銅/不銹鋼加筋板爆炸焊接工藝實驗

陳壽軍，段綿俊，周景蓉，黃 文

（1.南京三邦新材料科技有限公司，南京211155；2.南京炮兵學院 自行火炮系，南京211132）

銅/不銹鋼加筋板爆炸焊接工藝實驗

陳壽軍1，段綿俊2，周景蓉1，黃 文1

（1.南京三邦新材料科技有限公司，南京211155；2.南京炮兵學院 自行火炮系，南京211132）

隨著我國核電新能源的發(fā)展，新型材料的需求也在不斷的增加，銅/不銹鋼加筋板是其中一種，具有重要工程應用價值，目前無法用常規(guī)的冷、熱加工工藝進行生產。通過爆炸焊接法，采用一種新的“凸臺式”裝藥形式，在支撐模板設計及其填充方案、工裝等方面進行了深入研究，優(yōu)化了焊接參數(shù)，并對成品的結合界面進行了剪切強度測試、金相觀測、電鏡掃描和顯微硬度測試。檢測結果表明：銅/不銹鋼焊接結合面為波狀冶金結合界面，在波峰兩側存在含金屬氧化物的“冠狀”漩渦，結合界面附近的晶粒被拉長變細，顯微硬度顯著升高，界面結合強度超過銅材。

爆炸焊接；雙金屬材料；加筋板；結合界面

1 引言

一種聚變設施的建設需要具有良好的導電性、導熱性和厚6 mm的大面積加筋板，該加筋板的面板選用銅合金材質，并在面板上設計了多道316L不銹鋼加強筋以提高該加筋板的整體強度。該設計滿足了設備的特殊要求，但是給制備帶來了困難。

該銅/不銹鋼加筋板屬于金屬復合材料，難以采用常規(guī)的金屬復合技術制備。譬如：熔焊法操作簡單，可大規(guī)模生產，但僅適用于焊接性能相近的異種材料，而銅/不銹鋼焊接時因熔點相差較大、導熱性相差太大，焊接頭容易產生宏觀裂紋。此外，銅、鋼熔融后易生成金屬脆性化合物，焊接頭結合強度低且易發(fā)生脆性斷裂﹝1﹞；釬焊法需在焊接界面引入熔點較低的釬焊劑，其界面結合強度差，耐熱性差，不能用于耐熱重載結構件的制備﹝2﹞；熱等靜壓法受設備容積所限，不能制備大面積的銅/不銹鋼加筋板，且其成本高昂，難以大面積推廣﹝3﹞。從上述可知，大面積銅/不銹鋼加筋板，尚未有成熟的制備工藝和技術。而爆炸焊接具有焊接強度高、適用于大面積板材焊接的優(yōu)點，可考慮用于大面積銅/不銹鋼加筋板的制備。

目前，爆炸焊接制備的雙金屬材料雖多，但主要局限于雙金屬復合板、管與棒材的制備﹝4-6﹞，關于加筋板的爆炸焊接研究鮮有報道，其原因在于加筋板的爆炸焊接與常見板材的爆炸焊接存在較大差異，因此難以實現(xiàn)﹝7﹞。

本文在模板設計及其填充方案、裝藥形式等方面進行了不斷地探索，克服了以上技術難題，運用爆炸焊接技術成功制備了一種銅/不銹鋼加筋板（見圖1），并對其焊接界面進行了深入研究。

圖1 加筋板爆炸焊接照片F(xiàn)ig.1 Photo of explosion welding ribbed plate

2 實驗方法

2.1 實驗材料

面板尺寸為800 mm×500 mm×6 mm，材質為銅合金；筋板的尺寸為800 mm×12 mm×15 mm，材質316L不銹鋼。兩種材料的化學成分見表1。

表1 爆炸焊接實驗材料的成分Table 1 Chemical composition of explosion welding material

炸藥為乳化炸藥，其爆速約為3 600 m/s，經添加適當比例的珍珠鹽后，其爆速下降為2 450～2 500 m/s。

2.2 支撐模板設計及其填充方案

加筋板的爆炸焊接以筋板為基板，以面板為復板，筋板間需填充支撐模板。首先，支撐模板應選用與筋板強度相近的材料，否則將會導致面板凹陷或毀壞；第二，經爆炸沖擊后，筋板和支撐模板均延展變形，易相互夾持。因此填充模板時，筋板和模板間應預留一定間隙，但該間隙不能過大，否則沖擊力將會導致面板凹陷甚至損壞。

