金屬復合板節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合材料有限公司,舞鋼 264200)

爆炸焊接技術是指利用炸藥爆炸所產生的能量,驅使復層板與基層板高速傾斜碰撞,在結合面處產生射流,從而形成兩金屬間冶金結合的一種技術。爆炸焊接顯著的優勢是焊接強度高,熱影響區小,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優勢,爆炸焊接已成為石油、化工、航空航天,軍事設施等領域不可或缺的重要生產工藝技術。然而,由于爆炸焊接生產過程的獨特性,致使炸藥能量利用率偏低,噪聲過大、環境污染嚴重。

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,而國內相關領域專家學者已開始注重研究這一課題,并取得了一定的研發成果。文獻[1]通過對爆炸焊接窗口理論與實際應用的分析,進行了減低裝藥量的爆炸焊接試驗,發現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質金屬復合板;文獻[2]提出即使爆炸焊接工藝參數達到最佳,傳統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境造成了巨大的危害,不可避免地限制了爆炸焊接技術的大規模持續發展。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]對鈦鋼復合板的爆炸焊接進行了研究,發明了一種最低臨界爆速爆炸焊接用炸藥,同時設計出剛性防護板和柔性防護墻構成的綜合防護結構,節省了大約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,這種方法的優點在于充分利用了平行安裝方法上方耗散的沖擊波,節約了至少1/2的裝藥量,大大降低了生產成本;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合的防護結構來解決雙立爆炸焊接的防護問題,此防護結構簡單、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雜、費時費料、不能重復使用、不適用于大幅面復合板的爆炸焊接生產中,且在實際生產中安裝基、復板困難;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合板的幅面大小,而且不適合規?；a中使用。因此,開發出節能降耗、安全可靠、工藝簡單、經濟實用、適合規?；a的爆炸焊接新技術就顯得很有必要。

1 試驗材料

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

表1 Q345R鋼板化學成分的質量分數Table 1 Mass fraction of chemical composition of the steel plate Q345R

表2 Q345R鋼板的力學性能Table 2 Mechanical properties of the steel plate Q345R

表3 SB-575 N10276 哈氏合金化學成分的質量分數Table 3 Mass fraction of chemical composition of the Hastelloy alloy plate SB-575 N10276

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

2 試驗工藝

為了驗證節能型爆炸焊接與普通型爆炸焊接金屬復合板的力學性能差異,對兩種式樣分別采用普通型爆炸焊接工藝和節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

在爆炸焊接實際生產過程中,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合板,通常采用文獻[6]所示的平行安裝法(見圖1),這種結構中,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)

因此得出復層板沖擊基層板的速度為

vp=2vdsin(β/2)

(2)

式中:β為動態彎折角。研究發現,動態彎折角β應處于一個范圍內,這個范圍可能依據材料性質和表面狀態的不同而有所改變,但其典型標準為5°～25°。如果超出這個界限,則無論復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,動態彎折角β與爆炸速度vd和間距之間呈函數關系。

爆炸焊接用藥采用市場易購的粉狀乳化炸藥,添加工業鹽作為稀釋劑。經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 參數示意Fig. 2 Parametric relation

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

(3)

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

給出的炸藥多方指數和裝藥質量比公式如下

(4)

(5)

試驗用復層板為哈氏合金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,利用基復層板的已知參數,可計算出爆炸裝藥質量比R、炸藥多方指數K、復板下落速度VP以及動態彎折角β等。

首先,根據公式(4)、(5)計算出炸藥多方指數K和裝藥質量比R

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

表5 爆炸焊接動態參數值Table 5 Dynamic parameters of explosive welding

表5是在預設間隙為6、8、10、12 mm的情況下所得到的爆炸焊接參數動態,考慮到爆炸焊接板面光潔度、平整度的諸多的不可控性,結合實際生產經驗,決定優選爆炸焊接參數為炸藥爆速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。在此選定參數下,復層板的動態彎折角β=13.35°、復層板碰撞基層板的速度vp=534.40 mm/s,所選參數符合常規爆炸焊接理論要求。

2.2 爆炸焊接安裝

對1#實驗板進行傳統安裝,即復層板上面安裝藥盒,藥盒內按規定藥量或藥高鋪設炸藥;對2#試板,在傳統鋪設炸藥之上,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對1#和2#試板進行了爆炸焊接,現場爆炸焊接實際安裝見圖5、圖6,爆炸焊接后的金屬復合板見圖7、圖8。經現場UT無損檢測,除去邊部起爆點處有φ20 mm不復合外,其余部分全部復合。

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#試板現場安裝圖Fig. 5 Site installationof the test plate No.1

圖6 2#試板現場安裝圖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

根據常規熱處理工藝,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,按規定取樣進行晶間腐蝕(GB T 4334—2008 E法)和力學性能試驗。試驗結果表明,兩塊復層板SB-575 N10276彎曲面無裂紋出現,晶間無敏化現象發生,證明爆炸焊接過程以及之后的消應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,常規工藝爆炸焊接的1#試板和節能型2#試板的力學性能基本接近,特別是最能體現炸藥用量大小的復合板剪切強度值,基本上比較接近,并且都大于300 MPa以上,大大高于國家標準或行業標準GB/T8165、NB/T47002規定的210 MPa,完全滿足化工裝備對復合板界面剪切強度的要求。表6為SB-575 N10276復合板的力學性能檢測結果。見表7。

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

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

3.2 結果分析

(1)對于采用節能型爆炸焊接技術生產的哈氏合金SB-575 N10276金屬復合板,經無損檢測、力學性能試驗表明,其結合強度、復合率、機械性能等指標均達到或超過了國家標準GB/T 8165、行業標準NB/T 47002的技術要求,可規?；瘧糜诖笮突ぱb備制造領域。

(2)相比較于傳統的爆炸焊接工藝,由于炸藥上面鋪設厚度為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,根據炸藥的爆炸性能,炸藥密度增加,炸藥的爆力(猛度)也相應增加,因此單位炸藥使用量要比傳統爆炸焊接使用量減少,進而達到了節能降耗的目的;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,進而反作用于復層板上,以此來提高炸藥的能量利用率,達到節能效果。

(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?；纳a提供了經濟基礎。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構,危險度也大大降低,安全隱患得到了有效控制。

4 結論

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

(2)使用節能型爆炸焊接工藝生產的產品,通過晶間腐蝕試驗以及力學性能試驗表明,節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標準規定的性能指標,特別是結合界面剪切強度,大大高出標準要求的210 MPa。

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