大面積雙金屬材料加筋板爆炸焊接試驗及其結合界面研究

大面積雙金屬材料加筋板爆炸焊接試驗及其結合界面研究

段綿俊1，王耀華1，冉紅2，馬銳1，周景蓉3，江潤蓮1

(1.解放軍理工大學野戰工程學院,南京210007；2.核工業集團西南物理研究院,成都610041；3.三邦金屬復合材料廠,南京210007)

摘要：大面積雙金屬材料加筋板，具有重要工程應用價值，但是難以用常規加工工藝生產,也難以采用爆炸焊接加工。本文以316L不銹鋼面板和碳鋼Q345R筋板為試驗材料，提出一種新的凸臺式裝藥模式，在裝藥形式、支承模板設計以及焊接參數等方面進行了深入研究和優化，運用爆炸焊接技術，成功制備了一種較大面積雙金屬材料加筋板；并對其進行了剪切強度測試、金相觀測、掃描電鏡和顯微硬度測試，結果表明：焊接結合面為波狀界面，結合區域的晶粒被拉長變細，顯微硬度顯著升高，界面結合強度超過母材中強度較低者。

關鍵詞：爆炸焊接；雙金屬材料；加筋板；結合界面

中圖分類號:TG456.6文獻標志碼：A

基金項目：中央高?；究蒲袠I務費專項資金資助項目(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

加筋板結構，系由面板和多根筋板構成，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。此種結構不僅具有重量輕和承載能力高的特點，而且雙金屬材料加筋板還有適應不同應用環境和節約貴重金屬的優勢，因此，可廣泛應用在核、化工業反應釜、罐等裝備上。

目前，可用于制備雙金屬材料加筋板的常規加工方法有熱等靜壓、釬焊和熔焊等。熱等靜壓法受設備所限，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較低的釬焊劑，其界面結合強度低，耐熱性差，不能用于耐熱重載結構件的制備；熔焊法操作簡單，可大規模生產，但僅適用于焊接性能相近的異種材料，不能用于熔點相差較大、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。而爆炸焊接具有適用于多種異種金屬高強結合和適于大規模生產的特點，可考慮用這種技術來制備雙金屬材料加筋板。

爆炸焊接亦稱爆炸復合，是一種利用炸藥爆轟能量驅動兩種相同或相異材料的金屬構件發生高速傾斜碰撞，同時產生高速射流清除金屬表面的氧化膜和吸附層，使兩個潔凈的金屬表面緊密接觸而形成固相面結合的一種高能加工技術[1]。在理論層面上，眾多學者對爆炸焊接裝藥上限和下限、界面成波機理和焊接界面微觀組織進行了研究，深入探索了焊接機理，提高了爆炸焊接質量[1-9]；在技術層面上，已經實現了近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，關于加筋板的爆炸焊接研究鮮有報道，根據文獻[3,13]，80年代美國丹佛研究所曾用爆炸焊接法制造過Ti-6V-4V肋加強面板，但是文獻中沒有披露其具體工藝過程和參數。

加筋板的爆炸焊接與常見的金屬復合板爆炸焊接技術有很大的差異[1-6]。常見的金屬復合板焊接的基、復板是等面積的；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域(稱為非焊接區)。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，非焊接區面板下方空間應填充合適的支承模板，而支撐模板的合理設計，需要考慮材料變形、爆轟波特性和脫模問題，是一個較為復雜問題；另一方面，對于該區域來說，爆炸焊接常用的平面裝藥是不必要且有害的，需要創新其裝藥形式。

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

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

1試驗方法

1.1實驗材料

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

表1　試驗材料(316L和Q345R)的成分(質量分數，%)

