裝甲鋼焊縫區(qū)抗彈防護性能初步探討

華紹春，丁華，王鵬，張玉紅，劉正濤，陳大軍

（1.火箭軍裝備部駐重慶地區(qū)軍事代表室，重慶 400039；2.西南技術(shù)工程研究所，重慶 400039）

裝甲車輛是在戰(zhàn)場為步兵提供偵查、通信指揮等設備，以及人員運輸、火力支援的機動平臺，需具備優(yōu)良的越野機動、防護和火力打擊能力。為滿足現(xiàn)代裝甲車輛較高的抗彈防護性能要求，當前國內(nèi)外裝甲車輛防護材料主要有金屬裝甲（包括裝甲鋼、鋁合金、鈦合金等）、防彈玻璃、陶瓷、芳綸纖維、PE 纖維等[1]。其中，裝甲鋼板因硬度高、塑性好，性能均衡，抗侵徹能力、抗沖擊和抗崩落效果好，在現(xiàn)代裝甲車輛中運用廣泛[2]。裝甲鋼結(jié)構(gòu)通常采用鑄造、焊接、鉚接等方式成型，其中，焊接具有工藝簡單、效率高、成本低等優(yōu)勢，目前國內(nèi)外金屬裝甲車輛車體大多采用焊接結(jié)構(gòu)[3]，但裝甲鋼結(jié)構(gòu)焊接過程中熱量輸入造成連接部位組織狀態(tài)發(fā)生變化，焊縫區(qū)殘余應力大，強度、硬度等力學性能相較于母材有一定程度降低，對裝甲車輛整體抗彈防護性能有不利影響[3]。李曉源等[4]采用12.7 mm 穿甲燃燒彈對厚度為18 mm 不同抗拉強度的40CrNi2Mo 鋼板進行抗彈性能測試，結(jié)果表明，隨抗拉強度增大，抗彈性能總體呈增大趨勢。時捷等[5]采用53 式7.62 mm WO-109C 穿甲燃燒彈射擊10 mm厚不同硬度的Cr-Ni-Mo 裝甲鋼板，結(jié)果表明，隨鋼板硬度增大，彈丸開坑擴孔消耗的能量增大，彈丸消耗的塑性擴孔功提高，鋼板抗彈性能獲得相應提升，但硬度過高可能引發(fā)沖塞破壞、鋼板崩落式破壞等，從而導致抗彈性能下降。此外，有研究表明，鋼板硬度對抗彈性能的影響最為顯著，主要體現(xiàn)在彈丸侵徹方式和彈丸完整性的影響[6]。

以上研究表明，裝甲鋼焊縫區(qū)因力學性能劣化成為裝甲車輛抗彈防護的薄弱點。文中以6252 裝甲鋼為研究對象，初步探索了裝甲鋼焊縫區(qū)的抗彈防護性能，并從焊接工藝控制、結(jié)構(gòu)優(yōu)化和加裝防護組件等方面進行了裝甲車輛抗彈防護能力提升對策研究，為全方位提升裝甲車輛抗彈防護能力提供理論支撐。

1 試驗

試驗材料選用厚度為4.5 mm 的淬火6252 裝甲鋼（牌號為30MnMoTiB），化學成分見表1。

表 1 6252 裝甲鋼化學成分Tab.1 Chemical composition of 6252 armor steel

采用熔化混合氣體保護焊（MAG）對6252 裝甲鋼結(jié)構(gòu)進行焊接，焊接結(jié)構(gòu)見圖1。保護氣體為Ar（質(zhì)量分數(shù)為0.5%～2.0%）和O2，焊絲采用ER100S-G，直徑為1 mm；焊接電流控制在150～200 A，氣體流量為15～20 L/min。

