第26卷 第4期2005年4月
焊接学报
TRAN S ACTI ONS OF THE CH I N A WELD I N G I NST I T UTI ON
V o. l 26 No . 4
April 2005
瞬时液相扩散连接的双温工艺模型
陈思杰
1, 2
, 井晓天, 李辛庚
13
(1. 西安理工大学材料科学与工程学院, 西安 710048; 2. 河南理工大学
机械系, 焦作 454000; 3. 山东电力研究院, 济南 250002)
摘 要:在开发T 91钢管瞬时液相扩散连接工艺的过程中, 提出了一种新的TLP 连接工艺模型, 在等温凝固前先进行短时高温加热, 然后再降低到连接温度进行等温凝固, 等温凝固温度低于传统工艺的温度。研究表明, 新工艺连接的组织和性能都优于传统的工艺, 得到了无焊缝的理想组织。新工艺温度参数:1270 加热0. 5m i n , 1230 保温3m i n , 传统工艺温度参数:1250 保温3m i n 。
关键词:T 91钢; 瞬时液相扩散连接; 中间层; 显微组织; 模型; 双温工艺
中图分类号:TG457. 11 文献标识码:A 文章编号:0253-360X (2005) 04-69-04
陈思杰
0 序 言
瞬时液相-扩散连接作为一种新型的焊接技术在近30多年来获得了广泛的应用。TLP (Transi
ent liquid phase) 焊接头强度高, 没有明显的界面和焊接物残留, 在新材料的制备、连接、修复等方面潜力很大。近年来TLP 连接工艺在不断发展, Shirzadi 与W allach 提出 带有温度梯度的TLP 扩散焊(T -TLP 扩散焊) ! 的新工艺, 突破了传统的TLP 连接惯用的焊接区温度均匀分布的束缚, 可使最终凝固所得的界面由经典TLP 焊接所得的平面状变为非平面状(正弦状或胞状), 提高了接头的剪切强度, 并避免了接头质量的随机波动。传统的TLP 连接工艺是把中间层放在连接面之间, 加上一定的压力, 在真空或保护气氛炉中加热到连接温度, 使中间层熔化、降低熔点元素扩散、产生等温凝固, 然后降到室温完成连接过程。这种方法操作比较简单, 当中间层熔点明显低于母材的熔点时, 是比较理想的。如果中间层熔点较高, 那么需要的连接温度相应也高, 在接近母材熔点进行连接, 会造成连接过渡区晶粒粗大, 降低接头性能。另外, 其凝固过程为平衡结晶, 液固界面以平面推移, 最后在接头处往往形成一条明显的连接线, 降低接头性能。为此, 研究了一种新的TLP 连接工艺模型, 并用T91钢进行了连接试验。
[1]
[4, 5]
[2, 3]
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程的控制是连接成功的关键, 等温凝固过程是降熔元素扩散的过程, 如果等温凝固没有完成就降温冷
却, 会造成连接部位的硼、硅等降熔元素含量过高, 形成脆性化合物。如果中间层熔化后降低一定温度, 即造成一定的成分过冷, 使等温凝固在一定的过冷度下进行, 既可以消除高温下长时间保温对基体的不利影响, 还可以提高等温凝固的形核率, 提高焊缝力学性能。因此, 设想在传统TLP 连接工艺的基础上, 为了使中间层充分熔化, 提高润湿性, 可以先加热到接近基体熔点的高温使中间层熔化, 然后快速冷却到一个较低的温度下进行等温凝固。等温凝固结束后, 冷却到室温完成连接过程。
1. 2 TLP 连接双温连接工艺模型机理
图1为TLP 双温连接机理模型。中间层的原始成分为C i , 其初熔温度为T m i , 低于母材的熔点T mb 。当工件加热到温度T b 时, 中间层熔化, 并填充接头间隙(图1a) 。液体和邻近母材的反应, 使母材配合面处的硼浓度提高到高于C s , 界面处的母材开始部分熔化。由于硼、硅等的扩散和母材的溶解, 母材的溶化一直延续到液相中间层的成分降低到C L (图1b), 然后快速降温至T i 进行等温凝固。此时, 成分为C L 的中间层液相处于过冷状态, 在界面处首先形成成分为C s1的晶核, 同时液固界面处的液相成分变为C L1(图1c), 溶质浓度高于C L , 在T i 温度下, 成分为C L1的液相和成分为C s 1固相达到平衡状态。但是由于界面的液相成分高于C L , 界面处的平衡由于降熔元素的扩散而被打破, 所以液固界面继续向前推移。另一方面已结晶的固相中的降熔元素也要向基体内扩散。处于C L 成分的液相的容积逐
1 TLP 连接的双温模型
1. 1 基本设想
TLP 连接过程中, 中间层的熔化和等温凝固过
收稿日期:2004-04-20
70焊 接 学 报第26卷
步缩减, 凝固过程不断的从两配合面继续向中间进行(图1d) 。最后形成成分为C s1的固溶体。连接过程是一个不平衡的结晶过程, 这是区别于传统TLP 连接工艺的重要特征。只要扩散过程使接头处硼的
最高浓度降低到C s1, 等温凝固结束, 基本结合已形成(图1e) 。继续保温可以使接头处组织均匀化, 使接头成分(C ∀p . m ) 尽量接近母材(图1f) 。1. 3 TLP
