CLF-1鋼爆炸焊接接頭界面組織及力學(xué)性能研究

陶 聰，陸 明，李劍斌

(陸軍工程大學(xué) 野戰(zhàn)工程學(xué)院，南京 210007)

在能源問題日益嚴(yán)峻的今天，核聚變能被認為是一種無限的、清潔的、安全的換代新能源而受到廣泛關(guān)注[1]。聚變材料的研究是可控核聚變實現(xiàn)的關(guān)鍵一環(huán)，其中低活性鐵素體/馬氏體鋼(CLF-1鋼)是國內(nèi)聚變試驗包層設(shè)計和制造加工的一種關(guān)鍵材料[2]。

聚變堆包層材料對CLF-1鋼焊接接頭的要求很高，國外已經(jīng)對其可焊性進行了多項研究[3]，進行了包括鎢極惰性氣體保護焊(TIG)、電子束焊接(EB)、擴散焊(DW)等焊接試驗。本研究考慮用爆炸焊接(EXW)的方法制備CLF-1焊接接頭。

爆炸焊接是以炸藥為能源進行材料復(fù)合的加工高新技術(shù)[4-5]。這種焊接利用炸藥爆炸瞬間產(chǎn)生的巨大能量為驅(qū)動，使復(fù)材高速傾斜碰撞向基材，從而在待結(jié)合區(qū)形成具有熔化、擴散和塑性變形的焊接過渡區(qū)，進而形成強固冶金結(jié)合。爆炸焊接技術(shù)是一種集壓力焊、熔化焊、擴散焊為一體的特種焊接技術(shù)[6-9]。通過設(shè)置合理的試驗參數(shù)，對比研究不同爆炸比對所制備的爆炸焊接接頭焊合率、界面形貌和力學(xué)性能的影響，進一步優(yōu)化參數(shù)，得到符合要求的CLF-1鋼爆炸焊接接頭。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

本試驗選用的基板與復(fù)板材料均為CLF-1鋼。復(fù)板的尺寸為250 mm×210 mm×5 mm；基板的尺寸為200 mm×180 mm×20 mm。試驗材料的化學(xué)成分如表1所示。

表1 試驗材料的化學(xué)成分

1.2 試驗方法

本研究采用平行安裝法進行爆炸焊接試驗，安裝示意圖如圖1。用壓實的砂土作為地基以此減少彈性反沖。在復(fù)板上放置特制的用于布藥的藥盒，將雷管安裝在起爆端通過遙控器起爆。

圖1 爆炸焊接示意圖

本研究進行了3次對照試驗，對比分析不同爆炸比(炸藥質(zhì)量/復(fù)板質(zhì)量)對CLF-1爆炸焊接復(fù)合板界面形貌和力學(xué)性能的影響。其中，第一次試驗爆炸比為1.87，第二次試驗爆炸比為2.16第三次試驗爆炸比為2.38。試驗所用的炸藥為混入25%膨脹珍珠巖粉末的粉狀乳化炸藥，經(jīng)過BSZ-1智能單端爆速儀測速檢測，此混合粉狀乳化炸藥爆速為2 200 m/s[10-11]。

在爆炸焊接試驗后，參考GB/T 7734—2015《復(fù)合鋼板超聲檢測方法》對復(fù)合板用友聯(lián)PXUT-350C探傷儀進行超聲波探傷。

沿平行于爆轟方向且垂直于復(fù)合板表面參照GB/T 13298—2015《金相顯微組織檢測方法》對爆炸焊接復(fù)合板超聲波探傷結(jié)果顯示焊接質(zhì)量較好的區(qū)域利用線切割制成尺寸為20 mm×20 mm×25 mm的試樣，并進行磨制和拋光后，用腐蝕劑對其進行侵蝕，制成金相試樣后，使用奧林巴斯GX53倒置金相顯微鏡進行顯微組織觀察。

剪切強度測試參照GB/T 6396—2008《復(fù)合鋼板力學(xué)及工藝性能試驗方法》將復(fù)合板切制為65 mm×25 mm×25 mm的標(biāo)準(zhǔn)剪切試樣，用SHT4106-W萬能試驗機測試并分析其剪切強度。

參考GB/T 4340.2—2012《金屬材料 維氏硬度試驗 第2部分：硬度計的檢驗與校準(zhǔn)》用HV5-50 維氏硬度計測試焊接接頭切面的顯微硬度。

2 試驗結(jié)果及分析

爆炸焊接試驗后，從外觀上觀察復(fù)合板的結(jié)合可以發(fā)現(xiàn)：T-2試板與T-3試板焊接質(zhì)量較好，無表面裂紋、基復(fù)板脫離等明顯缺陷，而T-1試板出現(xiàn)明顯開裂現(xiàn)象，在校平后，復(fù)板與基板脫離，如圖2所示。表明當(dāng)炸藥量(爆炸比)過低時CLF-1鋼的爆炸焊接無法成功實現(xiàn)。因此，本研究僅對T-2和T-3試板進行后續(xù)測試。

