钛/钢复合板爆炸焊接修补试验研究

汪小艳，宋磊

（1重庆市爆破工程建设有限责任公司，重庆 400020，2陕西红旗民爆集团股份有限公司，陕西宝鸡 721013）

0 引言

钛及钛合金是一种重要的结构金属，因具有强度高、耐蚀性好、耐热性高等特点而被广泛用于石油、化工、航天、航海、火电等多个领域，但作为一种稀有金属，其高昂的价格限制了在压力容器、电厂烟囱等工程领域的广泛应用，钛/钢复合板的出现正好解决了这一难题，即充分利用了钛材的优良特性，又大大降低了钛材的使用量和成本，使钛材的优良特性能在更多的领域得到应用。现阶段钛/钢复合板的生产工艺主要有轧制、爆炸焊接和爆炸焊接+轧制三种。

1 钛/钢复合板爆炸焊接工艺

1.1 钛/钢复合板爆炸焊接原理及优缺点

爆炸焊接的基本原理就是在平行放置的两种或多种用间隙隔开的金属板材上，通过炸药爆轰的能量，使两种或多种金属体之间产生高速斜碰撞，从而使金属体之间产生固相的冶金结合的一种焊接技术[1]。爆炸焊接具有普通焊接技术无法比拟的优点，不仅可以实现常规方法无法焊接的不同种类金属之间的焊接，也适合金属材料的大面积复合；缺点就是常规方法无法焊接金属之间的爆炸焊接板材补焊比较困难。

1.2 钛/钢复合板爆炸焊接工艺

金属板材的爆炸焊接工序主要有：爆炸前原材料预处理、爆炸焊接过程、爆炸后焊接板材处理，其中爆炸前原材料预处理有基板的裁剪、打磨抛光和复板的拼焊、抛光等；爆炸后焊接板材的处理主要有探伤、补焊、退火、校平等。爆炸焊接金属板材的质量保障措施也主要有三个方面，一是严格基复板的爆前检查，做到基板腐锈打磨干净、复板平整且无锈蚀与油腻；二是严格按照爆炸焊接现场操作规范进行爆炸焊接操作作业；三是对爆炸焊接不贴和区域进行修补。爆炸补焊试验工艺与金属爆炸焊接工艺一样。

爆炸焊接过程主要操作工艺及步骤可以分为：炮台的平整、基板的放置、间隙的摆放、复板的放置与防护、炸药的铺设与平整和雷管的放置与起爆。其中间隙的大小和炸药的爆速直接影响爆炸焊接过程中板材的碰撞角、碰撞点移动速度、复板打击速度等参数，而这些参数直接决定金属板材的焊接与否和质量优劣，其选择原则就是爆炸焊接时碰撞点速度（炸药爆速）必须小于被焊材料的声速。

1.3 钛/钢爆炸复合板修补方法

由于钛、钢（铁）两种金属具有常规不相容性，普通的熔化焊不能形成稳定的牢固接头，就给钛/钢爆炸复合板的修补带了很大的技术难题。现阶段较小面积不贴合钛/钢复合板的修补，多采用银焊丝作为过渡层，利用熔化焊将钛焊丝逐层堆起，这样的修补工艺，不仅对焊接工艺、环境和技师有着严格的要求，而且生产的焊接接头也不够牢固，当修补面积较大时，在后续切割、锻压、打孔环节因铁、银、钛的熔化和凝固点相差较大，就会再次出现分层现象，无法满足工业使用要求[2]。史长根等人提出了钛/钢复合板的爆炸堆焊修补技术[3]，即：先在钛/钢复合板上确定不贴合区域予以清理，然后在清理完毕的碳钢板上用爆炸焊接的方法焊接上一块2mm厚的钛板，再在钛板上采用堆焊工艺将钛焊丝堆焊到规定高度。这种方法虽说解决了银焊丝作为过渡层的补焊工艺焊接接头不牢固的问题，但对于较大面积的钛钢不贴合区域，用钛焊丝逐层堆起，就显得有些笨重，本文探讨一种一次成型钛/钢复合板爆炸修补补焊方案。

2 钛/钢复合板爆炸焊接修补试验方案

2.1 爆炸焊接修补试验材料

板材1：复材为TA2，厚度为4mm；基材为16MnR，厚度为45mm；不贴合修补面积为750mm*350mm（如图1-1）。

板材2：复材为TA2，厚度为3mm；基材为20G，厚度为30mm；不贴合修补面积为500mm*300mm（如图1-2）。

图1 爆炸焊接修补成品图

2.2 爆炸焊接修补试验工艺

2.2.1 爆炸焊接修补试验原材料预处理

爆炸修补试验前，必须对钛/钢复合板进行退火处理，消除前次焊接产生的残余应力，消除残余应力是爆炸焊接修补的前提，否则，爆炸焊接修补时，残余应力会带来更大面积的不贴合。

