真空中1Cr18Ni9Ti不锈钢管焊接工艺技术
2021-05-25 08:26:51
奥氏体不锈钢管具有优良的耐蚀性、耐热性、低温强度及良好的机械加工性能，广泛应用于航空航天发动机关键零部组件的制造。奥氏体不锈钢管的焊接性较好，多采用熔焊方法焊接。如孙国华采用焊条电弧焊实现了1Cr18Ni9Ti不锈钢小径管的焊接，并得到了实际应用，刘诚板采用自动熔焊接技术实现了锥形薄壁304不锈钢方管的对接接头焊接，张国伟等采用超窄间隙激光焊接技术实现了60mm厚304不锈钢的焊接:熔焊技术相对成熟易于实现，但要求焊接接头可达性好，对于发动机中某些大面积复杂连接构件或熔焊可焊性不好的不锈钢零部组件的连接，熔焊技术则不易实现。
真空扩散焊是金属或非金属在固态下靠相互扩散完成焊接的一种固连接方法，由于该技术采用轴向加加压下温控的方式实现，因此它是大面积复杂构件、多焊缝连接的一种优选方法:且母材不熔化，不会出现熔焊过程中产生的裂纹、气孔等焊接缺陷，并获得性能优良的焊接接头。安子良研究了316L不锈钢管扩散焊接头的微观结构和力学性能，将镍片作为中间层加入母材中间，提高了焊合率，改善了接头的高温韧性;李振鸿等研究了316L不锈钢的显微拉伸性能，指出316L不锈钢管扩散焊接头均从界面处断开，是基于载荷施加后，界面滑移致使炸缝界面处的孔洞产生微裂纹并扩展发生断裂。刘立凯等研究了316L不锈钢的显微疲劳性能，指出焊接界面处产生的孔洞是造成疲劳失效的关键因素。1Cr18Ni9Ti不锈钢管由于Ti元素的加入，增加了抗晶间腐蚀的能力，因此目前仍然在用。资料检索含Ti元素不锈钢管的真空扩散焊工艺研究报道较少，本文将重点研究1Cr18Ni9Ti真空扩散焊过程中不锈钢管加中间层与无中间层接头性能差异，分析探讨界面孔洞的产生过程及机理，为工程应用提供技术基础及研制保障。
1试验方法
1.1试样制备
试验采用1Cr18Ni9Ti不锈钢管，机械加工40mmx10mm的焊接试件用于工艺试验后的金相检测。磨削加工试件待焊接面，使表面平整且粗糙度值低于1.6um,焊前被焊材料表面采用洒精去污处理，按照图1的方式组合直接焊接或界面电镀镍层后，在美国Workhorse Ⅱ型真空扩散焊设备中焊接。首先将用于焊后拉伸强度侧试的试件加:65mmx50mm的柱状焊件组焊后，从其中线切割切取试样，按照Q/ZB 197规定加工成如图2所示的标准样件。
焊接工艺参数见表1，为了保证升温均匀性，采用图3所示阶梯加压的方式，研究待焊面状态及焊接工艺参数对焊件焊合率的影响，分析接头变形率与焊件焊合率的关系。焊后采用金相显微镜和扫描电镜观察焊件纵截面焊合情况，采用万能拉伸试验机进行接头拉伸性能测试。
2结果与分析
2. 1待焊面状态及焊接工艺参数对焊件焊合率的影响
焊接采用了无镀层、电镀镍(镍层厚度约105m )两种表面状态，由表1分析得出，在相同的焊接规范下，无镀层的扩散焊接头相较于带镀层的扩散焊接头结合情况差，如DW1与DW3。中间层的引入，在初始施压的过程中,界面的高低不平迅速被镍层填充，克服了待焊表面粗糙度带来的接触不良现象，从而在相对较小的焊接工艺规范下发生元素的扩散:无镀层时，在1Cr18Ni9Ti不锈钢管表面粗糙度值一定的情况下，需要较高的温度和压力促使待焊界面达到充分接触，才能实现母材中Fe, Ni元素的互扩散。因此与镀镍焊件相比，同样的工艺规范会导致元素的扩散不充分，无法形成可靠的接头。
采用不同的表面状态，在合理的焊接工艺规范下，均可实现焊合，如DW4-DW7，无镀层焊缝组织如图4a所示，带镀层的扩散焊接头显微组织如图4b所示。图中可见，无镀层接头宽度约0.45um，带镀层的扩散焊接头宽度约为36um，界面均实现了原子间的结合。由于无镀层的接头宽度过窄，检测设备所限，难以观测到界面的显微组织，仅显示界面实现了结合:带镀层接头可清晰观测到接头的显微组织，图4b所示带镀层扩散焊接头发生了微区热塑性变形异致的动态冉结晶，形成的焊缝处显微组织与母材组织差异不大，呈现等轴晶粒组织，界面结合状况良好。
