過渡層對鋯/鋼爆炸復合板剪切強度的影響*

王小緒，趙 錚，王金相，何 勇

(1.南京理工大學機械工程學院，江蘇 南京 210094；2.南京理工大學能源與動力工程學院，江蘇 南京 210094；3.南京理工大學瞬態物理重點實驗室，江蘇 南京 210094)

鋯是一種具有極強耐腐蝕性能的稀有金屬，其耐蝕性能優于不銹鋼、鈦和鎳合金，可用于硝酸、鹽酸、過氧化氫以及氯化乙烯等化工產品的生產和存儲裝置。由于鋯的價格昂貴，所以通常將鋯與鋼復合后使用，目前主要通過爆炸焊接技術來制備大面積的鋯/鋼復合板[1-2]。爆炸焊接是一種高能率固相焊接方法，它是利用炸藥爆轟驅動復板與基板高速撞擊來實現焊接的。焊接后，在復板與基板的結合面處會產生準正弦波形狀的波紋，稱為界面波[3]。界面波是判斷爆炸焊接結合強度的一個標準，細小而規則的界面波表示基復板結合強度高，無界面波或界面波過大，則表示結合強度較差[4-5]。

鋯與鋼直接復合時，容易形成脆硬的金屬間化合物，降低復合板的結合強度。因此復合時，需要在鋯與鋼之間添加過渡層[6]。鈦、鋯為同族元素，材料冶金性能相近，兩者爆炸復合不會產生金屬間化合物，而鈦與鋼的爆炸復合工藝成熟，可充分保證結合質量，所以本文選用鈦作為鋯/鋼復合板的過渡層。

本文中,擬對鋯/鋼和鋯/鈦/鋼進行小傾角法爆炸焊接實驗，測量各結合界面的波形參數和剪切強度，分析過渡層及退火處理對剪切強度的影響。另外，采用光滑粒子流體動力學(smoothed particle hydrodynamics,SPH)法模擬鋯/鈦/鋼三層爆炸焊接，計算碰撞速度和碰撞角，獲得鋯/鈦/鋼最佳結合質量對應的最優爆炸焊接動態參數。

1 小傾角爆炸焊接實驗

圖1 三層小傾角法爆炸焊接裝置示意圖Fig.1 The equipment of three-layer explosive welding at small angle

小傾角法爆炸焊接實驗是將復板和基板預置一定的角度，一般為2°～6°，使復板與基板的間距連續變化，從而在不同加速距離下獲得連續變化的碰撞速度和碰撞角[7]，實驗裝置如圖1所示。小傾角法可在一次實驗中實現多組不同碰撞速度和碰撞角下的爆炸焊接，適合進行爆炸焊接動態參數的優化。實驗中采用的復板為Zr-3鋯板，基板為Q345鋼板，過渡層為TA1鈦板。復板尺寸為400 mm×160 mm×3 mm，基板尺寸為360 mm×160 mm×10 mm，過渡層尺寸為360 mm×160 mm×2 mm。采用的炸藥為改性銨油炸藥，裝藥密度0.84 g/cm3，爆速2.6 km/s。

鋯/鋼雙層實驗預置傾角為3°，最大間距為19 mm，裝藥厚度35 mm。鋯/鈦/鋼三層實驗的復板與過渡層間的預置傾角為3°，最大間距為19 mm。過渡層與基板平行放置，架高為8 mm。裝藥厚度為40 mm。各板間結合面均經拋光處理，復板與炸藥接觸表面涂抹黃油防止燒蝕。

爆炸焊接后得到的鋯/鋼及鋯/鈦/鋼復合板無空鼓和開裂，表面無燒蝕，經超聲波檢測其結合率為100%。在每塊復合板上沿長度方向切割出360 mm×20 mm的長條，再截斷成40 mm長的小試樣，用于金相及剪切強度檢測。

2 結果與分析

2.1 波形參數

金屬板爆炸焊接時會在結合界面形成界面波，界面波的大小與爆炸復合板的結合強度有關。一般界面波細小時，結合強度高，無界面波或界面波粗大時，結合強度低。界面波的大小可由波形參數來表示，波形參數包括波長s、波高h和比波長s/h。

鋯/鋼復合板9個試樣的界面波如圖2所示。可以看出，試樣1的結合界面平直無波紋，試樣2的左半部無波紋，右半部開始出現細小波紋，其他7個試樣的結合界面都有波紋產生，而且沿爆轟波傳播方向界面波越來越明顯。試樣9的右半部沒有界面波，這是受爆炸焊接末端稀疏效應的影響所致。

圖2 鋯/鋼復合板的界面波Fig.2 The interfacial waves of the Zr/steel clad plate

為了測量各試樣的波形參數，在每個試樣的中間位置，對結合界面進行金相顯微觀察，如圖3所示。可以看出，試樣1基本無界面波，其余8個試樣的界面波形狀相似，波長逐漸增大。在圖3中測量出界面波的波長和波高，具體波形參數見表1。 圖中的位置表示界面波波峰至起爆點的距離，在距離起爆點60 mm處界面波的波長、波高和比波長均發生了突變，說明開始產生界面波。此后隨著遠離起爆點，波長和波高逐漸增加，比波長先減小后增加。

圖3 鋯/鋼復合板界面的形貌Fig.3 The interfacial morphology of the Zr/steel clad plate

試樣編號s/mmh/mms/h鋯/鋼界面s/mmh/mms/h鋯/鈦界面s/mmh/mms/h鈦/鋼界面10.1890.01117.180000.5000.1114.5020.5110.1333.840.1200.1101.090.8890.2004.4531.0560.2783.800.2220.1671.330.8330.1894.4141.4440.4113.510.3890.2781.401.1110.2225.0051.9440.7112.730.4450.3331.341.2780.2784.6062.1110.8332.530.5560.3891.431.4440.3334.3472.3330.7222.230.6110.4441.381.6110.3334.8482.4440.8222.970.6670.5001.331.6670.3335.0092.8330.7773.640.8440.5101.651.8890.3335.67