在对不贴合区域进行预处理时，首先是通过超声波探伤确定不贴合区域范围，并在钛/钢复合板上画出区域轮廓线；然后用机械方法去除不贴合的钛层至基层表面，渗透检验保证全部不贴合缺陷被清除完毕，但同时须保证基材的厚度，不应超挖；最后用抛光机对不贴合区域进行抛光，保证处理不贴合边缘坡口圆滑过渡。如果钛/钢复合板的不贴合区域不规则，在预处理过程中尽量修正规则。爆炸焊接修补复材预处理，板材1裁取大小为800mm*400mm，厚度为4mm的TA2板材；板材2裁取大小为550mm*350mm，厚度为3mm的TA2板材，并对裁取好的复板进行退火、校平处理，以提高其延展性和平整度。

2.2.2 爆炸焊接修补试验过程

将预处理好的板材拉至外爆场地，通过布置间隙将钛板放置在不贴合区域，起爆点放置在爆炸焊接修补复板的中间位置（利于爆轰射流的扩散），在起爆点用RDX进行加强装药，以提高起爆点的贴合率。在待爆复板上铺设一层钛/钢爆炸修补复合板专用炸药，然后起爆焊接，爆炸焊接修补后的板材如图1。

爆炸焊接均采用粉状炸药，现阶段主要使用的炸药有：膨化硝铵炸药和改性铵油炸药，且要求炸药具有一定范围内的爆速（1800～3200m/s）可调性、在可调爆速范围内具有较好爆轰稳定性[4]。其在爆炸焊接时板材上的布药方式为平整摊铺，原则上保证各处摊铺炸药厚度一样。起爆点的设置原则上遵循尽量不在焊接板材上造成不贴合区域和有利于爆轰形成射流的扩散。

2.2.3 爆炸焊接修补后的板材处理

爆炸焊接修补后的板材，首先要进行表面和超声波检验，以判断其贴合率，然后用打磨机去除周边未完全贴合的钛材，并用氩弧焊对焊缝进行处理，使爆炸焊接修补钛材与整块复板完美贴合，然后对爆炸焊接修补后的钛板再次进行退火处理，最后用抛光机对爆炸焊接修补表层及焊缝进行抛光，进行超声波探伤和渗透检查。

2.3 爆炸焊接修补后钛/钢复合板力学性能检测

通过对爆炸焊接修补区域的钛钢复合板和原贴合钛钢复合板对比可以发现，修补后的各项性能指标与原板材基本一致，均满足NB/T 47002-2009标准要求，爆炸焊接修补区域钛钢复合板的力学性能指标详见表1[5]。

表1 （4+45）钛/钢复合板修补区域力学性能

3 钛/钢复合板爆炸焊接修补试验注意事项

（1）清理不贴合区域，在用砂轮机和角磨机对不贴合区域进行清理时，不能对基板进行下挖，只需将不贴合区域的基板焊接波纹清理干净即可；在对不贴合区域边缘进行清理时，要边清理，边作超声波和渗透检验，一旦确定不贴合缺陷清理完毕，即可停止清理。

（2）史长根等人认为对缺陷区域已复合的钛层打磨出45O的坡口，实现爆炸焊接钛板与无缺陷周边钛复层的冶金结合[3]。在经过大量的工程爆炸焊接修补试验总结，得出缺陷区域已复合的钛层坡口坡度在30O左右时，爆炸焊接修补后不贴合缺陷周边冶金结合最牢固。

（3）爆炸焊接修补时，起爆点应放在板材的中心，这样不仅方便爆炸焊接时形成射流的扩散，也有利于中间杂质排除。为了保证起爆点的贴合，在起爆点一般采用猛炸药RDX加强起爆能。

（4）爆炸焊接修补时，应选用爆速比成品钛/钢复合板爆炸焊接炸药较高的专用炸药，这样在较小的板幅中，才能保证足够的爆轰能量，利于爆轰射流的形成与稳定[6]。

（5）有时根据爆炸焊接修补板材实际情况，为了保证修补板材的厚度，需要选用厚度超过原复板厚度的板材作为修补复板。

4 结论

（1）采用爆炸焊接修补技术，可以实现对较大面积不贴合钛/钢复合板的修补，修补后的复合板材各项性能指标满足行业标准要求，且具有完成后续切割、锻压、打孔作业的冶金结合强度要求。

（2）采用爆炸焊接修补技术，可以实现一次性修补钛材厚度在1mm～8mm之间的钛/钢爆炸复合板。

[1]汪旭光，郑炳旭，张正忠，等.爆破手册[M].北京:冶金工业出版社，2010.

[2]田涛，陆明，刘鹏，等.爆炸焊接在装备维修中的应用研究[J].张家口职业技术学院学报，2008，1（21）:65-67.

[3]史长根，尤峻，冯建.压力容器用钛钢复合板缺陷的爆炸堆焊修复技术[J].压力容器，2008，7（25）:29-31.

[4]GB6722-2014爆破安全规程[S].北京:中国标准出版社，2015.

[5]肖宏滨，辛选荣，祝要民，等.爆炸复合板补焊接头界面的微观组织与性能[J].热加工工艺，2003，1（22）:20-21.

[6]王耀华，尤峻，陆明.爆炸焊接合理装药量试验[J].解放军理工大学学报：自然科学版，2004，5（3）:46-48.