不锈钢与钛合金脉冲加载扩散焊接工艺研究

1、分类号密级。弓彳屈火擎硕士学位论文论文题：不锈钢与钛合金脉冲加载扩散焊接工艺研究论文作者：周波袭亲、教要落玺：盛光敏教授职称、作单位：盛光敏教授重庆大学申请学位级别：硕士专业名称：材料学论文提交日期：年月日答辩日期：年月日学位授予单位：重庆大学授位日期：年月日答辩委员会主席：汪凌云教授论文评阅人：刘守平副教授崔荣庆高工年月日重庆大学硕士学位论文中文摘要摘要本文研究了奥氏体不锈钢与近钛合金的固态扩散焊接工艺，在现有的工艺方法上提出了脉冲加载固态扩散焊接的工艺。研究了该方法的主要工艺参数，焊接温度、最大脉冲压力、脉冲次数对接头拉伸强度的影响，并制定出了本试验的最佳工艺参数：、次、，得到的最高拉伸强

2、度为，焊接所用的时间仅为。对脉冲加载扩散焊接试样的断口和接头进行的金相分析、分析、射线衍射和、图像分析以及能谱分析结果表明：采用脉冲加载扩散焊接工艺，不锈钢与钛合金实现了良好的连接。在拉伸断口上主要存在的物相为、相、：断裂主要发生在接头的固溶体和金属间化合物的界谣上，断裂时固溶体承受主要的拉力，提高断口圃溶体的相对含量是提高接头强度的关键因素；接头界面的元素扩散过程中元素扩散距离较远，元素发生了上坡扩散。对比脉冲加载扩散焊接工艺与恒温恒压扩散焊接工艺结果表明，在前者工艺条件下，扩散层比后者的扩散层窄，强度也较高。通过对脉冲加载扩散工艺下试样的扩散分析和界面金属间化合物及固溶体生长动力学的计算得

3、出了在中扩散系数为：×（一磊），明显高于一般状况下在中扩教系数；脉冲加载扩散焊接的金属闽化合物及固溶体生长动力学分别符合公式：丑×（竽）和：唧（雩竽）。关键词：奥氏体不锈钢，近钛合金，脉冲加载，扩散焊接重庆大学硕士学位论文英文摘要（）一，（），（。“）：×（一品）：，、】。：芦警竽）（罢竽），。（）：，重庆大学硕士学位论文绪论绪论引言现代化动力机械、化工和石油加工设备以及多神仪器的许多零部件，都要求在高温、巨大的载荷、电磁场或放射性环境中长期工作。因此，用来制造这些零部件的材料，必须是能满足上述要求的特殊材料，如高合金钢、有色金属以及专用合金等。通常，任何一种构件

4、在使用过程中，其各部分所承受的载荷并不致，一部分零件的工作条件较差，可能接近许用应力的极限值，而另一部分零件的工作条件可能只承受很小的应力。显然，在这种场合下，应用异种金属焊接结构就比较合理。基于上述理由，在现代化国民经济的各部门中，将不可避免地经常地会遇到异种金属焊接的构件。异种金属焊接构件的特点是，能够最大限度地利用材料的各自优点，收到“物尽其用”的效果。而把异种金属零件连接成一个整体部件，焊接常常是最好的方法。但是在异种金属的焊接的过程中由于被焊材料的物理性能、化学性能和力学性能存在较大的差异，常常导致其焊接质量和焊接效果不理想。目前采用的主要焊接方法有爆炸焊、钎焊、激光束焊、等离子焊、

5、电子束焊和摩擦焊等，其共同的问题都是由于焊接温度过高，导致基体材料和焊缝晶粒长大、焊缝出现裂纹和结合强度低；对于异种金属之间的焊接，在焊接接头出现的大量脆性金属问化合物，将导致焊接接头的结合强度下降，对构件的安全工作造成隐患。课题意义在核动力一体化蒸气发生器中经常会用到钛合金与不锈钢的连接，并要求连接部分的服役条件满足在（下，使用年，且具有较强的抗腐蚀能力的条件。为了达到要求的使用性能，通常采用爆炸焊、钎焊的方法来进行连接，但由于钎焊过程中要求连接温度很高、焊接时间长，所以通常会导致基体焊材的晶粒粗大、内应力增高以及金属间化合物的厚度增厚等缺陷，从而恶化了焊接接头的性能。焊接采用的钎焊工艺为，

