TA2／316L爆炸复合板界面分析
爆炸焊接参数对钛钢复合板界面波的影响
第37卷第2期南京理工大学学报V01．37N o．2爆炸焊接参数对钛钢复合板界面波的影响王小绪，何勇(南京理工大学机械工程学院，江苏南京210094)摘要：为了研究爆炸焊接参数对界面波的影响，该文采用小倾角法对杉钢进行爆炸焊接，得到了不同碰撞速度和碰撞角下连续变化的界面波。
通过金相显微观察测量了不同位置界面波的波长和波高。
采用光滑粒子动力学无网格方法对小倾角法爆炸焊接过程进行了数值模拟，计算出不同位置的碰撞速度、碰撞角、比压强。
研究表明，碰撞速度和碰撞角是影响界面波形的关键参数，当碰撞速度为648m／s，碰撞角为16．1。
时，界面波开始生成。
随着碰撞速度和碰撞角的增加，界面波波长和波高逐渐增加，比波长先减小后增加。
关键词：爆炸焊接；界面波；碰撞速度；碰撞角；光滑粒子动力学法中图分类号：0389文章编号：1005—9830(2013)02-0215-04I nf l uenc e of par am e t er s of expl osi ve w el di ng on i nt er faci al w avesof T i／s t ee l com pos i t e pl at eW a ng X i aoxu，H e Y ong(School of M ec ha ni c al E ngi neeri ng，N U ST，N anj i ng210094，C hi na)A bs t r a ct：I n or der t o st udy t he i nf l uenc e of expl osi v e w el di ng pa r am e t er s o n t he i nt erf aci al w aves，t he expl osi v e w el di ng expe r i m ent w i t h sm al l i ncl i nat i on i s pe r f or m ed，and i nt erf aci al w aves a r e obt ai ned under di f f erent i m pac t vel oci t i es and i m pac t angl es．T he w a v e l engt h and w a v e hei ght a r e m ea s ur ed by t he m or phol ogy of i nt erf aci al w a ves．T he expl osi v e w el di ng w i t h sm al l i ncl i nat i on i s nu—m er i cal l y si m ul a t ed us i ng s m oot hed par t i ol e hydr odynam i c s m et hod，a nd t hepa r am e t er sof t he i m pac tvel oci t y，t he i m pac t angl e and t he s peci f i c pr es s ur e a r e cal cu l at ed．T he r es ul t s s howt hat t he i m pac tvel oci t y and i m pac t angl e a r e t he key pa r a m e t e r af f ect i ng i nt erf aci al w aves．W hen t he i m pac t vel oci t yi s648m／s and t he i m pac t angl e i s16．1。
