耐磨金屬爆炸焊接復(fù)合板的研究

夏金民,黃文堯

(1.安徽理工大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院,安徽 淮南 232001;2.鄭州宇光復(fù)合材料有限公司,河南 鄭州 450001)

0 引言

磨損是材料破壞的主要形式,而且不可避免,盡管不像腐蝕和疲勞破壞那樣會引起金屬工件災(zāi)難性危害,但其造成的經(jīng)濟(jì)損失相當(dāng)驚人。每年我國因磨損消耗的鋼材達(dá)百萬噸,一些工業(yè)發(fā)達(dá)國家,磨損造成的經(jīng)濟(jì)損失約占國民經(jīng)濟(jì)總產(chǎn)值的4%[1]。為了綜合利用材料良好的力學(xué)性能和耐磨性能,通常是在普通碳鋼板或不銹鋼鋼板表面堆焊或噴涂一層耐磨材料。在實(shí)際生產(chǎn)過程中,耐磨復(fù)合鋼板生產(chǎn)效率低,生產(chǎn)板幅受限制,而且耐磨金屬脆性高,在焊接應(yīng)力作用下會產(chǎn)生裂紋和瓢曲,并且會出現(xiàn)復(fù)層厚度不均勻、拉痕等不良現(xiàn)象。

爆炸焊接是制造雙金屬或多金屬包覆材料的新技術(shù),其基本原理是炸藥爆炸產(chǎn)生巨大的能量作用于復(fù)板,使其與基板產(chǎn)生高速斜碰撞,碰撞時產(chǎn)生金屬射流,使二者產(chǎn)生固相擴(kuò)散和熔化焊合[2]。爆炸焊接一般適用于進(jìn)行大面積或難焊金屬材料的復(fù)合。

筆者通過分析爆炸焊接中耐磨金屬在受到強(qiáng)沖擊載荷作用時,發(fā)生層裂和角裂現(xiàn)象的機(jī)理,系統(tǒng)性地優(yōu)化炸藥配方、調(diào)整爆炸焊接參數(shù),以及設(shè)置隔離應(yīng)力槽,設(shè)計并進(jìn)行爆炸焊接實(shí)驗(yàn),采用UT檢測、力學(xué)性能檢測、硬度檢測和金相檢測相結(jié)合的綜合檢測方法,對爆炸焊接實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行檢測。

1 耐磨金屬爆炸焊接裂紋產(chǎn)生機(jī)理

應(yīng)力波引起的材料破壞現(xiàn)象與靜載荷引起的破壞現(xiàn)象不同,在爆炸焊接過程中,耐磨鋼板在高速的、強(qiáng)大的爆炸沖擊載荷作用下表現(xiàn)出很大的脆性,應(yīng)力波傳到耐磨板材自由邊界時反射并與其疊加引起脆性耐磨材料層裂和角裂[3]。

層裂是壓縮應(yīng)力波傳遞至自由面后反射形成拉伸應(yīng)力波,二者相互疊加達(dá)到材料的動態(tài)斷裂準(zhǔn)則,造成材料斷裂的現(xiàn)象。大多數(shù)脆性材料能承受相當(dāng)大的壓應(yīng)力而不致被破壞,但不能承受同樣強(qiáng)度的拉應(yīng)力,因此對于脆性材料而言更容易出現(xiàn)層裂現(xiàn)象。裂紋出現(xiàn)以后就會形成新的自由面,壓縮波未反射的剩余部分將在層裂形成的新自由面發(fā)生新的反射,產(chǎn)生多次層裂。脆性桿件層裂試驗(yàn)如圖1所示。

圖1 脆性桿件層裂試驗(yàn)

角裂一般發(fā)生在角部,壓縮應(yīng)力波向物體角部傳播,會在角部所在的兩個邊部自由面各自發(fā)生反射,當(dāng)兩側(cè)反射波向物體內(nèi)部傳播相遇時,會產(chǎn)生更高的拉應(yīng)力進(jìn)而造成物體破裂,如圖2所示。

圖2 壓縮波在物體直角處引起的角裂

層裂和角裂是耐磨金屬材料爆炸焊接時最容易發(fā)生的缺陷種類。這種缺陷的產(chǎn)生給爆炸焊接生產(chǎn)企業(yè)帶來了極大的制造風(fēng)險和成本浪費(fèi),產(chǎn)品質(zhì)量存在技術(shù)隱患。因此,通過改進(jìn)生產(chǎn)工藝和優(yōu)化爆炸焊接參數(shù),解決耐磨金屬材料爆炸焊接問題具有十分重要的意義。

