大面積Inconel625薄壁雙面肋加強(qiáng)板爆炸焊接研究

段綿俊， 王耀華， 魏 玲， 馬 銳， 冉 紅

(1.解放軍理工大學(xué)，南京 210007; 2.南京郵電大學(xué) 通達(dá)學(xué)院，南京 210007;3.南京海軍指揮學(xué)院,南京 210007; 4,核工業(yè)集團(tuán)西南物理研究院，成都 610041)

大面積Inconel625薄壁雙面肋加強(qiáng)板爆炸焊接研究

段綿俊1， 王耀華1， 魏 玲2， 馬 銳3， 冉 紅4

(1.解放軍理工大學(xué)，南京 210007; 2.南京郵電大學(xué) 通達(dá)學(xué)院，南京 210007;3.南京海軍指揮學(xué)院,南京 210007; 4,核工業(yè)集團(tuán)西南物理研究院，成都 610041)

中國(guó)新型核聚變實(shí)驗(yàn)堆HL-2M的真空室需要一種內(nèi)含密閉流體通道的Inconel 625薄壁雙面肋加強(qiáng)板，其難以采用常規(guī)加工工藝制備。在爆炸焊接裝藥參數(shù)計(jì)算與優(yōu)化、復(fù)合支承模板設(shè)計(jì)、模板設(shè)置與脫模技術(shù)、雙面分步爆炸焊接和應(yīng)力退火工藝等方面開展試驗(yàn)研究，成功制備了該雙面肋加強(qiáng)板，并對(duì)其進(jìn)行了顯微金相、電鏡掃描、顯微硬度檢驗(yàn)和力學(xué)試驗(yàn)。檢驗(yàn)結(jié)果表明：結(jié)合界面附近金屬組織晶體細(xì)密，實(shí)現(xiàn)了冶金結(jié)合；界面的剪切強(qiáng)度超過母材的強(qiáng)度；界面附近組織的顯微硬度明顯提升。

Inconel 625；爆炸焊接；雙面肋加強(qiáng)板；結(jié)合界面

建造中國(guó)新型核聚變實(shí)驗(yàn)堆HL-2M的真空室需要一種大面積薄壁雙面肋加強(qiáng)板(簡(jiǎn)稱雙面肋加強(qiáng)板，下文同)。該雙面肋加強(qiáng)板由內(nèi)、外壁板和多根加強(qiáng)肋板構(gòu)成，內(nèi)、外壁板尺寸均為1 800 mm×350 mm×6 mm，肋板尺寸為1 800 mm×12 mm×18 mm，材料為Inconel 625，其結(jié)構(gòu)見圖1。其中的加強(qiáng)肋板不僅起結(jié)構(gòu)加強(qiáng)作用，而且在壁板、肋板之間形成多條密閉流體通道，便于工作前輸送高溫氮?dú)夂婵炯訙卣婵帐覛んw，或工作時(shí)輸送冷卻介質(zhì)為內(nèi)部器件散熱。該雙面肋加強(qiáng)板需承受內(nèi)部的熱載荷、內(nèi)外壓差和等離子體破裂時(shí)巨大的電磁力沖擊載荷，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求高。模擬計(jì)算顯示，工作時(shí)，該雙面肋加強(qiáng)板承受的最大沖擊載荷可達(dá)42倍大氣壓強(qiáng)[1-2]，因此該高強(qiáng)度雙面肋加強(qiáng)板的設(shè)計(jì)和制備是真空室建設(shè)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。