爆炸焊接不锈钢复合板隐蔽性缺陷及检测
强度研究 本 文 对 一 台 内 直 径 为 1000mm、 设 计 压 力 为 3114M Pa 的带有厚度与筒体不相等半球形封头热套高 压容器进行了强度研究, 建立了综合考虑半球形封头 成形过程中的厚度变化和加强箍与半球形封头贴合质 量的有限元应力分析模型, 应力计算值和实测值相当 吻合, 连接接头处没有显著的应力集中现象, 加强箍与 半球形封头之间圆柱面的贴合质量对容器应力的影响 很小, 制造时应严格控制锥面的贴合质量。 ●接管形式对容器极限载荷的影响
111 缺陷形貌
用角向磨光机将未复合区复板从基板上剥
离, 可以发现未复合区中心部位无波纹, 但以
图 1 爆炸焊接的原理
爆炸焊接是利用炸药爆炸时产生的能量使 两块金属板相互高速碰撞, 在界面产生金属射
未复合区中心为圆心, 出现了向四周扩散的辐 射状波纹, 波纹较稀疏且不连续。 开始剥离复 板时, 未复合区无异常, 但向未复合区外围剥 离时发现还有未复合区, 即有“扩展”部分。有
211 缺陷形态
一次底波高度不大于荧屏满刻度的 5% , 且缺
不锈钢复合板的基板裂纹一般出现在钢板
陷波大于荧屏满刻度的 5% 时为未复合区, 向 内部距复板侧钢板厚度的 1 5～ 3 5 处, 通常不
四 周 移 动 探 头 至 底 波 升 高 为 荧 屏 满 刻 度 的 会裂到钢板表面。 最常见的是 “破碎的盘子”,
112 缺陷分布规律
地排出, 使基复板紧密地贴合。 此时碰撞速度
在超声波探伤发现未复合区超过标准后, 处于形成波纹的临界值, 故其结合强度很低
用角向磨光机将复板挖掉, 可以发现这类 “扩 (有时用人力可以轻易的铲开、 剥离)。 当热处
钛钢爆炸复合板轧制工艺与界面控制
钛钢爆炸复合板轧制工艺与界面控制
钛钢爆炸复合板是利用爆炸冲击波的高压、高速作用下造成金属
板之间的冲击与剪切，从而实现爆炸焊接现象，具有良好的综合性能、可塑性和耐腐蚀性。
然而，钛钢爆炸复合板的制备过程中，界面质量
对于爆炸复合板的性能优劣具有决定性的影响。
本文从钛钢爆炸复合板制备工艺及界面控制方面进行分析。
首先，钛钢爆炸复合板的制备过程需要在爆炸压力波下进行，压力及时间的
控制一定程度上影响复合板的成型效果。
其次，在爆炸复合板的制备
过程中，钢板与钛板各自的物理性质差异决定了其界面形态的构造及
质量。
因此，采用前处理技术，如清洗、去氧化等方法，可以有效地
提高钢板和钛板的表面质量，从而达到优化界面结构和性能的目的。
在制备过程中，优化钛钢复合板的制备工艺、精确控制界面质量
是关键。
本文综合使用金相显微镜、扫描电镜等手段对钛钢爆炸复合
板的界面结构进行观察和分析，同时探究制备工艺中对界面结构和性
能的影响。
最后，针对制备过程中出现的问题，提出了钛钢爆炸复合
板的优化制备方案。
总之，钛钢爆炸复合板的制备工艺及界面控制是实现优质钛钢爆
炸复合板的重要因素，需要在制备过程中严格控制，从而实现优异的
综合性能和应用价值。
行业标准《钛-钢爆炸复合板界面硬度测试方法》编制说明(预审稿).doc
钛-钢爆炸复合板界面硬度测试方法编制说明西安汉唐分析检测有限公司2019年3月7日钛-钢爆炸复合板界面硬度测试方法编制说明一、工作简况●项目的必要性简述钛钢爆炸复合双金属板是近二十年发展起来的制备金属材料的新工艺方法。
这种复合板综合地发挥了基材和复材的各自独特性能；它既有钛的优异的抗腐蚀性能，又保证了足够的强度和低廉的成本。
