爆炸復(fù)合板剪切試驗(yàn)的取樣研究

范廣森 陸帥 王常青(南京三方化工設(shè)備監(jiān)理有限公司，江蘇 南京 210036)

0 引言

石化行業(yè)一般都會(huì)涉及腐蝕性介質(zhì)，設(shè)備需用到貴重的高合金材料，若設(shè)備整體使用高合金鋼材料制造，可能難以加工，其價(jià)格也會(huì)非常高，因此從化工容器到電廠煙筒等，金屬?gòu)?fù)合材料已經(jīng)被廣泛應(yīng)用，它可以充分利用基材的強(qiáng)度和復(fù)層的抗腐蝕性，同時(shí)極大地降低成本。復(fù)合板的結(jié)合強(qiáng)度，尤其是基層和復(fù)層之間的剪切強(qiáng)度，是衡量其能否保證產(chǎn)品使用質(zhì)量的關(guān)鍵因素。目前金屬?gòu)?fù)合板的生產(chǎn)方法從總體上可以分為三大類：固-固相復(fù)合法、液-固相復(fù)合法和液-液相復(fù)合法[1]。其中固-固相復(fù)合法中的爆炸復(fù)合法、擠壓復(fù)合法、軋制復(fù)合法使用較多，而基層和復(fù)層的金屬有碳鋼-不銹鋼、碳鋼-鈦材、碳鋼有色金屬乃至不銹鋼-貴金屬材料等種類繁多。

1 標(biāo)準(zhǔn)對(duì)剪切試樣取樣的要求

與復(fù)合板剪切試驗(yàn)相關(guān)的國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)有：ASTM B898《活性難熔金屬?gòu)?fù)合板的技術(shù)規(guī)范》、ASTM A265《鎳和鎳基合金涂層鋼板用標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范》、GB/T6396—2008《復(fù)合板力學(xué)及工藝性能試驗(yàn)方法》，另外，GB/T8547—2006《鈦鋼復(fù)合板》中相關(guān)條目也可以參考。

GB/T 8547—2006《鈦鋼復(fù)合板》6.4條中聲明對(duì)剪切試驗(yàn)的取樣位置和取樣數(shù)量不做規(guī)定。ASTM B898中剪切試驗(yàn)規(guī)范按照ASTM A265施行，而ASTM A265中主要針對(duì)軋制復(fù)合板取樣位置做了要求：取自軋制后鋼板鄰近頭部或者尾部的角上，平行于鋼板的縱軸，或能代表產(chǎn)品實(shí)際最終產(chǎn)品質(zhì)量的位置。ASTM B898補(bǔ)充說(shuō)明S1.4要求：除非有其他要求，剪切試樣位置由制造方?jīng)Q定，并具產(chǎn)品的代表性。

2 焊縫的影響

實(shí)際使用中，基層板多要求使用整板，覆層板多有拼焊使用的情況。本文用于研究的銀復(fù)合板，筒體復(fù)合板銀覆層為5張板4道拼縫，如圖1所示，封頭復(fù)合板銀覆層為3張板3道拼縫，如圖2所示。覆層焊接對(duì)材料性能的影響比較大，在經(jīng)歷了高溫熔化和快速冷卻的過(guò)程后，材料焊縫處力學(xué)性能可能會(huì)與原始板材有較大差異，如鈦板在焊接時(shí)形成馬氏體(α'相)，α相的數(shù)量和性質(zhì)按合金組成和冷卻速度發(fā)生變化，且會(huì)吸收O、N、H、C等導(dǎo)致焊縫中氮氧含量的增加，接頭強(qiáng)度升高，彎曲塑性降低[2]。同時(shí)拼焊板易形成負(fù)的安裝角，導(dǎo)致爆炸復(fù)合過(guò)程射流質(zhì)量減少，產(chǎn)生不結(jié)合現(xiàn)象[3]，因此焊縫處更容易出現(xiàn)缺陷。

圖1 筒體復(fù)合板

圖2 封頭復(fù)合板

銀對(duì)熱量比較敏感，使用Φ2.0的Ag99.99銀焊絲焊接后，受熱區(qū)域會(huì)變的很軟，在同一張封頭復(fù)層銀板(交貨狀態(tài)為Y 硬態(tài))拼焊后切除的邊角余料兩塊，一張有一條焊縫，另一張沒(méi)有焊縫，外形尺寸幾乎一致的直角三角形(直邊300mm×300mm)。用相同的載荷進(jìn)行彎曲，沒(méi)有拼縫受熱保持較高強(qiáng)度，僅產(chǎn)生輕微的變形，而有一條焊縫因?yàn)榻?jīng)受過(guò)焊接熱的影響，銀板材質(zhì)變?nèi)彳洠a(chǎn)生接近180°的彎曲。

從上面可以看出，焊縫區(qū)的復(fù)層板會(huì)有較大的性能變化，且更容易出現(xiàn)缺陷。但復(fù)合板廠取樣時(shí)會(huì)避開(kāi)焊縫及熱影響區(qū)，主要基于三點(diǎn)考慮：

(1)各剪切標(biāo)準(zhǔn)要求剪切試樣應(yīng)具有代表性而非最差部位，而復(fù)層焊縫及熱影響區(qū)只占據(jù)很小一部分區(qū)域，不具有代表性；

