分享：爆炸焊接結(jié)構(gòu)鋼Ｇ不銹鋼復(fù)合板界面的微觀缺陷

廖東波１,查五生１,李 偉１,２

(１．西華大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,成都 ６１００３９;２．宜賓北方鑫安復(fù)合材料有限公司,宜賓 ６４４２２１)

摘 要:以 Q２３５A(chǔ) 低碳鋼,１６Mn、１５MnVN 低合金鋼等３種結(jié)構(gòu)鋼為基板,以３０４不銹鋼為覆板,采用爆炸焊接方法制備了結(jié)構(gòu)鋼Ｇ不銹鋼復(fù)合板,利用超聲波探傷、掃描電鏡觀察、能譜檢測(cè)等分析了結(jié)合界面處的微觀缺陷.結(jié)果表明:爆炸焊接復(fù)合板界面處存在空洞和微縫隙缺陷,這些缺陷不能通過(guò)熱軋消除;空洞處的主要成分為鐵元素,與原始鋼板的成分有較大差異;當(dāng)爆速增大、基板材料塑性降低時(shí),復(fù)合板界面區(qū)的微裂紋率會(huì)增加;熱軋后,復(fù)合板界面的局部區(qū)域出現(xiàn)夾層缺陷,夾層缺陷位于覆板一側(cè),其成分與基板的相近.

關(guān)鍵詞:爆炸焊接復(fù)合板;微裂紋;夾層缺陷;空洞

中圖分類號(hào):TG４５６．６ 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A 文章編號(hào):１０００Ｇ３７３８(２０１７)０８Ｇ００２７Ｇ０４

MicroscopicDefectatInterfaceofExplosionＧWeldedStructuralSteelＧStainlessSteelCompositePlate

LIAODongbo１,ZHA Wusheng１,LIWei１,２

(１．SchoolofMaterialsScienceandEngineering,XihuaUniversity,Chengdu６１００３９,China;２．YibinNorthXin′anCompositeMaterialsCo．,Ltd．,Yibin６４４２２１,China)

Abstract:WiththreestructuralsteelsofQ２３５A(chǔ)lowcarbonsteel,１６Mnand１５MnVNlowＧalloysteels,

respectively,asabasalplateand３０４stainlesssteelasashroudplate,thestructuralsteelＧstainlesssteelcomposite

plateswerepreparedbyexplosionwelding．Themicroscopicdefectsatthebondinginterfacewereinvestigatedby

ultrasonicflawdetection,scanningelectronmicroscopy,energydispersivespectrometer,etc．Theresultsshowthat

theholesandthemicrogapsexistedattheinterfaceofexplosionＧweldedcompositeplates,whichcan′tbeeliminated

byhotＧrolling．Themainelementwasironintheholesandthecompositionwasmuchdifferentfromthatofraw

steelplate．ThemicrocrackratiointheinterfaceoftheexplosionＧweldedcompositeplateincreasedwiththeincrease

oftheexplosionspeedorthereductionoftheplasticityofthebasalplate．AfterhotＧrolling,somesandwichdefects

werefoundinthelocalinterfaceofthecompositeplate,whichwereonthesideoftheshroudplateandwithnearly

thesamecompositionasthebasalplate．

Keywords:explosionＧweldedcompositeplate;microcrack;sandwichdefect;hole

０ 引 言

爆炸焊接是使用炸藥作為能源進(jìn)行金屬間焊接的一種焊 接 技 術(shù),該 技 術(shù) 既 是 一 種 金 屬 構(gòu) 件 的連接技術(shù),又是一種金屬基復(fù)合板材的制造技術(shù),其最主要的特點(diǎn)是在一瞬間能將相同的或不同的金屬牢 固 地 焊 接 在 一 起[１Ｇ４].爆 炸 焊 接 金 屬 復(fù) 合板的質(zhì)量主 要 取 決 于 所 采 用 的 焊 接 工 藝 參 數(shù),常使用 脈 沖 反 射 式 超 聲 波 探 傷 儀 進(jìn) 行 檢 測(cè) 和 判斷[１].然而,進(jìn)一步的界面分析表明,許多界面處存在的微觀 缺 陷 無(wú) 法 使 用 超 聲 波 探 傷 儀 檢 出,但這些微觀缺 陷 會(huì) 影 響 到 金 屬 復(fù) 合 板 的 力 學(xué) 性 能、使用壽命和后續(xù)加工性能[１,５].爆炸焊接復(fù)合板的界面處主要存在微縫隙、空洞、飛線 (也 稱 絕 熱 剪 切 線)、半 島、全 島 等 微 觀 缺陷[１,５].此外,界面區(qū)還存在熔化現(xiàn)象[１,３Ｇ４],這使得該區(qū)域出現(xiàn)了５~３０μm 的過(guò)渡區(qū).當(dāng)焊接參數(shù)不當(dāng)時(shí),界面區(qū)會(huì)出現(xiàn)過(guò)熔化缺陷,導(dǎo)致波狀界面處的過(guò)渡區(qū)域變寬,達(dá)到３０μm,同時(shí)出現(xiàn)更多的空洞和微縫隙[１];當(dāng)焊接參數(shù)合適時(shí),界面區(qū)發(fā)生少量熔化,有利于復(fù)合板的焊合,過(guò)渡區(qū)寬度僅５μm[３Ｇ４].

