日本液相擴(kuò)散焊中降熔元素b擴(kuò)散行為及存在形態(tài)的研究

日本液相擴(kuò)散焊中降熔元素b擴(kuò)散行為及存在形態(tài)的研究

1tlp焊接接頭特點(diǎn)此時(shí)（過渡）液體擴(kuò)散焊接（d.s.tcl焊接或液體擴(kuò)散焊接）由d.s.d.a.t.開發(fā)。1973年，杜瓦爾等人首次總結(jié)了其應(yīng)用，并通過相圖解釋了金屬學(xué)原理。所謂瞬間液相擴(kuò)散焊就是在待焊母材間預(yù)先放入中間層,該中間層的成分除熔點(diǎn)較高的主組元外,必含有降熔元素(Meltingpointdepressant,簡(jiǎn)稱MPD元素),在中間層熔化以后的保溫過程中,依靠降熔元素向母材中的持續(xù)擴(kuò)散,使液態(tài)中間層中降熔元素的濃度減小,液態(tài)中間層的熔點(diǎn)隨之自動(dòng)升高,出現(xiàn)所謂“等溫凝固”的現(xiàn)象(液態(tài)中間層在焊接保溫過程中自行凝固),并繼續(xù)保溫依賴降熔元素的擴(kuò)散以實(shí)現(xiàn)焊接區(qū)成分與組織的進(jìn)一步均勻化,從而使接頭性能等同于母材性能的一種高質(zhì)量的焊接方法。其操作過程與釬焊相同,但與釬焊接頭性能相比,TLP焊接接頭的力學(xué)性能、耐高溫性能均優(yōu)于一般釬焊接頭,因此其接頭形式采用對(duì)接而非搭接。TLP焊接過程可分為中間層熔化、母材溶解、等溫凝固、成分及組織進(jìn)一步均勻化四個(gè)階段。與固態(tài)擴(kuò)散焊相比,它主要有以下優(yōu)點(diǎn):①可大幅度降低焊接壓力,從而減小焊接變形;②由于液態(tài)金屬的填充作用,可降低對(duì)表面粗糙度的準(zhǔn)備要求;③由于液態(tài)金屬與基體的相互作用可剝離氧化膜,所以允許表面有一定氧化膜存在。目前,TLP焊接已成為各種先進(jìn)材料,如先進(jìn)陶瓷、復(fù)合材料、各種耐熱/耐蝕超合金、單晶合金的首選焊接方法,同時(shí)TLP焊接工藝也在傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)材料,如碳鋼等方面的應(yīng)用潛力同樣十分巨大。2tlp焊管焊接技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)盡管TLP焊接于20世紀(jì)70年代已在Ni基高溫合金領(lǐng)域的應(yīng)用非常成功(避免了熔焊時(shí)的熱裂紋),但首次將其成功地應(yīng)用于一般碳素結(jié)構(gòu)鋼管、耐熱鋼管、不銹鋼管的對(duì)焊則是在20世紀(jì)80年代末由日本住友金屬公司的小溝裕一等人實(shí)現(xiàn)的。小溝裕一等人因此于1991年獲日本溶接學(xué)會(huì)“田中龜久人獎(jiǎng)”。間隔僅10年,日本新日鐵公司鋼鐵研究所的原康浩因?qū)σ话憬Y(jié)構(gòu)用鋼管(碳素鋼管)的TLP焊接方法中“B在液相擴(kuò)散接合部的存在形態(tài)及擴(kuò)散行為”這一問題的研究榮獲日本溶接學(xué)會(huì)2000年度秋季全國大會(huì)研究發(fā)表獎(jiǎng)。可見,TLP焊管技術(shù)在生產(chǎn)方面的優(yōu)越性及其機(jī)理方面的先進(jìn)性已正在被日本工業(yè)界與學(xué)術(shù)界所認(rèn)可,并引起了日本學(xué)術(shù)界與產(chǎn)業(yè)界的極大研發(fā)興趣。這預(yù)示著TLP焊管工藝的應(yīng)用潛力十分巨大。