20钢管高温钎焊与瞬时液相扩散焊接组织与性能

第26卷　第5期2005年5月

焊接学报

TRANS ACTI O NS OF THE CH I N A W ELD I N G I N STI T UTI O N

Vol . 26　　No . 5

May 　　　2005

20钢管高温钎焊与瞬时液相扩散焊接组织与性能

王学刚, 　严　黔, 　李辛庚

　　　　　　　　(山东电力高等专科学校特种焊接与新材料重点实验室, 济南　250002)

摘　要:采用镍基钎料BN i2和自主研制的铁镍基中间层合金进行了20钢管的焊接试验, 以扫描电镜、能量散射X 射线和电子探针分析了它们的焊缝组织形貌、成分分布以及焊接性能之间的差异。结果表明, 采用镍基钎料BN i2高温钎焊20钢管, 接头组织为典型的N i 固溶体钎缝特征, 与母材组织存在明显的钎缝界限, 接头区成分分布不均匀且有Si 脆性相存在, 接头无韧性; 采用铁镍基中间层瞬时液相扩散焊接20钢管, 可获得与母材相似并连续的接头组织, 接头成分分布均匀且无Si 脆性相生成, 接头强度、韧性均达到母材水平, 其性能远远高于高温钎焊。关键词:20钢管; 钎焊; 瞬时液相连接; 力学性能

中图分类号:TG454　　文献标识码:A 　　文章编号:0253-(2005-560　序　　言

自20世纪80散焊(T LP T LP 焊接) 研究, 证明在开放环境和较短的工艺时间内(2～3m in ) 即可获得满意的接头抗拉强度和弯曲性能

[1～3]

T LP 焊接工艺的对比焊接试验, 分析比较了两者焊缝区组织和性能的差异, 获得了满意的焊接力学性能, 特别是韧性指标的获得, 对于T LP 焊接的工业应用具有重要意义。

, 并以中频

1　试验方法

试验用母材为

表1　中间层合金的熔点与化学成分(质量分数, %)

Ta b l e 1　M e lti ng po i n t and chem i ca l com po siti o n

o f t w o i n te rl a ye r a ll o ys 　　　　

中间层

BN i2T B

[8]

感应加热方式实现了工业中的应用, 具有高的焊接效率和质量稳定性, 部分替代了手工熔化焊。国内曾经有人尝试了大气条件下不锈钢与低碳钢的液相扩散接合。由于氧化严重, 以及未能采用T LP 专用中间层合金, 获得的接头抗拉强度太低和抗弯曲性能不足而失败

[4, 5]

。

高温钎焊和T LP 焊接在工艺过程和操作步骤上非常相似, 但通过改变中间层合金和工艺参数获得的焊缝组织和力学性能却差异很大。张贵锋

[6, 7]

等人曾对这两种焊接工艺的各种细微差别进行过较全面的总结和对比分析, 但未进行对比试验研究。无论是在真空还是大气条件下, 目前人们对T LP 连接的研究多局限于接头强度和塑性, 对T LP 焊接接头韧性则甚少关注。

由于T LP 工艺显而易见的优点, 将T LP 技术替代熔化焊应用于钢的连接, 一方面可以解决一些对于熔化焊工艺来说焊接性较差钢种焊接的问题, 另一方面可大量减少焊材的使用, 易于实现管道自动焊接, 以提高生产效率和稳定的焊接质量。作者利用

收稿日期:2004-06-09

熔点T /℃

975～10381065～1090

Fe 346

N i 8240

Cr 75. 5

Si 55. 5

B 2. 93

C 0. 1

—

试验所用焊接设备是由作者所在课题组参考有关文献

[1～3]

设计制作的

[9]

。它主要由中频逆变电

源、感应加热器、夹具及液压系统、冷却系统和控制系统组成。该设备可通入惰性气体对焊缝区域加以保护, 焊接工艺参数以P LC (可编程序逻辑控制器) +PRC (可编程数字温度调节器) 输入设定, 自动控

