華紹春，丁華，王鵬，張玉紅，劉正濤，陳大軍

（1.火箭軍裝備部駐重慶地區(qū)軍事代表室，重慶 400039；2.西南技術(shù)工程研究所，重慶 400039）

裝甲車輛是在戰(zhàn)場(chǎng)為步兵提供偵查、通信指揮等設(shè)備，以及人員運(yùn)輸、火力支援的機(jī)動(dòng)平臺(tái)，需具備優(yōu)良的越野機(jī)動(dòng)、防護(hù)和火力打擊能力。為滿足現(xiàn)代裝甲車輛較高的抗彈防護(hù)性能要求，當(dāng)前國(guó)內(nèi)外裝甲車輛防護(hù)材料主要有金屬裝甲（包括裝甲鋼、鋁合金、鈦合金等）、防彈玻璃、陶瓷、芳綸纖維、PE 纖維等[1]。其中，裝甲鋼板因硬度高、塑性好，性能均衡，抗侵徹能力、抗沖擊和抗崩落效果好，在現(xiàn)代裝甲車輛中運(yùn)用廣泛[2]。裝甲鋼結(jié)構(gòu)通常采用鑄造、焊接、鉚接等方式成型，其中，焊接具有工藝簡(jiǎn)單、效率高、成本低等優(yōu)勢(shì)，目前國(guó)內(nèi)外金屬裝甲車輛車體大多采用焊接結(jié)構(gòu)[3]，但裝甲鋼結(jié)構(gòu)焊接過(guò)程中熱量輸入造成連接部位組織狀態(tài)發(fā)生變化，焊縫區(qū)殘余應(yīng)力大，強(qiáng)度、硬度等力學(xué)性能相較于母材有一定程度降低，對(duì)裝甲車輛整體抗彈防護(hù)性能有不利影響[3]。李曉源等[4]采用12.7 mm 穿甲燃燒彈對(duì)厚度為18 mm 不同抗拉強(qiáng)度的40CrNi2Mo 鋼板進(jìn)行抗彈性能測(cè)試，結(jié)果表明，隨抗拉強(qiáng)度增大，抗彈性能總體呈增大趨勢(shì)。時(shí)捷等[5]采用53 式7.62 mm WO-109C 穿甲燃燒彈射擊10 mm厚不同硬度的Cr-Ni-Mo 裝甲鋼板，結(jié)果表明，隨鋼板硬度增大，彈丸開(kāi)坑擴(kuò)孔消耗的能量增大，彈丸消耗的塑性擴(kuò)孔功提高，鋼板抗彈性能獲得相應(yīng)提升，但硬度過(guò)高可能引發(fā)沖塞破壞、鋼板崩落式破壞等，從而導(dǎo)致抗彈性能下降。此外，有研究表明，鋼板硬度對(duì)抗彈性能的影響最為顯著，主要體現(xiàn)在彈丸侵徹方式和彈丸完整性的影響[6]。

以上研究表明，裝甲鋼焊縫區(qū)因力學(xué)性能劣化成為裝甲車輛抗彈防護(hù)的薄弱點(diǎn)。文中以6252 裝甲鋼為研究對(duì)象，初步探索了裝甲鋼焊縫區(qū)的抗彈防護(hù)性能，并從焊接工藝控制、結(jié)構(gòu)優(yōu)化和加裝防護(hù)組件等方面進(jìn)行了裝甲車輛抗彈防護(hù)能力提升對(duì)策研究，為全方位提升裝甲車輛抗彈防護(hù)能力提供理論支撐。

1 試驗(yàn)

試驗(yàn)材料選用厚度為4.5 mm 的淬火6252 裝甲鋼（牌號(hào)為30MnMoTiB），化學(xué)成分見(jiàn)表1。

表 1 6252 裝甲鋼化學(xué)成分Tab.1 Chemical composition of 6252 armor steel

采用熔化混合氣體保護(hù)焊（MAG）對(duì)6252 裝甲鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行焊接，焊接結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。保護(hù)氣體為Ar（質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%～2.0%）和O2，焊絲采用ER100S-G，直徑為1 mm；焊接電流控制在150～200 A，氣體流量為15～20 L/min。

