廖東波１,查五生１,李 偉１,２

(１．西華大學材料科學與工程學院,成都 ６１００３９;２．宜賓北方鑫安復合材料有限公司,宜賓 ６４４２２１)

摘 要:以 Q２３５A 低碳鋼,１６Mn、１５MnVN 低合金鋼等３種結構鋼為基板,以３０４不銹鋼為覆板,采用爆炸焊接方法制備了結構鋼Ｇ不銹鋼復合板,利用超聲波探傷、掃描電鏡觀察、能譜檢測等分析了結合界面處的微觀缺陷.結果表明:爆炸焊接復合板界面處存在空洞和微縫隙缺陷,這些缺陷不能通過熱軋消除;空洞處的主要成分為鐵元素,與原始鋼板的成分有較大差異;當爆速增大、基板材料塑性降低時,復合板界面區的微裂紋率會增加;熱軋后,復合板界面的局部區域出現夾層缺陷,夾層缺陷位于覆板一側,其成分與基板的相近.

關鍵詞:爆炸焊接復合板;微裂紋;夾層缺陷;空洞

中圖分類號:TG４５６．６ 文獻標志碼:A 文章編號:１０００Ｇ３７３８(２０１７)０８Ｇ００２７Ｇ０４

MicroscopicDefectatInterfaceofExplosionＧWeldedStructuralSteelＧStainlessSteelCompositePlate

LIAODongbo１,ZHA Wusheng１,LIWei１,２

(１．SchoolofMaterialsScienceandEngineering,XihuaUniversity,Chengdu６１００３９,China;２．YibinNorthXin′anCompositeMaterialsCo．,Ltd．,Yibin６４４２２１,China)

Abstract:WiththreestructuralsteelsofQ２３５Alowcarbonsteel,１６Mnand１５MnVNlowＧalloysteels,

respectively,asabasalplateand３０４stainlesssteelasashroudplate,thestructuralsteelＧstainlesssteelcomposite

plateswerepreparedbyexplosionwelding．Themicroscopicdefectsatthebondinginterfacewereinvestigatedby

ultrasonicflawdetection,scanningelectronmicroscopy,energydispersivespectrometer,etc．Theresultsshowthat

theholesandthemicrogapsexistedattheinterfaceofexplosionＧweldedcompositeplates,whichcan′tbeeliminated

byhotＧrolling．Themainelementwasironintheholesandthecompositionwasmuchdifferentfromthatofraw

steelplate．ThemicrocrackratiointheinterfaceoftheexplosionＧweldedcompositeplateincreasedwiththeincrease

oftheexplosionspeedorthereductionoftheplasticityofthebasalplate．AfterhotＧrolling,somesandwichdefects

werefoundinthelocalinterfaceofthecompositeplate,whichwereonthesideoftheshroudplateandwithnearly

thesamecompositionasthebasalplate．

Keywords:explosionＧweldedcompositeplate;microcrack;sandwichdefect;hole

０ 引 言

爆炸焊接是使用炸藥作為能源進行金屬間焊接的一種焊 接 技 術,該 技 術 既 是 一 種 金 屬 構 件 的連接技術,又是一種金屬基復合板材的制造技術,其最主要的特點是在一瞬間能將相同的或不同的金屬牢 固 地 焊 接 在 一 起[１Ｇ４].爆 炸 焊 接 金 屬 復 合板的質量主 要 取 決 于 所 采 用 的 焊 接 工 藝 參 數,常使用 脈 沖 反 射 式 超 聲 波 探 傷 儀 進 行 檢 測 和 判斷[１].然而,進一步的界面分析表明,許多界面處存在的微觀 缺 陷 無 法 使 用 超 聲 波 探 傷 儀 檢 出,但這些微觀缺 陷 會 影 響 到 金 屬 復 合 板 的 力 學 性 能、使用壽命和后續加工性能[１,５].爆炸焊接復合板的界面處主要存在微縫隙、空洞、飛線 (也 稱 絕 熱 剪 切 線)、半 島、全 島 等 微 觀 缺陷[１,５].此外,界面區還存在熔化現象[１,３Ｇ４],這使得該區域出現了５~３０μm 的過渡區.當焊接參數不當時,界面區會出現過熔化缺陷,導致波狀界面處的過渡區域變寬,達到３０μm,同時出現更多的空洞和微縫隙[１];當焊接參數合適時,界面區發生少量熔化,有利于復合板的焊合,過渡區寬度僅５μm[３Ｇ４].

