爆炸復合板剪切試驗的取樣研究

范廣森 陸帥 王常青(南京三方化工設備監理有限公司，江蘇 南京 210036)

0 引言

石化行業一般都會涉及腐蝕性介質，設備需用到貴重的高合金材料，若設備整體使用高合金鋼材料制造，可能難以加工，其價格也會非常高，因此從化工容器到電廠煙筒等，金屬復合材料已經被廣泛應用，它可以充分利用基材的強度和復層的抗腐蝕性，同時極大地降低成本。復合板的結合強度，尤其是基層和復層之間的剪切強度，是衡量其能否保證產品使用質量的關鍵因素。目前金屬復合板的生產方法從總體上可以分為三大類：固-固相復合法、液-固相復合法和液-液相復合法[1]。其中固-固相復合法中的爆炸復合法、擠壓復合法、軋制復合法使用較多，而基層和復層的金屬有碳鋼-不銹鋼、碳鋼-鈦材、碳鋼有色金屬乃至不銹鋼-貴金屬材料等種類繁多。

1 標準對剪切試樣取樣的要求

與復合板剪切試驗相關的國內外標準有：ASTM B898《活性難熔金屬復合板的技術規范》、ASTM A265《鎳和鎳基合金涂層鋼板用標準規范》、GB/T6396—2008《復合板力學及工藝性能試驗方法》，另外，GB/T8547—2006《鈦鋼復合板》中相關條目也可以參考。

GB/T 8547—2006《鈦鋼復合板》6.4條中聲明對剪切試驗的取樣位置和取樣數量不做規定。ASTM B898中剪切試驗規范按照ASTM A265施行，而ASTM A265中主要針對軋制復合板取樣位置做了要求：取自軋制后鋼板鄰近頭部或者尾部的角上，平行于鋼板的縱軸，或能代表產品實際最終產品質量的位置。ASTM B898補充說明S1.4要求：除非有其他要求，剪切試樣位置由制造方決定，并具產品的代表性。

2 焊縫的影響

實際使用中，基層板多要求使用整板，覆層板多有拼焊使用的情況。本文用于研究的銀復合板，筒體復合板銀覆層為5張板4道拼縫，如圖1所示，封頭復合板銀覆層為3張板3道拼縫，如圖2所示。覆層焊接對材料性能的影響比較大，在經歷了高溫熔化和快速冷卻的過程后，材料焊縫處力學性能可能會與原始板材有較大差異，如鈦板在焊接時形成馬氏體(α'相)，α相的數量和性質按合金組成和冷卻速度發生變化，且會吸收O、N、H、C等導致焊縫中氮氧含量的增加，接頭強度升高，彎曲塑性降低[2]。同時拼焊板易形成負的安裝角，導致爆炸復合過程射流質量減少，產生不結合現象[3]，因此焊縫處更容易出現缺陷。

圖1 筒體復合板

圖2 封頭復合板

銀對熱量比較敏感，使用Φ2.0的Ag99.99銀焊絲焊接后，受熱區域會變的很軟，在同一張封頭復層銀板(交貨狀態為Y 硬態)拼焊后切除的邊角余料兩塊，一張有一條焊縫，另一張沒有焊縫，外形尺寸幾乎一致的直角三角形(直邊300mm×300mm)。用相同的載荷進行彎曲，沒有拼縫受熱保持較高強度，僅產生輕微的變形，而有一條焊縫因為經受過焊接熱的影響，銀板材質變柔軟，產生接近180°的彎曲。

