爆炸不锈钢复合板及其在石化设备上的应用

发布日期：2014-09-01 15:24:23

　　目前不锈钢复合板的生产方法主要有3种：爆炸法、轧制法和爆炸－轧制法。我国目前主要采用爆炸法生产复合板，该方法生产工艺简单，使用的能源丰富，所生产的复合板性能好，已被广泛应用于石油、化工、制药、船舶、水电等行业，产生了很好的经济效益和社会效益。 1 爆炸焊接机理及工艺 爆炸焊接是一种高能率的加工技术，是一种以炸药的爆轰为能源，将两层或多层相同的或不同的金属材料结合为整体材料（复合板）的材料加工工艺。
图1是爆炸焊接装置及焊接过程示意图。当炸药被引爆后，复板在炸药爆炸释放的能量驱动下加速，当速度稳定时，与基板发生碰撞，从而在碰撞点形成足够的再入射流，靠再入射流清理待结合金属表面的氧化物、氮化物、气体薄膜及附着的水分等，使金属露出活性表面。
同时，金属碰撞产生的高压使金属活性表面紧密接触，通过原子间的作用力，实现两种金属间的可靠连接。1.1 实现焊接的必要条件（边界条件） 
  爆炸焊接属于冷焊，要实现良好的焊接必须具备以下3个条件： 
  (1)碰撞速度要超过某一最小值，产生的碰撞压力要大于材料的动态屈服极限，在碰撞点附近产生流体区。Whitman等人［1］提出的最小碰撞速度vpmin＝（σb/ρ）1/2。   (2)形成足够稳定的再入射流，产生自清理过程。产生再入射流，必须具备2个条件，一是动态碰撞角β必须大于某一临界值；二是碰撞点运动的速度要小于声音在该材料中的传播速度。Crossland等人［1］提出最小碰撞角βmin=k0(Hv/ρvcp2)1/2 
  (3)碰撞点运动的速度要大于某一临界值，界面才能呈波状结合特征，否则界面平直、结合强度低。Cowan等人［1］提出最小碰撞点运动速度vcpmin=［2Re(Hv1＋Hv2)/(ρ1+ρ2)］1/2 式中 
      ρ—材料密度；       Hv—硬度； 
      σb—材料拉伸强度；       Re—雷诺数； 
      k0—材料表面状态系数。 1.2 爆炸焊接参数及其相互关系 
  爆炸焊接参数包括焊接前的初始参数（静态参数）和焊接过程的运动学参数（动态参数），初始参数对焊接质量的影响是通过运动学参数来实现的。初始参数包括炸药的爆速vD、安装间距s、初始安装角α等；运动学参数包括复板的运动速度vP、碰撞点运动速度vCP、复板的弯折角γ或碰撞角β等。根据Wyle等人［1］提出的焊接过程几何模型可得出焊接参数间的以下3个关系式： β＝α＋γ 
vP =2vDsin(γ/2) vCP =vDsinγ/sinβ 
  按Deribas等人［1］提出的物理模型，运动学参数与初始参数间有如下关系： vP=1.2vD［(1+32R/27)1/2-1］/［(1+32R/27)1/2+1］ 
  另外，由长期的试验和实践经验得出以下两个关系式［1］： 1/β=a0+b0/R s=0.2(He+Hf) 
式中 R单位面积炸药质量与复板质量的比值；       a0、b0—试验常数； 
      He 、Hf—炸药和复板的厚度。 1.3 不锈钢-钢爆炸焊接参数 
  利用焊接的边界条件和焊接参数间的关系式，采用计算机辅助设计，并通过试验修正，可得到合理的爆炸不锈钢复合板的爆炸焊接参数。对于300系不锈钢与低碳钢的大面积爆炸焊接，成熟的爆炸焊接工艺与参数为：α＝0°（平行法安装）；采用低爆速炸药（vD=2000～3500m/s），点状起爆或线性起爆；vP＝300m/s,vcp=2400m/s,β=7.2°。 2 爆炸不锈钢复合板的材料选用和性能分析 2.1 材料的选用和交货状态 
  石油、化工行业使用的爆炸不锈钢复合板，其复层不锈钢大多采用304、321、316L等300系不锈钢，也采用0Cr13、0Cr13Al、SMO254（Cr20Ni18Mo6Cu）、2205(0Cr22Ni5Mo3N)、G817（0Cr13Ni5Mo）等特种用途的不锈钢;基板大多采用Q235A、Q235B、20G、20R、3C、16MnR，偶尔也用SB42和15CrMoR等低碳钢。复层厚度一般为2mm或3mm,某些管板为5～12mm；基层厚度大于8mm,板面尺寸不小于1500mm×6000mm；复层不锈钢板有拼板和整板两种情况。爆炸不锈钢复合板的交货状态一般为正火态，某些特殊材料为中温退火态，管板一般为爆炸态。 
2.2 界面分析 
2.2 .1界面的复合状态 
界面复合状态通常采用全面积100％超声波探伤检验的方法进行检验，对于复层不锈钢未经拼焊的大面积爆炸不锈钢复合板，其未复合区域一般出现在起爆点（垂直碰撞）和边缘部位（边界效应）。对于复层不锈钢经过拼焊的大面积爆炸不锈钢复合板，焊接应力造成的复板瓢曲，可通过改进爆炸焊接工艺，使之获得与前一种爆炸不锈钢复合板同样的复合状态。图2是大面积爆炸不锈钢复合板界面复合率的统计分布曲线，从中可以看出，复合率超过99％的爆炸不锈钢复合板占总数的98％以上，其交货态复合率均为100％。