压力容器用大幅面爆炸焊接不锈钢复合板缺陷形成机理

压力容器用大幅面爆炸焊接不锈钢 复合板缺陷形成机理 铀铀 ， 冯健 ， 王超。 。 李春阳 ， 黄文尧。 ( 1 湖北金兰特种金属材料有限公司， 湖北 赤壁4 3 7 3 0 0 ； 2 舞钢神州重工金属复合材料有限公 司， 河南 舞钢4 6 2 5 0 0 ； 3 安徽理工大学 化学工程学院， 安徽 淮南2 3 2 0 0 1 ) 摘 要： 在爆炸焊接宽2 6 0 0 m m、 长 1 0 0 0 0 m m以上的大幅面金属复合板中， 常常发现在对角线附近， 离开板角 1 0 0 0 2 0 0 0 m m处， 出现条状不结合缺 陷， 缺陷宽度一般在 8 0 2 0 0 m m， 长度为4 0 0 6 0 0 m m， 最大长度可达 2 0 0 0 mm。这种缺陷的出现， 严重影响 了复合板的整体质量 ， 增加 了产 品制 造成本 ， 限制了爆炸焊接更大面积的金属复合板产品。通过分析界面空间的排气路径， 合理地解释 了爆炸焊接大幅面金属复合板 ， 特别是不锈钢复合板 时， 这种缺 陷的形成机理， 从而采取有效方法 和措施来减小和消除这类缺陷。 关键词： 爆炸焊接 ； 爆轰荷载 ； 界面空间； 不锈钢复合板 中图分类号： T H 1 4 2 2 ； T G 4 5 6 6 文献标志码： A 文章编号： 1 0 0 1 4 8 3 7 ( 2 0 1 4 ) 0 3 0 0 1 50 5 d o i ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 1 4 8 3 7 2 0 1 4 0 3 0 0 3 M e c h a ni s m Ana l y s i s o f De f e c t s Ac r e a g e St a i n l e s s S t e e l Ca u s e d b y Ex p l o s i v e W e l d i n g i n La r g e Cl a d Pl a t e f o r Pr e s s ur e Ve s s e l YOU Yo u ， F ENG J i a n ， WANG Ch a o 。 ， LI Ch u ny a n g ， HUANG W e ny a o ( 1 H u b e i J i n l a n S p e c i al Me t a l C l a d d i n g Ma t e r i a l C o ， L t d ， C h i b i 4 3 7 3 0 0 ， C h i n a ； 2 Wu g a n g S h e n z h o u Z h o n g g o n g Me t a l C l a d d i n g Ma t e ri a l C o ， L t d ， Wu g a n g 4 6 2 5 0 0， C h i n a； 3 S c h o o l o f C h e mi c a l E n g i n e e r - i n g ， A n h u i U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ， Hu a i n a n 2 3 2 0 0 1 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： I t i s a p p e a r e d s o me s t ri p d e f e c t s ， w h i c h 8 02 0 0 mm wi d t h a n d 4 0 06 0 0 mm， ma x i mu m 2 0 0 0 mm l e n g t h， l o c a t e d n e a r t h e d i a g o n a l l i n e， 1 0 0 02 0 0 0 mm l e f t c o me r ， i n t h e i n t e rfa c e o f me t a l c l a d p l a t e s wh e n t h e l a r g e a c r e a g e me t a l c l a d， e s p e c i a l l y s t a i n l e s s s t e e l c l a d p l a t e s wh i c h t h e w i d t h o f mo r e t h a n 2 6 0 0 mm a n d 1 0 0 0 0 mm l o n g w a s e x p l o s i v e we l d e d S u c h d e f e c t s wa s e f f e