6、在下使用银基钎料保温小时，来进行不锈钢与钛合金的焊接，从焊接效果来看，接头处的钛合金组织相比于原始组织变得非常粗大且形貌发生了变化，而且接头强度也仅有左右。为了尽可能的减少上述的焊接缺陷，提高接头强度和缩短焊接时间，现在常常采用固态焊接的方法来实现钛合金与不锈钢之间的有效连接。因为固态焊接可显著降低焊接的温度，阻止重庆大学硕士学位论文绪论焊材晶粒的长大。本文所采用的固态焊接技术为脉冲加载扩散焊接技术，这个技术的具体工艺尚未见报道，因此研究该项技术的具体工艺参数，具有很强的理论意义，它可以丰富和发展固态焊接技术的理论，外将该项技术应用到钛合金与不锈钢的连接中又具有较强的现实意义。现在采用的固态焊

7、接技术主要包括：压力焊、爆炸焊、摩擦焊等焊接方法，而在本课题中使用的固态扩散焊接技术与其他固态焊接技术相比较，最突出的特点是能够实现性能差别较大的材料之间的连接，如金属与陶瓷、金属与玻璃之间的连接。其扩散焊接过程大致分为个阶段。第阶段为物理接触阶段，微观不平的两工件表面，在外加压力的作用下，总有一些点首先达到塑性变形，在持续压力作用下，接触面积逐渐扩大，最终达到整个面的可靠接触；第阶段是接触界面原子间的相互扩散，形成牢固的结合层；第阶段是在接触部分形成的结合层逐渐向体积方向发展，形成可靠的连接接头。接头区域一般形成共晶、固溶体或是金属间化合物【。而扩散焊接方法与其他焊接方法相比较则具有以下优点

8、：接头质量好扩散焊接接头的显微组织和性能与母材接近或相同，在焊缝中不，另存在各种熔化焊缺陷，也不存在具有过热组织的热影响区。扩散焊主要工艺参数（温度、压力、时间、表面状态和气氛）易于控制，故在批量生产时接头质量较稳定。可焊接其他焊接方法难于焊接的材料，对于塑性差或熔点高的同种材料，或对于相互不溶解或在熔焊时会产生脆性金属间化合物的那些异种材料，包括某些金属与陶瓷，扩散焊是唯一可靠的连接方法。焊接接头温度梯度小，引起的组织、性能劣化程度小。再者，本课题采用的脉冲加载固态扩散焊接可以更加有效的降低焊接温度，而且脉冲压力的存在，可以使焊材表面氧化物以及在焊接过程中形成的金属间化合物破碎，减小其对接头

9、性能的影响。课题国内外研究现状关于钛及钛合金与不锈钢的焊接，现在的研究主要集中在加中间层焊接和不加中间层焊接两种方法上。不加中间层的焊接方法（）摩擦焊，文献“中研究了纯钛与碳钢不锈钢的摩擦焊，焊接接头的室温拉伸强度和疲劳强度可高于钛母材，但接头的弯曲塑性和冲击韧性却比母材低得多。（）扩散焊接，文献时报道了钛合金与耐蚀钢的扩散焊方法，重庆大学硕士学位论文绪论焊接温度为、焊接压力为，焊接时间为，大多数焊接试件在机床机械加工时沿两金属接触面发生破裂。这是因为在扩散焊过程中母材组元相互扩散，在接触面形成了金属间化合物层，在焊接过程中未能保证金属间化合物层小于极限厚度（），而使焊接接头变脆。国内，张九海

10、、孙荣禄等人对钛合金与不锈钢扩散焊接接头进行分析得出以下结论：由于母材组元的相互扩散和迁移，在交界面附近形成了一个由固溶体、金属问化合物相组成的多层次过渡组织，由于及相硬而脆，导致接头在机械加工时沿结合面发生断裂”。，巧等”对纯钛与不锈钢的固态扩散焊的研究指出：焊接接头的强度取决于接头相的形成种类、金属间化合物的尺寸以及残余应力等因素的影响；提高焊接温度增加了钛在不锈钢中的扩散距离和、在钛基体中的扩散距离，但它们对接头强度的影响很微弱：在的焊接温度下，会产生许多的金属间化合物如、和。在对灿与不锈钢在、压力并保温小时的焊接工艺下，得到了的强度，拉伸强度随着温度的升高而下降原因是随着温度的升高，焊

