扩散焊综述.docx

瞬时液相扩散焊接学科历史文化的当代价值摘 要：科技是第一生产力，科技的进步与材料学科的发展息息相关。材料领域中的先进连接技术在航空、航天、汽车制造、工业制造等领域有着举足轻重的地位。任何工业设备的制造过程都不可能完全来源于铸造技术，焊接技术在对工件的装配过程中起着至关紧要的作用。本文主要阐述了河南理工大学，金属物理冶金研究所，在焊接领域中的瞬时液相扩散(TLP)管道技术的历史文化背景和当代应用价值，以及TLP技术在的发展历史和当代发展趋势新。关键词：科技创新；材料工程；瞬时液相扩散焊接1 引言近代以来，人类文明得到了巨大进步，这些大多要归功于于科学不断完善、工程技术的不断创新、进步。随着社会的发展进步，我们的生活也发生了翻天覆地的变化。各种各样的大型机械设备和应用环境的变化，对我们的材料的使用性能和服役条件提出了更高的要求。以此同时，有机材料、无机材料、金属材料的发展，对科技创新的需求也是越来越高。金属材料方向作为材料学中的一大重要分支，又可细分为四大学科，包括铸造学科、锻压学科、模具学科以及焊接学科。本人的研究生课题是，先进连接技术TLP管道焊接1，是近些年来投入到生产应用中的先进技术。对各种异种难焊材料，有着巨大的焊接技术优势，在实际生产应用中有着举足轻重的作用。2 瞬时液相扩散焊接技术的历史文化早在上世纪70年代瞬时液相扩散焊已经成功应用于Ni基高温合金领域的连接。随着近代工业的飞速发展，对新材料的需求越来越高，在现代材料结构中，不仅需要对大量同种材料进行焊接，有时也需要对异种金属材料进行焊接。瞬时液相扩散焊是一种适用于难焊材料连接的焊接技术。具有高效、节能、焊接质量好、自动化程度高、操作方便、焊接过程无弧光、无毒害、处于静态、焊机可移动等特点。一些难熔材料以及异种材料在物理性能、化学性能、元素性质等方面有显著差异，采用常规焊接方式(如焊条电弧焊、埋弧焊、等离子弧焊、气体保护焊、电渣焊等)相对比较困难.而且采用传统焊接母材局部发生融化，有较大的焊缝和热影响区，容易产生焊接变形和焊接残余应力，影响焊接品质2。为降低传统焊接工艺对焊接性能的影响，瞬时液相扩散焊得到了广泛的应用。自20世纪80年代人们开始尝试采用非晶箔带合金作中间层，在大气条件下进行钢的瞬时液相扩散焊研究，证明在开放环境和较短的工艺时间内(2-3min)即可获得满意的接头抗拉强度和弯曲性能，并以中频感应加热方式实现了工业应用，具有高的焊接效率和质量稳定性，部分替代了手工熔化焊。TLP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技术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TLP焊接对固溶强化合金同样有效。因为TLP焊接具有温度低、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特点，所以在新材料(先进陶瓷、复合材料、氧化物弥散强化耐热合金)的制备、连接、修复等方面有很大的潜力3。扩散焊接是一种精密的焊接方法，特别适用于异种金属材料、耐热合金和新材料，如陶瓷、复合材料、金属间化合物等材料的焊接。3 瞬时液相扩散焊接技术的当代应用价值3.1 瞬时液相扩散焊在套管钻井焊接中的应用价值1995年钻井技术公司开展了套管钻井技术研究，1996年开发出了世界上第一套套管钻井系统，并己成功应用于钻井试验4。套管钻井是指在钻进过程中，直接采用套管橄代传统钻杆)向井下传递机械能量和水力能量，井下钻具组合接在套管柱下面，边钻进边下套管完钻后作钻柱用的套管留在井内，直接进行固井作业。套管钻井技术将钻井和下套管合并成个作业过程。由此给钻井作业带来很多优点，如不用钻杆和钻挺;不需要起下钻作业;减少意外事故，提高钻井安全系数;降低钻机成本，降低油井成本，从而大大地降低了钻井成本;钻机轻便，易于搬迁和操作洲;缩短建井周期;减少钻井液对储层的浸泡时间，降低钻井作业对储层的伤害;有效地保护油气层等优点，具有很好的发展前景。传统钻井中，套管只用来固井，不承受扭矩、弯矩等复杂载荷的作用。在套管钻井中，套管承担钻井和固井双重任务，对套管连接的基本要求是连接后能承受钻井过程中的扭曲载荷、轴向载荷和弯曲载荷，并能顺利通过钢丝绳钻井工具。