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管道的瞬时液相扩散焊技术研究 范振红( 材料加工工程) 指导教师：孙永兴教授 摘要 瞬时液相扩散焊( t l p ) 是一种高效快速的焊接方法，其具有焊接温度 低，母材不熔化，可焊接异种材料，变形小，强度接近母材，高温性能好， 设备投资及焊接成本低等特点。为将t l p 焊接技术应用到油田管道的焊 接中，论文根据管道常用钢1 6 m n r 的特点和中间层材料选择的原则，选 用n i 6 0 自熔性合金粉末和f e - s i b 非晶箔片作为中间层进行t l p 焊接， 研究了t l p 焊接接头显微组织和力学性能；中间层性质和焊接工艺参数 对焊接接头显微组织及力学性能的影响；焊接接头区域的元素分布情况： 焊接接头拉伸断口形貌特征；p 焊接界面形成机制；并采用有限元软件 a n s y s 对焊接接头区域的温度场和应力场进行模拟。 研究结果表明：采用n i 6 0 合金粉末做中间层时，焊缝区域存在大量 的空洞和夹杂，焊接接头的力学性能很差( 抗拉强度不足8 0 m p a ) ，粉末 材料的致密性差是造成焊接质量差的根本原因。采用f e , - s i b 非晶箔片做 中间层时，通过正交试验优化，获得最佳焊接工艺参数( 焊接温度1 1 5 0 c ， 焊接压力6 m p a ，保温时间1 0 m n ) ，焊接工艺参数对焊接接头质量的影响 由主到次为：焊接温度，焊接压力和保温时间。焊缝缺陷主要是空洞和未 熔合缝隙，拉伸断口呈现出解理、准解理、塑性断裂的形貌特征。电子探 针分析表明：硼元素在焊缝附近的母材里均匀分布；硅元素的浓度分布呈 从中问层向两侧母材逐渐下降的趋势，在焊缝附近区域存在偏聚；锰元素 在焊缝两侧发生局部聚集。t l p 焊接界面的形成过程包括熔化的中间层在 母材表面润湿及铺展；氧化膜破碎；中间层与母材发生互扩散使界面及空 洞消失；接头成分均匀化四个阶段。有限元模拟分析表明：焊接接头的残 余应力主要产生在冷却的初始阶段，在靠近中间层两侧的母材附近残余应 力的值较大，母材上的x 轴向拉应力在外周边达到最大；采用中间过渡 层焊接，可以缓解焊接接头应力的集中，有利于提高焊接接头的强度。 关键词：t l p ；管道焊接；有限元；过渡区；扩散 h i t h e a p p f i c a f i o n o ft r a n s i e n tl i q u i d - p h a s ed i f f u s i o n b o n d i n gi np i p e l i n ew e l d i n g f a nz h a n - h o n g ( m a t e r i a lp r o c e s s i n g ) d i r e c t e db yp r o f e s s o r ：s u ny o n g - x i n g a b s t r a c t t l pi sah i g he f f e c t i v ew e l d i n gm e t h o dw h o s ec h a r a c t e r i s t i c si sl o w w d d i n gt e m p e r a t u r e ，i n f u s i b l eb a s em a t e r i a l ，s u i tt ow e l dh e t e r o g e n e t y m a t e r i a t , l o wt r i m s f o r m a t i o n , i n t e n s i o na p p r o x i m a t et ob a s em a t e r i a l ，g o o d h i g h - t e m p e r a t u r ep e r f o r m a n c e ，l o wi n v 鹤t m e n t n o wt l ph a sb e e nap r e f e r r e d w e l d i n gm e t h o df o rw e l d i n ga d v a n c e dm a t e r i a l ，i ta l s oh a sg r e a ta p p l i c a t i o n p o t e n t i a li nc a r b o ns t e e l ， i no r d e rt oa p p l yt h et l pi np i p d i n es o l d e r i n g c h o o s i n gs e l f - f l u x i n g a l l o yn i 6 0a n df e s i ba m o f p h o u sf o i l 勰i n t e r l a y e r ( a c c o r d i n gt ot h ep r o p e r t y o f1 6 m n r ) s t u d yt h em i c r o s c o p i cs t r u c t u r ef e a t u r ea n dm e c h a n i c s p r o p e r t yo f t h et j o i n t ；t h ei n f l u e n c eo ft h ei n t e r l a y e ra