分享：爆炸焊接结构钢Ｇ不锈钢复合板界面的微观缺陷

廖东波１,查五生１,李 伟１,２

(１．西华大学材料科学与工程学院,成都 ６１００３９;２．宜宾北方鑫安复合材料有限公司,宜宾 ６４４２２１)

摘 要:以 Q２３５A 低碳钢,１６Mn、１５MnVN 低合金钢等３种结构钢为基板,以３０４不锈钢为覆板,采用爆炸焊接方法制备了结构钢Ｇ不锈钢复合板,利用超声波探伤、扫描电镜观察、能谱检测等分析了结合界面处的微观缺陷.结果表明:爆炸焊接复合板界面处存在空洞和微缝隙缺陷,这些缺陷不能通过热轧消除;空洞处的主要成分为铁元素,与原始钢板的成分有较大差异;当爆速增大、基板材料塑性降低时,复合板界面区的微裂纹率会增加;热轧后,复合板界面的局部区域出现夹层缺陷,夹层缺陷位于覆板一侧,其成分与基板的相近.

关键词:爆炸焊接复合板;微裂纹;夹层缺陷;空洞

中图分类号:TG４５６．６ 文献标志码:A 文章编号: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

爆炸焊接是使用炸药作为能源进行金属间焊接的一种焊 接 技 术,该 技 术 既 是 一 种 金 属 构 件 的连接技术,又是一种金属基复合板材的制造技术,其最主要的特点是在一瞬间能将相同的或不同的金属牢 固 地 焊 接 在 一 起[１Ｇ４].爆 炸 焊 接 金 属 复 合板的质量主 要 取 决 于 所 采 用 的 焊 接 工 艺 参 数,常使用 脉 冲 反 射 式 超 声 波 探 伤 仪 进 行 检 测 和 判断[１].然而,进一步的界面分析表明,许多界面处存在的微观 缺 陷 无 法 使 用 超 声 波 探 伤 仪 检 出,但这些微观缺 陷 会 影 响 到 金 属 复 合 板 的 力 学 性 能、使用寿命和后续加工性能[１,５].爆炸焊接复合板的界面处主要存在微缝隙、空洞、飞线 (也 称 绝 热 剪 切 线)、半 岛、全 岛 等 微 观 缺陷[１,５].此外,界面区还存在熔化现象[１,３Ｇ４],这使得该区域出现了５~３０μm 的过渡区.当焊接参数不当时,界面区会出现过熔化缺陷,导致波状界面处的过渡区域变宽,达到３０μm,同时出现更多的空洞和微缝隙[１];当焊接参数合适时,界面区发生少量熔化,有利于复合板的焊合,过渡区宽度仅５μm[３Ｇ４].

目前,研究人员对熔化现象的理论分析已经很深入,然而对微缝隙、空洞、微裂纹等微观缺陷的理论分析

不多.基于此,作者以低碳钢Ｇ不锈钢和低合金钢Ｇ不锈钢爆炸焊接复合板为研究对象,分析了在结合界面处存在的空洞、微缝隙、微裂纹等缺陷,以及作者新发现的复合板热轧后形成的夹层缺陷.

１ 试样制备与试验方法

试验用覆板为３０４不锈钢板,出厂状态为热轧加固溶处理,尺寸为３０００mm×１５００mm×８mm;基

板分别为 Q２３５A 低碳钢板和 Q３４５(１６Mn),Q４２０(１５MnVN)低合金钢板,出厂状态均为热轧加正火

处理,尺寸为３０００mm×１５００mm×３０mm.覆板和 基 板 的 化 学 成 分 见 表 １.Q２３５A 低 碳 钢,１６Mn、１５MnVN 低合金钢和３０４不锈钢的断后伸长率分别为２５％,２１％,１８％,４３％.炸药为２＃ 岩石硝铵炸药,爆轰波速度(简称爆速)vd 可调,控制在２０００~３５００ m??s－１ 之 间,按 照 导 特 里 什 法测定.

