不銹鋼復(fù)合板結(jié)合界面的性質(zhì)研究

郭勵(lì)武

(太原鋼鐵集團(tuán)(有限)公司 復(fù)合材料廠，山西 忻州 035503)

復(fù)合板是由2種或多種異種金屬結(jié)合在一起的材料，體現(xiàn)復(fù)合板結(jié)合情況的指標(biāo)主要是超聲波檢測結(jié)果和剪切強(qiáng)度。結(jié)合率一般通過超聲波探傷進(jìn)行檢測，而超聲波探傷合格的復(fù)合板，其界面剪切強(qiáng)度卻不盡相同，并且即使超聲波探傷合格，復(fù)合板結(jié)合界面的回波高度也不盡相同；因此，剪切強(qiáng)度和超聲波檢測結(jié)果就成為衡量壓力容器用復(fù)合板質(zhì)量的關(guān)鍵指標(biāo)。

復(fù)合板的生產(chǎn)方式較多，本文重點(diǎn)討論爆炸焊接復(fù)合板結(jié)合界面的微觀組織、剪切強(qiáng)度和結(jié)合界面的超聲波回波之間的關(guān)系。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)，常使用脈沖反射式超聲波探傷儀進(jìn)行復(fù)合板結(jié)合率檢測。在實(shí)際檢測過程中，經(jīng)常遇到2種材質(zhì)的結(jié)合界面回波波高、底面反射波沒有明顯降低，按照NB/T 47013.3—2015判定，不屬于缺陷，但是進(jìn)一步的界面分析表明，許多界面處存在微觀缺陷，這些微觀缺陷會影響到金屬復(fù)合板的力學(xué)性能、使用壽命和后續(xù)加工性能。

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)、半島和全島等微觀缺陷[1]。這些缺陷的大小和密集程度影響復(fù)合板結(jié)合界面波。當(dāng)爆速增大、爆炸間隙大時(shí)，復(fù)合板結(jié)合區(qū)的微觀缺陷會增加。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，過渡區(qū)寬度僅為5 μm。

復(fù)合板加工過程易出現(xiàn)分層失效，這是由于復(fù)合板界面仍可能存在縫隙、空洞物和過渡區(qū)域等幾種微觀缺陷，這些微觀缺陷能在超聲波探傷時(shí)有所反應(yīng)，但是不影響復(fù)合板超聲波探傷檢測判定。根據(jù)上述理論分析，筆者以不銹鋼和容器鋼的爆炸焊接復(fù)合板為研究對象，分析在結(jié)合界面處存在的微觀缺陷組織、超聲波結(jié)合界面回波和剪切強(qiáng)度等的相互聯(lián)系。

1 試樣制備

試驗(yàn)用材料為S30403+Q345R不銹鋼爆炸焊接復(fù)合板，其化學(xué)成分見表1。復(fù)合板采用不同的爆炸焊接參數(shù)(炸高和爆速)進(jìn)行復(fù)合，復(fù)合板規(guī)格為(6+30) mm，數(shù)量為3塊。

表1 不銹鋼爆炸焊接復(fù)合板的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) (%)

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 剪切強(qiáng)度、結(jié)合強(qiáng)度與超聲波檢測結(jié)果的關(guān)系

按照NB/T 47013.3—2015復(fù)合板超聲波檢測方法的要求，探頭選用5Pφ20FG10。將探頭置于復(fù)合板完全結(jié)合部位，調(diào)節(jié)第1次底波到顯示屏的80%，以此作為基準(zhǔn)靈敏度。從3塊復(fù)合板上分別取4塊剪切試樣和2塊結(jié)合試樣，對試樣進(jìn)行超聲波檢測(超聲波檢測在同一靈敏度下進(jìn)行)和力學(xué)檢測，檢測結(jié)果見表2。