圖4 鋯/鈦/鋼復合板界面的形貌Fig.4 The interfacial morphology of the Zr/Ti/steel clad plate

采用同樣方法測量鋯/鈦/鋼試樣的界面波波形參數。鋯/鈦/鋼復合板包含2個界面，鋯/鈦界面和鈦/鋼界面，所以分別對2個界面進行金相顯微觀察，然后將同一位置2個界面的圖像合成在一起，如圖4所示。由于篇幅所限，只列舉了1、6和9號試樣。鋯/鈦界面在20 mm處無界面波，在60 mm開始出現微小界面波，此后波長和波高逐漸增加，比波長為1.4左右。鈦/鋼界面在20 mm處就形成了界面波，此后波長逐漸增加，波高增加到0.333 mm后，就不再變化，其比波長值為5.0左右。鋯/鈦/鋼復合板的波形參數見表2。

表2 復合板結合界面的剪切強度Table 2 The interfacial shear strength of clad plate

2.2 剪切強度

圖5 復合板剪切強度測試裝置示意圖Fig.5 The testing device for shear strength

爆炸復合板的結合強度是評價復合板質量的重要參數，通常用剪切強度σs來表示。復合板的剪切強度一般根據GB/T 6396-2008[8]進行檢測。按照該標準對鋯/鋼和鋯/鈦/鋼試樣進行加工，復合板剪切強度檢測裝置及剪切后的試樣如圖5所示。

各試樣結合界面的剪切強度見表2，其中退火態是指經過退火處理消除了加工應力的試樣，退火溫度為580 ℃，保溫1小時。爆炸態為沒有經過退火處理的試樣。從表2可以看出，退火后復合板結合界面的剪切強度降低約20%。

根據鋯/鋼復合板行業標準YST 777-2011[9]得知，退火態鋯/鋼復合板結合界面的剪切強度應高于140 MPa。由表2可以看出：在沒有過渡層的情況下，鋯/鋼復合板不同試樣的退火態剪切強度均低于140 MPa；而增加了過渡層后，鋯/鈦/鋼復合板的5、6和7號試樣的鋯/鈦界面和鈦/鋼界面的剪切強度均高于140 MPa，其中鋯/鈦/鋼試樣6在2個界面上的剪切強度均為最大值，鋯/鈦界面的剪切強度為148 MPa，鈦/鋼界面的剪切強度為179 MPa。這表明鈦作為過渡層可提高鋯/鋼復合板的剪切強度，使之達到行業標準要求。另外，對比表1可知：當鋯/鈦界面波波長約為0.5 mm，鈦/鋼界面波波長約為1.5 mm時，結合界面的剪切強度較高。

3 數值模擬

為了獲得小傾角實驗的碰撞速度和碰撞角，采用SPH法對鋯/鈦/鋼三層爆炸焊接進行數值模擬。SPH法是一種拉格朗日無網格方法，采用帶有各種物理量的粒子構成離散計算域。任意粒子i的物理量fi可以通過其周圍粒子插值得到。SPH法不用定義接觸，各材料的粒子就可實現相互作用。材料的變形不依賴網格，能夠避免有限元法的網格畸變，因此被廣泛應用于爆轟、侵徹等各種大變形問題的計算[10-11]。李曉杰等[12]和Wang Xiao等[13]將該方法用于爆炸焊接研究，經與實驗結果比較，證明計算精度較高。

圖6 鋯/鈦/鋼爆炸焊接的SPH模型Fig.6 The SPH model of explosive welding for Zr/Ti/steel clad plate

采用SPH法對鋯/鈦/鋼小傾角法爆炸焊接進行數值模擬，質點模型由5部分組成(見圖6)：炸藥、鋯板、鈦板、鋼板和剛性壁，其中剛性壁模擬爆炸焊接時鋼板下方的墊板。爆炸焊接時架高的阻力可忽略不計，所以模型中省略了架高。起爆點位于炸藥左上角。由于是對整個爆炸焊接過程進行宏觀模擬，質點間距較大，所以沒有模擬出界面波。按照表1中各試樣的中點位置，在鋯板和鈦板下表面依次各取9個點，間隔均為40 mm,計算得到各點的碰撞速度v和碰撞角β，見表3。

通過模擬，得出了鋯/鈦/鋼5、6和7號試樣的碰撞速度和碰撞角。由此得到一組合理的鋯/鈦/鋼碰撞參數，即鋯/鈦界面的v為734～805 m/s，β為19.8°～20.8°;鈦/鋼界面的碰撞速度為803～904 m/s，碰撞角為19.5°～20.5°。

表3 鋯/鈦/鋼界面的碰撞參數Table 3 Impact parameters for Zr/Ti/steel interface

4 結 論

通過對鋯/鈦/鋼進行了小傾角法爆炸焊接實驗及數值模擬，得出如下結論：(1)鈦板作為過渡層，可顯著提高鋯/鋼復合板的剪切強度。(2)小傾角實驗可獲得波長連續變化的界面波，當鋯/鈦界面波波長約為0.5 mm，鈦/鋼界面波波長約為1.5 mm時，結合界面的剪切強度較高。(3)當鋯/鈦界面的碰撞速度為734～805 m/s，碰撞角為19.8°～20.8°，鈦/鋼界面的碰撞速度為803～904 m/s，碰撞角為19.5°～20.5°時，鋯/鈦/鋼三層復合板的鋯/鈦和鈦/鋼界面的剪切強度都能高于140 MPa。

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