(舞鋼神州重工金屬復合材料有限公司，河南舞鋼 462500)

0 引言

隨著我國核電工業(yè)的迅猛發(fā)展，核電站中用于制造設(shè)備蒸汽發(fā)生器、穩(wěn)壓器筒體、高壓封頭以及安注箱等關(guān)鍵設(shè)備的金屬復合板需求量劇增。但是，目前國內(nèi)用于核電設(shè)備安注箱的金屬復合板幾乎都從國外進口，不但價格昂貴，而且生產(chǎn)周期長。因此，近年來我國科技人員加大了針對核電設(shè)備用金屬復合板基層板的開發(fā)研究，以適應不斷增長的核電設(shè)備用金屬復合板市場需求。文獻[1]中介紹了研發(fā)的核電工程用大厚度鋼板(相當于SA533GrBCL2)及生產(chǎn)方法，鋼板的厚度為155 mm，生產(chǎn)方法新穎獨特，鋼板強度適中，低溫沖擊韌性和高溫拉伸性能良好，抗層狀撕裂性能、冷加工及焊接性能均良好，完全滿足核電關(guān)鍵設(shè)備的技術(shù)要求，可應用于核電站蒸發(fā)器、高壓封頭及壓力容器等關(guān)鍵設(shè)備的制造；文獻[2]論述了研發(fā)的調(diào)質(zhì)型安注箱用復合板基板SA533BC1.1具有性能一致性好、厚度方向性能差異小的特點，其中鋼板頭部和尾部、表層和心部強度波動均在25 MPa以內(nèi)，沖擊吸收能量在200 J以上，各項性能指標完全滿足安注箱復合板基板設(shè)計要求；文獻[3]對復合鋼板在AP1000安注箱制造中的熱壓成型以及熱壓成型后材料力學性能的恢復工藝進行了論證試驗，分別得出了復合板熱壓成型溫度選擇不當或恢復性能熱處理溫度不合理，將會造成復合板復層耐蝕性能下降、復合板力學性能不符合設(shè)計要求的結(jié)論。到目前為止，還未見到國內(nèi)關(guān)于爆炸焊接SA533GrBCL2-304L金屬復合板的研發(fā)成果應用于生產(chǎn)的實例報道，雖然文獻[4]從理論上論述了爆炸復合在安注箱制造中的應用，并給出了爆炸焊接復合板優(yōu)于軋制復合板的結(jié)論，但并未給出具體的爆炸焊接復合板研發(fā)成果，文獻[5]公開的成果只是處于研發(fā)的初試階段，還在不斷地對試驗進行優(yōu)化與改進，采用的傾斜爆炸焊接工藝還不能用于生產(chǎn)實踐中。因此，在我國核電進入新發(fā)展時期的大環(huán)境下，開發(fā)高性能的核電設(shè)備用爆炸焊接金屬復合板，搶占核電設(shè)備用金屬復合板的原材料市場、打破國外市場壟斷，具有一定的社會意義和經(jīng)濟效益。

1 試驗材料

為更好地契合核電設(shè)備用SA533GrBCL2-304L金屬復合板，應在材料規(guī)格尺寸選用上最大限度地貼近實際需求。選用基層鋼板SA533GrBCL2，規(guī)格為53 mm×2 000 mm×10 000 mm，復層板選用304L，拼接后的尺寸為4 mm×2 050 mm×10 040 mm。基層鋼板SA533GrBCL2和復層304L不銹鋼板的理化性能分別見表1～4。

表1 SA533GrBCL2鋼板的化學成分 %

表2 SA533GrBCL2鋼板的力學性能

表3 304L鋼板的化學成分 %

表4 304L鋼板的力學性能

2 試驗工藝

2.1 爆炸焊接

為了得到結(jié)合界面質(zhì)量良好的爆炸焊接金屬復合材料，必須求得符合技術(shù)要求的爆炸焊接工藝參數(shù)。文獻[6]總結(jié)了前人的研究成果，提出了工藝參數(shù)中的爆炸焊接速度Vc必須小于基復材的聲速；動態(tài)彎折角β應在5°～25°范圍內(nèi)；必須得到最小的復板下落速度Vp值，以完成合格的爆炸焊接等觀點。文獻[7]從爆炸焊接裝藥工藝研究入手，提出了影響爆炸焊接質(zhì)量的動態(tài)參數(shù)，其主要包括復板碰撞基板的速度、碰撞點移動速度和動態(tài)彎折角，這三個動態(tài)參數(shù)構(gòu)成了爆炸焊接的可焊窗口，且這些參數(shù)又是由裝藥厚度、炸藥爆速和基復板間距決定的。因此，確定裝藥厚度、優(yōu)化炸藥爆速、制定合理間距成為確保爆炸焊接動態(tài)技術(shù)參數(shù)正確的關(guān)鍵步驟。