目前,研究人員對(duì)熔化現(xiàn)象的理論分析已經(jīng)很深入,然而對(duì)微縫隙、空洞、微裂紋等微觀缺陷的理論分析

不多.基于此,作者以低碳鋼Ｇ不銹鋼和低合金鋼Ｇ不銹鋼爆炸焊接復(fù)合板為研究對(duì)象,分析了在結(jié)合界面處存在的空洞、微縫隙、微裂紋等缺陷,以及作者新發(fā)現(xiàn)的復(fù)合板熱軋后形成的夾層缺陷.

１ 試樣制備與試驗(yàn)方法

試驗(yàn)用覆板為３０４不銹鋼板,出廠狀態(tài)為熱軋加固溶處理,尺寸為３０００mm×１５００mm×８mm;基

板分別為 Q２３５A(chǔ) 低碳鋼板和 Q３４５(１６Mn),Q４２０(１５MnVN)低合金鋼板,出廠狀態(tài)均為熱軋加正火

處理,尺寸為３０００mm×１５００mm×３０mm.覆板和 基 板 的 化 學(xué) 成 分 見(jiàn) 表 １.Q２３５A(chǔ) 低 碳 鋼,１６Mn、１５MnVN 低合金鋼和３０４不銹鋼的斷后伸長(zhǎng)率分別為２５％,２１％,１８％,４３％.炸藥為２＃ 巖石硝銨炸藥,爆轟波速度(簡(jiǎn)稱爆速)vd 可調(diào),控制在２０００~３５００ m??s－１ 之 間,按 照 導(dǎo) 特 里 什 法測(cè)定.

根據(jù)文獻(xiàn)[３Ｇ４]對(duì)覆板和基板進(jìn)行表面凈化處理:先用稀硫酸及稀堿液進(jìn)行清洗,再以手提砂輪機(jī)和鋼絲輪刷對(duì)待結(jié)合面進(jìn)行機(jī)械打磨,最后用清潔干燥的抹布清潔.用鐵鍬將濕細(xì)沙堆成高度為２００~３００mm 的４５°梯形臺(tái),頂面基本水平,且比基板面積略大,并盡量用鐵鍬將細(xì)沙拍實(shí).然后,將基板吊放到沙堆上,并保持沙堆的既定形狀,無(wú)歪斜且沒(méi)有無(wú)支撐的空隙.將基板待焊表面用砂布再次擦拭一遍,并用酒精擦拭,以保持表面潔凈.在基板上基本等距的條件下,放置彎折成 V 型的純鋁支墊做間隙支撐.將待焊接的覆板表面用細(xì)砂布擦拭,酒精清洗后,吊放在基板上.用毛刷在覆板表面均勻涂刷水玻璃,以在爆炸焊接時(shí)緩沖爆炸載荷,保護(hù)覆板表面免于氧化及損傷.將紙質(zhì)炸藥框放置在覆板上,炸藥框外緣與覆板平齊,用鋁制鐵鍬將主炸藥均勻加入炸藥框內(nèi),保證各處炸藥厚度基本相同.在覆板的起爆位置布放３５gTNT 引爆炸藥,然后將雷管插入引爆炸藥的中心位置并與覆板表面接觸,引爆電雷管和炸藥,進(jìn)行鋼板爆炸焊接,爆炸焊接瞬間狀態(tài)如圖１所示.圖中:１/４vd 為爆炸產(chǎn)物速度;α為預(yù)置角(又叫安裝角);vp 為覆板下落速度;vcp為碰撞點(diǎn)S 的移動(dòng)速度(即焊接速度);va 為碰撞點(diǎn)前方氣體的排出速度;β為碰撞角;γ 為彎折角.爆炸焊接完成后,對(duì)復(fù)合板表面進(jìn)行清潔處理,機(jī)械校平并切邊.將３０４不銹鋼板和 Q２３５A(chǔ) 低碳鋼板、１６Mn低合金鋼板和１５MnVN 低合金鋼板爆炸焊接成的復(fù)合板分別簡(jiǎn)稱為 Q２３５A(chǔ)Ｇ３０４、１６MnＧ３０４、１５MnVNＧ３０４復(fù)合板.利用１２７１型超聲波探傷儀進(jìn)行探傷,采用頻率為２．５MHz的１３ mm×１３ mm K１單晶橫波斜探頭.將爆炸焊接復(fù)合板在１０５０~１１５０℃保溫１h,并保持溫度在９２０℃以上熱軋到厚度為４~１０mm,總壓下率為８０％~９０％.從外觀良好的復(fù)合板中間部分相隔一定間距制取了總樣本長(zhǎng)度為１００mm 的金相試樣,每個(gè)金相試樣長(zhǎng)約１０mm 至２０mm 不等,且須保證其中一個(gè)斷面平行于爆炸焊接方向.金相試樣用４％(體積分?jǐn)?shù))硝酸酒精腐蝕后,使用 SＧ３４００N 型掃描電鏡(SEM)觀察其結(jié)合界面的微 觀 形 貌,用 附 帶 的EMAXＧ２５０型 X射線能譜儀(EDS)進(jìn)行成分分析.通過(guò)SEM 觀察,記錄在界面區(qū)發(fā)現(xiàn)的所有微裂紋的長(zhǎng)度,將裂紋總長(zhǎng)度與總樣本長(zhǎng)度之比記為裂紋率.