圖1 裝甲鋼焊接結(jié)構(gòu)形式Fig.1 Form of armor steel welding structure

焊后采用線切割取下裝甲鋼焊接接頭金相試樣，依次進行砂紙粗磨、精磨和機械拋光，隨后經(jīng)體積分數(shù)為 5%的硝酸酒精腐蝕后，在光學顯微鏡下觀察微觀組織狀態(tài)；采用顯微硬度計檢測焊接區(qū)域顯微硬度分布，試驗力為0.980 7 N；利用水刀切割的方式從上述裝甲鋼板焊縫區(qū)位置剖取尺寸為400 mm×400 mm的靶板，采用85 式狙擊槍發(fā)射53 式7.62 mm 普通鋼芯彈對靶板焊縫部位進行射擊試驗。裝甲鋼損傷級別參照GJB 59.18—18《裝甲車輛試驗規(guī)程 裝甲板抗彈性能試驗》執(zhí)行，如果彈速大于規(guī)定速度（820～835 m/s），且未發(fā)生擊穿視為有效；如果發(fā)生擊穿視為無效；如果彈速低于規(guī)定速度，發(fā)生擊穿視為有效，未發(fā)生擊穿視為無效。靶試后對彈坑宏觀形貌進行觀察分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 微觀組織

裝甲鋼焊接接頭微觀組織見圖2，接頭區(qū)域由熔合區(qū)、熱影響區(qū)、母材區(qū)組成。熔合區(qū)為鐵素體、珠光體和板條馬氏體的混合組織，該組織具有較好的韌塑性，但強度、硬度較低（圖2a）；熱影響區(qū)為板條狀馬氏體組織，該組織是焊后快速冷卻形成的過飽和固溶體，其硬度高，但脆性大（圖2b）；母材區(qū)為細小回火馬氏體組織，具有較好的強韌性（圖2c）。以上結(jié)果表明，裝甲鋼焊接接頭受焊接熱輸入和冷卻條件的影響，與母材相比，焊縫區(qū)組織存在一定程度的弱化。

圖2 裝甲鋼焊接接頭微觀組織Fig.2 Microstructure of armor steel welded joint

2.2 顯微硬度

已有研究表明，硬度對材料抗彈性能有最為顯著的影響。對裝甲鋼焊接區(qū)域開展了顯微硬度檢測，以焊縫中心作為0 點，向一側(cè)進行連續(xù)顯微硬度檢測，硬度測試點位置見圖3。3 件裝甲鋼板接頭顯微硬度分布曲線見圖4。測試結(jié)果表明，距離焊縫中心越遠，硬度值越大；在距離焊縫中心約10.5 mm 時，硬度值急劇上升，此處應當為熔合區(qū)與熱影響區(qū)的交界點，可判斷出熔合區(qū)寬度約為21 mm，顯微硬度值低于312HV；當距離焊縫中心約23 mm 后，硬度值趨于穩(wěn)定，此處應當為熱影響區(qū)與母材區(qū)的交界點，可判斷出單側(cè)熱影響區(qū)寬度約為12.5 mm，顯微硬度值為312HV～518HV。由此可知，整個裝甲鋼板接頭焊縫區(qū)寬度約為46 mm，焊縫區(qū)硬度較母材區(qū)硬度降低40%以上。

圖3 硬度測試點位置Fig.3 Location of hardness test point

圖4 裝甲鋼板接頭一側(cè)顯微硬度分布曲線Fig.4 Microhardness distribution curve of armor steel joint side

2.3 抗彈性能

為驗證焊接對裝甲鋼抗彈防護性能的影響，分別對焊縫區(qū)（焊縫兩側(cè)）和非焊縫區(qū)進行了實彈測試。從圖5 可以看出，焊縫區(qū)著彈后子彈完全穿透靶板，正面沖孔四周出現(xiàn)塑性流動特征且輪廓規(guī)則，而著彈點附近靶板整體無明顯變形，彈丸侵徹方式為沖塞破壞[7]。圖6 為非焊縫區(qū)實彈測試情況，著彈點未穿透，正面彈坑呈圓錐形凹陷，靶板背面出現(xiàn)錐形凸起，彈丸侵徹方式為塑性變形擴孔破壞[8]。以上結(jié)果表明，與非焊縫區(qū)母材相比，靶板焊縫區(qū)抗彈防護性能顯著減弱。