實際爆炸焊接工藝中，通常采用如圖1所示的平行安裝法，這樣爆炸焊接過程中的復板碰撞基板的移動速度Vc可以簡化為炸藥的爆速Vd。根據(jù)圖1，爆炸焊接工藝參數(shù)Vc,Vd,β的關(guān)系可以簡化如圖2所示。因此，可得到復板下落速度與炸藥爆速以及動態(tài)彎折角之間的關(guān)系式[8]：

Vp=2Vdsin(β/2)

(1)

式中Vp——復板碰撞基板的下落速度，m/s；

Vd——炸藥爆速，m/s；

β——復板動態(tài)彎折角，(°)，β一般為5°～25°。

圖1 平行安裝法示意

圖2 平行安裝法參數(shù)關(guān)系

采用粉狀乳化炸藥，添加定量的顆粒狀碳酸鈣混配后，使用BSD-3型單段爆速儀測試炸藥爆速。炸藥自然堆積密度ρ0=0.55 g/cm2、 裝藥厚度δ0=38 mm時的爆速(平均值)為2 250 m/s。

文獻[9] 采用可壓縮流體動力學中的二維超聲速定常流解法，并對復層板的飛行姿態(tài)特征進行計算機模擬，整理的經(jīng)驗公式如下：

(2)

式中θ——復板的拋擲角，弧度，平行安裝條件下，θ等于復板的碰撞角β；

h0——基復板間距，mm。

試驗選用的不銹鋼復板為304L，密度ρf=7.9 g/cm3、厚度δf=4 mm，以此可計算出爆炸焊接的參數(shù)值，如裝藥質(zhì)量比R、炸藥多方指數(shù)K、復板下落速度VP、動態(tài)彎折角β等。

根據(jù)預定的復板和炸藥參數(shù)，計算出裝藥質(zhì)量比R和炸藥多方指數(shù)K。

將計算得到的質(zhì)量比R和炸藥多方指數(shù)K值代入式(2)中，可以計算出不同間距h0下的動態(tài)彎折角β，再根據(jù)式(1)計算出復板碰撞基板的速度Vp，由此可以得出復板的動態(tài)爆炸焊接參數(shù)值,見表5。

表5 爆炸焊接復板動態(tài)參數(shù)

根據(jù)表5所列計算結(jié)果，結(jié)合實際試驗生產(chǎn)情況，本次試驗爆炸焊接靜態(tài)技術(shù)參數(shù)決定采用：炸藥爆速Vd=2 250 m/s，裝藥厚度δ0=38 mm，間隙高度h0=10 mm。在此裝藥參數(shù)下，復板動態(tài)彎折角為12.08°，復板碰撞基板的速度為473 m/s，所選參數(shù)符合理論依據(jù)。

采用以上參數(shù)爆炸焊接的SA533GrBCL2-304L金屬復合板如圖3,4所示。經(jīng)UT檢測，除中心起爆點位置有約?25 mm未復合缺陷外，其余部分全部實現(xiàn)復合。

圖3 裝藥后的SA533GrBCL2-304L金屬復合板

圖4 爆炸焊接后的SA533GrBCL2-304L金屬復合板

2.2 熱處理

爆炸焊接復合材料的熱處理與采用其他工藝生產(chǎn)的金屬材料的熱處理相比有許多相似之處，都是將其以一定的速度加熱到預定的溫度，再在此溫度下保持一定的時間，然后以一定的速度冷卻，冷卻過程或在空氣中進行、或在介質(zhì)(水、油)中進行[10-12]。但是，由于爆炸焊接金屬復合板是由兩種不同性能的金屬組合而成，因而其熱處理工藝自有其獨到之處，所以進行金屬復合板的熱處理時，必須考慮兩種組合金屬各自的理化參數(shù)性能、在熱處理工藝溫度下可能形成的化學反應以及反應生成物質(zhì)的特性，從而預測和制定出合理的熱處理工藝參數(shù)。