根據(jù)以上分析結果，優(yōu)選了45號鋼板作為填充模板材料。經統(tǒng)計，筋板沖擊后變寬量約為5%，因此筋板與支撐模板間隙應為筋板寬度的2.5%。

在此基礎上設計了加筋板的實驗工裝如圖2所示。在沙石地基上設置一個厚為20 mm的鋼墊板，將支撐模板和筋板分別固定在鋼墊板上，兩者間隙約為支撐模板寬度的2.5%；在支撐模板上放置間隙柱，并將面板置于間隙柱上，再在面板上表面布設裝藥和雷管。

圖2 爆炸焊接裝置示意圖Fig.2 Schematic diagram of explosion welding set-up

2.3 凸臺式裝藥

在常見的板與板爆炸焊接中，炸藥是平面布置的，炸藥被引爆后，迅速在平板表面形成穩(wěn)定爆轟，推動復板形成適當撞擊角與基板猛烈撞擊；當復板速度和撞擊角度達到適當焊接條件時，兩金屬表面形成射流，并焊接在一起。

而在筋板與面板的爆炸焊接實驗中，平面裝藥使得面板的非焊接區(qū)也激發(fā)了射流，雖然在防焊劑的作用下，該區(qū)域沒有和模板焊接，但射流使得非焊接區(qū)面板也產生大量的金屬積瘤狀組織，破壞了面板表面。因此，為了減少非焊接區(qū)的碰撞能量，需要采用一種新型的“凸臺式”裝藥。

凸臺式裝藥裝置（見圖2）的主要特點是非焊接區(qū)裝藥（基礎裝藥）和非焊接區(qū)裝藥（加強裝藥）高度不一致，基礎裝藥為推動整個復板運動提供了基本能量，而加強裝藥使得焊接區(qū)面板達到了焊接所需的高速碰撞和適當碰撞角。該裝藥技術大大減少了非焊接區(qū)的碰撞強度，使其不受射流的侵害。

2.4 爆炸焊接參數(shù)優(yōu)選

對于平板爆炸焊接而言，為了獲得良好的爆炸焊接質量，應合理選擇兩個關鍵性參數(shù)：裝藥厚度de和基、復板間隙s，并有大量的經驗公式對其爆炸焊接參數(shù)進行估算﹝4-8﹞。

然而加筋板的裝藥參數(shù)更為復雜，包括基礎裝藥de1、加強裝藥de2與間隙s，其裝藥參數(shù)的選擇無經驗可循。不過以往研究表明，6 mm銅板的加強裝藥的厚度de2約為55 mm，間隙為12 mm。因此，基礎裝藥的厚度de1與加強裝藥的厚度de2之間的比例k可采用實驗確定。

根據(jù)實際經驗，比例k的取值范圍為0.7～1，實驗參數(shù)和結果如表2及圖3所示。

表2 不同基礎裝藥與加強裝藥比例優(yōu)選實驗結果Table 2 Experimental results of optimization of basic and strengthen loading

圖3 不同基礎裝藥與加強裝藥比例的實驗結果Fig.3 Experimental results of basic and strengthen loading

根據(jù)表2和圖3可知：

（1）當k＝0.7時，一根肋板沒有與面板發(fā)生焊接，只在面板上留下了碰撞痕跡；另一根肋板雖實現(xiàn)了焊接，但焊接強度不高，如圖3（a）所示。焊接失敗的原因：在復板的運動過程中，由于凸臺式裝藥的k過小，加強裝藥區(qū)面板受到非加強區(qū)裝藥的影響，加強裝藥區(qū)面板的碰撞速度和碰撞角發(fā)生了改變，達不到射流激發(fā)條件，焊接能量有所減少，導致肋板焊接失敗。

