鈦/鋼復合板爆炸焊接修補試驗研究

汪小艷，宋磊

（1重慶市爆破工程建設有限責任公司，重慶 400020，2陜西紅旗民爆集團股份有限公司，陜西寶雞 721013）

0 引言

鈦及鈦合金是一種重要的結構金屬，因具有強度高、耐蝕性好、耐熱性高等特點而被廣泛用于石油、化工、航天、航海、火電等多個領域，但作為一種稀有金屬，其高昂的價格限制了在壓力容器、電廠煙囪等工程領域的廣泛應用，鈦/鋼復合板的出現正好解決了這一難題，即充分利用了鈦材的優良特性，又大大降低了鈦材的使用量和成本，使鈦材的優良特性能在更多的領域得到應用。現階段鈦/鋼復合板的生產工藝主要有軋制、爆炸焊接和爆炸焊接+軋制三種。

1 鈦/鋼復合板爆炸焊接工藝

1.1 鈦/鋼復合板爆炸焊接原理及優缺點

爆炸焊接的基本原理就是在平行放置的兩種或多種用間隙隔開的金屬板材上，通過炸藥爆轟的能量，使兩種或多種金屬體之間產生高速斜碰撞，從而使金屬體之間產生固相的冶金結合的一種焊接技術[1]。爆炸焊接具有普通焊接技術無法比擬的優點，不僅可以實現常規方法無法焊接的不同種類金屬之間的焊接，也適合金屬材料的大面積復合；缺點就是常規方法無法焊接金屬之間的爆炸焊接板材補焊比較困難。

1.2 鈦/鋼復合板爆炸焊接工藝

金屬板材的爆炸焊接工序主要有：爆炸前原材料預處理、爆炸焊接過程、爆炸后焊接板材處理，其中爆炸前原材料預處理有基板的裁剪、打磨拋光和復板的拼焊、拋光等；爆炸后焊接板材的處理主要有探傷、補焊、退火、校平等。爆炸焊接金屬板材的質量保障措施也主要有三個方面，一是嚴格基復板的爆前檢查，做到基板腐銹打磨干凈、復板平整且無銹蝕與油膩；二是嚴格按照爆炸焊接現場操作規范進行爆炸焊接操作作業；三是對爆炸焊接不貼和區域進行修補。爆炸補焊試驗工藝與金屬爆炸焊接工藝一樣。

爆炸焊接過程主要操作工藝及步驟可以分為：炮臺的平整、基板的放置、間隙的擺放、復板的放置與防護、炸藥的鋪設與平整和雷管的放置與起爆。其中間隙的大小和炸藥的爆速直接影響爆炸焊接過程中板材的碰撞角、碰撞點移動速度、復板打擊速度等參數，而這些參數直接決定金屬板材的焊接與否和質量優劣，其選擇原則就是爆炸焊接時碰撞點速度（炸藥爆速）必須小于被焊材料的聲速。

1.3 鈦/鋼爆炸復合板修補方法

由于鈦、鋼（鐵）兩種金屬具有常規不相容性，普通的熔化焊不能形成穩定的牢固接頭，就給鈦/鋼爆炸復合板的修補帶了很大的技術難題。現階段較小面積不貼合鈦/鋼復合板的修補，多采用銀焊絲作為過渡層，利用熔化焊將鈦焊絲逐層堆起，這樣的修補工藝，不僅對焊接工藝、環境和技師有著嚴格的要求，而且生產的焊接接頭也不夠牢固，當修補面積較大時，在后續切割、鍛壓、打孔環節因鐵、銀、鈦的熔化和凝固點相差較大，就會再次出現分層現象，無法滿足工業使用要求[2]。史長根等人提出了鈦/鋼復合板的爆炸堆焊修補技術[3]，即：先在鈦/鋼復合板上確定不貼合區域予以清理，然后在清理完畢的碳鋼板上用爆炸焊接的方法焊接上一塊2mm厚的鈦板，再在鈦板上采用堆焊工藝將鈦焊絲堆焊到規定高度。這種方法雖說解決了銀焊絲作為過渡層的補焊工藝焊接接頭不牢固的問題，但對于較大面積的鈦鋼不貼合區域，用鈦焊絲逐層堆起，就顯得有些笨重，本文探討一種一次成型鈦/鋼復合板爆炸修補補焊方案。

2 鈦/鋼復合板爆炸焊接修補試驗方案

2.1 爆炸焊接修補試驗材料

板材1：復材為TA2，厚度為4mm；基材為16MnR，厚度為45mm；不貼合修補面積為750mm*350mm（如圖1-1）。

板材2：復材為TA2，厚度為3mm；基材為20G，厚度為30mm；不貼合修補面積為500mm*300mm（如圖1-2）。

圖1 爆炸焊接修補成品圖

2.2 爆炸焊接修補試驗工藝

2.2.1 爆炸焊接修補試驗原材料預處理

爆炸修補試驗前，必須對鈦/鋼復合板進行退火處理，消除前次焊接產生的殘余應力，消除殘余應力是爆炸焊接修補的前提，否則，爆炸焊接修補時，殘余應力會帶來更大面積的不貼合。