本文試驗采用的基復板材料分別為SA533GrBCL2和304L，基板SA533GrBCL2的供貨狀態(tài)為淬火900～920 ℃水冷，回火溫度650～680 ℃空冷；不銹鋼304L為1 040～1 080 ℃水冷。結(jié)合兩種組合材料的熱處理狀態(tài)，決定對爆炸焊接后的SA533GrBCL2-304L金屬復合板分別采用兩種不同的熱處理工藝，以選取最佳的熱處理參數(shù)。

(1)首先采用正火工藝，然后采用低溫回火工藝。采用的熱處理工藝參數(shù)為：正火溫度920±10 ℃，升溫速度≤200 ℃/h，保溫時間按復合板每毫米板厚1.5 min計算，達到保溫時間后出爐風冷；采用低回火溫度的目的是降低回火溫度對復層304L不銹鋼板的耐蝕性能影響，具體的回火溫度650±10 ℃，升溫速度≤120 ℃/h，保溫時間按復合板每毫米板厚2.5 min計算，達到保溫時間后出爐空冷。正火和回火熱處理曲線分別見圖5，6。

圖5 正火熱處理曲線

(2)其次，在不改變基板原始供貨狀態(tài)的情況下制定熱處理工藝，也即在基板回火溫度以下30～50 ℃進行熱處理。采用的熱處理工藝為：去應力熱處理溫度為620±10 ℃，升溫速度≤120 ℃/h，保溫時間按復合板每毫米板厚2.8 min計算，達到保溫時間后出爐風冷至400 ℃后空冷，風冷的目的是為了加速冷卻，以盡可能快的速度將復合板的溫度降至450 ℃以下，以避免復層304L不銹鋼過多地停留在敏化區(qū)溫度范圍內(nèi)(450～850 ℃)。制定的去應力退火熱處理曲線如圖7所示。

圖6 回火熱處理曲線

圖7 去應力退火熱處理曲線

3 試驗結(jié)果與分析

(1)如前所述，在炸藥爆速Vd=2 250 m/s、裝藥厚度δ0=38 mm的裝藥條件下，利用式(2)計算出間隙高度h0分別為4，6，8，10，12，14 mm情況下的復層板動態(tài)參數(shù)，經(jīng)試驗得知，在間隙h0分別為6，8，10，12 mm，β分別為10.84°，11.54°,12.08°，12.51°時，都能得到良好的爆炸焊接質(zhì)量?？紤]到實際生產(chǎn)中復層板幅大小，以及復層板不平度造成的誤差，在間隙h0=10 mm，β=12.08°時，可以確保得到性能更好的焊接質(zhì)量，因此，不論是從理論上分析或是從生產(chǎn)實踐上驗證，選用間隙高度h0=10 mm，β=12.08°是正確的，也是可行的。

(2)制定第一種熱處理工藝時，主要考慮的是恢復基板的原始供貨狀態(tài)，其中回火溫度低于基板原始回火溫度30～50 ℃，這是為了避免由于高溫回火而引起的復層奧氏體不銹鋼晶間腐蝕缺陷的發(fā)生。

對經(jīng)過正火+回火熱處理后的SA533GrBCL2-304L金屬復合板分別取樣進行復層晶間腐蝕(E法)和力學性能試驗。試驗結(jié)果表明，復層304L不銹鋼板耐蝕性能合格，力學性能滿足NB/T 47002.1—2009《壓力容器用爆炸焊接復合板》的各項指標要求，其中復合板的剪切強度達到了310 MPa，超出了標準要求的210 MPa。表6,7分別列出了經(jīng)正火+回火處理的SA533GrBCL2-304L金屬復合板和復層304L不銹鋼板力學性能的檢測結(jié)果。

表6 SA533GrBCL2-304L金屬復合板力學性能檢測結(jié)果 (正火+回火)

表7 復層304L不銹鋼板力學性能檢測結(jié)果(正火+回火)