TLP焊管技術(shù)主要有如下優(yōu)點(diǎn):①生產(chǎn)率高,無需開坡口,焊接時(shí)間與壁厚無關(guān),主要取決于降熔元素的擴(kuò)散性能,數(shù)十秒到數(shù)分鐘便可完成一個(gè)接頭的焊接;②無需真空系統(tǒng);③接頭無余高,過渡圓滑,焊后無需切削再加工;④接頭成分與組織不連續(xù)程度較輕,接頭力學(xué)性能可不低于母材;⑤自動(dòng)化程度高,對(duì)操作者技能要求低;⑥無焊接煙塵與飛濺,適于在易燃易爆環(huán)境下的焊接作業(yè);⑦利于環(huán)保,生產(chǎn)條件好;⑧有錯(cuò)邊時(shí)可圓滑過渡,減小了應(yīng)力集中,對(duì)錯(cuò)邊影響不甚敏感。另外,對(duì)端面準(zhǔn)備要求低,允許表面有一定氧化物。概言之,對(duì)于鋼管的對(duì)焊(現(xiàn)場(chǎng)或室內(nèi)),TLP焊接工藝是一種高性能、高效率、高自動(dòng)化程度、低變形、無焊接煙塵污染的先進(jìn)焊接工藝。3非平面狀焊接技術(shù)近年來關(guān)于TLP焊接的研究側(cè)重點(diǎn)在歐美與日本有所不同。在歐美主要研究集中于對(duì)中間層(二元或三元系合金)中降熔元素?cái)U(kuò)散的數(shù)值計(jì)算及凝固過程的優(yōu)化控制。在日本主要集中于拓寬TLP的適用鋼種范圍的研究,如在單晶材料、碳素鋼方面的應(yīng)用研究。值得一提的是劍橋大學(xué)的A.A.Shirzadi與E.R.Wallach提出了一種“帶有溫度梯度的TLP擴(kuò)散焊(T-TLP)”的新工藝,突破了傳統(tǒng)的TLP擴(kuò)散焊慣用的焊接區(qū)溫度均勻分布的束縛,其優(yōu)點(diǎn)在于可使最終凝固所得的界面由經(jīng)典TLP焊接情況下所得的平面狀變?yōu)榉瞧矫鏍?正弦狀或胞狀),增加了沿非平面狀界面上的金屬—金屬之間的接觸面積;將殘留的難熔氧化物粒子在接合線(bondline)上分布由傳統(tǒng)TLP工藝下的平直狀改善為正弦狀或胞狀分布。這樣與傳統(tǒng)TLP焊接相比,提高了接頭的剪切強(qiáng)度,并避免了接頭質(zhì)量的隨機(jī)波動(dòng)。該技術(shù)已于1997年獲得英國專利,并在ActaMater.國際著名期刊上發(fā)表了多篇有關(guān)機(jī)理及預(yù)測(cè)模型的論文。在日本,新日鐵公司的原康浩因?qū)σ话憬Y(jié)構(gòu)用鋼管(碳素鋼管)材質(zhì)的TLP焊接方法中“B在液相擴(kuò)散接合部的存在形態(tài)及擴(kuò)散行為”的研究獲日本溶接學(xué)會(huì)2000年度秋季全國大會(huì)研究發(fā)表獎(jiǎng)。從2000年度日本溶接學(xué)會(huì)全國大會(huì)講演概要(第67集)所收錄的論文來看,從事碳素鋼的TLP焊接研究的大學(xué)有大阪大學(xué)、東京工業(yè)大學(xué);從事碳素鋼管的TLP焊接研究的公司有新日鐵公司、NKK(日本鋼管)公司;共收錄TLP焊管論文4篇。這樣在日本五大鋼鐵公司(新日鐵、NKK、住友金屬、川崎制鐵、神戶制鋼)中已有三個(gè)公司從事TLP焊管技術(shù)的研發(fā)工作。此外,三菱重工鍋爐事業(yè)部、三菱汽車、日野汽車公司等在此前也均有進(jìn)行TLP焊管技術(shù)研發(fā)的報(bào)道。近年來關(guān)于TLP焊管技術(shù)的兩度獲獎(jiǎng)及著名研究單位的不斷增多這一事實(shí)說明,TLP焊管方法以其特有的自動(dòng)化程度高、快速、優(yōu)質(zhì)、無宏觀變形、無焊接煙塵與飛濺等優(yōu)點(diǎn)已引起了日本學(xué)術(shù)界與產(chǎn)業(yè)界的極大研發(fā)興趣。