目前，复合板被广泛应用在电厂建设、石油化工、医药工程、轻工业生产、及汽车等行业，尤其在压力容器的制造中。
复合板发展至今已形成多种产品。
如钛及钛合金复合材料、不锈钢/钢复合材料、有色金属及其合金复合材料、三层甚至多层复合材料等，复合的方法通常有爆炸复合、轧制复合等。
爆炸复合多层金属材料在国内外正被推广应用，有着广阔的市场和巨大的潜力。
爆炸焊合的基本原因是接触面上生成薄溶化凝固层。
在冲击波作用下，界面处金属在超过屈服应力数十倍的应力作用下，其再结晶规律也是特殊的，爆炸能传递到界面，其微观上是不均匀的。
局部地区使金属溶化，非溶化区中，由于热作用也发生了扩散，爆炸焊是溶化和扩散共同作用的结果。
爆炸焊合的界面在抗剪切，抗疲劳裂纹扩展和抗剪切疲劳性能方面超过了基体。
但如复合前板材表面不洁净会造成复合界面上存在缺陷，或者不适当的工艺下过分强烈的冲击，造成界面附件微裂纹，钛钢复合界面常常表现为脆性和高强度。
由于钛钢复合板界面组织的特殊性，常分为波形结合区、连续溶化型结合区、混合型结合区、直接接触的平面结合区、溶化块、溶化层等。
而钛钢复合板界面硬度对于复合板后期的加工工艺具有非常重要的指导意义。
因无相关国家标准及行业标准规范复合钢板界面硬度的测量计算过程，对复合钢板实际工艺操作者造成困扰。
●适用范围本标准适用于钛-钢爆炸复合板的界面硬度测定。
●可行性西安汉唐分析检测有限公司是西北有色金属研究院（集团）下属的第三方检测机构。
1965年成立至今，公司已在西安宝鸡两地三区建成标准化实验室，检测面积10000余平方米，设备200余台（套），设备资产上亿元。
钛_钢复合板爆炸焊接后周边端部被撕裂的机理分析
基 、复板间隙使用经验公式 :
h = 0. 2 (δz +δf )≈ 3 mm 式中 ρz ———炸药自然堆积密度 ,其值取 0. 83 δz ———炸药厚度 h———间隙
上述理论计算结果 ,采用多次试验验证的方法 ,
确定了最佳爆炸焊接参数如下 :
装药厚度
:
δ z
=
20
mm;基 、复板间隙
图1
图 1 ( a)中的折线 b, c, d, e, f, …, g 是根据经典 力学的原理得到的结论 , 即一个在外力作用下经过 启动 、加速运动 、匀速运动和突然失去外力作用的爆 轰波会产生反复的现象 。
上述理论认为 , 复合板四周边部的打伤和撕裂 就是由于边部的能量反复迭加而引起的 。对此理 论 ,经过多年的实践及试验验证认为 ,还不能完全解 释钛 /钢复合板边界撕裂的原因 。
进行分析 ,如图 6所示 。
针对以上原因 , 可以采用四角保护措施 , 即在 四角边部贴上一层不锈钢薄板 ,使 F2 分力在打飞不 锈钢板时减弱 ,或在可能的情况下减小间隙高度 ,使 水平分力减弱 。当然 , 在爆炸焊接工艺中使用平面 波发生器或导爆索 ,也可以解决钛 /钢复合板边角撕 裂的问题 。
6 结论
图6
从图 6可以看出 ,由于爆炸复合时 ,基板和复板 之间有一夹角 β, 炸药爆炸时所产生的力分为两部 分 F1 和 F2 , F1 为使复板下落的分力 , 也即使基 、复 板结合的力 ; F2 对复合没有作用 , 是产生短边边部 打伤和撕裂的主要原因 , 该分力的大小可以简单地 利用几何学计算 :
F2 = F sinβ 爆炸焊接理论认为 ,要实现两种金属的焊接 ,必 须使碰撞点产生射流 , 而产生射流的前提条件是 β 在 5°～25°之间 [5 ] 。在这个角度范围内 , F2 分力分 别为合力 F的 8. 7%和 42. 3% ,由此可见 ,在一定角 度下 , F2 分力有足够能量撕裂边部钛层复板 。 F2 在复板中部时 , 由于板面为一体 , 复板被撕 裂的可能性不大 。但爆轰波到达短边端部 , 特别是 到达端部的 A 区时 , 由于爆轰波的轨迹线在基板上 (轨迹线前端已越过基板表面 )成不连续状态 , 该分 力将把 A 点的边角切断 。这就是中心起爆时复合 板 4个边角撕裂最为严重的原因 。
