雙金屬爆炸焊接復合工藝的科學判據

吳 迪 姚書典

(北京中冶設備設計研究總院有限公司 北京100029)

雙金屬爆炸焊接復合工藝的科學判據

吳 迪 姚書典

(北京中冶設備設計研究總院有限公司 北京100029)

利用JMS-840掃描電鏡觀察B30/A3、321/16MnR和T10/Q235等爆炸復合焊接界面的結合形貌和組織特征。研究結果表明界面結合形態分為“直接”、“連續熔化層”和“波形”，其中“波形”為典型的界面結合形態；結合界面附近可以分為五個不同的區域：基材組織區、基材受應力應變區、熔合區、復材受應力應變區和復材組織區。建議橫斷面優先于縱向和任意斷面作為復合板界面結合形態觀察的“主觀察面”，或稱“最佳觀察面”；“正弦波”界面結合形態定義為檢驗爆炸復合工藝參數合理性的判據。

爆炸焊接 界面 組織 界面結合區 判據

1 前言

層狀金屬復合技術即可以節約寶貴的稀有金屬材料，也能充分利用各種金屬材料的物理、化學和力學性能，各國學者開始把目光轉向金屬復合材料的研制。

爆炸焊接,亦稱爆炸復合,是一種特殊的工程焊接技術。它是利用炸藥的爆炸作為能源，推動兩金屬或多種金屬體產生高速碰撞,從而使金屬體焊接在一起的技術。爆炸焊接經過幾十年的研究、應用和發展，已成為金屬爆炸加工領域中使用炸藥較多、產量較大、應用最廣、迄今前景最好和最活躍的一個分支。

爆炸焊接方法能夠將大面積的同種或異種金屬板材在瞬間內實現牢固的結合，特別是在生產同種金屬復合板方面顯示出其獨特的優勢，因而得到了工業上的青睞。

爆炸焊既具有壓力焊的特征-結合區存在金屬的塑性變形，又具有熔化焊的特征-結合區存在金屬的熔化，還具有擴散焊的特征-結合區必然進行的不同金屬原子間的擴散。

不同性質金屬結合，本質問題均可以歸結合界面問題。爆炸焊接復合界面組織形貌的觀察，如何判斷爆炸焊接工藝的正確性、合理性，具有十分重要的現實意義。

2 試驗設計

2.1 試驗材料

采用爆炸焊接復合工藝制備 B30/A3、321/16MnR和T10/Q235等各種復合板，從不同爆焊工藝參數的試驗研究板或產品板上共切取數百塊縱、橫及任意斷面試樣，經研磨電解腐蝕后，用JSM-840掃描電鏡觀察界面形貌。

2.2 試樣制備

橫斷面：垂直爆轟線的面作為觀察面；縱斷面：沿爆轟線的面作為觀察面；任意斷面：除橫、縱面外，其它任意斷面作為觀察面。

3 實驗結果分析與討論

3.1 界面組織特征和最佳觀察面

研發試驗板結合界面組織呈現多種形態，有的是“波形”，有的是波形中的“正弦波”，有的是“連續熔化層”，有的是“波形發生崎變”，還有的是“T型鑲嵌形態”等等結合形式。試驗證明，最佳界面質量和最佳結合強度是波形中的“正弦波”波形組織，并將此‘爆焊工藝及參數’作為產品的爆焊工藝及參數的依據。

凡是從正常產品復合板上切取的試樣，所有產品復合板的組織形態均呈現“波形”中的“正弦波”組織形態，說明生產所采用的 “爆焊工藝及參數” 恰到好處，達到最佳和最理想的水平。

大量的界面組織形態觀察結果顯示，“波形”為典型的界面結合形態特征。橫向比縱向和任意斷面更為規則、典型。這與以前資料報導只有縱向才顯示出“波形”的報道不同，因此，建議觀察復合板界面組形態時，應以“橫斷面“作為“主觀察面”，也是“最佳觀察面”。