制完成全部焊接过程。

试焊管件端面经车削加工, 平均粗糙度为

第5期王学刚, 等:20钢管高温钎焊与瞬时液相扩散焊接组织与性能　57

R a =5μm 。以化学纯酒精擦洗焊接端面和与焊接

端面等形状的中间层合金, 而后将中间层箔片置于

两待连接管子面之间, 装配在焊接夹具上, 液压夹紧管子并沿轴向施加压力。管子连接面外圆正上方处点焊热电偶, 管内外通氩气保护, 设置温度、时间、压力工艺参数完成焊接过程。焊接工艺参数见表2。两种焊接工艺温度不同的原因, 是在较大温度范围经过正交试验筛选以后, 尽可能地使各性能指标获得最大值时的参数。

表2　20钢管高温钎焊与T LP 焊接工艺参数

Tab l e 2　P a ram e te rs o f b ra z i ng and T LP bo nd i ng 中间层

BN i2T B

试验。冲击试验符合《焊接接头冲击试验方法》G B 2650—89标准规定, 采用5mm ×10mm ×55mm 的夏比V 形缺口试样, 试样沿管子纵向截取, 并使试样轴线与管子纵轴平行。试样缺口开在焊缝上, 缺口轴线与焊缝表面切线垂直, 如图1b 所示。采用扫描电镜(SE M ) 和电子探针(EP MA ) 观察接头组织以及分析接头区合金元素的分布情况。

2　试验结果与分析

2. 1　接头组织和成分分析

温度T /℃

11901200

时间t /min

33

压力p /MPa

66

图2为分别采用BN i2钎料和T B 中间层合金焊接20钢管的接头组织。由图以看出, 采用BN i2钎料, , 钎缝界

, , 热影响

焊后试样以点焊热电偶处为0°, 顺时针为正, 将焊管端面三等分按拉伸、冲击、样坯, 如图1a 所示。依照《法》G B 2651—89验方法》G B

图2　20钢管高温钎焊与T LP 焊接接头组织

图1　拉伸、弯曲及冲击试样取样示意图

F i g. 1　Ske tch o f cu tti ng sam p l e s f o r m echa n i ca l te s t

F i g. 2　M i c r o s truc tu re s o f 20s te e l p i p e b razed and

T LP bo nded j o i n ts 　　　　　　　　

　58焊　接　学　报第26卷

区出现魏氏组织; 采用T B 中间层合金, 钎焊特征消失, 热影响区的晶粒有所粗化, 焊缝区晶粒跨界面连续生长, 焊缝组织和母材组织具有相似的特征。在高倍下观察可以见到由母材界面开始沿垂直方向生长的焊缝凝固形态(图2c ) , 这也表明只有具有主元素为与母材相同的铁镍中间层合金才能获得连续的焊缝组织结构。这也是T LP 焊接工艺获得连续焊缝力学性能的基础。

图3为两种接头区域成分分布的EP MA 分析结果。采用BN i2钎料(图3a ) , 钎缝中心区域仍然保持着以N i 、Si 、Cr 为主的BN i2成分特征, 即为镍基固溶体。各合金元素分布曲线由钎缝中心向母材中的过渡变化, 表明发生了一定程度的扩散。而采用T B 非晶合金箔带作中间层(图3b ) , 虽然接头是以Fe 、N i 、Cr 为组成的合金相, 但合金成分浓度很低, N i 、Cr 和Si 的电子计数水平已降低到BN i2钎缝的1/10左右, B 的扩散情况与BN i2高温钎焊相近, Si 的扩散距离远远大于前者速、长距离扩散, 可以在较短的工艺时间内实现成分

均匀化, 也就避免了成分偏聚而生成的有害第二相对力学性能的损害。2. 2　接头性能分析

采用BN i2钎料和T B 中间层合金分别进行的20钢管高温钎焊和T LP 焊接, 均获得了高于母材的抗拉强度(≥490MPa ) , 拉伸断裂位置处在焊缝以外区域; 面弯和背弯180°时焊缝不发生开裂现象。但在试验过程中发现, 采用BN i2钎料进行的20钢管高温钎焊的弯曲性能, 对焊接端面的装配间隙、表面粗糙度、加热温度等工艺参数要求非常敏感。只有控制在较为严格的范围内, 才能实现弯曲全部合格, 且韧度指标很低。采用T B 非晶合金箔带作中间层, 要求, 4) 。图5为以20钢管三

。

镍基中间层对钢T LP 焊接,

图4　20钢管高温钎焊与T LP 焊接接头冲击韧度比较

F i g. 4　I m p a c t t o ughne ss o f 20s te e l p i p e b ra zed

a nd T LP bo nded j o i n ts 　　　　

　

