擴散焊綜述.docx

瞬時液相擴散焊接學科歷史文化的當代價值摘 要：科技是第一生產(chǎn)力，科技的進步與材料學科的發(fā)展息息相關(guān)。材料領域中的先進連接技術(shù)在航空、航天、汽車制造、工業(yè)制造等領域有著舉足輕重的地位。任何工業(yè)設備的制造過程都不可能完全來源于鑄造技術(shù)，焊接技術(shù)在對工件的裝配過程中起著至關(guān)緊要的作用。本文主要闡述了河南理工大學，金屬物理冶金研究所，在焊接領域中的瞬時液相擴散(TLP)管道技術(shù)的歷史文化背景和當代應用價值，以及TLP技術(shù)在的發(fā)展歷史和當代發(fā)展趨勢新。關(guān)鍵詞：科技創(chuàng)新；材料工程；瞬時液相擴散焊接1 引言近代以來，人類文明得到了巨大進步，這些大多要歸功于于科學不斷完善、工程技術(shù)的不斷創(chuàng)新、進步。隨著社會的發(fā)展進步，我們的生活也發(fā)生了翻天覆地的變化。各種各樣的大型機械設備和應用環(huán)境的變化，對我們的材料的使用性能和服役條件提出了更高的要求。以此同時，有機材料、無機材料、金屬材料的發(fā)展，對科技創(chuàng)新的需求也是越來越高。金屬材料方向作為材料學中的一大重要分支，又可細分為四大學科，包括鑄造學科、鍛壓學科、模具學科以及焊接學科。本人的研究生課題是，先進連接技術(shù)TLP管道焊接1，是近些年來投入到生產(chǎn)應用中的先進技術(shù)。對各種異種難焊材料，有著巨大的焊接技術(shù)優(yōu)勢，在實際生產(chǎn)應用中有著舉足輕重的作用。2 瞬時液相擴散焊接技術(shù)的歷史文化早在上世紀70年代瞬時液相擴散焊已經(jīng)成功應用于Ni基高溫合金領域的連接。隨著近代工業(yè)的飛速發(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。瞬時液相擴散焊是一種適用于難焊材料連接的焊接技術(shù)。具有高效、節(jié)能、焊接質(zhì)量好、自動化程度高、操作方便、焊接過程無弧光、無毒害、處于靜態(tài)、焊機可移動等特點。一些難熔材料以及異種材料在物理性能、化學性能、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力，影響焊接品質(zhì)2。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用。自20世紀80年代人們開始嘗試采用非晶箔帶合金作中間層，在大氣條件下進行鋼的瞬時液相擴散焊研究，證明在開放環(huán)境和較短的工藝時間內(nèi)(2-3min)即可獲得滿意的接頭抗拉強度和彎曲性能，并以中頻感應加熱方式實現(xiàn)了工業(yè)應用，具有高的焊接效率和質(zhì)量穩(wěn)定性，部分替代了手工熔化焊。TLP作為一種新型的焊接技術(shù)在近30多年來獲得了廣泛的應用。TLP技術(shù)主要是針對沉淀硬化合金開發(fā)的，因為這些合金很難用熔焊方法連接，但是TLP焊接對固溶強化合金同樣有效。因為TLP焊接具有溫度低、精度高、殘余應力小、接頭強度高、沒有明顯的界面和焊接殘留物的特點，所以在新材料(先進陶瓷、復合材料、氧化物彌散強化耐熱合金)的制備、連接、修復等方面有很大的潛力3。擴散焊接是一種精密的焊接方法，特別適用于異種金屬材料、耐熱合金和新材料，如陶瓷、復合材料、金屬間化合物等材料的焊接。3 瞬時液相擴散焊接技術(shù)的當代應用價值3.1 瞬時液相擴散焊在套管鉆井焊接中的應用價值1995年鉆井技術(shù)公司開展了套管鉆井技術(shù)研究，1996年開發(fā)出了世界上第一套套管鉆井系統(tǒng)，并己成功應用于鉆井試驗4。套管鉆井是指在鉆進過程中，直接采用套管橄代傳統(tǒng)鉆桿)向井下傳遞機械能量和水力能量，井下鉆具組合接在套管柱下面，邊鉆進邊下套管完鉆后作鉆柱用的套管留在井內(nèi)，直接進行固井作業(yè)。套管鉆井技術(shù)將鉆井和下套管合并成個作業(yè)過程。由此給鉆井作業(yè)帶來很多優(yōu)點，如不用鉆桿和鉆挺;不需要起下鉆作業(yè);減少意外事故，提高鉆井安全系數(shù);降低鉆機成本，降低油井成本，從而大大地降低了鉆井成本;鉆機輕便，易于搬遷和操作洲;縮短建井周期;減少鉆井液對儲層的浸泡時間，降低鉆井作業(yè)對儲層的傷害;有效地保護油氣層等優(yōu)點，具有很好的發(fā)展前景。傳統(tǒng)鉆井中，套管只用來固井，不承受扭矩、彎矩等復雜載荷的作用。在套管鉆井中，套管承擔鉆井和固井雙重任務，對套管連接的基本要求是連接后能承受鉆井過程中的扭曲載荷、軸向載荷和彎曲載荷，并能順利通過鋼絲繩鉆井工具。