TLP焊接技術(shù)的研究

李悅

瞬時(shí)液相擴(kuò)散焊（TLP）是擴(kuò)散焊的一種連接方法，它是指在被焊母材之間放入含有降熔元素的中間層合金，依靠中間層合金的直接熔化或中間層和母材之間的擴(kuò)散共晶反應(yīng)產(chǎn)生液相，隨后通過等溫凝固和成分均勻化形成焊接接頭的連接工藝。就本質(zhì)而言，TLP連接中的擴(kuò)散在狹義上講就是降低熔點(diǎn)的元素（Melting point depressant elements，簡稱MPD元素）的擴(kuò)散，MPD元素的充分?jǐn)U散是TLP焊接成敗的命脈；而合理選定中間層則是起內(nèi)因方面的首要前提。擴(kuò)散的目的就在于試圖使中間層中MPD元素的濃度降至足夠低，以達(dá)到如提高接頭的重熔溫度，消除中間層中的脆性相使其改變成固熔體等目的，中間層成分的這種顯著且合理的質(zhì)的變化乃至中間層的消失正是該方法中“過渡”（或“瞬時(shí)”）一詞的含義所在。

上世紀(jì)五十年代，Lynch等人在連接Ti時(shí)采用一種合金做中間層，從中發(fā)現(xiàn)經(jīng)過高溫保溫過程，獲得接頭成分與母材接近的接頭現(xiàn)象。1961年Owczarski在連接Zr合金和304不銹鋼兩種材料時(shí)，把這兩種材料直接對接在一起，形成具有較高強(qiáng)度和抗蝕性的接頭，并首先提出了近似于TLP擴(kuò)散連接的概念。20世紀(jì)70年代初Hoppin和Berry在連接鎳基耐熱合金時(shí)率先使用了MPD（Melting point depressant element），并提出了活性擴(kuò)散連接的概念。1974年D.S.Duvall在Udimet700材料的擴(kuò)散連接中采用Cu-Ni做中間層，并獲得了無脆性相的接頭，他把TLP擴(kuò)散連接的應(yīng)用進(jìn)行了匯總，并論述了其連接原理，提出了瞬時(shí)液相擴(kuò)散連接的概念。

TLP連接過程如圖1-2所示。將一特殊成分和熔化溫度的TLP中間層合金（厚度約25～100μm）作為釬料，放置于裝配好的工件間，并施加不大的壓力，然后在真空或氬氣保護(hù)下加熱到連接溫度。在連接溫度下中間層首先熔化，潤濕母材，在工件的配合面之間形成一薄層液體（圖1-2b）。當(dāng)工件在連接溫度下保溫時(shí)，中間層與母材之間的元素?cái)U(kuò)散迅速進(jìn)行，使界面區(qū)成分發(fā)生變化，這種變化導(dǎo)致接頭部分的等溫凝固，在連接溫度下形成了結(jié)合（圖1-2c）。等溫凝固發(fā)生后，接頭的組織與母材基本相似，但在成分和結(jié)構(gòu)上仍有所差別。然后在此溫度下保持更長的時(shí)間，使接頭的成分和結(jié)構(gòu)均勻化，直到與母材相同（圖1-2d）。

TLP連接與釬焊操作步驟相似，如均需在待連接母材表面間放入熔點(diǎn)低于母材的第三種材料（在TLP中常叫中間層-Interlayer；在釬焊中常叫釬料-Filler metal）；然后加熱、保溫。其原理是通過中間層在合金與母材間形成低熔點(diǎn)的液相，在一定溫度和壓力下，利用合金元素的快速擴(kuò)散使母材瞬時(shí)液化，并隨后等溫凝固而完成焊接過程。等溫凝固發(fā)生后，接頭的組織與母材基本相似，但是成分和結(jié)構(gòu)上仍有差別，在此溫度下保持一定時(shí)間可使接頭的結(jié)構(gòu)和成分均勻化，直到與母材的相似。