圖2 校平后T-1試板圖

超聲波探傷的結(jié)果如圖3所示，紅色圓圈內(nèi)的區(qū)域為超聲波探傷結(jié)果顯示焊接質(zhì)量不佳的區(qū)域。由圖3(a)可知，T-2試板的焊合率(焊接質(zhì)量佳的區(qū)域總面積/復(fù)合板總面積)約為93%，未完全焊接區(qū)域主要集中在復(fù)合板的邊緣部位。再由圖3(b)可得，T-3試板的焊合率約為89%，未完全焊接區(qū)域除了分布在復(fù)合板的邊緣，在其中部也有直徑10 mm的區(qū)域焊接質(zhì)量不理想。

圖3 超聲波探傷測試結(jié)果

圖4為CLF-1爆炸焊接接頭的界面微觀結(jié)合形貌圖，圖4(a)和圖4(c)為2件試樣放大40倍的金相組織圖，圖4(b)和圖4(d)為試樣分別放大100倍的金相組織圖。由圖3可見，2次試驗制備的爆炸焊接接頭均明顯觀察到波狀結(jié)合界面。根據(jù)之前的研究表明[12]，在爆炸焊接復(fù)合板的微觀形貌中出現(xiàn)波狀結(jié)合是焊接質(zhì)量較好的一種象征。經(jīng)金相顯微鏡測量，T-2和T-3試樣的平均波長分別為800 μm和850 μm，波高分別為285 μm和300 μm，表明隨著爆炸比的增大，爆炸焊接復(fù)合板的波形有變大的趨勢。仔細觀察圖4(b)和圖4(d)中的波狀結(jié)合界面，可見在結(jié)合界面的波峰和波谷附近有一些白色的半島狀熔化區(qū)域。Borchers等[13]指出，在爆炸焊接過程中，熔化往往只產(chǎn)生在部分區(qū)域上而不是在整個結(jié)合區(qū)域上。這些半島狀熔化區(qū)域是達到最高焊接溫度的金屬射流形成的漩渦熱量得不到及時散失而產(chǎn)生的。測量圖4(b)和圖4(d)的融化區(qū)域的面積，T-2和T-3試樣的單個熔化區(qū)域的平均面積分別為1 050 μm2和1 200 μm2，這表明隨著爆炸比的增大，CLF-1復(fù)合板焊接界面的融化區(qū)域隨之變大。

圖4 復(fù)合界面微觀組織

剪切強度測試后的試樣情況如圖5所示，剪切試樣的剪切斷面發(fā)生在復(fù)板一側(cè)。圖6是剪切強度測試的力-位移曲線，a點和b點分別為T-2和T-3試樣剪切測試中達到最大剪切力的點，其剪切強度值分別為412 MPa和423 MPa，均滿足試驗要求。同時，兩個試樣剪切強度值的大小對比說明爆炸比較大時，爆炸焊接接頭的剪切強度值較大。

圖5 剪切試樣

圖6 剪切測試力-位移曲線

在不同爆炸比條件下制備的CLF-1爆炸焊接接頭切面顯微硬度測試結(jié)果如圖7所示。爆炸焊接后，復(fù)板和基板的中間位置的硬度值與材料本身的硬度值一致，為308HV；在復(fù)板和基板的外表面都能觀察到明顯的硬度強化，同時結(jié)合界面附近的硬度值也比材料本身硬度值有所增加，并且，結(jié)合界面附近的硬度值比外表面處更大，說明結(jié)合界面處的硬度強化效果更加明顯。復(fù)合板界面處的硬度強化主要是由于炸藥的作用，基復(fù)板發(fā)生高速碰撞進而導(dǎo)致的變形引起的[7]；而基復(fù)板外表面的硬度強化則與它們的位置有關(guān)，對于復(fù)板而言，硬度增加是由于爆炸沖擊波形成的冷變形；對于基板，硬度增加的原因是從地基反射的爆炸沖擊產(chǎn)生的冷變形的影響[14]。

圖7 硬度測試結(jié)果

對比不同爆炸比的兩次試驗的顯微硬度結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)，在同樣的幾個硬度強化的位置，爆炸比更高的T-3試板硬度值均大于T-2試板，說明在其他條件相同的情況下，爆炸比越大，硬度強化作用越明顯。

3 結(jié)論

1)選取合適的參數(shù)可以通過爆炸焊接成功制備滿足要求的CLF-1爆炸焊接接頭，但當(dāng)爆炸比過低時基復(fù)板不能成功焊接。

2)CLF-1爆炸焊接超聲波探傷結(jié)果顯示第二和第三次焊接試驗的焊接質(zhì)量較為理想，但是當(dāng)爆炸比較小時，焊接焊合率更大且缺陷位置分布在邊緣。

3)CLF-1爆炸焊接接頭界面呈現(xiàn)明顯波狀結(jié)合界面形貌，爆炸比較小時，結(jié)合界面微觀波形較小，同時半島狀熔化區(qū)域較小，表明整體焊接缺陷更少。

4)CLF-1爆炸焊接接頭的力學(xué)性能符合要求，同時爆炸比較小時，剪切強度值和硬度值較小，但由于剪切強度值與硬度值相差不大且均能滿足要求，且爆炸比更小時，焊合率更大，界面熔化區(qū)域更小，微觀缺陷更少，所以在成功實現(xiàn)焊接的基礎(chǔ)上選擇較小的爆炸比可得到綜合焊接質(zhì)量更佳的爆炸焊接接頭。