除此之外，套管的連接要有安全操作特性，包括在鉆機上容易操作、連接速度快以及完鉆后能保持套管具有一定的承壓能力5。目前套管連接主要采用螺紋形式，但考慮到密封性和抗扭性，螺紋連接遠遠不如焊接。又由于套管下井后不再提起，完鉆后直接進行固井作業(yè)，因此可考慮在現(xiàn)場邊下套管邊采用合適的焊接方法將套管連接在一起。摩擦焊由于焊接過程處于動態(tài)，設備體積大而且焊后會產(chǎn)生內(nèi)外飛邊，不適合于套管現(xiàn)場焊接施工。瞬時液相擴散焊焊機體積小，焊接過程處于靜態(tài)，焊接變形小，焊接強度高，焊縫成型美觀，焊后不需再加工即能滿足套管內(nèi)外壁要求，今后可廣泛應用于套管連接，推動套管鉆井的發(fā)展。3.2 瞬時液相擴散焊在油田管道焊接中的應用價值針對油田管道的焊接問題提出了一種全新的焊接方法:瞬時液相擴散焊接，并研制出了石油管道瞬時液相擴散焊焊機。該焊機具有操作簡單，易于攜帶，焊接效率高等特點，具有較高的市場應用價值。目前，我國管線焊接仍以手工電弧焊為主，半自動焊為輔。在焊接過程中，由于人為因素造成的質(zhì)量不穩(wěn)定和焊接生產(chǎn)率低等問題較為突出。因此，迫切需要研究具有高效、高性能的焊接方法和焊接材料。TLP焊管技術(shù)在生產(chǎn)方面的優(yōu)越性及其機理方面的先進性已正在被工業(yè)界與學術(shù)界所認可，TLP焊管技術(shù)主要有以下優(yōu)點:(1)生產(chǎn)率高，無需開坡口，焊接時間與壁厚無關(guān)，主要取決于降熔元素的擴散性能，數(shù)十秒到數(shù)分鐘便可完成一個接頭的焊接;(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);(有利于環(huán)保，生產(chǎn)條件好;(8)有錯邊時可圓滑過渡，減小了應力集中，對錯邊影響不甚敏感。另外，對端面準備要求低，允許表面有一定氧化物。概言之，對于鋼管的對焊焊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焊接工藝。3.2 瞬時液相擴散焊在焊接修補中的應用價值關(guān)于瞬時液相擴散焊接技術(shù)的研究對其在工業(yè)中的應用有重要的意義。管道遭腐蝕且管內(nèi)壓力較低時可采用套筒修復技術(shù)6;但由于焊縫余高的存在，往往達不到技術(shù)要求。在不破壞缺陷管體原有外形的情況下，可采用瞬時液相擴散焊來修補管道裂紋與填補焊縫。本文提出了全新的焊接缺陷修復方式，并設計了焊接修補焊機，詳細介紹了其工藝流程和結(jié)構(gòu)。該焊機結(jié)構(gòu)簡單，安裝方便，操作可靠，具有廣泛的市場推廣價值。在我國，輸油輸氣等運輸管道長期服役，相當一部分管道的管體老化問題日益突出，又因早期管道技術(shù)水平較低，現(xiàn)存在大量的缺陷，如腐蝕孔、未熔合和未焊徹底的焊縫等。這些缺陷的存在嚴重威脅著管道的安全運行，多年來發(fā)生過很多原油和天然氣泄漏等事故，給環(huán)境造成了很大壓力。在對這種管道進行修復的方法中，傳統(tǒng)修復的方式往往會影響焊縫的質(zhì)量，這是因為腐蝕孔、未熔合和未焊徹底狗焊縫常發(fā)生在圍繞焊縫的地方，當修復進行時，為了使焊縫處平整，會打磨焊縫，從而使焊縫處更薄，加重了裂紋焊縫的再一次泄漏。保證焊接質(zhì)量的前提就是保證焊接管片與被修復管體的貼合度，在傳統(tǒng)修復中，其也是影響焊接質(zhì)量的重要因素;所以，要提高焊接質(zhì)量，首先要保證焊接管片與管體的接合無縫隙。特別是在修復管道缺陷為螺旋焊縫時，焊縫余高會直接影響焊件與管體外壁的貼合程度，這就會導致修復后焊縫處產(chǎn)生集中應力，從而降低疲勞強度，影響焊接修復的質(zhì)量。對于管道焊接而言，其主要優(yōu)點是焊接變形小，另外，焊接所需時間短，焊縫焊后平整，可在大氣中進行，操作簡單，這些都是較之傳統(tǒng)焊接所具有的優(yōu)點，特別適于在惡劣環(huán)境下的焊接，利于環(huán)保，且生產(chǎn)條件好，減小了應力集中，提高了焊接效率川。如何讓該焊接方法應用在普通鋼的焊接中，且在降低成本的同時又提高焊接效率，是所要研究的課題。如果能實現(xiàn)該焊接方法在管道修復中的應用，將大大提高石油管道修復后的安全使用系數(shù)，并降低成本。4 瞬時液相擴散焊接技術(shù)的當代研究現(xiàn)狀4.1 瞬時液相擴散焊的理論與模型研究經(jīng)過學者們的不斷努力，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。