3.2 界面結合形態

復合板界面結合形式一般可歸納為如下三種類型：“直接”結合、“連續熔化層”結合和“波形”等結合形態，各形態詳情及特點如下：

3.2.1 “直接”結合

有兩種情況可顯示出“直接結合”：

1)當Vcp≤VT時，界面為平直結合面時是“直接結合”。爆軋中的爆炸復合胚，就是希望得到的平直界面組織，但爆焊工藝及參數不易掌握和控制，容易使“爆合”失敗；

2)當Vcp在VT～VS(m/s)范圍內時，界面結合顯示出“波形”結合，在“波形”中，除波峰右下及左上處顯示出前、后兩個“小袋狀熔化旋渦區”結合外，其余部位均為“直接結合”。這種界面結合具有較高的結合強度。特別指出：在該范圍內又可分為兩個速度段，即“低速段”VT～3000和“高速段”3000～VS。

其中Vcp—焊接速度；VT—平直形與波形轉變的臨界焊接速度；Vs—鋼中聲速。

3.2.2 “連續熔化層”結合

當Vcp>V s或炸藥量過大時，在界面極易顯示出“連續熔化層結合”，這種結合界面上極易形成“脆性相”如金屬間化合物、σ相等，界面結合強度也不高。有時還會顯示出“T形鑲嵌結構”，見圖1a)。若出現“T型鑲嵌結合結構”，還有破壞基材的“連續性”的危險，實用價值不大,應該盡量“避免”或予以“消除”。

圖1 界面結合形態

3.2.3 “波形”結合

當Vcp約在VT～Vs范圍內時，就會形成“波形”結合，并在較寬的工藝參數范圍內實現。因此，相比之下，“波形”結合的界面具有以下特點：

1)在波形中的“波峰”和“波谷”處分別存在兩個不連續的前、后 “小袋狀熔化旋渦區”，冷卻后，凝固成“小袋狀固化融熔物囊”。囊內形成新的高合金，并保留鑄態組織特征。但由于它很小，且又不連續，對性能幾乎沒有影響。

2)在承受外力時，由于受“熔化槽”的約束，使囊內形成孔洞、縮孔、梳松、微裂紋等冶金缺陷，不會造成向槽外擴展，從而增加了結合強度。

3)在“波形”結合中，增加了兩金屬結合界面的面積，約高達150%，從而也起到提高強度的作用。

4)這類冶金缺陷在后序的熱軋過程中被“軋合”而消失。

在該范圍內又可分為兩個速度段，即“低速段”和“高速段”，各段特點如下：

(1)當Vcp在VT～3000m/s范圍內或材料的密度相同或相近時，不但會形成“波形”結合，而且還會形成更為規則、對稱、典型的“正弦波”波形結合，這種結合使界面質量達到最佳，結合強度也最高，被認為是“波形”中的最理想的結合。也是想要得到的結合組織形式。它也是衡量爆炸工藝及參數控制是否正確、恰到好處的一個重要標志，也是一個重要判據。當兩種金屬密度不同時，對稱性變差，密度相差越大，不對稱性越明顯。

(2)當Vcp在3000～Vsm/s范圍內時,清晰顯示出“波形”發生“崎變”，而且材料“密度相差越大或Vcp越大，“波形崎變”越嚴重，如圖1b)。

總之，波形結合中的“正弦波”波形、界面質量、結合強度達到最佳，是波形中最理想的結合形式，也是想要得到的界面結合組織。“正弦波”波形結合，是衡量“爆炸工藝及參數”是否正確的一個主要標志，也是一個重要判據。

3.3 界面組織形態

結合界面附近有如下五個組織不同的區域：①基材組織區；②基材受應力應變區；③熔合區；④復材受應力應變區；⑤復材組織區；各區特征詳情如下：

3.3.1 基材組織區

遠離界面的基材區域，在爆炸復合過程中，該區組織基本上無多大的變化。

3.3.2 基材受應力應變區

最大寬度約為2.4～2.7mm。

1)由于力的作用，在距結合界面不同的距離中產生不同程度的晶粒變形、碎化。經回火后，該區域呈現明顯的再結晶晶粒。距結合界面近處為細小的再結晶晶粒。距結合面遠處為較粗大的再結晶晶粒。在應變區中回火后，“滑移線”可以部分或完全消除，并表現出碳化物部分或完全的析出。