(3)制定爆炸焊接后的SA533GrBCL2-304L復合板去應力退火熱處理工藝時，為保證復層304L不銹鋼板的耐蝕性能，采用出爐風冷的工藝，這樣可以盡量避開奧氏體不銹鋼在敏化溫度區(qū)間內(nèi)(450～870 ℃)的停留時間，風冷至450 ℃以下時自然空冷。經(jīng)過這樣消應力熱處理后的SA533GrBCL2-304L復合板，不但消除了由于爆炸焊接過程引起的內(nèi)部應力，而且其力學性能和耐腐蝕性能也得到了充分保證。

對經(jīng)過去應力熱處理后的SA533GrBCL2-304L金屬復合板分別取樣做復層晶間腐蝕(E法)和力學性能試驗，試驗結(jié)果表明，復層304L不銹鋼板耐蝕性能合格，力學性能滿足標準NB/T 47002.1—2009的各項指標要求，其中復合板的剪切強度達到350 MPa,遠遠超出標準要求的210 MPa。表8，9分別列出SA533GrBCL2-304L金屬復合板和復層304L不銹鋼板的力學性能檢測結(jié)果，圖8～10為取自復合板端部的晶間腐蝕和力學性能檢測代表試樣。

表8 SA533GrBCL2-304L金屬復合板力學性能檢測結(jié)果 (去應力退火)

表9 復層304L不銹鋼板力學性能檢測結(jié)果(去應力退火)

圖8 晶間腐蝕(E法)檢測試樣

圖9 復合板力學性能檢測試樣

根據(jù)以上復合板的力學性能和敏化試驗結(jié)果分析可知，經(jīng)過兩種熱處理工藝生產(chǎn)的SA533GrBCL2-304L金屬復合板，其力學性能指標符合標準規(guī)定，可以說文中所制定的爆炸焊接SA533GrBCL2-304L金屬復合板工藝和兩種熱處理工藝是可行的。特別是制定的去應力熱處理工藝，是在兩種組合材料A1線以下進行的，也即是在沒有改變兩種組合材料供貨狀態(tài)的情況下消除的爆炸焊接應力。這樣做不但保證了兩種組合材料的原始性能，消除了爆炸焊接應力;而且由于采用了出爐風冷降溫的有效措施，使得復層304L不銹鋼得以快速通過敏化區(qū)，保證了復層304L不銹鋼的耐蝕性能。

圖10 復層板304L力學性能檢測試樣

盡管從復合板的性能檢測試驗結(jié)果看，經(jīng)過兩種熱處理工藝后，復層304L不銹鋼板的抗拉強度和屈服強度均有所升高，伸長率降低且低于不銹鋼標準規(guī)定值，但由于NB/T 47002.1—2009和ASME-SA264等中外標準中都沒有單獨規(guī)定復合板復層材料的力學性能指標，所以本文未予考慮復層板力學性能(如伸長率不達標)對復合板整體性能的影響程度。關(guān)于爆炸焊接過程和熱處理工藝參數(shù)對復合板復層金屬性能的影響，以及復層金屬力學性能指標對復合板使用性能的影響，可以作為一個單獨研究項目進行試驗論證，本文不作深入論述。

因此僅從滿足NB/T 47002.1—2009和ASME-SA264標準技術(shù)參數(shù)規(guī)定考慮，本文制定的熱處理工藝參數(shù)是可行的，完全可以用于批量生產(chǎn)核電設(shè)備用SA533GrBCL2-304L金屬復合板。

4 結(jié)論

(1)采用經(jīng)驗公式計算出一組爆炸焊接技術(shù)數(shù)據(jù)，通過優(yōu)選確定的技術(shù)參數(shù)對爆炸焊接SA533GrBCL2-304L金屬復合板是適用的，使用優(yōu)選參數(shù)爆炸焊接的SA533GrBCL2-304L金屬復合板完全可以滿足核電設(shè)備對材料的特殊技術(shù)要求。

(2)采用的兩種熱處理工藝，僅從恢復原材料力學性能、滿足有關(guān)標準規(guī)定方面看，正火+回火工藝略優(yōu)于去應力熱處理工藝，兩種工藝參數(shù)均可用于實際生產(chǎn)中。

(3)文中試驗采用的爆炸焊接和熱處理生產(chǎn)工藝，也可推廣應用到其他核電設(shè)備用金屬復合板(如SA738GrB等)的生產(chǎn)工藝中。