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12Cr2MoV


金属铸锻焊技术 Casting·Forging·Welding

2008 年 6 月

12Cr 2MoV / TP304H 异种钢管瞬时液相扩散焊 工艺研究
陈思杰, 高 增
( 河南理工大学 材料科学与工程学院, 河南 焦作 454000 ) 摘 要 : 采 用 氩 气 保 护 , 用 Fe 基 和 BNi2 合 金 箔 作 为 中 间 层 , 进 行 了 12Cr2MoV 贝 氏 体 耐 热 钢 和 TP304H 奥

氏体不锈钢管的瞬时液相扩散连接, 分析了接头的力学性能、 显微组 织 和 断 口 特 征 , 确 定 出 了 合 适 的 连 接 工 艺 参 数。研究表明, 在合适的工艺参数下, 用 Fe 基 - BNi2-Fe 基三层中间层连接的接头室温下的拉伸强度和弯曲强度等 于或超过基体。 关键词: 瞬时液相扩散连接; 显微组织; 12Cr2MoV 钢; TP304H 钢 中图分类号: TG457.11; TG453+.9 文献标识码: A 文章编号: 1001-3814(2008)11-0060-03

Study of Tr ansient Liquid-phase Bonding Pr ocess for Dissimilar Steel Tube of 12Cr 2MoV and TP304H
CHEN Sijie, GAO Zeng
( College of Material Science and Engineering, Henan Polytechnic University, Jiaozuo 454000, China)

Abstr act : Bainite 12Cr2MoV heating-resistant steel pipes and austenite TP304H stainless steel pipes were joined by transient liquid-phase bonding process using Fe and BNi2 foil as interlayer in argon atmosphere. The mechanical properties, microstructure and fracture morphology were analyzed and the technology parameters were achieved. The results show that the tensile strength and bend strength of the joint at room temperature is equal to or exceed that of base metal with appropriate parameters. Key wor ds: transient liquid-phase bonding; microstructure ; 12Cr2MoV; TP304H

异种金属焊接时, 由于其物理化学性能及化 学成分的明显差异, 无论是焊接方法、 焊接材料、 焊接规范, 还是施焊技术的选择都比同种金属焊 接要复杂得多。瞬时液相扩散焊( TLP) 作为一种 新型的焊接技术在近 30 多年获得了广泛的应用, 是解决此类问题的有效方法。TLP 具有焊接温度 低、 压力小、 接头质量好、 工件变形小等优点, 耐热 钢 TLP 工艺获得的接头质量好, 有利于解决异种 钢焊接中的疑难问题 [1-3]。

文通过异种金属 TLP 焊接试验, 分析了接头的力 学性能、 显微组织和断口特征, 确定出了合适的焊 接工艺参数, 获得了其满意的焊接接头。



试验材料和方法
TLP 焊接试验在开放式瞬时液相扩散焊机上

进行, 采用中频感应加热, 用 Ar 保护, 机械式液压 加压, 压力设定在 0.65 ̄8MPa。加热速率: 900℃以 下, 40℃/s; 900℃以上, 20℃/s。焊接接头的拉伸和 弯曲试验分别按 GB/T2651-89《 焊接接头拉伸试验 方法》 GB2653-89《 和 焊接接头弯曲及压扁试验方 法》 WES-600W 万能试验机上进行。 在 焊缝组织观 察在 OLYMPUS-CK40M 金相显微镜下进行, 断口 扫描在 JXA-840 型扫描电镜( SEM) 上进行。 试验用母材为 !63.5 mm × mm 的钢管, 试样 5 中间层合金每层厚 连接端面精车, 并用酒精清洗。

12Cr2MoV 贝氏体耐热钢和 TP304H 不锈钢
是电厂锅炉管常用材料, 随着电厂锅炉向高参数、 大容量的方向发展, 12Cr2MoV与 TP304H 异种钢 管的焊接越来越多。 氩弧焊是解决这种异种钢管焊 接的有效方法, 但对焊工的要求高, 生产率低[4-6]。 本

收稿日期: 2008-03-27 作者简介: 陈思杰 (1964-) , 男 , 河南焦作人, 副教授, 硕士生导师, 博 士, 主要从事先进连接技术和相变理论的研究, 发表 论 文 13 篇; 电话: 0391-3983190 ;

度约为 25 μ , 母材和中间层合金的成分如表 1 。 m 试验用钢管的规格及常温力学性能 如表 2。 TLP 工 艺 如 图 1 所 示 , T1 为 双 温 工 艺 的 高 温 温 度 , T2 为保温温度, 若使用单温工艺, 则 T1 为零。