2)由于力的作用，在該區內產生的“滑移線”與結合面成一定角度(約45o)，見圖2a)。

3)當作用力過大時，則在該區內產生裂紋，也與結合面成一定角度，方位與滑移線相同。如裂紋較大時，其內有熔融金屬滲入。稱“滲金屬線”，見圖2b)。有的完全充滿裂紋，有的未充滿。并在“滑移線”中，發現有裂紋。未回火前，“滑移線”不易腐蝕。回火后，沿“滑移線”上產生極細小晶粒，易腐蝕。回火后“滑移線”部分消失，而“正火”后，“滑移線”完全消失。

圖2 界面組織形態

3.3.3 熔合區

1)“熔合區”結合有兩種存在形式：

在“波形”結合中，借助于波的形成，將部份‘熔融金屬’推移到“靠近波峰或波谷處”分別形成兩個前、后“小袋狀熔化金屬旋渦區”；

“連續熔化層”結合中，最大寬度為0.4～0.6mm；

熔化的可能原因：在金屬塑形變形過程中，將載荷的大部分機械能轉化為熱能，據有關資料報道，在爆炸過程中轉化率高達95%以上，如此巨大的熱量聚積在界面上，必然引起界面兩側很薄一部分的“塑性變形金屬”，溫度急劇升高，使之熔化，隨后,在波形結合中，借助于波形的形成過程，將此熔化金屬一部分推移到“漩渦區”中，少許留在波峰上，而大部分被噴射出板外。

通過分析，射流熔化的原因并非僅僅來自‘絕熱剪切的塑性變形’，射流與基體的“摩擦生熱”同樣起著重要的作用。射流熔區的凝固組織對復合板質量影響較大；而凝固組織的質量與爆焊工藝有著密切關系。

2)固化熔融物嚢：陷入漩渦中的熔化金屬，很快冷卻形成在漩渦區中的“固化熔融物嚢”，它很小、且不連續，故對性能幾乎沒有影響。在承受載荷時，由于受熔化槽的約束，熔化槽內的冶金缺陷，如梳松、微裂紋等也不易向槽外擴展。從而提高了界面結合強度。另外，“波形”結合界面面積提高150%，提高界面的結合強度。因此，“波形”結合具有較佳的界面質量和較高的結合強度。所以，微小的“波形”結合被認為是較理想的結合形式。若在界面出現“連續熔化層”是爆焊工藝不當所致”，在爆焊中應盡量避免或消除“連續熔化層”。

3)漩渦區特點：射流是由復、基材的混合物組成。波前形成“前漩渦區”，它在波峰右側面靠近波谷處，含有豐富的基材成分，而“后漩渦區”，它在波峰左側靠近峰頂，含有豐富的復材成分。

4)射流特點：射流分為兩部分：一部分射流借助于波的形成過程，被推移到波峰右側面靠近波谷處，含有豐富的基材成分及波峰左側靠近峰頂處，含有豐富的復材成分形成“波峰”前、后兩個“小袋狀熔化金屬旋渦區”，很快冷卻形成“小袋狀固化熔融物嚢”，它很小、且不連續，故對性能幾乎沒有影響。“波形”結合，大部分射流被噴刷在兩板待結合面，使它露出活性表面，為“焊合”創造了條件。這股射流稱之為“自由射流”。另一股射流稱為“凸角”射流，也稱之為“凝固”射流，被凝固在兩金屬之間波峰處，形成“直接粘合”的冶金結合。

5)射流去向：在波形結合中，借助于波形的形成過程，將少量射流被推移到“波峰”左右兩側形成兩個“小袋狀熔化金屬旋渦區”。少許留在波峰上，被稱為“凸角”射流，也稱之為“凝固”射流，形成“直接粘合”；

大部分被噴刷兩金屬待結合面，而噴射出板外。這股射流稱之為“自由射流”。

6)熔化區組織結構：依次為柱狀晶、樹枝狀晶。中間呈現出嚴重的“疏松、縮孔，微裂紋”等缺陷。

7)熔合區的分布：有的集中(如前、后旋渦區)，有的沿結合界面均勻存在的(連續熔化層)，還有的伸入基材或復材中(如“T型”鑲嵌結構)。

8)熔合區中的一些特殊物(在白銅B30復板的熔化區易觀察到)：

(1)孔洞：：它與縮孔不同，經觀察發現：孔洞的內表面光滑，而縮孔不光滑。孔洞有的呈圓形、有的呈長條形。有的試樣孔洞多，有的少。有的孔洞中有東西存在，有的是雜質、有的是熔融物。