连接双温工艺模型过冷度的形成
图1 TLP 双温连接机理模型
Fig . 1 Ana lyti c a l mode l o f TLP d iffusion bond ing w it h t wo st ep heating t empe ra t u re
注:C i ###中间层成分; C p. m ###母材成分; C L ###加热温度下的液相成分; C s ###加热温度下的固相成分; C L 1###等温凝固时液固
界面液相成分; C s 1###等温凝固时液固界面固相成分; C ∀p, n ###接头成分; T b ###传统工艺等温凝固; T mb ###母材熔点; T i ###双温工艺等温凝固温度; T m i ###中间层熔点
根据TLP 连接双温工艺模型, 中间层熔化和增宽阶段完成后, 成分为C L 的液相平衡结晶温度为
T b , 如图2a 所示, 当温度降到T i 进行等温凝固时, 就产生了一个过冷度 T , 如图2b 所示。传统工艺等温凝固时, 在凝固界面C L 成分液相和C s 成分的固相处于平衡状态, 降熔元素不断向基体扩散, 固液界面不断向前推移如图2c 所示。双温工艺模型
在T i 进行等温凝固时, 首先结晶出成分为C s1的固相, 因为C s1>C s , 因此增大了界面和基体的浓度梯
度, 可以促进降熔元素的扩散。C S1的结晶使得界面处的液相成分变为C L1, 而远离界面的浓度仍为C L , 这样在液体中降熔元素也要进行扩散, 扩散的结果打破了界面处的浓度平衡, 就会促使晶体长大如图2d
所示。
图2 双温工艺模型过冷度及界面浓度分布
F i g . 2 S upe rcoo ling deg ree and inter f ace concentra tion d istribu tion o f TLP
d iffusion bond ing w it h t wo step hea ting temperature
成分过冷区的形成, 给正温度梯度条件下的合金固溶体凝固创造了类似于纯金属在负温度梯度下凝固的条件。因为过冷度不是很大, 界面的局部突
起不可能有较深地伸展, 而形成许多曲面状突起。这样就形成胞状界面, 其晶体生长界面不是平滑状, 形成平滑的连接线。所以有利于提高接头的强度。
2 TLP 连接工艺试验
2. 1 试验设备和方法
,
第4期陈思杰, 等:瞬时液相扩散连接的双温工艺模型 71
护, 压力设定为4~10MPa 。力学性能试验机型号为W ES-600w 万能试验机。拉伸试验按GB2651-89∃焊接接头拉伸试验方法%标准进行, 弯曲试验按GB2653-89∃焊接接头弯曲及压扁试验方法%标准进行。焊缝组织和成分分析在XR J-8800型电子显微镜上进行。
试验材料为T91钢管, 钢管规格和力学性能为:外径(d ) 63. 5mm , 壁厚(h ) 4. 6mm , 抗拉强度( b ) 585M Pa , 延伸率( %。试样连接端面精车。钢5) 20
管的成分和试验中间层成分见表1, 试验方案和工艺参数见表2。为了验证瞬时液相连接双温工艺与传统工艺的区别, 制定了两套工艺方案。方案1用
中间层A , 1号试样工艺为双温工艺, 2号试样工艺为通过正交试验得到的较理想的传统工艺。方案2
用中间层B , 采用相同的等温凝固温度, 比较不同工艺的连接质量。3号试样工艺为TLP 连接双温工艺, 4号工艺为TLP 传统工艺。中间层B 的降熔元素含量高于中间层A 。考虑到降熔元素含量高时扩散所需要的时间要长。所以, 方案2的等温时间适当延长。另外, 因为T91钢淬透性好, 焊接接头冷却到室温时就有产生冷裂纹的危险。所以焊接后不允
[6]
许冷却到室温再进行回火, 当接头温度降到100~150 , 就要进行回火。试验的回火工艺为800 &5 , 保温8m i n 。
表1 T91钢管和非晶中间层的化学成分(质量分数, %) Tab le 1 Chem ica l compositions o f T91stee l and i n se rt me t a l us ed
材料种类T91中间层A 中间层B
C 0. 08~0. 12
##
S i 0. 20~0. 50
6~88~10
M n 0. 60##
N i ∋0. 445~4737~40
Cr 9. 504~53~4
M o 1. 05##
V 0. 25##
Nb 0. 10##
B #7~89~10
Fe 余量余量余量
表2 TLP 接头的力学性能
Tab l e 2 M echanica l p roper ties o f T91stee l TLP bonded jo in t
序号1234
工艺类型双温传统双温传统
中间层种类中间层A
连接温度T /
加热
等温凝固加热 3
0. 5
4
3. 5时间t /M i n
等温凝固
抗拉强度 b /M Pa [1**********]0