（2）當k＝0.8時，面板和肋板實現(xiàn)了焊接，面板的光潔度非常好，支撐內模也順利的脫離了空腔。面板整體沒有明顯的變形，如圖3（b）所示。

（3）當k＝0.9時，面板和肋板也實現(xiàn)了焊接，但是面板的下表面出現(xiàn)了麻點和凸凹不平，靠近肋板區(qū)域的面板凸凹不平更為嚴重，如圖3（c）所示。這種現(xiàn)象說明，當k＝0.9時，爆炸焊接中，靠近肋板區(qū)域的基礎裝藥區(qū)的載荷也達到了射流條件，使得碰撞中也激發(fā)了部分射流，因此導致了面板的損壞。

（4）當k＝1時，即在等厚度裝藥條件下，非焊合區(qū)面板內表面產生了大量的波紋和金屬積瘤如圖3（d）所示。這種波紋和金屬熔化現(xiàn)象在爆炸焊接復合板結合界面的情況十分相似。曾經有研究人員將爆炸復合板的復合層剝離，在復合層上也發(fā)現(xiàn)了類似的波紋﹝8﹞。分析其原因，等厚度裝藥使得非焊合區(qū)面板也達到了焊接條件，因此在碰撞中也激發(fā)了射流，雖然在防焊劑的作用下，該區(qū)域沒有和模板焊接，但是射流在非焊合區(qū)面板內表面留下了爆炸焊接特有的波紋和金屬熔化現(xiàn)象，破壞了面板內表面。因此，等厚度裝藥對于肋板構件是有害的，且是應該極力避免的。

實驗結果表明，當k＝0.8時，加筋板的焊接效果最佳。

2.5 技術檢驗

為檢驗加筋板的焊合質量，采用超聲探傷儀對b試板的復合率進行了檢驗，并在筋板的首、尾和中間位置取樣進行了剪切實驗以檢驗焊合強度，最后對b試板結合界面進行了金相組織分析、電鏡掃描（SEM）檢驗和顯微硬度測試。

3 實驗結果及分析

超聲探傷顯示，b試板的各筋板與面板復合率達到95%以上；各筋板的平均界面剪切強度達到345 MPa，且試樣的剪切破壞均發(fā)生在銅材上，說明爆炸焊接界面經過劇烈的塑性變形，得到了強化，其界面結合強度超過了銅材的強度，該結果與前人研究一致﹝7-8﹞。

微觀硬度測試結果如圖4所示。

圖4 顯微硬度測試結果Fig.4 Test result of microhardness

測試表明，靠近爆炸焊接界面的微觀硬度數(shù)值上升非常明顯，說明爆炸焊接中，強烈碰撞使得結合界面經受了強烈變形，產生了應力聚集。從圖4中還可以看出，遠離界面1 mm后，組織的微觀硬度保持了基本穩(wěn)定，說明材料內變形主要局限在1 mm范圍內，爆炸焊接對于遠離焊接界面的金屬材料組織基本無影響。

圖5為銅/不銹鋼結合界面的金相照片，圖6為銅/不銹鋼結合界面中一個典型的波狀界面的SEM照片。

圖5 銅/不銹鋼結合界面的金相照片F(xiàn)ig.5 OM figures of Cu side and 316L SS side of explosive welding interface

從圖5、圖6可以看出，在波峰兩端存在明顯的冠狀漩渦。將漩渦進一步放大觀察，發(fā)現(xiàn)漩渦中主要為熔融后重結晶的金屬混合物（見圖6b及圖6c），且在漩渦內有夾雜的金屬顆粒（見圖6c），該現(xiàn)象和金相檢驗結果相一致。此外，在熔融后的晶體中有氣孔（見圖6d），表明熔融金屬的再結晶冷卻速度非常快，金屬液中部分氣體在凝固過程中來不及溢出，在晶體內部形成了氣孔。