(2)孤島：熔化區中可觀察到基材塊狀物，即稱“孤島”。

(3)白帶、亮塊：這主要是因爆炸時高溫熔化的合金在冷卻過程中，體積收縮、熱應力和組織應力所致：由于不易腐蝕，而呈亮塊或白帶。

9)微晶、非晶和織構多晶區：在熔化區和基層之間交界面處存在一個極其微薄的晶粒細化區，主要是由微晶、非晶和織構多晶組成，分析形成的原因分別如下：微晶：冷卻速度過快，再結晶的晶粒來不及長大，便出現極細小的晶粒區，簡稱“微晶區”。非晶：緊靠基層冷卻速度極快，高達>104℃/秒以上，具備生成非晶的條件，形成“非晶區”。織構多晶：這主要是因爆炸時高溫熔化的合金在冷卻過程中，體積收縮、熱應力和組織應力所致，形成“織構多晶”。

3.3.4 復材受應力應變區

受應力的作用，其晶粒變形，并產生較多孿晶。但未發現“滑移線”、“裂紋”等缺陷。(若采用A3復板，其組織與基板一致。)

3.3.5 復材

遠離界面的復材區域，爆炸后，基本沒有變化。

爆炸復合板須“晶化”處理。在爆炸焊接強烈的沖擊作用下，爆焊復合材料,在界面發生明顯的”微晶”、”非晶”和”織構晶”的結構變化，致使材料產生“加工硬化”、“強度、硬度大幅提高，而塑、韌性明顯降低。因此，爆炸復合的材料不能直接使用。最好將爆炸復合材料，加熱到760℃以上，保溫一定時間后行空冷的一種熱處理，稱為晶化處理。不僅使微晶、非晶態和織構晶恢復到多晶態，而且還能消除“加工硬化”，從而恢復或提高復合板的塑、韌性。由于材料組合的種類繁多，性能及成份又有較大差異，復合板很難有一個固定的工藝制度。熱處理有的在爆焊后、有的在冷態、熱態加工后、還有的在焊接施工后等都需要考慮。

4 結論

以上分析可以得出如下結論：

1)雙金屬爆炸焊接復合界面結合形態分為“直接”、“連續熔化層”和“波形”，其中“波形”為典型的結合形態特征；

2)結合界面附近可以分為五個組織不同的區域：基材組織區、基材受應力應變區、熔合區、復材受應力應變區和復材組織區；

3)橫向比縱向和任意斷面更為規則、典型，建議“橫斷面”應作為復合板界面結合形態觀察的“主觀察面”，或稱“最佳觀察面”；

4)“正弦波”界面結合形態可以作為檢驗爆炸復合工藝參數合理性的組織判據。

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Scientific Criterion to Bimetallic Explosive Welding Clad Technology

Wu Di Yao Shudian

(Beijing Metallurgical Equipment Research Design Corporation Ltd. of MCC Group，Beijing 100029)

The microstructure and morphology of interface between difference materials as B30/A3、321/16MnR & T10/Q235 made by explosive welding technology with JMS-840 SEM were investigated. The results reveal that the microstructure of interface composed of straightness, continuous melting & classic wave form, the morphology of interface bonded zone is composed of matrix, matrix stress-strain, fusion, mixed stress-strain & mixed. It is suggest that the microstructure of sine wave form was given to verify the correct result of explosive welding technology and the microstructure of transverse section was main observation instead of vertical direction or arbitrary section.

Explosive welding Interface Microstructure Interface bonded zone Criterion

吳迪，男，1971年出生，畢業于北京科技大學軋鋼機械專業，學士，高工，主要從事硅鋼工藝與設計及復合材料研發

TG404

B

10.3969/j.issn.1001-1269.2014.04.010

2014-04-23)