对带镀层扩散焊接头进行能谱分析测试表明，1Cr18Ni9Ti不锈钢管扩散焊接头具有明显的扩散特征，发生了Fe, Ni及Cr元素的扩散。且组织均匀，晶粒尺寸等级与母材晶粒相当或略小。
2.2界面孔洞的产生机理探讨
带镀层的扩散焊接头晶界及晶内分布着尺寸为微米级的微孔洞，分析认为，孔洞产生的原因有两种:
一是基于原子不同的扩散速度产生的Kirkendall效应形成微孔洞，由于Ni原子的半径小于Fe原子的半径，而其熔点高于Fe的熔点，因此根据扩散理论，Ni元素向Fe中的扩散速度大于Fe元素向Ni中的扩散速度，空穴来不及填充形成Kirkendall孔洞。二可能是由于扩散形成的脆性相经腐蚀或力作用卜脱落形成的微孔洞。为验证孔洞产生的确切原因，扩散焊接头未腐蚀情况下，金相观察未发现孔洞，对断口处孔洞处进行能谱分析，发现孔洞处Ti. C元素含量明显高于母材含量。资料检索表明Ti是强碳化物形成元素，1Cr18Ni9Ti不锈钢管中的C和Ti在扩散焊接过程中形成脆性Tic，该脆性和腐蚀过程中脱落形成微孔洞。镀层厚度的增加(由5-10um增至15um左右)，发现Tic脆性相由焊缝中部向焊缝两侧迁移，表明镀层增厚阻止了焊缝中部脆性相的生成，但焊缝两侧仍存在脆性相，焊接压力增大无助于微孔洞的减少。后续力学结梁表明，该脆性和脱落形成的微孔洞可能会成为疲劳裂纹源。
2.3接头变形率对扩散焊接头焊合率及力学性能的影响
扩散连接作为一种精密焊接方法，可以准确地控制接头的微变形量，接头变形量与接头质量有着直接的关系。不锈钢管的扩散连接过程中，接头的径向变形率可直接反映被连接界面接触和相互作用情况， 当接头变形率较小时，断口上尚有机械加工的痕迹，扩散作用不充分，其断口韧窝小而浅，表现为接头强度及延伸率较低，随着变形最的增加，结合情况及接头性能得到改善。对于镀镍层扩散焊接头，在变形率小时，尽管金相显示实现了100%焊合，但元素扩散不充分异致接头力学性能较差，如DW1, DW7。因此，接头变形率是判定扩散焊接接头性能的重要指标之一。
2.4不锈钢管扩散焊接头力学性能检测结果分析
无镀层的1Cr18Ni9Ti不锈钢管(DW4)扩散焊焊缝金相显示实现了焊合，但常温力学性能测试焊件直接从界面处拉断，拉伸强度为450MPa，延伸率14%左右，为母材强度80%左右，带镀层的扩散焊接接头从扩散层处拉断，拉伸强度590MPa,延伸率达到44%。与母材的强度相当。 镀镍层的拉伸断口表面为灰色，呈纤维状，断裂属于塑性断裂。呈现均匀的拉伸变形，断口平整均匀，无明显的缩颈现象。分析认为，带镀层不锈钢扩散焊缝扩散层窄且晶粒尺寸相对母材细小，塑性强于母材，受两侧母材拘束度的影响，首先发生母材的塑性变形，随着变形量的增加，从扩散层中薄弱区(如脆性相形成的孔洞处)拉断形成断口。对1Cr18Ni9Ti不锈钢管扩散焊接头断口进行扫描电镜分析 ，发现断口中存在很多微型孔洞，且能讲分析表明为TiC脆性相，因此分析认为断裂起源于TiC脱落形成的孔洞处，在外力的作用下，由于强烈滑移，晶内或晶界的TiC脆性相脱落形成了显微孔洞，这些显微孔洞在拉应力的作用下聚集连接长大，新的孔洞不断产生，最终异致焊件的断裂。因此带镀层不锈钢扩散焊接头断裂属于微孔型断裂、穿晶+沿晶混合型断裂。
3结束语
a.其余焊接工艺参数一定的情况下，界面镀镍的焊接接头组织性能优于不带镀层焊接接头，界面无镀层时，需采用较大的焊接参数才能实现接头可靠连接。
b.焊缝中微孔洞的产生原因为Kirkendall效应和焊缝中的脆性相TiC发生脱落，后者对接头力学性能影响不大，但可能会成为疲劳裂纹源。
c.接头径向变形率直接反映了扩散焊合情况，可作为接头焊合与否的重要考核指标之一。实验得出，对于40mmx 10mm不锈钢试件，接头变形率在6%-10%之间时，焊合情况较好，
d.力学性能测试结果，带镀层不锈钢管扩散焊接头强度与母材等弧断口属于微孔型、穿晶+沿晶混合型断裂。