根据文献[３Ｇ４]对覆板和基板进行表面净化处理:先用稀硫酸及稀碱液进行清洗,再以手提砂轮机和钢丝轮刷对待结合面进行机械打磨,最后用清洁干燥的抹布清洁.用铁锹将湿细沙堆成高度为２００~３００mm 的４５°梯形台,顶面基本水平,且比基板面积略大,并尽量用铁锹将细沙拍实.然后,将基板吊放到沙堆上,并保持沙堆的既定形状,无歪斜且没有无支撑的空隙.将基板待焊表面用砂布再次擦拭一遍,并用酒精擦拭,以保持表面洁净.在基板上基本等距的条件下,放置弯折成 V 型的纯铝支垫做间隙支撑.将待焊接的覆板表面用细砂布擦拭,酒精清洗后,吊放在基板上.用毛刷在覆板表面均匀涂刷水玻璃,以在爆炸焊接时缓冲爆炸载荷,保护覆板表面免于氧化及损伤.将纸质炸药框放置在覆板上,炸药框外缘与覆板平齐,用铝制铁锹将主炸药均匀加入炸药框内,保证各处炸药厚度基本相同.在覆板的起爆位置布放３５gTNT 引爆炸药,然后将雷管插入引爆炸药的中心位置并与覆板表面接触,引爆电雷管和炸药,进行钢板爆炸焊接,爆炸焊接瞬间状态如图１所示.图中:１/４vd 为爆炸产物速度;α为预置角(又叫安装角);vp 为覆板下落速度;vcp为碰撞点S 的移动速度(即焊接速度);va 为碰撞点前方气体的排出速度;β为碰撞角;γ 为弯折角.爆炸焊接完成后,对复合板表面进行清洁处理,机械校平并切边.将３０４不锈钢板和 Q２３５A 低碳钢板、１６Mn低合金钢板和１５MnVN 低合金钢板爆炸焊接成的复合板分别简称为 Q２３５AＧ３０４、１６MnＧ３０４、１５MnVNＧ３０４复合板.利用１２７１型超声波探伤仪进行探伤,采用频率为２．５MHz的１３ mm×１３ mm K１单晶横波斜探头.将爆炸焊接复合板在１０５０~１１５０℃保温１h,并保持温度在９２０℃以上热轧到厚度为４~１０mm,总压下率为８０％~９０％.从外观良好的复合板中间部分相隔一定间距制取了总样本长度为１００mm 的金相试样,每个金相试样长约１０mm 至２０mm 不等,且须保证其中一个断面平行于爆炸焊接方向.金相试样用４％(体积分数)硝酸酒精腐蚀后,使用 SＧ３４００N 型扫描电镜(SEM)观察其结合界面的微 观 形 貌,用 附 带 的EMAXＧ２５０型 X射线能谱仪(EDS)进行成分分析.通过SEM 观察,记录在界面区发现的所有微裂纹的长度,将裂纹总长度与总样本长度之比记为裂纹率.

２ 试验结果与讨论

２．１ 空洞和微缝隙

由图２可见,在１６MnＧ３０４复合板结合界面处的３０４不锈钢和１６Mn低合金钢基体中均发现了空洞和微缝隙.但是超声波探伤过程中并未发现这些微缝隙和空洞,这是因为微缝隙和空洞的尺寸太小,而试验使用的１２７１型超声波探伤仪理论上能检出的最小缺陷尺寸约为１mm.

由表２可以看出:在１６Mn低合金钢板中空洞(位置a)处的铁元素含量高于该钢基体(位置c)的;３０４不锈钢板中空洞(位置b)处的主要成分也是铁元素,其质量分数高达９３．２４％,而其基体(位置 d)的主要成分(质量分数)为 ７０．８１％Fe,１７．８８％Cr,７．７４％Ni.由此可见,这些空洞是一种疏松状物质,主要成分是铁元素.不论是１６Mn低合金钢板还是３０４不锈钢板,其检测出的碳元素质量分数都远高于标准指标(见表１),这是因为试验所用能谱仪对原子序数小于１１的轻质元素如氢、碳、氧的检测误差较大.但在试验中发现,相同钢板基体中不同位置的碳元素测试值相差不大,即仪器对碳元素的测试误差基本不变,分析时可忽略不计.

