瞬時液相擴散焊技術(shù)的研究進展

王磊，俞建榮，董曉慧，楊德宇，王嵐

(1. 北京化工大學(xué) 機電工程學(xué)院,北京 100029； 2. 北京石油化工學(xué)院 機械工程學(xué)院，北京 102617； 3. 北京工業(yè)大學(xué) 機械工程與應(yīng)用電子技術(shù)學(xué)院，北京 100022；)

瞬時液相擴散焊技術(shù)的研究進展

王磊1，俞建榮2，董曉慧2，楊德宇1，王嵐3

(1. 北京化工大學(xué) 機電工程學(xué)院,北京 100029； 2. 北京石油化工學(xué)院 機械工程學(xué)院，北京 102617； 3. 北京工業(yè)大學(xué) 機械工程與應(yīng)用電子技術(shù)學(xué)院，北京 100022；)

摘要：介紹了瞬時液相擴散焊焊接原理，采用二相圖對其焊接過程進行了模擬，討論了瞬時液相擴散焊連接技術(shù)的優(yōu)缺點。分析了焊接中間層的選擇、焊接壓力、焊接溫度以及焊接時間等焊接因素對焊接品質(zhì)的影響。綜述了國內(nèi)外瞬時液相連焊技術(shù)的理論研究、焊接影響因素研究以及焊接設(shè)備研究狀況，并根據(jù)瞬時液相擴散焊研究現(xiàn)狀對該技術(shù)的未來發(fā)展進行了展望。

關(guān)鍵詞：瞬時液相擴散焊；中間層；原理；研究狀況

Research Progress on Transient Liquid Phase Diffusion Bonding

WANG Lei1,YU Jianrong2,DONG Xiaohui2,YANG Deyu1,WANG Lan3

(1. Electromechanical Engineering Institute,Beijing University of Chemical Technology, Beijing 100029,China;

2. Mechanical Engineering Institute,Beijing Institute of Petrochemical Technology,Beijing 102617,China; 3. Mechanical

Engineering and Application of Electronic Technology Institute,Beijing Polytechnical University, Beijing 100022,China)

Abstract:The welding principle of transient liquid phase diffusion bonding is briefly introduced, at the same time, the welding process is simulated with two phase diagram, its advantages and disadvantages are discussed and the welding factors which have influenceon the welding quality, such as the choice of the interlayer, welding pressure,welding temperature and welding time,are analyzed during the welding process. This paper also researches on its technology and theory at home, which have influence on its weldability and welding equipment. Furthermore,the future development is prospected according to its current situation.

Keywords:transient liquid phase diffusion bonding;interlayer;principle;research status

0引言

近年來隨著高新技術(shù)的發(fā)展，對新材料的需求越來越高，在現(xiàn)代材料結(jié)構(gòu)中，不僅需要對大量同種材料進行焊接，有時也需要對異種金屬材料進行焊接。一些難熔材料以及異種材料在物理性能、化學(xué)性能、元素性質(zhì)等方面有顯著差異，采用常規(guī)焊接方式(如焊條電弧焊、埋弧焊、等離子弧焊、氣體保護焊、電渣焊等)相對比較困難。而且采用傳統(tǒng)焊接母材局部發(fā)生融化，有較大的焊縫和熱影響區(qū)，容易產(chǎn)生焊接變形和焊接殘余應(yīng)力，影響焊接品質(zhì)。為降低傳統(tǒng)焊接工藝對焊接性能的影響，瞬時液相擴散焊得到了廣泛的應(yīng)用。

瞬時液相擴散焊TLP(transient iiquid phase diffusion bonding，TLP)是由英國Davids.Duvall等人首次通過相圖解釋其金屬學(xué)原理[1]。特別適用于異種材料、耐熱合金和新材料，比如陶瓷復(fù)合材料、金屬化合物等可焊性極差的材料的焊接。