11、接接头的金属间化合物长大，严重的影响了接头的性能。（）钎焊，钛及钛合金与不锈钢钎焊的关键问题是钎料的选择。钛及钛合金与不锈钢钎焊虽可以获得一定使用性能的焊接接头，但焊接接头的结合强度较低，而且耐蚀性也常常满足不了要求。钛及钛合金与不锈钢钎焊也可以用接触反应钎焊进行焊接，其原因是钛与铁在形成共晶，在接触良好的情况下，加热到高于共晶温度，依靠钛与铁的相互扩散，在界面处形成共晶体，从而把钛与铁连接起来。钛铁共晶接头最高强度可达】，但这种方法的缺点是工艺上较难掌握，因为在保温时间内液态的数量不断增加，只有在加热温度低于共晶温度时，这种形成液态共晶体的过程才会停止，因此形成液相共晶体的数量难以控制。（）

12、相变超塑性扩散连接方法，其原理是：在焊接过程中，被焊材料在热循环的作用下反复发生相变，在接触面处发生超塑性流变，材料发生的超塑性流变，使被焊材料表面紧密接触，增加了材料表面的缺陷密度，原子处于高度活化状态，扩散能力大大加强，能使被焊材料之间快速实现冶金结厶【”。只要被焊材料具有相变点，就可能用这种方法进行焊接。相变超塑性焊接同时具有压力焊和扩散焊的优点，与压力焊相比，它需要的压力小，因而变形也小，与扩散焊相比，它形成良好接头所需要的时间短，温度低，压力也较小”。因为钛合金一般能发生同素异构转变，即在。时，密排六方晶格结构的钛转变为体心立方晶格结构的钛，这样就可以利用相变诱发的超塑性进行焊接”。

13、，等对钛与钛以及钛与不锈钢在窿气中进行的相交超塑性连接实验中得出：伍焊重庆大学硕士学位论文绪论接的结果非常好，接头的屈服强度达到了，而拉伸强度达到了，其焊接规范为：最高温度，最低温度，压力：循环次数次，加热和冷却速度都为；在对钛与不锈钢的焊接实验的结果得出：钛合金与不锈钢的接头拉伸强度为，屈服强度为。焊接规范为：最高热循环温度为（；压力为：加热和冷却速度为】。周荣林、郭德伦等采用相变超塑性方法焊接了和不锈钢”，其结果表明：加热温度、加热冷却速度及循环次数是相变扩散连接的中心环节，是影响接头性能的重要参数，获得的焊接接头的抗拉强度最大为，接头的变形率小于。（）冲击加载扩散焊接技术，它是近年来在材

14、料扩散焊领域出现的种新的扩散焊方法。该方法是乌克兰巴顿焊接技术研究所的科研人员，根据材料接触强度理论和加载速度与材料扩散能力之间的关系以及同位素作为中间层材料进行扩散焊的试验，而得出的最新研究成果。冲击加压扩散焊的基本原理是【】：被焊工件置于真蠹中，对焊接接头进行局部加热，当温度达到材料的再结晶温度时，保温一段时间，此时接头部位的材料原子活性不断增加；当活性增加到一定程度时，用的时间，对接头施加一个较大的冲击力，这时焊接界面处的材料产生塑性变形，材料表面原子在压力作用下，向金属内部扩散，从而形成具有“共同晶粒”的扩散接头。钛合金和不锈钢的焊接会在焊缝处形成脆性的金属间化合物，同时焊接试样的表面

15、可能有氧化物，利用冲击加压焊接有望抑制金属间化合物的产生或长大，击碎金属氧化物膜，获得性能优良的焊接接头。加中间层的焊接方法在钛及钛合金与不锈钢的焊接方法中，加中间过渡层的焊接方法现在也正在被广泛的研究。许多研究者试图用加入的中间层来抑制焊接时金属间化合物的产生。文献，中报道了采用钽青铜、铌青铜、钒及钒合金、蒙乃尔合金、银作过渡金属的熔焊方法，其中采用钽青铜、铌青铜复合过渡金属较为理想，钽淬火青铜的接头强度达到了，而后者铌铍青铜的接头强度也达到了。但这种方法的缺点是工艺复杂，首先是钽或铌与钛焊，铜与钢焊，然后再把铜与钢焊接起来。用钒作中间层时必须控制焊缝的含钒量，否则与钢中的合金元素和形成脆性