目前，國(guó)內(nèi)外制造大面積的雙面肋加強(qiáng)板的主要方法有鑄造法、常規(guī)焊接法、攪拌摩擦焊接法和釬焊法。采用鑄造法制備該雙面肋加強(qiáng)板，內(nèi)部易出現(xiàn)粗大晶粒，且難以避免氣泡、縮孔、砂眼和偏析等缺陷；采用常規(guī)焊接法制備該殼體，因兩壁板間距離僅為18 mm，操作空間狹小，與第一塊壁板焊接后，肋板與第二塊壁板只能采用塞焊焊接，整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度差且不能獲得密閉流體通道；攪拌摩擦焊法一般僅限于鋁、銅等熔點(diǎn)較低的金屬構(gòu)件的連接，不能用于鎳基合金構(gòu)件焊接；釬焊法常用來連接各種精密構(gòu)件，所得的工件尺寸精度較好，但是需在焊接面引入低熔點(diǎn)釬料，接頭強(qiáng)度較低且耐熱性差。由上述可知，難以采用常規(guī)加工方法制備該雙面肋加強(qiáng)板。而采用爆炸焊接制備內(nèi)部含有狹窄空腔的結(jié)構(gòu)件，具有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，即其所有的操作均可在結(jié)構(gòu)件的外部完成。

爆炸焊接亦稱爆炸復(fù)合，它利用炸藥爆炸驅(qū)動(dòng)工件發(fā)生碰撞，同時(shí)產(chǎn)生高速射流清除金屬表面的氧化膜，使金屬工件表面潔凈并實(shí)現(xiàn)冶金結(jié)合[3-9]。目前，國(guó)內(nèi)外爆炸焊接應(yīng)用研究主要集中于金屬復(fù)合板和金屬復(fù)合管、桿件的焊接工藝，對(duì)復(fù)雜形體結(jié)構(gòu)件的爆炸焊接研究較少[3-12]。本課題組在金屬復(fù)合板爆炸焊接技術(shù)的基礎(chǔ)上，創(chuàng)新了復(fù)合支承模板設(shè)計(jì)、模板設(shè)置與脫模和雙面分步爆炸焊接等技術(shù)，制造了Inconel 625雙面肋加強(qiáng)板，實(shí)物見圖2。

圖2 爆炸焊接肋加強(qiáng)板實(shí)物圖Fig.2 Photo of explosive welding ribbed board

1 實(shí)驗(yàn)材料及其制備

1.1 材料來源

Inconel 625合金是一種以鎳為主要成分的奧氏體超耐熱合金，是非常優(yōu)異的核工程材料。實(shí)驗(yàn)采用西南物理研究院提供的Inconel 625軋制板材，其維氏硬度為197 HV，密度為8.4 g/cm3。

實(shí)驗(yàn)所用炸藥為江南化工廠提供的粉狀乳化炸藥，初始爆速為3 500 m/s。添加質(zhì)量占比45%的某種降爆劑后，混合藥的實(shí)際爆速為2 600 m/s。

1.2 板材的加工制備

(1) Inconel 625具有嚴(yán)重的冷作硬化特性，容易粘刀，且機(jī)械加工時(shí)受加工熱影響易變形翹曲。為了節(jié)省材料、減少工件變形，選擇用水刀進(jìn)行加工，將6 mm、12 mm厚的Inconel 625冷軋板材切割加工為壁板和肋板。

(2) 用手持細(xì)沙輪磨削工件表面，并用砂紙手工進(jìn)一步打磨工件表面，使得其表面粗糙度達(dá)到Ra<6 μm。

2 實(shí)驗(yàn)過程

相比常見的金屬復(fù)合板、管和桿件的爆炸焊接，雙面肋加強(qiáng)板的爆炸焊接有許多關(guān)鍵問題需要解決。首先，其基板(肋板)的面積比復(fù)板(壁板)小得多，如果在肋板間空腔內(nèi)不設(shè)置合適的模具，則爆炸沖擊力將嚴(yán)重?fù)p壞壁板，導(dǎo)致焊接失敗。另外，填充模板易被焊接好的肋板夾持，難以脫模。為了實(shí)現(xiàn)該雙面肋加強(qiáng)板的高質(zhì)量爆炸焊接，主要從以下幾個(gè)方面進(jìn)行了重要技術(shù)創(chuàng)新。