图5　20钢管T B 中间层T LP 焊接接头力学性能试样

F i g. 5　M echan i ca l te s t sam p l e s o f 20s te e l p i p e T LP

bo nde d j o i n ts w ith T B i n te rl a ye r a ll o y 　

图3　20钢管高温钎焊与T LP 焊接接头区域

合金元素成分EPMA 分析

F i g . 3　E l em e n t d is tri bu ti o n cu rve o f 20s te e l p i p e b ra ze d

a nd T LP bo nded j o i n ts (EPMA ) 　　　　

图6为两种接头冲击断口形貌。BN i2接头断口为河流花样, 并且有白色颗粒物存在, 对白色颗粒成分经能量散射X 射线(E DX ) 分析表明其为高硅化合物, 也即在钎缝组织的解理断裂面上有有害第

第5期王学刚, 等:20钢管高温钎焊与瞬时液相扩散焊接组织与性能　59

二相析出。T B 中间层T LP 焊接接头冲击断口则为

大量韧窝, 表明其为韧性断裂。

3　讨　　论

T LP 连接技术是扩散焊的一种。其原理是通过

中间层合金在母材间形成低熔点液相, 在一定温度和压力下, 利用合金元素的快速扩散使母材瞬时液化, 并随后发生等温凝固而完成焊接过程。等温凝固发生后, 接头的组织与母材基本相似, 但在成分和结构上仍有差别, 在此温度下保持一定时间可使接

[10]

头的成分和结构均匀化, 直到与母材相同。图7是T LP 连接的等温凝固机理。

、侵润作用, , , 将。

, 高温钎焊和T LP 连接在操作, 均需在待连接母材表面间放入熔点低于母材的第三种材料(钎焊称为钎料, T LP 焊接称为中间层) , 然后加热, 保温。但是两者的扩散充分程度、凝固方式(钎焊为降温凝固, T LP

连接为等

图6　20T F i g. 6　F rac t o f i m p c t te s ts o f 20s tee l p i p e

b razed a nd T LP bo nded j o i n ts 　　　

图7　T LP 连接的等温凝固机理

F i g. 7　M echa n ism o f iso the r m a l so li d i fi ca ti o n o f tran s i en t li qu i d p ha se bo nd i ng

温凝固) 及最终所得接头的组织、成分的不连续程

[11]

度均不同, 导致接头性能差异很大。

采用两种不同的焊料焊接20钢管, 所得接头的组织和性能差异很大。采用BN i2钎料时, 接头组织不同于母材组织, 钎缝区域异质界限清晰, 钎缝成分仍然以钎料为主; 采用铁镍基非晶箔带时, 焊缝组织与母材相似且连续, 接头成分已基本接近母材。依据T LP 焊接和钎焊的特征, 称前者为钎焊, 后者为T LP 焊接。由于焊接过程中的扩散充分程度和凝固

和成分分布来判别焊接工艺性质, 并由此区别钎焊和T LP 焊接。至于钎焊和T LP 焊接在扩散充分程度和凝固方式上的差异, 需要进一步的试验研究。由试验结果可知, 焊料成分与母材之间的差异是决定其焊接性质和焊缝性能差异的重要因素。由N i 2B 、N i 2Si 以及N i 2B 2Si 相图可以看出, 加入B 、Si 可使N i 2B 2Si 系合金熔点迅速降低至1050℃以下, 但Si 的降熔点作用较B 则缓慢得多。B 的加入量(摩尔分数, %) 0～13时, N i 2B 合金的熔点变化为1452-1210℃; Si 的加入量(摩尔分数, %) 0～10

方式较难由试验结果直接证明, 作者通过焊缝组织

　60焊　接　学　报

[12]