n dp a r a m e t e r so nt h e m i c r o s c o p i cs t r u c t u r ea n dm e c h a n i c sp e r f o r m a n c e ；t h ed i s t r i b u t i o no f d e m e n t s i i lt h e j o i n ta r e a ；t h ea p p e a r a n c eo f t h es l r e t c hf i a c t u r e ；t h em e c h a n i s mo f t l p s o l d e r f i n a l l yu s i n gf i n i t ed e m e n ts o f t w a r ea n s y st o s i m u l a t et h e t e m p e r a t u r ef i e l da n d s t r e 怒sf i e l do f t h e j o i n t t h er e s u l t si n d i c a t et h a tw h e nu s i n gn i 6 0 船i n t e r l a y e r , t h e r ea l eal o to f c a v i t i e sa n df o r e i g ni m p u r i t i e si nt h ej o i n ta r e a , t h em e c h a n i c sp e r f o r m a n c eo f t h ej o i n ti sl o w t h er e a s o ni st h el o wc o m p a c to ft h ep o w d e rn i 6 0 w h e n u s i n gf e - s i ba si n t e r l a y e r , t h eq u a l i t yo f t h e j o i n ti sg o o d ，t h e m a i nd e f e c to f i v t h e j o i n t i sc a v i t ya n di n f i 地i o n , t h ew e l d i n gp a r a m e t e r sh a v eg r e a te f f e c t0 1 1t h e i n i c r o s t r t w t u r e , a n da p p r o p r i a t ew e l d i n gp a r a m e t e r sw i f lr e d u c et h ew e l d i n g d e f e c t t h r o u g hq u a d r a t u r ee x p e r i m e n t , t h eb e s tw e l d i n gp a r a m e t e ri s t e m p e r a t u r e1 1 5 0 p r e s s6 m p a , t i m e1 0 m i n a p p e a r a n c eo ft h es t r e t c h f r a c t u r eo ft h ej o i n th a st h ec h a r a c t e ro fc l e a v a g ef r a c t u r e , d i m p l er u p t u r e a n dq u a s i - c l e a v a g ef r a c t u r ew h i c hi n d i c a t et h a tt h ej o i n ti sm e t a l l u r g yj o i n t t h em a i nr e a s o no ft h e 丘翟c h i st h ea p p e a r a n c eo ft h em e c h a n i c a lj o i n ta r e a a n dm i c r o s c o p i cg a p bd i s t r i b u t ea v e m g e l yi nt h ej o i n t ；t h ec o n c e n t r a t i o no f s id e c l i n eg r a d u a l l yf i - o mi n t e r l a y e rt ob a s em a t e r i a l ；m nc o n v e n ei nt h ej o i n t ， t h e r ea r ef o u rp h a s e si nt h ef o r m i n go ft h ew e l d i n gi n t e r f a c e ；t h e ya r et h e w e t t i n go ft h ei n t e r l a y e ro nt h eb a s em a t e r i a l ；t h eb r e a k i n go ft h eo x i d ef i l m ； t h ed i f f u s i o nb e t w e e ni n t e r l a y e ra n db a s em a t e r i a la n dt