核電設(shè)備用SA533GrBCL2-304L金屬復(fù)合板爆炸焊接工藝試驗研究

(舞鋼神州重工金屬復(fù)合材料有限公司，河南舞鋼 462500)

0 引言

隨著我國核電工業(yè)的迅猛發(fā)展，核電站中用于制造設(shè)備蒸汽發(fā)生器、穩(wěn)壓器筒體、高壓封頭以及安注箱等關(guān)鍵設(shè)備的金屬復(fù)合板需求量劇增。但是，目前國內(nèi)用于核電設(shè)備安注箱的金屬復(fù)合板幾乎都從國外進口，不但價格昂貴，而且生產(chǎn)周期長。因此，近年來我國科技人員加大了針對核電設(shè)備用金屬復(fù)合板基層板的開發(fā)研究，以適應(yīng)不斷增長的核電設(shè)備用金屬復(fù)合板市場需求。文獻[1]中介紹了研發(fā)的核電工程用大厚度鋼板(相當于SA533GrBCL2)及生產(chǎn)方法，鋼板的厚度為155 mm，生產(chǎn)方法新穎獨特，鋼板強度適中，低溫沖擊韌性和高溫拉伸性能良好，抗層狀撕裂性能、冷加工及焊接性能均良好，完全滿足核電關(guān)鍵設(shè)備的技術(shù)要求，可應(yīng)用于核電站蒸發(fā)器、高壓封頭及壓力容器等關(guān)鍵設(shè)備的制造；文獻[2]論述了研發(fā)的調(diào)質(zhì)型安注箱用復(fù)合板基板SA533BC1.1具有性能一致性好、厚度方向性能差異小的特點，其中鋼板頭部和尾部、表層和心部強度波動均在25 MPa以內(nèi)，沖擊吸收能量在200 J以上，各項性能指標完全滿足安注箱復(fù)合板基板設(shè)計要求；文獻[3]對復(fù)合鋼板在AP1000安注箱制造中的熱壓成型以及熱壓成型后材料力學性能的恢復(fù)工藝進行了論證試驗，分別得出了復(fù)合板熱壓成型溫度選擇不當或恢復(fù)性能熱處理溫度不合理，將會造成復(fù)合板復(fù)層耐蝕性能下降、復(fù)合板力學性能不符合設(shè)計要求的結(jié)論。到目前為止，還未見到國內(nèi)關(guān)于爆炸焊接SA533GrBCL2-304L金屬復(fù)合板的研發(fā)成果應(yīng)用于生產(chǎn)的實例報道，雖然文獻[4]從理論上論述了爆炸復(fù)合在安注箱制造中的應(yīng)用，并給出了爆炸焊接復(fù)合板優(yōu)于軋制復(fù)合板的結(jié)論，但并未給出具體的爆炸焊接復(fù)合板研發(fā)成果，文獻[5]公開的成果只是處于研發(fā)的初試階段，還在不斷地對試驗進行優(yōu)化與改進，采用的傾斜爆炸焊接工藝還不能用于生產(chǎn)實踐中。因此，在我國核電進入新發(fā)展時期的大環(huán)境下，開發(fā)高性能的核電設(shè)備用爆炸焊接金屬復(fù)合板，搶占核電設(shè)備用金屬復(fù)合板的原材料市場、打破國外市場壟斷，具有一定的社會意義和經(jīng)濟效益。

1 試驗材料

為更好地契合核電設(shè)備用SA533GrBCL2-304L金屬復(fù)合板，應(yīng)在材料規(guī)格尺寸選用上最大限度地貼近實際需求。選用基層鋼板SA533GrBCL2，規(guī)格為53 mm×2 000 mm×10 000 mm，復(fù)層板選用304L，拼接后的尺寸為4 mm×2 050 mm×10 040 mm。基層鋼板SA533GrBCL2和復(fù)層304L不銹鋼板的理化性能分別見表1～4。

表1 SA533GrBCL2鋼板的化學成分 %

表2 SA533GrBCL2鋼板的力學性能

表3 304L鋼板的化學成分 %

表4 304L鋼板的力學性能

2 試驗工藝

2.1 爆炸焊接

為了得到結(jié)合界面質(zhì)量良好的爆炸焊接金屬復(fù)合材料，必須求得符合技術(shù)要求的爆炸焊接工藝參數(shù)。文獻[6]總結(jié)了前人的研究成果，提出了工藝參數(shù)中的爆炸焊接速度Vc必須小于基復(fù)材的聲速；動態(tài)彎折角β應(yīng)在5°～25°范圍內(nèi)；必須得到最小的復(fù)板下落速度Vp值，以完成合格的爆炸焊接等觀點。文獻[7]從爆炸焊接裝藥工藝研究入手，提出了影響爆炸焊接質(zhì)量的動態(tài)參數(shù)，其主要包括復(fù)板碰撞基板的速度、碰撞點移動速度和動態(tài)彎折角，這三個動態(tài)參數(shù)構(gòu)成了爆炸焊接的可焊窗口，且這些參數(shù)又是由裝藥厚度、炸藥爆速和基復(fù)板間距決定的。因此，確定裝藥厚度、優(yōu)化炸藥爆速、制定合理間距成為確保爆炸焊接動態(tài)技術(shù)參數(shù)正確的關(guān)鍵步驟。

