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      瀏覽:- 發布日期:2021-11-30 09:17:33【

      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)08G0027G0

      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,壓下率為80%~90%.

          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.


          由圖3可見,15MnVNG304復合板軋制后的界面仍然存在著一些空洞,這說明熱軋工藝未能完全消除爆炸焊接時形成的空洞.


          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.

          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.

          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.



          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 混合堿化劑時,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.


      (文章來源:材料與測試網-機械工程材料 > 2017年 > 8期 > pp.27

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