金屬復(fù)合板節(jié)能型爆炸焊接試驗研究

侯國亭,馮 健,劉獻甫,張曉飛,張陸定,荊永波,劉聰聰

(舞鋼神州重工金屬復(fù)合材料有限公司,舞鋼 264200)

爆炸焊接技術(shù)是指利用炸藥爆炸所產(chǎn)生的能量,驅(qū)使復(fù)層板與基層板高速傾斜碰撞,在結(jié)合面處產(chǎn)生射流,從而形成兩金屬間冶金結(jié)合的一種技術(shù)。爆炸焊接顯著的優(yōu)勢是焊接強度高,熱影響區(qū)小,理論上可用于各種異種金屬的焊接,基于其擁有的核心技術(shù)優(yōu)勢,爆炸焊接已成為石油、化工、航空航天,軍事設(shè)施等領(lǐng)域不可或缺的重要生產(chǎn)工藝技術(shù)。然而,由于爆炸焊接生產(chǎn)過程的獨特性,致使炸藥能量利用率偏低,噪聲過大、環(huán)境污染嚴(yán)重。

針對爆炸焊接中炸藥能量利用率過低這一問題,近幾年國外少有研究成果見諸報端,而國內(nèi)相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜覍W(xué)者已開始注重研究這一課題,并取得了一定的研發(fā)成果。文獻[1]通過對爆炸焊接窗口理論與實際應(yīng)用的分析,進行了減低裝藥量的爆炸焊接試驗,發(fā)現(xiàn)采用爆炸焊接窗口理論下限,比采用該窗口所允許的其他裝藥量更有利于獲得優(yōu)質(zhì)金屬復(fù)合板;文獻[2]提出即使爆炸焊接工藝參數(shù)達到最佳,傳統(tǒng)平行法裝藥方法的炸藥能量利用率也僅約為總炸藥能量的30%,而且約70%的耗散能量對周邊環(huán)境造成了巨大的危害,不可避免地限制了爆炸焊接技術(shù)的大規(guī)模持續(xù)發(fā)展。為此,該文獻介紹了一種雙立爆炸法,指出這種方法可提高炸藥能量利用率2/3以上;文獻[3]對鈦鋼復(fù)合板的爆炸焊接進行了研究,發(fā)明了一種最低臨界爆速爆炸焊接用炸藥,同時設(shè)計出剛性防護板和柔性防護墻構(gòu)成的綜合防護結(jié)構(gòu),節(jié)省了大約2/3的炸藥量。文獻[4]試驗驗證了一種雙立式爆炸焊接新方法,這種方法的優(yōu)點在于充分利用了平行安裝方法上方耗散的沖擊波,節(jié)約了至少1/2的裝藥量,大大降低了生產(chǎn)成本;為了推廣使用雙立爆炸法,文獻[5]提出了一種剛性和柔性防護相結(jié)合的防護結(jié)構(gòu)來解決雙立爆炸焊接的防護問題,此防護結(jié)構(gòu)簡單、安裝方便,保護效果比較好。上述文獻公開的工藝雖然對提高炸藥能量的利用率效果顯著,有效的解決了爆炸焊接能量利用率低的問題,但均存在著裝置制作工藝復(fù)雜、費時費料、不能重復(fù)使用、不適用于大幅面復(fù)合板的爆炸焊接生產(chǎn)中,且在實際生產(chǎn)中安裝基、復(fù)板困難;特別是爆炸焊接時,防護罩、自鎖裝置等在爆炸載荷作用下會四處飛散,盡管四周筑有高大的防護墻,但也存在極大的安全隱患,這些問題,不但限制了爆炸焊接復(fù)合板的幅面大小,而且不適合規(guī)?；a(chǎn)中使用。因此,開發(fā)出節(jié)能降耗、安全可靠、工藝簡單、經(jīng)濟實用、適合規(guī)模化生產(chǎn)的爆炸焊接新技術(shù)就顯得很有必要。