圖5 焊縫區(qū)著彈點Fig.5 Impact point in weld zone

圖6 非焊縫區(qū)著彈點Fig.6 Impact point in non-weld zone

3 抗彈能力提升對策討論

裝甲鋼焊接結(jié)構(gòu)受熱量輸入影響，焊縫區(qū)組織性能發(fā)生劣化，該區(qū)域成為裝甲車輛抗彈防護的薄弱點，提升接頭性能或?qū)缚p區(qū)進行特殊保護是全面提高裝甲車輛抗彈防護能力的主要途徑[9]。從焊接工藝控制、結(jié)構(gòu)優(yōu)化、加裝防護組件等3 個方面討論提升裝甲車輛焊縫區(qū)防護性能的有效對策。

3.1 焊接工藝控制

在焊接熱作用下，裝甲鋼板連接部位發(fā)生了熔化、凝固等冶金過程，接頭處不可避免地存在晶粒粗大、孔隙、夾雜、殘余應力等冶金缺陷，導致其力學性能顯著降低。通過有效的工藝措施可以一定程度上緩解焊縫區(qū)性能劣化，如：在滿足焊縫質(zhì)量前提下，通過減小焊絲直徑和焊接電流等方法減少焊接熱輸入，可以縮小焊接熱影響范圍；其次，焊接時保持移動速度勻速，使整條焊縫受熱均勻一致，減小應力集中[10]。

3.2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

通過對裝甲車輛外形結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設計，可以減小子彈對焊縫區(qū)等薄弱點的損壞[11]?？刹扇〉母倪M方法如下。

1）甲板傾角設計，增加跳彈功能，當子彈以一定傾斜角度入射時，子彈很容易被反彈，彈著角越小，運動速度越大，裝甲板表面越光滑、堅硬，則越容易產(chǎn)生跳彈。

2）焊接結(jié)構(gòu)優(yōu)化布置，焊縫區(qū)盡量避開子彈正面入射方向，減小中彈概率。

3）將部分非必須焊接結(jié)構(gòu)改為螺栓連接，減少焊縫數(shù)量。

4）優(yōu)化焊接結(jié)構(gòu)，將必須焊接的支架設計為螺座形式，減少焊縫長度。

3.3 加裝防護組件

目前金屬裝甲車輛在工藝上、結(jié)構(gòu)上均不能完全避免焊接，焊縫區(qū)始終存在，對焊縫區(qū)進行附加保護是一種解決方案，即在車體抗彈性能薄弱點（焊縫區(qū)）通過螺栓連接方法加裝防護組件，提高局部防護能力[12]。圖7 為車體焊縫外表面加裝附加防彈材料后實彈測試的效果，該組件以雙層疊加的方式完全覆蓋了焊縫區(qū)，靶試后著彈點未被穿透，相比不加裝防護組件，車體抗彈防護性能獲得顯著提升。

圖7 車輛外部附加裝甲實彈測試Fig.7 Live ammunition test of vehicle external additional armor

4 結(jié)語

1）6252 裝甲鋼接頭焊縫區(qū)寬度約為46 mm，焊縫中心硬度低于312HV，較母材區(qū)硬度降低40%以上。

2）靶試后焊縫區(qū)著彈點完全穿透，而非焊縫區(qū)未被穿透且彈坑呈圓錐形凹陷，焊縫區(qū)的抗彈性能較母材區(qū)的顯著衰減。

3）為提升裝甲車輛抗彈防護能力，對焊縫區(qū)薄弱點從焊接工藝控制、結(jié)構(gòu)優(yōu)化、加裝防護組件3 個方面進行討論，并提出防護對策。隨著現(xiàn)代裝甲車輛輕量化要求越來越高，焊接結(jié)構(gòu)應用越來越廣泛，車輛防護面臨新的挑戰(zhàn)，還需在防護方式、防護手段等方面進行更加深入的探索和研究。