爆炸焊接奧氏體不銹鋼復合板復層厚度測量

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(西安天力金屬復合材料有限公司，西安 710201)

以奧氏體不銹鋼為復合層，碳鋼為基層的復合板，既具有不銹鋼的表面性能和耐腐蝕性能，又具有碳鋼的機械強度和加工性能。因此，奧氏體不銹鋼復合板制成的壓力容器在化工領域應用廣泛。奧氏體不銹鋼與碳鋼屬于不同材料，爆炸焊接復合技術很好地實現了這兩種材料的復合[1-4]。爆炸焊接主要是用炸藥作為能源進行金屬焊接的技術，其特點是充分發揮和利用組元材料的物理性能和力學性能，以滿足不同場合的需求[5-7]。

在壓力容器的制備過程中，必須對復層奧氏體不銹鋼厚度進行控制。常用的復合板復層厚度的測量方法有磁性測厚法、超聲測厚法和金相測厚法等3種方法。其原理和操作過程不同，各自的影響因素和適用范圍也不相同[8-10]。采用不適合的方法進行復層厚度測量，得到的結果往往存在較大誤差。筆者通過磁性測厚法、超聲測厚法和金相測厚法對奧氏體不銹鋼復合板復層厚度進行測量，分析了這3種方法的適用性，為現場檢驗復層厚度的方法選擇提供依據。

1 材料規格與客戶要求

復層材料選取SA240 304L，名義厚度(設計圖樣上標注的厚度)為3.5 mm；基板材料選取SA265 Gr70，名義厚度為30 mm。材料中各元素的質量分數如表1～2所示，SA240 304L中各元素的質量分數完全符合標準ASME SA240-2015《壓力容器和一般用途用耐熱鉻及鉻鎳不銹鋼板、薄板和鋼帶》的相關指標要求，SA265Gr70中各元素的質量分數完全符合標準ASMESA516-2015《中、低溫壓力容器用碳鋼板》的相關指標要求。對復層、基層材料分別用游標卡尺測出實際厚度，結果如表3所示。

表1 SA240 304L中各元素的質量分數 %

表2 SA516 Gr70中各元素的質量分數 %

表3 材料實際厚度測量結果 mm

客戶要求復合板復層厚度的測量結果不得小于3.175 mm，厚度公差為正公差。

2 爆炸焊接

復合板采用爆炸焊接方法成型，執行ASME SA264-2015《鉻-鎳不銹鋼復合板》標準，交貨狀態為退火后。

爆炸焊接主要是用炸藥作為能源進行金屬間焊接的，是一種很有實用價值的生產金屬復合材料的高新技術。其在一瞬間能將相同的、特別是不同的金屬組合簡單、迅速、強固地焊接在一起，使金屬界面達到冶金結合狀態[11]。工程中采用的爆炸焊接方法主要有平行安裝法和角度安裝法兩種，筆者采用平行安裝法(見圖1)進行爆炸焊接，并對爆炸焊接工藝進行優化。

圖1 平行安裝法爆炸焊接復合示意

爆炸焊接復合要求基復板表面干凈，基復板表面粗糙度越高，其復合后的結合品質越高[12]，因此在爆炸復合之前需要對基復板進行表面拋光處理，拋光后復層、基層的厚度存在輕微減薄，經測量，減薄量約為0.2～0.3 mm。

3 復合板復層厚度測量方法

3.1 超聲法測厚

常用的超聲波測厚儀是根據超聲波脈沖反射原理來進行厚度測量的。凡能使超聲波以一恒定速度在其內部傳播的各種材料均可采用此原理測量。按此原理設計的測厚儀可對各種板材和加工零件的厚度進行精確測量，也可以對生產設備中各種管道和壓力容器的腐蝕減薄程度進行監測，廣泛應用于石油、化工、冶金、造船、航空、航天等各個領域。

脈沖反射技術進行超聲測厚的工作原理如式(1)所示。

(1)

式中：h為試件的厚度；c為材料中的聲速；Δt為垂直入射時超聲波在試件中往返一次的傳播時間。

當材料中聲速已知，則只需測出Δt即可算出厚度。

在對文中不銹鋼復合板進行測厚時，超聲波從不銹鋼-鋼界面入射，不銹鋼復層為第一介質，不銹鋼、碳鋼的聲速分別為5 740，5 900 m·s-1；不銹鋼、碳鋼的密度分別為7.9,7.85 g·cm-3，不銹鋼與碳鋼的聲阻分別為4.53×106,4.63×106g·cm-2·s-1。當測厚儀探頭發射的超聲波脈沖通過被測復合板工件表面到達材料分界面時，在界面處產生反射波，脈沖被反射回探頭,儀器通過精確測量超聲波在復層材料中傳播的時間來確定復層的厚度。