圖6 結合界面SEM照片F(xiàn)ig.6 SEM image of interface

利用SEM電鏡，對漩渦中的熔融后重結晶的金屬混合物進行元素掃描分析，掃描位置見圖6b，掃描結果見圖7。

圖7 普通銅/鋼爆炸焊接界面與漩渦附近元素面掃描結果對比Fig.7 Comparison of scanning results of Cu Fe element between ordinary copper/steel explosive welding interface and near vortex

分析EDS元素掃描結果，發(fā)現(xiàn)漩渦的混合物的成分為銅合金和316L不銹鋼的主要元素，并含有質量比重為8%的氧元素，表明該混合物包含部分金屬氧化物，如表3所示。

表3 漩渦中的金屬元素含量Table 3 Chemical composition of material of vortex

該分析結果表明，漩渦中的混合物來自于復板和基板的濺射射流，且包含部分被射流從板材表面沖刷、剝離的金屬氧化物。而金屬氧化物會降低結合界面的強度和韌性，使得構件易發(fā)生脆性斷裂，應盡力避免。

從圖7中可以看出，在漩渦區(qū)鐵銅元素有明顯的混雜現(xiàn)象。由于跟氧化物一樣，銅鐵金屬間化合物會顯著增加材料的脆性，導致材料無預兆的脆性斷裂，引發(fā)嚴重后果，因此，材料混合對焊接質量的影響也是負面的。但是對于爆炸焊接界面而言，絕大部分焊接界面是非融化的銅/鋼直接過渡的界面，只有在波峰的冠狀部分存在小范圍的漩渦，金屬混合的負面影響相對熔焊法（氬弧焊、激光焊、電子束焊等）較小，因此，爆炸焊接的結合強度高于熔焊法。

4 結論

（1）獲得了制備大面積高強度異種材料加筋板的爆炸焊接工藝。

（2）經檢測，爆炸焊接后，結合界面形成了波狀結合界面，界面附近晶體細密，界面結合強度高，體現(xiàn)出明顯的固相結合特征。

（3）爆炸焊接后，由于劇烈的變形，金屬界面兩側的金屬組織的顯微硬度都有大幅的提升，并且離結合界面越近，顯微硬度越高。

（4）金相檢測及電鏡檢測表明，在結合界面附近存在部分熔融后重結晶金屬組織，該金屬組織被捕獲在波峰兩側成為冠狀漩渦，包含部分金屬氧化物，給爆炸焊接界面帶來不利影響，應盡力避免。

（5）雙金屬材料加筋板可適應不同應用環(huán)境并可節(jié)約大量貴重金屬，因此，該爆炸焊接工藝可廣泛推廣于各類異種材料的加筋板制備。

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Explosion welding process experiments of copper/stainless steel reinforcing plate

CHEP Shou-jun1，DUPP Mian-jun2，ZHOU Jing-rong1，HUPPC Wen1
（1.Panjing Sanbom Pew MateriaIs TechnoIogy Co.，Ltd.，Panjing 211155，China；2.Department of SeIf-propeIIed Cuns，Panjing PrtiIIery CoIIege，Panjing 211132，China）

With the development of nuclear power in China，the demand for new materials was also increasing.The copper/ stainless steel plate was also a new material.It had important engineering application value.But it was unable to use conventional cold，hot processing technology for production.Taking the copper alloy panel and 316 L stainless steel plate as a test material，a new"convex table"charge form was applied.Studies on the supporting template design and its filling scheme，the tool and the like were conducted，the welding parameters were optimized，the shear strength test，metallographic observation，electron microscopy and micro-hardness test were conducted in the interface.The test results showed that the copper/stainless steel weld joint surface was wave-like metallurgical bonding interface，that both sides of the peak presented a metal-oxide-containing"crown"vortex，and that the grain in the vicinity of the bonding interface was elongated tapered，micro-hardness was greatly enlarged，and the interface bonding strength was significantly elevated above that of the copper material.

Explosion welding；Bimetallic material；Rib-reinforced plate；Interface

TD235.21

A

10.3969/j.issn.1006-7051.2016.05.018

1006-7051（2016）05-0092-05

2016-04-28

陳壽軍（1978-），男，工程師，從事金屬復合材料的研究和生產。E-mail：sj_chen@duble.cn