16、的及，而导致接头的脆断。张九海、孙荣禄等人¨对加镍中间层的钛合金与不锈钢扩散焊接进行了研究，指出采用纯镍作中间层，保证了钛合金与不锈钢的良好连接。接头的强度取决于镍与不锈钢的焊合率和镍一钛金属间化合物层的厚度，其接头的最高强度为。邹茉莲、刘泽文【以纯铜和纯镍为复合中间层，对钛合金与不锈钢进行扩散焊接试验的分析的结果指出：当铜层厚度为，镍层为，焊接重庆大学硕士学位论文绪论温度，焊接时间、时，压力为的条件下接头的拉伸强度分别为和；采用铜、镍作为中间层时，在界面附近会形成多种中间相，大部分与形成了共晶反应，中间层未能完全阻止和的扩散，在接头中有时仍然发现有的存在，仍能穿过中间层与形成多种中

17、间相。，扩散理论扩散焊是建立在金属原子相互扩散及其有关的基本规律之上的。扩散定律只描述扩散的宏观规律，是一种表象理论。扩散的微观过程是原子在晶体点阵中的迁移过程。宏观的扩散规律，仅仅是大量的微观原子迁移的统计行为。因此，要深入地研究扩散过程，还必须研究其微观机制”。扩散的微观机制间隙机制，它的主要模型是直径小的间隙原子由一个间隙位置跃迁入另一个邻近的间隙位置，此时间隙原子的扩散系数要比母相基体金属的原子自扩散系数大倍。当间隙原子直径较大时，间隙原子通过把它近邻的，在晶格结点上的原子从正常位置推到附近的问隙中，而自己则占领该原子原来的结点位置。此时，两个原子的同时运动并未增加间隙原子的总数，只是

18、沿扩散方向每个原子的少量位移而产生扩散，因此这种扩散类似波的传播，这种方式所需的扩散激活能要低些。换位机制，该机制的本质是依靠结点上原子与邻近位置的原子相互换位来进行扩散。由于这种方式需要把所有相邻的原子推开到两倍原予直径以外的地方去，这就要求有很多的局部晶格产生畸变，使得畸变能大大增加，因此就需要大量的能量。这种扩散机制进行起来是很困难的，对面心立方点阵的金属及二元合金固溶体（溶质浓度低时），有可能以这种机制扩散。褰位机制，扩散原子依靠与近邻的密位换位实现迁移，由于褰位浓度与温度、幅照等因素有关，因此提高温度或用射线幅照等提高点缺陷密度的因素均使扩散系数增大。目前已公认巍位机制是面心立方金属

19、中扩散的主要的机制，在密排六方，体心立方金属以及离子化合物及氧化物中，它也起着重要的作用。环行扩散机制，以四个原子作环状换位方式来实现扩散。这是四个原子同时作环状的迁移；在具有密实而稳定的晶格的金属中，这种扩散机制具有最大的可能性。【扩散的影响因素两种金属或合金相互接触时，若与之间能相互溶解则将产生互扩散。扩散受化学位梯度的控制，若化学位梯度与浓度梯度一致，则产生下坡扩散，若化学位梯度与浓度梯度相反，则产生上坡扩散。重庆大学硕士学位论文绪论影响扩散的因素很多，其中重要的有：（）温度扩散系数为温度的函数，其关系为（）。为扩散常数，为温度，为扩散激活能。可见扩散系数随温度升高而增大，与温度成指数关

20、系；（）成分成分可以改变物质的浓度，也可以由于不同元素的相互作用而改变原子的化学位：（）化学位化学位是原子扩散的驱动力；（）晶体结构的影响对任一原子在一定温度和成分下，在密堆点阵中扩散较非密排点阵慢；（）各向异性的影响扩散是原子在晶体点阵上或者间隙之间的迁移，而点阵的排列、间隙位置的排列在不同晶体学方向是不同的，而扩散速度也随晶体方向而改变：（）晶体缺陷的影响点、线、面缺陷对扩散皆有影响。位错密度增加会使晶体中的扩散速度加快，原子沿位错管道扩散的激活能不到晶格扩散激活能的一半。原子在位错或者其附近的跳跃频率比晶格内部要大，因而位错加速扩散。在表面及晶粒界面，原子的跳跃频率比晶格内部大，因此在这

21、些地区原子的迁移率也大，扩散要快。从原子排列来看，这些地区要开阔，原子开动的阻力要小些，扩散系数袭椿，而扩散激活能的关系恰好相反，裹，。扩散系数的求解扩散系数是由原子跳动频率和每次跳动距离的平方来决定的，这就是扩散系数的物理实质。一维扩散时其表达式为【口其中，是原子的跳动距离；是原子的跳动频率。（）由的表达式可以看出，扩散系数的大小决定了扩散速度的快慢，所以是决定扩散的一个重要物理量，知道了以后，许多有关扩散的问题就易解决了。当扩散的体系是非稳态时，即浓度随时间的变化而变化，根据费克第二定律可得丝：旦西出西通过此方程就可以解得扩散系数。（）在应用费克第二定律时，扩散系数可以分为两种情况，一是扩