h ed i s a p p e a r i n go ft h e c a v i t y ；t h ee q u a l i t yo ft h ej o i n t t h es i m u l a t i o no ft h et e m p e r a t u r ef i e l da n d s t r e s sf i e l di n d i c a t et h a tt h er e s i d u a ls t r e s si sg e n e r a t e da tt h ec o o l i n gs t a g e ，i t c o n c e n t r a t ei nt h eb a s em a t e r i a lh e a rt h ei n t e r l a y e r , t h et e n s i l es t r e s so ft h e b a s em a t e r i a lr e a c ht h ep e a kv a l u e 砒p e r i m e t e ra r e a t h eu s i n go ft h e i n t e r l a y e rc a nr e d u c et h ec o n c e n t r a t i o no fs t r e s s ；i m p r o v et h es t r e n g t ho ft h e j o i n t k e y w o r d s ：t l p ；p i p e l i n e ；f i n i t ee l e m e n t ；t r a n s i t i o nr e g i o n ；d i f f u s e v 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论 文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国石 油大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同 志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名： 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国石油大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件及电子版，允许论文被查阅和借阅；学校 可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保 存论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 学生签名：苴拯堑 a ，o - 1 年亨月多口日 叼、_ 7 导师签名：一臼盈型釜a 驴刃年占月弓d e l 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 第1 章前言 1 1 选题意义 管道建设是同国民经济同步发展的。由于管道运输是一种经济、安全 的运输方式，在我国各行各业每年都有大量管道需要建设。除石油行业以 外，它还涉及到电力、煤炭、化工乃至城市供水等各个部门。管道作为铁 路、公路、海运、民用航空和长输管道五大运输行业之一，其输送介质除 常见的石油、天然气外，还有工业用氧气、二氧化碳、乙烯、液氨、矿浆、 煤浆等介质。除煤浆管道仍在酝酿阶段外，其它输送介质管道在国内均有 成功建设、运行业绩i l 】。 在电力、石油、化工、城建等建设工程中，管道焊接的工作量非常大， 如l 台3 0 0 m w 火力发电机组，中小直径钢管( 直径小于1 3 3 r a m ) 焊接接 头总数超过4 万个。传统的管道焊接方法以手工焊条电孤焊为主，这种焊 接方法存在工期长、效率低、焊接质量取决于焊工操作水平；国产纤维素 型下向焊焊条的质量差，规格不够齐全；低氢型下向焊焊条及药芯焊丝主 要依赖于进口等问题。同时，随着管线钢性能的不断提高，管道建设越来 越趋于向长距离，高工作压力，大口径、厚壁化方向发展，这就需要研发 高质量的焊接材料和高效率的焊接方法与之匹配，以保证焊接接头的强韧 性【2 】。 瞬时液相扩散焊( t i 卫) 是一种新型的焊接技术，近3 0 多年来获得 了广泛的应用【玉4 1 。t l p 焊接主要是针对沉淀硬化合金开发的，因为这些 合金很难用熔焊方法连接，但是t l p 焊接对固溶强化合金同样有效。由 于t l p 焊接具有连接温度低、连接构件的尺寸精度高、残余应力小、接 头强度高、没有明显的界面和焊接残留物的优点，所以它在传统的结构材 料( 普通钢材和耐热钢管) 的焊接方面有广泛的应用前景【5 j 。采用t l p 焊接技术代替焊条电弧焊，对管道进行连接，生产效率高( 生产效率是传 统焊接方法的1 0 倍以上) ，焊接时间与管径及壁厚几乎无关，几分钟即可 l 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 焊完一个管接头，尤其适于条件较差的施工环境，可以大大节省人力、物 力和能源。另外，在大气条件下的t l p 焊接技术不用真空炉，可简化设 备，所以也适合在野外施工的场合嗍。 