２ 試驗(yàn)結(jié)果與討論

２．１ 空洞和微縫隙

由圖２可見(jiàn),在１６MnＧ３０４復(fù)合板結(jié)合界面處的３０４不銹鋼和１６Mn低合金鋼基體中均發(fā)現(xiàn)了空洞和微縫隙.但是超聲波探傷過(guò)程中并未發(fā)現(xiàn)這些微縫隙和空洞,這是因?yàn)槲⒖p隙和空洞的尺寸太小,而試驗(yàn)使用的１２７１型超聲波探傷儀理論上能檢出的最小缺陷尺寸約為１mm.

由表２可以看出:在１６Mn低合金鋼板中空洞(位置a)處的鐵元素含量高于該鋼基體(位置c)的;３０４不銹鋼板中空洞(位置b)處的主要成分也是鐵元素,其質(zhì)量分?jǐn)?shù)高達(dá)９３．２４％,而其基體(位置 d)的主要成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為 ７０．８１％Fe,１７．８８％Cr,７．７４％Ni.由此可見(jiàn),這些空洞是一種疏松狀物質(zhì),主要成分是鐵元素.不論是１６Mn低合金鋼板還是３０４不銹鋼板,其檢測(cè)出的碳元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)都遠(yuǎn)高于標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)(見(jiàn)表１),這是因?yàn)樵囼?yàn)所用能譜儀對(duì)原子序數(shù)小于１１的輕質(zhì)元素如氫、碳、氧的檢測(cè)誤差較大.但在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),相同鋼板基體中不同位置的碳元素測(cè)試值相差不大,即儀器對(duì)碳元素的測(cè)試誤差基本不變,分析時(shí)可忽略不計(jì).

一般認(rèn)為,空洞和微縫隙是由于爆炸焊接界面發(fā)生過(guò)熔化而導(dǎo)致的.過(guò)熔化程度決定了空洞和微縫隙的數(shù)量,然而材料產(chǎn)生熱軟化又是形成金屬射流并最終決定是否能成功進(jìn)行爆炸焊接的必要條件[１Ｇ２],因此不論是哪種復(fù)合板,其界面處都或多或少存在著一些空洞和微縫隙.此外,過(guò)熔化又與板間距、炸藥密度、裝藥厚度等靜態(tài)參數(shù)有關(guān)[１Ｇ２],因此,空洞和微縫隙的數(shù)量最終取決于這些靜態(tài)焊接參數(shù).