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

1.2支承模板設計及其填充方案

如前所述，“筋+板”爆炸焊接中，支承模板的設計與填充方案既是重點，也是難點。為了實現高質量焊接，需要考慮如下影響因素：①支承模板材料選擇問題。一方面，支承模板應選用與筋板強度相近的材料，否則將會導致面板凹陷或毀壞。另一方面，爆炸焊接過程中，碰撞產生的射流中不可避免的夾雜有支承模板的成分，并在結合時被捕獲在界面處。因此，支承模板的成分應和筋板類似，以避免對焊接界面的污染。②脫模問題。經爆炸沖擊后，筋板和支承模板均延展變形，導致支承模板難以從空腔中脫模。因此填充模板時，筋板和模板間應預留一定間隙，但該間隙不能過大，否則沖擊力將會導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相同或接近，在爆炸載荷作用下，支承模板和面板也會產生相互焊接。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理及其相互影響，對比了多種支承模板設計參數和填充方案的填充效果。具體工作如下：①對比了6010鋁合金板、硬榆木板、玻璃鋼和45號鋼板等支承模板的填充效果，優選了45號鋼板作為填充模板材料。②經統計，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經過對不同厚度的水玻璃、黃油和瀝青的防焊接效果進行對比試驗，選用了0.2～2.25 mm的水玻璃為防粘劑。

1.3凸臺式裝藥

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中發現，平面裝藥使得面板的非焊接區也達到了焊接條件并激發了射流，在防焊劑的作用下，該區域沒有和模板焊接，但是射流使得面板下表面產生大量的金屬積瘤狀物質，破壞了面板下表面的光潔度。因此，為了減少非焊接區的碰撞能量，需要采用一種新型的“凸臺式”裝藥。

凸臺式裝藥裝置如圖3所示，它的主要特點是非焊接區裝藥(基礎裝藥)和焊接區裝藥(加強裝藥)高度不一致，并在兩裝藥區間設置一個傾角為45°的過渡裝藥，以實現其爆轟載荷的平順過渡?；A裝藥為推動整個覆板運動提供了基本能量，而加強裝藥使得焊接區面板達到了焊接所需的高速碰撞和適當碰撞角。該裝藥技術大大減少了非焊接區的碰撞強度，使其不受射流的侵害。

1.4試驗工裝構成

根據以上分析結果，設計了如圖2所示實驗工裝：在沙石地基上設置一個厚為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基礎裝藥、加強裝藥和雷管。

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

1.5爆炸焊接參數優選

在爆炸焊接中，為了獲得良好的焊接質量，應合理選擇兩個關鍵性參數：裝藥厚度de和基、覆板間隙s[4-8]。王耀華等人對板與板爆炸焊接進行了深入研究，提出了“最佳裝藥參數”理論，認為在最小裝藥量附近，板與板爆炸焊接獲得最佳的焊接質量，并總結了如下經驗公式[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(裝藥厚度和基、復板間隙)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復雜得多，其裝藥參數的選擇，還未有經驗可循。以往研究表明，2號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，基礎裝藥的厚度de1為20 mm。而加強裝藥的厚度de2和基、復板間隙s采用了優化試驗來確定。其具體方法為：

(1)首先根據該經驗公式(1)、(2)、(3)、(4)計算，得到板與板焊接的最優化組合參數：de和s，并將該組合參數作為一個de2和s取值的基準值；

(2)以所得基準值為參考在適當范圍內取值，得到多組de2和s參數組合，使用這些參數進行多次爆炸焊接試驗；

(3)檢驗各種組合參數條件下的試板的界面結合強度，確定本次加筋板試驗的最佳加強裝藥厚度和間隙。

經測量，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，代入公式(1)、(2)、(3)，計算確定Vp,min= 427.5 m/s，加強裝藥區的Rmin= 0.63，de2約為49 mm，s約為11 mm。據此，設計了多組試驗參數，試驗參數組合與其結果如表2所示(為方便表述，對不同的試板予以編碼，并標示在各欄括號內)。

表2　爆炸焊接試板的剪切強度試驗數據

1.6技術檢驗

為檢驗加筋板的焊合質量，采用超聲探傷儀對各個試樣的復合率進行了檢驗，并在筋板的首、尾和中間位置取樣進行了剪切試驗以檢驗焊合強度，最后對C2試板(結合強度最高的試板)進行了金相觀察、掃描電鏡(SEM)檢驗和顯微硬度測試。