E-mail : chen_sijie@126.com

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Hot Working Technology 2008, Vol.37, No.11

上半月出版
表 1 母材和中间层合金的化学成分( 质量分数, %)

Casting· Forging·Welding 金属铸锻焊技术

Tab.1 Chemical compositions of base metal and inter layer alloy (wt%)
C 12Cr2MoV TP304H BNi2 Fe 基 Si Mn Ni Cr B Mo V Fe 0.12 0.20 0.55 0.10 1.8 - 0.30 0.23 其余 0.11 0.29 1.12 9.98 18.73 - - - 其余 - 4 ̄5 - 其余 6 ̄8 3 - - 2.5 ̄3.5 - 5.3 - - - 3 - - 91.7

的冶金结合。在不使接头及母材发生不希望的冶金 反应的情况下, 尽可能高些。和其它试样相比较, 2# 试样有很高的强度和很好的弯曲性能。焊接温度对 接头力学性能的影响如图 2。 可看出, 温度对接头强 度的影响规律是: 开始随着温度的升高, 接头的强度 不断增加; 当达到某一温度时, 强度达到最大值; 再 随着温度的升高, 接头强度开始下降, 在超过 1220 温度低于 1180℃时, 中间 ℃后, 接头强度迅速下降。 层对母材的润湿不够, 降熔元素扩散不充分, 故在

表 2 试验钢管的规格、 常温力学性能

Tab.2 Specification and mechanical pr oper ties of tested mater ial
牌号 外径 / mm 壁厚 / mm !b / MPa

!s / MPa ≥205 ≥343

" (%) ≥35 ≥18

TP304H 12Cr2MoV

63.5 63.5

5 5

≥515 ≥550

1200℃以前, 随着温度的升高, 接头强度不断提高。
而焊接温度高于 1200℃后, 由于奥氏体晶粒逐渐长 大, 在 1220 ̄1240℃温度区间尤为明显, 焊缝强度 迅速下降, 所以焊接温度选取 1200℃。
580 !b / MPa 560 540 520 500 480 460 1180 1200 1220 T/ ℃ 1240

T1=1260~1200

温度 / ℃

900

T2=1240~1180

0.25

0.25



加热时间 / min

图 1 TLP 焊接工艺 (压力为 1 MPa)

Fig.1 Process of TLP (stress 1 MPa)



试验结果与分析
不同工艺条件下的焊接接头力学性能如表 3

2.1 接头力学性能
所示。中间层采用 Fe 基 -BNi2-Fe 基三层 中间层 叠加的方式, 压力均为 1 MPa 。
表 3 焊接工艺与力学性能

图 2 焊接温度对抗拉强度的影响 Fig.2 Effect of bonding temperature on tensile strength

2.2 焊接接头的金相组织形貌
图 3 是不同焊接温度下焊接接头的显微组 织。当焊接温度为 1180 ℃ 时, 焊缝组织与母材界 限清晰, 接头中间层很少向母材扩散, 导致接头中 硼的含量过高而形成大量硼化物相。焊接温度达 到 1200 ℃ 时, 接头焊缝区中间层成分扩散区明显 加宽, 降熔元素向两边母材扩散, 由于硼在 Cr 中 的溶解度极小, 所以在母材一侧都出现了硼化物 相, 尤其是在 TP304H 钢一侧比较多, 两边母材晶 粒已跨越焊缝, 从而使接头性能提高。当焊接温 度达到 1240 ℃ 时, 由 于焊接温 度较高, 所以 元素 扩散很充分, 焊缝区已无金属硼化物, 母材中的扩 散也较好, 也没出现硼化物, 但由于过高的焊接温 度导致了奥氏体晶粒的粗化, 使接头性能严重下 降。 由于和两边母材靠近的中间层使用的是 Fe 基 中间层, 所以接头的组织连续性比仅用 BNi2 作为 中间层的组织连续性好。

Tab.3 The pr ocess of TLP and the mechanical pr oper ties of joint
序号 高温温度 高温时间 保温温度 保温时间