2.1 支承模板材料及其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在肋與壁板爆炸焊接中，模具的合理設(shè)計(jì)與恰當(dāng)布設(shè)既是重點(diǎn)，也是難點(diǎn)。在模具的設(shè)計(jì)中，考慮了下列因素：

(1) 強(qiáng)度匹配問題。模具應(yīng)選用與肋板強(qiáng)度相近的材料，否則，巨大的爆炸沖擊力，會(huì)導(dǎo)致焊接后的腔體凹陷甚至損壞壁板。

(2) 聲阻抗匹配問題。如果模具和基、復(fù)板的聲阻抗差異太大，爆炸沖擊波、應(yīng)力波，會(huì)在模具表面形成強(qiáng)烈的反射波，破壞焊接界面[4-5]。

(3) 脫模問題。填充模板在復(fù)板的沖擊力下延展變形，支承模板易被焊接后的上、下壁板和加強(qiáng)肋所夾持或粘連，脫模難度大。

(4) 經(jīng)濟(jì)性。模具為一次性工裝，應(yīng)盡量選用價(jià)廉、易得的材料。

依據(jù)上述考慮，模具設(shè)計(jì)為三明治式夾心復(fù)合支承模板(見圖3)，上下層模板材料選用厚度均為8 mm的Q345R鋼板；中間層選約1.8 mm厚的7075鋁合金，其強(qiáng)度為550 MPa。該復(fù)合支承模板與肋板的聲阻抗、強(qiáng)度相差不大，且中間夾層的鋁合金板熔點(diǎn)較低，為脫模提供了條件。

2.2 雙面分步爆炸焊接法

(1) 第一階段爆炸焊接：為了便于安裝肋板和支承模板，設(shè)置了一個(gè)20 mm厚的鋼墊板，將復(fù)合模板和肋板分別固定在墊板上，在模板上表面涂覆0.15～0.2 mm厚的防焊劑(水玻璃)，并放置間隙柱，將外壁板置于間隙柱上，在外壁板的上表面布設(shè)炸藥，引爆雷管，在爆炸焊接沖擊力下，外壁板與肋板焊接為一個(gè)焊合物(見圖3(a))。

(2) 第二階段爆炸焊接：將第一階段所得焊合物翻轉(zhuǎn)，去除墊板，在復(fù)合模板塊上涂覆0.15～0.2 mm防焊劑，再放置間隙柱，將外壁板置于間隙柱上，在外壁板的上表面布設(shè)炸藥，引爆雷管，在爆炸焊接沖擊力下，外壁板與第一階段焊得物焊接在一起，形成內(nèi)含復(fù)合支撐模具的雙面肋加強(qiáng)板(見圖3(b))。

1.外壁板 2.肋板 3.鋼模板 4.鋁模板 5.間隙柱 6.炸藥 7.鋼墊板 8.內(nèi)壁板 9.第一階段焊合物 10.雷管圖3 爆炸焊接裝置示意圖Fig.3 Schematic diagram

2.3 爆炸焊接參數(shù)計(jì)算

在平行式爆炸焊接中，對(duì)于某一特定材料而言，決定焊接質(zhì)量的參數(shù)主要為裝藥厚度和間隙。裝藥參數(shù)采用以下經(jīng)驗(yàn)公式[7]：

(1)

(2)

(3)

D=0.2(de+df)

(4)

式中：vpmin為最小碰撞速度，Hv為覆板材料的表面維氏硬度，ρf為壁板材料的密度，Rmin為單位面積上的炸藥量與單位面積的壁板質(zhì)量之比，vd為炸藥爆速，de為裝藥厚度，ρe為炸藥的密度，df為覆板厚度，D為基、覆板間隙，K的取值為0.9～1.4，K1的取值為3.9～4.5。