c t e d t h e o v e r all q u a l i t y o f t h e c l a d p l a t e a n d i n c r e a s e d t h e p r o d u c t ma n u f a c t u ri n g c o s t s a s we l l a s l i mi t e d t h e l a r g e r a c r e a g e me t a l c l a d p l a t e p r o d u c t s o f e x p l o s i v e we l d i n g B a s e d o n t h e a n a l y s i s o f i n t e r f a c i al s p a c e e x h a u s t p a t h， t h i s a r t i c l e i s r e a s o n a b l e e x p l a n a t i o n t h e d e f e c t s a p p e a r e d i n e x p l o s i v e w e l d i n g o f l a r g e a c r e a g e s t a i n l e s s s t e e l c l a d p l a t e s ， S O a s t o t a k e e f f e c t i v e me t h o d s t o r e d u c e a n d e l i mi n a t e s u c h d e f e c t s Ke y wo r d s ： e x p l o s i v e we l d i n g ； d e t o n a t i o n l o a d； i n t e r f a c i a l s p a c e ； s t a i n l e s s c l a d p l a t e 1 5 压力容器用大幅面爆炸焊接不锈钢复合板缺陷形成机理 V o 1 3 1 N o 3 2 0 1 4 表 1 大面积复合板条状不结合统计 编号 材质 尺寸 m m 不结合位置 不结合尺寸 mm 1 $ 3 0 4 0 3+ Q 3 4 5 R ( 3 +2 4 ) 2 2 8 01 0 3 8 0 E F附近 1 2 0 6 0 0和 8 0 8 5 0 2 $ 3 0 4 0 3 Q 3 4 5 R ( 3+ 2 4 )X 2 2 8 01 0 3 8 0 E F附近 9 O 7 2 0 3 $ 3 1 6 0 3+ Q 3 4 5 R ( 4+ 4 2 ) 2 6 8 0 9 8 6 0 E F附近 2 o 0 5 0 0 4 $ 3 1 6 0 3+ Q 3 4 5 R f 4+ 4 0 ) 2 5 6 0 9 9 8 0 E F附近 1 3 0 6 8 0 5 $ 3 1 6 0 3+ Q 3 4 5 R ( 4+ 4 0 ) 2 5 6 0 9 9 8 0 E F附近 1 3 0 6 8 0 6 $ 3 2 1 6 8+ Q 2 4 5 R f 3+ 1 6 ) 2 3 2 0 9 6 0 0 O B连线 ， 距 B点 1 5 0 0 m m 4 2 O 5 6 0 7 $ 3 0 4 0 8+ Q 3 4 5 R f 3+ 3 2 ) 2 5 0 01 0 3 2 0 E F附近 9 0l 2 o o 8 $ 3 2 1 6 8+ Q 2 4 5 R f 3+ 1 2 ) 2 2 0 01 1 5 0 0 E F附近 7 0 5 8 0 9 $ 3 1 6 0 3+ Q 3 4 5 R f 4+ 4 6 ) 2 5 6 01 1 4 6 0 E F附近 1 0 o 5 5 0 1 0 S 1 1 3 0 6+ Q 2 4 5 R ( 3+ 2 6 ) 2 3 3 01 0 8 9 0 E F附近 1 5 0 5 9 O 某些企业对于大面积复合板采用在中心用高 爆速炸药加一条起爆线， 使整板的爆轰波传播呈 椭圆态推进 ， 见 图 4 。利用这种方式来减缓边界 效应 ， 控制爆炸复合后整个板 面的不平度 有明显 的效果。尽管总的爆炸压力 P不变 ， 但它改变 了 P对整个板面的分布状态。然而这种方法可能进 一 步加快了O B段的运动速度， 使得 B点附近封 闭的时间缩短 ， 进一步加剧 了 O C方 向上 的气体 压力的增大 ， 可能发生更大的风险 ， 图 1 ( b ) 就是 采取这种方法进行 的爆炸焊接 ， 试验结果表明板 面有 1 0 0 m m x 2 2 0 0 m m不结合缺陷。 