鎳箔/Q235鋼爆炸焊接試驗(yàn)研究

謝興華 徐孟犇

(1安徽理工大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院；2安徽理工大學(xué)土木建筑學(xué)院 安徽淮南 232000)

爆炸焊接作為一種特殊的焊接技術(shù)，利用炸藥爆炸產(chǎn)生的巨大能量，驅(qū)動(dòng)復(fù)板與基板發(fā)生高速碰撞，使兩者之間形成冶金結(jié)合。相較于其他焊接技術(shù)，爆炸焊接的顯著特征在于能對(duì)許多物理性能差異巨大的材料達(dá)到優(yōu)良的焊接效果[1]。爆炸焊接生產(chǎn)的金屬?gòu)?fù)合材料不僅可以滿足各種應(yīng)用環(huán)境，而且能夠節(jié)約貴重的金屬材料，降低制造成本，已廣泛應(yīng)用于多個(gè)工業(yè)領(lǐng)域[1-2]。

Q235鋼具有高強(qiáng)度、高硬度和高耐磨性等良好的機(jī)械性能，鎳及其合金因其卓越的耐腐蝕性能、工藝性能和物理性能而備受青睞，此外，它們還擁有獨(dú)特的記憶性和電磁學(xué)等功能類性能。在酸性和堿性環(huán)境下，鎳及鎳合金表現(xiàn)出卓越的耐蝕性，此外，由于其容易進(jìn)行冷加工，因此在板式換熱器、制堿和石油化工等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。在核反應(yīng)堆工程中，換熱器等設(shè)備為避免應(yīng)力腐蝕，國(guó)外通常采用高鎳合金Inconel 600等材料來(lái)代替1Cr18Ni9Ti不銹鋼。由于金屬?gòu)?fù)合材料能夠結(jié)合兩種金屬各自的優(yōu)點(diǎn)，補(bǔ)充缺點(diǎn)，極大的改善了單一的材料性能，鍍鎳鋼在高性能電池罐體、耐腐蝕性化工容器等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。然而，因鎳是重要的有色金屬，其價(jià)格相對(duì)昂貴，在一定程度上限制了其使用。作為一種功能涂層材料，經(jīng)濟(jì)與高效是評(píng)價(jià)其應(yīng)用前景的兩個(gè)重要因素。目前化學(xué)鍍鎳，電鍍鎳[3]等技術(shù)都在嘗試獲得鍍鎳材料。然而，這些制備出來(lái)的涂層存在光亮度差、具有腐蝕點(diǎn)、厚度不均勻等缺點(diǎn)。傳統(tǒng)工藝實(shí)現(xiàn)高熔點(diǎn)和高質(zhì)量金屬涂層仍然是個(gè)具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)，金屬箔的爆炸焊接(explosive welding of metal foils，EWMF)的出現(xiàn)解決了這一問(wèn)題。EWMF可以看做是一種特殊的涂覆過(guò)程，它是在炸藥爆炸后的能量的驅(qū)動(dòng)下，通過(guò)高速平行撞擊，在兩個(gè)金屬表面上的幾個(gè)原子層內(nèi)形成等離子體，使兩側(cè)的金屬表面建立起原子間的結(jié)合力，從而產(chǎn)生涂層。在局部高溫高壓下，由于熔融的瞬時(shí)性，金屬結(jié)合面處產(chǎn)生高溫融化后而又快速冷卻，可以抑制大規(guī)模熔融區(qū)的產(chǎn)生，從而達(dá)到冶金結(jié)合的目的。

1試驗(yàn)材料與方法

1.1試驗(yàn)材料

選用鎳箔作為復(fù)板，Q235鋼為基板，為了避免邊界效應(yīng)的影響，使用的鎳箔的長(zhǎng)和寬都要大于基板，基復(fù)板化學(xué)成分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)和具體焊接參數(shù)如表1和表2所示。

表1 鎳箔和Q235鋼化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)%)

表2 鎳箔和Q235具體焊接參數(shù)

表3 基板和復(fù)板材料參數(shù)

為了保證炸藥密度的均勻性以及提高炸藥的利用率[4]，采用厚度為12 mm的鋁制蜂窩板作為炸藥藥框，將其放置到焊接組件頂端，起爆方式為采用短邊中心方式起爆。在爆炸焊接過(guò)程中，由于金屬箔片的易碎性，在爆炸焊接過(guò)程中，高速碰撞容易在金屬箔中產(chǎn)生起皺、裂紋和空洞等不良缺陷。為了保護(hù)鎳箔避免燒蝕以及降低沖擊載荷破壞，在鎳箔上表面放置一個(gè)由1 mm厚的鋁板和3 mm厚的PVC板作為緩沖結(jié)構(gòu)。

