臧 偉，袁雪婷，郭龍創(chuàng)，張杭永

(1.國家石油天然氣管材工程技術(shù)研究中心，陜西寶雞 721008；2.寶雞石油鋼管有限責(zé)任公司，陜西寶雞 721008；3.寶鈦集團(tuán)有限公司，陜西寶雞 721014)

0 引言

隨著制造業(yè)設(shè)備大型化的發(fā)展，電站冷凝器對大面積、高質(zhì)量的鈦/鋼復(fù)合管板的需求不斷增大[1-5]，國內(nèi)制備大面積鈦/鋼復(fù)合管板的技術(shù)存在較大問題，在結(jié)合的均勻性和穩(wěn)定性上還不能滿足大型裝備的特定要求，尤其管板在鉆孔過程中容易出現(xiàn)基、復(fù)層局部脫層的問題[6-10]。

本文依據(jù)爆轟機(jī)理[11-13]分析復(fù)合板在爆炸焊接過程中的爆炸壓力變化規(guī)律，采用高低爆速炸藥搭配并結(jié)合分段布藥方式進(jìn)行大面積鈦/鋼復(fù)合板的爆炸焊接試驗(yàn)，對制備的鈦/鋼復(fù)合板結(jié)合界面的微觀組織和力學(xué)性能進(jìn)行分析和討論，制備材料為Gr.2/Gr.70、面積為29 m2的電站冷凝器用大板幅鈦/鋼復(fù)合管板。結(jié)果表明，采用2 250～2 300 m/s的高低爆速和分段布藥工藝制備的大面積鈦/鋼復(fù)合板，其力學(xué)性能符合ASTM B 898—2020，可以滿足大型裝備的使用要求。

1 試驗(yàn)材料與試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用復(fù)層、基層材料分別為ASME SB265 Gr.2和ASME SA516 Gr.70，規(guī)格及數(shù)量分別為5 mm×4 450 mm×6 820 mm，4片；31 mm×4 350 mm×6 720 mm，4片。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 爆炸焊接試驗(yàn)

采用高低爆速炸藥搭配和分段布藥爆炸復(fù)合，其中靜態(tài)工藝參數(shù)(藥高、支撐距離、飛邊余量、聚能直徑等)相同，分段布藥如圖1所示。

炸藥爆速Vd1>Vd2>Vd3

1.2.2 爆炸爆速的選擇

依據(jù)爆炸工藝參數(shù)基礎(chǔ)理論[14]，進(jìn)行高低炸藥爆速搭配測試，炸藥為低爆速膨化硝銨炸藥，配方為硝銨炸藥+工業(yè)鹽，爆速的測量方法為單段式探針法。選擇4種高低爆速搭配，其方案如表1所示。

表1 高低爆速炸藥搭配方案

2 結(jié)果和討論

2.1 爆炸壓力分布與復(fù)合板均勻性的關(guān)系

根據(jù)單一炸藥平鋪布藥和多種炸藥分段布藥，結(jié)合炸藥爆轟壓力公式(1)[15]，以距離起爆點(diǎn)處的長度為橫坐標(biāo)，爆轟壓力為縱坐標(biāo)，繪圖如圖2所示。

(a)單一炸藥平鋪裝藥

(1)

其中：

式中,p(x)為距離起爆點(diǎn)x處的爆轟壓力，MPa；x為距離起爆點(diǎn)處的長度，mm；r為多方指數(shù)，常為定值;ρ為炸藥密度，kg/m3；Vd為炸藥爆速，m/s；x0為爆轟波反應(yīng)區(qū)的寬度，與炸藥有關(guān)，mm；r0為炸藥顆粒半徑，mm；uc為炸藥燃燒速度，m/s。

圖2(a)為單一炸藥平鋪布藥的爆炸壓力的分布規(guī)律，在穩(wěn)定爆轟后，爆轟壓力得到穩(wěn)定，隨著時(shí)間的增加，壓力沖量直線上升，爆炸復(fù)合的長度越長、面積越大，爆轟壓力沖量增量越大，造成界面焊接質(zhì)量均勻性差異越大[16]，說明單一炸藥平鋪布藥對爆炸焊接的板幅有一定限制，尤其對互不相熔的兩金屬(如鈦和鋼)，對其爆炸焊接質(zhì)量危害極大。

