王 丁，高瑞博，李 瑩,2，張鵬輝，黃杏利

（1.西安天力金屬復(fù)合材料有限公司，陜西 西安 710201；2.陜西省層狀金屬復(fù)合材料工程研究中心，陜西 西安 710201）

1 引言

爆炸焊接技術(shù)充分發(fā)揮異性材料的物理性能和力學(xué)性能的優(yōu)勢(shì)，其產(chǎn)品（鈦/鋼、不銹鋼/鋼、鎳/鋼、鋁/鋼）廣泛的應(yīng)用于航空航天、核電、化工等各個(gè)領(lǐng)域［1-3］。在實(shí)際的工業(yè)化設(shè)備制造中，客戶對(duì)于復(fù)合板產(chǎn)品的種類要求也日益豐富［4-6］。作為具有“海軍黃銅”之稱的錫黃銅，由于其優(yōu)異的耐腐蝕特性被應(yīng)用于船舶、海上作業(yè)設(shè)備的零部件，常用的錫黃銅有HSn70-1，HSn62-1，HSn60-1 等［7-9］。前者是α 合金，具有較高的塑性，可進(jìn)行冷、熱壓力加工；后兩種牌號(hào)的合金具有α+β 兩相組織，并常出現(xiàn)少量的γ 相，室溫塑性不高。銅基固溶體中錫的溶入會(huì)起到固溶強(qiáng)化作用，隨著含錫量的增加，合金中會(huì)出現(xiàn)脆性的γ 相（CuZnSn 化合物），不利于合金的塑性變形，因而錫黃銅的爆炸復(fù)合難度要明顯高于黃銅。特別對(duì)于厚復(fù)層的爆炸焊接，由于復(fù)層厚度增加，材料變形抗力增大，使爆炸復(fù)合過程難以達(dá)到焊接要求。當(dāng)前關(guān)于錫黃銅的爆炸復(fù)合研究較少，少有成功的經(jīng)驗(yàn)或數(shù)據(jù)可借鑒，面對(duì)日益嚴(yán)峻的市場(chǎng)形勢(shì)，技術(shù)創(chuàng)新是唯一出路。

基于材料本身優(yōu)勢(shì)及市場(chǎng)需求，本文選擇材料錫黃銅（HSn62-1）、鋼板（16MnIII）為研究對(duì)象，對(duì)錫黃銅/鋼復(fù)合板爆炸焊接的制備工藝進(jìn)行探索研究。首先取兩塊錫黃銅/鋼的試板進(jìn)行爆炸焊接工藝評(píng)定，然后根據(jù)試板的界面結(jié)合情況、界面微觀組織結(jié)構(gòu)，力學(xué)性能對(duì)產(chǎn)品的工藝參數(shù)進(jìn)行改進(jìn)，最終達(dá)到理想的錫黃銅/鋼復(fù)合板的制備工藝。錫黃銅（HSn62-1）的狀態(tài)為Y2 態(tài)，其化學(xué)成分及力學(xué)性能分別如表1 及表2 所示。符合銅及銅合金板材GB/T2040-2017 的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定［10］；對(duì)基層鋼板（16MnIII）進(jìn)行超聲檢測(cè)，達(dá)到NB/T47013.3-2015的Ⅱ級(jí)規(guī)定［11］，并經(jīng)行0℃的沖擊測(cè)試分別為107 J、106 J、113 J，布氏硬度測(cè)試分別為151 HB、167 HB、162 HB，其參數(shù)符合爆炸焊接的工藝要求。

表1 錫黃銅HSn62-1 的化學(xué)成分 %

表2 錫黃銅HSn62-1 的力學(xué)性能

2 制備方法

由于錫黃銅/鋼復(fù)合板的制備工藝參數(shù)的缺乏，為降低材料的浪費(fèi)和成本，首先選擇對(duì)復(fù)合板（HSn62-1/16MnIII）進(jìn)行爆炸焊接試驗(yàn)，然后根據(jù)分析試驗(yàn)結(jié)果改進(jìn)關(guān)鍵工藝參數(shù)，以保證復(fù)合板的性能及質(zhì)量。