根據(jù)式(1)、式(2)、式(3)、式(4)計(jì)算得de取值范圍為63～75 mm，D取值范圍為15～16 mm。再采用試湊法進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)[1]，確定了其最佳參數(shù):裝藥厚度為65 mm，間隙為15 mm。

2.4 脫模工藝

兩次爆炸焊接后，支承模板被上、下壁板和肋板緊緊夾持，脫模非常困難。其解決措施：爆炸焊接前，在模板表面涂覆0.15～0.2 mm厚的防焊劑(水玻璃)。爆炸焊接后，將內(nèi)夾復(fù)合支撐模板的雙面肋加強(qiáng)板，放在電爐中加熱至450℃并保溫1 h，使鋁合金板融化。待冷卻后，再取出空腔中的鋼模板。

2.5 雙面肋加強(qiáng)板熱處理工藝

雙面肋加強(qiáng)板爆炸焊接完成后，若不進(jìn)行消應(yīng)力熱處理，則在使用過程中應(yīng)力擴(kuò)展產(chǎn)生裂紋，使得雙面肋加強(qiáng)板的性能和壽命大大降低。為此，對(duì)雙面肋加強(qiáng)板進(jìn)行固溶處理和穩(wěn)定化熱處理。固溶處理：爐溫1 093 ℃，溫升速度≤200 ℃/h，保溫時(shí)間30min；穩(wěn)定化熱處理：最高溫度982 ℃，保溫時(shí)間60 min，溫升速度<200 ℃/h，空冷。

2.6 結(jié)合質(zhì)量檢驗(yàn)

為檢驗(yàn)雙面肋加強(qiáng)板的焊合質(zhì)量，采用超聲探傷儀對(duì)肋板與壁板的復(fù)合率進(jìn)行了檢驗(yàn)，并在肋板的首、尾和中間位置取樣進(jìn)行了剪切試驗(yàn)以檢驗(yàn)焊合強(qiáng)度，最后對(duì)結(jié)合界面(結(jié)合強(qiáng)度最高的試板)進(jìn)行了金相觀察、掃描電鏡(SEM)檢驗(yàn)和顯微硬度測(cè)試。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

通過pocketUT型超聲探傷儀檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)肋板和壁板的復(fù)合率達(dá)到100%。

圖4 雙面肋加強(qiáng)板爆炸焊接剪切試樣(a)及斷口照片(b)Fig.4 Photos of shear specimens(a) and fracture surface(b)

剪切試樣的取樣位置為三根肋板的前端、末端和中央處與內(nèi)外壁板的焊接處，圖4(a)為剪切試樣破壞后的照片。其剪切強(qiáng)度平均值為535.5 MPa，且破壞斷面均不發(fā)生在結(jié)合界面(如圖4(b)所示)。表明在劇烈沖擊下，結(jié)合界面附近金屬組織發(fā)生強(qiáng)烈的塑性變形，獲得了明顯的加工強(qiáng)化，該結(jié)果與前人研究的成果一致[9-13]。

界面組織結(jié)構(gòu)體現(xiàn)爆炸焊接的微觀特征，是研究爆炸焊接結(jié)合的基礎(chǔ)和重點(diǎn)。鄭哲敏、楊振聲等根據(jù)界面的金相分析把結(jié)合界面大致分為三類：直接結(jié)合、連續(xù)的熔化層結(jié)合和波狀結(jié)合[3-8]。金相研究表明(見圖5)，本次焊接界面具有波狀結(jié)合的特點(diǎn)。在爆炸載荷作用下，壁板和肋板的晶體被拉長(zhǎng)變細(xì)，沿結(jié)合界面區(qū)約10 μm寬的區(qū)域分布著更為細(xì)密的細(xì)晶，并在部分區(qū)域(主要在波谷區(qū)域)可以觀察到熔融后再結(jié)晶晶體。界面的掃描電鏡照片(見圖6)顯示壁板、肋板結(jié)合非常致密，達(dá)到了冶金結(jié)合。