２．２ 微裂紋

由圖４可以看出:爆炸焊接復(fù)合板的界面呈波浪狀,界面長(zhǎng)度比原平板更長(zhǎng);在靠近塑性較差的１６Mn低合金鋼一側(cè)的１６MnＧ３０４復(fù)合板界面區(qū)出現(xiàn)了微裂紋,圖４(a)和 (b)中 的 微 裂 紋 長(zhǎng) 度 分 別 約 ５００,６００μm,這些微裂紋無(wú)法被超聲波探傷儀檢出.由斷后伸長(zhǎng)率的大小可知,基板按塑性由大到小 排 序 為 Q２３５A(chǔ) 低 碳 鋼、１６Mn 低 合 金 鋼、１５MnVN 低合金鋼.由表３可以看出,爆速越高或基板塑性越差,復(fù)合板的微觀裂紋率越高.當(dāng)爆速為３３６０ m??s－１ 時(shí),１５MnVNＧ３０４復(fù)合板中還存在一些超聲波探傷儀可檢出的裂紋,制樣時(shí)剖取的部位包含了這些裂紋,因此其裂紋率較高.界面處的基板和覆板在爆炸焊接時(shí)均發(fā)生了大量塑性變形.３０４ 不銹鋼(覆板)的斷后伸長(zhǎng)率 為４３％,塑性較好,因此不容易產(chǎn)生微裂紋.在較低爆速下,基板可以發(fā)生塑性變形來(lái)補(bǔ)償界面長(zhǎng)度的增加,因此不容易產(chǎn)生微裂紋.例如在２３８０ m??s－１下,改變預(yù)置角(安裝角)、板間距、基板和覆板表面粗糙度等靜態(tài)參數(shù)時(shí),３種復(fù)合板界面區(qū)均未產(chǎn)生微裂紋.而當(dāng)爆速較高時(shí),基板來(lái)不及發(fā)生塑性變形以補(bǔ)償界面長(zhǎng)度的增加,導(dǎo)致發(fā)生剪切變形從而產(chǎn)生了明顯的微裂紋.

需 要 指 出 的 是,微 縫 隙 (seam/gap)和 微 裂 紋(microcrack)有著本質(zhì)區(qū)別:從尺寸上看,微裂紋比微縫隙更長(zhǎng),如圖４中微裂紋的長(zhǎng)度至少在５００μm以上,而圖２中微縫隙的長(zhǎng)度僅約１０μm;從產(chǎn)生機(jī)理看,微裂紋主要受爆速和材料塑性的影響,而微縫隙與爆速及材料塑性之間的關(guān)系不大,主要受界面過(guò)熔化的影響[１].由于此類裂紋分布在界面處,嚴(yán)重影響了基板和覆板的復(fù)合質(zhì)量,在受熱等條件下會(huì)導(dǎo)致復(fù)合板以此處為裂紋源而開(kāi)裂分層,因此在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)極力避免微裂紋的出現(xiàn).

２．３ 復(fù)合板軋制后的夾層缺陷

部分低合金鋼Ｇ３０４不銹鋼復(fù)合板在軋制后,在界面處不銹鋼一側(cè)出現(xiàn)了“脊背狀”凸起,以１６MnＧ３０４復(fù)合板為例進(jìn)行分析,如圖５(a)所示.該金相試樣使用體積分?jǐn)?shù)為４％的硝酸酒精腐蝕,“脊背狀”凸起實(shí)際上是低合金鋼被硝酸酒精腐蝕而不銹鋼未被腐蝕而形成的,由此可推斷該“脊背狀”凸起的成分應(yīng)該和基板即１６Mn低合金鋼的接近,該“脊背狀”凸起可被稱為夾層缺陷.由圖５(b)可以看出,鐵、鉻、鎳元素的含量在夾層缺陷區(qū)出現(xiàn)跳躍性變化.對(duì)圖５(a)夾層缺陷(位置１)進(jìn)行EDS點(diǎn)分析后可知,該處的鐵元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高,為９５．７２％,錳、硅、碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為１．５２％,０．３３％,２．４３％,鉻元素和鎳元素均未被檢出.位置１處的錳元素和硅元素含量與１６Mn低合金鋼板的成分接近,說(shuō)明該夾層是從基板側(cè)“遷移”而來(lái)的.

若工藝參數(shù)不當(dāng),在爆炸焊接復(fù)合板中可能會(huì)出現(xiàn)“全島”或“半島”缺陷[５].但作者制取的所有復(fù)合板試樣在軋制前均未觀察到“全島”或“半島”缺陷,因此,夾層缺陷并不是由“全島”或“半島”缺陷導(dǎo)致的,而是由于軋制而產(chǎn)生的一種全新的缺陷.

