專利名稱：相變－擴(kuò)散釬焊工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及焊接技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種焊接工藝，特別涉及一種相變-擴(kuò)散釬焊工藝。
二.
背景技術(shù)：
2.1相變超塑性擴(kuò)散焊的優(yōu)點(diǎn)及不足由于材料在發(fā)生超塑性變形時(shí)具有低變形抗力、大變形能力的特征[1]，所以超塑性擴(kuò)散焊被作為固態(tài)擴(kuò)散焊的一種改進(jìn)工藝引起了人們的研發(fā)興趣。Y.Maehara與Y.Komizo[2]等綜述了超塑性擴(kuò)散焊(SuperplasticDiffusion Bonding)的機(jī)理，將超塑性擴(kuò)散焊分為兩種，即恒溫超塑性擴(kuò)散焊(Isothermal Superpalstic Diffusion Bonding)和相變超塑性擴(kuò)散焊(Transformation Superplastic Diffusion Bonding，簡寫為TSDB)。相變超塑性擴(kuò)散焊最初由日本三菱重工橫濱造船所的高瀨誠次、押田良機(jī)等人于20世紀(jì)70年代提出，并成功地應(yīng)用于弧焊可焊性很差的鑄鐵的焊接[3]。相變超塑性擴(kuò)散焊接具有超塑性擴(kuò)散焊的共同優(yōu)點(diǎn)，如能利用超塑性流變加速實(shí)現(xiàn)界面緊密接觸過程(特別是在焊接過程的初期)和機(jī)械破膜；焊接壓力??；表面粗糙度的影響小等[4，5]。與恒溫超塑性焊接相比，相變超塑性焊接又具有某些獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)(1)因高溫停留時(shí)間短，同時(shí)在動(dòng)態(tài)再結(jié)晶與相變重結(jié)晶作用下焊后可細(xì)化晶粒[6-10]；(2)相變超塑性與晶粒大小無關(guān)，故無須焊前對(duì)母材進(jìn)行細(xì)化預(yù)處理。
但相變超塑性擴(kuò)散焊也存在一些顯著的缺點(diǎn)，主要有(1)在生產(chǎn)率方面，因循環(huán)次數(shù)較多而導(dǎo)致生產(chǎn)率低；(2)在焊接質(zhì)量方面，因界面上易有殘留空洞出現(xiàn)而導(dǎo)致焊合率相對(duì)較低；(3)在接頭外觀方面，因焊接壓力及循環(huán)次數(shù)較大而導(dǎo)致累積變形較大，或邊緣易鼓出形成缺口等不足。由于上述缺陷的存在，限制了其進(jìn)一步推廣使用。
在上述缺陷中，尤以循環(huán)次數(shù)過多導(dǎo)致效率低這一缺點(diǎn)最為顯著。例如20世紀(jì)80年代大橋修與橋本達(dá)哉[5]以市售純鐵為實(shí)驗(yàn)材料，焊接條件為Ar氣保護(hù)，高頻電源加熱，壓力4MPa，循環(huán)溫度范圍830℃←→930℃，在32min時(shí)間內(nèi)共需循環(huán)16次(每次循環(huán)的時(shí)間為2min/C，進(jìn)行了32次相變)。20世紀(jì)90年代，劉建華[6]、熊建鋼[7]等以A3(Q235)為母材，在32MPa壓力下，在600℃←→900℃溫度范圍內(nèi)須循環(huán)6次以上方可達(dá)到接頭與母材等強(qiáng)。王燕文等[8]指出45號(hào)鋼的相變超塑性擴(kuò)散焊在390℃←→810℃內(nèi)須循環(huán)20次以上。周榮林等[10]指出鈦/不銹鋼的相變超塑性焊接需循環(huán)20次。