22、散系数不随浓度的变化而变化，即为一常数，这时费克第二定律可以表示为一：堡（）重庆大学硕士学位论文绪论利用具体的边界条件和初始条件，就可解得扩散系数。当扩散系数不为一个常数时，即它随着浓度的变化而变化。此时的求解】，年，用分离变量法求出了（）式的解，年俣野（）根据的解，进一步用图解法提出了求扩散系数的方法，该方法称方法。俣野提出了一个界面，这个界面的参考坐标轴不是以原界面为起点的，而是选择在一个特殊的规定平面上，通过这个平面，物质向左、右两侧扩散的量是相等的，这个界面也叫俣野平面。此平面的位置由下式来确定，广”：一（）！。通过俣野平面就可求得不同浓度下的扩散系数，玄豪等采用方法对一不锈钢体系的扩

23、散系数求解，得到了在时，无金属间化合物形成时，体系的、最小激活能为和；扩散层生长的激活能为。在一不锈钢体系中界面的迁移，是分别由，和的界面来控制的。金属间化合物的形成理论在金属间化合物的形成机理上存在两种对立的观点。其一是认为只有界面中溶质金属达到该温度下的固溶饱和极限时，才出现金属间化合物，即新相的生成是由于晶格重排的结果。而晶格的重排是由于其中一种金属在界面层中达到极限溶解度所致。而另一种观点认为，两种不同的金属物理接触时，在金属相互作用界面上可能会引起金属间化合物的化学反应，其产生与金属间化合物是否达到相互溶解度无关，即在两种金属的接触面上形成金属间化合物之前，首先发生化学吸附；金属间化

24、合物形成后，随金属相界面扩散，分隔金属的金属间化合物层将进一步增厚。研究表明，在具有各种晶体缺陷的多元合金的实际焊接生产中，两种金属相互作用时，本应形成固溶体，但有时在固溶体的浓度尚未达到该温度下极限浓度之前，就生成了金属间化合物，金属间化合物相的长大已接近抛物线规律，甚至在扩散元素不溶解的情况下，有时也会出现金属间化合物相。口两种金属之间通过扩散而形成新相并不断长大的现象称为反应扩散。由反应扩散所产生的新相，既可以是新的固溶体，也可以是各种化合物【”。反应扩散的基本特点是：（）整个过程由扩散相变反应两步组成，但其中扩散是控制因素，由于发生了相变，扩散一般在多相系统中进行。重庆大学硕士学位论文

25、绪论（）在浓度一距离曲线上，在多相扩散区间浓度分布不连续，在相界面上有浓度的突变。在钛一铁的成分分析中，在的相界面处其浓度就发生了跃变。（）形成新相的数目服从相律，即在二元合金扩散区中不存在混合相区。在扩散过程中，温度与压力这两个外部因素变化都不大，故相律可以写成。二元合金中，在双相区，。这表明双相区各相浓度不能改变，不存在浓度梯度，因而可能出现两种情况：）在双相混合区中无扩散运动；）扩散层中不存在双相混合区。（）新相形成的规律与相图相对应。但从动力学上看，由于相变孕育期太长或在高压下均可使相图上反映的相区交窄，直至消失。（）新相长大的动力学规律，一般情况下，相区宽度应服从抛物线规律：但实际上

26、，在多相系统中扩散时为：一般情况下金属间化合物的生长动力学公式可以用下式描述：”卜。）其中为金属间化合物的生长厚度，为扩散时间，硒为反应常数，。为生长激活能，当，说明不是简单按点阵扩散机制进行的而是沿晶界扩散或产生多孔疏松层相区使扩散加速。但应该指出的是，无论从理论上还是从试验结果上看，有些研究已经表明，在界面反应的初期反应层的成长并不符合抛物线规律。反应扩散速度实际上取决于化学反应和原子扩散两个因素，反应扩散起初时层深较浅，原子扩散不是主要矛盾，过程由表面反应所支配，这时层深的增加服从直线关系；随着层深的增加，原子扩散逐步成为过程的主要矛盾，层深的增加则服从抛物线关系。何鹏【鸵埤对扩散焊接接