目前,研究人員對熔化現象的理論分析已經很深入,然而對微縫隙、空洞、微裂紋等微觀缺陷的理論分析

不多.基于此,作者以低碳鋼Ｇ不銹鋼和低合金鋼Ｇ不銹鋼爆炸焊接復合板為研究對象,分析了在結合界面處存在的空洞、微縫隙、微裂紋等缺陷,以及作者新發現的復合板熱軋后形成的夾層缺陷.

１ 試樣制備與試驗方法

試驗用覆板為３０４不銹鋼板,出廠狀態為熱軋加固溶處理,尺寸為３０００mm×１５００mm×８mm;基

板分別為 Q２３５A 低碳鋼板和 Q３４５(１６Mn),Q４２０(１５MnVN)低合金鋼板,出廠狀態均為熱軋加正火

處理,尺寸為３０００mm×１５００mm×３０mm.覆板和 基 板 的 化 學 成 分 見 表 １.Q２３５A 低 碳 鋼,１６Mn、１５MnVN 低合金鋼和３０４不銹鋼的斷后伸長率分別為２５％,２１％,１８％,４３％.炸藥為２＃ 巖石硝銨炸藥,爆轟波速度(簡稱爆速)vd 可調,控制在２０００~３５００ m??s－１ 之 間,按 照 導 特 里 什 法測定.

根據文獻[３Ｇ４]對覆板和基板進行表面凈化處理:先用稀硫酸及稀堿液進行清洗,再以手提砂輪機和鋼絲輪刷對待結合面進行機械打磨,最后用清潔干燥的抹布清潔.用鐵鍬將濕細沙堆成高度為２００~３００mm 的４５°梯形臺,頂面基本水平,且比基板面積略大,并盡量用鐵鍬將細沙拍實.然后,將基板吊放到沙堆上,并保持沙堆的既定形狀,無歪斜且沒有無支撐的空隙.將基板待焊表面用砂布再次擦拭一遍,并用酒精擦拭,以保持表面潔凈.在基板上基本等距的條件下,放置彎折成 V 型的純鋁支墊做間隙支撐.將待焊接的覆板表面用細砂布擦拭,酒精清洗后,吊放在基板上.用毛刷在覆板表面均勻涂刷水玻璃,以在爆炸焊接時緩沖爆炸載荷,保護覆板表面免于氧化及損傷.將紙質炸藥框放置在覆板上,炸藥框外緣與覆板平齊,用鋁制鐵鍬將主炸藥均勻加入炸藥框內,保證各處炸藥厚度基本相同.在覆板的起爆位置布放３５gTNT 引爆炸藥,然后將雷管插入引爆炸藥的中心位置并與覆板表面接觸,引爆電雷管和炸藥,進行鋼板爆炸焊接,爆炸焊接瞬間狀態如圖１所示.圖中:１/４vd 為爆炸產物速度;α為預置角(又叫安裝角);vp 為覆板下落速度;vcp為碰撞點S 的移動速度(即焊接速度);va 為碰撞點前方氣體的排出速度;β為碰撞角;γ 為彎折角.爆炸焊接完成后,對復合板表面進行清潔處理,機械校平并切邊.將３０４不銹鋼板和 Q２３５A 低碳鋼板、１６Mn低合金鋼板和１５MnVN 低合金鋼板爆炸焊接成的復合板分別簡稱為 Q２３５AＧ３０４、１６MnＧ３０４、１５MnVNＧ３０４復合板.利用１２７１型超聲波探傷儀進行探傷,采用頻率為２．５MHz的１３ mm×１３ mm K１單晶橫波斜探頭.將爆炸焊接復合板在１０５０~１１５０℃保溫１h,并保持溫度在９２０℃以上熱軋到厚度為４~１０mm,總壓下率為８０％~９０％.從外觀良好的復合板中間部分相隔一定間距制取了總樣本長度為１００mm 的金相試樣,每個金相試樣長約１０mm 至２０mm 不等,且須保證其中一個斷面平行于爆炸焊接方向.金相試樣用４％(體積分數)硝酸酒精腐蝕后,使用 SＧ３４００N 型掃描電鏡(SEM)觀察其結合界面的微 觀 形 貌,用 附 帶 的EMAXＧ２５０型 X射線能譜儀(EDS)進行成分分析.通過SEM 觀察,記錄在界面區發現的所有微裂紋的長度,將裂紋總長度與總樣本長度之比記為裂紋率.

２ 試驗結果與討論

２．１ 空洞和微縫隙

由圖２可見,在１６MnＧ３０４復合板結合界面處的３０４不銹鋼和１６Mn低合金鋼基體中均發現了空洞和微縫隙.但是超聲波探傷過程中并未發現這些微縫隙和空洞,這是因為微縫隙和空洞的尺寸太小,而試驗使用的１２７１型超聲波探傷儀理論上能檢出的最小缺陷尺寸約為１mm.