(2)起爆點(diǎn)的貼合比較差[4]，這種情況下不能取樣；

(3)對(duì)于銀板和鈦材板，焊縫處材質(zhì)性能變化不一，因此材料變化規(guī)律沒(méi)有普適性，更不具有代表性?？傊?，為了使取樣具有代表性，一般根據(jù)實(shí)際情況選取遠(yuǎn)離焊縫的邊角位置。當(dāng)然，為了盡量保證產(chǎn)品質(zhì)量，應(yīng)減少焊縫拼接，對(duì)于爆炸復(fù)合板，優(yōu)化爆炸復(fù)合工藝，減少起爆點(diǎn)等的不利影響，對(duì)于有特殊要求的，可以對(duì)起爆點(diǎn)等不結(jié)合區(qū)域進(jìn)行針對(duì)性處理[4]。

因此對(duì)覆層帶有拼縫的復(fù)合板，取樣位置推薦如下：應(yīng)遠(yuǎn)離焊縫和熱影響區(qū)，以保證試驗(yàn)結(jié)果具有代表性，對(duì)于受熱就會(huì)產(chǎn)生力學(xué)性能變化的材質(zhì)，還應(yīng)盡量避開(kāi)焊接高溫?zé)崃坑绊懙膮^(qū)域。然而制造方應(yīng)盡量避免拼焊或者減少焊縫數(shù)量，焊接時(shí)應(yīng)控制熱輸入以減少受熱影響區(qū)，焊縫外形和板型也應(yīng)按需修磨和矯形，以減少對(duì)板材復(fù)合的影響。對(duì)于復(fù)合板廠家也應(yīng)對(duì)從焊縫相關(guān)區(qū)域取樣進(jìn)行剪切試驗(yàn)，積累數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)，必要時(shí)應(yīng)將數(shù)據(jù)提供給業(yè)主方，以輔助業(yè)主方后續(xù)的加工制造等。

3 試樣的取樣方向

在ASTM A265的9.3條要求取樣應(yīng)平行于板材長(zhǎng)度方向或者具有代表性的位置(針對(duì)軋制復(fù)合板)，GB/T 6396—2008中6.2.1條僅對(duì)軋制復(fù)合板要求取樣的長(zhǎng)度方向應(yīng)平行于軋制方向。以上標(biāo)準(zhǔn)都沒(méi)有對(duì)爆炸復(fù)合板的取樣方向作要求。

爆炸復(fù)合的界面會(huì)有波紋狀結(jié)合[5]，垂直或者平行于波紋的方向取樣的值差別較大[6]，根據(jù)紋路方向分別取樣，理論上講更為科學(xué)。但實(shí)際爆炸過(guò)程的各種因素是難以精準(zhǔn)控制的，且復(fù)合板面積越大，爆轟波傳播的距離增大，由此產(chǎn)生的爆轟不穩(wěn)定性也不斷增加，導(dǎo)致爆炸的作用效果不盡相同[6]。取實(shí)際爆炸復(fù)合板材界面如下圖。圖3為其橫截面特征。圖4為鈦和不銹鋼復(fù)合板爆炸復(fù)合后，從邊緣處剝?nèi)?fù)層后的基層界面情況。

圖3 20+5mm SA-516Gr.70+SA-240 304L貼合波紋橫截面

圖4 鈦和不銹鋼復(fù)合板剝除復(fù)層的結(jié)合面紋路

因此即使單點(diǎn)起爆，爆炸紋并非以起爆點(diǎn)為中心的形成規(guī)則圓弧，不同位置會(huì)有不同的變形，甚至局部扭曲變形較大。而且實(shí)際取樣時(shí)，無(wú)法直接看到接合面波紋形狀，那么要根據(jù)爆炸波紋方向取剪切試驗(yàn)是不現(xiàn)實(shí)的，所以實(shí)際操作中剪切試樣方向一般也只能根據(jù)板型及余料尺寸進(jìn)行選取，特別是復(fù)層材料為貴重材料時(shí)，僅能從邊角料取樣。對(duì)銀-鋼復(fù)合板，本項(xiàng)目的要求：筒體板取原始樣的規(guī)格為60×700mm，又因參考的標(biāo)準(zhǔn)ASTM B898中要求的剪切試樣長(zhǎng)度為2.5英寸=63.5mm(GB/T 6396—2008要求的試樣長(zhǎng)度為65mm)，故僅能沿著原始樣的長(zhǎng)度方向(實(shí)際為筒體板的寬度方向)取剪切試樣(見(jiàn)圖1、圖2)，未考慮爆炸紋路的影響。

4 結(jié)語(yǔ)

復(fù)合板的剪切試樣取樣位置、取樣的方向會(huì)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果會(huì)產(chǎn)生影響，但是也需要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行考慮：

(1)在取樣時(shí)，雖然焊縫處的缺陷可能性更大，但取樣需具有代表性，因此除非另有要求，一般不在焊縫處取樣。

(2)剪切強(qiáng)度與爆炸紋路有關(guān)，但實(shí)際取樣時(shí)做不到能根據(jù)紋路方向取樣，在有特殊要求時(shí)可以協(xié)商針對(duì)整板的取樣方向。

(3)取樣應(yīng)留有余料，防止試驗(yàn)不合格而能進(jìn)行復(fù)驗(yàn)取樣，以及可能需要的仲裁。當(dāng)各方數(shù)據(jù)偏差較大時(shí)，應(yīng)協(xié)商后考慮多做幾組對(duì)比試驗(yàn)，排除人為因素和機(jī)器的影響因素。

試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性對(duì)最終產(chǎn)品的重要性不言而喻，為取得最合適的試驗(yàn)值，需要每個(gè)步驟的周密考量和規(guī)范操作。對(duì)于可能存在爭(zhēng)議的過(guò)程，應(yīng)提前進(jìn)行協(xié)議約定。