提高壓力雖可加大每次循環(huán)的超塑性流變量，有利于加速實(shí)現(xiàn)母材界面間緊密接觸，但劉建華等[6]在壓力P＝60MPa，循環(huán)次數(shù)N＝3的情況下，雖可得到與P＝32MPa，N＝6情況下相同的變形量(直徑增粗率Δd/d＝4％)，但斷裂載荷存在較大差異，前者為18.5KN，后者為25.3KN，前者明顯低于后者。吳艷青、裴怡等[11]通過計(jì)算指出，過大的壓力與過多的循環(huán)次數(shù)將會(huì)在接頭邊緣位置出現(xiàn)拉應(yīng)力?？梢妴我豢吭黾訅毫斫档脱h(huán)次數(shù)是受會(huì)到制約的。迄今，國內(nèi)外尚無針對(duì)這一難點(diǎn)進(jìn)行改進(jìn)研究的任何報(bào)道。同時(shí)，令人費(fèi)解的是國外自二十世紀(jì)九十年代以后無任何有關(guān)相變超塑性擴(kuò)散焊研究的報(bào)道，推測原因可能與其循環(huán)次數(shù)多、生產(chǎn)效率低這一關(guān)鍵問題尚未解決有關(guān)。
造成循環(huán)次數(shù)過多的本質(zhì)原因在于固相焊時(shí)母材界面間易殘留界面空洞。因相變超塑性焊接中母材界面緊密接觸仍是在“固態(tài)”下實(shí)現(xiàn)的，每次相變期間雖有超塑性現(xiàn)象發(fā)生，但超塑性應(yīng)變值本身很小[12]；且相變超塑性的發(fā)生溫度范圍很窄[13]，具有“瞬時(shí)性”的特點(diǎn)，所以須多次循環(huán)累積才能達(dá)到一定的變形量，方可得以消除界面殘留空洞，實(shí)現(xiàn)母材界面間的緊密接觸。
值得指出的是國內(nèi)關(guān)于相變超塑性擴(kuò)散焊的叫法不統(tǒng)一，如相變超塑性焊接、相變擴(kuò)散焊等，在此，申請(qǐng)人為與國際上的叫法保持一致，按其英文名稱(Transformation Superplastic Diffusion Bonding)稱其為相變超塑性擴(kuò)散焊。2.2相關(guān)工藝簡介單獨(dú)利用超塑性現(xiàn)象、液相或復(fù)合工藝可作為固態(tài)擴(kuò)散焊的改進(jìn)途徑已為人們所證實(shí)并利用。在復(fù)合工藝方面，文獻(xiàn)(14)提及的Hamilton等于1975年在美國申請(qǐng)的SPF/DB(Super Plastic Forming/Diffusion Bonding)復(fù)合工藝專利具有深遠(yuǎn)影響，已成功地用于航空制造業(yè)中Ti合金件的成型與焊接。但實(shí)際上SPF/DB仍屬純固態(tài)下的接合，難免存在固態(tài)擴(kuò)散焊固有的一些缺點(diǎn)如易有殘留空洞、壓力大、焊接時(shí)間長等。為此，M.S.YEH與T.H.CHUAN將恒溫超塑成形與高溫釬焊有機(jī)結(jié)合起來提出了SPF/B(SuperPlastic Forming/Brazing)復(fù)合工藝，并申請(qǐng)了國外有關(guān)專利。SPF/B可以避免SPF/DB不能有效加壓的情況，并具有焊接時(shí)間短、節(jié)約能源的優(yōu)點(diǎn)，可用于Ni基超合金的焊接[14]。但至今尚無將相變超塑性與液相兩種改進(jìn)途徑有機(jī)結(jié)合起來的新工藝的任何研發(fā)報(bào)道。
考慮到液相填充母材表面凹槽速度比純固態(tài)下的超塑性流變快，故有可能利用液相的對(duì)母材表面凹坑的填充作用來部分或全部代替超塑性流變作用，更快地實(shí)現(xiàn)待焊母材表面間的緊密接觸，消除純固態(tài)下進(jìn)行相變超塑性擴(kuò)散焊時(shí)界面易有空洞殘留這一缺陷，從而既能使循環(huán)次數(shù)得以減少，提高相變超塑性焊接的生產(chǎn)率，又能保留相變超塑性焊接可細(xì)化晶粒的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)。因此，可以推測相變超塑性擴(kuò)散焊與擴(kuò)散釬焊兩者的復(fù)合工藝有可能成為解決相變超塑性擴(kuò)散焊工藝循環(huán)次數(shù)多這一缺點(diǎn)的一條可行途徑。