由表２可以看出:在１６Mn低合金鋼板中空洞(位置a)處的鐵元素含量高于該鋼基體(位置c)的;３０４不銹鋼板中空洞(位置b)處的主要成分也是鐵元素,其質量分數高達９３．２４％,而其基體(位置 d)的主要成分(質量分數)為 ７０．８１％Fe,１７．８８％Cr,７．７４％Ni.由此可見,這些空洞是一種疏松狀物質,主要成分是鐵元素.不論是１６Mn低合金鋼板還是３０４不銹鋼板,其檢測出的碳元素質量分數都遠高于標準指標(見表１),這是因為試驗所用能譜儀對原子序數小于１１的輕質元素如氫、碳、氧的檢測誤差較大.但在試驗中發現,相同鋼板基體中不同位置的碳元素測試值相差不大,即儀器對碳元素的測試誤差基本不變,分析時可忽略不計.

一般認為,空洞和微縫隙是由于爆炸焊接界面發生過熔化而導致的.過熔化程度決定了空洞和微縫隙的數量,然而材料產生熱軟化又是形成金屬射流并最終決定是否能成功進行爆炸焊接的必要條件[１Ｇ２],因此不論是哪種復合板,其界面處都或多或少存在著一些空洞和微縫隙.此外,過熔化又與板間距、炸藥密度、裝藥厚度等靜態參數有關[１Ｇ２],因此,空洞和微縫隙的數量最終取決于這些靜態焊接參數.

２．２ 微裂紋

由圖４可以看出:爆炸焊接復合板的界面呈波浪狀,界面長度比原平板更長;在靠近塑性較差的１６Mn低合金鋼一側的１６MnＧ３０４復合板界面區出現了微裂紋,圖４(a)和 (b)中 的 微 裂 紋 長 度 分 別 約 ５００,６００μm,這些微裂紋無法被超聲波探傷儀檢出.由斷后伸長率的大小可知,基板按塑性由大到小 排 序 為 Q２３５A 低 碳 鋼、１６Mn 低 合 金 鋼、１５MnVN 低合金鋼.由表３可以看出,爆速越高或基板塑性越差,復合板的微觀裂紋率越高.當爆速為３３６０ m??s－１ 時,１５MnVNＧ３０４復合板中還存在一些超聲波探傷儀可檢出的裂紋,制樣時剖取的部位包含了這些裂紋,因此其裂紋率較高.界面處的基板和覆板在爆炸焊接時均發生了大量塑性變形.３０４ 不銹鋼(覆板)的斷后伸長率 為４３％,塑性較好,因此不容易產生微裂紋.在較低爆速下,基板可以發生塑性變形來補償界面長度的增加,因此不容易產生微裂紋.例如在２３８０ m??s－１下,改變預置角(安裝角)、板間距、基板和覆板表面粗糙度等靜態參數時,３種復合板界面區均未產生微裂紋.而當爆速較高時,基板來不及發生塑性變形以補償界面長度的增加,導致發生剪切變形從而產生了明顯的微裂紋.

需 要 指 出 的 是,微 縫 隙 (seam/gap)和 微 裂 紋(microcrack)有著本質區別:從尺寸上看,微裂紋比微縫隙更長,如圖４中微裂紋的長度至少在５００μm以上,而圖２中微縫隙的長度僅約１０μm;從產生機理看,微裂紋主要受爆速和材料塑性的影響,而微縫隙與爆速及材料塑性之間的關系不大,主要受界面過熔化的影響[１].由于此類裂紋分布在界面處,嚴重影響了基板和覆板的復合質量,在受熱等條件下會導致復合板以此處為裂紋源而開裂分層,因此在實際生產中應極力避免微裂紋的出現.

２．３ 復合板軋制后的夾層缺陷

部分低合金鋼Ｇ３０４不銹鋼復合板在軋制后,在界面處不銹鋼一側出現了“脊背狀”凸起,以１６MnＧ３０４復合板為例進行分析,如圖５(a)所示.該金相試樣使用體積分數為４％的硝酸酒精腐蝕,“脊背狀”凸起實際上是低合金鋼被硝酸酒精腐蝕而不銹鋼未被腐蝕而形成的,由此可推斷該“脊背狀”凸起的成分應該和基板即１６Mn低合金鋼的接近,該“脊背狀”凸起可被稱為夾層缺陷.由圖５(b)可以看出,鐵、鉻、鎳元素的含量在夾層缺陷區出現跳躍性變化.對圖５(a)夾層缺陷(位置１)進行EDS點分析后可知,該處的鐵元素質量分數較高,為９５．７２％,錳、硅、碳質量分數分別為１．５２％,０．３３％,２．４３％,鉻元素和鎳元素均未被檢出.位置１處的錳元素和硅元素含量與１６Mn低合金鋼板的成分接近,說明該夾層是從基板側“遷移”而來的.