弯曲强度 bb /M Pa 2. 52. 02. 11. 0
1250
1270
1230
中间层B
1230
2. 2 试验结果与分析
根据试验方案共连接了4个试样。连接后取样
进行力学性能试验。试样取管道圆周0点、3点、6点和9点等4个位置, 每一个位置取1个拉伸试样和2个弯曲试样(面弯和背弯), 进行力学性能试验, 试验结果列于表2。并用电子显微镜分析了焊缝组织和成分分布。力学性能试验表明, 所有拉伸试样都在距离焊缝20mm 的热影响区发生断裂, 其抗拉强度均大于800MPa , 远高于供货状态母材的抗拉强度585M Pa 。从焊接质量方面来讲, 并不希望热影响区强度太高, 因为强度高, 塑性和韧性就会降低。可以看出, 随着加热温度和等温温度的升高, 试样抗拉强度有所升高。2号试样由于在高温保温时间长, 热影响区硬化显著, 经高温回火后强度还很高, 其它3个工艺因为在高温保温时间短, 热影响区的抗拉强度较2号试样有所下降。1号工艺所有弯能也合格, 但弯曲强度值比1号试样低。3号和4号试样等温温度都是1230 , 3号工艺采用的是新工艺, 弯曲性能合格, 而4号试样用的是传统工艺, 弯曲试样试验不合格。用电子显微镜观察接头区域组织(图3), 可以发现不同连接工艺焊缝区域显微组织形态有较大的差异。比较1号工艺(图3a) 和2号工艺(图3b ), 由于传统工艺等温阶段温度为1250 , 等温温度比较高, 所以传统工艺的焊缝区域晶粒较粗大, 而且传统工艺的焊缝中央有明显的界面, 而新工艺的焊缝和母体已经扩散均匀, 没有明显的连接界面, 且焊缝区域晶粒较细。
传统工艺在等温温度较低时, 由于降熔元素扩散不充分, 会形成少量脆性相(图3d) 。而新工艺可以在较低的温度进行等温凝固, 不会形成脆性相。3号工艺(图3c) 和4号工艺(图3d) 二者等温凝固温度相同, 但因为新工艺有一个高温加热阶段, 形成的, ,
72焊 接 学 报第26卷
的接头; 而传统工艺不仅有明显的焊接线, 而且降熔元素扩散不充分, 通过EP MA 线扫描分析, 发现有硼和铬的化合物生成。可见双温工艺的短时加热
不仅可以改变等温凝固阶段的合金凝固界面的形状, 而且可以加快降熔元素的扩散, 避免形成脆性
相。
图3 T91钢不同TLP 工艺焊接接头SEM 图像和EPMA 曲线(a 和b 用中间层A , c 和d 用中间层B , 压力6MPa)
F i g . 3 SEM and EPMA o f T91st ee l TLP bonded j o in t unde r d iff e ren t process
(a and b w ith I n t e rlaye r A , c and d w ith I n t e rlaye r B , bond ing pre ssu re 6MPa)
3 结 论
(1) TLP 连接双温工艺把传统瞬时液相连接过程分成两个不同的温度阶段, 加热阶段完成中间层
的熔化和增宽, 等温阶段完成液态中间层的凝固和均匀化, 具有不平衡结晶的特点, 消除了平衡结晶产生的平直连接界面。
(2) 较高的短时高温加热, 使中间层熔化更充分, 中间层和基体的作用显著。等温凝固温度低于传统TLP 连接工艺的温度, 降低了接头过渡区基体的过热倾向。
(3) T91钢TLP 连接试验结果表明, TLP 连接双温工艺可以获得和基体相同的组织和性能, 得到了无焊缝连接接头, 实现了比较理想的TLP 连接。参考文献:
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2000, 21
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40
作者简介:
[1] Du vall D S , C z arsk i O W, Pan l on is D F . TLP b ond i ng :a n e w
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8篇。
陈思杰, 男, 1964年3月出生, 副教授, 博士研究生。
研究方向为管道瞬时液相扩散连接技术和表面工程技术, 发表论文
Em ai :l
ch en_siji e @163. co m
(MA I N TOPI CS , ABSTRAC TS &KEY WORDS 2005, Vo. l 26, N o . 4
and ad j u sti ng its posture t o t he desired stat us for w el d i ng . The experi m en t of auto searching track s how s that t he robot has h i gh traci ng accuracy , and can m eet the requ i re m ent of practicalw el d i ng.