給水的,Fe２＋ 通過(guò)氧化膜的速率也會(huì)降低,試驗(yàn)管的FAC速率約為NH３ 工況下的１/９.采用ETA＋NH３(質(zhì)量比１∶１)作為二回路堿化劑時(shí),MSR疏水的pH(２５ ℃)與 給 水 的 相 同,試 驗(yàn) 管 的 FAC 速 率 約 為NH３ 工況下的１/６.基于本試驗(yàn)結(jié)果,對(duì)國(guó)內(nèi)某核電廠 １＃ 機(jī) 組 二 回 路 水 化 學(xué) 工 藝 進(jìn) 行 了 優(yōu) 化,用ETA＋NH３ 混合堿化劑代替純 NH３ 堿化劑,MSR疏水管的FAC得到較好的抑制,疏水中鐵的質(zhì)量濃度大幅度下降,從上個(gè)循環(huán)的８~９μg??L－１ 降至約１．５μg??L－１.

３ 結(jié) 論

   (１)在１５０ ℃靜態(tài)浸泡條件下,采用 ETA 和NH３ 兩種堿化劑時(shí),TU４８C鋼的均勻腐蝕速率較接近,均隨 腐 蝕 時(shí) 間 的 延 長(zhǎng) 而 降 低;在 ETA 溶 液中腐蝕后試樣表面氧化膜中的氧化物顆粒大小均勻,氧化膜 完 整 致 密;在 NH３ 溶 液 中 腐 蝕 后 試 樣表面的氧化 物 顆 粒 尺 寸 差 異 較 大,氧 化 膜 致 密 性相對(duì)較差.

(２)在１５０ ℃流動(dòng)加速腐蝕條件下,采用 NH３堿化劑時(shí),TU４８C 鋼的 FAC 速率最大,為１．９４g

dm－２??a－１;采用 ETA 堿化劑時(shí)的 FAC速率最小,為０．２２g??dm－２??a－１;采用 ETA 與 NH３ 混合堿化時(shí),FAC 速 率 介 于 上 述 二 者 之 間,為 ０．３３g??dm－２??a－１.

(３)壓水堆核電廠二回路使用 ETA 堿化劑或者 ETA＋NH３ 混 合 堿 化 劑,可 以 緩 解 二 回 路 的FAC問(wèn)題.

夾層缺陷的出現(xiàn),與焊接時(shí)出現(xiàn)的波浪狀界面有關(guān).當(dāng)結(jié)合界面局部區(qū)域的波高較高、波長(zhǎng)較小時(shí)(波高和波長(zhǎng)受爆炸焊接靜態(tài)參數(shù)的影響[１]),在軋制過(guò)程中,塑性較差的低合金鋼容易被塑性較好的３０４不銹鋼包裹,被包裹的低合金鋼逐漸離開(kāi)基體從而形成夾層.此外,在試驗(yàn)中還發(fā)現(xiàn),這種夾層缺陷的數(shù)量還與熱軋工藝有一定的關(guān)聯(lián).當(dāng)改變熱軋開(kāi)軋溫度、終軋溫度等參數(shù)時(shí),夾層缺陷的數(shù)量會(huì)發(fā)生變化.例如,當(dāng)復(fù)合板結(jié)合界面的波高較高、波長(zhǎng)較小時(shí),采用在１１５０~１２００ ℃保溫１h,開(kāi)軋溫度控制在１１００~１１５０℃并保持終軋溫度在９５０ ℃以上的熱軋工藝時(shí),復(fù)合板結(jié)合界面處觀察到的夾層缺陷的數(shù)量相對(duì)較少;當(dāng)將開(kāi)軋溫度控制在１０００~１０５０℃,保持終軋溫度在８００℃以上時(shí),夾層缺陷的數(shù)量相對(duì)較多.這是因?yàn)椴煌瑴囟认聫?fù)合板的塑性不同,變形抗力不同,最終導(dǎo)致夾層缺陷數(shù)量的變化.

(4)結(jié)構(gòu)鋼Ｇ不銹鋼爆炸焊接復(fù)合板界面處存在空洞和微縫隙,這些空洞和微縫隙不能通過(guò)熱軋工藝消除;空洞處的主要成分是鐵元素,與其原始鋼板的成分有較大差異.

(5)爆炸焊接復(fù)合板的界面呈波浪狀,界面長(zhǎng)度比原鋼板的更長(zhǎng);在較高爆速或使用塑性較低基板時(shí),復(fù)合板界面處會(huì)出現(xiàn)微裂紋,微裂紋率隨著爆速的提高或基板塑性的降低而增大.

(6)爆炸焊接復(fù)合板在熱軋后,局部區(qū)域會(huì)出現(xiàn)夾層缺陷;夾層缺陷位于３０４不銹鋼板(覆板)一側(cè),其成分則與基板的相近,這些夾層缺陷與界面的形狀和熱軋工藝有關(guān).

(文章來(lái)源：材料與測(cè)試網(wǎng)-機(jī)械材料工程)