27、头金属间化合物新相形成的研究指出：（）扩散连接接头界面处生成相的动力学驱动力取决于扩散偶中组元自身的特性，生成相的组元及比例应按原子扩散通量比优先生成；多组元扩散偶界面处的金属问化合物生成相原则遵循通量、能量原则，按照界面处的原予扩散通量比优先生成热力学驱动力最大的相。（）多组元材料进行扩散连接时，通量、能量能力相当的两种或多种金属间化合物有可能同时形核长大，而在某界面处形成混合的金属间化合物层。，。等在对纯钛与不锈钢的扩散焊接中，对接头形成的金属间化合物做了详细的分析，测量了钛与不锈钢扩散焊接过程中的金属间化合物的厚度，以及接头存在的各种金属间化合物的激活能和反应重庆大学硕士学位论文绪论扩散

28、常数。其计算结果为、相的激活能分别为、；反应常数分别为“，”，×。“。课题的主要工作和研究内容本课题主要是研究和探索钛合金与不锈钢在脉冲加载扩散焊接新工艺下的最佳焊接规范，通过对试验结果采用一系列的研究和分析，改善和提高焊接接头的质量，从而优化钛合金与不锈钢的焊接工艺，为工业的实际应用打下基础。本课题的主要研究内容：、对接头进行金相分析、物相分析、能谱分析以及图像分析和接头的拉伸试验来评定接头质量和焊接效果，以此为依据制定出本试验的脉冲加载扩散焊最佳工艺；、对比恒温恒压与脉冲加载扩散焊接两种焊接工艺，以及两种工艺下接头的特性和接头的元素扩散、金属间化合物的形成情况；、确定在脉冲加载焊

29、接工艺条件下，焊接接头元素的扩散系数和金属间化合物的形成动力学和热力学。重庆大学硕士学位论文试验材料及方法试验材料及方法试验材料本试验所用材料为核动力设计院提供的近型钛合金与奥氏体不锈钢。钛合金为规格为由光棒。钛合金的相变温度区间经分析为；两者的化学成分及力学性能分别列于表、表，中，基材组织如图所示。裹试验材料的化学成分（），余量余量表试验材料力学性能髓材爪屈服强度抗拉强度。一伸长率；（）断面延伸率）不锈钢纵断面组织（）钛合金纵断面组织图试验材料原始组织重庆大学硕士学位论文试验材料及方法试验方法焊接准备试样的规格为×，试样端面用水砂纸磨平，然后用机械抛光对待焊表面进行抛光。用酸洗液（

30、成分见表）分别对和待焊表面进行腐蚀，以去除其表面污物和氧化皮，最后用丙酮清洗表面油脂。表酸洗溶液成分酸洗液钛合金不锈钢（）；（），（）（）（）脉冲加载扩散焊接试验在型热模拟机上进行，试验时的真空度为×。该机采用电阻加热方式，焊接温度用、热电偶测量，试验时热电偶焊在不锈钢一侧距焊缝处。试样与夹具之间加有钽片，以避免两者粘结在一起。试验时试样的装配如图所示热电偶钽片图试样装配图焊接工艺曲线脉冲加载具体工艺流程为：内加压至以的加热速度升温至焊接温度一保温一内升压至。内降压至保温秒内压力降至印以循环次的速度将温度降至室温卜焊后退火小时热处理脉冲加载扩散焊工艺曲线如图所示：重庆大学硕士学位论文

31、试验材料及方法八八八八八州铽图，焊接工艺曲线，拉伸试验由于试样尺寸小，故不能直接拉伸。将式样加工直径的棒材，两端车成长度为的螺纹。将螺纹旋入另一螺纹上的螺孔中，用拉倬机夹住钢材进行拉伸。试验在液压式万能试验机上进行。拉伸前在界面附近打点，记载拉伸强度，并测量其延伸率。断口分析将拉伸后的断口在金相显微镜下观察，用扫描电镜（）对断口进彳亍分析判断断裂原因及部位，并用显微镜拍摄照片以及采用图像分析仪（认）做各相的面积比。接头金相分析将未拉伸的试样线切割方法沿轴线纵向剖开。用水砂纸磨平，粒度依次为一释一释一卜皑一群。用氧化铝抛光液进行机械抛光。用与王水分别对钛合金于不锈钢进行腐蚀。在金相显微镜下观察过

