爆炸焊接奧氏體不銹鋼復(fù)合板復(fù)層厚度測(cè)量

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(西安天力金屬?gòu)?fù)合材料有限公司，西安 710201)

以?shī)W氏體不銹鋼為復(fù)合層，碳鋼為基層的復(fù)合板，既具有不銹鋼的表面性能和耐腐蝕性能，又具有碳鋼的機(jī)械強(qiáng)度和加工性能。因此，奧氏體不銹鋼復(fù)合板制成的壓力容器在化工領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。奧氏體不銹鋼與碳鋼屬于不同材料，爆炸焊接復(fù)合技術(shù)很好地實(shí)現(xiàn)了這兩種材料的復(fù)合[1-4]。爆炸焊接主要是用炸藥作為能源進(jìn)行金屬焊接的技術(shù)，其特點(diǎn)是充分發(fā)揮和利用組元材料的物理性能和力學(xué)性能，以滿(mǎn)足不同場(chǎng)合的需求[5-7]。

在壓力容器的制備過(guò)程中，必須對(duì)復(fù)層奧氏體不銹鋼厚度進(jìn)行控制。常用的復(fù)合板復(fù)層厚度的測(cè)量方法有磁性測(cè)厚法、超聲測(cè)厚法和金相測(cè)厚法等3種方法。其原理和操作過(guò)程不同，各自的影響因素和適用范圍也不相同[8-10]。采用不適合的方法進(jìn)行復(fù)層厚度測(cè)量，得到的結(jié)果往往存在較大誤差。筆者通過(guò)磁性測(cè)厚法、超聲測(cè)厚法和金相測(cè)厚法對(duì)奧氏體不銹鋼復(fù)合板復(fù)層厚度進(jìn)行測(cè)量，分析了這3種方法的適用性，為現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)復(fù)層厚度的方法選擇提供依據(jù)。

1 材料規(guī)格與客戶(hù)要求

復(fù)層材料選取SA240 304L，名義厚度(設(shè)計(jì)圖樣上標(biāo)注的厚度)為3.5 mm；基板材料選取SA265 Gr70，名義厚度為30 mm。材料中各元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)如表1～2所示，SA240 304L中各元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)完全符合標(biāo)準(zhǔn)ASME SA240-2015《壓力容器和一般用途用耐熱鉻及鉻鎳不銹鋼板、薄板和鋼帶》的相關(guān)指標(biāo)要求，SA265Gr70中各元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)完全符合標(biāo)準(zhǔn)ASMESA516-2015《中、低溫壓力容器用碳鋼板》的相關(guān)指標(biāo)要求。對(duì)復(fù)層、基層材料分別用游標(biāo)卡尺測(cè)出實(shí)際厚度，結(jié)果如表3所示。

表1 SA240 304L中各元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù) %

表2 SA516 Gr70中各元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù) %

表3 材料實(shí)際厚度測(cè)量結(jié)果 mm

客戶(hù)要求復(fù)合板復(fù)層厚度的測(cè)量結(jié)果不得小于3.175 mm，厚度公差為正公差。

2 爆炸焊接

復(fù)合板采用爆炸焊接方法成型，執(zhí)行ASME SA264-2015《鉻-鎳不銹鋼復(fù)合板》標(biāo)準(zhǔn)，交貨狀態(tài)為退火后。

爆炸焊接主要是用炸藥作為能源進(jìn)行金屬間焊接的，是一種很有實(shí)用價(jià)值的生產(chǎn)金屬?gòu)?fù)合材料的高新技術(shù)。其在一瞬間能將相同的、特別是不同的金屬組合簡(jiǎn)單、迅速、強(qiáng)固地焊接在一起，使金屬界面達(dá)到冶金結(jié)合狀態(tài)[11]。工程中采用的爆炸焊接方法主要有平行安裝法和角度安裝法兩種，筆者采用平行安裝法(見(jiàn)圖1)進(jìn)行爆炸焊接，并對(duì)爆炸焊接工藝進(jìn)行優(yōu)化。

圖1 平行安裝法爆炸焊接復(fù)合示意

爆炸焊接復(fù)合要求基復(fù)板表面干凈，基復(fù)板表面粗糙度越高，其復(fù)合后的結(jié)合品質(zhì)越高[12]，因此在爆炸復(fù)合之前需要對(duì)基復(fù)板進(jìn)行表面拋光處理，拋光后復(fù)層、基層的厚度存在輕微減薄，經(jīng)測(cè)量，減薄量約為0.2～0.3 mm。