實際爆炸焊接工藝中，通常采用如圖1所示的平行安裝法，這樣爆炸焊接過程中的復(fù)板碰撞基板的移動速度Vc可以簡化為炸藥的爆速Vd。根據(jù)圖1，爆炸焊接工藝參數(shù)Vc,Vd,β的關(guān)系可以簡化如圖2所示。因此，可得到復(fù)板下落速度與炸藥爆速以及動態(tài)彎折角之間的關(guān)系式[8]：

Vp=2Vdsin(β/2)

(1)

式中Vp——復(fù)板碰撞基板的下落速度，m/s；

Vd——炸藥爆速，m/s；

β——復(fù)板動態(tài)彎折角，(°)，β一般為5°～25°。

圖1 平行安裝法示意

圖2 平行安裝法參數(shù)關(guān)系

采用粉狀乳化炸藥，添加定量的顆粒狀碳酸鈣混配后，使用BSD-3型單段爆速儀測試炸藥爆速。炸藥自然堆積密度ρ0=0.55 g/cm2、 裝藥厚度δ0=38 mm時的爆速(平均值)為2 250 m/s。

文獻[9] 采用可壓縮流體動力學中的二維超聲速定常流解法，并對復(fù)層板的飛行姿態(tài)特征進行計算機模擬，整理的經(jīng)驗公式如下：

(2)

式中θ——復(fù)板的拋擲角，弧度，平行安裝條件下，θ等于復(fù)板的碰撞角β；

h0——基復(fù)板間距，mm。

試驗選用的不銹鋼復(fù)板為304L，密度ρf=7.9 g/cm3、厚度δf=4 mm，以此可計算出爆炸焊接的參數(shù)值，如裝藥質(zhì)量比R、炸藥多方指數(shù)K、復(fù)板下落速度VP、動態(tài)彎折角β等。

根據(jù)預(yù)定的復(fù)板和炸藥參數(shù)，計算出裝藥質(zhì)量比R和炸藥多方指數(shù)K。

將計算得到的質(zhì)量比R和炸藥多方指數(shù)K值代入式(2)中，可以計算出不同間距h0下的動態(tài)彎折角β，再根據(jù)式(1)計算出復(fù)板碰撞基板的速度Vp，由此可以得出復(fù)板的動態(tài)爆炸焊接參數(shù)值,見表5。

表5 爆炸焊接復(fù)板動態(tài)參數(shù)

根據(jù)表5所列計算結(jié)果，結(jié)合實際試驗生產(chǎn)情況，本次試驗爆炸焊接靜態(tài)技術(shù)參數(shù)決定采用：炸藥爆速Vd=2 250 m/s，裝藥厚度δ0=38 mm，間隙高度h0=10 mm。在此裝藥參數(shù)下，復(fù)板動態(tài)彎折角為12.08°，復(fù)板碰撞基板的速度為473 m/s，所選參數(shù)符合理論依據(jù)。

采用以上參數(shù)爆炸焊接的SA533GrBCL2-304L金屬復(fù)合板如圖3,4所示。經(jīng)UT檢測，除中心起爆點位置有約?25 mm未復(fù)合缺陷外，其余部分全部實現(xiàn)復(fù)合。

圖3 裝藥后的SA533GrBCL2-304L金屬復(fù)合板

圖4 爆炸焊接后的SA533GrBCL2-304L金屬復(fù)合板

2.2 熱處理

爆炸焊接復(fù)合材料的熱處理與采用其他工藝生產(chǎn)的金屬材料的熱處理相比有許多相似之處，都是將其以一定的速度加熱到預(yù)定的溫度，再在此溫度下保持一定的時間，然后以一定的速度冷卻，冷卻過程或在空氣中進行、或在介質(zhì)(水、油)中進行[10-12]。但是，由于爆炸焊接金屬復(fù)合板是由兩種不同性能的金屬組合而成，因而其熱處理工藝自有其獨到之處，所以進行金屬復(fù)合板的熱處理時，必須考慮兩種組合金屬各自的理化參數(shù)性能、在熱處理工藝溫度下可能形成的化學反應(yīng)以及反應(yīng)生成物質(zhì)的特性，從而預(yù)測和制定出合理的熱處理工藝參數(shù)。

