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

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。