圖1 裝甲鋼焊接結(jié)構(gòu)形式Fig.1 Form of armor steel welding structure

焊后采用線切割取下裝甲鋼焊接接頭金相試樣，依次進(jìn)行砂紙粗磨、精磨和機(jī)械拋光，隨后經(jīng)體積分?jǐn)?shù)為 5%的硝酸酒精腐蝕后，在光學(xué)顯微鏡下觀察微觀組織狀態(tài)；采用顯微硬度計(jì)檢測(cè)焊接區(qū)域顯微硬度分布，試驗(yàn)力為0.980 7 N；利用水刀切割的方式從上述裝甲鋼板焊縫區(qū)位置剖取尺寸為400 mm×400 mm的靶板，采用85 式狙擊槍發(fā)射53 式7.62 mm 普通鋼芯彈對(duì)靶板焊縫部位進(jìn)行射擊試驗(yàn)。裝甲鋼損傷級(jí)別參照GJB 59.18—18《裝甲車輛試驗(yàn)規(guī)程 裝甲板抗彈性能試驗(yàn)》執(zhí)行，如果彈速大于規(guī)定速度（820～835 m/s），且未發(fā)生擊穿視為有效；如果發(fā)生擊穿視為無(wú)效；如果彈速低于規(guī)定速度，發(fā)生擊穿視為有效，未發(fā)生擊穿視為無(wú)效。靶試后對(duì)彈坑宏觀形貌進(jìn)行觀察分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 微觀組織

裝甲鋼焊接接頭微觀組織見(jiàn)圖2，接頭區(qū)域由熔合區(qū)、熱影響區(qū)、母材區(qū)組成。熔合區(qū)為鐵素體、珠光體和板條馬氏體的混合組織，該組織具有較好的韌塑性，但強(qiáng)度、硬度較低（圖2a）；熱影響區(qū)為板條狀馬氏體組織，該組織是焊后快速冷卻形成的過(guò)飽和固溶體，其硬度高，但脆性大（圖2b）；母材區(qū)為細(xì)小回火馬氏體組織，具有較好的強(qiáng)韌性（圖2c）。以上結(jié)果表明，裝甲鋼焊接接頭受焊接熱輸入和冷卻條件的影響，與母材相比，焊縫區(qū)組織存在一定程度的弱化。

圖2 裝甲鋼焊接接頭微觀組織Fig.2 Microstructure of armor steel welded joint

2.2 顯微硬度

已有研究表明，硬度對(duì)材料抗彈性能有最為顯著的影響。對(duì)裝甲鋼焊接區(qū)域開(kāi)展了顯微硬度檢測(cè)，以焊縫中心作為0 點(diǎn)，向一側(cè)進(jìn)行連續(xù)顯微硬度檢測(cè)，硬度測(cè)試點(diǎn)位置見(jiàn)圖3。3 件裝甲鋼板接頭顯微硬度分布曲線見(jiàn)圖4。測(cè)試結(jié)果表明，距離焊縫中心越遠(yuǎn)，硬度值越大；在距離焊縫中心約10.5 mm 時(shí)，硬度值急劇上升，此處應(yīng)當(dāng)為熔合區(qū)與熱影響區(qū)的交界點(diǎn)，可判斷出熔合區(qū)寬度約為21 mm，顯微硬度值低于312HV；當(dāng)距離焊縫中心約23 mm 后，硬度值趨于穩(wěn)定，此處應(yīng)當(dāng)為熱影響區(qū)與母材區(qū)的交界點(diǎn)，可判斷出單側(cè)熱影響區(qū)寬度約為12.5 mm，顯微硬度值為312HV～518HV。由此可知，整個(gè)裝甲鋼板接頭焊縫區(qū)寬度約為46 mm，焊縫區(qū)硬度較母材區(qū)硬度降低40%以上。

圖3 硬度測(cè)試點(diǎn)位置Fig.3 Location of hardness test point

圖4 裝甲鋼板接頭一側(cè)顯微硬度分布曲線Fig.4 Microhardness distribution curve of armor steel joint side

2.3 抗彈性能

為驗(yàn)證焊接對(duì)裝甲鋼抗彈防護(hù)性能的影響，分別對(duì)焊縫區(qū)（焊縫兩側(cè)）和非焊縫區(qū)進(jìn)行了實(shí)彈測(cè)試。從圖5 可以看出，焊縫區(qū)著彈后子彈完全穿透靶板，正面沖孔四周出現(xiàn)塑性流動(dòng)特征且輪廓規(guī)則，而著彈點(diǎn)附近靶板整體無(wú)明顯變形，彈丸侵徹方式為沖塞破壞[7]。圖6 為非焊縫區(qū)實(shí)彈測(cè)試情況，著彈點(diǎn)未穿透，正面彈坑呈圓錐形凹陷，靶板背面出現(xiàn)錐形凸起，彈丸侵徹方式為塑性變形擴(kuò)孔破壞[8]。以上結(jié)果表明，與非焊縫區(qū)母材相比，靶板焊縫區(qū)抗彈防護(hù)性能顯著減弱。