采用奧林巴斯的38DLPLUS型號超聲測厚儀，以奧氏體不銹鋼復合板使用的復層材料(304L)薄板作為試塊，進行儀器校正，并根據復層材料種類預置超聲波聲速。測量復層厚度前，對復合板復層表面進行拋光處理，直到露出金屬光澤，避免粗糙被測表面對測量結果產生影響；測量時，將探頭放置在復合板復層表面，耦合劑為水，探頭通過耦合劑能與表面良好耦合。復層厚度的測量(兩次)結果為：3.47，3.49 mm，測厚現場如圖2所示。

圖2 超聲波測厚現場

奧氏體不銹鋼復合板界面金相檢驗結果如圖3所示，從圖3可以看出，由于超聲測厚法固有的特點，探頭與被測表面的耦合狀態不同，或者按壓探頭力量的不同，所以兩次測量的結果存在輕微變化，但是都在儀器誤差范圍內，可以接受。

從兩次測量結果可以看出，超聲法厚度測量結果非常接近實際復合板復層的厚度，兩次測量結果的平均值為3.48 mm，數值大于驗收指標3.175 mm,滿足客戶驗收要求。

同時，超聲測厚儀具有靈敏、便攜，對被檢材料不產生破環和影響，測厚數據實時獲取的特點，非常適合生產過程中對材料進行厚度控制，以及適合生產、檢驗現場使用。

3.2 金相法測厚

金相法測厚是目前公認的最精確的復合板復層厚度測量方法。其首先對復合板試樣切割取樣和制備金相試樣，再在顯微鏡下對復合板結合界面進行顯微觀察。由圖3可知，奧氏體不銹鋼復合板(304L/Gr70)的復合層界面在爆炸焊接過程中產生了明顯的塑性變形，所以呈現規則的正弦波狀的結合狀態，這屬于爆炸焊接的固有特性，且波形非常清晰。

根據標準GB/T 6396-2008 《復合鋼板力學及工藝性能試驗方法》中關于爆炸焊接復合板復層厚度的金相測量方法，由復合板復層一側分別對波峰、波谷的深度進行測量，得到5組波峰、波谷的深度，結果如表4所示，并對5組波峰、波谷的深度求平均值，該平均值即為復合板的復層厚度。

由表4可以得出，5組波峰、波谷深度的平均值為3.64 mm，根據標準GB/T 6396-2008，該復合板復層的金相法測厚結果為3.64 mm。

表4 5組波峰、波谷測量結果 mm

通過金相方法觀察得到的復合板復層厚度的數值最接近實際情況。

3.3 磁性測厚法

磁性測厚法是利用磁感應原理對磁性基體上的非磁性涂層進行測厚，設備主要包括測厚儀器和探頭。磁感應原理是利用探頭經過非鐵磁覆層而流入鐵基材料的磁通大小來測定覆層厚度的，覆層越厚，磁通越小，當探頭放在被測物上后，儀器自動輸出測試電流，磁通的大小影響到感應電動勢的大小，儀器將該信號放大后來顯示出覆層厚度值。由于磁性測厚儀具有便攜性以及智能數顯等特點，被廣泛應用于各行業的涂層測厚中。

某單位對復層厚度采用了磁性測厚法進行測厚(使用Mini Tset745涂層測厚儀)，最終測得的復層厚度為2.325 mm，磁性測厚法測量現場如圖4所示，該結果遠低于驗收要求3.175 mm。

圖4 磁性測厚法測量現場

復合板復層材料304L是沒有鐵磁性的奧氏體不銹鋼，基層材料Gr70為碳鋼，具有很強的鐵磁性。表面上看，這兩種材料組合的復合板滿足磁性涂層測厚儀的使用條件，所以該單位采用了磁性測厚法。但實際上，奧氏體不銹鋼復層與碳鋼基層材料進行爆炸焊接復合后，復合板的復層材料中產生了鐵素體。而鐵素體是有鐵磁性的組織，會對磁性測厚儀產生干擾。

為了驗證該影響因素，根據標準ASTM E562-2011《用系統人工點計數法測定體積分析的標準試驗方法》，對復合板試樣進行了鐵素體含量檢測，檢測結果如表5所示,鐵素體體積分數高的位置距離復合層界面的距離為2 mm。

分析表5可知，復合界面靠近復層一側含有少量的鐵素體，而鐵素體有一定的磁性，磁性給測厚結果帶來了較大的誤差，使測量數值小于實際厚度。

表5 鐵素體體積分數檢測結果 %

4 結論

(1) 對爆炸焊接奧氏體不銹鋼復合板復層厚度進行測量，適合的方法是超聲測厚法和金相測厚法。

(2) 磁性測厚法不適合用于爆炸焊接奧氏體不銹鋼復合板復層厚度的測量，其測量結果存在嚴重偏差，與實際厚度完全不符。

(3) 超聲測厚儀便攜、操作簡單，超聲測厚法對被檢材料不產生影響，非常適合在奧氏體不銹鋼復合板的生產、檢驗現場使用。

(4) 金相測厚法是復合板復層厚度測量最精確的方法，但該方法需要取樣才能測量，因此不合適現場檢測。