鎳箔/Q235鋼爆炸焊接試驗研究

謝興華 徐孟犇

(1安徽理工大學化學工程學院；2安徽理工大學土木建筑學院 安徽淮南 232000)

爆炸焊接作為一種特殊的焊接技術，利用炸藥爆炸產生的巨大能量，驅動復板與基板發生高速碰撞，使兩者之間形成冶金結合。相較于其他焊接技術，爆炸焊接的顯著特征在于能對許多物理性能差異巨大的材料達到優良的焊接效果[1]。爆炸焊接生產的金屬復合材料不僅可以滿足各種應用環境，而且能夠節約貴重的金屬材料，降低制造成本，已廣泛應用于多個工業領域[1-2]。

Q235鋼具有高強度、高硬度和高耐磨性等良好的機械性能，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，它們還擁有獨特的記憶性和電磁學等功能類性能。在酸性和堿性環境下，鎳及鎳合金表現出卓越的耐蝕性，此外，由于其容易進行冷加工，因此在板式換熱器、制堿和石油化工等領域得到了廣泛的應用。在核反應堆工程中，換熱器等設備為避免應力腐蝕，國外通常采用高鎳合金Inconel 600等材料來代替1Cr18Ni9Ti不銹鋼。由于金屬復合材料能夠結合兩種金屬各自的優點，補充缺點，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域具有廣泛的應用前景。然而，因鎳是重要的有色金屬，其價格相對昂貴，在一定程度上限制了其使用。作為一種功能涂層材料，經濟與高效是評價其應用前景的兩個重要因素。目前化學鍍鎳，電鍍鎳[3]等技術都在嘗試獲得鍍鎳材料。然而，這些制備出來的涂層存在光亮度差、具有腐蝕點、厚度不均勻等缺點。傳統工藝實現高熔點和高質量金屬涂層仍然是個具有挑戰性的任務，金屬箔的爆炸焊接(explosive welding of metal foils，EWMF)的出現解決了這一問題。EWMF可以看做是一種特殊的涂覆過程，它是在炸藥爆炸后的能量的驅動下，通過高速平行撞擊，在兩個金屬表面上的幾個原子層內形成等離子體，使兩側的金屬表面建立起原子間的結合力，從而產生涂層。在局部高溫高壓下，由于熔融的瞬時性，金屬結合面處產生高溫融化后而又快速冷卻，可以抑制大規模熔融區的產生，從而達到冶金結合的目的。

1試驗材料與方法

1.1試驗材料

選用鎳箔作為復板，Q235鋼為基板，為了避免邊界效應的影響，使用的鎳箔的長和寬都要大于基板，基復板化學成分的質量分數和具體焊接參數如表1和表2所示。

表1 鎳箔和Q235鋼化學成分(質量分數%)

表2 鎳箔和Q235具體焊接參數

表3 基板和復板材料參數

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。在爆炸焊接過程中，由于金屬箔片的易碎性，在爆炸焊接過程中，高速碰撞容易在金屬箔中產生起皺、裂紋和空洞等不良缺陷。為了保護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由1 mm厚的鋁板和3 mm厚的PVC板作為緩沖結構。

1.2試驗方法

爆炸焊接試驗過程采用平行放置法，選用低爆速乳化炸藥進行爆炸焊接，基復板間隙為3 mm。進行焊接試驗前，用砂紙將基復板內表面打磨干凈，倒上無水乙醇進行清洗，并將爆炸焊接組件放置在在球形罐的臺面上。爆炸焊接結構圖如圖1所示。

圖1 爆炸焊接結構圖

圖2 拉伸試樣示意圖

爆炸焊接結束后，將爆炸焊接后的Ni/Q235復合材料用線切割機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)觀察結合界面的波形形貌；利用能譜分析EDS得到結合界面處的元素分布及組成；采用電子萬能試驗機(GNT600)表征力學性能。

2爆炸焊接窗口

為了確保焊接質量的優良，必須精選適宜的焊接工藝參數。爆炸焊接的主要參數包括碰撞速度、動態碰撞角以及碰撞點移動速度，這三者中任意兩個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為碰撞點移動速度。

2.1流動限的計算

爆炸焊接窗口的左邊限是保證金屬射流產生的最小焊接速度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)計算得vc，σmin=1015.80 m/s。