第26卷

时, N i 2Si 合金的熔点变化为1452-1330℃。

采用BN i2钎料进行高温钎焊时, 由于小半径原子B 向母材中快速扩散, 熔化钎料中的B 含量迅速降低, 使得熔点上升至钎焊温度之上而凝固, 大量的Si 来不及向母材中充分扩散被保留在钎缝中, 形成脆性较高的N i 2Si 固溶体甚至含有N i x Si 化合物。所以, 钎缝抗拉强度由于B 和Si 的固溶强化而提高, 塑性和韧性很低。另外, 异质钎缝界面的存在所造成的微观缺口效应, 也是韧性低的重要原因。对于铁镍基中间层来说, Fe 的加入一方面提高了中间层合金的熔点, 延缓了B 扩散引起液相熔点的升高速度, 使得Si 的扩散得以较为充分地进行, 有效降低了最终焊缝区域Si 浓度, 另一方面, 等温凝固所形成的Fe 2N i 基固溶体与母材组织结构差异的减小, 有利于液相中间层在母材的半熔化界面不必形核而连续生长凝固, 从而形成连续、跨界面生长的焊缝区组织, 界面完全消失, 实现了T LP 焊接。这样化, 参考文献:

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　[5]　唐德渝, 谷　侠, 冯　标, 等. 工业管道高温感应钎焊工艺

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　[7]　Zhang Guifeng, Zhang J ianxun, W et al . Si m ilari 2

ties and bet w een transient liq 2uid [Transact ons of the W I (6) :92-96.

, , 等. 瞬间液相扩散焊与钎焊主要[J ].焊接学报, 2002, 23(6) :92-96.

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[11]　邹　僖. 钎焊(第二版) [M].北京:机械工业出版社, 1991. [12]　张启运, 庄鸿寿. 钎焊手册[M].北京:机械工业出版社,

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4　结(1) 采用镍基钎料BN i2高温钎焊20钢管, 接

头组织为典型的N i 固溶体钎焊特征, 与母材组织存在明显的钎缝界限, 接头区成分分布不均匀且有Si

脆性相存在, 接头无韧性。

(2) 采用铁镍基中间层合金焊接20钢管, 可获得与母材相似并连续的接头组织, 接头成分分布均匀且无Si 脆性相生成, 不但接头抗拉强度和抗弯强度满足标准要求, 而且接头韧性也达到母材水平。

作者简介:

王学刚, 男, 1975年出生, 工程师。研究方向为非晶

中间层的开发和液相扩散焊工艺研究, 获国家专利3项, 省级科技进步一等奖1项, 发表论文5篇。

Em a il :

wxuegang@s ohu . com

[上接第55页]

参考文献:

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作者简介:

文6篇。

郭立杰, 男, 1961年10月出生, 研究员, 总工艺师。

主要从事航天飞行器铝合金结构制造工艺及技术管理工作, 发表论

Em a il :

guolijie149@yahoo. com. cn

2005, Vol . 26, No . 5　　　TRANS ACTI O NS OF THE CH I N A W E LD I N G I N STI T UTI O N

N i 2Fe 2C filler metal was usually devel oped with the “trial 2and 2err or ”method, which wasted a l ot of ti m e and efforts . A model was devel oped for analysis and p redicti on of correlati on bet w een input para meters (weld 2ing para meter and content of filler metal ) and bend strength in WC 230Co /Ni 2Fe 2C /45steel TI G welding p r ocess using artificial neural net 2work (ANN ) . The model was based on multi p layer back p r opagati on neural net w ork and trained with data sets fr om experi m ents foll owed by data nor malizati on . Mean 2squared 2err or of this model was analyzed . The bend strength was further p redicted using the trained ANN model . The re 2sults showed that when j oints welded with filler metals contaning 0. 6wt . %or 0. 8wt . %C, and N i/Ferati o in the range fr om 1. 9t o 2. 7, were obtained, and higher bend strength could be reached . The ANN model could be well used t o esti m ate the effect of parameters on bend strength of WC 230Co /Ni 2Fe 2C /45steel TI G welded j oints, superi or t o conventi onal techniques .