本课题拟将t l p 焊接技术这种先进的焊接方法应用到油田管道的焊 接中，简化焊接过程，减少地理环境对野外焊接作业的制约，同时保证焊 接质量，延长管道使用寿命，降低管道建设成本。 1 2 管道焊接现状 1 2 1 国内管道焊接现状 ( 1 ) 手工电弧焊 ， 手工电弧焊具有灵活机动和对焊接设备要求低等优点，目前，对于室 外管线的焊接，手工电弧焊的工作量仍占有很高的比例。输油、气管线现 场手工电弧焊主要采用管道专用的纤维素型下向焊焊条、低氢型下向焊焊 条和通用的全位置低氢型焊条进行焊接。在目前的使用中，以纤维素型下 向焊焊接进行根焊和热焊，其余焊道应用低氢型焊条这种组合方式最为广 泛研。 管道工业的迅速发展对管道钢材提出了日益严格的要求。纤维素型焊 条下向焊的焊接质量越来越不能满足新型管道钢材的焊接要求，特别是当 纤维素型焊条下向焊用于大直径、厚壁管的焊接时，其焊接速度有时小于 上向焊，难以体现出优质高效的优点。 ( 2 ) 半自动焊 半自动焊是指借助于设备进行焊接，但设备只负责填充金属的供给， 焊接速度由焊工控制。半自动焊的优点是劳动强度低，工作效率高，焊接 质量优，综合成本低。自保护药芯焊丝全位置半自动焊是目前应用最为广 泛的一种半自动焊接方法，主要用来进行半自动焊填充、盏面焊接。该方 法采用下向焊，操作技能容易掌握；焊接熔敷效率高；全位置焊接成型好； 环境适应能力强；与自动焊比较，设备投资大大降低，生产成本低，对组 2 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 对以及管端尺寸、管端加工的要求低，焊前准备工时少，总生产效率并不 低于自动焊方法【s 】。 自保护药芯焊丝半自动焊在输送管道现场焊接应用中主要有三种方 式：第一种是采用自保护药芯焊丝全焊道焊接，这种方法应用少；第二种 是用纤维素焊条焊接根焊和热焊，自保护药芯焊丝半自动焊进行填充和盖 面；第三种是采用s t t 半自动焊进行根焊，其余焊道采用自保护药芯焊 丝半自动焊进行焊接。后两种工艺目前应用较多。尤其以第三种的焊接质 量和效率最高，这是因为s t t 半自动焊属于c 0 2 气体保护焊，它是通过 精确的基值和峰值电流和电压控制，使熔滴过渡更利于成型，焊接过程稳 定，解决了飞溅问题和大口径管道根部焊环节单面焊双面成型的难题。在 西气东输管道工程中以上后两种方法均有采用【9 】。 ( 3 ) 自动焊 自动焊接是指借助于设备进行焊接，设备负责全过程焊接，焊接操作 工只起引导作用，对焊接操作工的技能可不作要求。国内的管道自动焊水 平较低，目前主要处在研制阶段。 国内自动焊首次规模性应用于长输管道现场施工是在西气东输工程 中。当时针对廊坊石油管道局自动外焊机p a w 2 0 0 0 、集团公司工程技术 研究院自动外焊机分别进行了焊接工艺性能试验。试验结果表明：对于大 口径、厚壁钢管，采用自动焊的方法焊接具有十分明显的优势，劳动强度 大大降低，焊接效率显著提高。但是自动外焊技术对坡口形状及管口组对 要求严格，现场施工必须具备内对口器、管端坡口整形机等配套机具。另 外，采用手工焊或半自动焊方法进行根部焊时，由于管口组对间隙不同造 成坡口形状、尺寸不一致，自动外焊机填充、盖面时就极易形成坡口边缘 未熔合，从而制约了自动外焊机优势的发挥1 0 】。 1 2 2 国外管道焊接现状 国际上大直径管道旖工以自动焊接为主，其代表性的管道自动焊设备 及工艺当属美国c r c e v a n s 。据了解，当前配合自动焊的根焊方法主要 ， 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 有两种：一是内焊机，二是带铜垫对口器外焊根焊成型。 ( 1 ) 内焊机由于设备十分复杂，易出现故障，为保证管道连续作业， 不让内焊出现故障而影响整个机组停工，往往要求内焊机有备用设备，即 一个机组备用一台，或两机组备用一台，同时加强设备现场维修设施、备 件及高水平维修人员的配备【u 】。 ( 2 ) 带内铜衬垫对口器外根焊成型工艺，已在国外很多管道上应用， 尤其是在海洋管道上应用更为广泛。其中a l l i a n c e 管道和其它一些陆 地管道也有较普遍的应用 1 2 - 1 4 】。 1 3 瞬时液相扩散焊简述 1 3 1t l p 焊接的定义 所谓扩散焊是指将两个待焊工件紧压在一起，并置于真空或保护气氛 炉内加热，使两焊接表面微小的不平处产生微观塑性变形，而达到紧密接 触，在随后的加热保温中，原子间相互扩散而形成冶金连接的焊接方法， 通常这类扩散焊称为固相扩散焊。固相扩散焊的缺点是待焊表面质量要求 高，焊接时间较长，接头质量不稳定。随着扩散焊工艺的发展，出现了瞬 时液相扩散焊( t l p ) ，它可降低待焊表面的质量要求，减少焊接时间， 提高接头质量的稳定性。它通常在待焊表面间加一层有利于扩散的中间材 料，该材料在加热保温中熔化，并形成少量的液相，这些液相金属可填充 缝隙，也使液相中的某些元素向母材扩散，最后形成冶金连接【l 5 1 。 1 3 2t l p 焊接的原理 图1 1 为瞬时液相扩散焊的示意图，中间夹持中间层材料，钢管轴向 加压力f ，感应圈通入感应电流加热，并加惰性气体保护焊缝。焊接温度 由红外测温仪检测，并控制焊接过程。该焊接过程可分为三个阶段【1 6 】： ( 1 ) 第一阶段，液相形成。在焊接之前将中间层材料夹在焊件间， 并加一定的焊接压力，使焊件与中间层材料紧密接触。在保护气体保护下 进行加热，直至中间层材料液化和填满间隙。 