一般认为,空洞和微缝隙是由于爆炸焊接界面发生过熔化而导致的.过熔化程度决定了空洞和微缝隙的数量,然而材料产生热软化又是形成金属射流并最终决定是否能成功进行爆炸焊接的必要条件[１Ｇ２],因此不论是哪种复合板,其界面处都或多或少存在着一些空洞和微缝隙.此外,过熔化又与板间距、炸药密度、装药厚度等静态参数有关[１Ｇ２],因此,空洞和微缝隙的数量最终取决于这些静态焊接参数.

２．２ 微裂纹

由图４可以看出:爆炸焊接复合板的界面呈波浪状,界面长度比原平板更长;在靠近塑性较差的１６Mn低合金钢一侧的１６MnＧ３０４复合板界面区出现了微裂纹,图４(a)和 (b)中 的 微 裂 纹 长 度 分 别 约 ５００,６００μm,这些微裂纹无法被超声波探伤仪检出.由断后伸长率的大小可知,基板按塑性由大到小 排 序 为 Q２３５A 低 碳 钢、１６Mn 低 合 金 钢、１５MnVN 低合金钢.由表３可以看出,爆速越高或基板塑性越差,复合板的微观裂纹率越高.当爆速为３３６０ m??s－１ 时,１５MnVNＧ３０４复合板中还存在一些超声波探伤仪可检出的裂纹,制样时剖取的部位包含了这些裂纹,因此其裂纹率较高.界面处的基板和覆板在爆炸焊接时均发生了大量塑性变形.３０４ 不锈钢(覆板)的断后伸长率 为４３％,塑性较好,因此不容易产生微裂纹.在较低爆速下,基板可以发生塑性变形来补偿界面长度的增加,因此不容易产生微裂纹.例如在２３８０ m??s－１下,改变预置角(安装角)、板间距、基板和覆板表面粗糙度等静态参数时,３种复合板界面区均未产生微裂纹.而当爆速较高时,基板来不及发生塑性变形以补偿界面长度的增加,导致发生剪切变形从而产生了明显的微裂纹.

需 要 指 出 的 是,微 缝 隙 (seam/gap)和 微 裂 纹(microcrack)有着本质区别:从尺寸上看,微裂纹比微缝隙更长,如图４中微裂纹的长度至少在５００μm以上,而图２中微缝隙的长度仅约１０μm;从产生机理看,微裂纹主要受爆速和材料塑性的影响,而微缝隙与爆速及材料塑性之间的关系不大,主要受界面过熔化的影响[１].由于此类裂纹分布在界面处,严重影响了基板和覆板的复合质量,在受热等条件下会导致复合板以此处为裂纹源而开裂分层,因此在实际生产中应极力避免微裂纹的出现.

２．３ 复合板轧制后的夹层缺陷

部分低合金钢Ｇ３０４不锈钢复合板在轧制后,在界面处不锈钢一侧出现了“脊背状”凸起,以１６MnＧ３０４复合板为例进行分析,如图５(a)所示.该金相试样使用体积分数为４％的硝酸酒精腐蚀,“脊背状”凸起实际上是低合金钢被硝酸酒精腐蚀而不锈钢未被腐蚀而形成的,由此可推断该“脊背状”凸起的成分应该和基板即１６Mn低合金钢的接近,该“脊背状”凸起可被称为夹层缺陷.由图５(b)可以看出,铁、铬、镍元素的含量在夹层缺陷区出现跳跃性变化.对图５(a)夹层缺陷(位置１)进行EDS点分析后可知,该处的铁元素质量分数较高,为９５．７２％,锰、硅、碳质量分数分别为１．５２％,０．３３％,２．４３％,铬元素和镍元素均未被检出.位置１处的锰元素和硅元素含量与１６Mn低合金钢板的成分接近,说明该夹层是从基板侧“迁移”而来的.