圖1-3是瞬時(shí)液相連接的等溫凝固機(jī)理。中間層（含硅、硼等降低熔點(diǎn)的合金元素）的原始成分為Ci，其初始溫度為Tmb，低于母材的熔點(diǎn)為Tmb。當(dāng)工件加熱到連接溫度TB，中間層熔化，并填充接頭間隙（如圖1-3a）。液體和鄰近母材的反應(yīng)使母材配合處的硼濃度提高到高于Cs，界面處的母材開始部分熔化。由于硼的擴(kuò)散和母材向液相的溶解，母材配合面的熔化一直延續(xù)到液相中間層的成分降低到C1（如圖1-3b）。此時(shí)，硼從接頭處向母材的繼續(xù)擴(kuò)散和母材的溶解，使正在進(jìn)行的熔化進(jìn)程發(fā)生中止，等溫凝固過程開始。在TB溫度下等溫凝固時(shí)，液體成分保持C1濃度，并與鄰近的固相表面的濃度成平衡狀態(tài)。然而，由于擴(kuò)散繼續(xù)進(jìn)行，處于C1成分濃度的液相的容積逐漸縮減，凝固過程不斷地從兩配合面繼續(xù)向中間進(jìn)行（如圖1-3c）。由于在不平衡狀態(tài)下的凝固過程進(jìn)行緩慢，形成的固相只能是成分為Cs的富鎳固溶體（由于硼不向固-液界面的液體反彈，等溫凝固時(shí)不會形成脆性的富硼相）。只要擴(kuò)散過程使接頭區(qū)域硼的最高濃度降低到Cs，等溫凝固結(jié)束，基本結(jié)合已經(jīng)形成（如圖1-3d）。繼續(xù)保溫是促使接頭區(qū)均勻化，使接頭成分（CP.M.）盡量接近母材（如圖1-3e）[5]。

瞬時(shí)液相擴(kuò)散焊的優(yōu)缺點(diǎn)

（1）自身優(yōu)點(diǎn)

TLP連接方法能夠產(chǎn)生很強(qiáng)的、無界面的、無中間層殘留的接頭。TLP連接技術(shù)主要有如下優(yōu)點(diǎn)：①生產(chǎn)率高，無需開坡口，連接時(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自動化程度高，對操作者技能要求低；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，對錯(cuò)邊影響不敏感。另外，對端面準(zhǔn)備要求低，允許表面有一定氧化物。概言之，對于鋼管的對焊（現(xiàn)場或室內(nèi)），TLP連接工藝是一種高性能、高效率、高自動化程度、低變形、無焊接煙塵污染的先進(jìn)焊接工藝。

（2）和傳統(tǒng)固相擴(kuò)散連接相比瞬時(shí)液相擴(kuò)散連接主要有以下優(yōu)點(diǎn)：①在連接過程中形成很薄的液相中間層，可大幅度降低焊接壓力，從而減小焊接變形；②連接過程中由于液態(tài)金屬的填充作用，可降低對表面粗糙度的準(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。

（3）和釬焊方法相比相同之處在于都使用中間層材料作為連接介質(zhì)，不同之處在于TLP連接方法中中間層的熔化和凝固過程都是和母材相互擴(kuò)散的結(jié)果，并且都是在等溫過程中完成的，連接后接頭區(qū)域組織成分和母材成分基本相似。液相擴(kuò)散連接的操作非常簡單，與釬焊相同，即焊接前在被焊材料之間加入中間層，然后加壓、加熱、保溫即可。但與釬焊接頭性能相比，TLP連接具有如下優(yōu)點(diǎn)：

①TLP接頭在等溫凝固完成后具有明顯不同于母材與填充金屬的成分，并在一定情況下最終的顯微組織中分辨不出填充金屬；②TLP接頭比一般硬釬焊接頭的強(qiáng)度高；③TLP接頭的重熔溫度高于釬焊接頭而且耐高溫性能好；④TLP連接容許母材表面存在一定的氧化膜，有一定的“自清凈”能力。

TLP連接工藝的上述優(yōu)點(diǎn)決定了它可應(yīng)用于一般釬焊難以勝任的場合：對力學(xué)性能要求高（不低于母材）；服役溫度高的耐熱合金的焊接；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，接頭形式只許采用對接形式（釬焊采用搭接）；特別是在先進(jìn)材料的連接[6，7]（如單晶材料、先進(jìn)陶瓷、金屬基復(fù)合材料）等場合，其應(yīng)用前景更為廣闊。但TLP連接也存在對中間層要求嚴(yán)、端面粗糙度要求高、焊接時(shí)間長等美中不足。