下面將主要依據(jù)日本2000年公開發(fā)表的期刊及會(huì)議論文資料,介紹新日本制鐵公司鋼鐵研究所的原康浩及長(zhǎng)谷川泰士在一般結(jié)構(gòu)用鋼管材質(zhì)的液相擴(kuò)散焊研究中,關(guān)于降熔元素(B)的擴(kuò)散行為及存在形態(tài)方面的研究成果。4mpd元素?cái)U(kuò)散一般中間層的合金元素中都含有硼(B),它之所以被廣泛作為中間層的合金元素使用的原因首先在于它能降低中間層的熔點(diǎn),其次B的原子半徑小(0.98·),擴(kuò)散速度快(屬間隙擴(kuò)散),有利于縮短焊接時(shí)間。但是由于液相擴(kuò)散焊近縫區(qū)B的含量很低,且B為輕原子,其原子序數(shù)為5,所以對(duì)B的擴(kuò)散距離、濃度及存在形態(tài)的測(cè)定(即B究竟是在固熔體中,還是以偏析態(tài)或者在各種相或沉淀物中以化合態(tài)存在)是十分困難的,常規(guī)標(biāo)準(zhǔn)方法(如能譜分析、普通光鏡等)很難對(duì)B進(jìn)行測(cè)定,必須用一些特殊的方法進(jìn)行分析,如自射線照像、α-粒子照像、二次離子質(zhì)譜、波譜儀、徑跡顯微照像技術(shù)(PTA,ParticleTrackingAutoradiographTechnique)等。在以往的研究中,人們將研究的重點(diǎn)多放在中間層的擴(kuò)散及母材的熔解過程,并認(rèn)識(shí)到了當(dāng)MPD元素(B、Si等)在焊縫中心的殘留濃度較高時(shí),會(huì)在焊縫中心引起脆性相殘留,使接頭塑性性能變差。這主要是因?yàn)锽作為間隙原子一般在中間層基體或母材基體中的溶解度都極低,例如從B/Fe、B/Ni二元相圖看,室溫下B在Fe、Ni中的溶解度幾乎為零。過量的B將以化合物形式存在,具體的化合物相類別、存在形態(tài)、量的多少又與B的濃度有關(guān),它們通過對(duì)接頭的組織轉(zhuǎn)變(γ→α)及相變產(chǎn)物比例的影響進(jìn)而影響接頭性能(如淬透性、塑性等)。實(shí)際上TLP焊接中MPD元素的擴(kuò)散貫穿整個(gè)焊接過程的始終,等溫凝固及均勻化只不過是MPD元素?cái)U(kuò)散引起的中間層內(nèi)MPD元素濃度持續(xù)減小在不同階段的外在表現(xiàn)形式而已,其實(shí)質(zhì)是相同的,都是MPD元素持續(xù)向母材中的擴(kuò)散。只有MPD元素(B)通過擴(kuò)散入母材使其在殘留中間層內(nèi)的濃度降至足夠低,才能降低化合物相的不利影響。因此可以說MPD元素的充分?jǐn)U散是TLP焊接工藝成功與否的命脈所在。但是,擴(kuò)散進(jìn)入母材的降熔元素在母材中的存在形態(tài)及其對(duì)近縫區(qū)母材組織及性能的影響這一課題尚未明了。日本新日鐵公司鋼鐵研究所的原康浩、長(zhǎng)谷川泰士正是抓住這一要害問題,對(duì)充當(dāng)MPD元素的B元素的擴(kuò)散行為與存在形態(tài)進(jìn)行了深入研究,因而獲得了2000年度日本溶接學(xué)會(huì)秋季全國大會(huì)研究發(fā)表獎(jiǎng),其研究角度及結(jié)果都具有一定的啟示價(jià)值與應(yīng)用價(jià)值,以下簡(jiǎn)要介紹其研究方法與結(jié)果。在原康浩、長(zhǎng)谷川泰士的研究中,采用的母材是用市售一般結(jié)構(gòu)用碳素鋼管加工而成的Φ10mm×50mm的圓棒(母材成分:w(C)=0.141%,w(Si)=0.01%,w(Mn)=0.67%,w(Al)=0.037%),中間層為MBF-30(w(Si)=4.5%,w(B)=3.5%,余Ni);研究中采用規(guī)范調(diào)節(jié)范圍為:焊接試驗(yàn)溫度1373～1523K;保溫時(shí)間0～1800s;N2保護(hù)。