謝興華 徐孟犇

(1安徽理工大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院；2安徽理工大學(xué)土木建筑學(xué)院 安徽淮南 232000)

爆炸焊接作為一種特殊的焊接技術(shù)，利用炸藥爆炸產(chǎn)生的巨大能量，驅(qū)動復(fù)板與基板發(fā)生高速碰撞，使兩者之間形成冶金結(jié)合。相較于其他焊接技術(shù)，爆炸焊接的顯著特征在于能對許多物理性能差異巨大的材料達(dá)到優(yōu)良的焊接效果[1]。爆炸焊接生產(chǎn)的金屬復(fù)合材料不僅可以滿足各種應(yīng)用環(huán)境，而且能夠節(jié)約貴重的金屬材料，降低制造成本，已廣泛應(yīng)用于多個工業(yè)領(lǐng)域[1-2]。

Q235鋼具有高強(qiáng)度、高硬度和高耐磨性等良好的機(jī)械性能，鎳及其合金因其卓越的耐腐蝕性能、工藝性能和物理性能而備受青睞，此外，它們還擁有獨特的記憶性和電磁學(xué)等功能類性能。在酸性和堿性環(huán)境下，鎳及鎳合金表現(xiàn)出卓越的耐蝕性，此外，由于其容易進(jìn)行冷加工，因此在板式換熱器、制堿和石油化工等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。在核反應(yīng)堆工程中，換熱器等設(shè)備為避免應(yīng)力腐蝕，國外通常采用高鎳合金Inconel 600等材料來代替1Cr18Ni9Ti不銹鋼。由于金屬復(fù)合材料能夠結(jié)合兩種金屬各自的優(yōu)點，補(bǔ)充缺點，極大的改善了單一的材料性能，鍍鎳鋼在高性能電池罐體、耐腐蝕性化工容器等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。然而，因鎳是重要的有色金屬，其價格相對昂貴，在一定程度上限制了其使用。作為一種功能涂層材料，經(jīng)濟(jì)與高效是評價其應(yīng)用前景的兩個重要因素。目前化學(xué)鍍鎳，電鍍鎳[3]等技術(shù)都在嘗試獲得鍍鎳材料。然而，這些制備出來的涂層存在光亮度差、具有腐蝕點、厚度不均勻等缺點。傳統(tǒng)工藝實現(xiàn)高熔點和高質(zhì)量金屬涂層仍然是個具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)，金屬箔的爆炸焊接(explosive welding of metal foils，EWMF)的出現(xiàn)解決了這一問題。EWMF可以看做是一種特殊的涂覆過程，它是在炸藥爆炸后的能量的驅(qū)動下，通過高速平行撞擊，在兩個金屬表面上的幾個原子層內(nèi)形成等離子體，使兩側(cè)的金屬表面建立起原子間的結(jié)合力，從而產(chǎn)生涂層。在局部高溫高壓下，由于熔融的瞬時性，金屬結(jié)合面處產(chǎn)生高溫融化后而又快速冷卻，可以抑制大規(guī)模熔融區(qū)的產(chǎn)生，從而達(dá)到冶金結(jié)合的目的。

1試驗材料與方法

1.1試驗材料

選用鎳箔作為復(fù)板，Q235鋼為基板，為了避免邊界效應(yīng)的影響，使用的鎳箔的長和寬都要大于基板，基復(fù)板化學(xué)成分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)和具體焊接參數(shù)如表1和表2所示。

表1 鎳箔和Q235鋼化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)%)

表2 鎳箔和Q235具體焊接參數(shù)

表3 基板和復(fù)板材料參數(shù)

為了保證炸藥密度的均勻性以及提高炸藥的利用率[4]，采用厚度為12 mm的鋁制蜂窩板作為炸藥藥框，將其放置到焊接組件頂端，起爆方式為采用短邊中心方式起爆。在爆炸焊接過程中，由于金屬箔片的易碎性，在爆炸焊接過程中，高速碰撞容易在金屬箔中產(chǎn)生起皺、裂紋和空洞等不良缺陷。為了保護(hù)鎳箔避免燒蝕以及降低沖擊載荷破壞，在鎳箔上表面放置一個由1 mm厚的鋁板和3 mm厚的PVC板作為緩沖結(jié)構(gòu)。