Key words:　N i/Ferati o; artificial neural net w ork model; bend strength; WC 2Co; tungsten inert gas welding

shape

Ⅴ

End i n g progress i n verti ca l 2up var i a n t pol ar ity pl a s ma arc weld i n g w ith keyhole 　　G UO L i 2jie 1, 2, Y ANG Chun 2li 3, L I N San 2bao 3, SHEN Hong 2yuan 3(1. School of Materials Science and Engineering, Shanghai J iaot ongUniversity, Shanghai 200030, China; 2. ShanghaiAer 2os pace Equi pment Manufacturing Cor p. , Shanghai 200245, China; 3. Nati onal Key Laborat ory of Advanced W elding Pr oducti on Technol ogy, Harbin I nstitute of Technol ogy, Harbin 150001, China ) . p53255, 60

Abstract:　The regulati on of ending p r ogress in variant polarity p las ma arc welding with keyhole was studied . The welding current, weld 2ing s peed and the p las ma gas fl ow rate were the most i m portant parameters in the ending stage . The arc crater could be successfully filled by increas 2ing wire feed s peed, reducing i on gas fl ow rate as welding s peed . The welding para in ranges f or material with . The p r of the j oint at weld that at the m iddle of the weld .

polarity; p las ma welding; ending p r ocess; a 2

Nu m er i ca l si m ul a ti on of stress f i eld of l i i n g on sis of cluster hea t source 　　I ANG 2L I U Xue 2s ong, MENG Q ing 2Key Laborat ory of Adv 2aneed W elding Pr ogy, Harbin I nstitute of Technol ogy, Harbin 150001, China ) . p46248, 52

Abstract:　The numerical si m ulati on of stress field after welding of manual s wing welding was done using the cluster heat s ource which was obtained on basis of the energy conservati on la w . The regularities of dis 2tributi on of l ongitudinal residual stress and transverse residual stress were attained . Moreover, the rati onality of the cluster heat s ource was p r oved by the flat experi m ent .

Key words:　manual s wing welding; cluster heat s ource; numeri 2cal si m ulati on; stress field

inum all oys

M i crostructure and properti es of 20steel p i pe jo i n ts by tran si en t li q 2u i d pha se bond i n g and h i gh te m pera ture braz i n g 　　WANG Xue 2gang, Y AN Q ian, L I Xin 2geng (Key Laborat ory of Special W elding and Ne w Materials, Shandong Electric Power College, J inan 250002, China ) . p56260

Abstract:　20steel p i peswere j oined with a conventi on nickel base brazing filler metal BN i2and a novel ir on 2nickel base foil, and the me 2chanical p r operties and m icr ostructure of the m were investigated using scanning electr on m icr oscope, energy dis persive X 2ray analysis and elec 2tr on p r obe m icr oanalysis . The results showed that BN i2brazing p r oduced N i s olid s oluti on j oints with silicide p reci p itates and heter ogeneity compo 2siti on . I n contrast, however, transient liquid phase bonding using ir on 2

I nfluence of var i a ble pol ar ity pl a s ma arc shape on arc force 　　HAN Yong 2quan, L ΒYao 2hui, CHEN Shu 2jun, YI N Shu 2yan, Y AN Hong 2liang (College of Mechanical Engineering &Ap llied Electr onics Technol ogy, Beijing University of Technol ogy, Beijing 100022, China ) . p49252

Abstract:　The rules of arc shape and mechanical characteristic variated with the variati on of the welding para meters and the mechanical characteristic of the variable polarity p las ma arc were investigated . It was p r oved that the combined p las ma arc tended t o for m the double arc, using the high 2s peed phot ograph and by detecting synchr onously f orce and cur 2rent of the arc . The experi m ental results had great indicative significances t o the technol ogy stability and p r ocess contr ol in the variable polarity p las 2ma arc welding on m iddle 2thickness alum inum p late .

Key words:　varialbe polarity p las ma arc welding; arc f orce; arc

nickel base f oil, resulted in homogenous j oints with m icr ostructure and compositi on si m ilar t o the parent metal and free of silicide p reci p itates . Mechanical tests showed that bonding p r operties of j oints made using ir on 2nickel base f oil were superi or t o those obtained using BN i2. W hen the i 2r on 2nickel base foil was used, bonding t oughness was near parent t ough 2ness .

Key words:　20steel p i pe; brazing; transient liquid phase bond 2ing; mechanical p r operties

W eld bead shap i n g of fr i cti on sti r welded 7A 52a lu m i n u m a lloy 　　Z HAO Jun 2jun 1, ZHANG Ping 2, WANGW ei 2xin 1, MA L in 1, HU W ei 2wu 3(1. Depart m ent of Material Science and Technol ogy, A r moured Engi 2neering I nstitute, Beijing 100072, China; 2. Surface Engineering Re 2search I nstitute of C MES, Beijing 100072, China; 3. The Rep resentive