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压力容器用爆炸焊接复合板界面缺陷测试分析


          安 全 分 析

压力容器用爆炸焊接复合板 界面缺陷测试分析
2 史长根1 、 , 李子全1 , 王耀华2 , 王   3 伟 ( 11 南京航空航天大学 材料科学与技术学院 , 江苏 南京   210016 ; 2 SHI Chang - gen1 、 ,L I Zi - quan1 , WANG Yao - hua 2 , W

ANG Wei3

摘   :通过 SA266 - 304 压力容器用爆炸焊接复合板界面测试分析 , 发现符合国家标准的复合板由 要

于界面仍存在“缝隙” 空洞物” 过渡区域” “ 、 “ 、 等几种微观缺陷 , 使得复合板在后续热处理 、 、 、 轧 校 卷以及使用过程中易出现开裂失效 。为了消除这种失效 , 可采用一种特殊的爆炸焊接工艺获得的 微小波状界面复合板 , 大大减少了这些微观缺陷 , 提高了界面结合强度 。 关键词 :爆炸焊接 ; 结合界面 ; 结合强度 ; 过渡区域
中图分类号 : TG45616 ;O389    文献标识码 :B    文章编号 :1001 - 4837 ( 2004) 10 - 0041 - 03

Testing and Analyzing the Micro Defects in Interface of the Cladding Plate Using by Pressure Vessel

found that there are still micro defects such as seam” hole”and“transition zone”etc for the cladding plate “ “ ,

which is up to the standard. Those micro defects make the cladding plate failure after hot treatment , rolling , smoothing , curling and in the course of using. T eliminating the failure , a kind of special technology and pa2 o strength of the interface is improved greatly. Key words :explosive welding ;bonding interface ;bonding strength ;transition zone

rameter of explosive welding is adopted , and the interface of cladding plate are micro and small wave. So the

1  序言

2 爆炸焊接界面划分为三种形式 [ 1 、] : ( 1) 连续的 熔化层结合 ; ( 2 ) 波状结合 ; ( 3 ) 直接结合 。第一类 界面是一种失效的结合 , 显然不符合标准 , 不在此文 研究之列 。通过 SA266/ 304 界面测试分析发现 : 第

210016 ,China ; 21 Engineering Institute of Engineering Corps , PLAUST , Nanjing 210007 , China ; 31Nanjing Runbang Metal Cladding Material Co. ,Ltd. ,Naning 211803 ,China) Abstract :By testing and analyzing the interface of cladding plate ( SA266 - 304) using by pressure vessel , it is

(11Materials Science and Technology Institute , Nanjing University of Aeronautics and Astronautics , Nanjing

21 解放军理工大学 工程兵工程学院 , 江苏 南京   210007 ; 31 南京润邦金属复合材料有限公司 , 江苏 南京   211803)

三类界面 ( 直接结合) 也呈波状趋势 , 是一种微波状 结合 , 此类结合强度最高 ; 而在复合板中普遍出现的 “波状结合” 实际上有两种完全不同的形式 : 大波状 结合和小波状结合 。这两种结合都符合标准 , 但其 界面强度却相差很大 , 大波状结合由于存在很多微 观缺陷 , 致使在其后续加工和使用过程中易产生开
?4 1 ?

CPVT              压力容器用爆炸焊接复合板界面缺陷测试分析             Vol21. No10 2004

裂失效 , 而小波状和微波状结合其强度很高 , 真正满 足压力容器使用的要求 。
2  试验材料

基板材料 SA266 是 ASME 碳钢锻件 , 厚度为 90
mm , 直径 2 m ; 复板材料是 304 不锈钢 , 厚度为 12 mm ( 见表 1) 。
     1   表 两种材料的元素组成      ( %) 元素 Fe 基材 > 98 复材 > 68
Cr 0 Ni 0 Mn C Si P 01025 S 018~ 0115~ < 013 1135 0135

