固态接头在化学工业中的应用

季小英　季国炎　季国尧　杨华东

摘 要：本文探索了两种形式的管状固态连接，用于化学工业。挤出粘合包括将一种材料的内部无缝管扩散到另一种材料的外部无缝管上。惯性焊接包括旋转一个管，同时将第二个固定管压入第一个。在这两种情况下，可以产生非常强大和坚固的冶金结合。 本文探讨了这种冶金键的测试和性能。

关键词：固态接头；化学工业；应用

1 引言

要求苛刻的应用通常需要高度专业化的材料性能。有时，这意味着必须在单个组件中使用两种不同材料的组合。在金属的这种情况下，两种材料之间的接合必须是机械的和冶金的。当金属相似时，传统的熔焊是可能的。然而，这种接头的焊缝金属具有不同的母体金属的浓度。混合随机发生，在池内，任何一个位置都可以是母体金属的浓度的组合，每个母体具有不同的物理，机械和腐蚀性质。此外，由于缺乏溶解性和金属间化合物的形成，许多材料组合是不可能的。对于这些情况，固态接头可以是可行的替代方案。固态焊接已经实施了一段时间。这里探索了两种形式的管状固态连接，用于化学工业和其他应用。挤出粘合包括将一种材料的内部无缝管扩散到另一种材料的外部无缝管。惯性焊接包括旋转一个管，同时将第二个固定管压入第一个。在这两种情况下，都可能产生非常强大和坚固的冶金结合。本文探讨了这种冶金键的测试和性能。

2 传统加工

两种不同金属的连接是一个非常简单的概念，在广泛的应用中是必需的。化学工业工程当然也不例外，其中腐蚀性和热和机械要求苛刻的条件需要不同的材料相互连接。然而，在实践中，这可能非常复杂，有许多配置，选项和方法可用，并为每个的权衡。化工厂通常采用侵蚀性过程，需要仔细选择施工材料。最简单的情况是在整个过程中可以经济地使用单一组合物或合金。然而，在整个过程中，环境条件可能不均匀。某些部件可能经受高腐蚀性的化学品，只有非常耐腐蚀的材料才能工作。同样，具有高温和机械应力的区域也可能需要具有不同特性的材料。工厂设计人员面临的挑战是将工厂的组件与其特性与工艺所施加的局部条件兼容的材料配合在一起。在某些情况下，特定组件可能具有没有单一材料可以满足的参数。在这些情况下，可能需要使用连接在一起的材料的组合，以便利用其复合性质。

3 固态结合技术

固态连接包括广泛的技术和方法，其中要连接的材料不能实现液体状态，并且不涉及钎焊。在高温下与高压结合的塑性变形通常是形成两种金属之间的结合所必需的。摩擦焊接和辊粘结是两种众所周知的固相接合方法。最近对两种其他固态接合技术在化学加工应用中适用于连接异种金属的方法进行了研究。挤出粘合需要两种不同金属的共挤出，一种在另一种内部，其中来自挤出工艺的热和压力诱导在两层之间形成扩散结合，导致管内管。因此，两层管道粘结在一起。本文检测的第二种方法是惯性焊接。惯性焊接是摩擦焊接的一个变体，需要以高速相对于另一个相互旋转，然后将它们压在一起。摩擦加热和轴向压力导致两个部件结合，导致从一种材料到另一种材料的过渡接头。这项工作的主要重点是这两种固相接合方法及其在锆（Zr702）和钛3级组合中的应用。挤出产生无缝管，由具有导向孔的圆柱形坯料開始。将钢坯充分加热以在压力下流动。然后通过减小直径的模具挤出，同时增加长度。为了挤出粘合，将内部管状衬垫材料插入坯料中的扩大的孔中。在插入之前，需要准备外部钢坯和衬套的配合表面以实现金属之间的最佳粘合条件。然后将层之间的环形空间抽真空并密封，以防止加热期间的氧化。在实际的挤出过程中，现在处于升高的温度和紧密接触的两种材料相互扩散以形成冶金结合。由于这是在固体状态下发生的，并且由于在挤出之后温度相当快地下降，所以扩散区相对较窄。在挤出之后，将管冷却两次以将直径和壁厚度减小至所需尺寸。进行许多试验以表征所得粘结和复合管。通常，复合材料的性质介于两种组分之间[3]。由于非常小的扩散区，任何可能会改变复合材料性质的合金化都是最小的。

4 INERTIA焊接处理

惯性焊接的过程导致两片管连接在一起。一件静止地固定在一起，而第二件则以高速旋转。当达到预定的转速时，驱动器被分离并且两个部件被压在一起。旋转惯性转换为摩擦加热，导致界面处的材料变得塑性并流出接头。在使用前必须从外径和内径中除去从接头流出的闪光。由于接头在低于熔点的温度下形成，所以实际上不存在合金化，并且接合镜的性质与各母体金属的性质相关。粘结区的较高放大率显示在界面处金属的机械混合涡流。由于该过程非常短暂的时间，部件的加热非常有限并且局部化。接头的热影响区域小于熔接时，仅由旋转停止时在接头内受塑性变形的材料构成。与挤出粘合一样，发生非常少的合金化，并且接头的性质代表母体金属。 类似于挤压接合接头，在锆或钛上似乎没有任何类型的电流侵蚀。 还进行了机械测试。 在拉伸载荷下，不是在接头处发生故障，而是在较弱材料的锆的量规部分。还进行弯曲试验以检查所得接头的延展性。

5 结语

挤出粘合和惯性焊接都显示出在化学工业行业中的应用前景，需要优化设备材料的选择。 固态键合防止不兼容材料的混合和合金化。在挤出粘合的情况下，共挤出管已经被商品化为OmegaBond TM管，并且目前作为尿素剥离器的管材出售。

参考文献：

[1]杨屹.化学工业布局与中国城市经济发展研究[D].华东师范大学，2006.

[2]谢永慧. TD3合金固态扩散连接接头的组织和性能研究[A]. 中国材料研究學会.2004年中国材料研讨会论文摘要集[C].中国材料研究学会，2004：1.