壓力容器用大幅面爆炸焊接不銹鋼復(fù)合板缺陷形成機(jī)理

鈾 鈾，馮 健，王 超，李春陽，黃文堯

(1.湖北金蘭特種金屬材料有限公司，湖北 赤壁 437300;2.舞鋼神州重工金屬復(fù)合材料有限公司，河南 舞鋼 462500;3.安徽理工大學(xué) 化學(xué)工程學(xué)院，安徽 淮南 232001)

0 引言

爆炸焊接亦稱爆炸復(fù)合，是以炸藥為能源，使兩種或多種金屬體之間產(chǎn)生高速傾斜碰撞，從而使金屬體之間產(chǎn)生固相冶金結(jié)合的材料爆炸加工技術(shù)。爆炸焊接的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是可以進(jìn)行大面積焊接，可以將一個(gè)金屬板，以“覆蓋”的方式焊接到另一個(gè)金屬板上。20世紀(jì)80年代以來，我國爆炸焊接理論和產(chǎn)業(yè)技術(shù)都得到了長足的發(fā)展，化工機(jī)械等領(lǐng)域?qū)?fù)合板的大量需要，推進(jìn)了爆炸焊接產(chǎn)業(yè)化程度的提高［1－2］。基于產(chǎn)品加工技術(shù)的提高、經(jīng)驗(yàn)的積累以及產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施進(jìn)展，爆炸焊接復(fù)合板從規(guī)格上呈現(xiàn)板幅越來越大的特點(diǎn)，單張復(fù)合板面積可達(dá)40 m2［3］。在這類板材的爆炸焊接中，如果仍按照傳統(tǒng)的工藝爆炸，很難保證成材率，需要對板材進(jìn)行大量補(bǔ)焊修復(fù)，嚴(yán)重影響產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率。

1 爆炸焊接的幅面效應(yīng)

爆炸焊接過程需要的時(shí)間短，對于面積較小的板材焊接，只需要千分之幾秒即可完成。但大面積板材之間的復(fù)合，由于起爆位置、間距、裝藥形式、爆轟波傳播方式不同以及應(yīng)力波間的相互干涉等極易造成復(fù)合率的降低，甚至在特定部位出現(xiàn)缺陷，因此大面積復(fù)合板焊接質(zhì)量的優(yōu)化成為行業(yè)學(xué)者關(guān)注的焦點(diǎn)［4］。

文獻(xiàn)［5－7］介紹了金屬爆炸過程中，影響復(fù)合板質(zhì)量的工藝因素眾多，在大型板材爆炸焊接作業(yè)中，由于裝藥面積的增大，起爆端效應(yīng)對焊接質(zhì)量的影響也增大，并且在復(fù)合板的兩側(cè)及末端也會由于邊界效應(yīng)出現(xiàn)不焊或焊接質(zhì)量低劣。對于這種現(xiàn)象，采用數(shù)值模擬方法分析，根據(jù)復(fù)合板的飛行姿態(tài)在整個(gè)爆炸焊接過程中的變化，研究復(fù)合板褶皺變形的過程來解釋對焊接質(zhì)量的影響。但對于排氣因素所引起的質(zhì)量缺陷則未見有關(guān)報(bào)道。

這種有規(guī)律出現(xiàn)的不結(jié)合缺陷隨著金屬復(fù)合板面積的增大而增多，雖然使用的工藝參數(shù)沒有變，結(jié)果仍會因?yàn)榻缑鏆怏w排出的特點(diǎn)，在超聲波檢測時(shí)發(fā)現(xiàn)了很多有規(guī)律條狀的不結(jié)合區(qū)域，文中定義此現(xiàn)象為爆炸焊接的幅面效應(yīng)。這種幅面效應(yīng)引起的條狀不結(jié)合缺陷，有規(guī)律地出現(xiàn)在對角線附近，且離開板角1000～2000 mm處，最寬為200 mm，最長可達(dá)2500 mm。如圖1所示，這種不結(jié)合不僅需要挖開進(jìn)行補(bǔ)焊修復(fù)，增加工作量，而且嚴(yán)重影響了板材的質(zhì)量，根據(jù)統(tǒng)計(jì)，這類板材的不結(jié)合率最大達(dá)到0.8%以上。

圖1 幅面效應(yīng)引起的熔化層缺陷

2 缺陷形成機(jī)理

2.1 界面空間的排氣

所謂排氣［8］，即在爆炸焊接過程中，在復(fù)板與基板的撞擊點(diǎn)前，間隙內(nèi)的氣體從間隙中向外的排除。間隙內(nèi)氣體的及時(shí)和全部排除是爆炸焊接工藝的必要條件之一。爆炸焊接工藝操作中，基板和復(fù)板間要用墊片支撐起來形成一個(gè)空氣層，在爆炸焊接的瞬間，隨著碰撞點(diǎn)的移動(dòng)和焊接過程的進(jìn)行，很自然地要求迅速消除這個(gè)空氣層。如果氣體沒有完全排除，輕者形成大面積熔化，重者形成氣體鼓包。在對這種長條狀不結(jié)合部位進(jìn)行超聲波檢測時(shí)，發(fā)現(xiàn)并非全部分層，也有些局部是結(jié)合的，揭開時(shí)難度并不是很大，采取人工用鋼釬即可撬開，撬開后看到界面有大量的熔化層和帶有熔化層的波紋，并且離起爆位置越遠(yuǎn)熔化的部分越多，如圖2所示。