從上面可以看出，焊縫區的復層板會有較大的性能變化，且更容易出現缺陷。但復合板廠取樣時會避開焊縫及熱影響區，主要基于三點考慮：

(1)各剪切標準要求剪切試樣應具有代表性而非最差部位，而復層焊縫及熱影響區只占據很小一部分區域，不具有代表性；

(2)起爆點的貼合比較差[4]，這種情況下不能取樣；

(3)對于銀板和鈦材板，焊縫處材質性能變化不一，因此材料變化規律沒有普適性，更不具有代表性。總之，為了使取樣具有代表性，一般根據實際情況選取遠離焊縫的邊角位置。當然，為了盡量保證產品質量，應減少焊縫拼接，對于爆炸復合板，優化爆炸復合工藝，減少起爆點等的不利影響，對于有特殊要求的，可以對起爆點等不結合區域進行針對性處理[4]。

因此對覆層帶有拼縫的復合板，取樣位置推薦如下：應遠離焊縫和熱影響區，以保證試驗結果具有代表性，對于受熱就會產生力學性能變化的材質，還應盡量避開焊接高溫熱量影響的區域。然而制造方應盡量避免拼焊或者減少焊縫數量，焊接時應控制熱輸入以減少受熱影響區，焊縫外形和板型也應按需修磨和矯形，以減少對板材復合的影響。對于復合板廠家也應對從焊縫相關區域取樣進行剪切試驗，積累數據和經驗，必要時應將數據提供給業主方，以輔助業主方后續的加工制造等。

3 試樣的取樣方向

在ASTM A265的9.3條要求取樣應平行于板材長度方向或者具有代表性的位置(針對軋制復合板)，GB/T 6396—2008中6.2.1條僅對軋制復合板要求取樣的長度方向應平行于軋制方向。以上標準都沒有對爆炸復合板的取樣方向作要求。

爆炸復合的界面會有波紋狀結合[5]，垂直或者平行于波紋的方向取樣的值差別較大[6]，根據紋路方向分別取樣，理論上講更為科學。但實際爆炸過程的各種因素是難以精準控制的，且復合板面積越大，爆轟波傳播的距離增大，由此產生的爆轟不穩定性也不斷增加，導致爆炸的作用效果不盡相同[6]。取實際爆炸復合板材界面如下圖。圖3為其橫截面特征。圖4為鈦和不銹鋼復合板爆炸復合后，從邊緣處剝去復層后的基層界面情況。

圖3 20+5mm SA-516Gr.70+SA-240 304L貼合波紋橫截面

圖4 鈦和不銹鋼復合板剝除復層的結合面紋路

因此即使單點起爆，爆炸紋并非以起爆點為中心的形成規則圓弧，不同位置會有不同的變形，甚至局部扭曲變形較大。而且實際取樣時，無法直接看到接合面波紋形狀，那么要根據爆炸波紋方向取剪切試驗是不現實的，所以實際操作中剪切試樣方向一般也只能根據板型及余料尺寸進行選取，特別是復層材料為貴重材料時，僅能從邊角料取樣。對銀-鋼復合板，本項目的要求：筒體板取原始樣的規格為60×700mm，又因參考的標準ASTM B898中要求的剪切試樣長度為2.5英寸=63.5mm(GB/T 6396—2008要求的試樣長度為65mm)，故僅能沿著原始樣的長度方向(實際為筒體板的寬度方向)取剪切試樣(見圖1、圖2)，未考慮爆炸紋路的影響。

4 結語

復合板的剪切試樣取樣位置、取樣的方向會對試驗結果會產生影響，但是也需要根據實際情況進行考慮：

(1)在取樣時，雖然焊縫處的缺陷可能性更大，但取樣需具有代表性，因此除非另有要求，一般不在焊縫處取樣。

(2)剪切強度與爆炸紋路有關，但實際取樣時做不到能根據紋路方向取樣，在有特殊要求時可以協商針對整板的取樣方向。

(3)取樣應留有余料，防止試驗不合格而能進行復驗取樣，以及可能需要的仲裁。當各方數據偏差較大時，應協商后考慮多做幾組對比試驗，排除人為因素和機器的影響因素。

試驗結果的準確性對最終產品的重要性不言而喻，為取得最合適的試驗值，需要每個步驟的周密考量和規范操作。對于可能存在爭議的過程，應提前進行協議約定。