1.2試驗(yàn)方法

爆炸焊接試驗(yàn)過(guò)程采用平行放置法，選用低爆速乳化炸藥進(jìn)行爆炸焊接，基復(fù)板間隙為3 mm。進(jìn)行焊接試驗(yàn)前，用砂紙將基復(fù)板內(nèi)表面打磨干凈，倒上無(wú)水乙醇進(jìn)行清洗，并將爆炸焊接組件放置在在球形罐的臺(tái)面上。爆炸焊接結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 爆炸焊接結(jié)構(gòu)圖

圖2 拉伸試樣示意圖

爆炸焊接結(jié)束后，將爆炸焊接后的Ni/Q235復(fù)合材料用線切割機(jī)沿著爆轟波傳播的方向切割金相樣品。打磨拋光后，采用掃描電鏡SEM(Talos F200i)觀察結(jié)合界面的波形形貌；利用能譜分析EDS得到結(jié)合界面處的元素分布及組成；采用電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)(GNT600)表征力學(xué)性能。

2爆炸焊接窗口

為了確保焊接質(zhì)量的優(yōu)良，必須精選適宜的焊接工藝參數(shù)。爆炸焊接的主要參數(shù)包括碰撞速度、動(dòng)態(tài)碰撞角以及碰撞點(diǎn)移動(dòng)速度，這三者中任意兩個(gè)便可組成爆炸焊接窗口?？珊感写翱谌鐖D3可示。

(1)

圖3 可焊性窗口

式(1)中：vp為碰撞速度(m/s)；β為碰撞角(°)；vc為碰撞點(diǎn)移動(dòng)速度。

2.1流動(dòng)限的計(jì)算

爆炸焊接窗口的左邊限是保證金屬射流產(chǎn)生的最小焊接速度vc，σmin，其公式為：

(2)

式(2)中，Rm max為鎳箔與Q235鋼中最大的抗拉強(qiáng)度，Pa，取405×106；ρmin為鎳箔與Q235鋼中的最小密度，kg/m3，取7850。由式(1)計(jì)算得vc，σmin=1015.80 m/s。

2.2聲速限的計(jì)算

爆炸焊接窗口的右邊限產(chǎn)生金屬射流的極限碰撞點(diǎn)移動(dòng)速度：

vc，max=min(c1，c2)(3)

式(3)中：c1，c2分別為鎳箔和Q235鋼的材料聲速，利用式(3)計(jì)算可得vc，σmax=5630 m/s。

2.3碰撞速度下限的計(jì)算

當(dāng)基復(fù)板為同種焊接金屬時(shí)，復(fù)板最小碰撞速度公式為：

(4)

式(4)中：Rm為金屬的抗拉強(qiáng)度，Pa；ρ為金屬的密度，kg/m3。

當(dāng)基復(fù)板為異種焊接金屬時(shí)，復(fù)板最小碰撞速度為：

(5)

pmin=max(0.5ρ1vp，min1c1，0.5ρ2vp，min2c2)

(6)

式(5)～(6)中：ρ1和ρ2分別為鎳箔與Q235鋼的密度，kg/m3；vp，min1和vp，min2分別為鎳箔與Q235鋼的碰撞速度下限，m/s；pmin為兩者間最小碰撞壓力，Pa。聯(lián)立(5)、(6)算得vp，min=220.32m/s。

2.4碰撞速度上限的計(jì)算

復(fù)板碰撞速度上限為：

(7)

式(7)中，N為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，取0.1；Tm為復(fù)板鎳箔的熔點(diǎn)，℃；λ為復(fù)板鎳箔的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·℃)；CP為復(fù)板鎳箔的熱容，J/(kg·℃)；h為復(fù)板鎳箔的厚度，m。

利用式(7)計(jì)算可得vp，max=1046.28 m/s。當(dāng)碰撞速度小于1046.28 m/s，高于220.32 m/s時(shí)，焊接才會(huì)成功。

3試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1界面波形特征分析

采用上文的試驗(yàn)參數(shù)制備Ni/Q235復(fù)合板，用掃描電鏡觀察焊接界面處顯微組織。

如圖4所示，Ni/Q235結(jié)合界面呈現(xiàn)規(guī)則波狀形貌，結(jié)合界面處未發(fā)現(xiàn)孔洞、裂紋等缺陷，表明Ni/Q235復(fù)合板有著良好的焊接質(zhì)量。

圖4 Ni/Q235焊接復(fù)合板結(jié)合界面波形形貌

如圖5所示，Ni/Q235結(jié)合界面呈現(xiàn)出帶有旋渦的波形結(jié)構(gòu)，旋渦結(jié)構(gòu)中包裹著熔化塊，該結(jié)構(gòu)的形成可能是由于結(jié)合界面產(chǎn)生的高溫以及塑性變形共同導(dǎo)致的。熔化塊中常存在著氣孔和裂紋，但它使結(jié)合界面避免形成連續(xù)的熔化層，并且這種不連續(xù)的熔化層更有利于提高爆炸焊接復(fù)合板的結(jié)合強(qiáng)度。