4 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 ( 2 ) 第二阶段，等温凝 固。当液相形成并填满焊缝间 隙后，进入保温期，它使液固 相之间进行充分的扩散。由于 液相中使熔点降低的元素大 量扩散到母材内，而母材中的 一些元素向液相中溶解，因此 使液相的熔点逐步升高而凝 固，最后形成接头，由于液相 的凝固过程是在保温中完成 的，故被称为等温凝固。等温 凝固过程实际上是液相向母 材迁移，或两侧固相向中间夹 层迁移的过程。 ( 3 ) 第三阶段，接头均 匀化。由等温凝固形成的接头 成分很不均匀，为获得成分和 组织均匀化的接头，需要继续 保温扩散来完成。均匀化过程 的温度与时间可根据对接头 性能的要求选定。成分均匀化 过程的浓度变化如图1 2 所 示，任意时刻的成分c p 由解 氩气 铘 令口欹堪绷 红外测温堡，曲 ( a ) 瞬时液相扩散焊设备简图 l 一 ( b ) 焊接接头局部放大及元素扩散示意图 图1 - 1 瞬时液相扩散焊示意图 图1 - 2 成分均匀化及元素的浓度分布变化 f c ( x ，力= g 怫 c ( j ，o ) = c ：( 工i i ) j a 一，t ) = g 蓉 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 g = ( g c a ) e r f c 憔) + g ( 1 _ 1 ) 二v 上，l 1 3 3t l p 焊接与钎焊的区别 瞬时液相扩散焊与钎焊相比，虽然都需要在母材中间放置第三种材料 且母材均不熔化，但其凝固过程与最终所得接头的成分却有本质差别。在 t l p 焊接方法中，液相的凝固过程为等温凝固过程，而钎焊中钎料的凝固 是随温度的降低而凝固的；t l p 焊接方法所得接头的成分与母材成分接近， 原始中间层已不复存在，接头无熔焊及钎焊时的凝固组织残留，无组织不 连续，而钎焊焊缝中凝固后的钎料将继续存留于母材间。造成上述差别的 根本原因都是由于t l p 焊接方法中有极为明显的扩散现象的存在，即已 为液相的中间夹层中所含的起降低熔点作用的元素向母材中的扩散和母 材中高熔点元素向已为液相的中间夹层中的溶解。正是由于t l p 方法中 存在上述扩散的作用，使得已为液相的中间夹层中降低熔点元素的浓度越 来越低，溶液的熔点相应的越来越高，这样虽然并没有人为降低焊接温度 ( 若降低温度将不利于扩散的进行甚至导致变为钎焊) ，但在中间层的液 相中仍将出现凝固，即自动出现了所谓的等温凝固过程。另外伴随上述扩 散过程的进行，自然使得接头的成分也趋于均匀而接近母材，从而使界面 消失，接头性能得以显著提高。 由于t l p 焊接与钎焊相比存在上述质的差别，所以它在工艺方面( 如 中间层的厚度及成分的选择与加压等方面) 也相应表现出许多特色。 1 3 。4t l p 焊接的研究现状 ( 1 ) 国外t l p 焊接研究现状 异种材料间的焊接 在国外，扩散焊接技术作为一种比较成熟的技术，以其特有的优势己 经广泛应用于航空、航天、核能以及其它技术领域。发展中的纤维增强复 合材料将依赖它作为重要连接手段，未来的空间站或太空实验室的真空环 境是发展和应用扩散焊接的天然场所 t 8 - 2 2 1 。k i n g 和o w c z a r s k i 2 1 - 2 3 1 用钛 6 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 研究了扩散焊接的不同参数，并提出了两个固体表面聚结的推理，该项研 究已经用在与美国国家航空和宇宙航行局的马歇尔空间飞行中心制备不 同宇航构件有关的探索性工作中【2 玉2 4 1 。目前，国外t l p 焊接的应用研究 主要针对异种难焊材料。例如，w i f g a l e 等人对m m c ( m e t a lm a t r i x c o m p o s i t e ) - m m c 和m m c 刖2 0 3 进行了t l p 焊接，他们选用c u 作为中 间层，焊接温度为8 5 3 k ，焊后在7 5 3 k 进行4 h 的热处理 2 s l 。s r c a i n 等 人对n i a i n i t i 进行了t l p 焊接，采用c u ( 9 9 8 c u ) 箔作中间层，厚度 为5 0 u m ，焊接温度1 4 2 3 k ，保温1 h ，焊后在1 2 7 3 k 下进行了4 1 2 h 的热 处理【2 5 】，用t l p 焊接方法焊接异种材料得到了优良的焊接接头。 工艺技术的研究 剑桥大学的a a s h i r z a d i 与e r w a l l a c h 提出了一种“带有温度梯度 的t l p 扩散焊( t - t l p ) ”的新工艺，突破了传统的t l p 扩散焊惯用的 焊接区温度均匀分布的束缚，其优点在于可使最终凝固所得的界面由经典 t l p 焊接情况下所得的平面状变为非平面状( 正弦状或胞状) ，增加了沿非 平面状界面上的金属一金属之间的接触面积；将残留的难熔氧化物粒子在 结合线( b o n dl i n e ) 上分布由传统t l p 工艺下的平直状改善为正弦状或胞 状分布。这样与传统t l p 焊接相比，提高了接头的剪切强度，并避免了 接头质量的随机波动。该技术于1 9 9 7 年获得英国专利，并在a c t am a s t e r 国际著名期刊上发表了多篇有关机理及预测模型的论文。