1 試驗材料

為對比出爆炸焊接普通裝藥結(jié)構(gòu)與節(jié)能型裝藥結(jié)構(gòu)的不同及節(jié)能效果,采用兩組相同材質(zhì)、相同規(guī)格的基復(fù)層材料?；鶎硬牧线x用低合金鋼Q345R鋼板兩塊,規(guī)格尺寸為40 mm×450 mm×550 mm ,分別標(biāo)注試驗號SYJ-1SYJ-2;復(fù)層材料選用哈氏合金SB-575 N10276鋼板兩塊,規(guī)格尺寸為3 mm×500 mm×600mm,分別標(biāo)注試驗號SYF-1SYF-2。爆炸焊接后的金屬復(fù)合板分別采用SY-1(1#)和SY-2(2#)標(biāo)注。選用的基層和復(fù)層材料的化學(xué)成分和力學(xué)性能如表1～4所示。

表1 Q345R鋼板化學(xué)成分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)Table 1 Mass fraction of chemical composition of the steel plate Q345R

表2 Q345R鋼板的力學(xué)性能Table 2 Mechanical properties of the steel plate Q345R

表3 SB-575 N10276 哈氏合金化學(xué)成分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)Table 3 Mass fraction of chemical composition of the Hastelloy alloy plate SB-575 N10276

表4 SB-575 N10276哈氏合金板的力學(xué)性能Table 4 Mechanical properties of the Hastelloy alloy plate SB-575 N10276

2 試驗工藝

為了驗證節(jié)能型爆炸焊接與普通型爆炸焊接金屬復(fù)合板的力學(xué)性能差異,對兩種式樣分別采用普通型爆炸焊接工藝和節(jié)能型爆炸焊接工藝進行試驗,其中1#式樣SY-1采用普通型爆炸焊接工藝,2#式樣SY-2采用節(jié)能型爆炸焊接工藝,而其后進行的熱處理、校平、切割等工藝相同。

2.1 爆炸焊接工藝參數(shù)

在爆炸焊接實際生產(chǎn)過程中,由于焊接界面射流和氣體排放的原因,對于爆炸焊接大幅面金屬復(fù)合板,通常采用文獻[6]所示的平行安裝法(見圖1),這種結(jié)構(gòu)中,沖擊點的運動速度vc與炸藥爆炸速度vd相等,即

圖1 平行安裝Fig. 1 Parallel installation

vc=vd

(1)

因此得出復(fù)層板沖擊基層板的速度為

vp=2vdsin(β/2)

(2)

式中:β為動態(tài)彎折角。研究發(fā)現(xiàn),動態(tài)彎折角β應(yīng)處于一個范圍內(nèi),這個范圍可能依據(jù)材料性質(zhì)和表面狀態(tài)的不同而有所改變,但其典型標(biāo)準(zhǔn)為5°～25°。如果超出這個界限,則無論復(fù)層板碰撞基層板的速度vp為何值,都不能完成爆炸焊接[7]。從式(2)可以看出,動態(tài)彎折角β與爆炸速度vd和間距之間呈函數(shù)關(guān)系。

爆炸焊接用藥采用市場易購的粉狀乳化炸藥,添加工業(yè)鹽作為稀釋劑。經(jīng)BSD-3型單段爆速儀測定,在裝藥厚度為35～40 mm的情況下,自然堆積密度為ρ0=0.65 g/cm3、測得的爆速值為2300 m/s。見圖2。

圖2 參數(shù)示意Fig. 2 Parametric relation

文獻[8]對爆炸焊接中的復(fù)層板動態(tài)運動過程進行計算機模擬,在裝藥質(zhì)量比R和炸藥多方指數(shù)K分別為 0.25≤R≤1.5和1.6≤K≤3.2的情況下,對復(fù)層板運動姿態(tài)特征線差分計算結(jié)果擬合、整理的公式如下

(3)

式中:θ為復(fù)板的拋擲角,單位弧度;平行安裝條件下,等于復(fù)板的動態(tài)彎折角β;S為基復(fù)板間距,mm。

給出的炸藥多方指數(shù)和裝藥質(zhì)量比公式如下

(4)

(5)