图4 爆轰波推进的姿态 3 试验与优化 3 1 试 验材料 研究对象选取 $ 3 0 4 0 3+Q 3 4 5 R， ( 3+1 4 )m m 2 4 5 0 mm1 2 6 0 0 mm不锈钢和合金钢。基 、 复 板化学成分与力学性能见表 2 5 。 炸药选用爆炸焊接粉状乳 化炸药 ， 经调试后 密度为 0 8 2 g e ra ， 爆速 2 4 0 02 6 0 0 m s ， 猛度 1 8 1 1 2 e m 。 表 2 $ 3 0 4 0 3板化学成分 元素 C S i Mn P S N i C r 数值 O O 2 4 0 5 6 1 4 2 0 0 2 7 0 0 1 6 1 1 5 6 l 9 5 6 表 3 $ 3 0 4 0 3板的力学性能 R L R 断后伸长率A 项目 维氏硬度 MPa MPa 数值 3 5 6 6 0 3 5 2 3 1 9 2 表 4 Q 3 4 5 R板化学成分 元素 C S i Mn P S 数值 0 1 6 0 4 8 1 3 8 0 0 1 8 O 0 l 2 表 5 Q 3 4 5 R板的力学性能 R R 断后伸长率 冲击试验( 0) 项 目 MP a MP a A KV 2 数值 3 8 9 5 5 6 2 9 8 1 5 6 ， 1 8 5 ， 1 3 6 3 2 理论参数计算 最小能量模型 从实现爆炸焊 接所需 的单 位面积总动能来计算最小抛掷速度， 其计算公式 为 ： 第 3 1卷第 3期 压 力 容 器 总第 2 5 6期 = ( 2 E l P s ) ( 5 ) 式 中 i 最小抛掷速度， m s E ， 实现焊接单位面积最小能量 ， J m p 广 _ 复板材料密度， k g m 广一 复板厚度 ， m 对于不锈钢 ， E 可 以取 4 3 x 1 0 。 J i m ， 得出 t ， i =6 01 ms 。 D 根据动态的抛掷速度 = 2 v o s i n 等， v o 取 厶 2 5 0 0 m s ， 得出口：1 3 8 。 。 根据 C h a n d w i e k的经验公式 叫装药质量 比： R= 2 v ( 0 6 1 2 一 。 )：1 2 9 根据装药质量比： R=( P 。 6 o ) ( p 艿 ) ， 得出药 高 = 3 7 4 m m。 由间隙的经验公式 ： h 0 =0 2 ( 8 o +6 1 )= 8 mm 结合生产实际经验 ， 药高 ： 8 0=3 5 m m； 问隙 值 ： h n =8 m mo 3 3优 化 措施 ( 1 ) 待结 合面的处理。大量实践表 明， 爆 炸 焊接前待结合面处理 的越光净 ， 焊接的质量及 可 焊范围就越大 ， 所以基复板必须经过抛光处理 ， 表 面粗糙度一般控制在 3 m以下。 ( 2 ) 控制复板的平整度。复板 的平整度是爆 炸焊接 的关键 ， 因此要求严格控制复板 的平整度 在 5 mm m以下。 ( 3 ) 调整 垫片。由于板 幅较大 ， 放置复 板时 中间部分会先接触垫片， 必然会因为受力集中而 导致 中间部分垫片压垮或者倒塌 。因此布置垫片 时 ， 板面中间部位放置一些 1 0 m m的垫片来减弱 这种情况的影 响。四周垫 片加高到 1 2 m m， 增大 四周的开口高度， 使排气更顺畅。 ( 4 ) 布药方式。根据爆炸焊接不等厚度布药 工艺的研究 ， 采用不等厚度布药结构进行爆 炸焊接时， 使复板各点处 的爆炸载荷基本保持不 变 ， 避免因装药量过多引起金属的熔化而产生含 有间隙、 空洞等缺陷的大波状结合 ， 能够实现复合 板结合面沿爆轰方向基 、 复板之间的波幅和波长 变化明显减小， 提高复合板的整体结合强度。在 爆炸焊接过程中， 装药厚度取下限， 将获得较好的 无缺陷的微小波形。要获得优质界面的复合板， 在爆炸焊接中， 装药厚度须遵循“ 下限法则” 。 根据这一理论， 在实际布药中增大起爆点的 药高， 确保起爆点 的能量充足。距 离短边边 部 2 m以内的药 高降低到 3 0 mm， 炸药 的爆速减小到 2 1 0 0 m s 左右， 这样就可有效地减小爆轰波产生 的能量和传播速度， 使得排气时间增长， 排气更加 充分。 3 4试验 结果 按前述 改进方案 ， 对 $ 3 0 4 0 3+Q 3 4 5 R， ( 3+ 1 4 )l lq m2 4 5 0 m m1 2 6 0 0 mm不锈钢 一钢复合 板进行爆炸焊接试验 ， 经对试验产品现场超探 检 测 ， 其结合率达到 1 0 0 ， 本批爆炸共计 8块 ， 全 部探伤完毕后仅 发 现有 6 0 m m X 3 4 0 m m 和 8 O m m 2 6 0 m m两处不结合缺陷， 爆炸结合率达到 9 9 8 7 ， 大大提高了爆炸焊接产品的质量。优化 工艺后的爆炸焊接产 品见图 5 。 