2.2聲速限的計算

爆炸焊接窗口的右邊限產生金屬射流的極限碰撞點移動速度：

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)計算可得vc，σmax=5630 m/s。

2.3碰撞速度下限的計算

當基復板為同種焊接金屬時，復板最小碰撞速度公式為：

(4)

式(4)中：Rm為金屬的抗拉強度，Pa；ρ為金屬的密度，kg/m3。

當基復板為異種焊接金屬時，復板最小碰撞速度為：

(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。聯立(5)、(6)算得vp，min=220.32m/s。

2.4碰撞速度上限的計算

復板碰撞速度上限為：

(7)

式(7)中，N為經驗系數，取0.1；Tm為復板鎳箔的熔點，℃；λ為復板鎳箔的導熱系數，W/(m·℃)；CP為復板鎳箔的熱容，J/(kg·℃)；h為復板鎳箔的厚度，m。

利用式(7)計算可得vp，max=1046.28 m/s。當碰撞速度小于1046.28 m/s，高于220.32 m/s時，焊接才會成功。

3試驗結果與分析

3.1界面波形特征分析

采用上文的試驗參數制備Ni/Q235復合板，用掃描電鏡觀察焊接界面處顯微組織。

如圖4所示，Ni/Q235結合界面呈現規則波狀形貌，結合界面處未發現孔洞、裂紋等缺陷，表明Ni/Q235復合板有著良好的焊接質量。

圖4 Ni/Q235焊接復合板結合界面波形形貌

如圖5所示，Ni/Q235結合界面呈現出帶有旋渦的波形結構，旋渦結構中包裹著熔化塊，該結構的形成可能是由于結合界面產生的高溫以及塑性變形共同導致的。熔化塊中常存在著氣孔和裂紋，但它使結合界面避免形成連續的熔化層，并且這種不連續的熔化層更有利于提高爆炸焊接復合板的結合強度。

圖5 線掃描路徑及波峰處的熔化區

在Ni/Q235界面，復合板的元素組成發生了從Fe到Ni的突變，導致界面原子擴散過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等缺陷以及界面附近有較高溫度和較大應變速率，導致界面區域內出現應力集中而形成裂紋源。因此，除了對Ni/Q235鋼過渡界面的微觀形貌進行分析外，其是否產生脆性金屬間化合物，也是評估界面結合質量的關鍵所在。經過EDS線掃描分析(見圖6)，發現Ni/Q235結合界面處出現了擴散現象，根據圖6所示豎直細線的劃分范圍，可以推斷出擴散層的厚度約為10μm。通過掃描電鏡觀察可知，未發現任何明顯的階梯狀結構，因此金屬間化合物的擴散并未形成這種堅硬而脆弱的金屬間化合物。

圖6 Ni/Q235界面處線掃描結果

3.2力學性能分析

為驗證復合板的焊接質量是否提高，使用萬能試驗機測試拉伸強度。拉伸曲線如圖7所示。拉伸試驗參照國家標準GB/T228-200《金屬材料室溫拉伸試驗方法》，基板Q235鋼和復板鎳箔的抗拉強度分別為405 MPa和380 MPa。Ni/Q235鋼復合板的抗拉強度約為623 MPa，高于式(8)的理論值，滿足產品使用要求。

(8)

圖7 Ni/Q235鋼拉伸曲線

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

圖8為Ni/Q235試件拉伸破壞后實物圖。在試樣經過抗拉測試后，Ni/Q235復合板結合界面未發生分離，這表明界面結合質量良好。經過拉伸測試后，利用SEM觀察復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，鎳側和鋼側斷口表面均觀察到表明韌性斷裂特征的的韌窩，這也是試樣拉伸強度較高的原因。從圖9可以看出，結合界面處附近的鎳側斷口出現出現河流狀的解理斷裂特征，該特征的出現是由于結合界面處形成了局部熔化區以及爆炸沖擊導致的加工硬化。

4結論

(1)利用爆炸焊接技術得到的Ni/Q235復合板，結合界面呈規則的波形，具有不連續的熔化層，并且未觀測到裂紋，孔洞等缺陷。

(2)SEM和EDS試驗結果表明：復合板結合界面形成了明顯的波形界面，且連接界面發生了一定的擴散，擴散層厚度大約為10 μm。

(3)Ni/Q235復合板的結合界面在拉伸試驗后沒有發生分離，復合板的抗拉強度相對于復合前的Q235鋼板增加，復合板抗拉強度為623 MPa。拉伸斷裂后，界面附近呈現韌性斷裂。