1.2試驗方法

爆炸焊接試驗過程采用平行放置法，選用低爆速乳化炸藥進(jìn)行爆炸焊接，基復(fù)板間隙為3 mm。進(jìn)行焊接試驗前，用砂紙將基復(fù)板內(nèi)表面打磨干凈，倒上無水乙醇進(jìn)行清洗，并將爆炸焊接組件放置在在球形罐的臺面上。爆炸焊接結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 爆炸焊接結(jié)構(gòu)圖

圖2 拉伸試樣示意圖

爆炸焊接結(jié)束后，將爆炸焊接后的Ni/Q235復(fù)合材料用線切割機(jī)沿著爆轟波傳播的方向切割金相樣品。打磨拋光后，采用掃描電鏡SEM(Talos F200i)觀察結(jié)合界面的波形形貌；利用能譜分析EDS得到結(jié)合界面處的元素分布及組成；采用電子萬能試驗機(jī)(GNT600)表征力學(xué)性能。

2爆炸焊接窗口

為了確保焊接質(zhì)量的優(yōu)良，必須精選適宜的焊接工藝參數(shù)。爆炸焊接的主要參數(shù)包括碰撞速度、動態(tài)碰撞角以及碰撞點移動速度，這三者中任意兩個便可組成爆炸焊接窗口?？珊感写翱谌鐖D3可示。

(1)

圖3 可焊性窗口

式(1)中：vp為碰撞速度(m/s)；β為碰撞角(°)；vc為碰撞點移動速度。

2.1流動限的計算

爆炸焊接窗口的左邊限是保證金屬射流產(chǎn)生的最小焊接速度vc，σmin，其公式為：

(2)

式(2)中，Rm max為鎳箔與Q235鋼中最大的抗拉強(qiáng)度，Pa，取405×106；ρmin為鎳箔與Q235鋼中的最小密度，kg/m3，取7850。由式(1)計算得vc，σmin=1015.80 m/s。

2.2聲速限的計算

爆炸焊接窗口的右邊限產(chǎn)生金屬射流的極限碰撞點移動速度：

vc，max=min(c1，c2)(3)

式(3)中：c1，c2分別為鎳箔和Q235鋼的材料聲速，利用式(3)計算可得vc，σmax=5630 m/s。

2.3碰撞速度下限的計算

當(dāng)基復(fù)板為同種焊接金屬時，復(fù)板最小碰撞速度公式為：

(4)

式(4)中：Rm為金屬的抗拉強(qiáng)度，Pa；ρ為金屬的密度，kg/m3。

當(dāng)基復(fù)板為異種焊接金屬時，復(fù)板最小碰撞速度為：

(5)

pmin=max(0.5ρ1vp，min1c1，0.5ρ2vp，min2c2)

(6)

式(5)～(6)中：ρ1和ρ2分別為鎳箔與Q235鋼的密度，kg/m3；vp，min1和vp，min2分別為鎳箔與Q235鋼的碰撞速度下限，m/s；pmin為兩者間最小碰撞壓力，Pa。聯(lián)立(5)、(6)算得vp，min=220.32m/s。

2.4碰撞速度上限的計算

復(fù)板碰撞速度上限為：

(7)

式(7)中，N為經(jīng)驗系數(shù)，取0.1；Tm為復(fù)板鎳箔的熔點，℃；λ為復(fù)板鎳箔的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·℃)；CP為復(fù)板鎳箔的熱容，J/(kg·℃)；h為復(fù)板鎳箔的厚度，m。

利用式(7)計算可得vp，max=1046.28 m/s。當(dāng)碰撞速度小于1046.28 m/s，高于220.32 m/s時，焊接才會成功。

3試驗結(jié)果與分析

3.1界面波形特征分析

采用上文的試驗參數(shù)制備Ni/Q235復(fù)合板，用掃描電鏡觀察焊接界面處顯微組織。

如圖4所示，Ni/Q235結(jié)合界面呈現(xiàn)規(guī)則波狀形貌，結(jié)合界面處未發(fā)現(xiàn)孔洞、裂紋等缺陷，表明Ni/Q235復(fù)合板有著良好的焊接質(zhì)量。

圖4 Ni/Q235焊接復(fù)合板結(jié)合界面波形形貌

如圖5所示，Ni/Q235結(jié)合界面呈現(xiàn)出帶有旋渦的波形結(jié)構(gòu)，旋渦結(jié)構(gòu)中包裹著熔化塊，該結(jié)構(gòu)的形成可能是由于結(jié)合界面產(chǎn)生的高溫以及塑性變形共同導(dǎo)致的。熔化塊中常存在著氣孔和裂紋，但它使結(jié)合界面避免形成連續(xù)的熔化層，并且這種不連續(xù)的熔化層更有利于提高爆炸焊接復(fù)合板的結(jié)合強(qiáng)度。