單一炸藥平鋪布藥在爆炸焊接中界面結(jié)合情況如圖3所示。在起爆開始，陣面波近似圓的形式發(fā)生碰撞，使兩金屬產(chǎn)生塑性變形，初使碰撞時(shí)炸藥爆轟產(chǎn)生熱能和兩金屬變形產(chǎn)生的熱能射流比較弱，不足以對結(jié)合界面造成危害。當(dāng)圓的直徑完成后，這時(shí)炸藥爆轟壓力沖量逐漸加大；同時(shí)炸藥爆轟產(chǎn)生熱能和碰撞變形的熱能形成高溫射流；加之兩長邊產(chǎn)生爆轟稀疏波、復(fù)板受爆炸變形擾動等共同影響[17]，使得高溫射流在結(jié)合界面層內(nèi)以紊流形式向外噴射，造成高溫射流噴射、雜亂無序排放，使結(jié)合界面產(chǎn)生不均勻結(jié)合變形，整板結(jié)合均勻性不一致，造成產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定。

圖3 單一炸藥平鋪布藥爆轟波陣面示意

圖2(b)為多種炸藥分段布藥的爆炸壓力的分布規(guī)律，當(dāng)爆轟壓力沖量增大到一定階段時(shí)，通過減小炸藥爆速來減緩沖量的增大，對板幅較大的鈦鋼復(fù)合板，在結(jié)合均勻性方面可以得到有效解決。

多種炸藥分段布藥在爆炸焊接中界面結(jié)合情況如圖4所示，在分段處爆速降低，能夠減少爆轟陣面波的曲率半徑；同時(shí)炸藥爆轟壓力沖量加大的趨勢減緩，能夠有效控制炸藥爆轟產(chǎn)生熱能和碰撞變形的熱能形成高溫射流，使得結(jié)合界面高溫射流均勻排放程度得到穩(wěn)定控制，即以層流形式噴射，極大提高界面結(jié)合均勻性，穩(wěn)定控制復(fù)合界面結(jié)合質(zhì)量。

垂直于板面的線為分段界面

基于上述理論分析，本文選用多種炸藥分段布藥的方式，并選取了4種不同爆速的炸藥配比進(jìn)行爆炸焊接試驗(yàn)。

2.2 超聲探傷檢測結(jié)果分析

運(yùn)用超聲波在不同材質(zhì)界面的反射率、透射率，通過超聲檢測可對結(jié)合質(zhì)量的均勻性進(jìn)行定性評定[18-20]。

鈦/鋼復(fù)合板復(fù)合界面的聲壓反射率r可以根據(jù)鈦與鋼兩種材料聲阻抗按公式(2)計(jì)算如下：

(2)

式中，r為復(fù)合界面聲壓反射率；Z1為純鈦的聲阻抗，kg/(m2·s)，Z1=27.32×106kg/(m2·s)；Z2為碳鋼的聲阻抗，kg/(m2·s)，Z2=45.84×106kg/(m2·s)。

超聲探傷時(shí)，一次底波B1與復(fù)合界面的回波S的差值dB的公式如下：

(3)

式中，dB為一次底波B1與復(fù)合界面的回波S的差值；B1為一次底波，常設(shè)置為80%；S為界面回波，在探傷儀顯示屏上讀出。

根據(jù)式(3)，當(dāng)實(shí)測值等于或接近理論計(jì)算值(11.48)時(shí)，說明鈦/鋼復(fù)合板貼合質(zhì)量良好；實(shí)測值明顯大于或小于理論計(jì)算值(11.48)時(shí)，說明結(jié)合界面存在某些缺陷、夾雜等[21]，這種情況可能是導(dǎo)致結(jié)合強(qiáng)度降低的因素。

由表2可以看出，距離起爆點(diǎn)2 000 mm范圍內(nèi)，幾種方案界面回波都在34%左右，這個(gè)區(qū)域dB值均在9.5左右，在實(shí)際產(chǎn)品檢測中均獲得良好的貼合質(zhì)量，說明距離起爆點(diǎn)2 000 mm范圍內(nèi)，爆炸壓力沖量分布規(guī)律，幾種方案對貼合質(zhì)量影響不大。

表2 探傷示波屏幅度調(diào)至80%時(shí)的各波高數(shù)據(jù)