因此，實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的的解決方案的基本思路是通過預(yù)置中間層，使之熔化獲得液相來快速填充母材界面空洞；并通過溫度循環(huán)，使中間層多次熔化并使母材多次相變，利用液相比固相擴(kuò)散系數(shù)大、沿各種短路擴(kuò)散通道(相界及晶界等)比晶粒內(nèi)部擴(kuò)散系數(shù)大的特點(diǎn)，促使中間層向母材中擴(kuò)散，擴(kuò)散的均勻程度可視性能需要而定。
具體的工藝按以下步驟進(jìn)行1)首先在預(yù)裝配好的待焊母材界面間預(yù)置入中間層材料，無須任何釬劑，并通過加壓裝置向接頭施加一定的壓力；2)然后在氬氣保護(hù)氣氛中，采取與相變超塑性擴(kuò)散焊相同的方式控制加熱設(shè)備進(jìn)行循環(huán)加熱/冷卻，即加熱至上限溫度，一般不保溫，或短時(shí)保溫便開始冷卻，待冷卻至下限溫度復(fù)又開始加熱，如此多次循環(huán)，循環(huán)加熱時(shí)峰值溫度須同時(shí)高于母材的相變溫度及中間層的液相線，下限溫度應(yīng)使母材能在冷卻過程中發(fā)生充分的相變；3)經(jīng)上述若干次溫度循環(huán)，在壓力作用下經(jīng)進(jìn)行多次熔化中間層和母材循環(huán)相變后完成焊接。
本發(fā)明的其它一些特點(diǎn)是，所述待焊母材間預(yù)置入的中間層材料按擴(kuò)散釬焊或液相擴(kuò)散焊的要求選取，即其內(nèi)應(yīng)含有降熔元素，且其含量少、擴(kuò)散速度快；可優(yōu)先選用非晶態(tài)箔帶。
所述溫度循環(huán)的上限溫度須同時(shí)高于母材的相變溫度及中間層的液相線。
所述加熱設(shè)備可以是電阻焊電源或感應(yīng)加熱電源。
本發(fā)明的相變-擴(kuò)散釬焊工藝是針對(duì)相變超塑性擴(kuò)散焊的改進(jìn)工藝，是一種將相變超塑性擴(kuò)散焊與高溫釬焊結(jié)合起來的新型復(fù)合工藝，稱其為“相變-擴(kuò)散釬焊(Transformation/Diffusion Brazing，簡寫為T/DB)”(或相變-液相擴(kuò)散焊；相變超塑性-擴(kuò)散釬焊；相變超塑性-液相擴(kuò)散焊；預(yù)置中間層的相變超塑性擴(kuò)散焊Transformation Superplastic DiffusionBonding with Interlayer，TSBI)。本發(fā)明的相變擴(kuò)散釬焊工藝(T/DB)與傳統(tǒng)的相變超塑性擴(kuò)散焊工藝的主要區(qū)別在于首先要求在待焊母材間預(yù)置入中間層材料；其次，循環(huán)加熱時(shí)峰值溫度須同時(shí)高于母材的相變溫度及中間層的液相線；再次下限溫度應(yīng)使母材能在冷卻過程中發(fā)生充分的相變。這種溫度循環(huán)的目的在于使中間層在升溫過程中變?yōu)橐子谔羁p和擴(kuò)散的液態(tài)；并可使母材在升/降溫過程中均能發(fā)生相變，充分利用循環(huán)相變所獲得的新生相界與晶界(均為短路擴(kuò)散通道)，促進(jìn)中間層向母材中的快速擴(kuò)散。這種新工藝區(qū)別于普通釬焊的地方在于加壓而不加任何釬劑，且伴有在壓力作用下的多次循環(huán)相變。
四.


以下是本發(fā)明循環(huán)次數(shù)定為低碳鋼相變超塑性焊接所需最少循環(huán)次數(shù)[6-7]的一半，即3次時(shí)的試驗(yàn)結(jié)果附圖。
圖1為本發(fā)明的相變-液相擴(kuò)散焊工藝焊接接頭試樣的拉伸試驗(yàn)結(jié)果圖片(箭頭處為界面)；圖2為本發(fā)明的相變-液相擴(kuò)散焊工藝焊接接頭試樣的面彎、背彎測試結(jié)果圖片(箭頭處為界面)；圖3為本發(fā)明的相變-液相擴(kuò)散焊工藝接頭試樣界面及近縫區(qū)的掃描電鏡(SEM)照片(×2000)。
五.