圖5 Inconel 625合金的爆炸焊接界面組織Fig.5 Morphology of interface of Inconele 625

圖6 Inconel 625合金爆炸焊接界面SEM圖Fig.6 SEM image of joint interfaces

為了研究界面的元素?cái)U(kuò)散情況，垂直于復(fù)合界面分別對(duì)Ni，Cr，Mo等元素進(jìn)行了線掃描，掃描位置和結(jié)果見圖6和圖7。由圖可見，Inconel 625的主要元素在界面附近均保持穩(wěn)定，且界面的雜質(zhì)元素含量沒有顯著升高。

結(jié)合界面附近金屬的顯微硬度測(cè)試結(jié)果見圖8。由圖8可知:

(1) 結(jié)合界面的顯微硬度要明顯高于兩側(cè)。其原因是基、復(fù)板的劇烈碰撞，使得界面附近金屬組織產(chǎn)生大量的塑性變形，獲得了加工硬化，而且距離界面越近，加工硬化越明顯。

(2) 壁板的硬化程度要比基板高。這是因?yàn)?，壁板分別在炸藥爆轟、壁板與肋板撞擊時(shí)經(jīng)受了兩次塑性變形，而肋板只經(jīng)受了一次塑性變形，因此，壁板的塑性變形比肋板更大。

圖7 爆炸焊接界面附近元素EDS分析Fig.7 EDS analysis of explosive welding interface

圖8 爆炸焊接界面附近顯微硬度分布Fig.8 Micro-hardness profile across the interfaces

4 結(jié) 論

(1) 經(jīng)檢測(cè)，界面結(jié)合強(qiáng)度高，結(jié)合區(qū)域晶粒變細(xì)拉長(zhǎng)，不存在明顯的融化區(qū)，界面間無夾雜元素，體現(xiàn)出明顯的固相結(jié)合特征。

(2) 界面附近組織的顯微硬度提高，并且離界面越近，顯微硬度越高。

(3)爆炸焊接法制備雙面肋加強(qiáng)板可取材于軋制板，整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高，并可獲得密閉流體通道，具有明顯優(yōu)勢(shì)。

(3) 核、化工業(yè)中需要大量的空心結(jié)構(gòu)件。這些結(jié)構(gòu)件內(nèi)腔形狀各異，但是其內(nèi)部模具填充和脫模技術(shù)類似。因此，所探究的爆炸焊接工藝，在核、化工業(yè)中具廣泛的應(yīng)用前景。

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Incinel 625 ribbed panel manufactured by explosive welding

DUAN Mian-jun1, WANG Yao-hua1, WEI Ling2, MA Rui3, RAN Hong4

(1. PLA university of science and technology, Nanjing 210007, China;2. Tongda College of Nanjing University of Posts and Telecommunications, Nanjing 610041, China;3. Nanjing Naval Command Academy, Nanjing 210007, China; 4. Southwestam Institute of Physics, Chengdu 610041, China)

There are four key aspects in the fabrication process of a inconel 625 ribbed panel manufactured by explosive welding, including the sandwich mold filling, the parameter calculation, the explosive welding in two steps and the stress annealing. The bonding interfaces of the ribbed panel were observed and analyzed by means of optical microscope(OM), scanning electron microscope(SEM) and electron probe microanalysis(EPMA). It is found that the metal organization near by the welding interfaces is of fine structure and there are few seam and hole defects. The interfaces have a high strength compared with other interfaces mads by traditional welding technologies. It is proved that the explosive welding ribbed panel is a high strengthened structure.

Inconel 625; explosive welding; ribbed panel; interface

總參創(chuàng)新站(南京)資助項(xiàng)目(ZCCX-20120610)

2014-02-12 修改稿收到日期：2014-05-26

段綿俊 男，博士生，1982年8月生

王耀華 男，博士，教授，博士生導(dǎo)師，1949年5月生

TG456.6

A

10.13465/j.cnki.jvs.2015.09.007