在距離起爆點(diǎn)2 000～3 000 mm范圍的超聲界面回波顯示，方案1,2界面回波非常低且差異大，方案1無法讀出dB值，說明結(jié)合界面產(chǎn)生缺陷多或脆性化合物層厚，反射回波被吸收；方案2僅讀出dB值為3～5，說明結(jié)合界面產(chǎn)生缺陷或脆化層相對方案1減少；方案3讀出dB值為8～8.5，相對方案2進(jìn)一步減少；方案4的dB值達(dá)到11.5～12，達(dá)到理論計(jì)算值(11.48)。這更加說明大板幅鈦/鋼復(fù)合板用高低爆速搭配和分段布藥，對控制爆轟壓力沖量上升和界面結(jié)合均勻性達(dá)到明顯效果，結(jié)合界面缺陷和脆化層極少或沒有產(chǎn)生。

2.3 結(jié)合性能檢測結(jié)果分析

分別在離起爆點(diǎn)50，1 000,1 500,2 000,2 500,3 000 mm兩側(cè)取剪切試樣(各試樣熱處理制度均為540 ℃、保溫3 h隨爐冷卻)，將得到的剪切數(shù)值繪制如圖5所示。

圖5 剪切強(qiáng)度數(shù)據(jù)分布

由圖5可以看出，方案1僅是起爆點(diǎn)部位結(jié)合強(qiáng)度高，最高達(dá)到310 MPa，而其他位置沒有超過ASTM B 898—2020中標(biāo)準(zhǔn)要求值(140 MPa)；方案2距離起爆點(diǎn)2 000 mm范圍內(nèi)的結(jié)合強(qiáng)度最高257 MPa，但同時(shí)又存在低于140 MPa，而距離起爆點(diǎn)2 000～3 000 mm范圍少數(shù)高于140 MPa；方案3距離起爆點(diǎn)2 000 mm范圍內(nèi)，最高也是257 MPa，無低于140 MPa，而距離起爆點(diǎn)2 000～3 000 mm范圍多數(shù)超過140 MPa；方案4距離起爆點(diǎn)2 000 mm范圍內(nèi)，最高265 MPa，而距離起爆點(diǎn)2 000～3 000 mm范圍結(jié)合強(qiáng)度也無低于140 MPa。方案4的數(shù)值更能說明，采用適中的高低爆速搭配和分段布藥工藝，能夠控制結(jié)合界面均勻結(jié)合問題，尤其對大板幅鈦/鋼復(fù)合板效果明顯。

2.4 金相組織檢測分析

依據(jù)無損探傷底波數(shù)據(jù)和剪切性能數(shù)據(jù)，判定界面不均勻性主要分布在距離起爆點(diǎn)2 000～3 000 mm范圍，故重點(diǎn)取各方案距離起爆點(diǎn)2 000～3 000 mm范圍的金相進(jìn)行檢測分析對比。

圖6示出各試驗(yàn)方案距離起爆點(diǎn)2 000～3 000 mm范圍處的金相組織。方案1顯示出界面波峰波谷存在連續(xù)熔化層、孔隙等微觀缺陷，這就是高溫射流不均勻噴射堆積造成的[22]，致使結(jié)合界面的結(jié)合強(qiáng)度低甚至直接分層。方案2比方案1相對好一些，但還是存在方案1的問題，隱患是后續(xù)加工過程中很容易分層。方案3較大的微觀缺陷集中在波谷旋渦內(nèi)，這種缺陷無法在超聲檢測中檢測出來，可卷筒加工，但是在鉆孔加工中很容易局部分層。方案4金相組織顯示良好，只是在波谷的旋渦中存在輕微的熔化和孔隙，沒有出現(xiàn)連續(xù)熔化層，且能保證經(jīng)受鉆孔加工的驗(yàn)證。

(a)方案1

上述結(jié)果表明，采用2 250～2 300 m/s的高低爆速搭配和分段布藥，可有效地控制界面結(jié)合均勻性。合理適中的高低爆速搭配和分段布藥，既能避開較高爆速高溫射流難以控制的情況；又能避免低爆速的結(jié)合強(qiáng)度不足問題，能有效控制界面均勻性，增大鈦/鋼復(fù)合板板幅面積，提高和穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量。

3 結(jié)論

(1)采用高低爆速炸藥和分段布藥方式，使爆轟壓力分布得到控制，從而使焊接界面結(jié)合均勻。

(2)分段布藥方式使爆轟波陣面曲率得到控制，避免同一橫截面上復(fù)層鈦板不均勻變形。

(3)采用2 250～2 300 m/s的高低爆速炸藥搭配和分段布藥方式，能控制脆化層、孔洞等缺陷產(chǎn)生的概率。