圖5 線掃描路徑及波峰處的熔化區(qū)

在Ni/Q235界面，復(fù)合板的元素組成發(fā)生了從Fe到Ni的突變，導(dǎo)致界面原子擴(kuò)散過(guò)程中極易形成脆性金屬間化合物。由于鎳基高溫合金中存在大量位錯(cuò)等缺陷以及界面附近有較高溫度和較大應(yīng)變速率，導(dǎo)致界面區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)應(yīng)力集中而形成裂紋源。因此，除了對(duì)Ni/Q235鋼過(guò)渡界面的微觀形貌進(jìn)行分析外，其是否產(chǎn)生脆性金屬間化合物，也是評(píng)估界面結(jié)合質(zhì)量的關(guān)鍵所在。經(jīng)過(guò)EDS線掃描分析(見(jiàn)圖6)，發(fā)現(xiàn)Ni/Q235結(jié)合界面處出現(xiàn)了擴(kuò)散現(xiàn)象，根據(jù)圖6所示豎直細(xì)線的劃分范圍，可以推斷出擴(kuò)散層的厚度約為10μm。通過(guò)掃描電鏡觀察可知，未發(fā)現(xiàn)任何明顯的階梯狀結(jié)構(gòu)，因此金屬間化合物的擴(kuò)散并未形成這種堅(jiān)硬而脆弱的金屬間化合物。

圖6 Ni/Q235界面處線掃描結(jié)果

3.2力學(xué)性能分析

為驗(yàn)證復(fù)合板的焊接質(zhì)量是否提高，使用萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)測(cè)試?yán)鞆?qiáng)度。拉伸曲線如圖7所示。拉伸試驗(yàn)參照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T228-200《金屬材料室溫拉伸試驗(yàn)方法》，基板Q235鋼和復(fù)板鎳箔的抗拉強(qiáng)度分別為405 MPa和380 MPa。Ni/Q235鋼復(fù)合板的抗拉強(qiáng)度約為623 MPa，高于式(8)的理論值，滿足產(chǎn)品使用要求。

(8)

圖7 Ni/Q235鋼拉伸曲線

式中：Rm為復(fù)合板的抗拉強(qiáng)度，MPa；R1，R2分別為復(fù)板、基板的抗拉強(qiáng)度，MPa；d1和d2分別為復(fù)板、基板的厚度。將數(shù)值帶入式(8)，得到Ni/Q235復(fù)合板的抗拉強(qiáng)度理論值為397.5 MPa。

圖8為Ni/Q235試件拉伸破壞后實(shí)物圖。在試樣經(jīng)過(guò)抗拉測(cè)試后，Ni/Q235復(fù)合板結(jié)合界面未發(fā)生分離，這表明界面結(jié)合質(zhì)量良好。經(jīng)過(guò)拉伸測(cè)試后，利用SEM觀察復(fù)合板界面的斷口形貌，如圖9所示。

圖8 拉伸后試件

(a)Ni/Q235拉伸斷口

拉伸斷口呈明顯的塑性變形，鎳側(cè)和鋼側(cè)斷口表面均觀察到表明韌性斷裂特征的的韌窩，這也是試樣拉伸強(qiáng)度較高的原因。從圖9可以看出，結(jié)合界面處附近的鎳側(cè)斷口出現(xiàn)出現(xiàn)河流狀的解理斷裂特征，該特征的出現(xiàn)是由于結(jié)合界面處形成了局部熔化區(qū)以及爆炸沖擊導(dǎo)致的加工硬化。

4結(jié)論

(1)利用爆炸焊接技術(shù)得到的Ni/Q235復(fù)合板，結(jié)合界面呈規(guī)則的波形，具有不連續(xù)的熔化層，并且未觀測(cè)到裂紋，孔洞等缺陷。

(2)SEM和EDS試驗(yàn)結(jié)果表明：復(fù)合板結(jié)合界面形成了明顯的波形界面，且連接界面發(fā)生了一定的擴(kuò)散，擴(kuò)散層厚度大約為10 μm。

(3)Ni/Q235復(fù)合板的結(jié)合界面在拉伸試驗(yàn)后沒(méi)有發(fā)生分離，復(fù)合板的抗拉強(qiáng)度相對(duì)于復(fù)合前的Q235鋼板增加，復(fù)合板抗拉強(qiáng)度為623 MPa。拉伸斷裂后，界面附近呈現(xiàn)韌性斷裂。