3 復(fù)合板復(fù)層厚度測(cè)量方法

3.1 超聲法測(cè)厚

常用的超聲波測(cè)厚儀是根據(jù)超聲波脈沖反射原理來(lái)進(jìn)行厚度測(cè)量的。凡能使超聲波以一恒定速度在其內(nèi)部傳播的各種材料均可采用此原理測(cè)量。按此原理設(shè)計(jì)的測(cè)厚儀可對(duì)各種板材和加工零件的厚度進(jìn)行精確測(cè)量，也可以對(duì)生產(chǎn)設(shè)備中各種管道和壓力容器的腐蝕減薄程度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，廣泛應(yīng)用于石油、化工、冶金、造船、航空、航天等各個(gè)領(lǐng)域。

脈沖反射技術(shù)進(jìn)行超聲測(cè)厚的工作原理如式(1)所示。

(1)

式中：h為試件的厚度；c為材料中的聲速；Δt為垂直入射時(shí)超聲波在試件中往返一次的傳播時(shí)間。

當(dāng)材料中聲速已知，則只需測(cè)出Δt即可算出厚度。

在對(duì)文中不銹鋼復(fù)合板進(jìn)行測(cè)厚時(shí)，超聲波從不銹鋼-鋼界面入射，不銹鋼復(fù)層為第一介質(zhì)，不銹鋼、碳鋼的聲速分別為5 740，5 900 m·s-1；不銹鋼、碳鋼的密度分別為7.9,7.85 g·cm-3，不銹鋼與碳鋼的聲阻分別為4.53×106,4.63×106g·cm-2·s-1。當(dāng)測(cè)厚儀探頭發(fā)射的超聲波脈沖通過(guò)被測(cè)復(fù)合板工件表面到達(dá)材料分界面時(shí)，在界面處產(chǎn)生反射波，脈沖被反射回探頭,儀器通過(guò)精確測(cè)量超聲波在復(fù)層材料中傳播的時(shí)間來(lái)確定復(fù)層的厚度。

采用奧林巴斯的38DLPLUS型號(hào)超聲測(cè)厚儀，以?shī)W氏體不銹鋼復(fù)合板使用的復(fù)層材料(304L)薄板作為試塊，進(jìn)行儀器校正，并根據(jù)復(fù)層材料種類(lèi)預(yù)置超聲波聲速。測(cè)量復(fù)層厚度前，對(duì)復(fù)合板復(fù)層表面進(jìn)行拋光處理，直到露出金屬光澤，避免粗糙被測(cè)表面對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生影響；測(cè)量時(shí)，將探頭放置在復(fù)合板復(fù)層表面，耦合劑為水，探頭通過(guò)耦合劑能與表面良好耦合。復(fù)層厚度的測(cè)量(兩次)結(jié)果為：3.47，3.49 mm，測(cè)厚現(xiàn)場(chǎng)如圖2所示。

圖2 超聲波測(cè)厚現(xiàn)場(chǎng)

奧氏體不銹鋼復(fù)合板界面金相檢驗(yàn)結(jié)果如圖3所示，從圖3可以看出，由于超聲測(cè)厚法固有的特點(diǎn)，探頭與被測(cè)表面的耦合狀態(tài)不同，或者按壓探頭力量的不同，所以?xún)纱螠y(cè)量的結(jié)果存在輕微變化，但是都在儀器誤差范圍內(nèi)，可以接受。

從兩次測(cè)量結(jié)果可以看出，超聲法厚度測(cè)量結(jié)果非常接近實(shí)際復(fù)合板復(fù)層的厚度，兩次測(cè)量結(jié)果的平均值為3.48 mm，數(shù)值大于驗(yàn)收指標(biāo)3.175 mm,滿(mǎn)足客戶(hù)驗(yàn)收要求。

同時(shí)，超聲測(cè)厚儀具有靈敏、便攜，對(duì)被檢材料不產(chǎn)生破環(huán)和影響，測(cè)厚數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)獲取的特點(diǎn)，非常適合生產(chǎn)過(guò)程中對(duì)材料進(jìn)行厚度控制，以及適合生產(chǎn)、檢驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)使用。

3.2 金相法測(cè)厚

金相法測(cè)厚是目前公認(rèn)的最精確的復(fù)合板復(fù)層厚度測(cè)量方法。其首先對(duì)復(fù)合板試樣切割取樣和制備金相試樣，再在顯微鏡下對(duì)復(fù)合板結(jié)合界面進(jìn)行顯微觀察。由圖3可知，奧氏體不銹鋼復(fù)合板(304L/Gr70)的復(fù)合層界面在爆炸焊接過(guò)程中產(chǎn)生了明顯的塑性變形，所以呈現(xiàn)規(guī)則的正弦波狀的結(jié)合狀態(tài)，這屬于爆炸焊接的固有特性，且波形非常清晰。