在實(shí)測(cè)B的擴(kuò)散距離及B的分布時(shí)采用了鋼中B的狀態(tài)分析手法之一的α中子線照射的α-autoradiographs(ATE法或α-track法),將照射后所獲得的成像稱為ATE像或α-track像。用ATE法觀察的程序是在經(jīng)拋光研磨后的觀察面貼上成像用底片后,進(jìn)行中子照射。中子照射后,揭去底片,再進(jìn)行化學(xué)腐蝕,用光學(xué)顯微鏡觀察。此外,為弄清楚在接合區(qū)B的擴(kuò)散量,在距接合層任意位置處經(jīng)加工取出一平行于接合面、厚為100μm的薄片進(jìn)行化學(xué)分析。觀察1473K溫度下,保溫時(shí)間分別為1s、600s的ATE成像可知,當(dāng)在達(dá)到1473K焊接溫度的焊接初期,B已自液態(tài)中間層向母材內(nèi)擴(kuò)散了約500μm;保溫600s時(shí),B自液態(tài)中間層向母材內(nèi)擴(kuò)散距離達(dá)2mm(文獻(xiàn)用的母材為STK400,中間層為MBF-30,1473K溫度下保溫600s,擴(kuò)散入母材的擴(kuò)散距離約為1.5mm)。保溫600s時(shí),擴(kuò)散入母材的B的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布狀況如下:在接合層近旁約60×10-6;在距接合層0.7mm處約40×10-6;在距接合層1.5mm處約20×10-6。比較B在晶界和晶內(nèi)的擴(kuò)散距離,幾乎沒有差異,微觀上可視為一維擴(kuò)散。B在晶界出現(xiàn)“濃化”,在晶界周邊出現(xiàn)貧B層。用透射電鏡觀察晶界部分,確認(rèn)了有析出物存在,多數(shù)析出物被確認(rèn)為是Fe23(C,B)6。但在焊后急冷的ATE圖像中,并未發(fā)現(xiàn)在晶界近旁有貧B層,故可以認(rèn)為,這是由于在冷卻過程中,B在晶界上以Fe23(C,B)6析出造成的。其結(jié)果是,晶界近旁的淬硬性大幅降低;接合部的組織在晶內(nèi)轉(zhuǎn)變?yōu)樯县愂象w;在晶界轉(zhuǎn)變?yōu)榫Ы玷F素體。在20世紀(jì)80年代有關(guān)硼鋼中B對(duì)淬透性影響的研究中,人們已經(jīng)證實(shí):只要加入極少量的B就可以顯著推遲低碳低合金鋼中γ→α的擴(kuò)散轉(zhuǎn)變,大大提高淬透性。B的這種作用被認(rèn)為是由于B原子偏聚于奧氏體晶界降低了晶界能(也有人認(rèn)為是B在奧氏體晶界偏聚和不能提供與γ晶粒形成特別大的非共格界面的很小的沉淀相的共同作用),明顯增加鐵素體形成的孕育期,并顯著降低鐵素體開始形核后的形核速率,因此抑制了先共析鐵素體的形成,此乃B在相變動(dòng)力學(xué)上的重要特征(在超低碳貝氏體管線鋼X70、X80的設(shè)計(jì)思想中也利用了B的這一重要特性)。硼鋼的淬透性并不隨B含量有規(guī)律地增加,但有一個(gè)最佳的含B量范圍(約(3～30)×10-6,也有人認(rèn)為是(10～30)×10-6),加B量超過這一范圍反而降低淬透性,這是因?yàn)锽原子以所謂的“B相”析出(其晶體結(jié)構(gòu)為面心立方的Fe23(C,B)6B碳化物),而可能優(yōu)先成為γ→α轉(zhuǎn)變的生核位置。新日鐵公司原康浩的研究結(jié)果確認(rèn)了B在母材近縫區(qū)同樣以B相Fe23(C,B)6在晶界析出,打消了人們擔(dān)心因B的擴(kuò)散會(huì)導(dǎo)致近縫區(qū)淬硬的疑慮。