TLP連接方法存在諸多優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，也存在以下缺點(diǎn)：（1）對零件待焊接表面的制備和裝配的要求高；（2）焊接熱循環(huán)時(shí)間長，生產(chǎn)率低；（3）設(shè)備一次性投資較大，而且焊接工件的尺寸受到設(shè)備的限制；（4）TLP連接質(zhì)量檢測還沒有具體標(biāo)準(zhǔn)等。瞬時(shí)液相擴(kuò)散焊技術(shù)不需要傳統(tǒng)的焊條、焊絲等焊接材料，焊接速度更快、耗能更少。目前，TLP連接已成為各種先進(jìn)材料[6，8]，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，由于它可以替代手工電弧熔化焊，并可獲得優(yōu)良的接頭組織和力學(xué)性能，近年來被國內(nèi)外工程界、制造業(yè)和學(xué)術(shù)界廣泛關(guān)注。TLP連接工藝也在傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)材料（普通鋼材和耐熱鋼管）等方面有廣泛的應(yīng)用前景，在電力、石油、化工、城建等建設(shè)工程中，管道焊接的工作量非常大。

應(yīng)用前景

在國外，擴(kuò)散焊接技術(shù)作為一種比較成熟的技術(shù)，以其特有的優(yōu)勢已經(jīng)廣泛應(yīng)用于航空、航天、核能以及其他技術(shù)領(lǐng)域。發(fā)展中的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，將依賴它作為重要連接手段，未來的空間站或太空試驗(yàn)室的真空環(huán)境，是發(fā)展和應(yīng)用擴(kuò)散焊接的重要場所[9-11]。

King和Owczarski用欽研究了擴(kuò)散焊接的不同參數(shù)，并提出了兩個(gè)固體表而聚結(jié)的推理，該項(xiàng)研究已經(jīng)用在與美國國家航空和宇宙航行局的馬歇爾空間飛行中心制備不同宇航構(gòu)件有關(guān)的探索性工作中。俄羅斯在其液體火箭發(fā)動機(jī)上大量零組件之間的連接采用了擴(kuò)散焊接技術(shù)，在其成熟型號PII-120液體火箭發(fā)動機(jī)上的燃?xì)獍l(fā)生器、推力室等復(fù)合組件中均采用了擴(kuò)散焊接技術(shù)，其焊縫強(qiáng)度均能滿足技術(shù)指標(biāo)的要求。

在我國，擴(kuò)散焊接技術(shù)在航天產(chǎn)品上也有一定的應(yīng)用，如：燃燒室頭部噴注器的擴(kuò)散焊接和電磁活門扼鐵端而與黃銅片的擴(kuò)散焊接。經(jīng)擴(kuò)散焊接后的焊接接頭抗拉強(qiáng)度可達(dá)到與母材相當(dāng)?shù)膹?qiáng)度或達(dá)到母材強(qiáng)度的90%；耐壓氣密性優(yōu)良，焊接前后產(chǎn)品變形量在千分之一以內(nèi)，磁性能沒有變化。我國新研制的液氧/煤油液體火箭發(fā)動機(jī)上也應(yīng)用了擴(kuò)散焊接技術(shù)。西安航天發(fā)動機(jī)廠曾對液氧/煤油火箭發(fā)動機(jī)上富氧燃?xì)獍l(fā)生器S-03不銹鋼（該鋼是為滿足液氧/煤油火箭發(fā)動機(jī)需要研制的一種新型馬氏體不銹鋼種）與QCr0.8鉻青銅焊接工藝進(jìn)行了深入的研究，獲得了寶貴的數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)。

TLP除了在航天航空上具有廣泛的發(fā)展前景以外，在管道焊接方而也具有很大的發(fā)展?jié)摿?。管道液相擴(kuò)散焊技術(shù)綜合了固相擴(kuò)散焊和高溫釬焊的技術(shù)優(yōu)點(diǎn)，具有快速、高效和節(jié)能環(huán)保的特點(diǎn)，由于它可以替代手工電弧熔化焊，并可獲得優(yōu)良的接頭組織和機(jī)械性能，近年來被國內(nèi)外工程界、制造業(yè)和學(xué)術(shù)界廣泛關(guān)注。山東電力研究院經(jīng)過兩年的艱苦攻關(guān)，設(shè)計(jì)并制造了我國第一臺管道液相擴(kuò)散焊機(jī)，并在核心工藝和中間層非晶合金方而取得了重要突破，具有生產(chǎn)實(shí)用性。它可廣泛用于鋼鐵、石油、電力等行業(yè)，具有良好的市場前景。另外，被的擴(kuò)散焊己經(jīng)成功地應(yīng)用于核反應(yīng)堆的建造中。在大氣條件下惰性氣體保護(hù)的TLP擴(kuò)散焊，不使用真空爐，節(jié)約了設(shè)備投資，也適合在野外施工的場合，具有很高的工程價(jià)值。同時(shí)，擴(kuò)散焊與超塑性加工的結(jié)合工藝使擴(kuò)散焊的應(yīng)用得到了擴(kuò)展[5]。