1TLP焊接原理

瞬時液相擴散焊是在兩個待焊工件接觸表面之間放入添加降融元素的中間層，將兩個工件緊壓一起，在氣體保護或真空環(huán)境下，加熱到一定溫度并施加一定壓力，中間層融化成液相，液體金屬填充母材表面的間隙，固液相之間發(fā)生元素擴散，形成致密的中間過度層。在保溫階段，母材與中間層元素互相擴散，最終實現(xiàn)等溫凝固和固相均勻化，使中間層區(qū)域的組織與母材接近。焊接過程包括中間層融化、中間層兩側(cè)母材溶解、等溫凝固、焊接層均勻化。感應(yīng)加熱液相擴散焊焊接原理圖，如圖1所示。

圖1　感應(yīng)加熱液相擴散焊焊接原理圖

根據(jù)焊接材料的異同，將TLP焊接分為同種材料焊接和異種材料焊接。根據(jù)焊材可焊接性的異同，將TLP焊接情況類分為4種，如圖2所示。對于采用TLP焊接技術(shù)容易焊接的材料采用添加中間層直接焊接，對于母材之間不能直接焊接的材料，采用添加中間過渡母材的方式實現(xiàn)焊接。

圖2　液相擴散焊的焊接種類

2焊接過程模擬

根據(jù)TLP的焊接原理模擬出的焊接過程圖[2]，如圖3所示。a) 焊接前期，焊接溫度達(dá)到中間層熔點，中間層溫度升高，中間層溶化；b) 焊接溫度繼續(xù)升高，中間層完全融化，降融元素向兩邊擴散，部分母材發(fā)生液化；c) 加熱溫度繼續(xù)升高，達(dá)到最大值，中間層兩側(cè)母材進一步發(fā)生液化，液寬達(dá)到最大值。加熱方式導(dǎo)致母材表面受熱溫度先達(dá)到最大值，導(dǎo)致先發(fā)生融化，以及受擠壓作用導(dǎo)致的液體的外溢，濕潤的損失，導(dǎo)致過渡層不均勻；d) 等溫凝固階段，中間層向母材擴散的速度介于固態(tài)和液態(tài)擴散系數(shù)之間，母材與中間層元素發(fā)生互相擴散，液相寬度變??；e) 均勻化階段，由于中間層與母材之間的元素擴散，中間過渡層成分穩(wěn)定，晶粒生長；f) 元素擴散基本完成，晶粒再結(jié)晶完成，過渡層與母材成分基本相同，焊接完成。

圖3　液相擴散焊焊接過程圖

3瞬時液相擴散焊的優(yōu)缺點

在瞬時液相擴散焊研究中70%涉及到異種材料的焊接。由于連接溫度遠(yuǎn)低于母材的熔點，中間層厚度只有10～100μm，熱影響區(qū)小，TLP焊接相對傳統(tǒng)焊接有很多優(yōu)點。焊接變形小，適合用于對要求變形高的管道和零部件；接頭處無余料，過渡平滑，不需要切削加工、打磨處理；接頭處殘余應(yīng)力小，可以提高焊接件的焊接品質(zhì)，提高焊接件的使用壽命；生產(chǎn)效率高，不需要開坡口，焊接時間與壁厚無關(guān)。焊接速度只取決于降融元素的擴散速度，數(shù)十秒就可以完成焊接；自動化程度高，只需要具備一般的操作技能。

由于中間層的選擇決定焊接的可行性，所以對不同材質(zhì)的母材要求采用不同成分的中間層。找到一種合適的中間層相對比較困難，需要進行大量的實驗研究。焊接品質(zhì)受焊接件接觸面的表面粗糙度的影響，對表面品質(zhì)要求比傳統(tǒng)焊接品質(zhì)高；焊接前準(zhǔn)備時間些長。