2 實(shí)驗(yàn)材料與方法

2.1 原材料準(zhǔn)備

1)復(fù)層材料

NM400 是一種高強(qiáng)度耐磨鋼板,其機(jī)械性能是普通低合金鋼板的3～5倍,耐磨損性能顯著,該實(shí)驗(yàn)所用NM400 板材力學(xué)性能如表1所示,規(guī)格為6 mm×1 260 mm×2 460 mm。

表1 NM400耐磨材料的力學(xué)性能

2)過渡層材料

S30408 材料硬度介于耐磨板和碳鋼板之間,有效起到過渡連接作用,其力學(xué)性能如表2所示,規(guī)格為3 mm×1 260 mm×2 460 mm。

表2 S30408材料的力學(xué)性能

3)基層材料

Q245R 鍋爐壓力容器鋼板價格低廉,因其具有良好的力學(xué)性能被廣泛應(yīng)用于石油石化行業(yè)、化工設(shè)備制造企業(yè)、電站建設(shè)、鍋爐和壓力容器制造等領(lǐng)域,Q245R 材料力學(xué)性能如表3所示,規(guī)格為9 mm×1 200 mm×2 400 mm。

表3 Q245R材料的力學(xué)性能

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

1)下料

NM400 鋼板在熱切割過程中容易產(chǎn)生延遲裂紋,這主要是因火焰或等離子切割過程中形成的各種殘余應(yīng)力綜合作用于鋼板中心缺陷部位造成的。該缺陷在爆炸的強(qiáng)大沖擊載荷作用下容易擴(kuò)大延伸,影響復(fù)合板質(zhì)量,因此對于耐磨板,建議采用冷切割,如水切割、鋸床鋸割等。但對一般的爆炸焊接復(fù)合板廠家來說,其設(shè)備的投入和生產(chǎn)成本有所提高。針對目前復(fù)合板廠家現(xiàn)有的等離子切割設(shè)備,將預(yù)熱和低速切割方法結(jié)合使用,以此來降低切割裂紋產(chǎn)生的幾率。此外,為減少反射拉伸波造成金屬板材邊部層裂和角部撕裂的情況,均勻地在耐磨金屬板材邊緣設(shè)置隔離應(yīng)力槽,以阻斷反射拉伸波傳播路徑,降低拉伸波對板材主體的影響。與此同時,隔離槽也是板材的薄弱點(diǎn),隔離槽平直均勻,因此在爆炸后復(fù)板邊緣會被整齊切除,不會出現(xiàn)豁口及撕裂現(xiàn)象。

2)表面處理

在爆炸焊接實(shí)際生產(chǎn)過程中,基板、復(fù)板表面處理質(zhì)量越高,也就是通常所說的“平、光、凈”,爆炸焊接結(jié)合率和結(jié)合性能就越好,成品率也就越高?；?、復(fù)板表面處理要求:待結(jié)合面無凹坑、無油污、無氧化皮等,板面平整且呈現(xiàn)金屬光澤?；?、復(fù)板現(xiàn)場安放前,待結(jié)合面務(wù)必用丙酮或酒精擦拭干凈,以確保爆炸焊接結(jié)合質(zhì)量[4]。

3)炸藥配制

炸藥是爆炸焊接能量的來源,炸藥能在一定的外界作用下,發(fā)生急速的化學(xué)反應(yīng),放出大量的熱并生成大量的氣態(tài)物質(zhì),對周圍的介質(zhì)形成高壓,驅(qū)動復(fù)板與基板產(chǎn)生碰撞,通常爆炸焊接用炸藥應(yīng)具備以下性能特點(diǎn):

a.炸藥為細(xì)小顆粒狀,流散性好,便于布藥,與復(fù)合金屬表面貼合緊密；

b.均勻性好,爆速和傳爆穩(wěn)定,爆速通常為2 000～2 600 m/s；

c.炸藥猛度為8～10 mm；

d.來源廣,成本低,成分易調(diào)節(jié)。

目前國內(nèi)生產(chǎn)的粉狀工業(yè)炸藥爆速為3 200～3 800 m/s,猛度為12～16 mm,因此需要通過在炸藥中添加稀釋劑F 和密度調(diào)節(jié)劑M,用以改善炸藥爆炸性能[5-6],使其滿足該實(shí)驗(yàn)NM400+S30408+Q245R 爆炸焊接的需求。爆炸焊接參數(shù)如表4所示。