圖5 焊縫區(qū)著彈點(diǎn)Fig.5 Impact point in weld zone

圖6 非焊縫區(qū)著彈點(diǎn)Fig.6 Impact point in non-weld zone

3 抗彈能力提升對(duì)策討論

裝甲鋼焊接結(jié)構(gòu)受熱量輸入影響，焊縫區(qū)組織性能發(fā)生劣化，該區(qū)域成為裝甲車輛抗彈防護(hù)的薄弱點(diǎn)，提升接頭性能或?qū)缚p區(qū)進(jìn)行特殊保護(hù)是全面提高裝甲車輛抗彈防護(hù)能力的主要途徑[9]。從焊接工藝控制、結(jié)構(gòu)優(yōu)化、加裝防護(hù)組件等3 個(gè)方面討論提升裝甲車輛焊縫區(qū)防護(hù)性能的有效對(duì)策。

3.1 焊接工藝控制

在焊接熱作用下，裝甲鋼板連接部位發(fā)生了熔化、凝固等冶金過(guò)程，接頭處不可避免地存在晶粒粗大、孔隙、夾雜、殘余應(yīng)力等冶金缺陷，導(dǎo)致其力學(xué)性能顯著降低。通過(guò)有效的工藝措施可以一定程度上緩解焊縫區(qū)性能劣化，如：在滿足焊縫質(zhì)量前提下，通過(guò)減小焊絲直徑和焊接電流等方法減少焊接熱輸入，可以縮小焊接熱影響范圍；其次，焊接時(shí)保持移動(dòng)速度勻速，使整條焊縫受熱均勻一致，減小應(yīng)力集中[10]。

3.2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

通過(guò)對(duì)裝甲車輛外形結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以減小子彈對(duì)焊縫區(qū)等薄弱點(diǎn)的損壞[11]?？刹扇〉母倪M(jìn)方法如下。

1）甲板傾角設(shè)計(jì)，增加跳彈功能，當(dāng)子彈以一定傾斜角度入射時(shí)，子彈很容易被反彈，彈著角越小，運(yùn)動(dòng)速度越大，裝甲板表面越光滑、堅(jiān)硬，則越容易產(chǎn)生跳彈。

2）焊接結(jié)構(gòu)優(yōu)化布置，焊縫區(qū)盡量避開(kāi)子彈正面入射方向，減小中彈概率。

3）將部分非必須焊接結(jié)構(gòu)改為螺栓連接，減少焊縫數(shù)量。

4）優(yōu)化焊接結(jié)構(gòu)，將必須焊接的支架設(shè)計(jì)為螺座形式，減少焊縫長(zhǎng)度。

3.3 加裝防護(hù)組件

目前金屬裝甲車輛在工藝上、結(jié)構(gòu)上均不能完全避免焊接，焊縫區(qū)始終存在，對(duì)焊縫區(qū)進(jìn)行附加保護(hù)是一種解決方案，即在車體抗彈性能薄弱點(diǎn)（焊縫區(qū)）通過(guò)螺栓連接方法加裝防護(hù)組件，提高局部防護(hù)能力[12]。圖7 為車體焊縫外表面加裝附加防彈材料后實(shí)彈測(cè)試的效果，該組件以雙層疊加的方式完全覆蓋了焊縫區(qū)，靶試后著彈點(diǎn)未被穿透，相比不加裝防護(hù)組件，車體抗彈防護(hù)性能獲得顯著提升。

圖7 車輛外部附加裝甲實(shí)彈測(cè)試Fig.7 Live ammunition test of vehicle external additional armor

4 結(jié)語(yǔ)

1）6252 裝甲鋼接頭焊縫區(qū)寬度約為46 mm，焊縫中心硬度低于312HV，較母材區(qū)硬度降低40%以上。

2）靶試后焊縫區(qū)著彈點(diǎn)完全穿透，而非焊縫區(qū)未被穿透且彈坑呈圓錐形凹陷，焊縫區(qū)的抗彈性能較母材區(qū)的顯著衰減。

3）為提升裝甲車輛抗彈防護(hù)能力，對(duì)焊縫區(qū)薄弱點(diǎn)從焊接工藝控制、結(jié)構(gòu)優(yōu)化、加裝防護(hù)組件3 個(gè)方面進(jìn)行討論，并提出防護(hù)對(duì)策。隨著現(xiàn)代裝甲車輛輕量化要求越來(lái)越高，焊接結(jié)構(gòu)應(yīng)用越來(lái)越廣泛，車輛防護(hù)面臨新的挑戰(zhàn)，還需在防護(hù)方式、防護(hù)手段等方面進(jìn)行更加深入的探索和研究。