試驗用復(fù)層板為哈氏合金SB-575 N10276,密度ρf為8.87 g/cm3、厚度δf為3 mm,使用的炸藥密度ρ0為0.65 g/cm3,利用基復(fù)層板的已知參數(shù),可計算出爆炸裝藥質(zhì)量比R、炸藥多方指數(shù)K、復(fù)板下落速度VP以及動態(tài)彎折角β等。

首先,根據(jù)公式(4)、(5)計算出炸藥多方指數(shù)K和裝藥質(zhì)量比R

然后根據(jù)公式(3)和公式(2)分別計算出表5所示的復(fù)層板碰撞基層板的爆炸焊接動態(tài)參數(shù)值。此爆炸焊接動態(tài)參數(shù)值是依據(jù)炸藥爆速vd=2300 m/s、炸藥裝藥厚度δ0=35 mm、復(fù)層板厚度δf=3 mm計算出的。

表5 爆炸焊接動態(tài)參數(shù)值Table 5 Dynamic parameters of explosive welding

表5是在預(yù)設(shè)間隙為6、8、10、12 mm的情況下所得到的爆炸焊接參數(shù)動態(tài),考慮到爆炸焊接板面光潔度、平整度的諸多的不可控性,結(jié)合實際生產(chǎn)經(jīng)驗,決定優(yōu)選爆炸焊接參數(shù)為炸藥爆速vd=2300 m/s、板間距高度S=8 mm,1#試板裝藥高度δ0=35 mm、2#板裝藥厚度比1#板減少30%,即為24.5 mm。在此選定參數(shù)下,復(fù)層板的動態(tài)彎折角β=13.35°、復(fù)層板碰撞基層板的速度vp=534.40 mm/s,所選參數(shù)符合常規(guī)爆炸焊接理論要求。

2.2 爆炸焊接安裝

對1#實驗板進行傳統(tǒng)安裝,即復(fù)層板上面安裝藥盒,藥盒內(nèi)按規(guī)定藥量或藥高鋪設(shè)炸藥;對2#試板,在傳統(tǒng)鋪設(shè)炸藥之上,放置厚度2 mm左右的灰板紙隔離板,隔離板之上鋪設(shè)高度為10～12 mm的金剛砂,兩塊試板的爆炸焊接安裝示意圖見圖3、圖4,采用以上工藝及安裝參數(shù)對1#和2#試板進行了爆炸焊接,現(xiàn)場爆炸焊接實際安裝見圖5、圖6,爆炸焊接后的金屬復(fù)合板見圖7、圖8。經(jīng)現(xiàn)場UT無損檢測,除去邊部起爆點處有φ20 mm不復(fù)合外,其余部分全部復(fù)合。

圖3 1#試板安裝示意圖Fig. 3 Installation instruction of the test plate No.1

圖4 2#試板安裝示意圖Fig. 4 Installation instruction of the test plate No.2

圖5 1#試板現(xiàn)場安裝圖Fig. 5 Site installationof the test plate No.1

圖6 2#試板現(xiàn)場安裝圖Fig. 6 Site installation of the test plate No.2

圖7 1#試板爆炸焊接后Fig. 7 The test plate No.1 after welding

圖8 2#試板爆炸焊接后Fig. 8 The test plate No.2 after welding

2.3 熱處理工藝

根據(jù)常規(guī)熱處理工藝,對1#和2#試板同爐進行熱處理,熱處理工藝:升溫速度≤80°/h、保溫溫度590°、保溫時間120 min,出爐空冷。

3 性能檢測與分析

3.1 性能檢測

對熱處理后的兩塊試板進行校平,按規(guī)定取樣進行晶間腐蝕(GB T 4334—2008 E法)和力學(xué)性能試驗。試驗結(jié)果表明,兩塊復(fù)層板SB-575 N10276彎曲面無裂紋出現(xiàn),晶間無敏化現(xiàn)象發(fā)生,證明爆炸焊接過程以及之后的消應(yīng)力熱處理工藝是可行的;分別對兩塊試驗進行拉伸、彎曲、剪切強度以及夏比沖擊試驗,試驗表明,常規(guī)工藝爆炸焊接的1#試板和節(jié)能型2#試板的力學(xué)性能基本接近,特別是最能體現(xiàn)炸藥用量大小的復(fù)合板剪切強度值,基本上比較接近,并且都大于300 MPa以上,大大高于國家標(biāo)準(zhǔn)或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)GB/T8165、NB/T47002規(guī)定的210 MPa,完全滿足化工裝備對復(fù)合板界面剪切強度的要求。表6為SB-575 N10276復(fù)合板的力學(xué)性能檢測結(jié)果。見表7。