除此之外，套管的连接要有安全操作特性，包括在钻机上容易操作、连接速度快以及完钻后能保持套管具有一定的承压能力5。目前套管连接主要采用螺纹形式，但考虑到密封性和抗扭性，螺纹连接远远不如焊接。又由于套管下井后不再提起，完钻后直接进行固井作业，因此可考虑在现场边下套管边采用合适的焊接方法将套管连接在一起。摩擦焊由于焊接过程处于动态，设备体积大而且焊后会产生内外飞边，不适合于套管现场焊接施工。瞬时液相扩散焊焊机体积小，焊接过程处于静态，焊接变形小，焊接强度高，焊缝成型美观，焊后不需再加工即能满足套管内外壁要求，今后可广泛应用于套管连接，推动套管钻井的发展。3.2 瞬时液相扩散焊在油田管道焊接中的应用价值针对油田管道的焊接问题提出了一种全新的焊接方法:瞬时液相扩散焊接，并研制出了石油管道瞬时液相扩散焊焊机。该焊机具有操作简单，易于携带，焊接效率高等特点，具有较高的市场应用价值。目前，我国管线焊接仍以手工电弧焊为主，半自动焊为辅。在焊接过程中，由于人为因素造成的质量不稳定和焊接生产率低等问题较为突出。因此，迫切需要研究具有高效、高性能的焊接方法和焊接材料。TLP焊管技术在生产方面的优越性及其机理方面的先进性已正在被工业界与学术界所认可，TLP焊管技术主要有以下优点:(1)生产率高，无需开坡口，焊接时间与壁厚无关，主要取决于降熔元素的扩散性能，数十秒到数分钟便可完成一个接头的焊接;(2)无需真空系统;(3)接头无余高，过渡圆滑，焊后无需切削再加工;(4)接头成分与组织不连续程度较轻，接头力学性能可不低于母材;(5)自动化程度高，对操作者技能要求低;(6)无焊接烟尘与飞溅，适于在易燃易爆环境下的焊接作业;(有利于环保，生产条件好;(8)有错边时可圆滑过渡，减小了应力集中，对错边影响不甚敏感。另外，对端面准备要求低，允许表面有一定氧化物。概言之，对于钢管的对焊焊接工艺是一种高性能、高效率、高自动化程度、低变形、无焊接烟尘污染的先进焊接工艺。3.2 瞬时液相扩散焊在焊接修补中的应用价值关于瞬时液相扩散焊接技术的研究对其在工业中的应用有重要的意义。管道遭腐蚀且管内压力较低时可采用套筒修复技术6;但由于焊缝余高的存在，往往达不到技术要求。在不破坏缺陷管体原有外形的情况下，可采用瞬时液相扩散焊来修补管道裂纹与填补焊缝。本文提出了全新的焊接缺陷修复方式，并设计了焊接修补焊机，详细介绍了其工艺流程和结构。该焊机结构简单，安装方便，操作可靠，具有广泛的市场推广价值。在我国，输油输气等运输管道长期服役，相当一部分管道的管体老化问题日益突出，又因早期管道技术水平较低，现存在大量的缺陷，如腐蚀孔、未熔合和未焊彻底的焊缝等。这些缺陷的存在严重威胁着管道的安全运行，多年来发生过很多原油和天然气泄漏等事故，给环境造成了很大压力。在对这种管道进行修复的方法中，传统修复的方式往往会影响焊缝的质量，这是因为腐蚀孔、未熔合和未焊彻底狗焊缝常发生在围绕焊缝的地方，当修复进行时，为了使焊缝处平整，会打磨焊缝，从而使焊缝处更薄，加重了裂纹焊缝的再一次泄漏。保证焊接质量的前提就是保证焊接管片与被修复管体的贴合度，在传统修复中，其也是影响焊接质量的重要因素;所以，要提高焊接质量，首先要保证焊接管片与管体的接合无缝隙。特别是在修复管道缺陷为螺旋焊缝时，焊缝余高会直接影响焊件与管体外壁的贴合程度，这就会导致修复后焊缝处产生集中应力，从而降低疲劳强度，影响焊接修复的质量。对于管道焊接而言，其主要优点是焊接变形小，另外，焊接所需时间短，焊缝焊后平整，可在大气中进行，操作简单，这些都是较之传统焊接所具有的优点，特别适于在恶劣环境下的焊接，利于环保，且生产条件好，减小了应力集中，提高了焊接效率川。如何让该焊接方法应用在普通钢的焊接中，且在降低成本的同时又提高焊接效率，是所要研究的课题。如果能实现该焊接方法在管道修复中的应用，将大大提高石油管道修复后的安全使用系数，并降低成本。4 瞬时液相扩散焊接技术的当代研究现状4.1 瞬时液相扩散焊的理论与模型研究经过学者们的不断努力，已经形成了区别于传统焊接方式的模型和理论。恩泽忠男等研究采用薄膜法对等温凝固过程求解的可行性研究，最终指出了其误差很大。剑桥大学的A. Shirzadi与E. R. Wallach提出一种带有温度梯度的TLP焊接工艺，突破了传统TLP扩散焊惯用的焊接温度均匀化的束缚，提高了焊接品质。剑桥大学的W.D.MacDonald等人从理论上定性地用液相中溶质原子的质量守恒定律来从理论上计算液相扩散焊的元素扩散以及中间层宽度的数值计算。