具體實(shí)施例方式
為了更清楚的理解本發(fā)明，以下結(jié)合附圖和發(fā)明人給出的實(shí)施例進(jìn)行進(jìn)一步的詳細(xì)描述。5.1.相變-液相擴(kuò)散焊工藝具體按以下步驟實(shí)施本發(fā)明提出的相變-液相擴(kuò)散焊工藝1)首先在預(yù)裝配好的待焊母材界面間預(yù)置入中間層材料，無須任何釬劑，并通過加壓裝置向接頭施加一定的壓力；2)然后在氬氣保護(hù)氣氛中，采取與相變超塑性擴(kuò)散焊相同的方式控制加熱設(shè)備進(jìn)行加熱/冷卻，即加熱至上限溫度，一般不保溫，或短時(shí)保溫便開始冷卻，待冷卻至下限溫度復(fù)又開始加熱，如此多次循環(huán)，循環(huán)加熱時(shí)峰值溫度須同時(shí)高于母材的相變溫度及中間層的液相線，下限溫度應(yīng)使母材能在冷卻過程中發(fā)生充分的相變；3)經(jīng)若干次溫度循環(huán)，在壓力作用下進(jìn)行多次熔化中間層和母材循環(huán)相變后完成焊接。5.2.中間層選取原則對(duì)中間層的選用，其一是按一般的釬焊原則選常規(guī)釬料，如碳鋼的釬焊常選用銅及其合金作釬料；其二是從擴(kuò)散釬焊(又名液相擴(kuò)散焊或過渡液相擴(kuò)散焊)的原理出發(fā)，選擇合適的中間層?；跀U(kuò)散釬焊接頭在常溫及高溫力學(xué)性能方面均遠(yuǎn)優(yōu)于一般釬焊接頭的優(yōu)點(diǎn)，并允許接頭采用對(duì)接形式(普通釬焊接頭形式為搭接)，故確定了從擴(kuò)散釬焊的原理出發(fā)選擇中間層的原則。即要求中間層內(nèi)必須含有降熔元素(Melting Point Depressant，MPD)，且其含量少、擴(kuò)散速度快(如原子半徑小的B等)。另外，從中間層的成型角度考慮，應(yīng)優(yōu)先選用非晶態(tài)箔帶[16-18]，這樣既有利于減少焊縫中殘留夾雜，又有利于縮短擴(kuò)散所須時(shí)間。在擴(kuò)散釬焊(液相擴(kuò)散焊)中選用非晶態(tài)箔帶作中間層而代替粉末、噴涂或電鍍的中間層已成為一種發(fā)展趨勢[19]。5.3.相變-擴(kuò)散釬焊設(shè)備簡介設(shè)備系統(tǒng)由加熱電源、加壓裝置、溫控裝置組成。在相變超塑性焊接的研究中，國內(nèi)眾多的研究者選用了熱模擬試驗(yàn)機(jī)作為加熱電源，但熱模擬試驗(yàn)機(jī)價(jià)格昂貴不利于相變超塑性焊接的推廣。由于相變超塑性焊接要求焊接溫度循環(huán)通過母材的相變點(diǎn)，所以其加熱電源應(yīng)選用加熱/冷卻速率快的電源，從目前工業(yè)水平提供的實(shí)際可能性來看，選用電阻焊電源或感應(yīng)加熱電源是較為可靠與經(jīng)濟(jì)的。加壓方式靈活多樣，依工件材質(zhì)、尺寸等可采用氣壓、液壓或彈簧加壓等機(jī)械裝置。5.4實(shí)施例以下是發(fā)明人給出的相變-擴(kuò)散釬焊新工藝試驗(yàn)實(shí)施例。1)工藝試驗(yàn)材料與規(guī)范參數(shù)近年來，日本住友金屬公司[20]、新日鐵公司[21，22]、大阪大學(xué)[23]的研究人員均采用Ni基非晶箔帶作中間層，用液相擴(kuò)散焊的方法焊接碳素鋼結(jié)構(gòu)鋼管。其中住友公司的小溝裕一因其在首創(chuàng)性、快速性、實(shí)用性方面的成功開發(fā)與應(yīng)用獲1991年溶接學(xué)會(huì)“田中龜久人”獎(jiǎng)[20]；新日鐵公司的篠原康浩因?qū)ε鸬臄U(kuò)散及存在形態(tài)的研究獲得了2000年日本溶接學(xué)會(huì)秋季全國大會(huì)的研究發(fā)表獎(jiǎng)[21]。盡管中間層的主組元與母材主組元不同(申請(qǐng)者稱之為異質(zhì)中間層)但基于其接合機(jī)理同經(jīng)典瞬間液相擴(kuò)散焊完全相同，所以近年來在日本，多數(shù)文獻(xiàn)改稱其為液相擴(kuò)散焊[22-23]。據(jù)此，且考慮到目前尚無市售鐵基低熔點(diǎn)鐵基非晶釬料，故申請(qǐng)者選用鎳基非晶箔帶BNi2(成分Ni-7％Cr-4.5％Si-3.1％B-3％Fe；熔化區(qū)間970℃～999℃；30～40μm厚)箔帶作為中間層，其液相線溫度較低(999℃)，有利于在較低溫度下完成焊接，以防止晶粒過度長大。