界面全部為熔化層時(shí)，在超聲波探傷中為完全分層的波形，用金屬塊敲擊可以聽到“咚咚”的響聲，撬開時(shí)很容易，幾乎沒有結(jié)合強(qiáng)度;帶有熔化層的波紋超聲波探傷中發(fā)現(xiàn)雜波的存在，敲擊聽不到“咚咚”的響聲，撬開時(shí)有難度，說明有一定的結(jié)合強(qiáng)度，在后期的取樣檢測中發(fā)現(xiàn)結(jié)合強(qiáng)度在90～180 MPa之間，不能滿足NB/T 47002—2009的要求。從這種現(xiàn)象可以得出，這種條狀的不結(jié)合缺陷主要是由于排氣不暢所引起的。

2.2 排氣途徑分析

爆炸焊接的幅面越大，氣體在間隙中通過的路程越長，即時(shí)間也越長，在這種情況下要想保證爆炸焊接的質(zhì)量，難度就加大。通常對于大面積的復(fù)合板選擇中心起爆，其起爆后爆轟波傳播的途徑，以2600 mm×11000 mm為例，如圖3所示。

圖3 爆轟波傳播路徑模型

如圖3所示，若選用炸藥的爆速VD=2600 m/s，則:

OA方向氣體全部排出所需時(shí)間:

OB方向氣體全部排出所需時(shí)間:

OC方向氣體全部排出所需時(shí)間:

在實(shí)際爆炸過程中，OA方向爆炸完之后必將引爆AC方向的炸藥，使得爆轟波向AC方向傳播，OB方向爆炸完畢需要2.1 ms，與此同時(shí)，A點(diǎn)爆轟波已傳播到D點(diǎn)，其距離為:

由于OB方向的爆炸完畢，AC方向上的爆轟波傳播到了D點(diǎn)，使得基復(fù)板在OB方向上完全閉合，AC方向上在D點(diǎn)閉合，這樣就形成了閉合空間，導(dǎo)致OC方向上氣體排出的口徑大大減少。由于排出口徑的減小，OC方向界面內(nèi)的氣體壓力就會升高，形成絕熱壓縮空氣，使得在這一方向靠近板材尾端的氣體溫度迅速提高，從而出現(xiàn)大面積長條狀的熔化層。

也正是因?yàn)榇罅康母邏簹怏w，在界面空間內(nèi)劇烈運(yùn)動(dòng)，對已結(jié)合界面嚴(yán)重沖擊，形成剪切力的作用，將已經(jīng)結(jié)合了的基復(fù)板沖開或結(jié)合松動(dòng)，并使缺陷區(qū)域出現(xiàn)了帶有波紋的熔化層。

這種絕熱壓縮的空氣，將會在OD為半徑的圓與OC的交點(diǎn)E，至OC與BD的交點(diǎn)F，即EF這個(gè)區(qū)域的附近出現(xiàn)壓力最大值，從而在這個(gè)區(qū)域出現(xiàn)大量的缺陷。表1列出近期10塊大面積板條狀不結(jié)合區(qū)域尺寸。檢測發(fā)現(xiàn)，這一區(qū)域的缺陷出現(xiàn)率最高，也證明了這個(gè)推論的正確性。

表1 大面積復(fù)合板條狀不結(jié)合統(tǒng)計(jì)

某些企業(yè)對于大面積復(fù)合板采用在中心用高爆速炸藥加一條起爆線，使整板的爆轟波傳播呈橢圓態(tài)推進(jìn)，見圖4。利用這種方式來減緩邊界效應(yīng)，控制爆炸復(fù)合后整個(gè)板面的不平度有明顯的效果。盡管總的爆炸壓力P不變，但它改變了P對整個(gè)板面的分布狀態(tài)。然而這種方法可能進(jìn)一步加快了OB段的運(yùn)動(dòng)速度，使得B點(diǎn)附近封閉的時(shí)間縮短，進(jìn)一步加劇了OC方向上的氣體壓力的增大，可能發(fā)生更大的風(fēng)險(xiǎn)，圖1(b)就是采取這種方法進(jìn)行的爆炸焊接，試驗(yàn)結(jié)果表明板面有100 mm×2200 mm不結(jié)合缺陷。

圖4 爆轟波推進(jìn)的姿態(tài)

3 試驗(yàn)與優(yōu)化

3.1 試驗(yàn)材料

研究對象選取S30403+Q345R，(3+14)mm×2450 mm×12600 mm不銹鋼和合金鋼?；?、復(fù)板化學(xué)成分與力學(xué)性能見表2～5。