铝-钢爆炸复合板的研究
铝-钢爆炸复合板的研究进行了三种质量比的铝-钢爆炸复合板试验，所有复合板界面焊合良好，焊合率>95%，结合强度>60 MPa，而且基、复层材料对爆炸冲击波响应的硬化程度不明显，但结合界面存在铁、铝金属间化合物，故复合时应仔细选择爆炸参数，尽量减少其生成量。
1 前言铝柔软、加工性良好，同时又有良好的耐蚀性和隔音性。
但铝的强度很低，常温下无变形强化效果，为保持一定的抗力，只能加大铝板厚度，这又导致了成本增加。
如将铝板与钢板复合，则可克服熔化焊等焊接方法难以结合的缺点，同时又能发挥铝的优势，具有很高的强度。
2 试验材料与工艺以2.7 mm厚L3铝板作复层，12 mm厚945钢作基层，分别以R为3.84,2.74,2.19的三种复合比进行铝-钢爆炸复合试验，复合方式见文献［1］。
相应的试板A、B、C经探伤合格后，再进行机械性能检测和微观分析。
3 试验结果与讨论所有三块铝-钢爆炸复合板A、B、C经超声波探伤，焊合良好，焊合率>95%。
剪切试验得到的复合板结合强度见表1。
表1 铝-钢爆炸复合板的结合强度**:标准规定值为60 MPa。
同时沿复合板厚度方向测量了维氏硬度，由于铝-铁的硬度差别太悬殊，在硬度曲线上难以表述，故以实物照片和硬度数值来表述，见图1。
相对不锈钢爆炸复合板而言［1 ］，铝-钢爆炸复合板的爆炸硬化趋势不明显。
图1 铝-钢爆炸复合板复合界面硬度图2金相照片显示了铝-钢爆炸复合板的情况，界面结合良好，属冶金结合，并呈波形特征，但与铜-钢、不锈钢-钢爆炸复合板相比，界面结合区的波形不规则，波长长，波幅小。
(a) (b)图2 铝-钢爆炸复合板复合界面微观形貌由于铝、钢元素的亲和力大，相互扩散到界面易形成金属间化合物。
图3和表2分别表示的铝－钢爆炸复合板界面元素线扫描与局部熔化区的微区A(线扫描成分曲线陡降段又出现缓降平台，这一现象在钢－钢、不锈钢－钢爆炸复合板都不曾出现)探针成分结果证实了这一点。
爆炸复合TA2_316L板的组织和性能研究
108
材
料
热
处
理
学
报 表 2 复合板和基板的。
表1 Table 1
Met e ria l TA2 316L C 0 10 0 021
实验材料的化学成分 ( wt%)
Table 2 Mechanical properties of the clad and base plate
[ 12]
做了钛
不锈钢爆炸复合后 的退火性能研 究。然而 , 还缺少 TA2 316L 爆炸复合结合区、 热影响区的具 体组织形 貌和 成 分分 析。 因此 , 本文 检 验 了爆 炸 复 合 TA2 316L 双金属板焊接界面的冶金特性和力学性能。
韩丽青 ( 1978 ) , 女 , 北京科技大学材料学 院, 博士研究
Metal plate TA2 316L TA2 316L R p0 2/ MPa 337 382 460 R m/ MPa 402 595 565 (%) 43 57 33 3
b/
Chemical composition of the tested material ( wt%)
N H O P S Si Mn Mo Ni Cr Fe 03 0 03 0 02 0 69 1 05 2 29 12 45 17 61 Bal. Ti Bal .