4结论 图5 优化工艺后的爆炸焊接产品 ( 1 ) 研究结果证 明这种有规律出现 的缺陷是 由于排气不畅引起的 ， 并且会随着板幅的增大而 增多 ； ( 2 ) 排气途 径的分析 ， 合理地论证 了这种 长 条状缺陷的形成机理 ， 为减少这种长条状缺陷提 供了依据 ； ( 3 ) 通过采用文 中论述的优化方法 ， 能有效 减少这种缺陷出现的几率， 从而提高产品的质量， 获得高质量的大面积不锈钢 一钢复合板 ； ( 4 ) 该理论通过推广 ， 还可 以应用在大面积 钛 钢复合板 、 镍 钢复合板 、 铜 钢复合板的爆 炸 焊接中。 参考文献： 1 汪旭光 爆破设计与施工 M 北京 ： 冶金工业出版 社 ， 2 0 1 2： 4 8 7 ( 下转第 3 9页) 1 9 第 3 l 卷第 3期 压 力 容 器 总第 2 5 6期 4结语 应用 A N S Y S有 限元软件建立冷却器 的局部 三维有限元模型 ， 根据设计 瞬态 的特点对其进行 合并与分组， 在最大峰值应力强度所在区域设置 评定截 面 ， 并根 据 J B T 4 7 3 2 -1 9 9 5 ( 2 0 0 5年确 认 ) 附录 C的相关规定进行疲劳分析和评定 ， 评 定结果表明： 冷却器设计符合 J B T 4 7 3 2 -1 9 9 5 ( 2 0 0 5 年确认) 附录 c对防止疲劳失效的要求。 文中分析为保证冷却器在设计寿命期间的结构完 整性提供依据， 也为其他设备在类似瞬态工况下 的疲劳分析提供借鉴。 参考文献： 2 3 张康达 锅炉压力容器的疲劳失效 M j 匕 京 ： 劳动 人事出版社， 1 9 8 8 ： 1 5 AS ME B o i l e r a n d P r e s s u r e Ve s s e l Co d e S e c t i o n Ru l e s f o r Co n s t r u c t i o n o f Nu c l e a r F a c i l i t y C o m p o n e n t s S AS ME B o i l e r a n d P r e s s u r e Ve s s e l C o d e S e c t i o n Di v i s i o n 2 Ru l e s f o r C o n s t r u c t i o n of P r e s s u re Ve s s e l s ， A h e rua t i v e R u l e s f S 4 L A N G E R B F D e s i g n o f P r e s s u r e V e s s e l s f o r L o w C y c l e F a t i g u e J J o u rnal ofB a s i c E n g i n e e r i n g ， 1 9 6 2 ， 8 4 ( 3 ) ： 3 8 9 3 9 9 5 L A N G E R B F C fi fi a o f t h e A S ME B o i l e r and P r e s s u r e Ve s s e l C o d e for De s i gn b y A n a l y s i s i n S e c t i o n s n l a n d， D i v i s i o n 2 R P u b l i s h e d b y t h e A S ME， 1 96 9 6 J B 4 7 3 2 -1 9 9 5 ， 钢制压力容器分析设计标准 s 7 G B 1 5 0 -2 0 1 1 ， 压力容器 s 8 李培宁 当代压力容器疲劳设计规范评述 J 压力 容器， 1 9 8 9 ， 6 ( 4 ) ： 11 0 9 王志文， 惠虎， 关凯书， 等 对中国压力容器分析设 计标准的发展展望 J 压力容器， 2 0 1 3 ， 3 0 ( 3 ) ： 3 7 4 4 1 0 J B T 4 7 3 2 -1 9 9 5 ， 钢制压力容器分析设计标 准( 2 0 0 5年确认) s 1 1 T S G R 0 0 0 4 -2 0 0 9 ， 固定式压力容器安全技术监察 规程 S 收稿日期： 2 0 1 4一 O l 一 0 6 修稿 日期 ： 2 0 1 4 0 21 3 作者简介： 高永建( 1 9 8 3 一 ) ， 男 ， 工程师， 主要从事反应堆 结构力学分析研究工作 ， 通信地址 ： 2 0 0 2 3 3上海市虹漕路 2 9号上海核 工程研究设计院， Em a i l ： g a o y j s n e r d i ( 上接第 l 9页) 2 薛治国 大面积钛 钢复合板爆炸焊接过程的有限 元模拟与分析 D 西安： 西北工业大学 ， 2 0 0 7 3 杨国义 ， 孔胜先， 陈志伟 压力容器用爆炸焊接复合 板境内技术发展状况及