4瞬時液相擴散焊的影響因素

瞬時液相擴散焊受中間層材料、焊接溫度、焊接時間以及焊接壓力影響比較大。焊接溫度對焊接起到至關(guān)重要的作用，在焊接初期會使表面接觸部位的凹凸變形、表面氧化物的破裂、界面空洞消失以及中間層的融化等產(chǎn)生影響。在焊接過程中影響元素的擴散速度、母材的相變以及再結(jié)晶，影響焊接的品質(zhì)。中間層選擇對焊接接頭元素擴散、接頭組織再結(jié)晶品質(zhì)到?jīng)Q定性的作用，決定焊接可行性以及中間層與母材元素擴散的效果。焊接壓力會促進表面圍觀凹凸部分的塑性變形，使表面氧化膜破碎，促使母材與中間層接觸，促進元素的互相擴散，也可以消除界面空洞的產(chǎn)生。焊接時間會影響元素擴散以及接頭晶粒的再生長程度，與中間層材料、焊接溫度、焊接壓力以及均勻化程度有著直接的關(guān)系。

5TLP焊接技術(shù)研究狀況

1) 理論與模型研究

經(jīng)過學(xué)者們的不斷努力，已經(jīng)形成了區(qū)別于傳統(tǒng)焊接方式的模型和理論。恩澤忠男等研究采用薄膜法對等溫凝固過程求解的可行性研究，最終指出了其誤差很大[3]。劍橋大學(xué)的 A.Shirzadi與E.R.Wallach提出一種帶有溫度梯度的TLP焊接工藝，突破了傳統(tǒng)TLP擴散焊慣用的焊接溫度均勻化的束縛,提高了焊接品質(zhì)[4]。劍橋大學(xué)的W.D.MacDonald和T.W.Eagar等人從理論上定性地用液相中溶質(zhì)原子的質(zhì)量守恒定律來從理論上計算液相擴散焊的元素擴散以及中間層寬度的數(shù)值計算[5]。加拿大的Y.Zhou建立了瞬時液相擴散焊的等溫凝固模型，給出了擴散速率的數(shù)值計算的單相解和雙相解，分析等溫凝固對基體金屬晶粒邊界擴散率的提高、境界運動及境界空穴的影響[6]。Ohsasa等人建立了Ni合金的動力學(xué)模型，通過差分法進行擴散的計算，得到焊接溫度與焊接時間對元素擴散起到的作用[7]。

2) 焊接參數(shù)的研究

河南理工大學(xué)的郭世敬對液相擴散焊接壓力進行研究，結(jié)果表明壓力在液相擴散焊中起到重要作用，決定降融元素的擴散，對焊接接頭的品質(zhì)和焊接效率影響很大[8]。王振江研究了焊接溫度和時間對#20號鋼管TLP焊接組織的影響，結(jié)果表明焊接溫度過低和過高或焊接時間過短或多長都會降低TLP焊接接頭的力學(xué)性能，需要選擇焊接溫度和焊接時間合理組合[9]。四川化工職業(yè)學(xué)院的文申柳等人通過對9Cr1MoNbV鋼的瞬時液相擴散焊研究，在氬氣氛圍內(nèi)，加熱溫度1230℃～1260℃，加壓3～5MPa，采用三種不同元素成分的合金作為中間層，研究對TLP組織和性能的影響。研究表明中間層的選擇是TLP焊接的關(guān)鍵，以母材為機體加入合適降融元素的中間層可以獲得良好的組織和性能[10]。在焊接氣體保護實驗中，各位學(xué)者多在真空環(huán)境和惰性氣體保護下進行焊接，WD MacDonald曾在還原性氣體氫氣和氮氣混合氣體氛圍中實現(xiàn)TLP焊接，Kuntz ML和Peaslee RL分別在氮氣和氫氣氛圍中也實現(xiàn)了TLP焊接[11]。

山東電力研究院研發(fā)的瞬時液相擴散焊鐵基中間層合金，厚度30～60μm，熔點1050℃～1150℃，可以用于碳鋼、不銹鋼和Cr-Mo耐熱鋼的焊接[12]。北京石油天然氣集團公司管材研究所的宮少濤研發(fā)一種適用于瞬時液相擴散焊的鎳基中間層材料，厚度30μm的Ni-B-Si合金箔帶，熔點950℃～1050℃，適用于低合金鋼、不銹鋼的瞬時液相擴散焊[13]。Gale WF，Brochu M等人研究了不同加熱方式，采用高頻、中頻、輻射、接觸電阻、電子束及輝光放電、激光、紅外線等方法可以用于不同材料的TLP焊接[14]。

