增加的原因是從地基反射的爆炸沖擊產(chǎn)生的冷變形的影響[14]。

圖7 硬度測試結(jié)果

對比不同爆炸比的兩次試驗(yàn)的顯微硬度結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)，在同樣的幾個(gè)硬度強(qiáng)化的位置，爆炸比更高的T-3試板硬度值均大于T-2試板，說明在其他條件相同的情況下，爆炸比越大，硬度強(qiáng)化作用越明顯。

3 結(jié)論

1)選取合適的參數(shù)可以通過爆炸焊接成功制備滿足要求的CLF-1爆炸焊接接頭，但當(dāng)爆炸比過低時(shí)基復(fù)板不能成功焊接。

2)CLF-1爆炸焊接超聲波探傷結(jié)果顯示第二和第三次焊接試驗(yàn)的焊接質(zhì)量較為理想，但是當(dāng)爆炸比較小時(shí)，焊接焊合率更大且缺陷位置分布在邊緣。

3)CLF-1爆炸焊接接頭界面呈現(xiàn)明顯波狀結(jié)合界面形貌，爆炸比較小時(shí)，結(jié)合界面微觀波形較小，同時(shí)半島狀熔化區(qū)域較小，表明整體焊接缺陷更少。

4)CLF-1爆炸焊接接頭的力學(xué)性能符合要求，同時(shí)爆炸比較小時(shí)，剪切強(qiáng)度值和硬度值較小，但由于剪切強(qiáng)度值與硬度值相差不大且均能滿足要求，且爆炸比更小時(shí)，焊合率更大，界面熔化區(qū)域更小，微觀缺陷更少，所以在成功實(shí)現(xiàn)焊接的基礎(chǔ)上選擇較小的爆炸比可得到綜合焊接質(zhì)量更佳的爆炸焊接接頭。