試驗(yàn)以Φ76.6×6mm低碳鋼管為母材、BNi2鎳基非晶箔帶為中間層進(jìn)行對(duì)焊試驗(yàn)，采用加熱快、溫度控制精度高的感應(yīng)加熱方式(PID控制)，升溫速度約為30℃/S；Ar氣保護(hù)；空冷。循環(huán)次數(shù)定為低碳鋼相變超塑性焊接所需最少循環(huán)次數(shù)[6-7]的一半，即3次；上限溫度依次分別取1100℃、1200℃、1100℃，考慮到感應(yīng)加熱內(nèi)外壁有溫差，故在上限溫度保溫約5s～10s，以使內(nèi)外壁溫度場趨于均勻；下限溫度均取500℃。焊后參照GB2651-89與GB2653-89進(jìn)行拉伸與三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)；經(jīng)確認(rèn)性能合格后用電鏡觀察界面及近縫區(qū)組織分析，并用能譜分析確認(rèn)焊后中間層與母材的相互擴(kuò)散程度。2)拉伸與彎曲性能試驗(yàn)結(jié)果圖1、圖2分別為“相變-擴(kuò)散釬焊”(T/DB)新工藝焊接接頭試樣的拉伸、彎曲(含面彎與背彎)測試結(jié)果。測試結(jié)果表明，拉伸試樣斷口位于母材上，遠(yuǎn)離焊縫；彎曲角近180°。試驗(yàn)結(jié)果表明元素?cái)U(kuò)散的程度已足以滿足性能要求，脆性相危害已被消除；同時(shí)說明接頭亦無表面缺陷；特別是相變-擴(kuò)散釬焊新工藝所須的溫度循環(huán)次數(shù)可降為傳統(tǒng)相變超塑性擴(kuò)散焊的一半。3)界面致密性觀察與元素?cái)U(kuò)散狀況圖3為相變-擴(kuò)散釬焊接頭試樣界面及近縫區(qū)的掃描電鏡(SEM)照片(×2000)，可見中間層與母材界面間致密性理想。考慮到降熔元素在降溫時(shí)易被排斥而集中于殘留中間層中心區(qū)，故重點(diǎn)對(duì)此區(qū)成分進(jìn)行能譜分析(EDXA)，見表1。
表1 殘留中間層中心區(qū)成分的能譜分析結(jié)果

將表1與焊前中間層(BNi2)原始成分比較可知，中間層已與母材間發(fā)生了強(qiáng)烈的相互擴(kuò)散(1)降熔元素之一Si的濃度已由原始濃度的4.5％降至1.64％。從Cr/Si、Fe/Si、Ni/Si兩元相圖[24]分析，室溫時(shí)它們對(duì)Si的溶解度均可達(dá)4％～5％，焊后Si濃度的降低對(duì)于消除硅化物極為有利。(2)濃度變化幅度最大的是母材與中間層各自的主組元Fe與Ni，其中Fe由3％增至約70％；Ni由82％降至23～25％左右，殘留中間層的主組元已由Ni變?yōu)镕e。
這種新工藝從其內(nèi)部金屬原子遷移的本質(zhì)看，以實(shí)現(xiàn)中間層的熔化、填充母材表面凹槽、足夠程度地向母材中擴(kuò)散及母材的循環(huán)重結(jié)晶為目標(biāo)，可看作是相變超塑性焊接與擴(kuò)散釬焊(液相擴(kuò)散焊)的復(fù)合工藝，故可簡稱為“相變-擴(kuò)散釬焊焊”(Transformation/diffusion Brazing，T/DB)；從其操作過程的表象看，也可稱為“預(yù)置中間層的相變超塑性焊”(TSBITransformation Superplastic Bonding with Interlayer)。