[ 13]
图 1 拉伸后断口分离形貌 Fig 1 Morphology of tensile fracture surface
别对复合材料熔合层和基体等不同位置做了 XRD 物 相分析。图 3 为各区域衍射图 谱, A 、 B 分别是 316L 基体和熔合层的 XRD 图谱, C、 D 分别是 TA2 侧基体 和熔合层 的 XRD 图谱。由 于两基 材和其熔 合层的 XRD 图谱有很大差异, 说明在焊接过程中界面附近 的熔合层有新相产生。对比图 3 中的 A 和 B 曲线可
爆炸焊接参数对钛钢复合板界面波的影响
爆炸焊接参数对钛钢复合板界面波的影响
爆炸焊接是一种铺设复合管线的高效方法，特别是钛钢复合板，其焊接参数显得尤为重要。
燃烧助焊剂的黏度、灵敏度和抬升速度是影响界面波的重要参数。
燃烧特性影响助焊剂抬升速度，直接关系到焊缝的形状和焊缝界面波的产生，这些界面波将其影响到焊缝的机械性能。
因此，爆炸焊接参数调整是相关研究中的重点，应优先考虑它们对钛钢复合板界面波的影响。
燃烧助焊剂黏度和灵敏度决定了火花抬升速度，高灵敏度可使火花爆发更快，抬升速度越快，火花抬升高度越高，反之，则会降低火花抬升速度。
所以，在钛钢复合板爆炸焊接过程中，如果采用低燃烧速度的助焊剂，可以有效控制界面波，减小电路抵抗的差异，使焊缝获得良好的机械性能。
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侧 晶粒 细化不明显 ，这 主要 是 由于熔化 的基覆 板材 料首 先 形成 一个 小的熔池 ，在这个 熔池 中细小 的基 体颗粒 和各 种 细小夹杂 物提供 了大量 的结 晶核心 ，在 相对较 庞大 的处 于 室温 的基体材料 的冷却下迅速结 晶，形成一薄层细 晶组织 ； 另一方 面 ，当复板 以几 百米 每秒 的速度 向基 板撞 击时 ，界 面两侧一 薄层 金属在 切 应力 的作 用 下 ，在 波形 成 的 同时 ，
复合材料拉伸后波状界面发生 了分离 ，且有 明显 颈缩 ， 典 型断 口如 图 １ 。图 ２是 表示在 复合 板结 合界 面两 侧 ，南
界 面向外显微硬度 的分布线 （ 沿界面 向外每隔 ０ ． １ ｍｍ打一
本试验采用平行安装 法 ，炸药选 用爆速 较低 的硝铵 膨
点） ，虚 线 表示 小 波 状 界 面 ，实线 表 示 微 波 状 界 面 ， 由此 可
０ 引 言
金属 复合材料是供 特殊用途设 备使用 的两种 或两种 以
上 的金属经 复合 而形 成的一种 新型材料 。达到既 节约贵 重 材料又能满足设备 技术 条件 的要求 。当前生 产复 合材料 的 方法很多 ， 但 最简便 又实用 的是爆 炸复合 法 。因 它具有 Ｔ 艺简单 、生产速度快 、劳 动条件较 好等优 点 ，故是 较理想 的生产 复合材 的方 法。而爆炸复合 板是利用 炸药 爆炸释 放 的能量 ，使两种或两种 以 上的金属高速 碰撞 ，在 结合界 面 达到冶金结合 的 一种 复合材 料 ，由于爆 炸焊 接 的独特 性 ， 所形成 的复合材料 的复 合界面及 界面两侧 材料 的微 观组织 有其独具 的特 点 。现 以 ＴＡ２ ／ ３ １ ６ Ｌ两 种爆 炸 复合 板为 例 ， 对其进行金相组织 、显 微硬度 、扫 描电镜及 能谱 仪 的观 察
２ ０ １ ３ 年 ・ 第 ４期
技术与研究
巾国材料科技与设备 （ 双月Ｏ Ｊ ）
ＴＡ２ ／ ３ １ ６ Ｌ爆 炸 复 合 板 界 面 分 析
张奕 男 ，张航 永
（ 宝 钛 集 团有 限 公 司 ，陕 西 宝鸡 ７ ２ １ ０ １ ４ ）