劍橋大學的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)。劍橋大學的W.D.MacDonald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。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。Ohsasa等人建立了Ni合金的動力學模型，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。4.2 瞬時液相擴散焊焊接參數(shù)的研究河南理工大學的陳思杰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7。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焊接接頭的力學性能，需要選擇焊接溫度和焊接時間合理組合回。四川化工職業(yè)學院的文申柳等人通過對9Cr1MoNbV鋼的瞬時液相擴散焊研究，在氫氣氛圍內(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。在焊接氣體保護實驗中，各位學者多在真空環(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。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30m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。Gale WF, Broc;hu 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悍接。4.3 瞬時液相擴散焊焊接設備的研究早期蘇聯(lián)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焊接設備分成許多類型，其中有真空高頻感應加熱擴散焊接和真空輻射加熱擴散焊機8。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擴散焊機，最大壓力3000N,真空度1x10-3Pa，加熱功率20kW。我國20世紀90年代中期自行設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。隨著制造技術(shù)以及自動化技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在應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，焊接壓力達到150kN，焊接溫度1923K。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。參考文獻1陳思杰, 井曉天, 李辛庚. 瞬時液相擴散連接的雙溫工藝模型J. 焊接學報, 2005(04):69-72.2王磊, 俞建榮, 董曉慧, 等. 瞬時液相擴散焊技術(shù)的研究進展J. 機械制造與自動化, 2015(04):7-9.3張遠輝, 王非森, 張安民. 瞬時液相擴散連接工藝參數(shù)及應用研究進展J. 熱加工工藝, 2010(09):163-166.4王學剛, 王曉明, 嚴黔, 等. 石油鉆桿的瞬時液相擴散焊技術(shù)研究J. 石油機械, 2005(11):41-44.5閆風潔, 王曉明, 王學剛, 等. 瞬時液相擴散焊技術(shù)在鉆井工程中的應用展望J. 礦山機械, 2007(11):36-38.6王嵐, 俞建榮, 王磊. 瞬時液相擴散焊在焊接修補中的應用研究J. 新技術(shù)新工藝, 2014(01):69-71.7郭世敬, 陳思杰, 梁峰. 瞬時液相擴散連接過程中的關(guān)鍵參數(shù)及其選用原則J. 焊管, 2009(09):14-17.8姚凱, 范振紅, 李玉國. 瞬時液相擴散焊的發(fā)展及應用前景J. 石油工程建設, 2007(02):1-5. 河南理工大學碩士研究生 自然辯證法課程論文 2016-2017學年第二學期 論文題目： 瞬時液相擴散焊接學科歷史文化的當代價值 作 者： 作者學號： 作者所在學院、專業(yè)： 論文評語：【優(yōu)秀】論文選題符合本課程要求，作者能夠很好地結(jié)合專業(yè)實際對論題展開分析論述，邏輯結(jié)構(gòu)嚴謹，論證充分，參考文獻規(guī)范，具有較好的學術(shù)價值。 教師簽字： 【良好】論