根據(jù)試驗(yàn)工藝需求，選擇相同材質(zhì)大小為11×350×650/75×300×500 mm 的兩塊試板分別標(biāo)注為1#和2#，對(duì)基、復(fù)板的待結(jié)合界面進(jìn)行處理，達(dá)到平整、光滑、潔凈，垂直打磨紋路的平均表面粗糙度≤1.6μm，現(xiàn)場(chǎng)采用平行安裝法，具體現(xiàn)場(chǎng)工藝示意圖如圖1 所示。復(fù)層投料設(shè)計(jì)：長度方向復(fù)層比基層長100～150 mm，保證放置起爆點(diǎn)的短邊空起余量在130 mm 以上。錫黃銅刻槽設(shè)計(jì)：刻槽寬度5 mm，刻槽深度3～5mm，刻槽位置與基層外緣形狀吻合，尺寸比基層外緣尺寸小15～25mm。特殊要求:放置起爆點(diǎn)的短邊不刻槽，其它刻槽邊留50mm 余量?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)施工藝設(shè)定合適的炸藥參數(shù)及工藝參數(shù)如表3 所示。

圖1 現(xiàn)場(chǎng)工藝示意圖

表3 1#和2#試板的爆炸焊接炸藥參數(shù)

爆炸焊接過程結(jié)束后，在試板上切取剪切強(qiáng)度、分離強(qiáng)度、拉伸、金相試樣兩套。一套用于爆炸態(tài)性能分析，一套用于退火消應(yīng)力后性能分析，具體退火熱處理工藝如下：隨爐升溫，執(zhí)行540±20℃/保溫4 h；加熱速度：爐溫≥300℃，加熱速度30 ～80℃/h；爐冷至≤300℃出爐空冷。

3 結(jié)果與分析

3.1 試驗(yàn)工藝分析

完成試驗(yàn)爆炸焊接工藝后，首先用Anyscan-31超聲波探傷儀并選用2.5P Φ20 單探頭對(duì)整個(gè)板材進(jìn)行全面的超聲檢測(cè)，執(zhí)行NB/T47013.3-2015 的Ⅱ級(jí)要求［11］，界面的結(jié)合情況分別如圖2、圖3所示。

從圖2、圖3 分別可以發(fā)現(xiàn)，兩塊試板在起爆端均存在30～50 mm 的不結(jié)合。由于邊界效應(yīng)及實(shí)際操作的影響，通常在爆炸復(fù)合板距邊部2 ～3 倍復(fù)層厚度的范圍進(jìn)行取樣，并對(duì)結(jié)合界面的形貌進(jìn)行分析，圖4、圖5 分別為1#、2#試板50 倍金相下結(jié)合界面的微觀組織形貌，其狀態(tài)為爆炸態(tài)，圖6、圖7 分別為樣品經(jīng)過退火工藝處理后的組織形貌。

圖2 1#試板的UT 檢驗(yàn)結(jié)果示意

圖3 2#試板的UT 檢驗(yàn)結(jié)果示意

圖4 1#試板結(jié)合界面形貌（爆炸態(tài)）

圖5 2#試板結(jié)合界面形貌（爆炸態(tài)）

圖6 1#試板結(jié)合界面形貌（退火態(tài)）

圖7 2#試板結(jié)合界面形貌（退火態(tài)）

從圖4～7 的金相界面分析發(fā)現(xiàn)，錫黃銅/鋼的結(jié)合界面波狀結(jié)合，波紋規(guī)整清晰，波脊上還是存在少量黑色的金屬間化合物，這些缺陷主要是由爆炸荷載過大而在界面處產(chǎn)生過熔引起的，微觀上錫黃銅/鋼的界面結(jié)合質(zhì)量良好。

在力學(xué)性能方面，表4 和表5 分別為兩塊試板（HSn62-1/16MnIII）的力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果。兩種狀態(tài)下的剪切強(qiáng)度都高于銅/鋼復(fù)合板行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求（NB/T47002.4-2009）中的100MPa［12］，分離強(qiáng)度作為補(bǔ)充測(cè)量界面結(jié)合強(qiáng)度的方式，同樣保證界面的結(jié)合質(zhì)量，其拉伸試驗(yàn)結(jié)果也均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