K ey w ords :
w el d i ng m ob ile robot ;
auto search i ng w eld li ne ;
Pol ytechn ic Un i versit y , J i aoz uo 454000, H enan, Ch i na ; 3. Shandong E lectric Po w er Instit u te , Ji n an 250002, Ch i na). p69 72
Abstract : Th is paper descri b es a novel tran sient li qu i d phase (TLP ) d i ff us i on bond i ng m odel recen tl y d eveloped f or bond i ng T91s t eel pipes . Them et hod i s based on i m posi ng a short ti m e h i gh heating te mper ature b efore t he is other m al solidifi cati on of t he li qu i d l ayer . The m ethod reli ab l y p roduces bond wh ich tens il e strengt h s as h i gh as t hose of t h e par ent m ateri a. l Con s equ entl y , bond i ng strengt h i s i n creased poss i b l y du e to the h i gher m etal to metal con tact along the non planar bond li nes as co m p ared to the p l anar bond li nes ass oci ated w i th conven ti on alTLP d iffusion b ond i ng . Th e testi ng res u lts sho w ed t hat t he soli d ifi ed bond shou l d cons i st of a pri m ary s oli d sol uti on w it h a co mpositi on s i m ilar t o t h at of the parent m etal and free fro m preci p it ates . Bond i ng para m eter of ne w process are at 1270
for 0. 5m i n and 1230
f or 3m i n.
f or 3m i n. Con ven ti onal bond i ng pa
sea m trac k i ng ; s h ip deck
D efor ma tion and fracture behav i ors of s uperalloy w el ded jo i nt upon s canni ng electron m icroscope i n situ tensi on
L UO Xin m i n 1,
CH EN Kang m i n 1; L UO Gang 2, FAN Y i n he 2(1. J i angsu Un ivers i ty , Zhen ji ang 212013, J i angs u, Ch i na ; 2. Un i versit y ofAeronau tics and As tronau tics , Nan ji ng 210016, Ch i na). p60 64
Abstract : The fract u re process of t he GH series s uperalloy w el ded j o i nts w it h argon tungsten arc w el d i ng w as ob s erved upon s cann i ng el ec tron m icroscope i n sit u tension usi ng the sa m ples ob tai ned fro m the s a m e f ati gue test p i eces . The relati ons bet w een t he fract u re feat u res of in sit u t en sion and tension fati gue b ehaviors w as d i scussed . The res u lts reveal t hat t h e GH all oys w el ded j oi n t had excell en t s trengt h and the fracture s trai n reaches up t o 17. 5%, wh ich s how s re m arkab le s trai n strengthen i ng effect . It has also d iscovered t hat the fract ure m orph ol ogy of t h e w el ded j o i nts i s clos ely related to t h e s tress st ate . The cracks i n itiat ed at the crys t al d efecti on s and the grai n boundaries and s h o wn t h e ductile shear frac t ure und er t he p lane stres s st ate . Those for m ed at corners of t h e s a m p l e w it h s tress concentrati on w ere liab l e to be fail urew it h brittle tran s granu lar fracture . Th e res u lts reveal t hat the co eff ect of stress concen trati on of w el d i ng root/t oe and the non un if or m i ty ofm i crostruct u res i n t h e w el ded j o i nts w ou l d res u lt i n s trai n h arden i ng of fati gu e test pieces , and theref ore t o i ndu ce i n iti al crack s duri ng fati gu e .