在日本，新日铁 公司的原康浩因对一般结构用钢管( 碳素钢管) 材质的t l p 焊接方法中“b 在液相扩散接合部的存在形态及扩散行为”的研究获日本熔接学会2 0 0 0 年度秋季全国大会研究发表奖【2 8 1 。在日本对t l p 焊接技术的研究主要集 中在拓宽t l p 焊接的适用钢种范围上，如在单晶材料、碳素钢方面的应 用研究，开发这些钢种的t l p 焊接新工艺。 t i j 过程的数值模拟 欧美等国对扩散焊的数值计算及凝固过程的优化控制研究的比较多， 他们的研究主要集中于对中间层( 二元或三元系合金) 中降熔元素( m p d ) 7 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 的扩散过程的模拟与控制。y z h o u 等提出了t l p 分析及数值模型，并与 实际的二元合金体系进行了试验比较，分析了等温凝固对基体金属晶粒边 界扩散率的提高，晶界运动及晶界空穴的影响f 2 9 】。c w s i n c l a i r 建立了多 元体系中等温凝固过程行为的模型【3 0 1 。a a a h i r z a d i 等提出一种精确预 测焊接时间和熔合线位移的方法，用纯c u 做中间层时熔合线的位移预测 为2 7 u r a ，增加71 0 m i n 的温度梯度时，位移量为2 3 u r n ，误差为1 5 。 s r c a i n 等用数值模拟的方法分析了a u s n a u 的t l p 焊接，结果表明 焊接过程对母材厚度，加热速度以及焊前材料的处理程度有关1 2 6 1 。 ( 2 ) 国内t l p 焊接技术研究现状 山东电力研究院工程师王学刚等采用自行研制的f e - n i s i - b 系非 晶金属箔带作为中间层材料，在开放式气体保护环境下焊接电站常用钢管， 可获得连续均匀的焊缝组织和优于手工熔化焊的力学性能【3 1 2 1 。 河南理工大学机械工程系陈思杰、王英等采用f e n i s i b ( a ) 合金 作中间层，在氩气保护条件下对1 2 c r m o v 珠光体耐热钢和t p 3 0 4 h 奥氏 体不锈钢管进行了瞬时液相扩散焊接，通过正交实验研究了工艺参数对接 头组织和性能的影响，分析了其接头的显微组织、断口形貌、力学性能和 元素分布，确定出了合适的连接工艺参斟埘。 华东船舶工业学院的于冶水、吴铭方等采用c u m n 合金为中间层对 c u a l b e 合金和i c r l 8 n i g t i 不锈钢在真空条件下进行了瞬时液相扩散焊接。 工艺参数为：焊接湿度t b = 1 1 6 3 k 、1 1 9 3 k 、1 2 2 3 k 、1 2 5 3 k i 保温时间铲5 、 l o 、1 5 、2 0 、2 5 、3 0 、4 0 、6 0 、1 2 0m i l l ；焊接压力p ；0 5 、1 、2 、4 、5 m p a 。 根据不同的中间层试验结果，确定了最佳保温时间分别为4 0 r a i n 和 6 0 m i n i 3 4 1 。 哈尔滨工业大学的刘黎明和牛济泰采用非夹层液相扩散焊连接复 合材料a 1 2 0 9 6 0 6 1 a l ，实验结果表明，当焊接温度介于基体铝合金液、固 两相温度区间时，结合面上出现液态基体金属，可获得较高的接头强度， 较小的变形【蛳。 g 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 台北大学的学者陈敏之对i n c o n e l 7 1 8 s p f 超合金板材用n i p 或 n i c r - p 非晶态中间层进行液相扩散焊接，评价其适用性。使用n i p 的连 接区和母材具有均匀的化学成分，而使用n i c r - p 的接头中心线上有析出 相，并且连接区的n i ，f e ，n b 与母材相差2 以上【3 6 1 。 由上述研究状况可以看出，目前国外的扩散焊技术比较成熟，但其应 用研究主要集中于异种钢、合金钢的焊接( 比如以f e 3 a 1 合金和q 2 3 5 钢 为基体添加c r 、b 、c e 和z r 等中间层元素进行异种钢的连接【d ；国内 对液相扩散焊在常规钢材焊接中的应用已经有了较多研究，但是由于研究 者各自的出发点、兴趣、材料匹配、试验方式、结果处理手段等不尽相同， 研究成果之间缺乏可比性，因此瞬时液相扩散焊这种高效、稳定和自动化 程度高的焊接方法应该具有十分广阔研究空间【2 6 】。 。 1 4t l p 焊接的应用前景分析 扩散焊最早是针对异种材料的焊接而开发的，它也是焊接异种材料最 可靠的方法，但是它存在着对零件待焊表面的处理和装配的要求较高，焊 接热循环时间长，生产率低，在某些情况下会产生一些副作用( 如母体晶 粒可能过度长大) ，设备一次性投资大，而且焊接工件的尺寸受到设备的 限制等缺点，这些缺点使它的推广应用受到了限制。 现代工业的发展对焊接技术的要求越来越高，而传统的焊接方法存在 着难以克服的焊接缺陷，新的高效的焊接方法己成为焊接界关注的焦点。 扩散焊虽然存在上述的缺点，但它仍有发展的空间，t l p 焊接技术就是在 固相扩散焊的基础上发展起来的，它综合了固相扩散焊和高温钎焊的技术 优点，可以替代手工电弧熔化焊，并可获得优良的接头组织和机械性能。 