5.5本發(fā)明的創(chuàng)新之處及其機(jī)理(1)能迅速實(shí)現(xiàn)母材界面間的緊密接觸，焊合率高待焊界面上的凹凸不平易導(dǎo)致焊后界面有殘留空洞，這是包括相變超塑性擴(kuò)散焊在內(nèi)的各種固態(tài)擴(kuò)散焊的最為常見的缺陷，相變超塑性擴(kuò)散焊之所以需要多次循環(huán)的根本目的就在于欲利用超塑性流變消除界面空洞，實(shí)現(xiàn)母材界面間的緊密接觸。而相變-擴(kuò)散釬焊利用了液相對(duì)母材的潤濕、填充及溶解作用，可迅速消除界面殘留空洞，其實(shí)現(xiàn)整個(gè)待焊界面間的緊密接觸的速度遠(yuǎn)快于固態(tài)下的超塑性流變，大大縮短了實(shí)現(xiàn)待焊界面間緊密接觸所需的時(shí)間，因此焊合率高，接頭強(qiáng)度高且穩(wěn)定。液相能快速消除界面空洞是相變-擴(kuò)散釬焊生產(chǎn)率得以提高的首要原因。
(2)生產(chǎn)率高生產(chǎn)率高是相變-液相擴(kuò)散焊與傳統(tǒng)相變超塑性擴(kuò)散焊相比在應(yīng)用方面最為顯著的優(yōu)點(diǎn)。要獲得高的生產(chǎn)率，一方面需要能迅速實(shí)現(xiàn)母材界面間的緊密接觸；另一方面還需要中間層能迅速向母材內(nèi)擴(kuò)散(否則過多的降熔元素殘留會(huì)在焊縫中心區(qū)形成脆性化合物，不利于接頭的彎曲性能)。其中相變-擴(kuò)散釬焊在前一方面具有顯著優(yōu)勢的原因已在上文進(jìn)行了分析，在此主要分析新工藝在后一方面具有優(yōu)勢的原因。其原因在于綜合利用了液相及其對(duì)母材的溶解、相界擴(kuò)散、晶界擴(kuò)散及奧氏體狀態(tài)的體擴(kuò)散來共同促進(jìn)中間層的擴(kuò)散，其中主要原因有二其一，在液相存在期間，液相對(duì)母材的溶解稀釋了中間層元素的濃度，并可使中間層元素在液態(tài)下繼續(xù)向母材中擴(kuò)散。其二，在固態(tài)時(shí)，充分利用已有的相界與晶界及相變產(chǎn)生的新增相界與晶界作為快速短路擴(kuò)散通道，仍可使MPD元素的擴(kuò)散在低溫下繼續(xù)進(jìn)行，特別是在焊接的后期循環(huán)階段，沿相界的短路擴(kuò)散的貢獻(xiàn)更大，有效地彌補(bǔ)了溫度降低對(duì)擴(kuò)散的不利影響，使得即使高溫停留時(shí)間短，仍能使擴(kuò)散迅速達(dá)到性能要求。概而言之，相變-擴(kuò)散釬焊比相變超塑性擴(kuò)散焊生產(chǎn)率高的主要原因在于母材的溶解和沿相界面的短路擴(kuò)散。
(3)破碎氧化膜能力強(qiáng)原因有三其一利用液相可起到一定破碎表面膜的作用(沿氧化膜裂縫滲透并優(yōu)先溶解表層母材；有利于氧化膜的剝離、球聚并隨多余液相擠出)[25-28]。其二反復(fù)利用溫度循環(huán)過程中氧化膜與金屬基體熱膨脹系數(shù)的差別形成的熱應(yīng)力，誘發(fā)氧化膜在溫度升/降過程中多次開裂。其三在一定的高溫溫度范圍內(nèi)，因碳的氧化物(CO)生成自由能高于FeO、NiO、Cr2O3的生成自由能，故碳能還前述氧化物[28]，并且碳可優(yōu)先在晶界處還原氧化物[27]。因此，相變-擴(kuò)散釬焊過程中的短時(shí)高溫及循環(huán)相變重結(jié)晶的細(xì)化效果，均有利于加強(qiáng)C的還原作用。
(4)可抑制晶粒過度長大通過兩方面的措施來保證一方面從峰值溫度、高溫停留時(shí)間及高溫區(qū)的寬度三個(gè)主要因素入手預(yù)防晶粒的過度長大(由于該方法具有脈沖式熱源的優(yōu)點(diǎn)，高溫停留時(shí)間短，避免了熱量持續(xù)向低溫區(qū)的傳導(dǎo)，因此可大幅減小高溫區(qū)的寬度，使溫度場分布較為合理，即高溫區(qū)寬度，特別是晶粒長大敏感溫度1100℃以上區(qū)域的寬度狹窄而集中)。另一方面，對(duì)于已有長大的晶粒則可通過隨后的相變重結(jié)晶過程來細(xì)化。另外，動(dòng)態(tài)再結(jié)晶對(duì)于抑制晶粒長大也起到了一定的作用。雖然由于加熱上限溫度較高使其抑制晶粒過度長大效果差于相變超塑性擴(kuò)散焊，但要優(yōu)于傳統(tǒng)擴(kuò)散釬焊和熔焊。與擴(kuò)散釬焊相比，新工藝抑制晶粒長大的效果體現(xiàn)在兩個(gè)方面一是近縫區(qū)的粒徑本身要?。欢蔷ЯＳ兴L大的整體區(qū)域的寬度要小。其中，抑制晶粒過度長大的主要機(jī)制在于高溫停留時(shí)間短及相變重結(jié)晶。