摘 要 ：通 过 对 ＴＡ ２ ／ ３ １ ６ Ｌ金 属爆 炸 焊接 复合 板 的 结合 界 面进 行 金 相 显 微 镜 、光 学 显 微镜 、电 子 显微 镜 （ Ｓ Ｅ Ｍ） 等 的 测 试 ，依 据 测 试 结 果 研 究 了界 面 的 力 学 性 能 、界 面微 观 组 织 、界 面应 力 消除 工 艺 。研 究 结 果 对 爆 炸 工 艺 的 制 定 具 有 较 科 学 的 指导意义。 关键 词 ：爆 炸 复合 ；界 面微 观 组 织 ；扩散 中 图 分 类 号 ：Ｔ Ｇ３ ３ ５ ． ５ 文 献 标 识 码 ：Ａ
和３ １ ６ Ｉ 的 复合 。
胀 系数 以及 晶体结构 等物理 性能差 异很大 ，熔 合 区内 的这 些元素可能生成大量脆性金属 问化合物 。详见表 ３ 所示 。
表 ３ 结 合 界 面 成 分 及 产 生的 化 合 物
Ｔ ｉ 一侧
主要 ：Ｆ ｅ Ｔｉ 较 多
Ｎｉ Ｔ ／ 、Ｆ ｅ Ｔ ｉ 微 量 Ｆ ｅ ２ Ｔｉ 、Ｔ ｉ Ｎ 微 量 Ｆｅ ２ Ｔ ｉ 微 量
化学成分见表 １ 。 主要 力 学 性 能 见 表 ２ ，大 小 为 ３ ／ ２ ０ ×４ ０ ０
×５ ００。
表 １ 化 学 成 分
图 １ 拉伸后界面断 口
材料
．
．
力 学性 能 — — Ｒ ｍ （ ＭＰ ａ ） Ｒｐ ｏ ２（ ＭＰ ａ ） ８（ ）
硬 度
图 ２ 界面 附近 硬 度 测试 结 果
中国材料科技与设备 （ 双月 刊）
ＴＡ２ ／ ３ １ ６ Ｌ爆炸复合板界面分析
２ ０ １ ３ 年・ 第 ４期
度最高 ，随着与界面距 离 的增 大 ，塑性 变形 和硬度 逐渐 降 低 ，当距 离增加到 ｌ ｍ ｍ 左右 ，硬度就趋近 于基体金 属的原 始硬度 。试验结果表 明，界面结合 区域 的力 学性 能高 于基 体材料的力学性能 ，因此用爆 炸焊接 技术可 以完成 对 ＴＡ２
见 ，界 面处 塑性变形最严重 ，加工 硬 化 程度 最 大 ，因此硬
＊作者简介 ：张奕男 （ １ ９ ７ Ｏ 一） ，男 ，工程师 ，主要从事技术： ｒ艺纪律检查方面 的工作 。Ｅ － ｍａ ｉ ｌ ：ｚ ｙ ｎ ４ ６ ５ ＠１ ２ ６ ． ｃ ｏ ｌ ｎ
・
５ ８・ｈ ｔ ｔ ｐ ｝ ｆ Ｒ ㈣ ． ｃ ｍａ ｓ ｔ ｅ ｑ ． ｃ ｏ ｎ ｒ
化炸药 ，炸药与复板之 间加缓 冲层 以保证 复板表 面的外 观 均匀性 在爆炸复合过程 中，基复板 间距根 据提 出 的经 验
公式：
／ Ｔ ／ 一 ｓ一 ０ ． ２ （ ＋ ｈ ） （ １ ） （ ２ ）
式 中：ｍ 为装药密度 ；ｓ 为基 、复板问的间隙 ；ｋ为系 数 ，钛／ 钢 复合取 ｋ ＝４ ；ｐ为复板 密度 ；６与 ｈ分别 为炸药 与复板厚度 。因此在本 工艺中采用 ｓ 一６ ｍｍ，ｉ ｎ 一１ ９ ． ５ ｋ ｇ ／
ｒ ｎ ２ 进 行 爆 炸焊 接 。
２ 讨 论 与 分 析
２ ． １ 爆 炸 复合 板 复 合 界 ，以期说 明奥 氏体不锈钢一 钛爆炸 复合板 微观组 织
的特性及热处理后力学性能 的变化 。
１ 试 验 材 料 及 方 法
本试验复板采用 ＴＡ２ ，基材采用不 锈钢 ３ １ ６ Ｉ ，其 主要
钢一侧
主 要 ：Ｆ ｅ Ｔｉ 较 多
Ｔｉ Ｃ微 量
２ ． ２界 面 形 貌 及 微 观 组 织 分 析
图 ３是 Ｔ Ａ２ ／ ３ １ ６ Ｌ焊接 试样 结合 区组 织形貌 ，界面 呈
波纹 状 ，可 看 到 界 面 附 近 ＴＡ２侧 的 晶 粒 明 显 细 小 ，３ １ ６ Ｌ
Ｆ ｅ ＴＩ （ ） 微量 Ｆ ｅ Ｃ ｒ 微 量