炸藥選用爆炸焊接粉狀乳化炸藥，經(jīng)調(diào)試后密度為0.82 g/cm2，爆速 2400 ～2600 m/s，猛度11.2 cm。

表2 S30403板化學(xué)成分 %

表3 S30403板的力學(xué)性能

表4 Q345R板化學(xué)成分 %

表5 Q345R板的力學(xué)性能

3.2 理論參數(shù)計(jì)算

最小能量模型［9］從實(shí)現(xiàn)爆炸焊接所需的單位面積總動(dòng)能來計(jì)算最小拋擲速度，其計(jì)算公式為:

式中 υpmin——最小拋擲速度，m/s

E1——實(shí)現(xiàn)焊接單位面積最小能量，J/m2

ρf——復(fù)板材料密度，kg/m3

tf——復(fù)板厚度，m

對于不銹鋼，E1可以取 4.3 ×106J/m2，得出υpmin=601 m/s。

根據(jù)動(dòng)態(tài)的拋擲速度 υp=2VDsin，VD取2500 m/s，得出 β =13.8°。

根據(jù)Chandwick的經(jīng)驗(yàn)公式［10］裝藥質(zhì)量比:

根據(jù)裝藥質(zhì)量比:R=(ρ0δ0)/(ρ1δ1)，得出藥高 δ0=37.4 mm。

由間隙的經(jīng)驗(yàn)公式:

結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，藥高:δ0=35 mm;間隙值:h0=8 mm。

3.3 優(yōu)化措施

(1)待結(jié)合面的處理。大量實(shí)踐表明，爆炸焊接前待結(jié)合面處理的越光凈，焊接的質(zhì)量及可焊范圍就越大，所以基復(fù)板必須經(jīng)過拋光處理，表面粗糙度一般控制在3 μm以下。

(2)控制復(fù)板的平整度。復(fù)板的平整度是爆炸焊接的關(guān)鍵，因此要求嚴(yán)格控制復(fù)板的平整度在5 mm/m以下。

(3)調(diào)整墊片。由于板幅較大，放置復(fù)板時(shí)中間部分會先接觸墊片，必然會因?yàn)槭芰卸鴮?dǎo)致中間部分墊片壓垮或者倒塌。因此布置墊片時(shí)，板面中間部位放置一些10 mm的墊片來減弱這種情況的影響。四周墊片加高到12 mm，增大四周的開口高度，使排氣更順暢。

(4)布藥方式。根據(jù)爆炸焊接不等厚度布藥工藝的研究［11－12］，采用不等厚度布藥結(jié)構(gòu)進(jìn)行爆炸焊接時(shí)，使復(fù)板各點(diǎn)處的爆炸載荷基本保持不變，避免因裝藥量過多引起金屬的熔化而產(chǎn)生含有間隙、空洞等缺陷的大波狀結(jié)合，能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)合板結(jié)合面沿爆轟方向基、復(fù)板之間的波幅和波長變化明顯減小，提高復(fù)合板的整體結(jié)合強(qiáng)度。在爆炸焊接過程中，裝藥厚度取下限，將獲得較好的無缺陷的微小波形。要獲得優(yōu)質(zhì)界面的復(fù)合板，在爆炸焊接中，裝藥厚度須遵循“下限法則”。

根據(jù)這一理論，在實(shí)際布藥中增大起爆點(diǎn)的藥高，確保起爆點(diǎn)的能量充足。距離短邊邊部2 m以內(nèi)的藥高降低到30 mm，炸藥的爆速減小到2100 m/s左右，這樣就可有效地減小爆轟波產(chǎn)生的能量和傳播速度，使得排氣時(shí)間增長，排氣更加充分。

3.4 試驗(yàn)結(jié)果

按前述改進(jìn)方案，對S30403+Q345R，(3+14)mm×2450 mm×12600 mm不銹鋼－鋼復(fù)合板進(jìn)行爆炸焊接試驗(yàn)，經(jīng)對試驗(yàn)產(chǎn)品現(xiàn)場超探檢測，其結(jié)合率達(dá)到100%，本批爆炸共計(jì)8塊，全部探傷完畢后僅發(fā)現(xiàn)有60 mm×340 mm和80 mm×260 mm兩處不結(jié)合缺陷，爆炸結(jié)合率達(dá)到99.87%，大大提高了爆炸焊接產(chǎn)品的質(zhì)量。優(yōu)化工藝后的爆炸焊接產(chǎn)品見圖5。

圖5 優(yōu)化工藝后的爆炸焊接產(chǎn)品

4 結(jié)論

(1)研究結(jié)果證明這種有規(guī)律出現(xiàn)的缺陷是由于排氣不暢引起的，并且會隨著板幅的增大而增多;

(2)排氣途徑的分析，合理地論證了這種長條狀缺陷的形成機(jī)理，為減少這種長條狀缺陷提供了依據(jù);

(3)通過采用文中論述的優(yōu)化方法，能有效減少這種缺陷出現(xiàn)的幾率，從而提高產(chǎn)品的質(zhì)量，獲得高質(zhì)量的大面積不銹鋼－鋼復(fù)合板;

(4)該理論通過推廣，還可以應(yīng)用在大面積鈦/鋼復(fù)合板、鎳/鋼復(fù)合板、銅/鋼復(fù)合板的爆炸焊接中。

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