圖5 線掃描路徑及波峰處的熔化區(qū)

在Ni/Q235界面，復(fù)合板的元素組成發(fā)生了從Fe到Ni的突變，導(dǎo)致界面原子擴(kuò)散過程中極易形成脆性金屬間化合物。由于鎳基高溫合金中存在大量位錯等缺陷以及界面附近有較高溫度和較大應(yīng)變速率，導(dǎo)致界面區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)應(yīng)力集中而形成裂紋源。因此，除了對Ni/Q235鋼過渡界面的微觀形貌進(jìn)行分析外，其是否產(chǎn)生脆性金屬間化合物，也是評估界面結(jié)合質(zhì)量的關(guān)鍵所在。經(jīng)過EDS線掃描分析(見圖6)，發(fā)現(xiàn)Ni/Q235結(jié)合界面處出現(xiàn)了擴(kuò)散現(xiàn)象，根據(jù)圖6所示豎直細(xì)線的劃分范圍，可以推斷出擴(kuò)散層的厚度約為10μm。通過掃描電鏡觀察可知，未發(fā)現(xiàn)任何明顯的階梯狀結(jié)構(gòu)，因此金屬間化合物的擴(kuò)散并未形成這種堅硬而脆弱的金屬間化合物。

圖6 Ni/Q235界面處線掃描結(jié)果

3.2力學(xué)性能分析

為驗證復(fù)合板的焊接質(zhì)量是否提高，使用萬能試驗機(jī)測試?yán)鞆?qiáng)度。拉伸曲線如圖7所示。拉伸試驗參照國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T228-200《金屬材料室溫拉伸試驗方法》，基板Q235鋼和復(fù)板鎳箔的抗拉強(qiáng)度分別為405 MPa和380 MPa。Ni/Q235鋼復(fù)合板的抗拉強(qiáng)度約為623 MPa，高于式(8)的理論值，滿足產(chǎn)品使用要求。

(8)

圖7 Ni/Q235鋼拉伸曲線

式中：Rm為復(fù)合板的抗拉強(qiáng)度，MPa；R1，R2分別為復(fù)板、基板的抗拉強(qiáng)度，MPa；d1和d2分別為復(fù)板、基板的厚度。將數(shù)值帶入式(8)，得到Ni/Q235復(fù)合板的抗拉強(qiáng)度理論值為397.5 MPa。

圖8為Ni/Q235試件拉伸破壞后實物圖。在試樣經(jīng)過抗拉測試后，Ni/Q235復(fù)合板結(jié)合界面未發(fā)生分離，這表明界面結(jié)合質(zhì)量良好。經(jīng)過拉伸測試后，利用SEM觀察復(fù)合板界面的斷口形貌，如圖9所示。

圖8 拉伸后試件

(a)Ni/Q235拉伸斷口

拉伸斷口呈明顯的塑性變形，鎳側(cè)和鋼側(cè)斷口表面均觀察到表明韌性斷裂特征的的韌窩，這也是試樣拉伸強(qiáng)度較高的原因。從圖9可以看出，結(jié)合界面處附近的鎳側(cè)斷口出現(xiàn)出現(xiàn)河流狀的解理斷裂特征，該特征的出現(xiàn)是由于結(jié)合界面處形成了局部熔化區(qū)以及爆炸沖擊導(dǎo)致的加工硬化。

4結(jié)論

(1)利用爆炸焊接技術(shù)得到的Ni/Q235復(fù)合板，結(jié)合界面呈規(guī)則的波形，具有不連續(xù)的熔化層，并且未觀測到裂紋，孔洞等缺陷。

(2)SEM和EDS試驗結(jié)果表明：復(fù)合板結(jié)合界面形成了明顯的波形界面，且連接界面發(fā)生了一定的擴(kuò)散，擴(kuò)散層厚度大約為10 μm。

(3)Ni/Q235復(fù)合板的結(jié)合界面在拉伸試驗后沒有發(fā)生分離，復(fù)合板的抗拉強(qiáng)度相對于復(fù)合前的Q235鋼板增加，復(fù)合板抗拉強(qiáng)度為623 MPa。拉伸斷裂后，界面附近呈現(xiàn)韌性斷裂。