/℃ 1200 1220 1250 -

/ min 0.25 0.25 0.25 -

/℃ 1180 1200 1220 1240

/ min 3 3 3 3

σ / MPa b 570 580 560 470

弯曲 试验 不合格 合格 不合格 不合格

1 2# 3# 4#


所有接头均断于焊缝处, 但除了 4# 试样外, 其余的试样在 TP304H 一侧均发生了很大的塑性 变 形 , 尤 其 是 2# 试 样 , 甚 至 在 TP304H 一 侧 发 生 了颈缩现象。除了 2# 试样外, 其余试样弯曲性能 很差, 弯曲角度在 45° 之间。加热温度是扩散  ̄65° 焊最重要的工艺参数, 在一定温度范围内, 温度愈 高, 扩散过程愈快, 所获得的接头强度也愈高。但 是它又受到被焊材料、 夹具的高温强度、 焊件的相 变、 再结晶等冶金特性的限制。 而且温度高于某一 定值后, 再提高对接头质量提高不多, 甚至反会下 降, 因晶粒会长大。 扩散焊接加热温度的选择应保 证在短的时间内获得良好的焊接质量, 达到完全 《 热加工工艺》 2008 年第 37 卷第 11 期

2.3 断口形貌及分析
图 4 是不同焊接温度下焊接接头的断口形 貌。 焊接温度较低时(1180 ℃) , 中间层中降熔元素

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金属铸锻焊技术 Casting·Forging·Welding

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( B、 ) 扩散不充分, 其弯曲断口几乎全为解 理断 Si 口, 连接性能不好。 焊接温度为 1200 ℃时, 中间层 的扩散比较充分, 整个断裂区域为韧性断裂, 弯曲 角度达到 180°焊接温度较高时(1220 ℃) , 中间层 。 扩散很充分, 断口为典型的韧窝断口。

参考文献:
[1] Duvall D S,Czarski O W, Panlonis D F. TLP bonding: a new method for joining heat resistant alloys [J] . Welding Journal , 1974,53(4) : 203-214. [2] 曲 文 卿 , 张 彦 华 . TLP 研 究 技 术 进 展 [J]. 焊 接 技 术 , 2002 , 31
( 3 ) : 4-7.



结论
( 1) 采用瞬时液相扩散焊可以实现 12Cr2MoV

[3] LI Wen , JIN Tao, Sun Xiaofeng . Transient Liquid Phase Bonding of Ni-base Single Crystal Superalloy [J]. J. Mater. Sci. Technol , 2002 , 18 ( 1 ) : 54-56. [4] 常学军, 段春福 . 12Cr1MoV-1Cr18Ni9Ti 氩弧焊接工艺分析 [J]. 焊接, 2001 , ( 4 ) : 20-22. [5] 陈思杰, 李辛庚, 井晓天 . 耐热钢管的瞬时液相扩散焊工艺研
究 [J]. 焊接技术, 2005 , 34 ( 2 ) : 21-23.

贝 氏 体 耐 热 钢 和 TP304H 奥 氏 体 不 锈 钢 管 的 连 接, 接头成形好, 能达到母材的性能。 ( 2) 试验确定的最佳工艺为: 中间层为 Fe 基

-BNi2-Fe 基三层的组合, 采用双温工艺, 高温温度
为 1220 ℃, 高温阶段保温 0.25 min , 低温阶段保温 温度为 1200 ℃, 保温时间为 3 min, 压力 1MPa 。

[6] 陈 思 杰 , 王 英 . 异 种 钢 管 的 瞬 时 液 相 扩 散 焊 接 [J]. 热 加 工 工
艺, 2005 , ( 4 ) : 43-47.

[7] 张 剑 锋 , 姜 世 杭 , 金 朝 阳 . Cu 中 间 层 SiCp/Al MMCs TLP 扩 散
连接过程分析 [J]. 焊接技术, 2005 , 34 ( 1 ) : 12-14.

( 上接第 59 页) 较短, 扩散层相对较薄( 约 10μ ) 。 m 从图 2 可看出, 在结合面上, 由于冶金反应而形成

( 2) 当扩散焊压力 < 19.6 MPa 时, 随着 压力 的增加 , 焊着率急剧 增加; 而当压 力 > 19.6 MPa 时, 压力对焊着率的影响则逐渐减弱。 ( 3) 扩散焊时间愈长, 其扩散层愈厚, 易形成 脆性化合物, 基体晶粒长大, 时间应控制在 20 min 以下。 ( 4) 在 850 ℃ 、 min、 ~27.6 MPa 的 条 20 19.6 件下焊接时, 焊着率为 100% 。 ( 5) 在扩散焊接头界合面钛的一侧存在硬度 较高的 TiNi 化合物层, 在镍的一侧存在软化区。

TiNi 脆性金属间化合物, 在钛的一侧存在硬度较
高的 TiNi 化合物层, 在镍的一侧存在软化区。



结论
( 1 ) 扩散焊温度对于焊着率影响很大, 它是

促进材料原子扩散的重要因素。在有低熔点或共 晶元素参与焊接时, 其焊接温度应选温度下限, 即

0.6T 熔 。 62

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