5溫度和時(shí)間對(duì)b擴(kuò)散系數(shù)的影響采用ATE法的成像進(jìn)行B的狀態(tài)分析時(shí),并不能測(cè)定接合區(qū)B的濃度分布,因此原康浩等人采取了用ATE像測(cè)出不同時(shí)間的B的擴(kuò)散距離,并結(jié)合Fick第2定律進(jìn)行理論計(jì)算的方法(改變擴(kuò)散常數(shù)計(jì)算各焊接時(shí)間對(duì)應(yīng)的擴(kuò)散距離)求出液相擴(kuò)散焊時(shí)B的擴(kuò)散系數(shù)。當(dāng)焊接溫度分別為1373K、1473K、1523K時(shí),計(jì)算B的擴(kuò)散系數(shù)分別為6.6×10-10m2/s、1.1×10-9m2/s、1.8×10-9m2/s時(shí),則擴(kuò)散距離的計(jì)算值與由ATE像所得的實(shí)測(cè)值吻合很好,且B的擴(kuò)散系數(shù)遵循阿累尼烏斯方程,可依下式求出:Dapp=1.77×10-6×exp(-89907/RT)式中Dapp—擴(kuò)散系數(shù),m2/s;R—?dú)怏w常數(shù),8.31J/(mol·K)或1.987cal/(mol·K);T—絕對(duì)溫度,K。但是,文獻(xiàn)、與文獻(xiàn)、所介紹的在1473K溫度下的擴(kuò)散系數(shù)有差異。文獻(xiàn)、介紹的在1473K溫度下保溫600s時(shí)的擴(kuò)散距離為2.0mm,求得的在1473K溫度下擴(kuò)散系數(shù)為1.1×10-9m2/s;文獻(xiàn)、介紹的在1473K溫度下保溫600s時(shí)的擴(kuò)散距離為1.5mm,求得的在1473K溫度下擴(kuò)散系數(shù)為4×10-10m2/s。擴(kuò)散系數(shù)存在差異(前者為后者的2.5倍)的原因不詳。推測(cè)可能是因?yàn)棣?track像反映的B的擴(kuò)散前沿并不是平直均勻的,由此導(dǎo)致擴(kuò)散距離的測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)不同而引起的。另外,記時(shí)起點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)不同也可能會(huì)引起數(shù)據(jù)處理結(jié)果的差異。從日本科技文獻(xiàn)速報(bào)報(bào)道的先后時(shí)間看,1.1×10-9(m2/s)的公布時(shí)間晚一些,有可能該值準(zhǔn)確一些。在日本,TLP焊管技術(shù)在工業(yè)方面的應(yīng)用業(yè)已十分引人注目,目前已有報(bào)道的行業(yè)有室內(nèi)水、鍋爐行業(yè)、汽車行業(yè)。在室內(nèi)供水行業(yè)的應(yīng)方面,有代表性的公司是日本住友金屬公司;在爐行業(yè)的應(yīng)用方面,有代表性的公司是日本三重工鍋爐事業(yè)部(代替手工TIG填絲焊);在汽行業(yè)的應(yīng)用方面,有代表性的公司是日本三菱車公司與日本日野汽車公司。在國內(nèi),西安交通學(xué)焊接研究所率先于2000年開始了TLP焊管術(shù)的專題研究,已成功地為某單位研發(fā)出TLP管成套焊接設(shè)備及工藝,有關(guān)專利正在申報(bào)之。6tlp焊接技術(shù)對(duì)焊接過程的影響TLP焊管技術(shù)這種先進(jìn)的焊接工藝所特有的自動(dòng)化程度高、快速、優(yōu)質(zhì)、無宏觀變形、無煙塵與飛濺的優(yōu)越性已逐漸被我國廣大焊接工作者所接受。隨著制造業(yè)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的發(fā)展,通過及時(shí)更新工藝、使用新技術(shù)對(duì)交貨期限、產(chǎn)品外觀、原材料消耗等進(jìn)