3) 焊接設(shè)備研究

早期，蘇聯(lián)H.Φ.KA3AKOE按照控制方法、加壓方法、結(jié)構(gòu)形式、加熱方法的不同，將TLP焊接設(shè)備分成許多類型，其中有真空高頻感應(yīng)加熱擴散焊接和真空輻射加熱擴散焊機。試驗用焊接采用小型立式真空擴散焊機和杠桿式真空高頻感應(yīng)擴散焊機，最大壓力3000N，真空度1×10-3Pa，加熱功率20kW。我國20世紀(jì)90年代中期自行設(shè)計與研制的大型超高真空擴散焊機，采用液壓加壓、電阻加熱的方式，最高加熱溫度1573K，輸出功率30kW[15]。

隨著制造技術(shù)以及自動化技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在應(yīng)用的擴散焊機都具有溫度、壓力、真空度和時間的控制系統(tǒng)，采用熱電偶、紅外測溫。其中美國森托公司生產(chǎn)的HP-1605型擴散焊機，采用鎢加熱體進行輻射加熱，通過傳感器對壓力進行測量和控制，焊接壓力達(dá)到150kN，焊接溫度1923K[16]。山東魯能節(jié)能公司研發(fā)的管道瞬時液相擴散焊機，可以在開放環(huán)境中焊接，采用惰性氣體保護，熱電偶測溫，可以實現(xiàn)管道焊接。

6TLP的應(yīng)用前景

20世紀(jì)80年代，日本住友金屬公司的小溝欲等人成功將TLP技術(shù)應(yīng)用于輸氣輸水、民用管道等，也因此在1991年獲得了日本溶解學(xué)會的“田中龜久人賞”[17]。1998年，三菱重工成功利用TLP技術(shù)進行鍋爐設(shè)備中異種管道的焊接，部分替代了手工填絲焊[18]。2000年以后，隨著TLP技術(shù)的發(fā)展，更多難焊材料的試驗成功，使得TLP技術(shù)在航空航天、汽車制造、微電子方面有了廣闊的應(yīng)用。比如，日本和德國已經(jīng)利用TLP技術(shù)用于汽車零部件的生產(chǎn)。在美國和俄羅斯將TLP技術(shù)應(yīng)用于航空航天。其中未來空間站或太空實驗室的真空環(huán)境是發(fā)展擴散焊的重要場所。俄國液體火箭發(fā)動機上大量零部件之間的連接采用了液相擴散焊技術(shù)，并且焊接接頭強度能夠滿足技術(shù)指標(biāo)。隨著瞬時液相擴散焊接技術(shù)越來越成熟，焊接技術(shù)水平的發(fā)展以及焊接設(shè)備的多功能化，應(yīng)用范圍也越來越寬廣，應(yīng)用價值也越來越高。

7結(jié)語

從目前研究情況來看，瞬時液相擴散焊在各個領(lǐng)域的應(yīng)用研究已經(jīng)全面展開，新材料新工藝的研究越來越多，在一些焊接場合部分取代了傳統(tǒng)焊接，但是在實際應(yīng)用還很欠缺，特別是設(shè)備開發(fā)的成本高、應(yīng)用環(huán)境的局限性，導(dǎo)致擴散焊的推廣受到限制。隨著擴散焊技術(shù)的成熟，設(shè)備的開發(fā)，理論研究的完善，TLP焊接的推廣將會有很好的前景。

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收稿日期：2014-12-30

中圖分類號：TG44

文獻標(biāo)志碼：A

文章編號：1671-5276(2015)04-0007-03

作者簡介：王磊(1989-)，男，安徽亳州人，碩士研究生，主要研究領(lǐng)域為異種金屬瞬時液相擴散焊研究。

基金項目：北京市高校人才強教深化計劃資助項目(PHR200907221)；北京市學(xué)科與研究生教育資助項目(PXM2011014222000033)