表4 HSn62-1/16MnIII（爆炸態(tài)）兩塊試板的性能結(jié)果

表5 HSn62-1/16MnIII（退火態(tài)）兩塊試板的性能結(jié)果

綜上分析，對(duì)于兩塊試板的爆炸焊接工藝基本正確，但邊部30 ～50mm 范圍內(nèi)存在不結(jié)合及弱結(jié)合，針對(duì)此現(xiàn)象，制定產(chǎn)品爆炸工藝時(shí)改變邊部的炸藥量及起爆點(diǎn)，用于改變板材邊部的缺陷。

3.2 制備工藝分析

根據(jù)試板的爆炸焊接工藝評(píng)定結(jié)果，在大板材(10+75) ×1 800×3 000 mm 制備過程中維持工藝不變，調(diào)整相應(yīng)的炸藥密度、炸藥猛度、炸藥高度、間隙類型、間隙高度等參數(shù)，最終實(shí)施爆炸焊接，同樣，對(duì)于爆炸焊接后的復(fù)合板進(jìn)行UT 檢測(cè)、金相分析、力學(xué)性能分析。

對(duì)成品復(fù)合板的超聲檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，切除邊界效應(yīng)區(qū)域外的界面結(jié)合率達(dá)到100%，滿足壓力容器用爆炸焊接銅鋼復(fù)合板的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（NB/T47002.4-2009）的B1 級(jí)要求［12］。在邊部取樣進(jìn)行50 倍的金相分析，圖8、圖9 分別為復(fù)合板兩種典型退火處理后的界面結(jié)合狀態(tài)，其界面波狀結(jié)合，條紋清晰。

圖8 復(fù)合板的結(jié)合界面形貌

圖9 復(fù)合板的結(jié)合界面形貌

如圖10 所示為復(fù)合板（HSn62-1/16MnIII）爆炸焊接復(fù)合和退火處理后的的銅鋼界面兩側(cè)的顯微硬度分布規(guī)律，可以發(fā)現(xiàn)：在兩種狀態(tài)下，隨著距離界面距離的增加，其兩側(cè)基體內(nèi)的硬度逐漸減??；經(jīng)過退火消除應(yīng)力后，銅鋼兩側(cè)的硬度均有所

降低，反映了爆炸復(fù)合后不同區(qū)域的的塑性變形及熔化產(chǎn)生的硬脆相情況。

圖10 復(fù)合板HSn62-1/16MnIII 的顯微硬度分布規(guī)律

對(duì)于復(fù)合板（HSn62-1/16MnIII），分別取樣后進(jìn)行退火后的剪切試驗(yàn)、低溫沖擊試驗(yàn)、拉伸試驗(yàn)。在溫度20℃條件下，三個(gè)批次的剪切強(qiáng)度分別為196 MPa、200 MPa、233 MPa，表明結(jié)合界面的結(jié)合質(zhì)量?jī)?yōu)異。在溫度0℃下，三個(gè)批次的低溫吸收功為 107 J、91 J、108 J；128 J、105 J、132 J；111 J、107 J、101 J，反映復(fù)合板的基層鋼板經(jīng)過能量沖擊、退火處理后，材料依舊保持較好韌性。在溫度20℃條件下的拉伸試驗(yàn)如表6 所示。其力學(xué)性能的各項(xiàng)指標(biāo)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過NB/T47002.4-2009 的B1 級(jí)力學(xué)性能指標(biāo)要求［12］。

表6 復(fù)合板（HSn62-1/16MnIII）的拉伸測(cè)試結(jié)果

4 結(jié)論

通過對(duì)錫黃銅/鋼(HSn62-1/16MnIII)復(fù)合板的爆炸焊接工藝評(píng)定及大規(guī)格銅/鋼復(fù)合板的制備發(fā)現(xiàn)，小試板的制備工藝探索及關(guān)鍵參數(shù)的控制對(duì)大規(guī)格(10+75) ×1 800×3 000 mm 的銅/鋼復(fù)合板的制備有很強(qiáng)的理論指導(dǎo)意義。該爆炸焊接工藝準(zhǔn)確、穩(wěn)定，通過刻槽工藝，既保證爆炸焊接質(zhì)量，同時(shí)也減少了厚復(fù)層的邊界效應(yīng)，節(jié)約材料成本。剪切強(qiáng)度、低溫沖擊功、拉伸試驗(yàn)結(jié)果均遠(yuǎn)高于壓力容器銅-鋼復(fù)合板的行業(yè)（NB/T47002.4-2009）要求標(biāo)準(zhǔn)。