(5)變形小與相變超塑性擴(kuò)散焊相比，由于充分利用液相的參與來實(shí)現(xiàn)界面間的緊密接觸，這樣降低了在實(shí)現(xiàn)材料間緊密接觸過程中對(duì)超塑性變形的依賴程度，故無須大量的的超塑性流變，這樣從理論上保證了接頭變形可大大減小，同時(shí)焊接壓力隨之亦可減小，為減小變形提供了可能。具體視塑性變形的多少可確定超塑性變形與液相對(duì)實(shí)現(xiàn)緊密接觸貢獻(xiàn)的相對(duì)大小。當(dāng)塑性變形較大時(shí)，依賴超塑性變形或其與液相的共同作用實(shí)現(xiàn)緊密接觸；當(dāng)塑性變形較小時(shí)液相將取代超塑性變形，成為促進(jìn)實(shí)現(xiàn)緊密接觸的主要機(jī)制。
(6)降低對(duì)設(shè)備運(yùn)行參數(shù)的要求，有利于加熱電源與加壓設(shè)備的小型化、輕量化在加熱方面，由持續(xù)高溫加熱改為斷續(xù)加熱，避免了電源長時(shí)間連續(xù)工作，降低了電源的暫載率，并使電源及其它附件(如次級(jí)電纜、冷卻系統(tǒng)等)的運(yùn)行條件及安全性得以改善，因此有利于設(shè)備的小型化與輕量化。在加壓方面，因主要利用液相實(shí)現(xiàn)界面間的緊密接觸，減小了對(duì)塑性變形或超塑性變形的依賴，所以可降低焊接壓力，從而使加壓設(shè)備得以實(shí)現(xiàn)輕量化與小型化。
(7)其它應(yīng)用方面的優(yōu)點(diǎn)循環(huán)次數(shù)或生產(chǎn)率不受壁厚的影響，主要取決于中間層在液態(tài)及母材相變過程中的擴(kuò)散速度；焊接過程無電弧焊煙塵與飛濺，利于環(huán)保和人體健康；自動(dòng)化程度高，對(duì)操作人員的技術(shù)水平要求低，有利于保證焊接質(zhì)量。
(8)另外，與一般的擴(kuò)散釬焊+焊后正火工藝相比有細(xì)化程度好且快的優(yōu)點(diǎn)。因擴(kuò)散釬焊+焊后正火工藝未充分利用短路擴(kuò)散通道；并且正火前的原始晶粒尺寸(即擴(kuò)散焊后所得的晶粒)已經(jīng)出現(xiàn)過度長大，勢必要求增加焊后循環(huán)相變的次數(shù)以細(xì)化晶粒，從而降低了生產(chǎn)率。5.6應(yīng)用場合本發(fā)明所提出的相變-液相擴(kuò)散焊工藝(又名置有中間層的相變超塑性焊接工藝)具有強(qiáng)烈的工程應(yīng)用背景，例如在以下焊接場合，其應(yīng)用潛力較大。(1)鋼管及鋼筋的焊接(2)大截面工件(3)高屈服極限的材料(4)電弧焊可焊性差的材料(5)對(duì)晶粒長大限制較嚴(yán)的材料本發(fā)明的相變-擴(kuò)散釬散焊新工藝突破了傳統(tǒng)固態(tài)相變超塑性焊接不加中間層的束縛，并利用中間層熔化所得液相來溶解、填充待焊界面上的凹凸不平，縮短了實(shí)現(xiàn)待焊界面間緊密接觸所需的時(shí)間；同時(shí)可大大減小焊接壓力，最終獲得變形小的接頭并可使裝置體積重量得以減??；并可利用熱應(yīng)力與液相達(dá)到一定破碎表面膜的作用。同時(shí)突破了擴(kuò)散釬焊(又名液相擴(kuò)散焊)接使工件持續(xù)地處于高溫下的束縛，通過高溫停留時(shí)間短及母材的循環(huán)相變重結(jié)晶兩個(gè)途徑抑制晶粒的過度長大。另外，利用循環(huán)相變產(chǎn)生的短路擴(kuò)散通道，使中間層即使在高溫停留時(shí)間短，仍能達(dá)到性能要求的擴(kuò)散程度。