表2 剪切強(qiáng)度、結(jié)合強(qiáng)度與超聲波檢測結(jié)果對照表

從上述數(shù)據(jù)可以看出，結(jié)合界面回波波高由高到低的順序?yàn)椋?#試樣>2#試樣>3#試樣；剪切強(qiáng)度由高到低的順序?yàn)椋?#試樣>2#試樣>1#試樣；結(jié)合強(qiáng)度由高到低的順序?yàn)椋?#試樣>2#試樣>1#試樣；底波降低，結(jié)合界面回波波高升高，相應(yīng)的剪切強(qiáng)度和結(jié)合強(qiáng)度降低，結(jié)合界面回波波高和結(jié)合強(qiáng)度存在著一定的相關(guān)性[2]。

2.2 滲透檢測

從3塊復(fù)合板上分別取1塊滲透檢測試樣，從試樣結(jié)合界面的檢測結(jié)果(見圖1)可以看出，點(diǎn)狀缺陷為1#試樣>2#試樣>3#試樣。這些點(diǎn)狀缺陷是由于爆炸復(fù)合過程中在復(fù)合板界面生成的縫隙、空洞物和過渡區(qū)域等幾種微觀缺陷，這些微觀缺陷在滲透檢測時(shí)有所顯示。

圖1 不同爆炸工藝的3塊試樣滲透檢測結(jié)果

2.3 微觀組織

在顯微鏡下才能觀察到復(fù)合界面呈鋸齒狀，其中一側(cè)出現(xiàn)微觀裂隙、半島和空洞等缺陷[3]。這些組織呈疏松狀態(tài)，腐蝕后呈現(xiàn)如圖2所示的形態(tài)，其空間形態(tài)可能呈點(diǎn)狀、不連續(xù)點(diǎn)狀或線狀。當(dāng)受到外界的拉應(yīng)力或壓應(yīng)力時(shí)，這些微觀缺陷會沿著特定方向延展，形成斷裂。

圖2 復(fù)合板結(jié)合層微觀組織

2.4 爆炸界面波波形

復(fù)合板結(jié)合界面呈鋸齒形，這是采用爆炸焊接方法生產(chǎn)的復(fù)合鋼板的固有特征。爆炸復(fù)合原理是基復(fù)板高速碰撞產(chǎn)生射流，在射流作用下，波峰處產(chǎn)生旋渦，由于射流被捕捉于界面，而以某種形態(tài)凝固于界面形成過渡區(qū)，界面上會有金屬熔融物形成。通過顯微測量可得，鋸齒形的波高約為0.3～0.5 mm，波長約為1～1.5 mm。影響波紋形狀(波峰、步長)的因素較多，主要有爆炸焊接參數(shù)的實(shí)際碰撞角、炸藥的爆速和碰撞的基復(fù)板的間距等。由于爆炸復(fù)合過程中的爆炸焊接參數(shù)的波動(間距)，在復(fù)合鋼板的邊緣可能造成粗波紋，尤其鋼板短邊部。復(fù)合板結(jié)合界面的波峰波谷數(shù)據(jù)見表3。

表3 復(fù)合板結(jié)合界面的波峰波谷數(shù)據(jù)

3 結(jié)語

爆炸焊接復(fù)合板的界面呈波浪狀，在靠近塑性較差的低合金鋼一側(cè)復(fù)合板界面區(qū)易出現(xiàn)空洞、空隙和微縫隙等微觀缺陷。一般認(rèn)為，這些微觀缺陷是由于爆炸焊接界面發(fā)生過熔化而導(dǎo)致的[4]，因此這種微觀缺陷普遍存在于爆炸復(fù)合板的結(jié)合界面?？斩春臀⒖p隙的數(shù)量取決于這些靜態(tài)焊接參數(shù)，若工藝參數(shù)不當(dāng)，在爆炸焊接復(fù)合板中可能會出現(xiàn)全島或半島缺陷[5]。

在基體、結(jié)合層部位出現(xiàn)了空洞和微縫隙，超聲波探傷過程中檢測合格，只是出現(xiàn)界面回波波高升高的現(xiàn)象，這是因?yàn)槲⒖p隙和空洞的尺寸小，不能明顯降低底波，形成缺陷顯示。通過適當(dāng)調(diào)整爆炸焊接工藝參數(shù)，降低炸高和爆速等方法，可以有效解決復(fù)合板這類問題的發(fā)生。