加拿大的Y.Zhou建立了瞬时液相扩散焊的等温凝固模型，给出了扩散速率的数值计算的单相解和双相解，分析等温凝固对基体金属晶粒边界扩散率的提高、境界运动及境界空穴的影响。Ohsasa等人建立了Ni合金的动力学模型，通过差分法进行扩散的计算，得到焊接温度与焊接时间对元素扩散起到的作用。4.2 瞬时液相扩散焊焊接参数的研究河南理工大学的陈思杰对液相扩散焊接压力进行研究，结果表明压力在液相扩散焊中起到重要作用，决定降融元素的扩散，对焊接接头的品质和焊接效率影响很大7。王振江研究了焊接温度和时间对#20号钢管TLP焊接组织的影响，结果表明焊接温度过低和过高或焊接时间过短或多长都会降低TLP焊接接头的力学性能，需要选择焊接温度和焊接时间合理组合回。四川化工职业学院的文申柳等人通过对9Cr1MoNbV钢的瞬时液相扩散焊研究，在氢气氛围内，加热温度1230-1260，加压3-5MPa，采用三种不同元素成分的合金作为中间层，研究对TLP组织和性能的影响。研究表明中间层的选择是TLP焊接的关键，以母材为机体加入合适降融元素的中间层可以获得良好的组织和性能。在焊接气体保护实验中，各位学者多在真空环境和惰性气体保护下进行焊接，WD MacDonald曾在还原性气体氢气和氮气混合气体氛围中实现TLP焊接，Kuntz ML和Peaslee RL分别在氮气和氢气氛围中也实现了TLP焊接。北京石油天然气集团公司管材研究所的宫少涛研发一种适用于瞬时液相扩散焊的镍基中间层材料，厚度30m的Ni-B-Si合金箔带，熔点950-1050，适用于低合金钢、不锈钢的瞬时液相扩散焊。Gale WF, Broc;hu M等人研究了不同加热方式，采用高频、中频、辐射、接触电阻、电子束及辉光放电、激光、红外线等方法可以用于不同材料的TLP悍接。4.3 瞬时液相扩散焊焊接设备的研究早期苏联按照控制方法、加压方法、结构形式、加热方法的不同，将TLP焊接设备分成许多类型，其中有真空高频感应加热扩散焊接和真空辐射加热扩散焊机8。试验用焊接采用小型立式真空扩散焊机和杠杆式真空高频感应扩散焊机，最大压力3000N,真空度1x10-3Pa，加热功率20kW。我国20世纪90年代中期自行设计与研制的大型超高真空扩散焊机，采用液压加压、电阻加热的方式，最高加热温度1573K,输出功率30kW。随着制造技术以及自动化技术的发展，现在应用的扩散焊机都具有温度、压力、真空度和时间的控制系统，采用热电偶、红外测温。其中美国森托公司生产的HP-1605型扩散焊机，采用钨加热体进行辐射加热，通过传感器对压力进行测量和控制，焊接压力达到150kN，焊接温度1923K。山东鲁能节能公司研发的管道瞬时液相扩散焊机，可以在开放环境中焊接，采用惰性气体保护，热电偶测温，可以实现管道焊接。参考文献1陈思杰, 井晓天, 李辛庚. 瞬时液相扩散连接的双温工艺模型J. 焊接学报, 2005(04):69-72.2王磊, 俞建荣, 董晓慧, 等. 瞬时液相扩散焊技术的研究进展J. 机械制造与自动化, 2015(04):7-9.3张远辉, 王非森, 张安民. 瞬时液相扩散连接工艺参数及应用研究进展J. 热加工工艺, 2010(09):163-166.4王学刚, 王晓明, 严黔, 等. 石油钻杆的瞬时液相扩散焊技术研究J. 石油机械, 2005(11):41-44.5闫风洁, 王晓明, 王学刚, 等. 瞬时液相扩散焊技术在钻井工程中的应用展望J. 矿山机械, 2007(11):36-38.6王岚, 俞建荣, 王磊. 瞬时液相扩散焊在焊接修补中的应用研究J. 新技术新工艺, 2014(01):69-71.7郭世敬, 陈思杰, 梁峰. 瞬时液相扩散连接过程中的关键参数及其选用原则J. 焊管, 2009(09):14-17.8姚凯, 范振红, 李玉国. 瞬时液相扩散焊的发展及应用前景J. 石油工程建设, 2007(02):1-5. 河南理工大学硕士研究生 自然辩证法课程论文 2016-2017学年第二学期 论文题目： 瞬时液相扩散焊接学科历史文化的当代价值 作 者： 作者学号： 作者所在学院、专业： 论文评语：【优秀】论文选题符合本课程要求，作者能够很好地结合专业实际对论题展开分析论述，逻辑结构严谨，论证充分，参考文献规范，具有较好的学术价值。 教师签字： 【良好】论