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 6396-2008 《復(fù)合鋼板力學(xué)及工藝性能試驗(yàn)方法》中關(guān)于爆炸焊接復(fù)合板復(fù)層厚度的金相測(cè)量方法，由復(fù)合板復(fù)層一側(cè)分別對(duì)波峰、波谷的深度進(jìn)行測(cè)量，得到5組波峰、波谷的深度，結(jié)果如表4所示，并對(duì)5組波峰、波谷的深度求平均值，該平均值即為復(fù)合板的復(fù)層厚度。

由表4可以得出，5組波峰、波谷深度的平均值為3.64 mm，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 6396-2008，該復(fù)合板復(fù)層的金相法測(cè)厚結(jié)果為3.64 mm。

表4 5組波峰、波谷測(cè)量結(jié)果 mm

通過(guò)金相方法觀察得到的復(fù)合板復(fù)層厚度的數(shù)值最接近實(shí)際情況。

3.3 磁性測(cè)厚法

磁性測(cè)厚法是利用磁感應(yīng)原理對(duì)磁性基體上的非磁性涂層進(jìn)行測(cè)厚，設(shè)備主要包括測(cè)厚儀器和探頭。磁感應(yīng)原理是利用探頭經(jīng)過(guò)非鐵磁覆層而流入鐵基材料的磁通大小來(lái)測(cè)定覆層厚度的，覆層越厚，磁通越小，當(dāng)探頭放在被測(cè)物上后，儀器自動(dòng)輸出測(cè)試電流，磁通的大小影響到感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小，儀器將該信號(hào)放大后來(lái)顯示出覆層厚度值。由于磁性測(cè)厚儀具有便攜性以及智能數(shù)顯等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于各行業(yè)的涂層測(cè)厚中。

某單位對(duì)復(fù)層厚度采用了磁性測(cè)厚法進(jìn)行測(cè)厚(使用Mini Tset745涂層測(cè)厚儀)，最終測(cè)得的復(fù)層厚度為2.325 mm，磁性測(cè)厚法測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)如圖4所示，該結(jié)果遠(yuǎn)低于驗(yàn)收要求3.175 mm。

圖4 磁性測(cè)厚法測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)

復(fù)合板復(fù)層材料304L是沒(méi)有鐵磁性的奧氏體不銹鋼，基層材料Gr70為碳鋼，具有很強(qiáng)的鐵磁性。表面上看，這兩種材料組合的復(fù)合板滿(mǎn)足磁性涂層測(cè)厚儀的使用條件，所以該單位采用了磁性測(cè)厚法。但實(shí)際上，奧氏體不銹鋼復(fù)層與碳鋼基層材料進(jìn)行爆炸焊接復(fù)合后，復(fù)合板的復(fù)層材料中產(chǎn)生了鐵素體。而鐵素體是有鐵磁性的組織，會(huì)對(duì)磁性測(cè)厚儀產(chǎn)生干擾。

為了驗(yàn)證該影響因素，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)ASTM E562-2011《用系統(tǒng)人工點(diǎn)計(jì)數(shù)法測(cè)定體積分析的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法》，對(duì)復(fù)合板試樣進(jìn)行了鐵素體含量檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果如表5所示,鐵素體體積分?jǐn)?shù)高的位置距離復(fù)合層界面的距離為2 mm。

分析表5可知，復(fù)合界面靠近復(fù)層一側(cè)含有少量的鐵素體，而鐵素體有一定的磁性，磁性給測(cè)厚結(jié)果帶來(lái)了較大的誤差，使測(cè)量數(shù)值小于實(shí)際厚度。

表5 鐵素體體積分?jǐn)?shù)檢測(cè)結(jié)果 %

4 結(jié)論

(1) 對(duì)爆炸焊接奧氏體不銹鋼復(fù)合板復(fù)層厚度進(jìn)行測(cè)量，適合的方法是超聲測(cè)厚法和金相測(cè)厚法。

(2) 磁性測(cè)厚法不適合用于爆炸焊接奧氏體不銹鋼復(fù)合板復(fù)層厚度的測(cè)量，其測(cè)量結(jié)果存在嚴(yán)重偏差，與實(shí)際厚度完全不符。

(3) 超聲測(cè)厚儀便攜、操作簡(jiǎn)單，超聲測(cè)厚法對(duì)被檢材料不產(chǎn)生影響，非常適合在奧氏體不銹鋼復(fù)合板的生產(chǎn)、檢驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)使用。

(4) 金相測(cè)厚法是復(fù)合板復(fù)層厚度測(cè)量最精確的方法，但該方法需要取樣才能測(cè)量，因此不合適現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)。