本文試驗采用的基復(fù)板材料分別為SA533GrBCL2和304L，基板SA533GrBCL2的供貨狀態(tài)為淬火900～920 ℃水冷，回火溫度650～680 ℃空冷；不銹鋼304L為1 040～1 080 ℃水冷。結(jié)合兩種組合材料的熱處理狀態(tài)，決定對爆炸焊接后的SA533GrBCL2-304L金屬復(fù)合板分別采用兩種不同的熱處理工藝，以選取最佳的熱處理參數(shù)。

(1)首先采用正火工藝，然后采用低溫回火工藝。采用的熱處理工藝參數(shù)為：正火溫度920±10 ℃，升溫速度≤200 ℃/h，保溫時間按復(fù)合板每毫米板厚1.5 min計算，達到保溫時間后出爐風冷；采用低回火溫度的目的是降低回火溫度對復(fù)層304L不銹鋼板的耐蝕性能影響，具體的回火溫度650±10 ℃，升溫速度≤120 ℃/h，保溫時間按復(fù)合板每毫米板厚2.5 min計算，達到保溫時間后出爐空冷。正火和回火熱處理曲線分別見圖5，6。

圖5 正火熱處理曲線

(2)其次，在不改變基板原始供貨狀態(tài)的情況下制定熱處理工藝，也即在基板回火溫度以下30～50 ℃進行熱處理。采用的熱處理工藝為：去應(yīng)力熱處理溫度為620±10 ℃，升溫速度≤120 ℃/h，保溫時間按復(fù)合板每毫米板厚2.8 min計算，達到保溫時間后出爐風冷至400 ℃后空冷，風冷的目的是為了加速冷卻，以盡可能快的速度將復(fù)合板的溫度降至450 ℃以下，以避免復(fù)層304L不銹鋼過多地停留在敏化區(qū)溫度范圍內(nèi)(450～850 ℃)。制定的去應(yīng)力退火熱處理曲線如圖7所示。

圖6 回火熱處理曲線

圖7 去應(yīng)力退火熱處理曲線

3 試驗結(jié)果與分析

(1)如前所述，在炸藥爆速Vd=2 250 m/s、裝藥厚度δ0=38 mm的裝藥條件下，利用式(2)計算出間隙高度h0分別為4，6，8，10，12，14 mm情況下的復(fù)層板動態(tài)參數(shù)，經(jīng)試驗得知，在間隙h0分別為6，8，10，12 mm，β分別為10.84°，11.54°,12.08°，12.51°時，都能得到良好的爆炸焊接質(zhì)量。考慮到實際生產(chǎn)中復(fù)層板幅大小，以及復(fù)層板不平度造成的誤差，在間隙h0=10 mm，β=12.08°時，可以確保得到性能更好的焊接質(zhì)量，因此，不論是從理論上分析或是從生產(chǎn)實踐上驗證，選用間隙高度h0=10 mm，β=12.08°是正確的，也是可行的。

(2)制定第一種熱處理工藝時，主要考慮的是恢復(fù)基板的原始供貨狀態(tài)，其中回火溫度低于基板原始回火溫度30～50 ℃，這是為了避免由于高溫回火而引起的復(fù)層奧氏體不銹鋼晶間腐蝕缺陷的發(fā)生。

對經(jīng)過正火+回火熱處理后的SA533GrBCL2-304L金屬復(fù)合板分別取樣進行復(fù)層晶間腐蝕(E法)和力學性能試驗。試驗結(jié)果表明，復(fù)層304L不銹鋼板耐蝕性能合格，力學性能滿足NB/T 47002.1—2009《壓力容器用爆炸焊接復(fù)合板》的各項指標要求，其中復(fù)合板的剪切強度達到了310 MPa，超出了標準要求的210 MPa。表6,7分別列出了經(jīng)正火+回火處理的SA533GrBCL2-304L金屬復(fù)合板和復(fù)層304L不銹鋼板力學性能的檢測結(jié)果。

表6 SA533GrBCL2-304L金屬復(fù)合板力學性能檢測結(jié)果 (正火+回火)

表7 復(fù)層304L不銹鋼板力學性能檢測結(jié)果(正火+回火)

