APP下载

温度对不锈钢扩散连接的影响

2013-08-05王怀建赵柏森

电焊机 2013年7期
关键词:中间层双相断口

王怀建,白 莉,赵柏森

(1.重庆工业职业技术学院 汽车工程系,重庆 401120;2.重庆工业职业技术学院 机械工程系,重庆 401120)

0 前言

扩散焊是将焊件紧密贴合,在一定温度和压力下保持一段时间,使接触面之间的原子相互扩散形成连接。影响扩散焊焊接过程和接头质量的主要因素有温度、压力和扩散时间等。由于扩散焊具有对基体破坏性小、可焊接不同类型材料和变形小等优点,在航空、航天及电子工业等尖端科学技术领域应用广泛[1]。

不锈钢已经具有100多年的应用和研究史,由于它具有强度高、易加工、价格便宜和可焊性强等优点,在过去及未来20年内,在汽车制造和船舶制造等领域具有其他金属材料不可挑战的地位[2-3]。随着国内外工业的进步,对不锈钢焊接件的要求也越来越高,这就要求国内外学者针对需求,创新焊接工艺和质量,以满足时代发展的要求。

目前,关于不锈钢的焊接研究相对较多,主要集中在熔化焊和搅拌摩擦焊等焊接方法。就目前国内的研究状况,尚没有形成系统的研究框架,焊接工艺落后,焊接质量较差。贾法勇[4]等人对SAF2205双相不锈钢纵向角接板焊接接头的疲劳强度进行了研究,试验表明,双相不锈钢的静载强度级别对其疲劳强度设计级别没有明显的影响。何芬[5]等采用MAG焊和焊条电弧焊对316L不锈钢进行焊接,通过试验和观察焊接接头,结果表明,焊条电弧焊接头的抗拉强度和显微硬度比MAG焊高。刘政军[6]等为了优化不锈钢焊接工艺,提高焊接质量,减少不锈钢焊接缺陷,在对奥氏体不锈钢进行钨极氩弧焊时外加纵向磁场。试验结果表明,外加纵向磁场通过电磁搅拌作用改变了晶粒的结晶方向,使晶粒细化;焊接接头的力学性能随磁场的频率变化而变化。本研究采用在不同温度下扩散连接的方法对304L不锈钢进行了试验研究。

1 试验材料和方法

试验所用材料为直径15 mm的304L不锈钢棒材和150μm纯Nb片。304L的化学成分和力学性能见表1和表2。

表1 试验用304L化学成分Tab.1 Chemical composition of tested 304L %

表2 304L力学性能Tab.2 Mechanical property of 304L

将304L不锈钢的连接端面用水砂纸打磨到2000#并进行抛光处理,用酒精清理后放入酒精中。焊接前,将试样放在丙酮中进行超声波清洗,除去试样表面的杂质,经酒精冲洗后,将Nb片放入两段不锈钢中间,将试样装入真空炉中进行试验。连接温度为650℃、700℃和750℃,扩散时间20 min,焊接时施加轴向压力10MPa,炉中真空度1.9×10-2。

将拉伸试样在万能拉伸试验机上进行拉伸,加载速率1 mm/min;用电子扫描显微镜(SEM)观察和分析接头剖面组织,并利用EDS分析剖面成分。

2 试验结果和分析

2.1 接头SEM及EDS分析

不同扩散温度下连接接头的SEM及相对应的线能谱扫描图片如图1所示。从三个不同温度的接头SEM可以看出,三个接头的显微组织基本上没有差别,两边为不锈钢,中间为残余的中间层,中间层与两边的不锈钢形成了致密的共同组织。由于受到焊接工艺和材料自身原子半径等因素的影响,从接头线能谱可以看出,接头元素扩散趋势不明显,三个温度的接头均呈现“口“字状。从线能谱图中还可以得出,中间层的厚度随扩散温度的升高,出现了轻微的减小趋势,在650℃时的接头中间层残余厚度约为150 μm,基本上与实验前相同,而750℃时的接头中间层残余厚度约为145 μm。这主要是由于随着温度的升高,原子活跃度增大,扩散能力加强,促进了不锈钢和中间层之间的相互扩散。