總之，該復(fù)合工藝結(jié)合了固態(tài)下的短路擴(kuò)散焊與高溫釬焊的優(yōu)點(diǎn)，一定程度上克服了各自的缺點(diǎn)，在保證焊接質(zhì)量(焊合率、控制晶粒長大等方面)和提高生產(chǎn)率方面均具有明顯的優(yōu)勢。作為一種傳統(tǒng)相變超塑性擴(kuò)散焊的改進(jìn)工藝，在確保焊接質(zhì)量的前提下顯著改進(jìn)了相變超塑性擴(kuò)散焊的生產(chǎn)率低這一主要缺點(diǎn)，在某些特定的場合將有一定的應(yīng)用前景。同時(shí)該工藝的提出為解決抑制晶粒長大與加速擴(kuò)散提高效率之間的矛盾提供了一新思路。
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權(quán)利要求
1.相變-液相擴(kuò)散焊工藝，其特征在于，按以下步驟進(jìn)行1)首先在預(yù)裝配好的待焊母材界面間預(yù)置入中間層材料，無須任何釬劑，并通過加壓裝置向接頭施加一定的壓力；2)然后在氬氣保護(hù)氣氛中，采取與相變超塑性擴(kuò)散焊相同的方式控制加熱設(shè)備進(jìn)行循環(huán)加熱/冷卻，即加熱至上限溫度，一般不保溫，或短時(shí)保溫便開始冷卻，待冷卻至下限溫度復(fù)又開始加熱，如此多次循環(huán)，循環(huán)加熱時(shí)峰值溫度須同時(shí)高于母材的相變溫度及中間層的液相線，下限溫度應(yīng)使母材能在冷卻過程中發(fā)生充分的相變；3)經(jīng)上述若干次溫度循環(huán)，在壓力作用下經(jīng)進(jìn)行多次熔化中間層和母材循環(huán)相變后完成焊接。
2.如權(quán)利要求1所述的相變-液相擴(kuò)散焊工藝，其特征在于，所述待焊母材間預(yù)置入的中間層材料按擴(kuò)散釬焊或液相擴(kuò)散焊的要求選取，即其內(nèi)應(yīng)含有降熔元素，且其含量少、擴(kuò)散速度快；可優(yōu)先選用非晶態(tài)箔帶。
3.如權(quán)利要求1所述的相變-液相擴(kuò)散焊工藝，其特征在于，所述溫度循環(huán)的上限溫度須同時(shí)高于母材的相變溫度及中間層的液相線。
4.如權(quán)利要求1所述的相變-液相擴(kuò)散焊工藝，其特征在于，所述加熱設(shè)備可以是電阻焊電源或感應(yīng)加熱電源。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種旨在提高相變超塑性擴(kuò)散焊生產(chǎn)率和焊接質(zhì)量的“相變—擴(kuò)散釬焊”工藝，首先在待焊母材間預(yù)置入中間層；其次循環(huán)加熱/冷卻時(shí)峰值溫度須同時(shí)高于母材的相變溫度及中間層的液相線；再次下限溫度應(yīng)使母材能在冷卻過程中發(fā)生充分的相變。溫度循環(huán)的目的在于使中間層在升溫過程中變?yōu)橐子谔羁p和擴(kuò)散的液態(tài)；并可使母材在升/降溫過程中均能發(fā)生相變，以充分利用循環(huán)相變所獲得的新生相界與晶界，促進(jìn)中間層向母材中的快速擴(kuò)散。該工藝區(qū)別于普通釬焊的地方在于加壓而不加任何釬劑，且伴有在壓力作用下的多次循環(huán)相變。本發(fā)明在鋼管、鋼筋、大截面工件、熔焊可焊性差材料、對(duì)晶粒長大限制較嚴(yán)材料等焊接場合有較大應(yīng)用潛力。
文檔編號(hào)B23K31/02GK1445046SQ0311469
公開日2003年10月1日 申請(qǐng)日期2003年4月28日 優(yōu)先權(quán)日2003年4月28日
發(fā)明者張貴鋒, 張建勛, 裴怡, 張華 , 王士元, 楊永興 申請(qǐng)人:西安交通大學(xué)