(3)制定爆炸焊接后的SA533GrBCL2-304L復(fù)合板去應(yīng)力退火熱處理工藝時，為保證復(fù)層304L不銹鋼板的耐蝕性能，采用出爐風冷的工藝，這樣可以盡量避開奧氏體不銹鋼在敏化溫度區(qū)間內(nèi)(450～870 ℃)的停留時間，風冷至450 ℃以下時自然空冷。經(jīng)過這樣消應(yīng)力熱處理后的SA533GrBCL2-304L復(fù)合板，不但消除了由于爆炸焊接過程引起的內(nèi)部應(yīng)力，而且其力學性能和耐腐蝕性能也得到了充分保證。

對經(jīng)過去應(yīng)力熱處理后的SA533GrBCL2-304L金屬復(fù)合板分別取樣做復(fù)層晶間腐蝕(E法)和力學性能試驗，試驗結(jié)果表明，復(fù)層304L不銹鋼板耐蝕性能合格，力學性能滿足標準NB/T 47002.1—2009的各項指標要求，其中復(fù)合板的剪切強度達到350 MPa,遠遠超出標準要求的210 MPa。表8，9分別列出SA533GrBCL2-304L金屬復(fù)合板和復(fù)層304L不銹鋼板的力學性能檢測結(jié)果，圖8～10為取自復(fù)合板端部的晶間腐蝕和力學性能檢測代表試樣。

表8 SA533GrBCL2-304L金屬復(fù)合板力學性能檢測結(jié)果 (去應(yīng)力退火)

表9 復(fù)層304L不銹鋼板力學性能檢測結(jié)果(去應(yīng)力退火)

圖8 晶間腐蝕(E法)檢測試樣

圖9 復(fù)合板力學性能檢測試樣

根據(jù)以上復(fù)合板的力學性能和敏化試驗結(jié)果分析可知，經(jīng)過兩種熱處理工藝生產(chǎn)的SA533GrBCL2-304L金屬復(fù)合板，其力學性能指標符合標準規(guī)定，可以說文中所制定的爆炸焊接SA533GrBCL2-304L金屬復(fù)合板工藝和兩種熱處理工藝是可行的。特別是制定的去應(yīng)力熱處理工藝，是在兩種組合材料A1線以下進行的，也即是在沒有改變兩種組合材料供貨狀態(tài)的情況下消除的爆炸焊接應(yīng)力。這樣做不但保證了兩種組合材料的原始性能，消除了爆炸焊接應(yīng)力;而且由于采用了出爐風冷降溫的有效措施，使得復(fù)層304L不銹鋼得以快速通過敏化區(qū)，保證了復(fù)層304L不銹鋼的耐蝕性能。

圖10 復(fù)層板304L力學性能檢測試樣

盡管從復(fù)合板的性能檢測試驗結(jié)果看，經(jīng)過兩種熱處理工藝后，復(fù)層304L不銹鋼板的抗拉強度和屈服強度均有所升高，伸長率降低且低于不銹鋼標準規(guī)定值，但由于NB/T 47002.1—2009和ASME-SA264等中外標準中都沒有單獨規(guī)定復(fù)合板復(fù)層材料的力學性能指標，所以本文未予考慮復(fù)層板力學性能(如伸長率不達標)對復(fù)合板整體性能的影響程度。關(guān)于爆炸焊接過程和熱處理工藝參數(shù)對復(fù)合板復(fù)層金屬性能的影響，以及復(fù)層金屬力學性能指標對復(fù)合板使用性能的影響，可以作為一個單獨研究項目進行試驗論證，本文不作深入論述。

因此僅從滿足NB/T 47002.1—2009和ASME-SA264標準技術(shù)參數(shù)規(guī)定考慮，本文制定的熱處理工藝參數(shù)是可行的，完全可以用于批量生產(chǎn)核電設(shè)備用SA533GrBCL2-304L金屬復(fù)合板。

4 結(jié)論

(1)采用經(jīng)驗公式計算出一組爆炸焊接技術(shù)數(shù)據(jù)，通過優(yōu)選確定的技術(shù)參數(shù)對爆炸焊接SA533GrBCL2-304L金屬復(fù)合板是適用的，使用優(yōu)選參數(shù)爆炸焊接的SA533GrBCL2-304L金屬復(fù)合板完全可以滿足核電設(shè)備對材料的特殊技術(shù)要求。

(2)采用的兩種熱處理工藝，僅從恢復(fù)原材料力學性能、滿足有關(guān)標準規(guī)定方面看，正火+回火工藝略優(yōu)于去應(yīng)力熱處理工藝，兩種工藝參數(shù)均可用于實際生產(chǎn)中。

(3)文中試驗采用的爆炸焊接和熱處理生產(chǎn)工藝，也可推廣應(yīng)用到其他核電設(shè)備用金屬復(fù)合板(如SA738GrB等)的生產(chǎn)工藝中。