32、渡区组织，并拍照，用测微目镜测量各层组织的宽度。射线衍射及能谱分析靶，石墨单色器。扫描速度为。，扫描范围在射线仪做衍射分析，以确定接头中存在的相。试验所用电压为，电流为，。扫描钛合金侧以及不锈钢侧断口，试验后根据衍射图谱查卡片，结合试验参数、元素组成判定存在的物相，并在钛合金侧的断口用能谱分析仪（）做能谱分析。重庆大学硕士学位论文试验材料及方法显微硬度分析将腐蚀出金相的试样在显微硬度计下测定各微区硬度。在过渡区则选择特定的组织打点。为了尽量避免误差，多次打点取平均值。测出硬度后，以各点相对位置和硬度作硬度分布曲线，以观察其变化趋势。重壅查兰堡圭堂鱼笙壅！三茎叁塑型量鱼塑塞塑墅堕工艺参数对接合强

33、度的影响试样的拉伸试验结果本试验的脉冲加载扩散焊接试样工艺参数及拉伸强度如表。所示表脉冲加载扩散焊接试样工艺参数及拉伸强度焊接时试样变接头拉温度次数脉冲压力脉冲频率试验号钮形率伸强度中，（；，（）（其中为焊接前的焊件原始长度，为焊后长度）脉冲加载扩散连接工艺参数对接头强度的影响连接温度的影响材料在焊接加热过程中伴随着一系列物理的、化学的、力学的和冶金方面的变化，而这些变化都要直接或间接地影响到扩散焊接过程及接头质量【。温度影响被焊材料的屈服强度及原子的扩散能力，从而影响接头的焊合率和接头中成分、重庆大学硕士学位论文工艺参数对接合强度的影响组织的均匀性，在整个扩散过程中均起重要作用【】。本文对、

34、次、的条件下分析了温度对接头强度的影响，其结果如图所示。由图可见在温度较低时（）被焊材料塑性变形能力差，界面只在少数微观凸起部位紧密接触，因而有效接触面积小，焊合率低，拉伸强度不高，随着温度的增加，材料的塑性变形能逐渐增加，有效接触面积逐渐增大，焊合率增加，接头强度逐渐升高；但当连接温度大于时，随着温度的升高接头强度开始下降，此时接头强度主要取决于结合界面的组织与成分。可见温度是影响接头结合强度的一个重要因素，过高的温度不仅会使接头的组织发生变化，而且过大的变形也会产生一定的内应力，影响接头的强度。根据本文的试验结果可以看出最佳温度为，虽然这时的接头拉伸强度略低于的强度，但前者的变形量比后者减

35、小了近一半，因此从工业应用的角度说是一个较为适宜的温度。图温度拉伸强度曲线（、次、）（、连接最大压力的影响压力的主要作用是使连接表面产生微观塑性流变，以达到最大的紧密接触，形成金属键和建立原子相互扩散的条件。它在焊接的初期作用很明显，即在物理接触形成阶段及原子的键合阶段起着重要的作用，压力的主要作用表现在：重庆大学硕士学位论文工艺参数对接合强度的影响促使焊接表面微观凸起部分产生塑性变形后达到紧密接触状态：使界面区原子激活，加速扩散与界面孔洞的弥合及消除；防止扩散孔洞的产生；从焊接过程来看，周期性的施加压力在焊接的第一阶段，可以迅速增加接触面积。每次加压都可以引起一次重新变形，因为在去除压力的过

36、程中发生了回复再结晶过程，温度越高，回复再结晶越快。周期性地施加脉冲压力也能起到活化扩散的作用。极大的能量聚集在接头中时，有可能产生许多激活中心，从而加速接触面原子形成化学结合。变形速度对晶界迁移、再结晶会产生影响，在高温变形条件下，晶界迁移的动力既可能是因变形而累积的能量，也可能是减小晶界能的一种倾向。在较大的变形速度下，晶体点阵畸变的累积速度超过畸变的消除速度，且碎块边缘部分畸变最大，在这些部分会形成再结晶晶核。在较小的变形速度下，不会产生再结晶，这是由于晶体点阵的畸变不大，快速回复过程阻止了晶体点阵畸变的积聚，晶粒内形成多边化组织，晶界活动性大大减小。一般意义上说，扩散焊接的压力要求不引

37、起太大的宏观变形为宜。本文中采用的冲击加载方法更是在此基础压力之上，加上一个瞬时的脉冲高压。这种方法不但具有上述基础压力的作用，还具有其特殊的意义。如破坏并除掉焊材表面的氧化膜和污染物，有效破碎在焊接过程形成的脆性金属间化合物，以及导致大量的晶体缺陷增加，增大原子扩散的激活能，增加短路扩散的通道，以促进后续的扩散和再结晶过程，使材料达到紧密的结合。本试验对、次、的条件下焊接脉冲压力对接头强度的影响进行了研究，其结果见图。如图。所示当脉冲压力较低时，材料的紧密接触不够，亦不能有效的破碎在接头形成金属间化合物，故而接头强度较低；随着脉冲压力的增加，材料的塑性流动增加接触面越来越来越紧密，达到原子间

