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      真空中1Cr18Ni9Ti不銹鋼管焊接工藝技術

      2021-05-25 08:26:51

          奧氏體不銹鋼管具有優良的耐蝕性、耐熱性、低溫強度及良好的機械加工性能,廣泛應用于航空航天發動機關鍵零部組件的制造。奧氏體不銹鋼管的焊接性較好,多采用熔焊方法焊接。如孫國華采用焊條電弧焊實現了1Cr18Ni9Ti不銹鋼小徑管的焊接,并得到了實際應用,劉誠板采用自動熔焊接技術實現了錐形薄壁304不銹鋼方管的對接接頭焊接,張國偉等采用超窄間隙激光焊接技術實現了60mm304不銹鋼的焊接:熔焊技術相對成熟易于實現,但要求焊接接頭可達性好,對于發動機中某些大面積復雜連接構件或熔焊可性不好的不銹鋼零部組件的連接,熔焊技術則不易實現。

          真空擴散焊是金屬或非金屬在固態下靠相互擴散完成接的一種固連接方法,由于該技術采用軸向加加壓下溫控的方式實現,因此它是大面積復雜構件、多焊縫連接的一種優選方法:且母材不熔化,不會出現熔焊過程中產生的裂紋、氣孔等焊接缺陷,并獲得性能優良的焊接接頭。安子良研究了316L不銹鋼管擴散焊接頭的微觀結構和力學性能,將鎳片作為間層加入母材中間,提高了焊合率,改善了接頭的高溫韌性;李振鴻等研究了316L不銹鋼的顯微拉伸性能,指出316L不銹鋼管擴散焊接頭均從界面處斷開,是基于載荷施加后,界面滑移致使炸縫界面處的孔洞產生微裂紋并擴展發生斷裂。劉立凱等研究了316L不銹鋼的顯微疲勞性能,指出焊接界面處產生的孔洞是造成疲勞失效的關鍵因素。1Cr18Ni9Ti不銹鋼由于Ti元素的加入,增加了抗晶間腐蝕的能力,因此目前仍然在用。資料檢索含Ti元素不銹鋼管的真空擴散焊工藝研究報道較少,本文將重點研究1Cr18Ni9Ti真空擴散焊過程中不銹鋼管加中間層與無中間層接頭性能差異,分析探討界面孔洞的產生過程及機理,為工程應用提供技術基礎及研制保障。

          1試驗方法

          1.1試樣制備

          試驗采用1Cr18Ni9Ti不銹鋼管,機械加工40mmx10mm的焊接試件用于工藝試驗后的金相檢測。磨削加工試件待焊接面,使表面平整且粗糙度值低于1.6um,焊前被焊材料表面采用灑精去污處理,按照圖1的方式組合直接焊接或界面電鍍鎳層后,在美國Workhorse Ⅱ型真空擴散焊設備中焊接。首先將用于焊后拉伸強度側試的試件加:65mmx50mm的柱狀焊件組焊后,從其中線切割切取試樣,按照Q/ZB 197規定加工成如圖2所示的標準樣件。

         焊接工藝參數見表1,為了保證升溫均勻性,采用圖3所示階梯加壓的方式,研究待焊面狀態及焊接工藝參數對焊件焊合率的影響,分析接頭變形率與焊件焊合率的關系。焊后采用金相顯微鏡和掃描電鏡觀察焊件縱截面焊合情況,采用萬能拉伸試驗機進行接頭拉伸性能測試。

          2結果與分析

          2. 1待焊面狀態及焊接工藝參數對焊件焊合率的影響

          焊接采用了無鍍層、電鍍鎳(鎳層厚度約105m )兩種表面狀態,由表1分析得出,在相同的焊接規范下,無鍍層的擴散焊接頭相較于帶鍍層的擴散焊接頭結合情況差,如DW1DW3。中間層的引入,在初始施壓的過程中,界面的高低不平迅速被鎳層填充,克服了待焊表面粗糙度帶來的接觸不良現象,從而在相對較小的焊接工藝規范下發生元素的擴散:無鍍層時,在1Cr18Ni9Ti不銹鋼管表面粗糙度值一定的情況下,需要較高的溫度和壓力促使待焊界面達到充分接觸,才能實現母材中Fe, Ni元素的互擴散。因此與鍍鎳焊件相比,同樣的工藝規范會導致元素的擴散不充分,無法形成可靠的接頭。

          采用不同的表面狀態,在合理的焊接工藝規范下,均可實現焊合,如DW4-DW7,無鍍層焊縫組織如圖4a所示,帶鍍層的擴散焊接頭顯微組織如圖4b所示。圖中可見,無鍍層接頭寬度約0.45um,帶鍍層的擴散焊接頭寬度約為36um,界面均實現了原子間的結合。由于無鍍層的接頭寬度過窄,檢測設備所限,難以觀測到界面的顯微組織,僅顯示界面實現了結合:帶鍍層接頭可清晰觀測到接頭的顯微組織,圖4b所示帶鍍層擴散焊接頭發生了微區熱塑性變形異致的動態冉結晶,形成的焊縫處顯微組織與母材組織差異不大,呈現等軸晶粒組織,界面結合狀況良好。

