超厚爆炸復合板覆層裂紋分析

韓玉改　劉寶劍　孫靖東　李二興

摘要：針對超厚爆炸復合板在卷制過程中覆層產生裂紋的情況，通過對復合板試樣進行金相觀察，確定裂紋源產生于復合板結合面。通過微觀金相及硬度分析，復合板覆層產生裂紋的原因主要是復合板爆炸焊參數設計不佳，其結合面強度、韌性均較低，并且超厚板材在復合后的校平過程中校平次數增多、壓力增大，導致復合板結合面覆層側存在尺寸較大的裂紋、空洞缺陷，且缺陷較為集中，裂紋向多方向擴展。另外，復合板經爆炸復合后熱處理參數設計不佳，導致復合板結合面覆層硬度值遠高于基層和覆層處硬度值。

關鍵詞：超厚復合板;結合面;爆炸焊;裂紋;覆層

中圖分類號：TG456文獻標志碼：B文章編號：1001-2303（2020）05-0054-03

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.05.11

0 前言

近年來，隨著石油化工等行業的發展，壓力容器呈現大型化發展趨勢，伴隨著各類大型復合板壓力容器的制造，超厚復合板得到了廣泛應用[1-2]。

某壓力容器主體材料采用了正火態復合板（S30403+SA516Gr70），其規格為（5+170） mm，在筒體卷制過程中發現復合板覆層表面存在大量肉眼可見裂紋，如圖1所示。

1 裂紋分析

為分析復合板覆層裂紋產生原因，在裂紋附近切取復合板試樣，如圖2所示。對復合板橫截面進行宏觀及微觀檢測，以確定裂紋源。

由文獻[3-5]可知，復合板結合區應呈正弦波形或規律鋸齒結合界面。試樣宏觀檢測如圖3所示，結合區波形并非正弦或規律鋸齒結合界面，且存在微裂紋，說明在爆炸復合焊接過程中，實際碰撞角度、炸藥的爆速、碰撞的基復板間距等爆炸參數設計存在不足。

在顯微鏡下觀察覆層內部裂紋，如圖4所示。可以看出，裂紋起源于復合板結合區，從覆層內部向覆層表面擴展。

基、復板爆炸復合后，雖保持了原有金屬的基本元素成分，但在結合面處形成了不同于兩側金屬組織的區域，該區域強度及韌性均較低，在后期校平過程中可能會被撕裂形成缺陷[1，3，5-7]。板材越厚，其校平力越大，校平次數越多，結合面處越容易形成缺陷，且按照NB/T47013-2015《承壓設備無損檢測》第3部分采用超聲直波檢測方法，不易檢出此類缺陷。在復合板加工過程中，因受力導致此處缺陷擴展。因此，對復合板試樣結合區進一步微觀檢測，分析缺陷產生原因。

復合板基層使用5%硝酸酒精溶液腐蝕后進行微觀觀察，覆層使用10%草酸溶液電解浸蝕進行微觀觀察。復合板試樣微觀金相如圖5所示。可以看出，復合板基層金相組織為鐵素體+珠光體（見圖5a），結合面基層側存在50～95 μm脫碳區（見圖5b），覆層金相組織為奧氏體、少量鐵素體及少量碳化物，碳化物主要聚集在晶界處（見圖5c），結合面覆層側存在裂紋+孔洞（見圖5d）。

由圖5可知，復合板結合面覆層側存在裂紋及空洞等缺陷，其合貌如圖6所示。

由圖5和圖6可知，復合板結合面處裂紋并非完全沿結合面擴展，其長度達0.5～0.6 mm;空洞長度可達0.15 mm，寬度可達0.07 mm，且裂紋及空洞比較集中，部分裂紋與空洞相連。復合板加工時，在加工應力的作用下，裂紋及空洞等缺陷擴展而貫穿相連，將加大裂紋的擴展程度。

裴海祥等[3]通過對復合板復合界面微觀組織進行試驗認為，爆炸復合板經熱處理后，基層側會有脫碳現象，覆層側會有滲碳現象并在晶界處析出碳化物，在形變硬化及晶界處碳化物的作用下，結合面覆層側硬度將高于基層和覆層，且隨熱處理時間的增加，其硬度差值會越來越大。

文中的超厚復合板交貨狀態為正火態，即超厚復合板爆炸復合后進行正火熱處理，為保證鋼板受熱均勻，一般板厚越大，正火保溫時間越長。由圖5可知，復合板基層側出現脫碳層，覆層晶界處有碳化物析出;對復合板試樣橫截面進行硬度試驗，結合面覆層側硬度值約為400 HV10，遠高于基層和覆層處，如圖7所示。

綜上所述，超厚復合板裂紋產生的原因如下：

（1）結合區波形并非正弦或規律鋸齒結合界面，爆炸參數設計存在不足。

（2）復合板結合面覆層側存在裂紋、空洞缺陷，且尺寸較大，同一位置分布比較集中，裂紋向多方向擴展。

（3）復合板經爆炸復合后熱處理參數設計不足，復合板結合面覆層硬度遠高于基層和覆層處。

復合板在卷制過程中，鋼板基層受到彎曲力的作用，覆層側受到彎曲力和剪切力的作用;復合板覆層側存在裂紋等缺陷，在應力作用下，這些缺陷作為裂紋源形成裂紋并擴展;復合板結合面覆層處硬度較高，導致裂紋未沿結合面方向擴展，而是向覆層內部擴展，并延伸至覆層表面。

3 結論

（1）超厚復合板結合面處易形成裂紋、未熔合、空洞等缺陷，在剪切力下極易擴展，危害性較大。復合板制造前應全面檢測厚板強度及表面硬度等性能，依據板厚制定合理的制造工藝，設計適合的爆炸復合參數，以避免該類缺陷的形成。

（2）針對超厚復合板，應根據板厚及焊材性能合計合理的熱處理后工藝，盡量減少保溫時間，減小基層側脫碳區域，以減少對覆層的滲碳，降低覆層晶界處析出碳化物，降低結合面覆層處硬度。

參考文獻：

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[2] 張蕾，苗暢穎，王文利，等. 超大直徑PTA結晶器制造難點分析[J]. 壓力容器，2017，34（7）：73-78.

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