若工藝參數不當,在爆炸焊接復合板中可能會出現“全島”或“半島”缺陷[５].但作者制取的所有復合板試樣在軋制前均未觀察到“全島”或“半島”缺陷,因此,夾層缺陷并不是由“全島”或“半島”缺陷導致的,而是由于軋制而產生的一種全新的缺陷.

給水的,Fe２＋ 通過氧化膜的速率也會降低,試驗管的FAC速率約為NH３ 工況下的１/９.采用ETA＋NH３(質量比１∶１)作為二回路堿化劑時,MSR疏水的pH(２５ ℃)與 給 水 的 相 同,試 驗 管 的 FAC 速 率 約 為NH３ 工況下的１/６.基于本試驗結果,對國內某核電廠 １＃ 機 組 二 回 路 水 化 學 工 藝 進 行 了 優 化,用ETA＋NH３ 混合堿化劑代替純 NH３ 堿化劑,MSR疏水管的FAC得到較好的抑制,疏水中鐵的質量濃度大幅度下降,從上個循環的８~９μg??L－１ 降至約１．５μg??L－１.

３ 結 論

   (１)在１５０ ℃靜態浸泡條件下,采用 ETA 和NH３ 兩種堿化劑時,TU４８C鋼的均勻腐蝕速率較接近,均隨 腐 蝕 時 間 的 延 長 而 降 低;在 ETA 溶 液中腐蝕后試樣表面氧化膜中的氧化物顆粒大小均勻,氧化膜 完 整 致 密;在 NH３ 溶 液 中 腐 蝕 后 試 樣表面的氧化 物 顆 粒 尺 寸 差 異 較 大,氧 化 膜 致 密 性相對較差.

(２)在１５０ ℃流動加速腐蝕條件下,采用 NH３堿化劑時,TU４８C 鋼的 FAC 速率最大,為１．９４g

dm－２??a－１;采用 ETA 堿化劑時的 FAC速率最小,為０．２２g??dm－２??a－１;采用 ETA 與 NH３ 混合堿化時,FAC 速 率 介 于 上 述 二 者 之 間,為 ０．３３g??dm－２??a－１.

(３)壓水堆核電廠二回路使用 ETA 堿化劑或者 ETA＋NH３ 混 合 堿 化 劑,可 以 緩 解 二 回 路 的FAC問題.

夾層缺陷的出現,與焊接時出現的波浪狀界面有關.當結合界面局部區域的波高較高、波長較小時(波高和波長受爆炸焊接靜態參數的影響[１]),在軋制過程中,塑性較差的低合金鋼容易被塑性較好的３０４不銹鋼包裹,被包裹的低合金鋼逐漸離開基體從而形成夾層.此外,在試驗中還發現,這種夾層缺陷的數量還與熱軋工藝有一定的關聯.當改變熱軋開軋溫度、終軋溫度等參數時,夾層缺陷的數量會發生變化.例如,當復合板結合界面的波高較高、波長較小時,采用在１１５０~１２００ ℃保溫１h,開軋溫度控制在１１００~１１５０℃并保持終軋溫度在９５０ ℃以上的熱軋工藝時,復合板結合界面處觀察到的夾層缺陷的數量相對較少;當將開軋溫度控制在１０００~１０５０℃,保持終軋溫度在８００℃以上時,夾層缺陷的數量相對較多.這是因為不同溫度下復合板的塑性不同,變形抗力不同,最終導致夾層缺陷數量的變化.

(4)結構鋼Ｇ不銹鋼爆炸焊接復合板界面處存在空洞和微縫隙,這些空洞和微縫隙不能通過熱軋工藝消除;空洞處的主要成分是鐵元素,與其原始鋼板的成分有較大差異.

(5)爆炸焊接復合板的界面呈波浪狀,界面長度比原鋼板的更長;在較高爆速或使用塑性較低基板時,復合板界面處會出現微裂紋,微裂紋率隨著爆速的提高或基板塑性的降低而增大.

(6)爆炸焊接復合板在熱軋后,局部區域會出現夾層缺陷;夾層缺陷位于３０４不銹鋼板(覆板)一側,其成分則與基板的相近,這些夾層缺陷與界面的形狀和熱軋工藝有關.

(文章來源：材料與測試網-機械材料工程)