表4 爆炸焊接參數(shù)

4)爆炸焊接

基板放置于事先鋪好的炮臺表面,炮臺高度為200 mm 左右,軟硬均勻且表面平整。在放置復(fù)板時需將隔離應(yīng)力槽與基板邊緣對齊,不能偏向一邊,以避免由于放置偏移導(dǎo)致邊緣爆炸時難以脫落,造成邊緣缺陷[7]。爆炸現(xiàn)場基復(fù)板裝配如圖3所示。

圖3 現(xiàn)場基復(fù)板裝配圖

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 UT檢測

復(fù)合板 UT 檢測參照NB/T 47013.3—2015 有關(guān)規(guī)定,掃查方式采用100%掃查[9],結(jié)合區(qū)和缺陷區(qū)波形如圖4和圖5所示。

圖4 結(jié)合區(qū)UT檢測波形

圖5 缺陷區(qū)UT檢測波形

板材爆炸后現(xiàn)場進(jìn)行UT 檢測,檢測結(jié)果如下:復(fù)合板雷管區(qū)直徑為40 mm,板頭40～60 mm內(nèi)存在缺陷,其他區(qū)域100%結(jié)合,板邊及四角未發(fā)現(xiàn)裂紋,整體爆炸質(zhì)量良好,能夠完全滿足國標(biāo)要求。板頭缺陷是由于壓縮應(yīng)力波傳遞至自由面后反射形成拉伸應(yīng)力波所致,本文中所使用的爆炸焊接參數(shù)能夠減弱這種現(xiàn)象,從而有效地避免了層裂發(fā)生,如圖6所示。

圖6 現(xiàn)場UT檢測后的復(fù)合板

3.2 力學(xué)性能檢測

NM400+S30408+Q245R 爆炸復(fù)合板材經(jīng)過拉伸、彎曲、分離、剪切檢測,其結(jié)果如表5所示。

表5 復(fù)合板力學(xué)性能檢測結(jié)果

由表5可見,復(fù)合板力學(xué)性能檢測結(jié)果完全達(dá)到并超過國標(biāo)GB/T 8165—2008 要求,力學(xué)性能優(yōu)異。通過力學(xué)性能反映出,炸藥爆炸做功后的有效能量作用在了復(fù)合板界面處,而不是散發(fā)在邊角形成角裂。所以文中選擇的炸藥參數(shù)較為合理。

3.3 硬度檢測

用便攜式硬度計對NM400 表面進(jìn)行測量,測量前需要將測量位置清理干凈,測量結(jié)果如表6所示。測試點(diǎn)在板面隨機(jī)選取,從測量結(jié)果可以看出,爆炸焊接后表層硬化作用不明顯,沒有破壞NM400 材料的高強(qiáng)度和耐磨性能。

表6 耐磨層表面硬度

3.4 金相檢測

爆炸焊接的界面呈現(xiàn)波狀結(jié)合,大波狀結(jié)合過渡區(qū)域太寬易形成結(jié)合區(qū)縫隙、空洞物等微觀缺陷,對爆炸焊接質(zhì)量造成不良的影響；界面波分布均勻性越好,波形一致,其界面的結(jié)合強(qiáng)度越高[10]。通過金相觀察:S30408/Q245R 界面波長500～600 μm,波幅 300～400 μm；NM400/S30408界面波長300～400 μm,波幅100～150 μm；波形大小合適且分布均勻,在界面附近未發(fā)現(xiàn)明顯的空洞和縫隙,兩側(cè)金屬微觀組織結(jié)構(gòu)狀態(tài)未發(fā)生改變；從微觀角度也更好地反映了耐磨復(fù)合板力學(xué)性能良好。S30408/Q245R 和 NM400/S30408 結(jié)合界面金相如圖7所示。

圖7 界面金相檢測

4 結(jié)論

通過炸藥配方、爆炸焊接參數(shù),以及設(shè)置隔離應(yīng)力槽的優(yōu)化設(shè)計和實(shí)驗(yàn),成功制得結(jié)合性能優(yōu)異的耐磨金屬爆炸焊接復(fù)合板。該優(yōu)化工藝參數(shù)為采用爆炸焊接法制造耐磨金屬復(fù)合板提供了一條思路,具有借鑒意義。