若工艺参数不当,在爆炸焊接复合板中可能会出现“全岛”或“半岛”缺陷[５].但作者制取的所有复合板试样在轧制前均未观察到“全岛”或“半岛”缺陷,因此,夹层缺陷并不是由“全岛”或“半岛”缺陷导致的,而是由于轧制而产生的一种全新的缺陷.

给水的,Fe２＋ 通过氧化膜的速率也会降低,试验管的FAC速率约为NH３ 工况下的１/９.采用ETA＋NH３(质量比１∶１)作为二回路碱化剂时,MSR疏水的pH(２５ ℃)与 给 水 的 相 同,试 验 管 的 FAC 速 率 约 为NH３ 工况下的１/６.基于本试验结果,对国内某核电厂 １＃ 机 组 二 回 路 水 化 学 工 艺 进 行 了 优 化,用ETA＋NH３ 混合碱化剂代替纯 NH３ 碱化剂,MSR疏水管的FAC得到较好的抑制,疏水中铁的质量浓度大幅度下降,从上个循环的８~９μg??L－１ 降至约１．５μg??L－１.

３ 结 论

   (１)在１５０ ℃静态浸泡条件下,采用 ETA 和NH３ 两种碱化剂时,TU４８C钢的均匀腐蚀速率较接近,均随 腐 蚀 时 间 的 延 长 而 降 低;在 ETA 溶 液中腐蚀后试样表面氧化膜中的氧化物颗粒大小均匀,氧化膜 完 整 致 密;在 NH３ 溶 液 中 腐 蚀 后 试 样表面的氧化 物 颗 粒 尺 寸 差 异 较 大,氧 化 膜 致 密 性相对较差.

(２)在１５０ ℃流动加速腐蚀条件下,采用 NH３碱化剂时,TU４８C 钢的 FAC 速率最大,为１．９４g

dm－２??a－１;采用 ETA 碱化剂时的 FAC速率最小,为０．２２g??dm－２??a－１;采用 ETA 与 NH３ 混合碱化时,FAC 速 率 介 于 上 述 二 者 之 间,为 ０．３３g??dm－２??a－１.

(３)压水堆核电厂二回路使用 ETA 碱化剂或者 ETA＋NH３ 混 合 碱 化 剂,可 以 缓 解 二 回 路 的FAC问题.

夹层缺陷的出现,与焊接时出现的波浪状界面有关.当结合界面局部区域的波高较高、波长较小时(波高和波长受爆炸焊接静态参数的影响[１]),在轧制过程中,塑性较差的低合金钢容易被塑性较好的３０４不锈钢包裹,被包裹的低合金钢逐渐离开基体从而形成夹层.此外,在试验中还发现,这种夹层缺陷的数量还与热轧工艺有一定的关联.当改变热轧开轧温度、终轧温度等参数时,夹层缺陷的数量会发生变化.例如,当复合板结合界面的波高较高、波长较小时,采用在１１５０~１２００ ℃保温１h,开轧温度控制在１１００~１１５０℃并保持终轧温度在９５０ ℃以上的热轧工艺时,复合板结合界面处观察到的夹层缺陷的数量相对较少;当将开轧温度控制在１０００~１０５０℃,保持终轧温度在８００℃以上时,夹层缺陷的数量相对较多.这是因为不同温度下复合板的塑性不同,变形抗力不同,最终导致夹层缺陷数量的变化.

(4)结构钢Ｇ不锈钢爆炸焊接复合板界面处存在空洞和微缝隙,这些空洞和微缝隙不能通过热轧工艺消除;空洞处的主要成分是铁元素,与其原始钢板的成分有较大差异.

(5)爆炸焊接复合板的界面呈波浪状,界面长度比原钢板的更长;在较高爆速或使用塑性较低基板时,复合板界面处会出现微裂纹,微裂纹率随着爆速的提高或基板塑性的降低而增大.

(6)爆炸焊接复合板在热轧后,局部区域会出现夹层缺陷;夹层缺陷位于３０４不锈钢板(覆板)一侧,其成分则与基板的相近,这些夹层缺陷与界面的形状和热轧工艺有关.

(文章来源：材料与测试网-机械材料工程)