区域 , 没有 “缝隙” 空洞物” 、 “ 等缺陷 。其抗拉强度 (σ = 602 MPa , σ = 380 和剪 切 强 度 都 是 最 高 的 b s MPa) 。这种界面的形貌在宏观上类似于直线 , 所以 许多学者就称之为 “直线结合” 又由于这种界面几 , 乎很难发现 , 所以很少有人去研究 , 其实微波状界面 是最佳的一种结合 。



3  爆炸焊接界面的三种形式 311   大波状结合 312   小波状结合

图 1 是大波状界面的 SEI 照片 。在其界面上有 很宽 ( 20~30 μ ) 的过渡区域 ; 波高为 100~150 μ , m m 而波长大约为 300 μ ; 在过渡区域中有很多缝隙缺 m 陷 , 大大削弱了界面的结合强度 , 此外在靠近界面附 近 , 基材中还存在一些疏松的 “空洞物” 。大波状界 面的强度比基材还低 (σ = 452 MPa , σ = 219 MPa ) , b s 但由于这些缺陷都是微米级别的 , 所以超声波探伤 并不能发现这些缺陷 ( 按照 J IS G3601 — 1977 标准) 。
) 图3  微波状结合的 SEI 像  ( 200 ×

图 2 是小波状界面的 SEI 像 , 在界面上过渡区 域较窄 ( 过渡区域宽约为 5 μ ) 。波高大约 50 μ ; m m 波长为 150~200 μ ; 界面形式类似于大波状结合 , m 但过渡区域中几乎没有 “缝隙”基材中也没有 ; “空洞 物” 缺陷 。小波状比大波状界面的结合强度要大得 多 (σ = 590 MPa , σ = 360 MPa) , 其强度介于基材和 b s 复材二者之间 。
) 图4  微波状结合的 COMP 像  ( 250 ×

313   微波状结合
?42 ?

图 3 是微波状界面的 SEI 像 , 此界面没有过渡

18~ 810~ < 210 < 0108 < 0175 < 01045 < 0103 20 1015
) 图1  大波状 SEI 像  ( 200 ×

) 图2  小波状 SEI 像  ( 220 ×

图 4 是微波状界面的 COMP 像 。从图 4 可以看 出 “直接结合” , 也是波状的 , 其波高仅有 20 μ 、 m 波 长大约为 100 μ 。因此定义为 m “微波状结合”在其 , 界面上没有 “过渡区域” 缝隙” 空洞物” “ 、 “ 、 等微观缺 陷。

4  三种界面的面扫描分析

为了分析三种界面的结合强度高低的原因 , 必 须从微观上对这三种界面进行全面的测试分析 , 也 就是运用大型电子探针 ( EPMA) 对界面进行元素面

第 21 卷第 10 期                                            压 力 容 器 总第 143 期

元素含量分别为 80 % 、 % 、 % 、 % , 介于基材和复 10 6 2 材二者之间 。显然对于小波状结合 , 过渡区域是由 基材和复材两种材料组合而成 , 而且在基材也没有 “空洞物” 成分 。一般来说 , 爆炸焊接界面大部分都 是这种小波状结合 。

扫描分析 。 411   大波状结合 图 5 是大波状界面 Fe 、 、 、 四种元素的面 Cr Ni Mn 扫描图 。
图5  大波状界面的元素面扫描图 图6  小波状界面的元素面扫描图

域”也没有 、 “缝隙” 空洞物” 、 “ 等微观缺陷 。这种界 面是一种金属到另一种金属的急骤过渡 , 界面的结 合强度也非常高 , 是一种理想的结合界面 。但由于 微波状界面是一种临界状态 , 在复合板的界面中只 占很小一部分 。

   5 左上角是 Fe 元素面扫描 , 在界面右侧和 图 左侧表示在基材和复材中 Fe 元素含量分别约为 98 %和 68 % ; 在界面的过渡区域中 , 黑色表示 Fe 元 素含量为 0 , 是 “缝隙” 缺陷 。在 Cr 、 和 Mn 元素面 Ni 扫描图中 , 可以看出其各元素含量都为 0 。 总之 , 由于大波状界面存在元素含量较低的 “过 渡区域” 缝隙” 空洞物” “ 、 “ 、 等微观缺陷 , 大大削弱了 界面的结合强度 。因此符合标准的复合板 , 可能由

