瞬时液相扩散连接的双温工艺模型

焊接学报

TRANSACTIONSOFTHECHINAWELDINGINSTITUTION

Vo.l26󰀁󰀁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T91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0.5min,1230󰀂保温3min,传统工艺温度参数:1250󰀂保温3min。

关键词:T91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󰀁

entliquid󰀁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Wallach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]

[1]

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Ci,其初熔温度为Tmi,低于母材的熔点Tmb。当工件加热到温度Tb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Cs,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CL(图1b),然后快速降温至Ti进行等温凝固。此时,成分为CL的中间层液相处于过冷状态,在界面处首先形成成分为Cs1的晶核,同时液固界面处的液相成分变为CL1(图1c),溶质浓度高于CL,在Ti温度下,成分为CL1的液相和成分为Cs1固相达到平衡状态。但是由于界面的液相成分高于CL,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CL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Cs1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Cs1,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󰀁AnalyticalmodelofTLPdiffusionbondingwithtwo󰀁stepheatingtemperature

󰀁󰀁󰀁󰀁注:Ci###中间层成分;Cp.m###母材成分;CL###加热温度下的液相成分;Cs###加热温度下的固相成分;CL1###等温凝固时液固

界面液相成分;Cs1###等温凝固时液固界面固相成分;C∀p,n###接头成分;Tb###传统工艺等温凝固;Tmb###母材熔点;Ti###双温工艺等温凝固温度;Tmi###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CL的液相平衡结晶温度为

Tb,如图2a所示,当温度降到Ti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CL成分液相和Cs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Ti进行等温凝固时,首先结晶出成分为Cs1的固相,因为Cs1>Cs,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。CS1的结晶使得界面处的液相成分变为CL1,而远离界面的浓度仍为CL,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

Fig.2󰀁SupercoolingdegreeandinterfaceconcentrationdistributionofTLP

diffusionbondingwithtwo󰀁stepheatingtemperature󰀁󰀁󰀁

󰀁󰀁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的。当中间层等温凝固结束后,在焊缝就不会形成平滑的连接线。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

瞬时液相扩散焊机采用高频感应加热,氩气保第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WES-600w万能试验机。拉伸试验按GB2651-∃焊接接头拉伸试验方法%标准进行,弯曲试验按GB2653-∃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XRJ-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)585MPa,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8min。

表1󰀁T91钢管和非晶中间层的化学成分(质量分数,%)Table1󰀁ChemicalcompositionsofT91steelandinsertmetalused

材料种类T91中间层A中间层B

C0.08~0.12

##

Si0.20~0.50

6~88~10

Mn0.60##

Ni∋0.445~4737~40

Cr9.504~53~4

Mo1.05##

V0.25##

Nb0.10##

B#7~~10

Fe余量余量余量

表2󰀁TLP接头的力学性能

Table2󰀁MechanicalpropertiesofT91steelTLPbondedjoint

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

󰀁󰀁1270等温凝固󰀁󰀁1230加热󰀁󰀁0.5󰀁󰀁3

󰀁󰀁0.5

󰀁󰀁4

󰀁󰀁󰀁3.5时间t/Min

等温凝固

󰀁󰀁󰀁3抗拉强度󰀂b/MPa800860850830

弯曲强度󰀂bb/MPa2.52.02.11.0

󰀁󰀁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585MPa。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号工艺所有弯曲试样都合格,弯曲性能最好;2号工艺试样弯曲性能也合格,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,形成的焊缝组织扩散均匀,没有形成化合物,形成了无焊缝󰀁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EPMA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)

Fig.3󰀁SEMandEPMAofT91steelTLPbondedjointunderdifferentprocess

󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁(aandbwithInterlayerA,canddwithInterlayerB,bondingpressure6MPa)

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:

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methodforjoningheatresistantalloys[J].WeldingJourna,l1974,53(4):203s-214s.

8篇。

陈思杰,男,19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

Emai:l

chen_sijie@163.com

(MAINTOPICS,ABSTRACTS&KEYWORDS󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁2005,Vo.l26,No.4

andadjustingitsposturetothedesiredstatusforwelding.Theexperimentofauto󰀁searchingtrackshowsthattherobothashightracingaccuracy,andcanmeettherequirementofpracticalwelding.

Keywords:󰀁

weldingmobilerobot;

auto󰀁searchingweldline;

PolytechnicUniversity,Jiaozuo454000,Henan,China;3.ShandongE󰀁lectricPowerInstitute,Jinan250002,China).p69󰀁72

Abstract:󰀁Thispaperdescribesanoveltransientliquidphase(TLP)diffusionbondingmodelrecentlydevelopedforbondingT91steelpipes.Themethodisbasedonimposingashort󰀁timehighheatingtemper󰀁aturebeforetheisothermalsolidificationoftheliquidlayer.Themethodreliablyproducesbondwhichtensilestrengthsashighasthoseofthepar󰀁entmateria.lConsequently,bondingstrengthisincreasedpossiblyduetothehighermetal󰀁to󰀁metalcontactalongthenon󰀁planarbondlinesascom󰀁paredtotheplanarbondlinesassociatedwithconventionalTLPdiffusionbonding.Thetestingresultsshowedthatthesolidifiedbondshouldconsistofaprimarysolidsolutionwithacompositionsimilartothatoftheparentmetalandfreefromprecipitates.Bondingparameterofnewprocessareat1270󰀂

for0.5minand1230󰀂

for3min.

for3min.Conventionalbondingpa󰀁

seamtracking;shipdeck

Deformationandfracturebehaviorsofsuperalloyweldedjointuponscanningelectronmicroscopein󰀁situtension󰀁