2.2 接头的力学性能及断口扫描

对不同温度下的扩散接头进行拉伸试验,不同扩散温度下的抗拉强度如图2所示。随着温度的升高,接头强度随之升高,在扩散时间为20 min、施加压力10MPa的工艺下,650℃时接头强度只有82MPa,当温度升至700℃时,接头强度升至约170 MPa,比650℃时的强度要高出两倍多,在750℃的工艺条件下,接头强度继续升高,但升高比例相对于前者大幅下降,接头强度约185 MPa。

图2 接头的抗拉强度Fig.2 Tensile strength of joints

温度700℃和750℃时接头的拉伸断口扫描图片如图3所示,断口表面均具有层状撕裂的形貌,结合拉伸试验时没有看到明显的塑性变形,由此判断,焊接接头的断裂均属于典型的脆性断裂。针对图3a中的1点和2点进行了EDS点扫描分析。图3a中的 1 点的成分为:w(Fe)=47%、w(Cr)=17.2%、w(Ni)=8.5%、w(Mn)=1.4%和 w(Nb)=25.7%,可以得出,图3a中的1点为母材,2点的成分为99.6%的Nb。图 3b中的 1点的成分为 w(Fe)=48.3%、w(Cr)=16.5%、w(Ni)=9.4%、w(Mn)=1.5%和w(Nb)=23.8%,2点的成分为99.7%的Nb,由此可知,中间层和母材不锈钢只是局部牢固的连接在一起,部分区域结合较差,随着温度的升高,牢固结合的区域在增大,这也是接头强度随温度升高而升高的直接原因。

3 结论

(1)三个不同温度下接头的显微组织基本上没有差别,两边为不锈钢,中间为残余的中间层,中间层与两边的不锈钢形成了致密的共同组织。随温度的升高,中间层厚度逐渐减小。

图1 不同扩散温度下焊接接头SEM及EDSFig.1 SEM and EDS of joint with differnt diffusion temperration

(2)随着温度的升高,接头强度随之升高,在扩散时间20min、施加压力10MPa的工艺下,650℃时接头强度只有82MPa,当温度升至700℃时,接头强度升至约170 MPa,比650℃时的强度要高出两倍多,在750℃的工艺条件下,接头强度继续升高,但升高比例相对于前者大幅下降,接头强度约185MPa。焊接接头的断裂均属于典型的脆性断裂。

图3 断口扫描Fig.3 SEM of fracture

[1]崔忠圻.金属学与热处理[M].北京:机械工业出版社,2003.

[2]肖纪美.不锈钢的金属学问题[M].北京:冶金工业出版社,2006.

[3]林企曾,李 成.迅速发展的中国不锈钢工业[J].钢铁,2006,41(12):1.

[4]贾法勇,霍立兴,吴 冰,等.双相不锈钢焊接接头疲劳强度[J].焊接学报,2004(2):31-34.

[5]何 芬,屈金山,张德远,等.不同焊接方法下316L不锈钢焊接接头组织性能研究[J].热加工工艺,2010,39(23):179-182

[6]刘政军,苏 明,苏允海.外加磁场对不锈钢焊接接头组织和性能的影响[J].沈阳工业大学学报,2009,31(6):666-670.

猜你喜欢

中间层双相断口
42CrMo4钢断口蓝化效果的影响因素
一类具有奇异位势函数的双相问题
热轧双相钢HR450/780DP的开发与生产
126 kV三断口串联真空断路器电容和断口分压的量化研究
Zn-15Al-xLa中间层对镁/钢接触反应钎焊接头性能影响
一种十七股子午胎钢丝帘线
新型双相酶水解体系制备宝藿苷I
ER50-6盘条断裂原因分析
C250钢缺口扭转疲劳断裂特征研究
DP600冷轧双相钢的激光焊接性