表6 SB-575 N10276復(fù)合板的力學(xué)性能(1#)Table 6 Mechanical properties of the clad metal plateSB-575 N10276(1#)

表7 SB-575 N10276復(fù)合板的力學(xué)性能(2#)Table 7 Mechanical properties of the clad metal plateSB-575 N10276(2#)

3.2 結(jié)果分析

(1)對于采用節(jié)能型爆炸焊接技術(shù)生產(chǎn)的哈氏合金SB-575 N10276金屬復(fù)合板,經(jīng)無損檢測、力學(xué)性能試驗表明,其結(jié)合強度、復(fù)合率、機械性能等指標(biāo)均達到或超過了國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 8165、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)NB/T 47002的技術(shù)要求,可規(guī)?；瘧?yīng)用于大型化工裝備制造領(lǐng)域。

(2)相比較于傳統(tǒng)的爆炸焊接工藝,由于炸藥上面鋪設(shè)厚度為2 mm左右的隔離板,隔離板上為一定高度的石英砂層,石英砂的重量均勻施力于隔離板上,然后施力于炸藥之上,使得隔離板下面的炸藥密度增加,根據(jù)炸藥的爆炸性能,炸藥密度增加,炸藥的爆力(猛度)也相應(yīng)增加,因此單位炸藥使用量要比傳統(tǒng)爆炸焊接使用量減少,進而達到了節(jié)能降耗的目的;并且由于隔離板層的存在,可高效快捷的使石英砂均勻的置于炸藥層之上而避免部分炸藥壓實,這樣既能保持炸藥層密度一致,也能保證整個炸藥層的爆速一致,從而達到爆炸焊接整個結(jié)合界面剪切強度一致的目的。

(3)隔離板和石英砂共同作為能量消散阻擋層,在炸藥的頂部形成一個能量聚攏屏障,在炸藥爆炸瞬間,可將一部分炸藥向上溢出能量阻擋聚攏,進而反作用于復(fù)層板上,以此來提高炸藥的能量利用率,達到節(jié)能效果。

(4)作為隔離板的灰板紙和石英砂均屬于常見且易得的低成本材料,并且基本上可以無限投入使用,為規(guī)模化的生產(chǎn)提供了經(jīng)濟基礎(chǔ)。同時,炸藥爆炸瞬間,隔離板和石英砂被炸藥能量擊飛,相比于聚集能量的金屬零部件等其他結(jié)構(gòu),危險度也大大降低,安全隱患得到了有效控制。

4 結(jié)論

(1)通過對比試驗驗證可知,相比較于傳統(tǒng)的爆炸焊接工藝,僅僅采用炸藥表面覆蓋物的方法,就可實現(xiàn)節(jié)能1/3的目的,并且和已公開的節(jié)能降耗工藝如雙立爆炸法等比較,研發(fā)的節(jié)能型爆炸焊接生產(chǎn)工藝方法簡單可靠,可規(guī)?；a(chǎn)大幅面爆炸焊接復(fù)合板,實現(xiàn)節(jié)能降耗、安全高效的爆炸焊接生產(chǎn)目的。

(2)使用節(jié)能型爆炸焊接工藝生產(chǎn)的產(chǎn)品,通過晶間腐蝕試驗以及力學(xué)性能試驗表明,節(jié)能型爆炸焊接工藝在炸藥使用量減少30%的情況下,依然得到了高于國家及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的性能指標(biāo),特別是結(jié)合界面剪切強度,大大高出標(biāo)準(zhǔn)要求的210 MPa。

(3)文中試驗的節(jié)能型爆炸焊接SB-575 N10276金屬復(fù)合板工藝,同樣也可推廣應(yīng)用到其他化工裝備用金屬復(fù)合板如N06022、N06059等哈氏合金的生產(chǎn)工藝中。