          對帶鍍層擴散焊接頭進行能譜分析測試表明,1Cr18Ni9Ti不銹鋼管擴散焊接頭具有明顯的擴散特征,發生了Fe, Ni及Cr元素的擴散。且組織均勻,晶粒尺寸等級與母材晶粒相當或略小。

          2.2界面孔洞的產生機理探討

          帶鍍層的擴散焊接頭晶界及晶內分布著尺寸為微米級的微孔洞,分析認為,孔洞產生的原因有兩種:

          一是基于原子不同的擴散速度產生的Kirkendall效應形成微孔洞,由于Ni原子的半徑小于Fe原子的半徑,而其熔點高于Fe的熔點,因此根據擴散理論,Ni元素向Fe中的擴散速度大于Fe元素向Ni中的擴散速度,空穴來不及填充形成Kirkendall孔洞。二可能是由于擴散形成的脆性相經腐蝕或力作用卜脫落形成的微孔洞。為驗證孔洞產生的確切原因,擴散焊接頭未腐蝕情況下,金相觀察未發現孔洞,對斷口處孔洞處進行能譜分析,發現孔洞處Ti. C元素含量明顯高于母材含量。資料檢索表明Ti是強碳化物形成元素,1Cr18Ni9Ti不銹鋼管中的CTi在擴散焊接過程中形成脆性Tic,該脆性和腐蝕過程中脫落形成微孔洞。鍍層厚度的增加(5-10um增至15um左右),發現Tic脆性相焊縫中部向焊縫兩側遷移,表明鍍層增厚阻止了焊縫中部脆性相的生成,但焊縫兩側仍存在脆性相,接壓力增大無助于微孔洞的減少。后續力學結梁表明,該脆性和脫落形成的微孔洞可能會成為疲勞裂紋源。

          2.3接頭變形率對擴散焊接頭焊合率及力學性能的影響

          擴散連接作為一種精密焊接方法,可以準確地控制接頭的微變形量,接頭變形量與接頭質量有著直接的關系。不銹鋼管的擴散連接過程中,接頭的徑向變形率可直接反映被連接界面接觸和相互作用情況, 當接頭變形率較小時,斷口上尚有機械加工的痕跡,擴散作用不充分,其斷口韌窩小而淺,表現為接頭強度及延伸率較低,隨著變形最的增加,結合情況及接頭性能得到改善。對于鍍鎳層擴散焊接頭,在變形率小時,盡管金相顯示實現了100%焊合,但元素擴散不充分異致接頭力學性能較差,如DW1, DW7。因此,接頭變形率是判定擴散焊接接頭性能的重要指標之一。

          2.4不銹鋼管擴散焊接頭力學性能檢測結果分析

          無鍍層的1Cr18Ni9Ti不銹鋼管(DW4)擴散焊焊縫金相顯示實現了焊合,但常溫力學性能測試焊件直接從界面處拉斷,拉伸強度為450MPa,延伸率14%左右,為母材強度80%左右,帶鍍層的擴散焊接接頭從擴散層處拉斷,拉伸強度590MPa,延伸率達到44%。與母材的強度相當。 鍍鎳層的拉伸斷口表面為灰色,呈纖維狀,斷裂屬于塑性斷裂。呈現均勻的拉伸變形,斷口平整均勻,無明顯的縮頸現象。分析認為,帶鍍層不銹鋼擴散縫擴散層窄且晶粒尺寸相對母材細小,塑性強于母材,受兩側母材拘束度的影響,首先發生母材的塑性變形,隨著變形量的增加,從擴散層中薄弱區(如脆性相形成的孔洞處)拉斷形成斷口。對1Cr18Ni9Ti不銹鋼管擴散焊接頭斷口進行掃描電鏡分析 ,發現斷口中存在很多微型孔洞,且能講分析表明為TiC脆性相,因此分析認為斷裂起源于TiC脫落形成的孔洞處,在外力的作用下,由于強烈滑移,晶內或晶界的TiC脆性相脫落形成了顯微孔洞,這些顯微孔洞在拉應力的作用下聚集連接長大,新的孔洞不斷產生,最終異致焊件的斷裂。因此帶鍍層不銹鋼擴散焊接頭斷裂屬于微孔型斷裂、穿晶+沿晶混合型斷裂。

          3結束語

          a.其余焊接工藝參數一定的情況下,界面鍍鎳的焊接接頭組織性能優于不帶鍍層焊接接頭,界面無鍍層時,需采用較大的焊接參數才能實現接頭可靠連接。

          b.焊縫中微孔洞的產生原因為Kirkendall效應和焊縫中的脆性相TiC發生脫落,后者對接頭力學性能影響不大,但可能會成為疲勞裂紋源。

          c.接頭徑向變形率直接反映了擴散焊合情況,可作為接頭焊合與否的重要考核指標之一。實驗得出,對于40mmx 10mm不銹鋼試件,接頭變形率在6%-10%之間時,焊合情況較好,

          d.力學性能測試結果,帶鍍層不銹鋼管擴散焊接頭強度與母材等弧斷口屬于微孔型、穿晶+沿晶混合型斷裂。

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