爆炸不銹鋼復(fù)合板及其在石化設(shè)備上的應(yīng)用

發(fā)布日期：2014-09-01 15:24:23

　　目前不銹鋼復(fù)合板的生產(chǎn)方法主要有3種：爆炸法、軋制法和爆炸－軋制法。我國(guó)目前主要采用爆炸法生產(chǎn)復(fù)合板，該方法生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單，使用的能源豐富，所生產(chǎn)的復(fù)合板性能好，已被廣泛應(yīng)用于石油、化工、制藥、船舶、水電等行業(yè)，產(chǎn)生了很好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。 1 爆炸焊接機(jī)理及工藝 爆炸焊接是一種高能率的加工技術(shù)，是一種以炸藥的爆轟為能源，將兩層或多層相同的或不同的金屬材料結(jié)合為整體材料（復(fù)合板）的材料加工工藝。
圖1是爆炸焊接裝置及焊接過(guò)程示意圖。當(dāng)炸藥被引爆后，復(fù)板在炸藥爆炸釋放的能量驅(qū)動(dòng)下加速，當(dāng)速度穩(wěn)定時(shí)，與基板發(fā)生碰撞，從而在碰撞點(diǎn)形成足夠的再入射流，靠再入射流清理待結(jié)合金屬表面的氧化物、氮化物、氣體薄膜及附著的水分等，使金屬露出活性表面。
同時(shí)，金屬碰撞產(chǎn)生的高壓使金屬活性表面緊密接觸，通過(guò)原子間的作用力，實(shí)現(xiàn)兩種金屬間的可靠連接。1.1 實(shí)現(xiàn)焊接的必要條件（邊界條件） 
  爆炸焊接屬于冷焊，要實(shí)現(xiàn)良好的焊接必須具備以下3個(gè)條件： 
  (1)碰撞速度要超過(guò)某一最小值，產(chǎn)生的碰撞壓力要大于材料的動(dòng)態(tài)屈服極限，在碰撞點(diǎn)附近產(chǎn)生流體區(qū)。Whitman等人［1］提出的最小碰撞速度vpmin＝（σb/ρ）1/2。   (2)形成足夠穩(wěn)定的再入射流，產(chǎn)生自清理過(guò)程。產(chǎn)生再入射流，必須具備2個(gè)條件，一是動(dòng)態(tài)碰撞角β必須大于某一臨界值；二是碰撞點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的速度要小于聲音在該材料中的傳播速度。Crossland等人［1］提出最小碰撞角βmin=k0(Hv/ρvcp2)1/2 
  (3)碰撞點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的速度要大于某一臨界值，界面才能呈波狀結(jié)合特征，否則界面平直、結(jié)合強(qiáng)度低。Cowan等人［1］提出最小碰撞點(diǎn)運(yùn)動(dòng)速度vcpmin=［2Re(Hv1＋Hv2)/(ρ1+ρ2)］1/2 式中 
      ρ—材料密度；       Hv—硬度； 
      σb—材料拉伸強(qiáng)度；       Re—雷諾數(shù)； 
      k0—材料表面狀態(tài)系數(shù)。 1.2 爆炸焊接參數(shù)及其相互關(guān)系 
  爆炸焊接參數(shù)包括焊接前的初始參數(shù)（靜態(tài)參數(shù)）和焊接過(guò)程的運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)（動(dòng)態(tài)參數(shù)），初始參數(shù)對(duì)焊接質(zhì)量的影響是通過(guò)運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。初始參數(shù)包括炸藥的爆速vD、安裝間距s、初始安裝角α等；運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)包括復(fù)板的運(yùn)動(dòng)速度vP、碰撞點(diǎn)運(yùn)動(dòng)速度vCP、復(fù)板的彎折角γ或碰撞角β等。根據(jù)Wyle等人［1］提出的焊接過(guò)程幾何模型可得出焊接參數(shù)間的以下3個(gè)關(guān)系式： β＝α＋γ 
vP =2vDsin(γ/2) vCP =vDsinγ/sinβ 
  按Deribas等人［1］提出的物理模型，運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)與初始參數(shù)間有如下關(guān)系： vP=1.2vD［(1+32R/27)1/2-1］/［(1+32R/27)1/2+1］ 
  另外，由長(zhǎng)期的試驗(yàn)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)得出以下兩個(gè)關(guān)系式［1］： 1/β=a0+b0/R s=0.2(He+Hf) 
式中 R單位面積炸藥質(zhì)量與復(fù)板質(zhì)量的比值；       a0、b0—試驗(yàn)常數(shù)； 
      He 、Hf—炸藥和復(fù)板的厚度。 1.3 不銹鋼-鋼爆炸焊接參數(shù) 
  利用焊接的邊界條件和焊接參數(shù)間的關(guān)系式，采用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，并通過(guò)試驗(yàn)修正，可得到合理的爆炸不銹鋼復(fù)合板的爆炸焊接參數(shù)。對(duì)于300系不銹鋼與低碳鋼的大面積爆炸焊接，成熟的爆炸焊接工藝與參數(shù)為：α＝0°（平行法安裝）；采用低爆速炸藥（vD=2000～3500m/s），點(diǎn)狀起爆或線(xiàn)性起爆；vP＝300m/s,vcp=2400m/s,β=7.2°。 2 爆炸不銹鋼復(fù)合板的材料選用和性能分析 2.1 材料的選用和交貨狀態(tài) 
  石油、化工行業(yè)使用的爆炸不銹鋼復(fù)合板，其復(fù)層不銹鋼大多采用304、321、316L等300系不銹鋼，也采用0Cr13、0Cr13Al、SMO254（Cr20Ni18Mo6Cu）、2205(0Cr22Ni5Mo3N)、G817（0Cr13Ni5Mo）等特種用途的不銹鋼;基板大多采用Q235A、Q235B、20G、20R、3C、16MnR，偶爾也用SB42和15CrMoR等低碳鋼。復(fù)層厚度一般為2mm或3mm,某些管板為5～12mm；基層厚度大于8mm,板面尺寸不小于1500mm×6000mm；復(fù)層不銹鋼板有拼板和整板兩種情況。爆炸不銹鋼復(fù)合板的交貨狀態(tài)一般為正火態(tài)，某些特殊材料為中溫退火態(tài)，管板一般為爆炸態(tài)。 
2.2 界面分析 
2.2 .1界面的復(fù)合狀態(tài) 
界面復(fù)合狀態(tài)通常采用全面積100％超聲波探傷檢驗(yàn)的方法進(jìn)行檢驗(yàn)，對(duì)于復(fù)層不銹鋼未經(jīng)拼焊的大面積爆炸不銹鋼復(fù)合板，其未復(fù)合區(qū)域一般出現(xiàn)在起爆點(diǎn)（垂直碰撞）和邊緣部位（邊界效應(yīng)）。對(duì)于復(fù)層不銹鋼經(jīng)過(guò)拼焊的大面積爆炸不銹鋼復(fù)合板，焊接應(yīng)力造成的復(fù)板瓢曲，可通過(guò)改進(jìn)爆炸焊接工藝，使之獲得與前一種爆炸不銹鋼復(fù)合板同樣的復(fù)合狀態(tài)。圖2是大面積爆炸不銹鋼復(fù)合板界面復(fù)合率的統(tǒng)計(jì)分布曲線(xiàn)，從中可以看出，復(fù)合率超過(guò)99％的爆炸不銹鋼復(fù)合板占總數(shù)的98％以上，其交貨態(tài)復(fù)合率均為100％。