在對不貼合區域進行預處理時，首先是通過超聲波探傷確定不貼合區域范圍，并在鈦/鋼復合板上畫出區域輪廓線；然后用機械方法去除不貼合的鈦層至基層表面，滲透檢驗保證全部不貼合缺陷被清除完畢，但同時須保證基材的厚度，不應超挖；最后用拋光機對不貼合區域進行拋光，保證處理不貼合邊緣坡口圓滑過渡。如果鈦/鋼復合板的不貼合區域不規則，在預處理過程中盡量修正規則。爆炸焊接修補復材預處理，板材1裁取大小為800mm*400mm，厚度為4mm的TA2板材；板材2裁取大小為550mm*350mm，厚度為3mm的TA2板材，并對裁取好的復板進行退火、校平處理，以提高其延展性和平整度。

2.2.2 爆炸焊接修補試驗過程

將預處理好的板材拉至外爆場地，通過布置間隙將鈦板放置在不貼合區域，起爆點放置在爆炸焊接修補復板的中間位置（利于爆轟射流的擴散），在起爆點用RDX進行加強裝藥，以提高起爆點的貼合率。在待爆復板上鋪設一層鈦/鋼爆炸修補復合板專用炸藥，然后起爆焊接，爆炸焊接修補后的板材如圖1。

爆炸焊接均采用粉狀炸藥，現階段主要使用的炸藥有：膨化硝銨炸藥和改性銨油炸藥，且要求炸藥具有一定范圍內的爆速（1800～3200m/s）可調性、在可調爆速范圍內具有較好爆轟穩定性[4]。其在爆炸焊接時板材上的布藥方式為平整攤鋪，原則上保證各處攤鋪炸藥厚度一樣。起爆點的設置原則上遵循盡量不在焊接板材上造成不貼合區域和有利于爆轟形成射流的擴散。

2.2.3 爆炸焊接修補后的板材處理

爆炸焊接修補后的板材，首先要進行表面和超聲波檢驗，以判斷其貼合率，然后用打磨機去除周邊未完全貼合的鈦材，并用氬弧焊對焊縫進行處理，使爆炸焊接修補鈦材與整塊復板完美貼合，然后對爆炸焊接修補后的鈦板再次進行退火處理，最后用拋光機對爆炸焊接修補表層及焊縫進行拋光，進行超聲波探傷和滲透檢查。

2.3 爆炸焊接修補后鈦/鋼復合板力學性能檢測

通過對爆炸焊接修補區域的鈦鋼復合板和原貼合鈦鋼復合板對比可以發現，修補后的各項性能指標與原板材基本一致，均滿足NB/T 47002-2009標準要求，爆炸焊接修補區域鈦鋼復合板的力學性能指標詳見表1[5]。

表1 （4+45）鈦/鋼復合板修補區域力學性能

3 鈦/鋼復合板爆炸焊接修補試驗注意事項

（1）清理不貼合區域，在用砂輪機和角磨機對不貼合區域進行清理時，不能對基板進行下挖，只需將不貼合區域的基板焊接波紋清理干凈即可；在對不貼合區域邊緣進行清理時，要邊清理，邊作超聲波和滲透檢驗，一旦確定不貼合缺陷清理完畢，即可停止清理。

（2）史長根等人認為對缺陷區域已復合的鈦層打磨出45O的坡口，實現爆炸焊接鈦板與無缺陷周邊鈦復層的冶金結合[3]。在經過大量的工程爆炸焊接修補試驗總結，得出缺陷區域已復合的鈦層坡口坡度在30O左右時，爆炸焊接修補后不貼合缺陷周邊冶金結合最牢固。

（3）爆炸焊接修補時，起爆點應放在板材的中心，這樣不僅方便爆炸焊接時形成射流的擴散，也有利于中間雜質排除。為了保證起爆點的貼合，在起爆點一般采用猛炸藥RDX加強起爆能。

（4）爆炸焊接修補時，應選用爆速比成品鈦/鋼復合板爆炸焊接炸藥較高的專用炸藥，這樣在較小的板幅中，才能保證足夠的爆轟能量，利于爆轟射流的形成與穩定[6]。

（5）有時根據爆炸焊接修補板材實際情況，為了保證修補板材的厚度，需要選用厚度超過原復板厚度的板材作為修補復板。

4 結論

（1）采用爆炸焊接修補技術，可以實現對較大面積不貼合鈦/鋼復合板的修補，修補后的復合板材各項性能指標滿足行業標準要求，且具有完成后續切割、鍛壓、打孔作業的冶金結合強度要求。

（2）采用爆炸焊接修補技術，可以實現一次性修補鈦材厚度在1mm～8mm之間的鈦/鋼爆炸復合板。

[1]汪旭光，鄭炳旭，張正忠，等.爆破手冊[M].北京:冶金工業出版社，2010.

[2]田濤，陸明，劉鵬，等.爆炸焊接在裝備維修中的應用研究[J].張家口職業技術學院學報，2008，1（21）:65-67.

[3]史長根，尤峻，馮建.壓力容器用鈦鋼復合板缺陷的爆炸堆焊修復技術[J].壓力容器，2008，7（25）:29-31.

[4]GB6722-2014爆破安全規程[S].北京:中國標準出版社，2015.

[5]肖宏濱，辛選榮，祝要民，等.爆炸復合板補焊接頭界面的微觀組織與性能[J].熱加工工藝，2003，1（22）:20-21.

[6]王耀華，尤峻，陸明.爆炸焊接合理裝藥量試驗[J].解放軍理工大學學報：自然科學版，2004，5（3）:46-48.