图7  微波状界面的元素面扫描图

5  结论
( 1) 在爆炸冲击载荷作用下 , 其焊接界面都是波

状的 , 只是波状起伏的大小以及 “过渡区域” 的宽窄 不同 。 “直接结合” 其实也呈波状趋势 , 是一种微波 状结合 , 而且是最佳的结合 。大波状和小波状结合 界面有 “过渡区域”而微波状结合界面没有 , “过渡区 域” 。由此把结合界面重新划分为 : 大波状结合 、 小 波状结合 、 微波状结合 。 ( 2) 一般来说 , 爆炸焊接结合界面包含四种像 : 复材基体 、 基材基体 “空洞物” “缝隙” “空洞物” 、 和 。 是一种疏松状物质 , 而在微波状结合界面中 , 几乎不 含有缝隙 。 “空洞物” 尤其是 “缝隙” 缺陷是结合界面 失效的开裂源 。 ( 3) 传统理论认为的波状结合并不是最好的焊 接界面 , 小波状结合尤其是微波状结合才是高质量 的结合 。一般来说 , 大波状结合的 “过渡区域” 太宽 , 其中存在一定的 “缝隙 “缺陷 , 而且元素的原子密度 都较低 , 基材上又有较多的 “空洞物” 。这些对焊接 质量都造成了不良的影响 。不过 , 微波状结合较难 得到而大波状结合较易出现 。对于这三种界面来 说 , 衡量界面质量的几种特征指标有下列的顺序关 系 :过渡区域的宽窄 : b大波 > b小波 > b微波 ; 过渡区域 中元素含量的高低 : C小波 > C大波 ; 空洞物和缝隙数 量的多少 : n大波 > n小波 > n微波 ; 结合强度的高低 : σ >σ >σ 。 微波 小波 大波
( 4) 爆炸焊接界面必须避免大波结合 , 而全部实

于具有这种大波状界面使得复合板在后续机械加工 中失效或在使用过程中提前失效 。 412   小波状结合 图 6 是小波状界面 Fe 、 、 、 四种元素的面 Cr Ni Mn 扫描图 。在过渡区域中 , 没有缝隙缺陷 , 而且四种
413   微波状结合

图 7 是微波状界面 Fe 、 、 、 四种元素的面 Cr Ni Mn 扫描图 。从图中可以看出 , 微波状界面没有 “过渡区

现微小波状结合 , 才能在后续加工中不会失效 , 而且 ( 下转第 40 页) 能提高复合板的使用寿命 。
?4 3 ?

参考文献 :

而在整个复合板中都实现微小波状结合 , 而不出现

大波状结合 , 必须通过优化的工艺和参数才能实现 。 ( 5) 复层和基层较薄的爆炸焊接复合板比较厚 的爆炸焊接复杂和困难 。爆炸焊接复合板在压力容 器行业已得到越来越广泛的应用 , 除常用的奥氏体 不锈钢外 , 还有铁素体 、 马氏体 、 双相不锈钢和钛 、 镍、 、 、 铝 铜 锆及其合金等的爆炸焊接复合板 , 有广阔 的发展空间 。
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作者简介 :雷毅 ( 1960 - ) , 男 , 副教授 , 主要从事材料成型及 控制工程 、 无损检测方面的科研工作 , 通讯地址 :山东东营市 石油大学 ( 华东) 机电工程学院 。

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收稿日期 :2004 - 09 - 06

作者简介 :史长根 ( 1971 - ) , 男 , 博士后 , 主要从事爆炸焊接 与金属复合材料方面的研究工作 , 通讯地址 : 南京航空航天 大学材料科学与技术学院 。

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