2 0 世纪8 0 年代末期，日本将大气条件下的t l p 焊接技术应用在输气 和输水管道、民用住宅等安装工程中，并获得成功；2 0 世纪9 0 年代中期， 日本又将该技术应用于建筑工地实心钢筋的焊接，到1 9 9 7 年出现了电站 锅炉水冷壁管的更换及安装的报道。在日本，t l p 焊管技术在工业方面的 9 中国石油大学( 华东) 硕士论文第l 章前言 应用业绩已十分引人注目，目前已有报道应用t l p 焊接技术的行业有室 内供水、锅炉行业、汽车行业。在室内供水行业的应用方面，有代表性的 公司是日本住友金属公司；在锅炉行业的应用方面，有代表性的公司是日 本三菱重工锅炉事业部( 代替手工t i g 填丝焊) ；在汽车行业的应用方面， 有代表性的公司是日本三菱汽车公司【1 4 1 。在我国，山东电力研究院经过两 年的艰苦攻关，设计并制造了我国第一台管道液相扩散焊机，显著提高了 焊接效率，技术上的进步为其广泛应用打下了坚实的基础【3 1 1 。 随着制造业市场竞争的发展，通过及时更新工艺、使用新技术对交货 期限、产品外观、原材料消耗等进行精细控制将成为企业管理挖潜的稳妥、 有效的途径，可大幅度降低人为干扰因素对焊接质量、生产率及成本消耗 的不确定性影响，有一劳永逸之效。特别是在绿色制造思想的普及和人力 成本的逐渐增加的发展态势下，先进的t l p 焊管技术在代替手工焊条电 弧焊焊接方面( 特别是在熔焊易烧的薄壁管与需开坡口的厚壁管的焊接方 面) 有十分巨大的发展潜力。扩散焊技术，目前已在我国进入实际应用阶 段，随着对t l p 焊接技术的不断掌握，必将越来越多地应用到各类产品 中。 1 5 课题研究目标与研究内容 1 5 1 研究目标 本文拟将t l p 焊接技术应用到管道焊接领域，以达到提高管道焊接 接头质量，延长管道使用寿命的目的。 1 5 2 研究内容 ( 1 ) 中间层材料及焊接工艺参数的确定 根据中间层材料的选择标准和焊接母材的性质来确定中间层材料的 成分及配比和焊接工艺参数。 ( 2 ) 焊接接头区域显微组织分析 分析t l p 焊接接头显微组织特征，探讨焊接工艺参数对焊接接头显 1 0 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 微组织影响规律。 ( 3 ) 焊接工艺参数优化及焊接接头力学住能分析 采用正交试验优化工艺参数，确定最佳焊接工艺参数，分析工艺参数 对焊接接头力学性能的影响；分析焊接接头断口形貌特征，探讨断裂机制。 ( 4 ) t l p 连接机理的研究 分析焊接接头界面组织特征及元素分布状况，探讨t l p 焊接界面形 成机理。 ( 5 ) 焊接温度场及应力场模拟 应用有限元软件a n s y s 对温度场和应力场进行模拟，分析焊后残余 应力分布状况。 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章中间层材料及焊接工艺参数的制定 第2 章中间层材料及焊接工艺参数的制定 中间层材料的性质和焊接工艺参数是影响t l p 焊接接头性能的重要 因素。本章的主要内容是根据中间层材料的选择标准和焊接母材的性质来 确定中间层材料的成分及配比，通过中间层和母材的性质确定焊接工艺参 数，并制定焊接保护方案。 2 1 中间层成分及配比的确定 为能促进扩散连接过程的进行，提高接头性能。扩散连接时常常会在 待连接材料之间插入中间层。所谓中间层就是以某种材料为基料然后添加 一些合金元素在一定的工艺条件下熔化，从而把两种待焊材料连接在一起 的一种特殊材料。用于t i p 连接的中间层主要有两类，一类是低熔点合 金中间层，其成分常常与母材相近，但添加了少量能降低熔点的元素，使 其熔点低于母材，因此，加热时中间层能直接熔化形成液相；另一类是与 母材能发生共晶反应形成低熔点合金的中间层【3 9 】。t l p 中间层成分的选择 是一个非常重要的环节，连接材料不同，中间层的成分也不同。根据t l p 焊接机理，一般中间层的选择应依据以下三个方面： ( 1 ) 冶金因素 ， 中间层应能够促进原子扩散，降低连接温度，加速连接过程，由金属 学原理可知，共晶成分具有较低的熔点和较好的流动性，可以降低焊接时 的温度，因此，常用共晶成分材料做液相扩散焊的中间层材料。中间层应 能够抑制脆性金属间化合物的形成，能够与母材合金化，如同溶强化和析 出强化，提高接头强度。在选择中间液相合金时，应当注意，如果在接头 中既形成共晶，又生成金属间化合物，若金属间化合物在晶界上生成则妨 碍母材的溶解，加压时使低熔点共晶物挤出，在界面上存在脆性的金属问 化合物时，接头性能变差f 4 l 】。中间层中还应该添加与母材润湿性好，能够 促进去除表面氧化膜的合金元素。如用含有锂、硅、硼等的低熔点合金傲 中间层，连接时熔化合金中的锂可与氧化膜反应，生成l i o ( 1 7 0 3 k ) ，它 与c r 2 0 3 ( 2 2 6 3 k ) 可以形成低熔点( 7 9 0 k ) 复合盐，生成的低熔点复合 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章中间层材料及焊接工艺参数的制定 盐在压力作用下可以从间隙中挤出低熔点的液体，残留的熔化金属经过扩 散处理，使熔化金属中的某些成分向母材扩散，母材中的一些元素在熔化 中间层中溶解，改变熔化中间层的成分，在高温下达到凝固点而形成接头。 ( 2 ) 物理性质与力学性能 中间层材料应比母材软，这样可以借助其塑性变形，促进连接界面的 紧密接触；中间层材料的物理化学性能与母材的差异小且不引起接头的电 化学腐蚀；中间层材料应能缓和接头冷却过程中形成的巨大残余应力，尤 其是在连接热膨胀系数相差大的异种材料时，中间层的作用将更加明显。 线膨胀系数不同的两种母材在高温下进行扩散连接时，冷却过程会由于界 面的约束而产生很大的残余内应力。构件尺寸越大、形状越复杂、连接温 度越高，产生的线膨胀差就越大，残余内应力也越大，甚至可使接头中立 即形成裂纹。因此，在接头设计时一定要设法减少由线膨胀差引起的内应 力，特别要避免硬脆材料承受拉应力1 3 9 1 。 ( 3 ) 几何尺寸要求 ， 中间层可采用箔、粉末、镀层、蒸镀膜、离子溅射和喷涂层等多种形 式。中间层的厚度选择要恰当，过厚的中间层连接后会以层状残留在界面 区，会影响到接头的物理、化学和力学性能。因此，通常中间层厚度不超 过1 0 0 u m 。但为了抑制脆性金属间化合物的生成，有时也会故意加大中间 层厚度使其以层状残留在连接界面，起到隔离层的作用。 上述三方面原则对焊接性能的影响并不是孤立的，具体选择中间层材 料时应当综合考虑。 本次试验焊接的材料为1 6 m n r ，拟采用铁基非晶箔片f e s i b 和n i 6 0 合金粉末作为中间层进行焊接，厚度为2 0 6 0 u m 。 选用铁基非晶箔片的原因是： ( 1 ) 铁基合金材料中所含的降熔元素( 硼、硅) 对于铁元素来讲也 是降熔元素，符合t l p 扩散焊对中间层的要求； ( 2 ) 非晶材料本身具有较低的熔点； ( 3 ) 母材材料为铁基，选用铁基中间层材料可以减小接头成分的不 1 3 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章中间层材料及焊接工艺参数的制定 均匀性，降低焊接接头与母材连接的力学性能上的差异； 、 ( 4 ) 相关研究【5 明表明f e - s i b 非晶箔片与铁基材料具有良好的润湿 性。 选用镍基合金材料的原因有： ( 1 ) 镍具有良好的综合力学性能，且铁在奥氏体状态能与镍完全固 溶，这既有利于润湿的顺利进行，又有利于避免金属问化合物等脆性相的 形成； ( 2 ) 镍为非碳化物形成元素，可避免在焊接区形成新的化合物相； ( 3 ) 镍基合金材料中所含的降熔元素( 硼、硅) 对于铁元素来讲也 是降熔元素，符合t l p 扩散焊对中间层的要求【4 2 】。 这两种中间层综合考虑了f eb 元素之问可以发生自蔓延反应，b - n i 元素可形成低熔共晶产物，而s i 元素的加入可以扩大液相线和固相线之 间的距离。 2 2 工艺参数的制定 2 2 1 焊接温度的确定 温度是t l p 焊接极其重要的工艺参数之一，其原因如下i 删： ( 1 ) 温度是最容易控制和测量的工艺参数； ( 2 ) 在任何热激活过程中，温度递增引起动力学过程的变化比其它 参数大的多； ( 3 ) 扩散焊的所有机理都对温度敏感。焊接温度的变化会对焊接初 期表面凸出部位的塑性变形扩散系数、表面氧化物向母材的溶解以及界 面空洞的消失过程等产生显著影响； ( 4 ) 焊接温度决定了母材的相交、析出以及再结晶过程。 此外，材料在焊接加热过程中由于温度的变化还伴随着一系列物理的、 化学的、力学的和冶金方面的性能变化，面这些变化都要直接或间接的影 响到扩散焊接过程及接头质量。 从扩散规律可知：扩散系数d 与温度有指数关系e 4 0 ，即 1 4 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章中间层材料及焊接工艺参数的制定 d = d o e x p ( - q r n ( 2 - 1 ) 式中d o 一扩散常数； r - 气体常数； q 扩散激活能； 1 韫度。 由式( 2 1 ) 可知：焊接温度越高，扩散系数d 越大。同时，温度越 高，金属的塑性变形能力越好，连接表面达到紧密接触所需的压力越小。 从这两方面考虑，焊接温度越高越好，但是实际情况并非如此。因为焊接 温度还受到被焊材料、夹具的高温强度、焊件的相变、再结晶等冶金特性 的限制，而且温度高于某一定值后，温度的提高对接头质量提高的贡献并 不多，有时甚至反而使接头质量下降，如再结晶和中间金属化合物的生成 等都会影响接头质量。此外，提高焊接温度还会造成母材软化，因此要特 别注意。 另外应该指出，选择焊接温度时必须同时考虑保温时间和压力的大小， 而不能单独确定。焊接温度一保温时间一压力之间具有连续的相互依赖的关 系，一般焊接温度升高能使接头强度提高，增加压力和延长保温时间，也 可以提高接头的强度。焊接温度的选择还要考虑母材成分、表面状态、中 间层材料以及相变等因素。从大量研究试验结果看，由于t l p 焊接引起 的变形量小，因而在实用连接范围内大多数金属和合金的t l p 焊接温度 范围一般为t l o 6 0 8 t 0 ( k ) ，t m 为母材的熔点，异种材料连接时t m 为熔点较低的母材的熔点【1 6 1 。 对于许多金属和合金，瞬时液相扩散焊加热温度比中间层材料熔点或 共晶反应温度稍高一些，待液相填充间隙后的等温凝固和均匀化阶段扩散 温度可略为下降。 总之，t l p 焊接加热温度的选择应保证在短的时间内获得最好的焊接 质量，达到完全的冶金结合。因此，在不使接头及母材发生不希望的冶金 反应的情况下，尽可能高些。 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章中间层材料及焊接工