38、的键合距离，而且脉冲的压力不仅可使结合界面的能量升高，加速原子的扩散：而且瞬时的脉冲压力也会使瞬时的位错密度增加，增加了原子短路扩散的通道，使扩散速度增大。根据图得到，当压力达到时最高拉伸强度为；当压力超过后，强度急剧的下降，这是由于太高的冲击压力会在焊缝处产生微裂纹，并使被焊材料微观凸起部分的扩散加剧，使得在微观凸起处金属间化合物的量增多，而导致接头强度的下降。重庆大学硕士学位论文工艺参数对接合强度的影响拉伸强度墨勺巴最大脉冲压力（）图最大脉冲压力强度益线（、次、）（、）冲击次数的影晌冲击次数实际上是从另一个角度反映焊接时间的长短，焊接时间主要影响被焊材料表面微观蠕变过程及原子扩散的程度【】

39、。扩散距离与时间的二次方根成正比【，而对于异种金属的扩散将不可避免的形成金属间化合物，所以焊接时间的控制是控制金属问化合物厚度的一个重要参数。本试验中在、的条件下冲击次数对拉伸强度的影响，结果如图所示。开始时随着次数的增加强度不断升高，说明此时金属间化合物的厚度还没有达到有害的程度，当次数达到次时，强度达到最大值，随着次数的增加，焊接时间不断延长，导致接头金属间化合物的厚度逐渐增厚，当金属间化合物的厚度远远大于时【】，开始使接头的性能恶化，导致接头强度下降。重庆大学硕士学位论文工艺参数对接合强度的影响拉伸强度墨脉冲次数图脉冲次数与强度曲线（、）、脉冲加载工艺结合面的接触分析百世图应力一应变曲线

40、（）（）注：应变（）其中为试样原始长度，为焊后试样长度重庆大学硕士学位论文工艺参数对接台强度的影响焊接时典型的应力一应变曲线见图。可以看出，在（下冲击次的条件下，刚开始几次实际的冲击压都没有达到预先设定的压力，而且开始时的应变很大，经过一定次数的冲击后，应变越来越小。下面就冲击加压的界面接触进行简单的分析。在对材料的焊接过程中，无论采用哪一种焊接方法，表面的物理接触都是形成焊接接头的必要条件。在采用扩散焊接技术时，必须对被焊件实施压力来实现焊接面之间的物理接触。一般焊接表面都具有一定的凹凸面，即使经过精磨、抛光的表面仍然存在微观的凹凸不平，在加压的初期，只是在凸起的个别点产生接触，在高温下经过

41、一定的时间焊接的表面产生变形、塑性流动使实际的接触面积增加。因此在冲击加压的初始阶段，应交很大，经过一段时间后，应变逐渐平稳，这是由于焊件的实际接触表面增大以及在冲击过程中产生了形变硬化，而使应交逐渐变的平稳。由于本工艺在冲击之前有分钟的保温时间，因此开始冲击时，由于材料在高温下的软化，使应力无法在瞬间达到，经过一段时间的冲击后，材料的变形抗力增加，因而达到了预先设定的应力。冲击压力对接头会产生很重要的影响，冲击压力在焊接界面处产生的正应力和切应力会引起金属表面吸附层的塑性变形和流动。而塑性变形和流动会使结晶组织中的缺陷（位错和空穴）发生振荡、迁移和赶出表面。此时释放出来的能量就决定了激活中心的出现。昭旬旬肼母邶田地肺（）图典型的脉冲扩散焊时间一应变曲线重庆大学硕士学位论文工艺参数对接合强度的影响如图所示的脉冲扩散焊时间一应变曲线图可以看出焊接过程中焊材的形变情况。为了对本试验的焊接工艺有进一步的认识，我们将从焊接试验的时间一应变来分析焊接工艺。在扩散焊接试验中，实际接触面积的增加，可以分为变形、流动和使实际接触面积继续增加的扩散几个阶段【】。在开始加压时，由于焊材的表面接触存在较大的空隙，因此在初始的下，在焊材表面只在个别点上微观凸起的地方产生接触，这时接触面积还不到总面积的【