K ey words :
scann i ng electron m i croscope ;
i n s it u ten sile ; GH
ra m eter is 1250
K ey words : T91st ee; l tran sient li qu i d phas e d i ff us i on bond i ng ; i nterl ayer ; m i crostruct u res ; model, t w o step heati ng te mperat u re p rocess Capillary electron bea m bra zing of stainl ess steel t ube to plate jo i nt L I Shao qing , Z HANG Yu xi n, LU Feng gu, i YAO Shun (Welding Eng i neeri ng Instit u t e , Shanghai J i aotong Un ivers it y , Shanghai 200030, Ch i na). p73 75
Abstract : Stai n less steel cap illary tub e to p l ate brazed j oi n t by e lectron bea m h as been ach i eved us i ng el ectron bea m braz i ng syste m b ased on V irtual Ins tr um en ts . E ffects of electron bea m brazing para m eters i ncl u d i ng b ea m cu rrent , heati ng ti m e , f ocus current and s cann i ng a mp litude on the qualit y of b raz i ng joi n t s are discussed . Experi m en t al results sho w that fillet hei gh t and d i ff us i on depth ofBN i 2fill erm etal to capill ary tube w all bot h i n crease w it h el ectron bea m i nput po w er den sit y i ncreas i ng . Penetrati on rate of the stai n less steel tube to p l ate j oi n t is up to 100%and eros i on pheno m ena of cap illary tub e are not f ound wh en opti m i zed proces s i ng para m eters of electron b ea m brazi ng are adopted. Che m i cal co m position of phas es at brazed joi n t i s also i n vesti gated by an el ectron prob e m i croana l ys er . B razed j oi n t con sists of n i ckel bori de , n ickel s ili ci de , ch ro m i um bori de and s oli d s o l uti on.
K ey w ords :
el ectron bea m braz i ng ;
t ube t o p late joi n t ; m i cro
superall oy ; w el ded j o i nt ; fati gue strengt h
Full bri dge zero vo ltage s w itch pulse w i dth m odul a tion s pot w el di ng i nverter pow er w ith doubl e l oop control
BA I Zh i f an , XUAN
Zhao zh, i TANG H ua , KONG X i ang tian (Jili n Un ivers i ty , C hangchun 130025, C h i na). p65 68
Abstract : A s potw el d i ng i nverter po w er have been i n troduce . A c cord i ng t o t h e c h aracteristic of s potw elding , t h e ord i nary f u ll bri dge zero volt age s w i tch pu lse w i d t h m odu lati on d i rect cu rren t/di rect curren t con vert us i ng auxiliary net work h as been m od ified i n order to m i n i m iz e t he pri m ary duty rati on l os s . The para m eters of the l ag bridge and t h e aux ili a ry net w ork h ave been op ti m iz ed by p rogra mm e . The tran sfer functi on of m ai n circu it w as constructed co m p l etel y . A doub l e l oop con trol m et hod has been u sed , s o the output cu rrent can accuratel y f oll o w t h e progra m m ab l e ref eren ce , and the m agn eti c fl ux i m balance i s avo i ded .
K ey words : s potw el d i ng pow er ; soft s w i tch i ng ; doub le loop con trol
Trans i ent li quid phase diffusion bondi ng w ith two step heati ng process CHEN S i jie 1, 2, JI NG X i ao ti an 1, L IX i n geng 3(1. S chool of M aterials Science&Eng i neeri ng, X i ∀an Un i versity of Techn ol ogy , X i ∀an i ; t struct u re ; n i ck el based filler m et a l
App li ca ti on of dynam ic net w ork plan to w el di ng production L Rong s heng , CHEN Jian guo(Schoo l of E cono m y and M an age , T i an jing U n i vers it y of Science and Eng i neeri ng , T i an ji ng 300191, C h i na). p76 80
Abstract : A i m ting at w eld i ng p roducti on of d i ssi m ilar stee, l the opti m u m p l an w as deter m i ned adop ti ng dyna m i c net w ork p l an w it h stage divi s i on and resource d istri bu ti on . The res u lts sho w ed that techn icalp rob le m w as s olved; resou rce d istri buti on w as balanced; ti m e li m it f or a p ro jectw as opti m ized . And p roducti ve peri od was shortened and costw as re du ced .
K ey words : dyna m i c net work p l an; w eld i ng producti on ; ; m m p rove i