󰀁

LUOXin󰀁min1,

CHENKang󰀁min1;LUOGang2,FANYin󰀁he2(1.JiangsuUniversity,Zhenjiang212013,Jiangsu,China;2.UniversityofAeronauticsandAs󰀁tronautics,Nanjing210016,China).p60󰀁

Abstract:󰀁ThefractureprocessoftheGHseriessuperalloyweldedjointswithargontungstenarcweldingwasobserveduponscanningelec󰀁tronmicroscopein󰀁situtensionusingthesamplesobtainedfromthesamefatiguetest󰀁pieces.Therelationsbetweenthefracturefeaturesofin󰀁situtensionandtensionfatiguebehaviorswasdiscussed.TheresultsrevealthattheGHalloysweldedjointhadexcellentstrengthandthefracturestrainreachesupto17.5%,whichshowsremarkablestrainstrengtheningeffect.Ithasalsodiscoveredthatthefracturemorphologyoftheweldedjointsiscloselyrelatedtothestressstate.Thecracksinitiatedatthecrys󰀁taldefectionsandthegrainboundariesandshowntheductileshearfrac󰀁tureundertheplanestressstate.Thoseformedatcornersofthesamplewithstressconcentrationwereliabletobefailurewithbrittletransgranularfracture.Theresultsrevealthattheco󰀁effectofstressconcentrationofweldingroot/toeandthenon󰀁uniformityofmicrostructuresintheweldedjointswouldresultinstrainhardeningoffatiguetest󰀁pieces,andthereforetoinduceinitialcracksduringfatigue.

Keywords:󰀁

scanningelectronmicroscope;

in󰀁situtensile;GH

rameteris1250󰀂

Keywords:󰀁T91stee;ltransientliquidphasediffusionbonding;interlayer;microstructures;model,two󰀁stepheatingtemperatureprocessCapillaryelectronbeambrazingofstainlesssteeltube󰀁to󰀁platejoint󰀁󰀁LIShao󰀁qing,ZHANGYu󰀁xin,LUFeng󰀁gu,iYAOShun(WeldingEngineeringInstitute,ShanghaiJiaotongUniversity,Shanghai200030,China).p73󰀁75

Abstract:󰀁Stainlesssteelcapillarytube󰀁to󰀁platebrazedjointbye󰀁lectronbeamhasbeenachievedusingelectronbeambrazingsystembasedonVirtualInstruments.Effectsofelectronbeambrazingparametersinclu󰀁dingbeamcurrent,heatingtime,focuscurrentandscanningamplitudeonthequalityofbrazingjointsarediscussed.ExperimentalresultsshowthatfilletheightanddiffusiondepthofBNi󰀁2fillermetaltocapillarytubewallbothincreasewithelectronbeaminputpowerdensityincreasing.Penetrationrateofthestainlesssteeltube󰀁to󰀁platejointisupto100%anderosionphenomenaofcapillarytubearenotfoundwhenoptimizedprocessingparametersofelectronbeambrazingareadopted.Chemicalcompositionofphasesatbrazedjointisalsoinvestigatedbyanelectronprobemicroanalyser.Brazedjointconsistsofnickelboride,nickelsili󰀁cide,chromiumborideandsolidsolution.

Keywords:󰀁

electronbeambrazing;

tube󰀁to󰀁platejoint;micro󰀁

superalloy;weldedjoint;fatiguestrength

Fullbridgezero󰀁voltageswitchpulsewidthmodulationspotweldinginverterpowerwithdoubleloopcontrol󰀁󰀁

BAIZhi󰀁fan,XUAN

Zhao󰀁zh,iTANGHua,KONGXiang󰀁tian(JilinUniversity,Changchun130025,China).p65󰀁68

Abstract:󰀁Aspotweldinginverterpowerhavebeenintroduce.Ac󰀁cordingtothecharacteristicofspotwelding,theordinaryfullbridgezero󰀁voltageswitchpulsewidthmodulationdirectcurrent/directcurrentcon󰀁vertusingauxiliarynetworkhasbeenmodifiedinordertominimizetheprimarydutyrationloss.Theparametersofthelagbridgeandtheauxilia󰀁rynetworkhavebeenoptimizedbyprogramme.Thetransferfunctionofmaincircuitwasconstructedcompletely.Adouble󰀁loopcontrolmethodhasbeenused,sotheoutputcurrentcanaccuratelyfollowtheprogram󰀁mablereference,andthemagneticfluximbalanceisavoided.

Keywords:󰀁spotweldingpower;soft󰀁switching;double󰀁loopcon󰀁trol

Transientliquidphasediffusionbondingwithtwo󰀁stepheatingprocess󰀁󰀁CHENSi󰀁jie1,2,JINGXiao󰀁tian1,LIXin󰀁geng3(1.SchoolofMaterialsScience&Engineering,Xi∀anUniversityofTechnology,Xi∀an710048,China;2.DepartmentofMechanicalEngineering,Henanstructure;nickel󰀁basedfillermetal

Applicationofdynamicnetworkplantoweldingproduction󰀁󰀁L󰀁Rong󰀁sheng,CHENJian󰀁guo(SchoolofEconomyandManage,TianjingUniversityofScienceandEngineering,Tianjing300191,China).p76󰀁80

Abstract:󰀁Aimtingatweldingproductionofdissimilarstee,ltheoptimumplanwasdeterminedadoptingdynamicnetworkplanwithstagedivisionandresourcedistribution.Theresultsshowedthattechnicalprob󰀁lemwassolved;resourcedistributionwasbalanced;timelimitforapro󰀁jectwasoptimized.Andproductiveperiodwasshortenedandcostwasre󰀁duced.

Keywords:󰀁dynamicnetworkplan;weldingproduction;efficiencymethod;technologyandmanagementmprovei