超厚爆炸复合板覆层裂纹分析

韩玉改　刘宝剑　孙靖东　李二兴

摘要：针对超厚爆炸复合板在卷制过程中覆层产生裂纹的情况，通过对复合板试样进行金相观察，确定裂纹源产生于复合板结合面。通过微观金相及硬度分析，复合板覆层产生裂纹的原因主要是复合板爆炸焊参数设计不佳，其结合面强度、韧性均较低，并且超厚板材在复合后的校平过程中校平次数增多、压力增大，导致复合板结合面覆层侧存在尺寸较大的裂纹、空洞缺陷，且缺陷较为集中，裂纹向多方向扩展。另外，复合板经爆炸复合后热处理参数设计不佳，导致复合板结合面覆层硬度值远高于基层和覆层处硬度值。

关键词：超厚复合板;结合面;爆炸焊;裂纹;覆层

中图分类号：TG456文献标志码：B文章编号：1001-2303（2020）05-0054-03

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.05.11

0 前言

近年来，随着石油化工等行业的发展，压力容器呈现大型化发展趋势，伴随着各类大型复合板压力容器的制造，超厚复合板得到了广泛应用[1-2]。

某压力容器主体材料采用了正火态复合板（S30403+SA516Gr70），其规格为（5+170） mm，在筒体卷制过程中发现复合板覆层表面存在大量肉眼可见裂纹，如图1所示。

1 裂纹分析

为分析复合板覆层裂纹产生原因，在裂纹附近切取复合板试样，如图2所示。对复合板横截面进行宏观及微观检测，以确定裂纹源。

由文献[3-5]可知，复合板结合区应呈正弦波形或规律锯齿结合界面。试样宏观检测如图3所示，结合区波形并非正弦或规律锯齿结合界面，且存在微裂纹，说明在爆炸复合焊接过程中，实际碰撞角度、炸药的爆速、碰撞的基复板间距等爆炸参数设计存在不足。

在显微镜下观察覆层内部裂纹，如图4所示。可以看出，裂纹起源于复合板结合区，从覆层内部向覆层表面扩展。

基、复板爆炸复合后，虽保持了原有金属的基本元素成分，但在结合面处形成了不同于两侧金属组织的区域，该区域强度及韧性均较低，在后期校平过程中可能会被撕裂形成缺陷[1，3，5-7]。板材越厚，其校平力越大，校平次数越多，结合面处越容易形成缺陷，且按照NB/T47013-2015《承压设备无损检测》第3部分采用超声直波检测方法，不易检出此类缺陷。在复合板加工过程中，因受力导致此处缺陷扩展。因此，对复合板试样结合区进一步微观检测，分析缺陷产生原因。

复合板基层使用5%硝酸酒精溶液腐蚀后进行微观观察，覆层使用10%草酸溶液电解浸蚀进行微观观察。复合板试样微观金相如图5所示。可以看出，复合板基层金相组织为铁素体+珠光体（见图5a），结合面基层侧存在50～95 μm脱碳区（见图5b），覆层金相组织为奥氏体、少量铁素体及少量碳化物，碳化物主要聚集在晶界處（见图5c），结合面覆层侧存在裂纹+孔洞（见图5d）。

由图5可知，复合板结合面覆层侧存在裂纹及空洞等缺陷，其合貌如图6所示。

由图5和图6可知，复合板结合面处裂纹并非完全沿结合面扩展，其长度达0.5～0.6 mm;空洞长度可达0.15 mm，宽度可达0.07 mm，且裂纹及空洞比较集中，部分裂纹与空洞相连。复合板加工时，在加工应力的作用下，裂纹及空洞等缺陷扩展而贯穿相连，将加大裂纹的扩展程度。

裴海祥等[3]通过对复合板复合界面微观组织进行试验认为，爆炸复合板经热处理后，基层侧会有脱碳现象，覆层侧会有渗碳现象并在晶界处析出碳化物，在形变硬化及晶界处碳化物的作用下，结合面覆层侧硬度将高于基层和覆层，且随热处理时间的增加，其硬度差值会越来越大。

文中的超厚复合板交货状态为正火态，即超厚复合板爆炸复合后进行正火热处理，为保证钢板受热均匀，一般板厚越大，正火保温时间越长。由图5可知，复合板基层侧出现脱碳层，覆层晶界处有碳化物析出;对复合板试样横截面进行硬度试验，结合面覆层侧硬度值约为400 HV10，远高于基层和覆层处，如图7所示。

综上所述，超厚复合板裂纹产生的原因如下：

（1）结合区波形并非正弦或规律锯齿结合界面，爆炸参数设计存在不足。

（2）复合板结合面覆层侧存在裂纹、空洞缺陷，且尺寸较大，同一位置分布比较集中，裂纹向多方向扩展。

（3）复合板经爆炸复合后热处理参数设计不足，复合板结合面覆层硬度远高于基层和覆层处。

复合板在卷制过程中，钢板基层受到弯曲力的作用，覆层侧受到弯曲力和剪切力的作用;复合板覆层侧存在裂纹等缺陷，在应力作用下，这些缺陷作为裂纹源形成裂纹并扩展;复合板结合面覆层处硬度较高，导致裂纹未沿结合面方向扩展，而是向覆层内部扩展，并延伸至覆层表面。

3 结论

（1）超厚复合板结合面处易形成裂纹、未熔合、空洞等缺陷，在剪切力下极易扩展，危害性较大。复合板制造前应全面检测厚板强度及表面硬度等性能，依据板厚制定合理的制造工艺，设计适合的爆炸复合参数，以避免该类缺陷的形成。

（2）针对超厚复合板，应根据板厚及焊材性能合计合理的热处理后工艺，尽量减少保温时间，减小基层侧脱碳区域，以减少对覆层的渗碳，降低覆层晶界处析出碳化物，降低结合面覆层处硬度。

参考文献：

[1] 邵将，李丽丽. 超厚爆炸复合板结合面隐性缺陷分析及检测[J]. 压力容器，2016，33（11）：64-68.

[2] 张蕾，苗畅颖，王文利，等. 超大直径PTA结晶器制造难点分析[J]. 压力容器，2017，34（7）：73-78.

[3] 裴海祥，王立新，张寿禄，等. 爆炸复合板复合界面微观组织分析[J]. 压力容器，2002（11）：11-14.

[4] 侯国亭，冯健，袁安富，等. 爆炸焊接界面成波机理[J]. 爆破，2013，30（4）：120-124，147.

[5] 郭励武. 不锈钢复合板结合界面的性质研究[J]. 新技术新工艺，2018（7）：45-47.

[6] 富阳. 复合板压力容器裂纹的无损检测[J]. 无损检测，2010，32（3）：227-229.

[7] 马雯波，蔡青，邓莉莹. 爆炸复合板压力容器径向裂纹的无损检测及其安全性分析[J]. 焊接学报，2018，39（10）：54-60，131.