2試驗結果及分析

使用超聲波探傷儀器檢驗界面復合情況，筋板和面板的復合率達到85%以上被認為“焊合”，反之認為“不焊合”。檢驗結果表明，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，剪切強度較差(≤200 MPa)的試板為A3、B1和D4，剪切強度較高(≥300 MPa)的試板有B3、B4、C2、C3、C4和D1(A1和A2試板未焊合，剪切強度記為0)。試驗結果說明過低或過高的裝藥和過小或過大的間隙都對爆炸焊接結果不利，該試驗結果和前人研究結果吻合[1,4,7,8]。表2中剪切強度最高的是C2試板，而其加強裝藥厚度de2為45 mm，間隙s為12 mm，和前述爆炸焊接經驗公式計算結果不一致，說明“筋+板”爆炸焊接試驗參數優選具有其特殊性，有待進一步研究。試驗中還發現，C2試板的剪切試樣的破壞均發生在筋板上，而不發生在結合界面(如圖3所示)。說明在爆炸焊接中，焊接界面附近晶粒經過劇烈的塑性變形，造成了爆炸強化；并且在最優的焊接工藝參數下，其結合強度超過了母材中強度較低材料的抗拉強度，該結果與前人研究一致[7-13]。

界面組織結構體現了爆炸焊接的微觀特征，是研究爆炸焊接結合的基礎和重點。鄭哲敏、楊振聲等根據界面的金相分析把結合界面大致分為三類：直接結合、連續的熔化層結合和波狀結合[1]。金相研究表明，本次焊接界面具有波狀結合的特點(圖4所示)，且界面附近金屬組織的晶體被拉長變形，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Fig.3Photoofshear-cutsamples圖4 結合界面宏觀照片Fig.4Photoofinterfaceofweldment圖5 結合界面金相照片(316L側)Fig.5OMfiguresofthebonding(316Lside)

圖6 漩渦區金相照片Fig.6OMfiguresofvortex(Q345Rside)圖7 結合界面放大金相照片Fig.7MagnifiedOMfiguresofthebonding圖8 爆炸焊接結合界面SEM圖像Fig.8SEMimageofweldingbonding

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

鄭遠謀等[12]研究金屬復合界面時發現，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；在不銹鋼一側存在與界面呈45°的絕熱剪切帶或“剪切飛線”[12]。本次實驗中也觀測到了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波峰，顯示界面附近組織經受了劇烈變形。此外，在波峰一側觀察到了漩渦結構，漩渦中為316L和Q345R的混合組織(如圖6所示)。該現象顯示，部分射流在濺射過程中被隆起的波峰捕獲在界面中，并在波峰一側形成了漩渦結構。從界面的高倍率照片(圖7)中可以看到，沿界面區域分布著約5μm寬的微小細晶粒，該細小晶粒應為碰撞后受熱熔化重新結晶的晶體。結合界面的掃描電鏡照片(圖8)顯示兩種材料結合非常致密，達到了冶金結合。

為了研究界面的元素擴散情況，垂直于復合界面分別對Fe，Ni，Cr，Mo等元素進行了線掃描，掃描位置和結果如圖8和圖9所示。由圖可見，發生了擴散的主要元素為Ni，Cr和Mo，以上三種元素跨過界面向鋼側的平均擴散距離為15μm。與此相應，在此區域顯示Fe含量的曲線明顯下降。

結合界面附近金屬的顯微硬度測試，如圖10所示。圖中的點劃線表示界面兩側金屬的原始硬度值，由圖可見，與原始狀態相比，界面兩側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，并在界面處達到最高值，其原因是界面附近晶粒受到爆炸沖擊和撞擊，發生強烈的塑性變形，產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試 Fig.10 Microhardness profile across interface

3結論

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

(2)經檢測，爆炸焊接后，結合區域晶粒變細拉長，兩金屬結合強度高，體現出塑性變形、熔化和擴散等明顯的固相結合特征。

(3)爆炸焊接后，金屬界面兩側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